低速重载车辆手动变速箱的设计

低速重载车辆手动变速箱的设计Design of Manual Transmission for Low - speed Heavy - duty Vehicles致谢三个多月的时间很快过去了，这次的设计让我收获了很多。短短的三个月，我学会了如何有效的查阅书籍，知道了如何一步步做好自己的设计、完善自己的设计，同时也提高了自己的绘图能力。 设计对我们来说是十分重要的，初始阶段比较迷茫，经过2个星期的资料查找，才对自己的设计有了一个大体的认知，那时我才意识到每一张设计图纸都是要付出很大的努力才能够完成的。虽然一开始很迷茫，但是在李老师的指导下很快找到了设计的方向，从而逐步完成。 这次设计，涉及到了大学几年所学的很多专业知识，让我对工程机械这个专业更加了解，同时自己的专业知识也有所提高。总之，这次的设计让我学到了很多，我的指导老师李中凯老师也比较严谨负责，对我们设计的每一阶段都严格要求，并提供了许多相关的技术资料，在此十分感谢李老师对我们的指导。同时也感谢同组的同学，在最艰难的时候，他们都给了我很大的帮助和支持。1、设计的主要内容设计低速重载型车辆手动变速箱，变速箱需具备4个前进挡，1个倒退挡，一个空挡，各挡的传动比必须符合作业对速度和牵引力的要求；换挡方便，不允许出现同时挂两个挡、乱挡、自动脱挡和跳挡的现象。变速箱的操纵机构设计包括换挡机构设计和锁定机构设计两部分。锁定机构设计包括自锁机构设计，互锁机构设计和联锁机构设计。设计过程中需要绘制输入轴、输出轴、齿轮、箱体等零件图以及总装配图，另外还要对齿轮进行强度校核；对轴进行强度和刚度校核；对轴承进行寿命和极限转速校核。2、设计（论文）的基本要求(1)在充分调研的基础上，填写开题报告表；(2)开题报告经指导老师审核通过后方可进行论文撰写；(3)按照XXXX大学本科毕业论文格式、字数要求进行撰写； 参考技术参数：发动机功率4.1Kw，发动机额定转速1500r/min。指导教师签字： 教学院长签字： 设计指导教师评阅书学生姓名学号设计（论文）题目低速重载车辆手动变速箱的设计指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日设计评阅教师评阅书学生姓名学号设计（论文）题目低速重载车辆手动变速箱的设计评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要课题来源于生产实际，依据机动车安全技术条件和汽车机械变速器总成技术条件，针对低速载货汽车的运行特点而设计。参与了汽车的总体设计，确定了汽车的质量参数，选择了合适的发动机，并且计算出汽车的最高速度。关于变速器的设计，首先选择标准的齿轮模数，在总挡位和一挡速比确定后，合理分配变速器各挡位的速比，接着计算出齿轮参数和中心距，并对齿轮进行强度验算，确定了齿轮的结构与尺寸，绘制出所有齿轮的零件图。根据经验公式初步计算出轴的尺寸，然后对每个档位下轴的刚度和强度进行验算，确定出轴的结构和尺寸，绘制出各根轴的零件图。根据结构布置和参考同类车型的相应轴承后，按国家标准选择合适的轴承，然后对轴承进行使用寿命的验算，最终完成了变速器的零件图和装配图的绘制。此变速器的齿轮都为标准齿轮，档位数和传动比与发动机参数匹配，保证了汽车具有良好的动力性和经济性。该变速器具有操纵简单、方便、传动效率高、制造容易、成本低廉、维修方便的特点，适合低速载货汽车的使用。关键词：低速载货汽车；变速器；设计Abstract The topic comes from the production reality, which is based on the safety specifications for power driven vehicles operating on roads and the specifications for the automobile mechanical transmission. It designs the low-speed trucks movement characteristic. The automobile quality parameters are determined, according to the automobile system design, choosing the appropriate engine, and calculating the maximum speed. When design the transmission, first, we choose the standard gear modulus and determine all speeds proportions after we choose the number of the transmissions gears and the first gear, then calculate the gears parameter and the center distance, and the gear needs the intensity checking calculation. We determine gears structure, then complete drawing of the gears component. According to the empirical formula, we preliminary carry on the checking calculation to each gears rigidity and the intensity to determine the axis structure and size, and thus draw up various axis component drawing. After arranged structure and compared with the similar type of vehicles bearing, according to the national standard, we select the appropriate bearings, and then calculate the service life of the bearings. Finally drawing of the component and the assembly of the transmission are completed. Because the transmission gear is the standard gear and the number of gears and speeds proportions match to the engine conditions, which ensure the necessary power and economy. This transmission has many merits of simple operation, efficient, easy manufacturing, low cost, and convenient.Key words: Low-speed Truck；Transmission；Design目录摘 要I目录III1 绪论11.1课题来源与背景11.2课题研究目的与意义12主要内容、研究方法42.1设计主要内容和要求42.2研究方法及主要方案43. 汽车主要参数的确定83.1 车辆质量参数的确定83.2 发动机的选型93.3车速的确定94基本参数的确定114.1 变速器的挡位数和传动比114.2 中心距124.3 变速器的轴向尺寸134.4 齿轮参数的确定134.5 各档位齿轮齿数的分配165齿轮的设计计算195.1 几何尺寸计算195.2材料及热处理195.3 齿轮的弯曲强度205.4 齿轮的接触强度216 轴、轴承的设计与校核266.1 轴的计算与校核266.2轴承的选择407 变速器的操纵机构497.1 操纵机构的作用497.2换挡位置图497.3变速杆的布置497.4 锁止装置508 环境影响、经济性和安全性分析54参考文献56翻译部分5784concents AbstractII1 Introduction11.1 Subject source and background11.2 Purpose and significance of research12 Main content, research method42.1 The main content and requirements of graduation design42.2 research methods and major programs43 Determination of the main parameters of the car83.1 Determination of vehicle quality parameters83.2 The selection of the engine93.3 Speed determination94 Determination of basic parameters114.1 The number of gears and transmission ratio of the transmission114.2 Center distance124.3 The axial dimension of the transmission134.4 Determination of gear parameters134.5 The number of gears of each gear is assigned165 Design of gears195.1 Design of gears195.2 Materials and heat treatment195.3 The bending strength of the gear205.4 Gear contact strength216 Shaft, bearing design and verification266.1 Calculation and verification of shafts266.2 Selection of bearings497 The operating mechanism of the transmission497.1 The role of the steering mechanism497.2 Shift position map497.3 The arrangement of the shift lever497.4 Locking device508 Environmental Impact, Economic and Security Analysis54References661绪论1 绪论1 Introduction1.1课题来源与背景（Subject source and background）传动系统是汽车的重要组成部分之一，变速器对汽车的性能有着十分明显的影响。传统机械式手动变速器最为普遍，虽然缺点很多，例如变速箱箱体尺寸较大，换档时所承受冲击较大，不便于驾驶员操纵等，但因其传动效率比较高，所以普遍应用于现代汽车制造。一个设计优良的变速器产品，能给汽车品牌一个良好形象。变速器的质量直接影响了汽车行驶的可靠性和生产的成本。1.2课题研究目的与意义（Purpose and significance of research）内燃机的广泛运用对汽车行业有着十分重大的影响。在这之后，变速器便成为汽车不可或缺的一部分。采用内燃机使得汽车的体积更小，工作更加可靠。汽车行驶过程中需要较大的扭矩变化范围，这与实际情况形成了一个很大的矛盾,这个矛盾仅仅依靠现代汽车的技术水平是不能有效解决的。为了达到减速增矩的目的以满足汽车的行驶要求，一般在汽车的传动系统中设有变速器。变速器的功能主要表现为下面两点点：(l)改变汽车的传动比，满足汽车转矩和转速变化范围大的需求;(2)能够实现空挡和倒档,汽车处于空挡时动力传递临时切断,使得发动机能够处于启动和怠速的状态。传统机械式手动变速器有着不可或缺的优点,相对其他变速器而言结构比较简单、紧凑,使用寿命较长,传动效率高达98%，其生产和制造成本低等。虽然优点很多，但是它的缺点也是不能忽略的，所以还是有很大进步空间的。所以加大力度研究动变速器变速传动机构对汽车行业的发展是很有意义的。近些年来,汽车技术在飞速进步着，道路上的车辆的也在不断增加,因此我们对变速器的性能要求也越来越高、越来越严格。在变速器的设计过程中，需要对其进行齿轮、轴、键等零件的强度以及刚度进行计算和校核。比如变速器中的齿轮,它是变速器中的最重要零件之一,在变速器中起到传递转矩的作用。因为车速是不停变化的，加上行车过程中频繁的换档,齿轮的实际运转工况一般比较复杂多变,也因此工作环境较为恶劣,所以我们需要对其进行科学准确的建模和强度计算。1.3与本课题相关的国内外研究现状（The status quo of research at home and abroad related to this subject）目前,国内变速器主要采用齿轮传动机构传递动力。齿轮是手动变速器的主要传动部件,由于其具有结构紧凑、效率高、寿命长、工作可靠和维修方便等特点,在运动和动力的传递等方面得到了非常普遍的应用,并且有关齿轮的设计方法也已经有了相应的规范和标准。然而随着对汽车节能环保和轻量化要求的提高,希望变速器在尺寸和质量尽量小的情况下,仍能够可靠地进行高速、重载的传递,同时具有更小的噪声,这些都对变速器的设计提出了更高的要求。但是传统的齿轮设计方法偏于安全,变速器内的部件,无论是齿轮还是轴等都显得过于笨重,己经不能满足当前变速器轻量化的发展需要,因此对手动变速器进行必要的优化设计,使整个传动机构既能保证具有足够的可靠性要求,又能保证具有最佳的使用性能,这些都是值得进一步研究的课题。近年来,随着汽车技术的飞速进步和道路车辆密度的不断增大,对变速器的性能要求也越来越高,设计研究中对变速器主要零部件的强度和刚度计算及校核的意义十分重大。例如齿轮,作为变速器中的重要零件,它起着传递发动机转矩的作用,由于车速的不断变化和频繁的换档,齿轮的运转工况较为复杂多变,工作环境较为恶劣,对其进行科学准确的建模和强度计算十分必要。众多的汽车工程师在改进汽车变速器性能的研究中倾注了大量的心血,使变速器技术得到了飞速的发展。(l)自动变速器发展趋势分析液力自动变速器己有60多年的历史,其优点是技术成熟、性能可靠,因此国外一直未停止对液力自动变速器替代品的研究与开发。对于电控机械式自动变速器,虽然世界上许多国家投入了研究与开发,但一直未见批量生产的报道,足见其进展的艰难。尽管电控机械式自动变速器产业化的进程不会一帆风顺,但前景是广阔的。在更能满足重型车的动力传递要求方面,电控机械式自动变速器更具发展的优势。(2)手动变速器发展趋势分析手动变速器的许多最近的发展集中在为降低成本和体积的新制造方法上。传统来说,变速器制造包含大量昂贵的机器,以及为机械加工和装配操作所需留出的空间限制的设计。最新的技术包括,如在最新的Fo心Getrag6档变速器中可以看到的激光焊接冲压钢滑动齿轮选择器轴套。为替代前一代变速器的铸铁拨叉,这种精致而坚固的设计方案可以导致更少的对内部的损害。齿轮盘片的激光和摩擦焊接同时保证了所需机器设计空间的降低,这是一种由雷诺公司在5档副轴圆型变速器设计中发明的技术,命名为EMI,曾在2000年展出并因为它的简单和轻便仅22公斤却能提供140Nm的转矩而出名。另一方面,设计人员也在其齿轮提供转矩输出的设计上进行了认真的研究,提高了耐久性和低噪声水平。从变速器的发展现状中我们可以看出,无论是自动变速器还是手动变速器都存在着优点和某些不足,所以对于一款新设计出的变速器进行适当的优化是必不可少的。传统的汽车变速器设计是采用许多经验公式计算和测绘同类型变速器来初步确定其参数,这样设计出来的变速器盲目性比较大,常过于保守。减小体积和质量,提高传扭能力,是当前汽车变速器优化设计的主要目的,因为减小变速器的体积和质量可减少制造费用,降低齿轮动载荷,提高齿轮寿命,使汽车的总体布置更为方便和灵活。目前用于变速器设计的专业软件如ROMAX和MASTA均带有优化功能,它可以对齿轮进行宏观的优化,如在速比不变的情况下,可通过优化齿轮的基本参数:螺旋角、模数、压力角,改变接触安全系数、弯曲安全系数的权值,提高重合度,以达到提高齿轮的接触安全系数及弯曲安全系数的目的。除了可对齿轮进行宏观优化外,也可以对齿轮进行微观修形,在齿形和齿向上进行修形,以降低齿轮的传递误差。目前的优化设计中,关于优化计算算法及程序经过科研工作者和设计人员多年的努力,已经做出了相当出色的工作,但是在优化设计建模,特别是适合于CAD技术的自动建模和优化计算结果的分析与评价方面的研究却比较落后,以致阻碍了优化设计在CAD/CAM中的应用。结合目前变速器产品设汁的全局来看,其优化设计多数还仅仅停留在确定设计方案后的参数优化计算方面。而面向变速器设计的过程,应将优化设计拓宽到全系统、全性能和全寿命周期的优化,它是适应产品设计、CAD技术发展需求和在现代科学技术支持下的优化设计技术的新发展。2主要内容、研究方法2主要内容、研究方法2 Main content, research method2.1设计主要内容和要求（The main content and requirements of graduation design）要求如下:(1)在充分调研的基础上，填写开题报告表；(2)开题报告经指导老师审核通过后方可进行论文撰写；(3)按照XXXX大学本科毕业论文格式、字数要求进行撰写； 参考技术参数：发动机功率28Kw，发动机额定转速3000r/min。2.2研究方法及主要方案（research methods and major programs）2.2.1设计方案（1）两轴式两轴式变速箱有输入轴和输出轴两根轴。在传动过程中在两根轴相互平行，输入轴与发动机直接相连，通过一对齿轮将扭矩传递到输出轴。因其结构简单、紧凑，一般应用于发动机前置、驱动轮前置或者发动机后置、驱动轮后置的汽车。发动机在整车上的布置方式有两种，分别为横向布置和纵向布置。当其横向布置时，可选用圆柱齿轮的方式传递扭矩；纵向布置时，可选用螺旋锥齿轮。但是两轴式变速箱有着较为明显的缺陷，首先不能布置直接档，其次当汽车挂高档的工作时，齿轮和轴会同时承受载荷，从而加剧齿轮的磨损，同时也会产生很大的噪声。（2）三轴式三轴式变速器是最常见的手动变速器之一。第一轴为动力输入轴，与发动机直接相连，第二轴为动力输出轴，将力矩传递到车轮上。将第一轴、第二轴轴直接连接起来可以直接传动，可作为直接档，也可以通过齿数不同的齿轮得到不同的传动比，进而实现档位的变化。处于直接档时，中间轴、各档齿轮均不承受载荷，而输入轴与输出轴也只用作传递转矩。工作时产生的磨损较小，因而效率很高、噪声也很小。除去直接挡外，其它各挡在传递扭矩的时候，需先经过中间轴，再传递到输出轴。所以在中心距较小的条件下，仍然可以得到较大的传动比。三轴式变速箱的一般应用场合为后轮驱动、发动机前置的汽车。 （3）液力机械式液力机械式变速器主要由液力变矩器、齿轮变速器、液控装置以及电控系统构成。工作原理为通过改变液体的动量矩来实现扭矩的传递。液力机械式传动系统的特点有以下几点：优点（1）操纵简便。液力变矩器可以当成是一个无级自动变速器，这时如果需要的扭矩不大于其本身的扭矩，就不需要更换其他档位；如果超过其扭矩变化范围，那么就可以用动力换档变速器来进行换挡。动力换档变速器在工作过程中，可以不切断动力直接进行换档，使操纵简易化，给人一个舒适的驾驶环境。 （2）提高了零件的使用寿命。因为其工作的介质是液体，所以相对于传统机械式变速器传动比较平稳，工作时振动冲击较小。所以零件磨损较小，使用寿命更长。（3）良好的舒适性。液力机械式变速器启动较为平稳，零件所受冲击较小，工作噪声较小，所以能给驾驶员一个良好的工作环境。（4）使汽车的适应性得到增强。当外在条件需要汽车提供足够大的牵引力时，例如汽车在爬坡时需要足够大的牵引力克服汽车的爬坡阻力，此时变矩器能够自动减速增扭，提供较大的牵引力。反之，当行驶阻力突然减小时，则提高车速，减小整车的牵引力。2.缺点相对机械式传动系统而言，液力机械式变速器的制作成本较高。其内部结构比较复杂，导致维修困难。此外，传递效率较低，需要特殊装置拖起发动机。2.2.2变速器确定方案目前，由于世界各国汽车制造技术以及使用条件是不同的，导致汽车上变速器结构差异较多，但是，一般变速器的结构形式仍有许多类似的地方。工作环境的差异导致变速器的结构差异，因此，变速器的设计应该与实际使用条件相结合，并尽可能的考虑到结构的系统化、标准化与实用化，最后确定一个比较合适的方案。现在汽车普遍采用三轴式变速器。本设计的具体形式，除了载重汽车的整体结构，以下因素也应纳入考虑范围：（1）变速器的径向尺寸。两轴式变速器的传动是通过一对齿轮的啮合来实现的。因为传动时只有两个齿轮，所以只能通过增大大齿轮齿数、减小小齿轮齿数的方式来增大传动比。所以一般两轴式变速器的径向尺寸较大。三轴式变速器的传动跟两轴式变速器的传动有着本质上的区别，其通过输入轴、输出轴与中间轴上两对齿轮的啮合来进行传动。因其输入轴与输出轴同心，所以即使中心距较小，也可以得到相对较大的传动比，可防止变速器的尺寸过大。（2）变速器的使用寿命。当两轴式变速器处于低挡时，其传动比较大。此时，传递力矩的两齿轮的尺寸相差较大，导致其工作循环次数相差很大。此时小齿轮的工作循环次数较大，所以其磨损也较大，使用寿命也会比大齿轮短。三轴式变速箱处于除直接档外的各个档位时，虽然其传动比较大，但是传动时经过两对齿轮，因此齿轮的尺寸不必相差太大。所以传递扭矩的几个齿轮工作循环次数相似，整体使用寿命较长。当处于直接档时，第一轴与第二轴相连，齿轮处于空转状态，并不会受到力的作用，所以也不会对齿轮的寿命造成影响。（3）变速器的效率。将输入轴（即第一轴）与输出轴（即第二轴）直接相连，可以得到传动比为1的直接档。在三轴式变速器中，直接档直接档效率较高而且没有功率损失。结合国内现状，低速载重型汽车一般是发动机前置、驱动轮后置的结构。结合所给任务书的要求和变速箱的特点，本设计最终选用三轴式变速箱（见图2-1）。 图2-1 三轴式变速器简图倒挡一般只会停车时更换，所以相对于其他档位使用次数较少。为简化驾驶员操作，提高操纵的便利性，可用直齿圆柱的方式切换倒档。相对于其他档位而言，一档和倒档的传动比较大，齿轮的受力较大，所以一档和倒档的齿轮磨损比较严重，同时也会产生较大的噪声。为了有效的避免这种情况，倒档和一档均可布置在轴的支撑处。倒档的布置如图2-2所示。图2-2 倒挡布置3汽车主要参数的确定3. 汽车主要参数的确定3 Determination of the main parameters of the car低速载重汽车在国内又被称为农用运输车，发动机一般柴油机。国家标准规定，低速载重型汽车最高设计车速n70km/h，最大设计总质量m4500kg，长6m、宽不大于2m和高不大于2.5m。根据实际工作需求，低速载重型汽车的载质量小于1.5吨。目前低速载重型汽车载质量分为1.5t、1.0t、0.75t、0.5t4个等级。本课题的载质量采用1.5t。本设计的内容是低速重载型车辆手动变速箱的设计，具体包括以下三个部分的设计：传动机构的设计，包括主要参数的设计以及校核；汽车换挡机构的设计；变速箱的整体结构设计。3.1 车辆质量参数的确定（Determination of vehicle quality parameters）汽车的整备质量利用系数： （3-1） 式中:汽车的载质量； 整车整备质量。 汽车总质量：汽车的总质量可按式（3-2）计算： （3-2） 式中：汽车质量；汽车的装载量；乘车的总人数。因为低速载重型汽车的发动是柴油机，查表得得质量利用系数为，其装载量是, 由公式（3-1）得： 低速载重型汽车的发动机通常为单排式,所以,其总质量可按公式（3-2）算出:本课题选用。3.2 发动机的选型（The selection of the engine）按照设计要求，选用YD480型柴油机，其优点如下：（1）驱动力较大。工作过程中具有较大的有效压力和传递扭矩，适用范围较广，具有良好的加速性能。（2）经济。台架试验机燃油油耗比小于0.2%，在小型采油机中处于领先水平。（3）舒适。振动小、噪声低。（4）可靠。采用CAD/CAE等先进设计技术以及先进的工艺方法，优化采油机关键零部件，使整机可靠性大大提高。（5）环保。满足三轮车和低速货车产品国II排放要求。其参数如下：最大功率29kw；额定转速3000r/min；最大扭矩104Nm。3.3车速的确定（Speed determination） （3-3）式中:柴油机最大功率，；车辆传动系统的传动效率，一般载货汽车可取0.9；车辆总质量,kg；重力加速度，；车辆的滚动阻力系数，一般货车取，对矿用车辆取。对高速车辆可按式进行选取；车辆最大速度，；空气阻力系数，轿车取0.4-0.6，货车一般取0.8-1.0.车辆的正投影面积，。车辆的投影面积具体值不易直接测量，一般可根据其前轮距、车辆总高、车辆总宽进行大致计算： 对轿车:， 对载货汽车:。由公式（3-3）得：算出, 按照国家标准规定，低速载重型货车的车速合理范围，所以本设计符合要求。4基本参数的确定4基本参数的确定4 Determination of basic parameters4.1 变速器的挡位数和传动比（The number of gears and transmission ratio of the transmission）本课题有四个前进挡，一个倒退挡。（1）三轴式变速器的最低档（即I档）可根据最大爬坡速度确定。由于汽车在爬坡时车速较低，所以其空气阻力可忽略不计。此时，汽车的行驶过程中不仅需要克服车轮与路面之间的摩擦力，还要克服由于重力导致的斜坡阻力。所以： （4-1）变速箱挡传动比可按式（4-2）进行初选： （4-2） 式中:汽车总质量；重力加速度；道路阻力系数；max道路最大阻力系数；最大爬坡要求；驱动车轮的滚动半径；发动机最大转矩；主减速比；车辆传动系统的传动效率，载货汽车可取0.9。主减速比i0的确定： （4-3）式中 车轮的滚动半径（单位：）；发动机转速，；变速箱最高挡传动比，取1；最高车速，。对于载重货车，其最大爬坡角度不超过30%，即，由公式（4-3）得：由公式（4-3）得： （2）根据车辆驱动轮与地面附着条件确定传动比变速箱挡传动比为： （4-4）式中：汽车满载时地面所承受的载荷；道路的附着系数，计算时取。对于的载重货车，当其满载时，地面的受力范围为 ，所以由公式（4-3）和公式（4-4）得：综上可得： ，取三轴式变速器的直接档一般设为最高档，有时用超速挡。挡传动比应根据上述条件确定。二档、三挡传动比可按式 （其中n为变速器的挡位数）进行初选。因为，所以，实际上与理论值略有误差，还需考虑参数的合理性。传动比确定后，即可进行其他基本参数的选择与计算。4.2 中心距（Center distance）中心距对变速器的尺寸有直接影响，所选中心距不但要满足变速箱的尺寸需求，还要保证齿轮的强度符合标准。对于三轴式变速器，其中间轴与输出轴的中心距A（mm）可按式（4-5）初选： （4-5）式中 中心距系数。对轿车取8.99.3；对货车取8.69.6；对多挡主变速器，取9.511；变速器处于挡时的输出转矩， （4-6）发动机最大转矩，；变速器的挡传动比；变速器的传动效率，取0.96。由公式（4-6）得：由公式（4-5）得:设计过程中，根据发动机的最大转矩按可式（4-7）直接算出中心距： （4-7）式中 发动机取最大转矩时的中心距系数，轿车取14.516.0，货车取17.019.5。由公式（4-7）得:对于商用车变速器，其中心距的合理范围为80160mm,本次设计初选中心距。4.3 变速器的轴向尺寸（The axial dimension of the transmission）变速器的轴向尺寸与齿轮的齿宽和数量、操纵机构的结构都有着直接的影响，设计时中心距A的尺寸可按照下列关系进行初选。货车变速器壳体的轴向尺寸：四挡初选轴向尺寸:对于货车变速器的壳体，其轴向尺寸应由其内部零件的整体布置决定。4.4 齿轮参数的确定(Determination of gear parameters)4.4.1 齿轮模数的确定齿轮模数不仅要满足齿面接触疲劳强度，还需满足齿根弯曲疲劳强度。合理的齿轮模数能使变速器的结构紧凑，避免浪费。直齿轮模数可按式（4-8）计算： （4-8）式中 计算载荷，； 应力集中系数，直齿齿轮取1.65； 摩擦力影响系数，对于主动齿轮可取1.1，对于从动轮可取0.9； 齿轮齿数； 齿宽系数，直齿齿轮取；齿形系数，参照图4-1，根据齿高系数f、压力角的值得出z=17时，y=0.118轮齿的弯曲应力，当时，对于直齿齿轮其许用应力为MPa。图4-1 齿轮的齿形系数y（压力角 ,）由公式（4-8）得：为了保证加工的便利性，同一变速器的齿轮一般选取相同模数。对于三轴式变速器，其模数的选择可以参照（表4-1）。表4-1 变速器齿轮的法向模数车型轻型轿车中级轿车中型货车重型汽车2.252.752.7533.504.54.506表4-2 车辆变速器常用齿轮模数（）11.251.5-2-2.5-3-1.75-2.25-2.75-4-5-6-3.253.53.75-4.5-5.5-3.25参照表4-1和表4-2中的标准模数，并且联系实际应用，选取。4.4.1齿形、压力角和螺旋角的确立对于三轴式变速器，齿轮的齿形、压力角和螺旋角可按表（4-3）进行选取。表4-3 齿轮的齿形、压力角和螺旋角 项目车型齿形压力角（度）螺旋角（度）轿车高齿并修形14.5、15、16、16.52545一般货车标准齿轮GB1356-78202030重型车标准齿轮GB1356-78低档、倒档22.5、25小螺旋角国家规定的标准压力角为20。本课题的所有齿轮均选用国家标准齿轮，所有齿轮的压力角均为20。4.4.3 齿宽、齿顶高系数的确定选择齿宽时候，需考虑以下三点因素：保证变速器的质量尽量轻；轴向尺寸紧凑；确保齿轮强度满足工作要求。通常齿宽可由式（4-9）计算得出： （4-9）式中 齿宽系数，直齿齿轮取，斜齿轮取；法面模数。在三轴式变速器中，输入轴上常啮合齿轮的齿宽可适当取大。不仅可以提高齿轮的受载能力，还可以使得传动更加平稳。由公式（4-9）得：,可以确定各挡的齿轮的齿宽。对于常啮合齿轮副，输入轴上的齿轮齿宽可取b=18mm，中间轴上的齿轮可取b=18mm。挡：中间轴上的齿轮齿宽取, 对应输出轴上的齿轮；挡：中间轴上的齿轮齿宽取, 对应输出轴上的齿轮；挡：中间轴上的齿轮齿宽取, 对应输出轴上的齿轮；倒挡：,。对于载重汽车，齿轮的齿顶高系数可取。因此，本设计所有齿轮的齿顶高系数均取。4.5 各档位齿轮齿数的分配(The number of gears of each gear is assigned)本设计的变速器传动简图如图（4-2）所示： 图4-2 本课题变速器结构简图确定挡齿轮的齿数已知挡传动比，且 （4-10）根据式（4-11）可确定7、8齿轮的齿数和：直齿齿轮： （4-11）由公式（4-11）得：考虑到实际情况，可取=59。本次设计均选用标准齿轮，齿数不能小于17，可初选，此时，。修正中心距A根据齿轮传动比可计算出齿轮齿数、，若非整数则需进行取整处理。确定、后，按式（4-11）重新计算其中心距，再根据每个档位的传动比计算出每个齿轮的齿数。由公式（4-11）得：确定 （4-12）确定了、后由公式和联立方程求解、 , 故；确定其他挡位的齿轮齿数挡齿轮副： （4-13）由公式（4-11）和（4-13）联立方程求解、。因为 ，所以先试凑、。、，此时。挡齿轮副： （4-14）由公式（4-11）和（4-14）联立方程求解、。因为，所以先试凑、。试凑出、，此时。确定倒挡齿轮副的齿数三轴式变速器选择倒挡模数时，可参照其一档模数。一般情况下，倒挡齿轮齿数=21-23。中间轴与倒挡轴的中心距可按式（4-1）计算： （4-15）初选,由公式（4-15）得: 为了避免齿轮8与齿轮9互相干涉，其齿顶圆之间应有大于0.5mm的间隙，则: （4-16）由公式（4-16）得: 又因为m=3.5，所以。最后计算倒挡轴与输出轴的中心距： （4-17）由公式（4-17）得: 表4-4 各挡速比挡位倒挡速比6.10:13.36:11.80:11:17.90:1经过上述计算，可得出每个档位的传动比（见表4-4）。5齿轮的设计计算5齿轮的设计计算5 Design of gears5.1 几何尺寸计算（Design of gears）常啮合齿轮： 挡齿轮： 挡齿轮副： 挡齿轮副： 倒挡齿轮： 5.2材料及热处理（Materials and heat treatment） 齿轮的材料是多种多样的，选择齿轮材料时需考虑以下几个方面：（1）齿轮的工作环境。例如在矿上机械中，机器的功率较大、齿轮的转速不高、工作环境比较恶略；所以矿山机械的齿轮一般采用铸钢或者铸铁等材料。而家用或者民用机械一般功率较小，但是对工作的平稳性要求较高，同时还要降低它的噪声。所以，家用或者民用机械多采用工程塑料等材料制造齿轮。因此，选择齿轮材料首先要考虑其工作环境。（2）齿轮的尺寸和加工工艺。若齿轮的尺寸较小，工况要求其具有较高的硬度，则一般选用锻造毛坯。若齿轮尺寸较大，普遍采用铸造毛坯。在加工过程中，可以通过表面淬火、渗碳等方式来提高齿轮的表面硬度。当齿轮材料为低碳钢或低碳合金钢时，普遍采用渗碳工艺来提高其表面硬度。而采用表面淬火对材料没有什么特殊要求。现代工业制作中，部分齿轮也可采用氮化的方式提高表面硬度。（3）对于正火碳钢，其制成的齿轮只能在比较平稳的环境下工作，其硬度无法支撑齿轮在载荷较大的情况下正常工作。如果齿轮在工作环境承受中等冲击载荷，则可以选用调制碳钢。（4）承受载荷较大的齿轮可选用合金钢作为材料。为提高齿轮的表面硬度以及耐磨性，国内一般采用渗碳合金钢作为汽车齿轮材料。在选择齿轮的材料及热处理时，首先要确保加工的可行性，其次还要考虑到生产的经济性。值得指出的是，为确保齿轮的弯曲疲劳寿命和接触疲劳寿命满足工作需求，可将齿轮进行喷丸处理。结合国内的基本行情，一般采用20CrMnTi作为齿轮材料。当然也有一些齿轮采用其他材料，比如45钢、35SiMn、40Cr、40CrNi等。为了提高变速器齿轮的表面硬度、消除内应力，不仅要对这些齿轮进行表面淬火以及渗碳处理，要求较高时还需进行回火。齿轮轮齿表面渗碳深度的标准如下： 渗碳深度0.81.2mm 渗碳深度0.91.3mm 渗碳深度1.01.6mm齿轮在经过淬火、回火处理后，要求其表面硬度达到HRC5763，心部硬度为HRC3248。结合实情，本次设计选用20CrMnTi作为齿轮的材料。5.3 齿轮的弯曲强度（The bending strength of the gear）直齿齿轮弯曲应力： （5-1）式中 计算载荷，； 应力集中系数，对于直齿齿轮，取1.65； 摩擦力影响系数，对于主动轮可取1.1，对于从动轮