三轴七档手动变速器的设计（全套含CAD图纸）
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三轴七档
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购买后包含有 纸和论文 ,咨询 要 I 摘 要 变速器的作用是改变发动机的驱动轮上的转矩和转速 ,它能固定 或分档改变输出轴和输入轴转动比，又称变速箱 。变速传动机构和变速器操纵机构两个部分组成了变速器。汽车的一些 性能指标比如 燃油经济性、制动性、行驶平顺性、 使用年限 以及轻便性与稳定性、等都与变速器的整体构造要求有着密切的关系。 三轴式变速器因为具有质量轻、体积小、工作效率高、操作简单等优点，因此广泛应用于 一般大多数汽车 。本次设计主要研究了三轴式七档变速器，主要考察对机械原理、机械制造基础、 汽车 构造 、汽车设计 等科目知识的熟练掌握和运用，对三轴式变速器 零件的 详细认真的设计 ，并利用 等 制图 软件绘制总装配图和各个零件图等内容。首先，本文将叙述变速器的背景 及发展历史 ，介绍国内外变速器近年来总体发展趋势。然后，阐述 了 变速器 的 工作原理，与不同的变速器结构方案进行对比，最后确定完善 合理 的结构方案进行展开深入的设计。接着，先分析变速器的各档齿轮、轴、轴承结构形状， 然后做 简单的设计构思， 同时受力分析 齿轮弯曲 强度， 轴 的刚度 与 强度 并 校核 。结尾，本文 简单 叙述了变速器中 液力变矩器的设计 。 关键词： 三轴式 变速器；轴；齿轮；轴承；液力变矩器购买后包含有 纸和论文 ,咨询 I to on It as by a of as so to of of of is in of of of of of E of of of in it of to of to a at of of At of in 录 录 1 引言 . 1 选题的依据和意义 . 1 国内外发展状况 . 2 国外发展状况 . 2 国内发展状况 . 2 设计方法和研究内容 . 3 设计方法 . 3 研究内容 . 3 本章小结 . 4 2 选择变速器的传动方案 . 5 变速器的选择 . 5 变速器的径向尺寸 . 5 变速器的效率 . 5 变速器齿轮的寿命 . 6 传动方案的选择 . 6 零部件结构方案分析 . 7 齿轮种类 . 7 换挡机构 . 8 防自动脱挡方案 . 8 本章小结 . 9 3 变速器参数的选择及齿数的分配 . 10 概述 . 10 变速器挡数 . 10 传动比范围 . 10 计算各档传动比 . 10 目 录 计算中心距 A . 12 齿轮参数的确定 . 13 齿轮模数 . 13 压力角 . 13 斜齿轮螺旋角 . 14 齿宽 b . 14 齿顶高系数 . 14 确定各挡齿轮的齿数 . 14 本章小结 . 15 4 齿轮的设计 . 16 齿面接触强度计算 . 16 计算接触应力 H . 16 计算接触应力上限及下限 . 16 计算强度条件 . 17 齿轮弯曲强度计算 . 17 选择设计齿轮的材料 . 21 本章小结 . 21 5 轴和轴承的设计 . 22 计算轴的强度 . 22 计算轴的刚度 . 24 轴承的选择 . 25 输出轴轴承的选择 . 25 中间轴轴承的选择 . 26 轴径和轴长设计 . 27 本章小结 . 28 6 液力变矩器的设计 . 29 液力变矩器的基本结构 . 29 目 录 V 液力变矩器的工作原理 . 29 液力变矩器的性能 . 30 速比 i . 31 变矩系数 K . 31 传动效率 . 31 泵轮力矩系数 B . 33 转速差 . 33 穿透数 H . 33 液力变矩器的特点 . 33 液力变矩器的设计方法 . 34 相似设计法 . 34 经验设计法 . 34 理论设计法 . 34 本章小结 . 34 参考文献 . 36 致 谢 . 35 目 录 东协和学院本科毕业设计 1 1 引言 题的依据和意义 1、背景（依据） 从汽车 诞生之日起， 变速器就在汽车传动系中占据 着 十分重要位置。一般的汽车上都采用活塞式内燃机，因为转矩和转速变化波动稳定，无法满足汽车 各种复杂的使用条件 。为了 解决这个 问题 ， 必须要在 在传动系 中 设置变速器 ， 通过变速器来 改变这种矛盾的局面。 变速器在发动机和汽车之间主要起着连接与 协调 的作用，这样能大幅度提高汽车动力性和经济性两大指标。通过更改变速器的传动比，可以使汽车满足许多的工作条件从而得到众多不同 条件下 的牵引力和速度，同时使发动机在最高效率的条件范围内工作。通常情况下，变速器安置了倒挡与空挡功能，目的是在不改变发动机旋转方向的前提条件下汽车可以实现倒退行驶和滑行或停车时发动机和传动系能保持分离状态，同时，产生自锁及互锁装置，倒档安全装置，对接合齿发生倒锥齿侧措施，可使操作稳定，不跳档、乱档、自动脱档和误挂倒档；除此之外 变速器还可以进行动力输出。 2、目的及意义 随着科学和技术的不断发展，经济生活水平的提高，汽车行业慢慢成为我国支柱产业之一，越来越多的家庭购买汽车。同时随着我国加入 们逐渐过上了小康生活，小轿车、轻型重型货车开始走进众多平民家庭。 在中国，汽车行业起步较晚，但发展速度很快。改革开放后，中国的汽车行业面临着许多问题与机遇。随着我国汽车行业的迅速发展，以及机械制造行业持续快速的发展，如何设计出经济实惠，工作稳定，性能优越，且符合中国基本发展国情的汽车已经称为当务之急。除此我国还面临着前所未有的挑战， 因为在许多生产、加工、制造技术上，我国缺少一定的实际经验，因此年轻的我们要为我国的汽车工业及机械制造行业做出一份努力。 山东协和学院本科毕业设计 2 内外发展状况 外发展状况 1940年美国通用汽车公司首次将液力机械式自动变速器装车应用以来，液力机械式自动变速器的生产形成系列化和专业化。其发展之快，应用之广，以致于人们直接命名其为 自动变速器 (。 坐舒适性和简便的操作，在汽车工业中占有相当的地位。根据 “ 2014 国际汽车自动变速器技术及中国市场发展研讨会”和“ 2015国际汽车自动变速器技术 及中国产业研讨会”公布的资料显示：截止 2015 年底，全球的范围内的自动变速器市场份额占超过 80的地区和国家主要有美国，日本，澳大利亚，韩国等。而东欧，西欧，印度，中国，南非，南美，等国家的自动变速器的市场份额也都在 50左右。在上个世纪 6070年代，汽车变速器还是手动变速器的天下，如今随着经济，科技的发展，人们更加追求一种节能，高效，经济的自动变速器的发展与创新。 内发展状况 1、手动变速器 手动变速器，主要采用 齿轮 传动 的变速 原理 ，变速器内有多组传动比不同齿轮副，汽车行驶时的换挡就是操纵机构 使变速器 内不同的齿轮副工作。 经过长时间的发展，其设计原理和生产工艺、技术等较为成熟和稳定，技术难度相对于自动变速器较低。但由于手动变速器具有汽车起步 不平稳 ， 转速变化突然，发动机工作处于非稳定工况 ， 对传动系统会造成一定 动载荷 和冲击，驾驶员操纵频繁 等一系列缺点， 其市场 地位正在 逐步被自动变速器 所 取代 。 2、自动变速器 在自动变速器方面，由于自动变速器采用了不同于传统手动变速器的新工艺、技术和设计原理，国内厂家在自动变速器的研发上与国际先进水平存在较大差距。自动变速器 在美国汽车市场已经占据 了 主导地位 ，超过 90%的 车 辆装配自动变速器， 日本 新车则占据 80%左右，欧洲市场 也 超过了 40%； 中国 则在 35%左右，自动变速器已经成为中国乃至世界汽车首选。目前 中国 自动变速器 在 高档乘车上的装配率 已超过 80%，中档和低档乘车用车分别接近 60%和 40%。另有 报告显示 ，在重山东协和学院本科毕业设计 3 型货车 等 商用车上，自动变速器的 比例 呈上升趋势。 计方法和研究内容 计方法 在本次设计中，由于是对传统的变速器进行改进性设计 ,在给定的发动机最大转矩、转速及最高车速、发动机标定功率等条件下，主要完成变速器机构的设计，并绘制出变速器装配图及主要零件的零件图 。 （ 1）研究 汽车有限元分析、优化设计 基本理论 ，并将其与机械 制图 、机械设计、材料力学、计算机软件等相关知识结合，熟练运用 ； （ 2）熟练 运用 件 进行分析与建模 ； （ 3）运用有限元 软件进行 静力 分析，重点进行弯曲强度分析 ； （ 4）实现变速器 参数的优化设计 ； （ 5）加载 进行应力分析与结果分析 ； （ 6）研究汽车 机械 三轴 七档式变速器的 载荷； （ 7）研究汽车三轴七档 变速器 的 组成，结构与设计 。 究内容 本次设计主要是依据 给定的重型货车 有关参数，通过 对 变速器各部分参数的选择和计算，设计出一种基本符合 要求的 三轴七档 变速器。本文主要完成下面一些主要工作 ： （ 1） 参数计算。包括变速器传动比计算、中心距计算、齿轮参数计算、各 档齿轮齿数的分配； （ 2） 变速器齿轮设计。变速器齿轮几何尺寸计算 、 变速器齿轮的强度计算 、材料选择 、 计算各轴的扭矩和转速 、 齿轮强度计算； （ 3） 变速器轴设计。包括各轴直径 、 长度计算、轴的结构设计、轴的强度计算； 轴的刚度计算； 变速器轴承的 设计 ； （ 4）液力变矩器的 设计和选用 ； 山东协和学院本科毕业设计 4 （ 5）三轴式变速器的结构参数进行优化设计。 章小结 本章主要讲述了三轴变速器的背景依据和研究意义，以及近年来 三轴变速器的国内外发展的情况，同时还简单介绍了此次课题的研究方法和内容，这样有助于我们对三轴式变速器设计有个初步了解。 山东 协和学院 本科 毕业 设计 5 2 选择变速器的传动方案 目前 ，汽车上采用的变速器结构形式是各种各样的 ， 这是由于各国 汽车 的 制造 、生产、 维修 等条件不同，同时也与各种类型汽车的使用条件要求不同决定的。尽管如此 ， 通常的变速器的 结构与形式 ，仍具有许多共同点。 众多 结构形式都具有 各自 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 结合 实际 情况， 收集相关文献，展开 深入 研究，对结构方案进行分析比较，并尽可能地考虑到产品 的系列化，通用化和标准化，最后确定 较合适的方案。 速器的选择 速器的径向尺寸 两轴式变速器，它的前进挡均由一对齿轮传递动力，如图 2需要 大的传动 比 时，需将主动齿轮做的 较小 ，从动轮做的 很大， 故中心距与变速器的壳的相关尺寸 必然 变大 。三轴轴式变速器， 由 两对齿轮传递动力 ，如图 2在同样 传动比 的 条件下， 可将大齿轮的径向尺寸做得较小 因此，故 中心距与变速器的 壳 的相关尺寸均可减小 。 图 2速器传动 图 2动 速器的效率 对 两轴式变速器来说， 虽然可以有等于 1 的传动比，但仍要有一对齿轮传动，故有功率损失。而三轴式变速器，可以输出轴和输入轴直接相连，得到直接挡，故传动损失少，效率 高， 磨损小，噪声也较小 1。 山东 协和学院 本科 毕业 设计 6 速器齿轮的寿命 对 于 两轴变速器的低挡齿轮副来说，良莠不齐，悬殊较大，小齿轮经常 工作而 大齿轮很 相反，所以小齿轮的工作寿命比大齿轮的短。而三轴变速器的每个前进挡（除直接档 ） ，都是以常啮合斜齿轮形式传动，大小齿轮的径向尺寸差别不大，总体工作时间 和齿轮 使用 寿命 也很接近 。 每当齿轮直接挡工作时，只是空转并不传递动力 ，故 不影 响齿轮的工作寿命。 大多 数 小轿车和微型汽车，一般装配两轴式变速器；但 像是 中、重型载货汽车一般装配三轴式变速器。故本次设计的变速器选择三轴式 2。 动方案的选择 设计倒挡需留意下面三个问题： （ 1）挂入倒挡工作时能顺利 工作且 不可以干预其它齿轮工作； （ 2）在结构设计上，不挂入 倒挡 时，第二轴的齿轮不可以与之发生啮合； （ 3）倒挡齿轮 的结构及其轴的位置，应与变速器的整体结构方案同时考虑 。 本次设计分析了七种不同传动方案，如图 2 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) 图 2图 a 为大部分小客车常用的五档式传动 方案 。 图 处是倒档影响一档齿轮副，减少了输入轴 的 长度。山东 协和学院 本科 毕业 设计 7 缺点是有两组齿轮副同时发生啮合现象，换档难度增加 2。 图 c 为多数五档式 齿轮 ，优点 是 产生很大 的传动比，缺点是换档 方法违反了常理。 图 改善。 图 此 方案是一、倒档齿轮 合成体 。 图 应用于 全部 前进 档齿轮副 是 常啮合的齿轮 。 图 g， 弊端是一、倒挡须各用一根变速器拨叉轴，导致变速器中的同步器结构设计起来难度 增加 。优点适合 大部分 变速器 。 本次设计的传动方案： 综合以上几种三轴 式 变速器倒挡设计方案分析情况 ， 本次设计选择一、倒挡各一根拨叉轴方案， 即图 结构 方案。 部件结构方案分析 轮种类 变速器分 为 斜齿圆柱齿轮和直齿圆柱齿轮。 相比直齿圆柱齿轮而言，斜齿圆柱齿轮工作寿命更长、工作稳定、 产生噪声更低等优点；缺点是生产加工时稍微困难，使用产生轴向力，导致轴承寿命下降。变速器中的常啮合齿轮都是 选择 斜齿圆柱齿轮，但同时也 增 多 了常啮合齿轮数 ，进而增加了变速器的质量和转动惯量。直齿圆柱齿轮一般 只用在 低挡和倒挡齿轮中。倒挡齿轮副采用直齿，其它挡齿轮副均采用斜齿轮 3。 （ a） 直齿滑动齿轮换挡 （ b）啮合套换挡 （ c）同步器换挡 图 2山东 协和学院 本科 毕业 设计 8 挡机构 如图 2合套和同步器换挡三种。 直齿滑动齿轮换挡要求驾驶员具有 过硬 的操作技 术，比如两脚离合器这样才能保证换挡时齿轮无碰撞现象；换挡时间 漫长 ，易导致驾驶员注意力不集中，发生车祸等 意外事故 。虽然直齿滑动齿轮换挡形式结构简单，生产、加工与制造工作都很简单，且可以改变变速器旋转部分的惯性力矩大小，但最大缺点是除一挡、倒挡使用 频率很小 。 啮合套换挡无法解决换挡时的 碰撞 ，而且驾驶员必须有着 十分 熟练的驾驶技术。另外，由于啮合套和常啮合齿轮副的 增加设置 ，导致了变速器旋转部分的总惯性力矩逐渐变大。故，啮合套换挡方法仅适用 于重型大货车 和 一些 档位 要求较低的汽车上 。 同步器换档 快很准 、无 碰撞 、无 噪音 ， 同 时不对 驾驶员操作技术 任何 的要求，改善 了汽车的 动力 性、 燃料 经济性和行驶 平顺 性 等 性能指标。 与前面 两种换档方法 对比 ， 虽然同步器换档方法 结构 工艺繁杂 、精度高、 生产 困难 、 轴向尺寸大等弊端 ，但 采用同步器换档，其换档行程要比滑动齿轮与啮合套换档行程短，故 广泛应用 于 众多汽车上。 自动脱挡方案 接合齿轮的损失、轴承弯曲强度弱以及汽车 行驶时 颠簸震动等许多因素，皆能引发汽车 行驶 时自动脱挡。这个问题怎么解决，除了工艺生产上使用一些方法外 ，当前在结构上采取的可行且有效的措施为下面几种： （ 1）把相邻齿轮的啮合接触面分开 ，如图 2齿轮再次啮合时，使啮合齿轮顶部大于被啮合齿轮顶面的 作时两齿轮啮合的地方都受到挤压并逐渐磨损，并在接触齿轮顶部逐渐形成凸肩，可以有效地防止接触齿轮自动脱挡。 （ 2）把齿轮套齿座上前齿圈的齿厚切的稍微薄一点，如此一来换挡后啮合套的后端面便被后齿圈的前端面卡住，预防了自动脱挡的发生，如图 2示。 （ 3）把接触齿轮的工作面设计成倒锥角并加工成斜面形状（通常倾斜角度 3山东 协和学院 本科 毕业 设计 9 4 ），让接触齿轮面产生阻碍自动脱挡的径向力，如图 2种措施相对有效，适合大多数情况。另 外把接触齿轮的齿侧设计、加工成台阶形状，也会产生相同的上述效果 4。 (a) 接合齿位置错开 (b) 齿厚切薄 (c) 倒锥角工作面 图 2章小结 本章开始部分介绍了两轴式和三轴式的优缺点，但是三轴式变速器的径向尺寸、齿轮的寿命、传动效率等特点均优于两轴式变速器 ,所以本次设计选择三轴式变速器；然后本章设计并选择了最佳倒挡方案；接着介绍了变速器主要零件的结构工艺特点，即对齿轮设计，修正及换挡方案进行了深入研究；最后介绍了倒挡的设计和防 止自动脱挡方案的选择。 山东 协和学院 本科 毕业 设计 10 3 变速器参数的选择及齿数的分配 述 为了提高汽车的燃油经济性、驾驶动力性、行驶平顺性，起步加速性等性能指标，就必须要先了解变速器的挡数、传动比范围、各挡传动以及齿轮主要参数。汽车工作的比功率越大，行驶道路条件越简单，变速器的传动比范围越小。 表 3本参数 总体质量 最大质量 最高速度 最大功率 最大坡度 最大扭矩 驱动桥满载 变速器档数 10t 16t 95km/h 35% 180000N*m 速器挡数 随着环境污染加重和地球资源 的减少，为了响应节能减排号召，变速器的挡数逐渐开始 增加 。现在，大多数汽车装配 4 5 个挡位的变速器。通常排量大的重型货车变速器采用 5个以上挡。小轿车变速器装载 4 5个挡。一般情况下车的总质量在 质量大于 本次主要研究七挡变速器。 动比范围 变速器传动比是指变速器最高挡与最低挡传动比的比值。一般轿车的传动比范围为 型货车约为 它货车则为 7以上。为了使发动机在最有利的转速范围内工作，变 速器各档传动比之间的关系是基本几何级数。 本次设计 变速器的传动 比 范围 大于 算各档传动比 试选传动比： 山东 协和学院 本科 毕业 设计 11 设一挡为直接挡，则： (3式中： 最大车的速度 发动机最大转速 r 汽车车轮的半径 变速器最小传动比 0i 主轴减速器传动比 9550转矩系数 = = （ 3 由上述两式可得： 主轴减速器比 0i =根据汽车行驶基本公式： 20e m a x 汽车以最小速度在平稳路面行驶时： s in c o m a x g 即： 0m a o s （ 3 其中： G 汽车整体的重力， G=m 汽车整体质量， g 重力加速度， G=600060000N 汽车最大转矩， 0i 主减速器传动比，0i= 传动效率， T =90%； r 汽车的车轮半径， r = f 滚动阻力，重型货车取 f = 山东 协和学院 本科 毕业 设计 12 斜坡坡度，取 = 把以上参数值带入下式，得： 汽车行驶时，为了使驱动轮不打滑，必须使驱动力 驱动轮与路面的摩擦力。 r g 01G 2G 汽车满载时的载荷； 2G = 2m g=63%02817N； 道路附着系数，计算时取 = 把上述数值带入以下 公式，得： 1 取 1常各档传动比一般满足以下公式： 7665544321 32q 常数，即各档齿轮的比值， 61 ， 5i 2 ， 43 ， 3i 4 ， 25g ， 6 ， 17因此余下各档的传动比依次是： 1, 算中心距 A 齿轮中心距是变速器非常重要的参数之一，它对变速器整体尺寸和质量有很大的影响。一般根据下面公式初选中心距。 3 1m a x （ 3 A 变速器中心距（ 中心距系数，轿车取 型货车取 i 1 ）（和学院 本科 毕业 设计 13 对于多挡变速器， ； 最大转矩（ 1 变速器一挡传动比； g 变速器传动效率。 则， 37m a x = 0 试选中心距 A=199 轮参数的确定 轮模数 决定齿轮模数的因素有很多，其中最主要是载荷的大小。由于高档和低档齿轮载荷不同，因此高档齿轮和低档齿轮的模数也不同。从加工工艺角度出发，同一变速器中齿轮模数种类也不能过多。目前汽车汽车变速器通常是高档齿轮用一种模数，一档及倒挡用另一种齿轮齿轮，其他几档齿轮模数位于此二者之间。 一般情况下汽车总质量 质量择较低的模数值可增加齿数，方便换挡。 表 3车变速器齿轮的法向模数 车型 乘用车的发动机排量 V/L 货车的最大总质量 t VV14.0 数nm/计选择的齿轮模数应符合国标 3时满足强度要求。 结合表 3次设计齿轮的模数 力角 通常来说汽车，理论上为增加重合度减少噪音应选择 15、 16、 17、 较小的压力角；对于重型货车，为增强齿轮承载能力需选择 27或 26等稍微山东 协和学院 本科 毕业 设计 14 大些的压力角 5。 根据国家规定的标准压力角为 20。（啮合套接合齿压力角为 30） 齿轮螺旋角 变速器斜齿轮的螺旋角范围一般为 10 螺旋角太小，会使轴向力及轴承载荷过大。轿车要求变速器齿轮转速高，噪音低，因此螺旋角选小些。 宽 b 根据资料显示，齿轮宽度越大，承载能力越高。一般根据齿轮的模数来选择齿宽： 直齿 择范围 斜齿 使用同步器或啮合套换挡时，其接合齿的工作宽度试选时可取为 2 4 顶高系数 一般齿轮的齿顶高系数为 1，小于 1 的称为短齿齿轮。目前，齿顶高系数通常取 1，不但计算方便，而且提高了齿轮加工精度和降低了齿轮工作噪音。 定各挡齿轮的齿数 确定变速器齿轮的齿数时，应尽量考虑以下四点问题： 1） 尽量符合动力性、经济性等对各档传动比的要求； 2） 最少函数不应产生切根； 3） 互相啮合的齿轮，齿轮间不应有公因数； 4） 齿轮的齿数越高，齿轮传递的噪声也越低。 如图 3 山东 协和学院 本科 毕业 设计 15 图 3动 示意图 章小结 本章首先简单阐述了变速器设计过程中相关的重要参数，接着求出了主减速器的传动比，紧接着求出了变速器的各挡传动比；接着求齿轮的法向模数、压力角、螺旋角、齿宽 b、齿顶高系数四个主要参数；叙述了本次设计计算各档齿轮齿数的详细过程；最后根据计算出的齿数重头开始确定各档传动比，并对各档齿轮进行角度变换。 山东 协和学院 本科 毕业 设计 16 4 齿轮的 设计 面接触强度计算 算接触应力 H 基本公式： 1 式中： H E t N； 1d b 数。 算接触应力上限及下限 基本公式： m a xm a x （ 4 式中： 限； 山东 协和学院 本科 毕业 设计 17 N L ； 算强度条件 接触应力 高于许用接触力上限，则接触强度不够；若低于许用接触力下限，则过于安全。当 接近于上限还是下限，则表示强度储存不同。为了便于对计算结果比较，利用强度系数概念，强度系数用下面 下面公式计算， m 轮弯曲强度计算 图 4形系数图 （ 4 式中：w 弯曲应力（ 山东 协和学院 本科 毕业 设计 18 计算载荷（ K 应力集中系数，直齿轮取 齿轮取 摩擦力影响系数，主动齿轮取 动齿轮取 b 齿宽（ m 模数； y 齿形系数，如上图 4应用力为 400齿轮 )， 180齿轮 )。当计算载荷、倒挡直齿轮许用力强度在400 850常来说货车可取下限，承受两面变化载荷作用的倒挡齿轮的许用应力则取接近下限的值。 计算齿轮弯曲应力 w 的基本公式： （ 4 式中：载荷大小（ N； 齿轮法向模数（ 齿轮螺旋角度（）； K 应力集中系数，一般取值为 y 齿形系数，通过图表可查得； 齿宽系数，一般取 K 重合度影响系数，一般取 当计算载荷重型货车常啮合齿轮和高挡齿轮，许用应力一般处于 80 350一般轿车为 100 250 （ 1）第
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