西华大学微型汽车变速箱反求设计精心修改版.doc

课 程 设 计 说 明 书课程设计说明书 课 程 名 称: 产品结构原理课程设计 课 程 代 码: 6004019 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: 2010级机设一班 学 生 姓 名: 学 号: 指 导 教 师: 陈 守 强 开 题 时 间: 2013 年 11 月 18 日完 成 时 间: 2013 年 12 月 6 日 目 录摘要2引言2一、任务分析3二、微型汽车变速器所配置的发动机参数3三、微型汽车整车性能参数3四、微型汽车变速箱功能分析4 41 微型汽车变速器的功能4 42 微型汽车变速器的位置4 43 功率的传递4 44 变速和保证变速的顺利进行的实现4 45 各个档位的换档4 46 功能结构图5五、微型汽车变速箱运动分析6 51 微型汽车车轮直径6 52 最高车速为120KM时变速箱的传动比6 53 四档的传动比的分配6 54 变速箱的最大和最小载状态7 55 行驶速度分别为10、20、40、60km/h时应该使用档位的分析7六、微型汽车变速箱结构受力分析761 受力最大的时候各轴的扭矩762 各轴的最小直径8 63 各个档位齿轮强度8七、微型汽车变速箱的外观功能分析10八、变速箱的拆装12 8.1 变速器拆装步骤12 8.2 部分详细步骤分析12 8.3 拆装时所用工具、测量工具15九、零件的结构分析（差速器）15 9.1 差速器构成15 9.2 差速器基本工作原理与作用16 9.3 差速器的拆装16十、汽车变速箱关键零部件反求分析16结论18参考文献19摘 要本课程是通过对微型汽车变速器的分析，了解微型汽车变速箱的功能、结构原理、变速操纵方法、变速箱结构总体布局、同步器的原理和结构、差速器的的原理和结构、变速箱的装配工艺过程、各零件的装配方法、各轴的支承结构、变速箱内各运动副的润滑方式、变速箱中主要零件的材料及热处理要求、形位公差、表面粗糙度的分析等。通过分析、利用反求的方法创造出新的微型汽车变速器，具体内容有：其轴的布置，同步器的位置，差速器的位置；同步器的作用、组成、工作原理和变速器操纵机构的组成及变位档的自锁和互锁机构的结构原理和结构；通过拆装变速器了解并编写操纵的装配工艺过程，确定各零件的装配方法；通过观察变速箱的机构形状，分析其从提高刚度和刚性要求并满足功能要求和工艺要求而设计的结构；对变速箱各轴的结构形状、结构要素作用进行分析，并对其结构尺寸与轴的功能强度刚度装配关系等进行了反求；分析变速箱的主要零件材料及热处理要求、形位公差及箱体和轴的技术要求等。反求设计是创新的重要方法，所以我们通过本课程的学习，可以了解和基本掌握这种技术。反求设计就是从有到新，借助已有的产品、图样、音响等已存在的可感观的实物，创新出更先进、更完美的产品。关键词：分析、反求设计、创新、原理 引言 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。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。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。逆向设计的流程示意：产品样件 数据采集 数据处理CAD/CAE/CAM系统 模型重构 制造系统 新产品。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，掌握反求设计这一重要的方法。一、 任务分析 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。2、 微型汽车变速器所配置的发动机参数21 型号 JL368Q3电喷发动机22 工作形式 直立四冲程水冷顶置凸轮轴多点电喷23 气缸数量 324 气缸直径 68.5mm25 行程 72mm26 排量 796ml27 额定功率 26.5KW(5500r/min)28 最大扭矩 60.5N.m(30004000r/min)3、 微型汽车整车性能参数31 最高车速 = 120 km32 最大爬坡度 tg = 30%33 起步换挡加速到100km/h所需时间 = 37 s34 第四档最小稳定速度 = 25 km35 微型汽车在60km/h时100km的耗油量位4.5L36 整车质量645kg全部载重后质量为950kg左右四、微型汽车变速箱功能分析41 微型汽车变速器的功能变速器是改变汽车力矩和转速的机构，其主要功能有：1.满足汽车起步、加速和爬坡行使时所需要的驱动力和转速。2.保证汽车能实现不同的行驶速度，和倒车。3.保证汽车在原地启动、怠速运转而不向驱动轮输出功率。4.使汽车完成对其他机械输出动力。42 微型汽车变速器的位置变速器一般是和发动机固连在一起的，他的输出连接差速器。43 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。44 变速和保证变速的顺利进行的实现发动机的曲轴输出功率到变速器，变速器的中间轴上有二个同步器，而每个同步器都与变速器输出轴连在一起，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进行。45 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档空档46 功能结构图汽车变速箱系统黑箱图转矩、转速不同的转矩、转速档位噪音、热 主轴变 速机构操纵机构转动信号噪音热I档转速II档转速III档转速IV档转速倒档转速3、 微型汽车变速箱运动分析五、微型汽车变速箱运动分析51 微型汽车车轮直径经测量微型汽车的车轮直径为D=450mm52 最高车速为120KM时变速箱的传动比由车轮的线速度公式可以求出总的传动比，则有：53 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3.5852.1661.330.954 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。55 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：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：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。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。6、 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。7、 微型汽车变速箱的外观功能分析 1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。 2 是发动机启动电机的安装孔，这个孔是变速箱上一个很关键的孔。由于启动电机是通过齿轮啮合启动发动机，这就要求这个孔端面与发动机曲轴的垂直度要求高，同时孔的中心与发动机曲轴之间距离的精度要其很高。孔的大小由启动电机的形状所决定。 3 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。 4 是汽车行驶速度的一个测试装置。 5 是一根通气管，变速箱本身是密闭空间，齿轮在里面高速旋转的时候会发热升温，体积会膨胀，如果不排气减压，会破坏变速箱的密封性能。 6 是油标，同时也是加油口。 7 是离合器的分离操纵手柄。要求能够进行调整能够很方便的进行离合器的分离，使换档顺利进行。 8 观测和调整发动机点火时间的孔，这个孔没有什么特别的要求，要求能够看得见连接在发动机曲轴上的那个大齿轮，并且能够方便的对其进行调整。使发动机在修理过后能够顺利点火。8、 变速箱的拆装81 变速器主要按一下步骤进行拆装： 1、放油 2、拆离合器分离轴承 3、拆除前端盖 4、拆除离合器手柄 5、拆除螺栓 6、移动上端盖 7、拆除减振支撑 8、拆下主动轴 9、拆下从动轴 10、拆除差速器 11、记录 12、分工82 部分详细步骤分析如下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) 注：先用十字螺丝刀预松1号2号螺钉，再预松3号4号螺钉，后在分别松开1、2和3、4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。变速箱盖拆卸注：先用十字螺丝刀预松1号2号螺钉，再预松3号4号螺钉，后在分别松开1、2和3、4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：注：无#号的用梅花扳手预松，有符号的用套筒预松其次，完全松开螺钉，其顺序为：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17号是M6的螺钉外，其他的都是M8螺钉，则统一只记录螺钉的长度。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。83 拆装时所用工具、测量工具 1、扳手 2、尖嘴钳 3、十字螺丝刀 4一字螺丝刀 5、相机800万像素 6、标签 7、记号笔 8、包装袋 9、千分尺 10、角度测量尺 11、塞尺 12、木锤 13、固定扳手一套 14、轴承拆卸专用工具（拉马、套筒）9、 零件的结构分析（差速器）91 差速器构成 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。92 差速器基本工作原理与作用 差速器的这种调整是自动的，车轮在转弯时也会自动趋向能耗最低的状态，自动地按照转弯半径调整左右轮的转速。当转弯时，由于外侧轮有滑拖的现象，内侧轮有滑转的现象，两个驱动轮此时就会产生两个方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然导致两边车轮的转速不同，从而破坏了三者的平衡关系，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。 汽车转弯时，内侧车轮和外侧车轮的转弯半径不同，外侧车轮的转弯半径要大于内侧车轮的转弯半径，这就要求在转弯时外侧车轮的转速要高于内侧车轮的转速。差速器的作用就是即是满足汽车转弯时两侧车轮转速不同的要求。93 差速器的拆装 十、汽车变速箱关键零部件反求分析10.1 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10.2 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。10.3 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） 同步器参数的反求 ：摩擦系数随摩擦副材料，工作表面粗糙度，润滑油种类和温度等因素的不同而改变。摩擦系数大，则换档省力或缩短同步时间，反之，甚至会失去同步作用。因此保持较大的摩擦系数对同步器工作有利。为此在同步环的锥面上制有破坏油膜的细牙螺纹槽及与螺纹槽垂直的泄油槽。 同步环有锻造和铸造俩种型式，前者多用于微型汽车。选用材料时既要考虑摩擦系数，又要考虑耐磨性。有时将同一变速器的全部同步器设计成一样的尺寸，在这种情况下，要求高档同步器不能承载太少，允许低档同步器的应力取高些，这样可减少同步器的质量和尺寸。10.4件中间长轴的加工 （1）该零件选用45#碳素钢，毛坯选用行材。加工工艺如下：工序号工序名称车床名称刀具名称1车端面1CA6140普通车床端面车刀2车端面2CA6140普通车床端面车刀3钻一端