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节能 动力 总成 量化 设计 改造

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节能车动力总成轻量化设计与改造,节能,动力,总成,量化,设计,改造

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毕 业 设 计（论 文） 设计(论文)题目： 节能车动力总成轻量化设计与改造 学生姓名：二级学院：班级：提交日期：目录目录摘 要IIIAbstractIV第一章 绪 论 11.1 课题研究现状11.2 轻量化的意义11.3 选题目的21.4研究内容2第二章 变速器的设计与计算42.1变速器主要参数的选择42.1.1档数42.1.2传动比范围42.1.3变速器各档传动比的确定52.1.4中心距的选择52.1.5变速器的外形尺寸62.1.6齿轮参数的选择62.1.7各档齿轮齿数的分配及传动比的计算72.1.8本节小结92.2变速器齿轮强度校核102.2.1齿轮材料的选择原则102.2.2齿轮损坏的原因及形式102.3变速器齿轮弯曲强度计算112.3.1变速器齿轮弯曲强度计算112.3.2轮齿接触应力校核132.4材料的选择及热处理152.4.1齿轮材料的选择原则152.4.2变速器齿轮轮齿表面162.5本章小结16第三章 轴的结构设计与校核173.1轴的结构和尺寸设计173.1.1初选轴的直径173.2轴的强度验算183.2.1轴的刚度计算183.2.2变速器输入轴和输出轴的刚度校核193.3输出轴的实体建模及有限元分析233.4轴承选择与寿命计算263.4.1输入轴轴承的选择与寿命计算263.5本章小结27第四章 箱体的设计及离合器的选择284.1离合器的功能及选择284.1.1离合器的功用及分类284.1.2离合器的选择284.2变速器壳体的设计294.3本章小结29第五章其他优化及结果305.1变速器的优化及结果305.2启动离合器飞轮的优化及结果305.3本章小结31第六章 结 论32参考文献33致 谢34II摘要节能车动力总成轻量化设计与改造摘 要随着社会的发展，基于现代的设计理念和科学措施，提出了汽车轻量化的概念，其指的是在设计方面去优化汽车的配置，或者在综合性能不被影响的基础上，利用新型材料制造汽车，使其重量被减轻，实现安全、减排、节能的目标。 本文的研究对象从变速器出发，依据其参数将汽车轻量化。参数如传动比范围、档数、各档传动比、中心距、各档齿轮齿数、齿轮参数等；确认变速器传动机构布置方案；设计校核齿轮、箱体、轴、轴承。实现汽车轻量化的目标。关键词：节能；轻量化；强度校核；变速器IAbstractLightweight Design and Renovation of PowertrainAbstractWith the development of society, based on the modern design concept and scientific measures, put forward the concept of lightweight car, which refers to the design to optimize the car configuration, or in the comprehensive performance is not affected on the basis of the use of new materials Manufacturing cars, so that its weight is reduced, to achieve safety, emission reduction, energy saving goals.The object of this paper from the transmission, according to its parameters to reduce the weight of the car. Parameters such as the transmission ratio range, the number of files, the file transmission ratio, the center distance, the number of gear teeth, gear parameters, etc .; to confirm the transmission transmission arrangement; design check gear, box, shaft, To achieve the goal of lightweight car.Key words:：energy saving;lightweight;strength check;transmissionI第一章 绪论第一章 绪 论1.1 课题研究现状 十多年以来，无论是市场方面还是技术方面，汽车行业都发展迅速，同时，由于汽车产业集群效应，工业也在不断进步，我国汽车制造已跻身于世界主要制造区之一，对于汽车产业的发展有着不可替代的作用。近年来，中国的现代化脚步加快，这对于汽车行业来说，是一个重要的发展机会，它将具有更大的社会影响力。但是，汽车并不是完美的，它存在着很多弊端，诸如尾气排放造成的空气污染，能源短缺对生态环境的影响，在享受便捷的同时，这些问题同样不可忽视。节能和环保是当今汽车技术的主流方向。轻量化是这个时代提出来的，可持续发展与环保和节能脱不了干系。汽车的燃油消耗与汽车自身总质量成正比，所以要想减少燃油消耗，在安全的前提下如何减轻汽车自身重量成为一个重要的话题。1.2 轻量化的意义 有关资料显示，如果想提高汽车的燃油效率1015，必须要降低其整体性能20%；如果想提高5%的燃油效率，可通过减少20%的滚动阻力实现；如果想提高15%的燃油效率，可通过提高20%的变速器、车桥等机构的传动效率。显而易见，轻量化带来的最显著的特点就是燃油消耗减少。30%的汽车总重量是汽车车身重量，在不载任何物品时，车身重量大约消耗了70%的燃油，所以，燃料经济性需要在汽车质量减轻的基础上得以实现。并且，汽车的防碰撞系统和操控稳定性会下轻量化的基础上有所改善。减轻底盘的重量有利于防止汽车颠簸，提高了稳定性；同时轻量化材料能吸收冲撞能量，碰撞安全性也能得到提升。轻量化如何落地，成为新世纪汽车技术的一个重要话题。必须在汽车的安全性能和强度不下降的基础上，进行汽车轻量化的设计，设计的目标是汽车的整备质量得到减轻，使汽车具有高动力，同时做到节能减排。汽车轻量化技术发展迅速，体现为： 1.轻质材料的比重不断攀升，现在有镁合金、碳纤维，随着工业的发展，越来越多的新型材料将进入人们的视野，它们将会在轻量化的发展历程中，通过组合的方式，一起发挥出自己的光和热，这也符合未来汽车制造需要混合使用多种材料的趋势。 2.零部件的模块化设计水平逐渐高升，在结构方面也有较大突破，比如使用超轻悬架结构、高刚性结构、前轮驱动等用于汽车制造，实现轻量化，在技术方面也有所突破，诸如在结构分析和计算机辅助集成技术（CAX）（包含CAO/CAE/CAD）上有新的进展。 3.汽车轻量化促使汽车制造业不断更新创造比如在成形方法上和联接技术上。 4.整车重量目标制定很关键，一般分为以下几种：体积密度法、尺寸推算法、统计分析法、竞争力分析法、挑战法和油耗反推法。 汽车轻量化的主要途径是： 1.缩小汽车的尺寸。在内部空间尺寸基本不变的前提下缩小外形尺寸，可减少材料消耗，减小质量，同时还可减少占路面积和停车面积； 2.采用轻质材料。如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等； 3.采结合Hypermesh有限元前处理软件和Optistruct拓扑优化软件来实现多种优化方案的实现及比较。如采用有限元分析、局部加强设计等； 4.采用承载式车身，减薄车身板料厚度等。 5.汽车主流规格车型持续优化，规格主参数尺寸保留的前提下，提升整车结构强度，降低耗材用量； 进行汽车轻量化设计时,首要任务是制定工程目标:确认其传动机构布置方案，然后选择关键参数，对变速器的组成部分进行核验，包括齿轮、轴承等，并对离合器、操纵机制进行进一步的方案设计。1.3 选题目的 以轻质化、整体化、精简汽车部件为目标，分析汽车的总体构造，同时提出改进意见，基于材料属性的差异，配合多种材料共同使用，组成汽车的零部件，使零件的功能和所用的材料都处于最优配置。最后，在新型材料的使用和结构设计的优化基础上实现安全、环保、节能、轻质的目标。设计该课程，对过去掌握的知识有巩固作用，进一步了解汽车的构造、原理和结构设计，应用CAD和PRO/e等软件，有利于将来的工作需要，将理论付诸实践。1.4研究内容 1.本设计的主要内容:（1）变速器结构的总体布置及工作原理。（2）变速器的结构方案设置、各档齿轮的设计及其校核，确定各档传动比 （3）改制变速器各机构，使其达到轻量化。 （4）有限元分析，整体优化设计。 （5）利用CAD、Pro/E等软件绘制工程图、建立实体。 2.拟解决的主要问题： （1）掌握汽车变速器的结构。 （2）掌握汽车变速器各零件的设计方法。 （3）变速器各档齿轮的校核，有限元分析。35第二章 变速器的设计与计算 第二章 变速器的设计与计算2.1变速器主要参数的选择 在车轮实际行驶速度和发动机的转速中协调统一，调节速度的装置是汽车变速器，能使发动机的性能达到最优。它在汽车传动系统中处于不可替代的地位。其通过调节车轮和发动机的变速比，换挡可以使汽车达到最优行驶状态，发动机的性能也得到了最好发挥。本文参照的节能车参数，如表2.1所示。表2.1 节能车的主要技术参数发动机最大功率6.6kw车轮半径0.25m发动机最大转矩10 Nm最大功率时转速7750 r/min最大转矩时转速6000r/min最高车速55km/h总质量50kg档位四档2.1.1档数 设置越多的档数，就使燃油经济性提高一个阶梯，发动机有更大的概率在低耗区工作。所以近些年研发人员希望通过档位数的增加来降低油耗。变速器是根据汽车的排放量设计的，45个档位是乘用车的标配，但排放量大的会在其基础上增加5个挡。45个档或多档通常适用于商用车。货车载货量达到4.08.0t的，通常使用6挡变速器，2.03.0t的，通常使用5挡变速器。而本次的毕业设计并非汽车，节能车最重要的是节能，所以通过减去多余的档位来实现轻量化。因为经济转速为4000-5000r/min，观察下文3个因素：1.车身空间小，保证材料的最佳选择 2.驾驶员不能完全熟悉换挡机构。另外车内空间很小，驾驶员操作空间有限。 3.节能车滑行速度差小 最佳的节油方案就是选择两个档位。所以本次设计改造的变速器由4档降为2档。2.1.2传动比范围 变速器最高档和最低档的比值称为变速器传动比范围。传动比是1.0的变速器，直接挡就是最高档；传动比为0.70.8的变速器，超速档就是最高档。有以下因素可能会干扰选择最低档传动比：驱动轮的滚动半径和主减速比以及汽车要求的最低稳定行驶车速、驱动轮对路面的附着力、最低稳定转速和发动机的最大转矩以及满足规定的最大爬坡能力等。3500-5000r/min是本田WH125-B型发动机的首选，依照等比级数原理，有以下公式计算汽车各挡传动比： 式中：常数，也就是各挡之间的传动比；由此可算出，节能车变速器各档之间的传动比：2.1.3变速器各档传动比的确定1.主减速器传动比的确定 发动机转速与汽车行驶速度之间的关系式为： （2.1） 式中：汽车行驶速度（km/h）；发动机转速（r/min）；车轮滚动半径（m）；已知：节能车为了减少更多的燃油消耗率，获得比较小的滑行速度差所以选择车速=30 km/h；传动比=2.5；所选用的车轮滚动半径的轮胎规格为=316(mm)；发动机转速为4700（r/min）；主减速器传动比计算公式观察公式2.1可以得出：变速器传动比链传动传动比 因为=5.65，所以传动比分配：，符合传动比的范围。2.1.4中心距的选择 初选中心距可根据经验公式计算：式中：变速器中心距（mm）；中心距系数，乘用车=8.99.3；取9.1发动机最大输出转距为9.68（Nm）；速器一档传动比为2.5；变速器传动效率，取98%。先取A=39mm。2.1.5变速器的外形尺寸由换挡结构的设计和倒挡中间齿轮以及齿轮直径综合考量，初步确认变速器的横向外型尺寸。在确认变速器壳体轴向尺寸的过程中，需要考虑以下三个因素，齿轮形式、换挡机构以及档数。乘用车变速器壳体的轴向尺寸可参考下列公式选用： 初选长度为140mm。本次设计为轻量化改制，导致实际尺寸与理论尺寸有一定的误差。2.1.6齿轮参数的选择1.模数通常情况下，要考虑多个方面去进行齿轮模数的选择，齿宽增加，模数减少有利于减少噪音；齿宽减少，模数增加有利于减少质量；每个档的齿轮模数相同，对于汽车的工艺上有所美化；每个档运用模数不同，对于汽车的强度考量有好处。同时，不同的车种应采取不同的模数选择方案，较小的噪声应该是轿车的首选，较轻的质量应该是货车的首选。本次使用的是节能车变速器，只可以通过汽车的计算公式来得出模数。表2.2 汽车变速器齿轮的模数车 型乘用车的发动机排量V/L货车的最大总质量 1.0V1.6 1.6V2.5 6.0V14模数/mm 2.252.75 2.753.003.504.504.506.00表2.3汽车变速器常用的齿轮模数一系列1.001.251.52.002.503.004.005.006.00二系列1.752.252.753.253.503.754.505.50 根据发动机排量的不同，轿车选择模数也存在差异，表2.2和2.3都使用直齿轮，然而在模数的选择上存在差别。2. 压力角 齿轮的表面接触强度和抗弯强度与压力角息息相关，当选择较大的压力角时，将有利于以上两种强度的提升，；当选择较小的压力角时，有效的减少了噪音，同时保证了稳定的传动。 不同的车种应根据需求选择不同的压力角，汽车主要是减少噪音，所以在压力角的选择上也应该选择小的，诸如15、16等。货车主要是增加工作强度，在压力角的选择上要选大的，诸如25或者22.5。 日常生活中大多数采用的压力角为20，那是因为国家规定的标准压力角为20。同步器或者啮合套通常会选择30、25、20等压力角，最常用的30。为了使本研究进行的更加简单便捷，变速器的压力角全部都使用20。3.齿宽 变速器的齿轮工作时的受力均匀程度、齿轮工作平稳性、质量以及都会受齿宽的影响。为了减小变速器轴向尺寸和质量，需要选一个小尺寸的齿宽。但是，如果减小齿宽的话会降低斜齿轮的稳定性。为了保证轴承承受的轴向力增大，导致其寿命周期下降，不建议使用增加齿轮螺旋角的方法给予补偿。并且如果齿宽太小的话还会增加齿轮的工作应力。可稍微大点的齿宽容易变形使齿轮变歪斜，导致某一点受力较大而受损坏。齿宽的选定一般由齿轮模数的大小来决定。 直尺齿，取为4.58.5，则取104. 齿顶高系数工作噪音、齿轮强度、齿轮相对滑动速度、齿轮根切、齿顶厚度以及重合度都是受齿顶高系数的影响的。如果运作时噪音较大，重合度小的话就意味着齿顶高系数比较小。齿轮弯曲能力随着它受到的弯矩的减少而减少。曾经因为齿轮的加工不够精，并且认为它受到的载荷都作用到了齿顶上而使用过短齿轮（齿顶系数0.75-0.80）。后来随着加工变得越来越精，就不在使用短齿轮了，现（包括我国）一般都使用有着1.00齿顶高度系数的变速器。 但仍然有些变速器的齿顶高系数大于1.00（属于细高智齿制），它的主要是要通过加大齿轮啮合的重合度，来使噪音变低并让齿根的强度增加。当使用这样的变速器时，需要注意的是，齿顶的厚度必须大于或等于0.3m。现在，这些细高齿制的齿顶高系数，每个企业都是按照自己的实际情况确定的，有大到1.90的还有小到1.05的，还没有一个统一的硬性规定明确要求多少数值，并且很多变速器的主轮和从动轮都有不同的齿顶高系数。2.1.7各档齿轮齿数的分配及传动比的计算 选好了螺旋角、中心距以及齿轮摸之后，各档齿轮的齿数可以根据变速器的传动比、传动案和挡数分配。不过需要留意一下为了让齿面受到的磨损较均匀，齿数比（各档齿轮的）尽量不要是整数。因为题目设计要求为动力总成轻量化，所以建议选择原有的齿轮。实际测量数值为：1.一档齿数及传动比的确定 一档传动比为： （2.2） 2.二档齿数及传动比的确定 （2.3） 每个档的齿轮齿数应该在选择完齿轮模数，螺旋角以及中心距之后，根据变速器的传动比、传动方案和挡数来分配。不过需要留意一下为了让齿面受到的磨损较均匀，齿数比（各档齿轮的）尽量不要是整数。如图，是本次设计的变速的传动方案。图2.4简化变速器传动方案简图3.对中心距A进行修正由于算中心距是在算完齿数和之后，所以取整数时对中心距的数值有一定的影响，为此中心距需要由确定下来的齿轮齿数再次进行计算，最后每个档齿轮的齿数要根据后面的数值作为分配的依据。中心距计算结果为A=49mm。4.齿轮的几何尺寸计算分度圆直径 齿顶高 齿根高 齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 标准中心距： 2.1.8本节小结 文章中重点讲述了关于怎么选择变速器的参数，像通过确定传动比范围和挡数来进一步明确其它参数比（例如：中心距，外形尺寸，齿轮参数以及传动比等）各档齿轮书和变位系数由变速器的传动示意图来确定和分配。最后再将它们的几何尺寸列出来。这都将会为后面轴以及齿轮的设计做好了铺垫。2.2变速器齿轮强度校核2.2.1齿轮材料的选择原则 在不同的条件下要选择不同的齿轮转动（不同材料的齿轮）来满足工作的要求。在一般的情况下，对其要求只要有较强的耐磨性和强度，软的齿心以及硬的齿面。 适当挑选其相适配的材料。以软齿面齿轮（硬度350HBS）为例，为令两轮的使用时限相近，所选择的大齿轮的材料硬度应低于小齿轮，并将二者材料硬度之差控制在30至50HBS范围内。同时，两轮也应当使用有差异的钢号材料以优化其抗胶合功能。 注意选择其热处理与加工工艺。为拥有齿芯韧和齿面的金相组织，硬齿面齿轮（硬度350HBS）的加工中常应用中碳钢或中碳合金钢切齿之后进行表面淬火和低碳合金钢切齿之后进行表面渗碳淬火两种工艺流程。在热处理工艺后，须对已切齿轮进行磨齿以应对其齿轮变形的现象。而经渗氮处理的齿轮变形程度轻，可免去磨齿步骤，这种处理方式大多运用于不能磨齿的齿轮（如内齿轮）的加工中；而在软齿面齿轮的加工中，大多应用中碳钢（或中碳合金钢）材料，在调质或正火处理之后，进行切齿加工。而始终参加传动的一对齿轮的磨损率很大，其所承受的冲击载荷也很大，故对该齿轮的抗弯强度水平要求较高，首选应选择双硬齿面齿轮配对，应用20CrMnTi渗碳之后的表面淬火处理，最后的硬度水平可达到58至62HRC范围。在加工工艺方面，小尺度且低要求的齿轮常选择圆钢作为毛坯；中等及中下尺度的齿轮因大多为高要求齿轮，常选用锻钢材料制作锻造毛坯；而大尺度齿轮则多选择铸铁或铸钢材料制作铸造毛坯。2.2.2齿轮损坏的原因及形式 对于变速器齿轮，其损坏方式大体分为齿面胶合、齿面点蚀（疲劳剥落）、轮齿折断和移动换挡齿的轮端部破坏等。 齿面胶合是常出现在高速重载齿轮中的损坏形式，普通汽车的变速器较少出现此类损坏。其具体形式为：高速重载齿轮的齿面间接触压力极大且相对滑动速度很高，这也直接导致接触区域处于高温状态并破坏齿面之间原本存在的润滑油膜，从而使齿面在高温高压中相互熔融粘连，并顺滑动方向产生撕裂痕迹。为预防齿面胶合损坏，主要有以下几类方法。其一，选用合适的齿面镀层与表面处理方法；其二，增强润滑油膜的强度，可选用耐高温高压且黏度高的润滑油；其三，增强齿面间的接触强度，应提升齿面硬度、加大齿廓的曲率半径、适当选用齿轮的各类参数和变位系数和减小接触应力；其四，增强轮齿弯曲强度，可增加同时啮合齿轮的对数、加大重合度、选用高品质材料、提升齿轮的柔度、增大齿根的圆角半径和齿厚并选用高齿。 高档齿轮中时常出现齿面点蚀这种齿面接触性损伤方式。所谓齿面点蚀，具体表现为齿面上出现很多小型的扇形麻点。这是由于处在持续规律波动的接触应力中，齿面易出现很多与齿面成锐角的细小裂缝，而齿面啮合时的互相挤压导致裂缝处的润滑油压力上升，进一步扩大了裂缝，并导致最后的麻点型脱落。就点蚀的严重程度来讨论，主动小齿轮普遍强于被动大齿轮，近节圆根部的齿面强于近节圆顶部的齿面。齿面点蚀损伤会导致齿形误差的提高，进而形成载荷，极端情况下可能导致齿轮的折断。 齿轮折断往往是由于齿轮齿根受拉面的最大应力区在反复高载荷下产生疲劳性裂缝，并在其他因素的作用下拓深到一定程度后产生的。这类折断的断面呈光滑表面，位于疲劳性裂缝处。齿根弱、齿数少且常处于高载荷的汽车变速器的低档小齿轮经常出现此类弯曲疲劳性的齿轮折断损伤。 齿轮折断损坏的另一种形式是齿轮应力不均衡的结果，其较少发生于汽车变速器损坏中。齿轮根部和过渡圆角处在啮合时均会产生弯曲应力，因此在高载荷的情况下，齿轮根部的弯曲应力往往会超过材料许用应力，导致齿轮折断。此类因应力强度不足而出现的折断断面大多表现为突然性的粗粒状表面（不同于疲劳性的光滑表面），较少发生于汽车变速器损坏中。而移动换挡齿的轮端部破坏出现在应用移动齿轮方法进行换挡的倒挡和低档齿轮中。其主要原因是，换挡时两啮合齿轮间有一定的角速度差，导致了转换瞬间出现在轮齿端部的高强度的冲击载荷，最后导致齿轮的损坏。2.3变速器齿轮弯曲强度计算发动机最大扭矩为9.68N m，最高转速5500r/min，齿轮传动效率99%，轴承的传动效率为96%。离合器的传动效率为99%。 输入轴 =9.6899%96%=9.1N.m输出轴 一挡=9.10.960.992.5=21N.m二挡=9.10.960.991.55=15.5N.m2.3.1变速器齿轮弯曲强度计算 （2.4） 式中：弯曲应力（MPa）；计算载荷（Nmm）；应力集中系数，摩擦力影响系数，主动齿轮=1.1，从动齿轮=0.9，由于在啮合点处的摩擦力的方向不一致，主动齿轮与从动齿轮对弯曲应力的影响程度也存在差异； 齿面宽 10（mm）；模数齿形系数，在齿形系数图2.5中查得；乘用车的高档齿轮与常啮合齿轮的许用应力范围为（计算载荷取作用到变速器第一轴上的最大转矩的情况下），即，一挡、倒挡直齿轮许用应力在，即。图2.5 齿形系数图带入数据，整理得到 (2.5) 1.一档齿轮校核主动齿轮：从动齿轮： 已知：；;；，查齿形系数图2.5得：y=0.177把以上数据代入式，得：2.二档齿轮校核主动齿轮： 已知：；，查齿形系数图2.5得：y=0.182以上数据代入(2.5)式，得：从动齿轮： 已知：；，查齿形系数图2.5可得：y=0.182把该数据代入(2.5)式中，得：2.3.2轮齿接触应力校核 （2.6）式中：轮齿接触应力（MPa）；齿面上的法向力（N）； 圆周力（N）； 计算载荷（Nmm）；为节圆直径（mm）； 节点处压力角 ； 齿轮材料的弹性模量（MPa）； 齿轮接触的实际宽度（mm）； 主、从动齿轮的节点处曲率半径（mm），斜齿轮,直齿轮 主从动齿轮节圆半径（mm）。表2.6变速器齿轮许用接触应力齿轮MPa渗碳齿轮 液体碳氮共渗齿轮一档和倒档1900-2000950-1000常啮合齿轮和高档齿轮1300-1400650-700 当使用作用于变速器第一轴上的载荷为作用载荷时，变速器齿轮的许用接触应力可见表2.6。1.一档齿轮接触应力校核 已知：；计算一档的轮齿接触应力 接触应力 因两齿轮上的作用力为一对作用力和反作用力，只需计算其中一个齿轮的接触应力，使用作用在变速器第一轴上的载荷为计算载荷，把以上数据代入式（2.6）得：2.二档齿轮接触应力校核已知：； 2.4材料的选择及热处理2.4.1齿轮材料的选择原则1.满足工作条件的要求 由于齿轮传动在不同的工作条件下存在不同的工作形式，此时对齿轮的材料也应有不同的选择。针对于普通的动力传输齿轮，其材料应当具备一定程度的耐磨性与强度，并符合软齿芯、硬齿面的要求。2. 合理选择材料配对 以软齿面齿轮（硬度350HBS）的材料配对为例，为令两轮的使用时限相近，所选择的大齿轮的材料硬度应低于小齿轮，并将二者材料硬度之差控制在30至50HBS范围内。同时，两轮也应当使用有差异的钢号材料以优化其抗胶合功能。3.考虑加工工艺及热处理工艺 在加工工艺方面，小尺度且低要求的齿轮常选择圆钢作为毛坯；中等及中下尺度的齿轮因大多为高要求齿轮，常选用锻钢材料制作锻造毛坯；而大尺度齿轮则多选择铸铁或铸钢材料制作铸造毛坯。而对热处理工艺的考虑则涉及了不同类型。在软齿面齿轮的加工中，大多应用中碳钢（或中碳合金钢）材料，在调质或正火处理之后，进行切齿加工。而为拥有齿芯韧和齿面的金相组织，硬齿面齿轮（硬度350HBS）的加工中常应用中碳钢或中碳合金钢切齿之后进行表面淬火和低碳合金钢切齿之后进行表面渗碳淬火两种工艺流程。在热处理工艺后，须对已切齿轮进行磨齿以应对其齿轮变形的现象。而经渗氮处理的齿轮变形程度轻，可免去磨齿步骤，这种处理方式大多运用于不能磨齿的齿轮（如内齿轮）的加工中；在进行齿轮的热处理工艺与材料选择时，其制造成本与机械加工性能也是重要的衡量因素之一。为更好地结合高韧性的轮齿心部与高硬度的轮齿表层，当代汽车的变速器齿轮普遍选用渗碳合金钢材料，可极大提升制成齿轮的耐磨程度、弯曲强度和接触强度。我国制造的汽车的变速器齿轮的常规材料由以前的18CrMnTi换成了20CrMnTi，还比较常用20MnVB，20MnMOB，20Mn2TiB这几种材料。然而，常使用20CrNiMO，12Cr3A，25CrMnMO等材料来制造重型大模数汽车的变速器齿轮，这几种材料都要经历渗碳、淬火处理来细化低碳合金钢的晶面粒，增大其表面的硬度。除此之外，还应通过回火来清除内应力。2.4.2变速器齿轮轮齿表面渗碳深度的推荐范围如下：3.5，渗碳深度0.81.2mm；3.55，渗碳深度0.91.3mm；5，渗碳深度1.01.6mm。 渗碳齿轮在淬火、回火后，要求轮齿的表面硬度为HRC5863，心部硬度为HRC3348。 经历了淬火，回火后的渗碳齿轮，规定其心部硬度在HRC33至48之间，表面硬度在HCR58至63之间。一些变速器小模数（模数小于等于3.03.75）的齿轮（应用在轿车和轻型以下的载货汽车）通常使用表面氰化处理过的35Cr钢或者40Cr钢。此类中碳铬钢有许多优点：优良的强度指标，热处理的氰化钢变形小，杰出的锻造性能。然而，因为其钢的含碳量较大，氰化层较薄，所以它的承载力与接触强度都不高。依照氰化齿轮的规定，其氰化层的表面硬度在HRC48至53的范围内，深度大于等于0.2mm,常规在0.2mm至0.4mm。2.5本章小结 此章的主要内容是：操纵机构的各种类型，变速器传动的机构，对多种机构的长短处的大致分析，结合目标设计的变速器的特点、功用和类型来选择操纵机构的位置排布格式，主要运用的零件的设计、校对核验和形式，变速器的传动形式。依据以上内容使后期的设计阶段做了良好的铺垫。第三章 轴的结构设计与校核 第三章 轴的结构设计与校核3.1轴的结构和尺寸设计 轴的结构要求有一定的强度及刚度。工作中的变速器的轴需要承受很大的弯矩和转矩，因为齿轮上会出现径向力，轴向力及圆周力。因此轴可能会由于刚度不够而出现变形弯曲，从而会影响到齿轮的正确啮合，降低其耐磨性，增大工作噪音，降低齿轮的强度。综上所述，设计变速器轴的结构的先决要求是确保齿轮的正确啮合。设计阶段经验和已知条件先初选轴的直径是依据点，公式是检验处，刚度和强度方面的验算是结论。3.1.1初选轴的直径 当已知输入轴和输出轴的变速器的中心距的情况下，轴的支承距离及最大直径比值大小的取值范围：输出轴是0.18至0.21；输入轴是0.16至0.18。输入轴花键部分直径（mm）可按下式初选取：式中：经验系数，； 发动机最大转矩（N.m）。输入轴花键部分直径： 最初对轴的直径(min)应选择17毫米的，对于输出与输入轴的支承间的长度应选择150毫米的。轴的各部分尺寸初步设计如图3.1、3.2所示（轴的制造工艺性要求）：图3.1 输入轴各部分尺寸图3.2 输出轴各部分尺寸3.2轴的强度验算3.2.1轴的刚度计算 水平面上轴出现的转角与垂直面上出现的挠度会很大的影响到齿轮的使用工作。前者会造成齿轮发生歪斜，导致在齿长方向上的力大小不能保证均匀；后者会造成齿轮的中心距数值变化，导致齿轮的啮合被发生错误。第一步先确定了轴的大小，第二步可以对其强度与刚度进行严格的计算。图3.3变速器轴的挠度和转角 计算轴的转角和挠度，相关公式可以参照材料力学上的相关内容。在实际计算时，需要求的转角和挠角只是齿轮的位置上的。由于第一轴常啮合齿轮副的负荷小，离支承点的长度比较短，而且大多数情况下其挠度很小，小到一般情况下都可以忽略不计。图4.4表示轴上变速器的齿轮的位置，如果要求水平面上轴的转角，垂直面上和水平面上分别的轴的挠度，计算方法可以参照下列公式。 (3.1) （3.2） （3.3）式中：齿轮齿宽中间平面上的径向力（N）；齿轮齿宽中间平面上的圆周力（N）；弹性模量（MPa），=2.1105 MPa；惯性矩（mm4），对于实心轴，；轴的直径（mm），花键处按平均直径计算； 齿轮上的作用力距支座、的距离（mm）；支座间的距离（mm）。轴的全挠度为 水平面上轴的挠度范围应在0.10毫米至0.15毫米；垂直面上的轴的挠度的范围应在0.05毫米至0.10毫米。在齿轮位于的平面的转角应该小于等于0.002弧度。3.2.2变速器输入轴和输出轴的刚度校核 一档工作时： 输入轴的挠度和转角的计算：已知条件： MPa；L=9mm；a=3.4mm；d=17mm；将相关数值带入（3.1）、（3.2）、（3.3）可以求出： 注意：作用于输入轴上的作用力和输入轴上作用力方向恰好相反而且大小相同。已知条件：MPa；L=9mm；a=3.4mm；d=17mm；b=5.6mm；将相关数值带入（3.1）、（3.2）、（3.3）可以求出： 3.2.3轴的强度计算 由于齿轮受到的圆周力，造成水平面上的轴发生变形弯曲；齿轮受到的轴向力与径向力，垂直面上的轴也会发生变形弯曲。最初先算出垂直水平面上的支点的支反力，再来求得与其对应的弯矩，在已知了轴受到的弯矩与转矩后，它所受到的的应力可以通过下列方法计算。 式中：M合成弯矩，（Nmm）；d轴的直径（mm），花键处取内径；W抗弯截面系数（mm)。在低档工作时，400MPa。除此之外，对轴上的花键，应验算齿面的挤压应力。1.输入轴强度校核：；已知：(1)垂直面内支反力 对A点取矩，由力矩平衡可得到B点的支反力，即： （3.5） 将有关数据代入（3.5）式，解得： 同理，对A点取矩，由力矩平衡公式可解得：(2)水平面内的支反力 由力矩平衡和力的平衡可知： （3.6） （3.7） 将相应数据代入（3.6）、（3.7）两式，得到： (3)计算垂直面内的弯矩 B点的最大弯矩为:(4)计算水平面内的弯矩(5)计算合成弯矩 由于齿轮受到的圆周力，造成水平面上的轴发生变形弯曲；齿轮受到的轴向力与径向力，垂直面上的轴也会发生变形弯曲。最初先算出垂直水平面上的支点的支反力，再来求得与其对应的弯矩，在已知了轴受到的弯矩与转矩后，它所受到的的应力可以通过下列方法计算。 (3.8) 式中：； 轴的直径（mm），花键处取内径； 抗弯截面系数（mm3）。 将数据代入（3.8）式，得： 在低档工作时，符合要求。 对输出轴校核：计算输出轴的支反力：齿轮受力如下：2.输出轴强度校核(1)垂直面内支反力 对A点取矩，由力矩平衡可得到C点的支反力，即： （3.9） 将有关数据代入（3.9）式，解得： 同理，对C点取矩，由力矩平衡公式：，可解得：(2)水平面内的支反力由力矩平衡和力的平衡可知： （3.10） （3.11） 将相应数据代入（3.10）、（3.11）两式，得到：3.计算垂直面内的弯矩 C点弯矩为：4.计算水平面内弯矩5.计算合成弯矩把以上数据代入（3.9），得： 在低档工作时，400MPa，符合要求。3.3输出轴的实体建模及有限元分析1.对输出轴利用Pro/e软件进行实体建模 图3.4 输出轴实体模型 将图3.4加入进ANSYS中，配合对于输出轴有限元的研究和串联应用接口，可将模型结合进ANSYS中。由于轴的受力情况，在进行节点划分前需要进行体分割，才能在受力点位置上产生节点，否则在网格划分的过程中可能出现网格末扫描出节点，这可能会影响到最终的分析结果。 (1)先对模型坐标系进行空间平移，移动到所要的分割平面位置，在利用布尔运算，对X轴实体模型进行体分割，然后继续移动坐标系，重复分割实体模型，在旋转坐标，对Y轴方向上进行分割，最后还原坐标系。图3.5展示的就是最终的分析结果。 (2)同样利用布尔运算，对体分割后的实体模型进行布尔加运算，进行体整合，整合成为一体的实体模型。2.网格划分与材料设置 (1)定义属性单元类型（Element Type），编辑单元类型，添加确定为SolidTet 10node 187。 (2)属性材料设置，定义材料模型、材料属性和模型组合（Material Models），StructuralLinearIsotropic，7300是其在Density中的密度铸铁，0.27是它的柏松分布比，输入它的弹性模量1.6e11。 (3)利用Mesh Tool（网络划分工具）,对所画模型进行分解。图3.5输出轴有限元分析图3.加载与求解 (1)约束条件的施加（Displacement）,对于曲轴的约束，先选取主轴颈上受力的节点，在5个主轴颈上分别对节点其施加全约束。 (2)载荷的施加（Pressure）,对于花键轴径加载(3)计算求解（Solve），在施加约束和载荷完毕后，求解当前载荷步(SolveCurrent LS)4.通用后处理 图3.6输出轴有限元分析图 图3.7输出轴有限元分析图3.4轴承选择与寿命计算 不同种类的车辆轴承有不同时长的使用年限，其中大客车和货车为25万千米，小轿车为30万千米。可以按照汽车从平均速度运行到大修前的总行驶距离S来计算轴承的使用年限。 式中，3.4.1输入轴轴承的选择与寿命计算作为轻量化改制设计，在保证原有动力总成构件不被替代的同时，最好选择变速器上原有的轴承，所以，根据本田维修手册上的说明。初选轴承型号6001 6003 6201 62033.5本章小结 本章主要对变速器的主要参数进行了选择，基本上完成了变速器主要尺寸的计算；同时对变速器各档齿轮进行弯曲疲劳强度和接触疲劳强度校核、对输入轴、输出轴的基本尺寸进行了设计；完成了轴的刚度和强度校核，以及输出轴的有限元分析。第四章 箱体的设计及离合器的选择 第四章 箱体的设计及离合器的选择4.1离合器的功能及选择4.1.1离合器的功用及分类1. 保证汽车平稳起步 汽车的离合器对于汽车从静止到平稳起步有着重要作用。驾驶员启动发动机，逐步踩下离合器，这会将传动系和发动机分开，然后挂上变速档并且渐渐松开离合器，使离合器和变速档逐步接合。离合器的接合程度增加，有利于发动机带动车轮转动，不断减少地面施加的阻力，从而牵引汽车前行。在接合时，为了减少发动机的加速阻力，需要不停地给发动机提供燃料，这就要求司机不断踩加速踏板进行加速，并且尽可能地将转速控制在一定范围内，这样既可以稳定驾驶，也不会熄火。 若是没有离合器的帮助，汽车在起步时就无法保持平稳。大多数人在启动汽车时，都能感觉到车辆小幅度地向前冲出一点，这是因为汽车的传动性和发动机刚性地接合之后，再加上挂上变速档，发动机的阻力矩增大，车辆由于质量大惯性大的原因，会突然向前冲一下。在这时，汽车的发动机转速大幅度下降，并保持在最低稳定转速（300-500RPM），此转速只能保持汽车的平稳驾驶，却无法使汽车起步。所以，若想汽车从完全静止的状态到启动加速，驾驶者必须要逐步踩下离合器进行辅助。2. 实现平顺的换档 为了使汽车的驾驶速度符合外界环境，驾驶者需要通过加减档操作来保障汽车的平稳前行。在换挡前踩下离合器，是为了中断传动系的工作，这时原档位的齿轮打开，并且加速即将进入的新齿轮的转速，当新齿轮的转速达到所需速度时，嵌入所需要的磨合就大大减少，换挡较为平顺。这就是一般情况下齿轮式变速器的加减档操作，即推出旧齿轮，嵌入符合速度要求的新齿轮。3.防止传动系过载 在汽车进行紧急制动时，离合器的存在使得主动和从动部分之间的相对运动增多，从而大大减少了汽车器件的损坏的危险。若没有离合器，紧急制动时，发动机的传动系将会刚性地大幅度降低转速，这时汽车内部运动件会承受很大的惯性力矩，对汽车部件产生不良影响。所以，离合器的应用在汽车紧急制动中也有着重要地位，能够最大程度地保护车身部件的安全。 4.1.2离合器的选择 如何为节能车动力总成轻量化改制设计是本次毕业论文的中心要点，所以在保证动力性的情况下，尽量的减轻发动机的重量，因此，决定离合器使用原车所装配的型号，离合器的形式为自动离合器。4.2变速器壳体的设计 对于变速器的壳体，对其尺寸、质量以及刚度有着较高的要求，从而保证其正常的工作，在其运作时，轴以及轴承不会发生倾斜。而在进行相关的设计时，要对变速器横向断面进行把控，保证其尺寸能够容纳下所需要的齿轮，与此同时，还要在转动齿轮齿顶与壳体侧面之间留有足够的空隙，至少58mm的间隙，用来避免在机器运作时大量噪音的产生以及防止变速器温度过高，导致意外的发生。并且，对于齿轮齿顶到变速器底部，其间也要留出足够的空隙，至少15mm。在机器的运作中，要保证变速器壳体的刚度，因此，在设计时，应该加入加强肋，从而加强其的刚度，并且，在轴支承处的作用力方向直接决定了加强肋的方向。同时，在其壳壁的相关设计上，应该尽量避免大平面的出现，因为其会导致大量噪音的产生，可以加入部分三角形的交叉肋条，以达到降噪的目的，同时还可以有效地保证其壳体刚度。 在设计上，应该加入放油孔以及注油孔，用来方便相应地操作。对于放油孔，其应该被设计在变速器壳体的最低位置。而对于注油孔，需要放在润滑油的所在平面处，并且还可以将其作为一个检查孔，用来观看其中的油面高度。用具有永久磁性的镙塞来充当放油镙塞，其可以发挥吸引金属的重要作用。除此以外，还应该在后端面的两轴承之间或者是在变速器壳体前增加一个回油孔，从而保证润滑油的回流。并且在其顶部还应该设计一个通气塞，用来保证其内部压力，防止意外的产生。 其材质应该采用压铸铝合金，壁厚应该取45mm，这样可以有效地对其总体质量进行把控。假设采用铸铁壳体，壁厚取56mm。虽然通过加厚能够，能够大大提高其强度，但同时会增加其总体质量，耗材也会随之增加，成本上的耗费也会加大。4.3本章小结 本章主要介绍了离合器的选择以及箱体的设计，箱体的设计成为总体优化的重要组成部分之一，在保证正常工作的情况下，可以用打孔减少质量，在保证刚度的情况下，可以采用其他的材料，代替原有的。第五章 总体优化及结果 第五章其他优化及结果5.1变速器的优化及结果 对于变速器，其是构成汽车动力总成的重要部分之一，发挥着不可替代的作用。节能车实际变速器为4档，通过实验，二档变速器不仅更易于操作，而且运行正常，所以针对以上的情况，决定对变速箱进行一系列的相关的优化。二档变速器更加合适，所以将多余的三、四档的齿轮和拨叉去除，变速器质量得到显著的下降。得到的变速器质量明显减轻，符合轻量化标准。5.2