中型货车变速器设计三轴式

湖南大学毕业设计论文 第 I 页中型货车变速器设计（三轴式）摘 要三轴式变速器由于具有体积小、原理简单、工作可靠、操纵方便等优点，故在大多数汽车中广泛应用。本次设计的目的主要是基于对机械原理、机械设计、AutoCAD 等知识的熟练运用和掌握，同时运用汽车构造、汽车设计、材料力学、互换性测量等学科知识，对三轴式变速器的各部件进行设计。首先，本文将概述汽车变速器的现状和发展趋势，介绍变速器领域的最新发展状况。其次，本文将对不同的变速器传动方案进行比较，选择合理的结构方案进行设计。再次，本文重点对变速器的两种重要部件轴和齿轮进行受力分析,强度、刚度的校核计算，以及为这些元件选择合适的工程材料及热处理方法。最后，本文将对变速器换档过程中的重要部件同步器以及操纵机构进行阐述，讲述同步器的类型、工作原理、设计方法以及重要参数。在附录中，本文还将给出进行计算的必要公式、表格及图形，供参考之用。关键词：变速器，同步器，轴，齿轮湖南大学毕业设计论文 第 II 页Design Three-shaft Transmission for Medium-duty Truck Author: Li BijunTutor: Lei ZhengbaoAbstractThree-shaft transmission is widely used most vehicle for its particular advantages ,such as small dimension ,simply theory ,good stability, conveniently operation .The purpose of my paper is based on the skillful of using mechanic theory ,mechanic design, AutoCAD. Meanwhile, my paper is incorporated structure of vehicle, design of vehicle, mechanic of materials, and survey of interchangeability. I will design the parts of three-shaft transmission.At first, I will give a summary of the current situation and the tendency of development of the vehicle transmission, and introduce the latest development state in the field of the transmission.The second, I will compare the transmitting scheme of different transmission, and choose a better structure scheme.Next, I will do some mechanic analyses, strength, stiffness check of the shafts and gears, which are the important parts of the transmission, and choose appropriate materials and heat treatment.At last, I will introduce the operation mechanism and the synchronizer, which plays an important role in changing gear. I will give an account of the type, operation, design procedure and major parameter of the synchronizer.At the supplement, I will write some thing like formula, tableau graph and so on. It may be helpful for the future design.Key words: Transmission, Synchronizer, Shaft, Gear湖南大学毕业设计论文 第 I 页目 录1 绪论11.1 变速器的设计意义及背景11.2 变速器的现状及发展趋势21.3 变速器的设计方法和研究内容52 变速器结构方案的设计62.1 两轴式和三轴式变速器62.2 齿轮安排72.3 换档结构方式82.4 倒档的结构方案及倒档轴的位置.83 变速器轴的设计.103.1 轴的设计.103.2 轴的受力分析与校核计算.134 变速器齿轮的设计.214.1 齿轮传动的失效形式.214.2 变速器齿轮设计步骤224.3 各档齿轮齿数的分配.264.4 齿轮的材料及其选择原则314.5 圆柱齿轮强度的简化计算方法.335 同步器设计.395.1 惯性式同步器.395.2 同步器工作原理.425.3 同步器的主要参数的确定.426 变速器操纵机构.466.1 操纵机构的功用.466.2 换档位置图466.3 变速杆的布置.46湖南大学毕业设计论文 第 II 页6.4 锁止装置.47结论.51致谢.52参考文献.53附录.54湖南大学毕业设计论文 第 1 页1 绪论1.1 变速器的设计背景及目的现代汽车的动力设置，几乎都采用往复活塞式内燃机。它具有体积小，质量轻，工作可靠，使用方便等优点。但其性能与汽车的动力性和经济性之间存在着较大的矛盾。大家知道，汽车需要克服作用在它上面的阻力，才能起步和正常的行驶。即使在平坦的柏油路上，汽车以低速等速直线行驶，也需要克服约占汽车总质量 1.5%的滚动阻力。 例如，NJ130 汽车，满载时总质量为 5360kg，其滚动阻力为 800N 左右。若需要满载汽车在坡度为 9%的道路上等速上坡行驶，仅上坡阻力就达 4824N。如果用发动机直接带动汽车驱动轮，则发动机需要发出2050Nm.的扭矩。而 NJ130 汽车发动机的最大扭矩只有 205Nm，此时，所产生的最大牵引力为 482N，和上坡阻力相差 10 倍之多。显然，如此小的牵引力，不仅不能上坡行驶，即使在平坦的道路上也不能行驶。另一方面，NJ130 汽车发动机，最大功率为 51.5kW，此时曲轴的转速为2800r/min。如发动机和车轮直接相连，则对应于该转速所换算的汽车速度，竟达到 458km/h.。显然，这样高的车速是不能实现的。上述发动机的扭矩、转速与汽车的牵引力、车速要求之间的矛盾，靠现代汽车的内燃机本身是无法解决的。为此，在汽车传动系中设置了变速器和主减速器。既可使驱动车轮的扭矩增大为发动机扭矩的若干倍，同时又可使其转速减小到发动机转速的若干分之一。此外，汽车的使用条件颇为复杂，变化很大。如汽车的载货量、道路坡度、路面好坏以及交通情况等。这就要求汽车的牵引力和车速具有较大的变化范围，以及适应使用的需要。当汽车在平坦的道路上，以高速行驶时，可挂入变速器的高速档；而在不平的路上或爬较大的坡道时，则应挂入变速器的低速档。根据汽车的使用条件，选择合适的变速器档位，不仅是汽车动力性的要求，而且也是汽车燃料经济性的要求。例如，汽车在同样的载货量、道路、车速等条件湖南大学毕业设计论文 第 2 页下行时，往往可挂入较高的变速器档位，也可挂入较低的档位工作。此时只是发动机的节气门开度和转速或大或小而已，可是发动机在不同的工况下，燃料的消耗量是不一样的。一般变速器具有四个或更多的档位，驾驶员可根据情况选择合适的档位，使发动机燃料消耗量减小。汽车在某些情况下，如进出停车场或车库，或在较窄的路上掉头等需要倒向行驶。然而，汽车发动机不能倒转工作，因此在变速器设立倒档。此外，变速器还设有空档，可中断动力传递，以满足汽车暂时停止行驶和对发动机检查调整的需要。对变速器的要求。除一般便于制造、使用、维修以及质量轻、尺寸紧凑外，主要还有以下几点：1）保证汽车有必要的动力性和经济性。2）设置空挡，用来切断发动机动力向驱动轮的传输。3）设置倒档，使汽车能倒退行驶。4）设置动力输出装置，需要时能进行功率输出。5）换挡迅速，省力，方便。6）工作可靠。汽车行驶过程中，变速器不得有跳挡，乱挡以及换挡冲击等现象发生。7）变速器应当有高的工作效率。8）变速器的工作噪声低。1.2 国内外研究状况及成果现代汽车工业的飞速发展以及人们对汽车的要求不断的变化，机械式变速器不能满足人们的需要。从 40 年代初，美国成功研制出两挡的液力-机械变速器以来，自动变速器技术得到了迅速发展。80 年代，美国已将液力自动变速器作为轿车的标准装备。1983 年时，美国通用汽车公司的自动变速器装车率已经达到了 94%。近些年来，由于电子技术和电子计算机技术的发展，自动变速器技术已经达到了相当高的水平。自动变速器与机械式变速器相比，具有许多不可比拟的优势：提高发动机和传动系的使用寿命；提高汽车的通过性；具有良好的自适应性；操纵更加方便。湖南大学毕业设计论文 第 3 页目前，国内变速器厂商都朝无级变速器和自动变速器方向发展，国内现已有好几款轿车已经应用上无级变速器，而重型汽车则采用多中间轴的形式，将低速档和高速档区分开。汽车行驶的速度是不断变化的，这就要求汽车的变速器的变速比要尽量多，这就是无级变速(Continuously Variable Transmission 简称“CVT“) 。尽管传统的齿轮变速箱并不理想，但其以结构简单、效率高、功率大三大显着优点依然占领着汽车变速箱的主流地位。在跨越了三个世纪的一百多年后的今天，汽车还没有使用上满意的无级变速箱。这是汽车的无奈和缺憾。但是,人们始终没有放弃寻找实现理想汽车变速器的努力,各大汽车厂商对无级变速器(CVT)表现了极大的热情，极度重视 CVT在汽车领域的实用化进程。这是世界范围尚未根本解决的难题，也是汽车变速器的研究的终极目标。围绕汽车变速箱四个研究方向，各国汽车变速器专家展开了激烈的角逐。1 摩擦传动 CVT金属带式无级变速箱(VDT-CVT)的传动功率已能达到轿车实用的要求，装备金属带式无级变速箱的轿车已达 100 多万辆。据报道：大排量 6 缸内燃机（2.8L）的奥迪 A6 轿车上装备的金属带式无级变速箱 Multitronic CVT ，能传动 142kw（193bhp）功率，280Nm 扭矩。这是真正意义的无级变速器。另一种摩擦传动 CVT(名为 Extroid CVT)是滚轮转盘式。日产把它装在概念车 XVL 上首次于去年东京车展展示，新款公爵(Cedric)车也装用这种 CVT。可与 3L 以上排量的大马力内燃机(XVL 的引擎输出为 330Nm/194kw)搭配使用，可谓汽车变速箱发展史上又一重要进步。从 V 形橡胶带 CVT 到 V 型金属带 CVT 再到滚轮转盘式 CVT，摩擦传动 CVT的研究已持续了整整一个世纪，尽管摩擦传动无级变速器的发展已经达到很高的水平，也已经装备上汽车达到了实用的水平。但齿轮变速箱依然占据着半壁河山，这至少说明了四个问题：（1）无级变速（CVT）是汽车变速箱始终追逐的目标。（2）摩擦传动 CVT 实现大功率的无级变速传动是极为困难的。（3）摩擦传动 CVT 传动效率低是必然的。湖南大学毕业设计论文 第 4 页（4）摩擦传动 CVT 的效率，功率无法与齿轮变速相比。2 液力传动人们经常把液力自动变速器（AT）和无级变速器（CVT）两个概念混为一谈。实际上这两种变速器工作原理完全不同。液力自动变速器免除了手动变速器繁杂的换档和脚踩离合器踏板的频繁操作，使开车变得简单、省力。但是, 液力自动变速器（AT）不是无级变速，是有级变速的自动控制，没有从根本上满足汽车对变速器的要求。从原始橡胶带无级变速箱到现代金属链无级变速箱、滚轮转盘式 CVT，百年大回转说明：无级变速箱是汽车变速箱的最终归属，液力自动变速器只不过是一种过渡产品。3电控机械式自动变速器电控机械式自动变速器(Automated Mechanical Transmission 简称“AMT“)和液力自动变速器（AT）一样，不是无级变速器，是有级变速器的自动换档控制。其特点是机械传动部分沿用了传统的有级变速箱，但控制参量太多，实现自动控制相当困难。 4齿轮无级变速器齿轮无级变速器（Gear Continuously Variable Transmission）这是一种全新的设计思想，是利用齿轮传动实现高效率、大功率的无级变速传动。据最新消息：一种“齿轮无级变速装置“(Gear Continuously Variable Transmission 简称“G-CVT“)已经试制成功，并已经进行了多次样机试验。“齿轮无级变速装置“结构相当简单，只有不足 20 种非标零件，51 个零件，生产成本甚至低于手动变速箱。预计今年进行装车试验。齿轮无级变速器的优势表现为：（1）传动功率大，200KW 的传动功率是很容易达到的；（2）传动效率高，90%以上的传动效率是很容易达到的；（3）结构简单，大幅度降低生产成本，相当于自动变速箱的 1/10；（4）对汽车而言，提高传动效率，节油 20%；（5）发动机在理想状态下工作，燃料燃烧完全，排放干净，极大的减少了对环境的污染。湖南大学毕业设计论文 第 5 页1.3 变速器的设计方法和研究内容在本次设计中，由于是对传统的变速器进行改进性设计，我们在设计中参考了东风汽车有限公司生产的 EQ1090E 和一汽集团的 CA10 两种类型的中型货车的变速器，采用了锁环式同步器与锁销式同步器相结合的换档方式。在设计中，我们除了对汽车变速器的结构进行了合理的布置外，还运用了材料力学、机械原理、机械设计等知识，对变速器的重要零件轴和齿轮进行受力分析，强度、刚度的校核，以及为这些零件选择合理的工程材料和热处理方法，同时也为变速器选择合理的同步器和操纵机构。在设计的初期，我们专门去东风公司的特约维修站参观汽车的整体构造尤其是变速器的各部件的功用；在设计的第二阶段，通过参考以上提及的两种类型的变速器，对变速器进行整体结构布置，校核轴和齿轮的强度、刚度，选择材料和热处理方法；在第三阶段的主要任务是绘制变速器的装配图和重要的零件图，确定个零件的精度等级及其它参数；最后，是对整体论文的编写整理整个设计过程中的各种资料，以及对前期设计中的错误做出修改。2 变速器结构方案的设计目前，汽车上采用的变速器结构形式是多种多样的，这是由于各国汽车的使用、制造、修理等条件不同，也是由于各种类型汽车的使用要求不同所决定的。尽管如此，一般变速器的结构形式，仍具有很多共同点。各种机构形式都湖南大学毕业设计论文 第 6 页有其各自的优缺点，这些优缺点随主观和客观条件的变化而变化。因此，设计人员应深入实际，收集资料，调查研究，对结构进行分析