机械产品结构课程设计-微型汽车变速箱反求设计.doc

课 程 设 计 说 明 书课程设计说明书 课 程 名 称: 机械产品结构课程设计 课 程 代 码: 题 目: 微型汽车变速箱反求设计 学院(直属系) : 机械工程与自动化学院 年级/专业/班: 2012级机设 学 生 姓 名: 学 号: 指 导 教 师: 陈守强 开 题 时 间: 2014 年 12 月 1 日完 成 时 间: 2014 年 12 月 19日 目 录摘要3abstract4引言5一、任务分析6二、微型汽车变速箱功能分析621 已知微型汽车变速器所配置的发动机参数622 已知微型汽车整车性能参数623 微型汽车变速器的功能624 观察微型汽车变速器的位置7 25 传递的功率726 变速和保证变速的顺利进行的实现727 各个档位的换档728功能结构图8三、完成微型汽车变速箱运动分析831 测量微型汽车车轮直径是多少832 最高车速为120KM时变速箱的传动比833 四档的传动比的分配934 变速箱的最大和最小载状态935 行驶速度分别为10、20、40、60km/h时应该使用档位的分析9四、微型汽车变速箱的外观功能分析10五、变速箱的拆装12六、微型汽车变速箱结构受力分析1661 受力最大的时候各轴的扭矩1662 各轴的最小直径1663 各个档位齿轮强度17七、微型汽车变速箱结构原理方案反求分析187.1 微型汽车变速箱整体结构及布置方案187.2 微型汽车变速箱具体结构及布置方案反求197.2.1同步器工作过程与原理197.2.2锁止装置207.2.3变速器变速217.2.4润滑217.3 从动轴的反求分析21八 .微型汽车变速箱关键零部件反求分析 238.1 零件公差反求238.2 零件材料、热处理反求分析 238.3 变速器主要零部件的结构、功能原理的反求分析 23九 .变速器总成装配 24结论26致谢26参考文献27 摘 要 变速器是汽车传动系统的主要组成之一。汽车的实际使用情况非常复杂，如起步、怠速停车、低速或高速行驶、加速、减速、爬坡和倒车等。本次课程设计就是对汽车变速箱进行拆装、观测、绘制、分析的综合性设计。利用反求工程的方法和思想对微型汽车变速箱的组成、原理、结构进行详细的分析。通过三周的课程设计过程，让学生了解到变速箱变速原理和变速操纵方法。通过对变速箱的拆装近距离观察，了解到同步器的工作原理、操纵换挡机构的换挡机制、各档齿轮的位置、变换档位之后的自锁与互锁机构以及它们的润滑方式和密封方式。之后通过正确地对微型汽车变速箱拆装、记录、分析之后，用三维造型设计软件进行指定零部件的造型设计完成变速器中某部件的结构装配图，进行实体装配并检查装配结果，完成部件中若干关键零件的三维造型零件图。本次课程设计最主要的就是需要学生们思考分析其各部件的功能，以及培养大家讨论问题、团结合作的能力，还有就是要对现场的保护，养成良好的习惯。关键词：变速器，反求设计，三维造型 AbstractTransmission is one of themain components ofautomobile transmissionsystem.The actual use ofthe caris very complicated,such as starting,idling stop,low or high speedrunning,acceleration,deceleration,climbingand reverseetc.This course is designedfordisassembly,observation,graph and analysis ofcomprehensivedesign of automobilegearbox.A detailed analysis ofthe use ofthe composition,principle and structure ofreverseengineeringmethods andthoughtsofmini cargearbox.Through thecurriculum design ofthe course of three weeks,letstudents know that thegearboxtransmission principleandspeed controlmethod.Throughthe gearboxdisassemblyclose observation,to understandthe working principle ofsynchronizerand manipulate thegearshift mechanismshiftingmechanism,thegearposition,shiftafter theself-lockingandinterlocking mechanismand theirlubricationandsealing method.Afterthrough theright tomini cargearboxdisassembly,recording,analysis,modeling designforspecifying componentsusingcomputer-aided design softwareto complete the structureassemblydrawing of acomponentin a transmissionassembly,entityand checkassemblyresults,to complete a number ofkeypartsofthree-dimensional modelingof parts drawing.The curriculum designis the most importantneedstudents to think aboutthe analysis of itscomponent functions,andcultivate the ability ofpeopleto discuss problems,solidarity and cooperation,there is toprotect the scene,to develop good habits.Keywords:transmission,reverse design,3D modeling引 言 当今世界科学技术发展日新月异，产品的科技含量越来越高，高新技术产品已进入家庭。世界进入知识经济的时代，只有科学技术才能兴国。由于一些发达国家在计算机技术、微电子技术、人工智能技术、材料科学技术、空间科学技术、制造工业技术、等领域处于领先地位，引进发达国家的先进技术为我所用，是发展本国经济的最佳途径。我国是一个发展中国家，科学技术相对落后，投入大量资金去研究发达国家已推向市场的产品或技术是完全没有必要的。这不仅浪费资金，也拖延发展经济的时间。而且涉及到发展经济的科学技术领域非常广泛，我国也缺少巨额资金去进行大面积的科学研究。因此，引进发达国家先进的科学技术或先进的产品，然后进行反求设计，仿照或创新设计更新的产品，是发展中国家发展国民经济的必由之路。特别是在知识经济的时代，反求工程在科技发展中的地位更为重要。因此，我们要学习这门课程，对微型汽车的变速器进行反求分析设计。一、 任务分析 产品功能原理、结构课程设计是机械设计专业的学生第一次全面结合专业技能的训练，是一个重要的实践性教学环节。本次课程设计的目的在于进一步加强学生应用所学的专业理论、知识以及专业技能，进行独立解决工程实际问题的能力。机械产品功能原理、机构课程设计的重点在于掌握典型机械的功能原理分析方法及分析机械机构的组成要素和机构功能，掌握结构设计要求及特点，丰富学生的机械结构设计知识，启发设计思维，通过实践是学生的机构设计理论得以巩固、加深，为今后进行机械产品设计打下良好基础。二、 微型汽车变速箱功能分析2.1 已知微型汽车变速器所配置的发动机参数1、型号 JL368Q3 电喷发动机2、工作形式 直立四冲程水冷订置凸轮轴多点电喷3、气缸数量 34、气缸直径 68.5mm5、行程 72mm6、排量 796ml7、额定功率 26.5KW（5500r/min）8、最大扭矩 60.5N.m(3000-4000r/min)2.2已知微型汽车整车性能参数 1、最高车速 =120km 2、最大爬坡度 tg=30% 3、起步换挡加速到100km/h所需时间 =37s 4、第四档最小稳定速度 =25km 5、微型汽车在60km/h时100km的耗油量为 4.5L 6、整车质量645kg 全部载重后质量为950kg左右。2.3 微型汽车变速器的功能 1、改变传动比，扩大驱动轮转矩的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，同时是发动机在有利（功率较高而油耗较低）的工作条件下工作。 2、在发动机旋转方向不变的情况下，使汽车能倒退行驶。 3.利用空挡，中断动力传递，以发动机能够启动、变速，并便于变速器换挡或进行动力输出。2.4 观察微型汽车变速器的位置对大多数微型车来说，变速箱与发动机相连，在驾驶员前方一点，档杆下方靠前一点，输出连接差速器。2.5 功率的传递发动机的曲轴输出功率到变速器输入轴上，通过变速器改变驱动力矩和转速再传递到差速器，受力不同的时候两个车轮所获得不同的速度，再通过差速器把动力通过半轴把动力传递到驱动车轮上。2.6 变速和保证变速的顺利进行的实现变速器的中间轴有两个同步器，而每个同步器都与变速器的输出轴连在一起，并且可以左右滑动。每个同步器共有左、中、右三个位置，中间不与任何齿轮同步，而左右都可以和齿轮同步，通过拨叉拨动来控制同步器的左右运动，与不同的齿轮同步，而四结齿轮处于常啮全状态，但可以相对于II轴转动，一旦与同步器同步就可带动II轴转动，从而通过拨叉控制同步器与不同的齿轮啮合，实现变速。而拨叉机构具有自锁与互锁功能，每次变速换档都会经过中间位置即空档，这样就保证了变速的顺利。2.7 各个档位的换档变速器的换档操纵机构，其中变速器内部一共有三根控制换档杆，其中每一根杆都有左、中、右三个位置可供控制，可实现六个档位控制。换档是通过换档杆实现的，换档杆纵向有三个位置，旋转有两个位置，从而实现六个位置的控制。但是任何档位之间要切换时都必须先回到中间位置，即空档位置。而且每个档位之间都具有自锁和互锁功能，从而实现不跳档和脱档的现象。变速箱的控制操纵方式如下图：倒档3档1档2档4档2.8 功能结构图微型汽车变速箱运动分析三、完成微型汽车变速箱运动分析3.1 测量微型汽车车轮直径是多少？经测量微型汽车的车轮直径为450mm左右 32 最高车速为120KM时变速箱的传动比V=120km/h=120/36(m/s)=33.33m/s W=2*pi*n2/60 则V=r*w=2*pi*r*n2/60 且i=n1/n2整理公式 可有v=pi*r*n1/(30*i) 得到 (n1=5500) i=30*V/(pi*r*n1)=30*33.33/(3.1415926*5500*22.5) =3.89 33 四档的传动比的分配首先应该保证汽车在全部载重后能够平稳的起步，然后是汽车在高速行驶的时候能够达到需要的最高速度。发动机的功率一定、转速一定的情况下只有通过减速器的减速作用来实现汽车的平稳行驶，根据资料查的各个档位的传动比分配如下表：一档二档三档四档12/4318/3924/3230/2734 变速箱的最大和最小载状态微型汽车的额定功率时一定的，则有：根据上式可知，当发动机的额定功率达到最大且变速箱的档位最低，即速度最低时，该轴受到的载荷是最大的；同样当发动机的功率达到了额定功率，变速箱档位最大，即速度最高时，该轴的载荷就是最小。根据传动比可以分析出变速箱中受载荷最大的时候再是汽车处于一档的时候的差速器从动轴上；变速箱中受载荷最小的轴是汽车处于四档的时候中间轴上。35 行驶速度分别为10、20、40、60km/h时应该使用档位的分析变速箱主减速器的传动比为i：i=3.89根据速度计算公式可以计算出在额定功率下各个档位所能够达到的最大速度。则有： 一档：V1=29.9m/s 二档：V2=49.5m/s 三档：V3=80.4m/s 四档：V4=119.1m/s再通过最大速度与所要求的速度进行比较，由于汽车的第四档稳定速V=25km/h。以汽车在行驶的过程中能够省油为标准选取合适的档位行使，则最后选定：10km/h用1档，20km/h用2档，40km/h用3档，60km/s用4档。四、微型汽车变速箱的外观功能分析 1是吊装孔，在制造装配过程中便于运输、吊起移动的作用。2表面有很多加强筋，他们的特点是 A提高表面的刚度强度； B减少整体重量 C形状根据受力情况而定 D一般加在材料、受力较为薄弱处，按照等强度原理分布 E厚度一般为壁厚的0.5-0.6倍3飞轮腔内底部排屑孔的作用 A排除离合片摩擦所产生的废屑 B调整腔内气压（在高温高压的工作条件下，排除多余气体使气压稳定）4起步电机顶部的安装孔（上端盖，两个） 起到安装时候的固定作用，悬挂安装孔，便于步奏安装5上端盖离合器杆旁边的U型孔的作用 A安装滤清器，保证无灰尘的空气进入 B散热和减小空气压力6 上端盖与下端盖结合面的突出部分起什么作用？ 这是上端盖的起盖机构，这个结构没有什么特别要求,只是要求能够方便的把上端 盖起开即可7上端盖上的黑色导管 A排出变速器腔内因高温产生的废弃油雾气体，避免变速箱或其他部位的表面污染 B连接发动机进气管，继续燃烧节省能源 C通过排出高温气体调节腔内的气压 8 上端盖黑色导管旁边的信号输出孔汽车行驶速度的一个测试装置，传递机械信号， 信息输出至里程表、转速表。9飞轮腔外的黑色橡胶覆盖的观察孔的作用是在检查故障时观察齿轮的啮合，以及飞 轮上的标记。10飞轮腔体内有个长螺钉，它的作用是定位自锁，使换挡后的档位不会随意变换， 维护汽车的正常行驶11操纵杆的作用是通过前后两个位置以及左右的旋转控制几个档位的变换，使汽车 得到相应的转速。12差速器齿轮轴外端断面旁的卡圈的作用是轴向定位差速器，是它不会从轴向方向 发生脱落。13倒档信号发生器的作用是传递倒档信号，并同时显示与车灯或者喇叭等装置提醒 周围的人群注意躲避14变速箱与汽车车体连接时用的吊孔与支架的作用是减震，并固定整个减速器，防 止工作时有松动造成不必要的损失。15下端盖的两个沉头螺栓孔的作用是排放多余的润滑油16信号输出孔旁边的螺钉的作用是固定信号传输线，防止脱落，使速度表无法显示。17油标口，既是观察润滑油量的标尺，也是加油孔的所在。18是离合器的分离轴承，它的作用是连接和断开发动机与变速箱之间运动和动务， 是整个汽车启动、停止、倒车变速换档的关键。 1)拆下离合器的分离轴承，用手直接拆下。2)用钳子拆下离合器摆杆回位弹簧，使摆杆处于自由状态。3)用十字螺丝刀将变速箱输入轴前端盖十字沉头螺钉拆下（4颗）并拆下端盖。并记录型号M6x15。(如图)图7-2输入端盖拆除顺序图 注：先用十字螺丝刀预松4号5号螺钉，再预松6号7号螺钉，后在分别松开4、5和6、7螺钉。最后用已取下的螺钉2颗分别插入a，b两处用作起盖螺钉，两处应缓慢、均匀受力，使端盖受力均匀，以不致端盖在起盖过程中受损变形。 变速箱盖拆卸图7-3螺钉拆除顺序图由于变速箱具有良好的密封性，所以拆卸的时候一定要均匀合理卸力，保证机盖不变形而影响密封性能。首先，按照顺序对连接螺钉进行预松,标准为将螺杆旋转半圈，预松顺序为：（1）8,9,10,11（2）12,13,14（3）15（4）16（5）17,18,19,20（6）21,22,23,24,25其次，完全松开螺钉，其顺序为：（1）8,9,10,11（2）12,13,14（3）15（4）16（5）17,18,19,20（6）21,22,23,24,25注：除了16号螺钉要用到小零件拾取器外，其余在完全松开的情况下可以直接取下。然后，将取下来的螺钉都做好记录所有的螺钉除了15号是M6的螺钉外，其他的都是M8螺钉，则统一编号。 最后，取下变速器上盖在变速器上下端盖连接的地方有三个地方要突出一点。在此处同时用一字螺丝刀用力撬，则可以把上端盖松掉，现在就可以取下上端盖。六 微型汽车变速箱结构受力分析61 受力最大的时候各轴的扭矩发动机输出扭矩最大是60.5N，由于发动机直接输出到变速器的输入轴，所以变速器的输入轴受到的最大扭矩，则有：根据公式可以计算出中间轴的最大扭矩，中间轴的转速是第一根轴的传动比转换过来的，则有：同样可以求出差速器所受到的最大扭矩为，则有：62 各轴的最小直径根据公式，可以计算出在最大扭矩的前提下轴的功率p,也就是说在发动机输出最大扭矩的时候发动机没有达到额定功率，那么可以计算发动机在额定转速下的扭矩,则有：远比最大扭矩小，这样在最大扭矩下求得轴的最小直径就是该轴的最小直径，则有各个轴的最小直径为：63 各个档位齿轮强度变速箱各档齿轮材料为:合金钢(20CrMnTi)。材料强度极限为：。取7级精度。齿轮的弯邮疲劳强度为：齿轮的接触疲劳强度为：各齿轮参数如下表：I档II档III档IV档齿数Z43393227螺旋角23933318法面模数2175齿宽b12121211重合度1.581.481.481.5K2.97524241252571.6761.6651.6351.600.800.720.720.723134294724182040传动比3.5852.1661.330.92332181898941815669565 所以，各档齿轮的弯曲疲劳强度为：齿面接触疲劳强度为：可见，齿轮的强度满足要求。七、 微型汽车变速箱结构原理方案反求分析7.1微型汽车变速箱整体结构及布置方案反求变速箱在汽车中的位置：一般安装于发动机和驱动桥之前。三轴式变速器的结构方案：第一轴与齿轮做成一体，其前端轴承支承在发动机内腔的轴承上，轴颈根据其与壳体之间轴承内径而定，长度根据离合器总成轴向尺寸来定。轴与壳体之间轴承的外径最好大于第一轴常啮合齿轮的外径，以便于装拆第一轴。第二轴前端通过轴承安装在第一轴的常啮合齿轮内腔，其轴径受齿轮径向尺寸限制。安装同步器齿毂的花键多采用渐开线花键，其定位性能好，承载能力大，花键齿短，其小径相应增大，可一提高轴的刚度。此轴上各档齿轮与轴之间有相对旋转运动，因此，轴的表面加工精度要求很高。一般情况下，轴上开螺旋油槽，以保证充分润滑。第二轴制成阶梯轴，便于安装齿轮。从受力和合理利用材料来看，这也是需要的。各截面尺寸要避免相差悬殊。轴上供磨削用的砂轮越程槽产生应力集中，易造成轴的折断。轻型汽车变速器各档齿轮常用弹性挡圈轴向定位，简单，但拆装不方便。7.2微型汽车变速箱具体结构及布置方案反求7.2.1同步器工作过程与原理：当离合器接合时，发动机转矩作用在变速器输入轴（第一轴）上，第一轴伸入变速器箱内，由一大型球轴承支承并有一个与第一轴一体的齿轮。输出轴（第二轴）轴前端插入第一轴轴端孔中，但可独立旋转。第二轴由第一轴端孔中轴承和变速箱后部一轴承支承。各种速度的齿轮在第二轴上旋转，第一轴和第二轴组件的下部或侧面固定一中间轴，其上装有几种尺寸的齿轮，这些齿轮除了一个齿轮外，均与第二轴上齿轮保持常啮合，还有一个齿轮与第一齿轮保持常啮合。当驾驶员选定一齿轮，该齿轮被锁定或连与第二轴，则出现齿轮换档。这是通过一个将齿轮与轴相连的接合套的运动来实现的，仅当齿轮和轴以同速旋转时，换档才可能很平稳无噪音，这就是同步器的主要功能。滑块式同步器由花键毂，接合套，锁环（同步环）和滑块或弹簧-钢球定位装置而组成。滑块式惯性同步器工作原理：当接合套刚从二档退到空挡时，齿轮和接合套都在其本身及所联系的一系列运动件的惯性作用下，继续沿原方向旋转，此时，锁环在轴向是自由的，故其内锥面与齿轮外齿锥面并不接触，其锁止作用是齿轮的惯性力矩造成的。7.2.2 锁止装置(1)自锁装置： 自锁装置的作用是防止因汽车振动或有小的轴向力作用而导致脱档，保证啮合齿轮在全齿长上进行啮合，并使驾驶员有换入档位的感觉。自锁作用通常是由刚球和弹簧组成的自锁装置来保证的，自锁装置可以装在变速器盖内，也可以装在变速叉内。 （2）倒档锁：在汽车行驶过程中，为了防止误挂倒档而造成安全事故和损坏传动系，在操纵机构中而设置的。 （3）互锁装置：防止同时挂入两个档。73从动轴的反求分析 八汽车变速箱关键零部件反求分析8.1零件公差反求分析实测尺寸不等于原设计尺寸，需要从实测尺寸推论出原设计尺寸。假设所测的零件尺寸均为合格，实测值一定是图样上规定的公差范围内一数值，即实测值=基本尺寸 制造误差 测量误差采用基孔制：孔的实测值 - 基本尺寸 1/2 孔公差（ITII级）采用基轴制：基本尺寸 - 轴的实测值 1/2 轴公差（ITII级）8.2件材料、热处理反求分析机械零件的材料选择与热处理方法直接影响到零件的强度，刚度，周，寿命，可靠性等指标，材料的选择是机械设计中的重要问题。材料的成分分析：对材料的整体，局部，表面进行定性分析或定量分析时，可通过以下手段：火花鉴别法，音质判别法，原子发射光谱分析法，化学成分分析法，微探针分析法。材料的组织结构分析：可以用放大镜观察材料的晶体大小，淬火硬层的分布，缩孔的缺陷等情况。通过对材料的分析，结合我国国产材料的具体性能，选择合适的代用品。8.3零件结构、功能原理的反求分析 （1） 变速器轴的反求 ：变速器轴在工作时承受转矩和弯矩，因此应具备足够的强度和刚度。轴的刚度不足，会产生过大的变形，影响齿轮的正常啮合，产生过大的噪音，并会降低齿轮的使用寿命。轴的长度对刚度影响很大。轴的刚度比强度更重要。对齿轮工作影响最大的是轴在垂直面内产生挠度和轴在水平面内的转角，前者使齿轮中心距发生变化，并破坏了齿轮的正常啮合。 （2） 差速器参数的反求 ：普通差速器由行星齿轮、行星轮架（差速器壳）、半轴齿轮等零件组成。发动机的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。差速器的设计要求满足：（左半轴转速）+（右半轴转速）=2（行星轮架转速）。当汽车直行时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏，导致内侧轮转速减小，外侧轮转速增加。在对差速器壳体参数和锥齿轮之间的配合保证不能发生干涉，差速器壳体必须根据锥齿轮之间装配间距设计。锥齿轮由于齿数较小，属于非标准齿轮，作图设计时必须保证齿顶圆和齿根圆的大小，保证符合壳体之间间隙。在测量数据时，多次测量求平均值。所以数据测完之后进行分析，对必要的配合数据进行修改。九 变速器总成装配（1）应清洗所有的零件，所有滑动配合表面应涂齿轮油。（2）在将各零件装配在输出轴时，应注意各垫圈，齿轮，同步器毂和同步器套在安装方向和位置。（3）当在输出轴上装低速档和高速档同步器毂时，各毂长凸台部位的安装方向要正确。（4）装低速同步器套时，应同步器套外表面的槽朝低速齿轮侧；装高速同步器套时应使外表面槽朝离合器。（5）装二档和三档齿轮套时，应检查中间轴 油孔与二档，三档齿轮套油槽是否对准。（6）装同步器套弹簧时不得使弹簧变形或损伤。装弹簧时，应将弹簧的一端插入同步器毂的弹簧固定孔内，并使两弹簧相对，以使载荷均匀的施加在同步器滑块上。( 7) 安装同步器环时注意所用的同步器环的类型，不要错装；同步器环应安装到位。(8) 在低速档同步器环宇同步器套之间，不得忘装弹簧。(9) 在装二，三档从动齿轮时，不得忘装二三档从动齿轮间的弹簧。(10 ) 在装低速齿轮套，轴承和低速齿轮后，中间轴应装钢球。(11) 安装输出轴轴承时，要用专用的工具安装。(12) 将专用工具装在低速同步器套上，并将其固定在虎钳上，然后，按60到80N.m的力矩拧紧固定螺母。(13) 当在换挡轴上装换挡叉时，应注意换挡叉的方向。(14) 不得忘装输入轴和输出轴的轴承止推环。不等忘装倒档轴销，装销后，应加润滑脂润滑。(15) 在装轴承端盖时，应使堵盖凸缘在箱