三吨柴油动力货车设计（变速器及操纵机构设计）（全套含CAD图纸）
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车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 1 - 三吨柴油动力货车设计（变速器及操纵机构设计） 摘要 我设计的是题目是轻型货车的变速器及其操纵机构，发动机选用要任务是协助总体设计人员完成外形和总体布置方案，独立完成变速器及其操纵机构的设计。 变速器用于改变发动机的曲轴的转矩及转速，以适应在起步、加速、行驶以及克服各种道路障碍等不同行驶条件下对驱动车轮牵引力及车速的不同要求的需要。 在设计开始 时，根据发动机给 定 的转速和设计所要求的车速来求出总传动比，然后初步确定主减速器的传动比，以及变速器的各档传动比，通过转矩来确定中心距，用初选的传动比来 确定各齿轮的详细参数，之后确定实际传动比，并核算各齿轮是否满足弯曲强度和疲劳强度的要求，在画图过程中确定轴的实际尺寸和轴承的布置位置，然后计算轴的强度是否满足要求，之后通过转矩等条件计算各轴承的寿命。最后是把收集的外文资料进行翻译 。 关键词 ：变速器，转速，传动比，强度。车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 2 - F F is of a of is to to to of to at to on to of on of At of to of by in to of to to of of to in 辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 3 - of of of to of by 辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 4 - 目录 第一章 前言 1 第二章 变速器的结构设计 3 速器由传动机构与操纵机构组成 3 第三章 变速器的主要参数选择 5 数 5 动比 5 动比范围 5 定变速器中心距 7 轮参数的选择 8 数 8 力角的选择 8 9 9 位系数的选择原则 9 顶高系数 10 速器各挡齿数分配 10 定一挡齿轮的齿数 10 中心距 A 进行修正 10 10 定其他各档齿轮的齿数 10 第四章 变速器齿轮的强度计 算及材料选择 12 轮的设计计算 12 齿轮 12 齿轮 12 轮弯曲强度计算： 13 档倒档直齿轮 13 啮合，二，三挡斜齿轮： 14 轮接触应力： 14 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 5 - 第五章 结论 16 第六章 参考文献 17 第七章 致谢 18 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 6 - 第一章 前言 人们从事生产活动离不开汽车。在日常生活中，汽车特别是轿车是经常使用的交通工具。汽车工业出现的高科技多数在轿车上首先得到了应用。目前，轿车的产量、保有量占汽车总产量和保有量的绝对多数。微型客车的作用更 贴近我们的生活，为我们的家庭生活和工作带来了方便和舒适性。 现在人们对汽车提出越来越多的要求，尤其是对汽车 安全性提出更高的要求，达到乘坐汽车有安全感、愉快感，汽车发生碰撞事故是能够妥善地保护成员；对汽车提出居住性的要求，不仅坐在汽车里舒适，而且能与外面的世界进行信息交流。 当然，这些大都与汽车内部的传动系中的变速器的工作性能有关： 变速箱的功用及要求 1，功用：改变传动比，扩大驱动轮转矩和车速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有力的高效的工况下工作。 （ 1） 发动机旋转方向不变的前提下，使汽车实现倒退行驶。 （ 2） 利用空挡，中断动力传递以使发动机能够起动、怠速便于变速器换档 或进行动力输出。 2，分类：按传动 比变化方式、汽车变速器可分为有级变速器和无级变速器以及综合式三种。 变速器的基本要求： 来切断发动机的动力输出即发动机向驱动轮的传递。 汽车可以倒退行驶。 要时能进行功率输出。 力、方便快捷。 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。 作平稳。 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 7 - 3，主要结构形式 变速箱的结构类型是在适应不同作业机械的设计要求过程中产 生与形成的。例如不同类型的作业机械所从事的作业不同，因而对变速箱进退的排挡数以及变速范围的要求也不同，从而变速箱的结构不同。又如各种作业机械的变速箱，在作业中换挡操纵的频繁的程度也不一样，对作业中换挡操纵频率的变速箱，尤应考虑操纵轻便的问题，从而伴随着换挡操纵方式的不同，也就出现了不同结构类型的变速箱。 通常变速箱分为切断动力换挡的机械式变速箱和不切断动力换挡的动力换挡变速箱两大类 没，前者主要用于装有主离合器的机械传动系中，后者主要用于装有变矩器的液力机械传动系中。 从结构上变速器传动结构有两种分类方法。根 据前进挡数不同，有三、四、五和多挡变速器。根据轴的不同形式分为固定式和旋转式两种。固定式又分为两轴式、中间轴式和双中间轴式和多中间轴式 变速器。固定轴式应用广泛，其中两轴式变速器多用于发动机后置后轮驱动的汽车上，旋转轴式主要用于液力机械变速器。与中间轴式变速器比较，两轴式 变速器有结构简单、轮廓尺寸小、布置方便、中间传动效率高和噪声低等优点。因为两轴式不能布置直接挡，所以在高档工作时次论和轴承均载，不仅工作噪声增大且容易损坏。此外，受结构限制，两轴式变速器的一挡速比不可能设计很大。 在这次设计中所遇到的主要问题 是：变速器的结构选择， 各 挡传动比的确定、齿轮参数的确定、所用轴和齿轮的强度及轴承的校核。 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 8 - 第二章 变速器的结构设计 速器由传动机构与操纵机构组成 有级变速器与无级变速器相比，其结构简单、造价低廉，具有较高的传动效率（ =因此在各种类型的汽车上均匀得到了广泛的应用。 通常，有级变速器具有 3 个、 4 个、 5 个前进挡；重型汽车和重型越野车则采用多挡变速器，其前进挡变速器，其前进挡位数多达到 616 个甚至到20 个。 变速器挡位熟的增多可提高发动机的功率、汽车的燃料经济性及平均车速，从 而提高汽车的运输效率，降低运输成本。但挡位增加 也会增加变速器的尺寸和质量，使其结构复杂，制造成本高，操纵也复杂。当采用手动的机械式操纵机构时，要实现迅速换挡。对于多于 5 挡的变速器来说是困难的。因此，直接操纵变速器的挡位数上限是 5 挡。多于 5 个前进挡的变速器将使得操纵机构复杂化，或者需要加装具有独立操纵机构的副变速器，后者仅用于一定的行驶工况。 近年来为了降低油耗变速器的挡数有增加的趋势。目前，轿车的挡数一般在 45 之间，级别高的轿车变速器多用 5 个挡，货车变速器采用 45 个挡或者多挡 。装载质量在 2货 车采用 5 挡变速器，装载质量在 48t 的货车采用 6 挡变速器。多挡变速器多用于重型货车和越野汽车以及有特殊功用的专业用车等。 副变速器用于空、满载的质量 变化大、使用条件复杂、加之柴油机转矩变化平稳、适应性差而需要扩大传动比范围、增多挡位数以适应在各种使用条件下的动力性和经济性要求的重型车。为不使变速器的结构过于复杂和便于系列化，多以 4 挡或 5 挡的变速器与 2 或 3、 4 挡的副变速器组合，后者可装在变速器之前或后或前后。前置副变速器多由两对齿轮或行星轮机构组成，传动比较大，后置可减少变速器的尺寸及负荷其为 常用型。前后均置 的方案可以得到更多的挡位。主、副变速箱多联成一个单独的总成以便于拆装。主、副变速器可以分段或者交替地换挡，前者使两种传动比分段衔接；后者交替插入；也有降分段式与插入式结合成综合式得到传动比搭配。 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 9 - 有级变速器的传动效率与所选取的变速器的传动方案有关，包括传动动力的齿轮副数目 、转速、传递的功率、润滑系统的有效性、齿轮及轴以及壳体等零件的制造精度、刚度等问题。两轴式和三轴式的变速器得到了广泛的应用。 考虑到轻形货车的使用条件和要求，则此本次设计所选取的变速器结构方案为：采用中间轴式， 4+1 挡，无超速挡的变速方案。 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 10 - 第三章 变速器的主要参数的选择 数 ： 由任务书规定，本次设计的变速器挡数为 4+1，无超速挡。 动比 动比范围 变速器的传动比范围是指变速器最低挡传动比与最高挡传动比的比值 。传动比范围的确定于选定的发动机参数、汽车的，最高车速和使用条件（如要求的汽车爬坡能力）等因素有关。 本次设计选用发动机的参数如表 3 表 3发动机参数 型号 式 废气涡轮增压 汽缸数 程 4110 工作容积 定功率 /转速 88/3200 最大转矩 /转速 340/1600速稳定转速 750 工作顺序 1车选用轮胎的参数如 表 3 表 3轮胎参数 规格 准轮辋 许使用轮辋 辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 11 - 断面宽度 200直径 860胎双层厚度 带最小展平宽度 180带中部厚度 带边缘厚度 门嘴型号 一般情况下 r , 静力半径 用下列公式估算 s 0 . 0 2 5 4 + b ( 1 - ) 2 （ 3 d:轮辋直径； b：轮胎断面宽度； ：轮胎变形系数。 对于载货汽车和客车而言 = =d=16b=240 6/2+=9cmr 选择最低挡传动比时，应根据汽车的最大爬坡度，驱动车轮与路面的附着力、汽车的最低稳定车速以及主减速比和驱动车轮的滚动半径等综合考虑。 汽车爬坡时候，车速不高，空气阻力可以忽略，则最大驱动力用于克服轮胎 与路面的滚动阻力和爬坡阻力。因此有 t q m a x q 0 Tm a x m a xT i i = G f c o s + G s i （ 3 由此可以求出最大爬坡度要求的变速器 I 挡最大传动比为 m a x m a q m a x 0 f c o s + s i n ) i（ 3 式中， r驱动车轮的滚动半径； 发动机最大转矩； 0i 主减速比； 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 12 - T 汽车的传动效率； f滚动阻力系数； G汽车的质量； 由公式 知， 0i = u 因为本次设计的变速器没有超速挡，所以第 4 挡为直接挡，当出现最高车速时 , 则 200/95=公式 3 式中 ； G为满载时质量； T总传动效率； r滚动半径； f滚动阻力系数； 取 G 为 6t ； 汽车传动系各部分效率：变速器效率 95%，主减速器效率 96%，传动轴和万向节效率 98%，则计算出的总效率为 滚动阻力系数 f 取 带入公式可得 根据驱动车轮与地面的附着条件 , t q m a x g 0 T rT i i / r G 2 （ 3 满载时驱动桥给地面的质量为； 路面附着系数，此时取； 由此可以得到 综合取 初选变速器各挡参考传动比： 1。 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 13 - 定变速器中心距 中心距 A 的大小直接影响到变速箱结构的紧凑性。因此，在保证传递发动机最大转矩、齿轮有足够强度 、结构不布置有可能实现的情况下，应尽可能采用较小的中心距。 中心距 A 的值主要取决于两个因素： 承在变速箱壳体上布置得开，即所定中心距的值，应当保证变速箱壳和轴承空之间有必要的壁厚。 依据经验公式 3A T e m a x i 1 k （ 3 式中 间，取 9； g 取 96%， 则有 A=02轮参数的选择 数 ： 齿轮的模数是决定齿轮大小和几何参数的重要参数，直接影响到齿轮的抗弯曲疲劳强度。设计变速箱时选取的齿轮模数大多与以下因素有关： 1） 齿轮上所受力的大小。作用力大，模数也就要大； 2） 材料、加工质量、热处理的好坏。由于近年来我国齿轮制造技术的进步和热处理质量的升高使得变速箱上采取小的模数成为可能。 模数选择时一般轿车和轻中型货车的模数大多在 2间选取，在 本次设计中直齿轮模数取 3，斜齿轮的法向模数大多在 下， 所以本次设计中，斜齿轮的法向模数取 本次设计中一挡和倒挡使用直齿轮，其余挡位使用斜齿轮。 力角的选择 压力角较小时，重合度较大，传动平稳，噪声低；压力角较大时，可以提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。对于轿车，为加大重合度 以降低噪声，应采取 15、 16、 小些的压力角； 对于货车为提高齿轮的承载车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 14 - 能力，应选用 25等大些的压力角。 因为，国家规定的标准压力角为 20，所以变速箱大多采用 20为压 力角，预选直齿轮的压力角为 25，斜齿轮的压力角为 旋角 斜齿轮在变速箱里得到了广泛的应用，选取斜齿轮的螺旋角，应该注意到它对齿轮工作噪声、齿轮强度和轴向力的影响。斜齿轮选用大一点的螺旋角时，使重合度增加，因而工作平稳、 噪声降低。而且随着螺旋角的增加，轮齿强度也相应增高，但当螺旋角大于 30时，其抗弯强度骤然下降，接触强度继续上升。因此，从提高高档齿轮的接触强度来说应当选用较大的螺旋角。根据经验轻型货车的螺旋角一般在 18 26之间选取，故本次设计的齿轮螺旋角初选 24。 轮宽度 齿宽 b 的大小直接影响到齿轮的强度，在一定范围内， b 大强度就高，但变速箱的轴向尺寸和重量也增大。实验表明，齿宽过大时随着齿宽的增大齿面上载荷不均匀性也增大，反而使齿轮的承载能力下降。所以在保证必要强度的情况下，齿宽 b 不宜过大。 一般根据中心距或模数的比例系数来确定齿宽。 对于直齿轮 b=(8.0)取 对于斜齿轮 b=(8.5)取 对于常啮合齿轮则可以取大些，故取 8； 则各挡齿轮的齿宽如 表 3 3轮齿宽 一挡齿轮齿宽 b=6 3=18挡 齿轮齿宽 b=3=挡齿轮齿宽 b=3=挡齿轮齿宽 b=3=挡齿轮齿宽 b=6 3=18啮合齿轮齿宽 b=8 3=24 位系数的选择原则 齿轮的变位是齿轮设计中一个非常重要的环节。采用变位齿轮，除了为了避免齿轮产生根切和配凑中心距外，还影响齿轮强度，使用平稳性，耐磨车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 15 - 损、抗胶合能力和齿轮的噪声。 齿轮变位一般用高度变位和角度变位。高度变位可以增加小齿轮的齿根强度，使它达到和大齿轮强度相近的程度，但不能同时 增加一对齿轮副的强度，也很难降低噪声。角度变位齿轮副的变位系数不为零。角度变位具有高度变位的优点，又避免了高度变位的缺点。 为了降低噪声，对于变速器中一、二挡和倒挡以外的其他各挡齿轮的总变位系数要选用较小写的数值以降低噪声传动。 顶高系数 一般的齿顶高系数 一般的汽车变速器所采用。现代汽车变速器多用齿顶高系数大于一的 “高齿齿轮 ”（或相对于短齿齿轮而言而称为高齿轮）。因为，他不仅可以使重合度增大，而且在强度、噪声、动载荷和振动等方面均比正常齿高系数的齿轮有显著改善。但存在相对滑动速 度大、易发生轮齿根切或齿顶变尖等问题。 速器各挡齿数分配 定一挡齿轮的齿数 确定设计的一档齿轮为直齿轮，则 A/m=204/3=68 货车一档中间轴齿轮在 1217 之间选取，在本次设计中取 6，则一档大齿轮 6。 中心距 A 进行修正 由于 有发生变化，所以中心距不变。 定常啮合传动齿轮副的齿数 Z 8= i = 1 . 4 8 3 9 3Z 1 Z 7 由于常啮合齿轮为斜齿轮 c o s 2 0 4 c o s 2 4Z h = = = 6 2 . 1 2 1 6 2 则可得到 5， 7， 核算传动比 i=确螺旋角 Z 1 + Z 2 )c o s =2A,则 =辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 16 - 定其他各档齿轮的齿数 二档： 2125 2 . 6 1 8 7 1 . 7 6 9 46 3 7Z i 3 ( 5 6 )1022 c o s 2 4 综合得 5 3 9 , 6 2 2 . 4 3 由 25( ) (1 )1 2 6t g Z Z （ 3 得 核算传动比2 37 2 . 5 0 9i 同理可求三档 齿轮齿数 343 2 , 3 0 核算 传动比 为 3 1 8 7i 四档为直接档，所以不用计算齿轮齿数。 倒档： 初选齿轮齿数 10 23Z 中间轴与倒当轴的中心距 8 1 0( ) 3 ( 1 7 2 3 ) 6022m Z 选倒档传动比为 ， 89 119 9 6 4 ， 9 20Z ， 9 1 0 3 ( 2 0 2 3 )( ) 6 4 . 52A m Z Z 90 . 5 6 022D e D e 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 17 - 第四章 变速器齿轮的强度计算及材料选择 轮的设计计算： 齿轮： 齿形系数 y 可 查表得到； 齿顶高系数 1; 顶隙系数 c*= =25， 模数 m=3; 所得数据列于 表 4 表 4直齿轮参数 齿轮 7 齿轮 8 齿轮 9 齿轮 9 齿数 z 46 16 20 23 分度圆直径 （ d=53 51 60 69 基圆直径（ db=138 67 顶高（ ha=ha*m 3 3 3 3 齿根高（ c*)m 顶圆直径（ 2z)m 159 57 66 75 齿根圆直径（ 2c*)m 145 5 43 5 52 5 61 5 分度圆半径（ r=d/2 76 5 25 5 30 34 5 齿顶圆半径（ ra= 79 5 28 5 33 37 5 齿形系数 y 0 155 0 123 0 126 0 132 齿轮： 分度圆直径 d= 基圆直径 db=端面压力角 t= 齿顶高 ha=mn( 齿根高 hf=mn( 齿顶圆直径 2 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 18 - 齿根圆直径 df= 齿顶圆压力角 db/ 齿形系数 y 根据重合度查表得到； 齿顶高系数 1; 顶隙系数 c*= n=； 模数 m=3; 所得数据列于表 4 4斜齿轮参数 齿轮 1 齿轮 2 齿轮 3 齿轮 4 齿轮 5 齿轮 6 齿数 z 25 37 32 30 39 23 齿宽 d 24 24 22 5 22 5 22 5 22 5 螺旋角 24 25 24 25 20 06 20 06 15 64 15 64 分度圆直径 d 圆直径 顶高 3 3 3 3 3 齿根高 75 3 75 3 75 3 75 3 75 3 75 齿顶圆直径 根圆直径 形系数 y 轮弯曲强度计算： 档倒档直齿轮： w=2应力集中系数， 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 19 - 主动齿轮 从动齿轮 m=3； 经公式计算得结果列于表 4 4直齿轮弯曲强度 动） 动） 动） 动） Z 51 17 20 23 y w 啮合，二，三挡斜齿轮： w=2应力集中系数， ; 经公式计算得结果列于表 4 4斜齿轮弯曲强度 2 4 6 z 25 37 32 30 39 23 y w 辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 20 - 轮接触应力： 中 F=2Tg/d( =为 a 为标准中心距，则节圆直径 d 等于分度圆直径； E 为弹性模量， E=05， b 为齿宽； 直齿轮 z=b=斜齿轮 z=b=公式得到结果于表 4 4齿轮接触应力 d b z ( b) F 1 4 2 4 3 4 5 6 7 153 18 5 0 8 51 18 5 0 9 60 18 5 0 10 69 18 5 0 设计初始选用齿轮材料为渗碳合金钢，其在一档，倒档的许用应力为19002000，在常啮合、高档的许用应力为 13001400，所以所设计齿轮满足接触应力要求。 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 21 - 结论 这次毕业设计是在我们掌握了各种基础课程，如理论力学、材料力学、机械原理、机械设计 、汽车构造、汽车设计等课程的基础上多作的一次综合性设计，是对我们大 学四年所学知识的一种检验。使我们对所学的一些基本技能得到了培养，使我们了解了本专业的一些基本原理、设计方法和思路，为我们以后在自己专业领域内的发展奠定了基础。 在本次设计中，我是针对轻型货车变速器的设计。 对于本次设计的变速器来说，其特点是： 传动效率高，噪声低，齿轮和轴承的磨损减少。本着实用性和经济性的原则，在各部件的设计要求上都采用比较开放的标准，因此，安全系数不高，这是本次设计的不理想之处，但是，价格低廉，使用范围广的轻型货车在中国有着广大的前景，而且要求有大量的结构简单，价格低廉的变速器与之相配，因此 ，结构简单的可操控性好的变速器还是很有发展前景的。 紧张的忙碌的毕业设计已经接近尾声，这次设计对我们大学四年来的学习一次最综合的检验，也更是一次综合的学习过程。通过毕业设计使我不仅仅学习专业课知识而且也学习了不少相关的知识，提高了个人的学习能力。同时也锻炼了与人协作的精神为以后我们踏入社会工作打下了良好的基础。 车辆与动力工程学院毕业设计说明书 - 22 - 参考文献 1、 刘唯信 北京：清华大学出版社， 2000 2、 周纪良 1994 3、 王昆、何小柏、汪信远 北京：高等教育出版社， 1995 4、 徐 灏 设计手册 机械工业出版社
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