两轴五档手动变速器课程设计中心距76 发动机功率90KW

目 录1 总体方案设计11.1 汽车参数的选择11.2 变速器设计应满足的基本要求12 变速器传动机构布置方案12.1 传动机构布置方案分析12.1.1 固定轴式变速器22.1.2 倒挡布置方案24变速器设计和计算44.1 挡数44.2中心距A44.3 外形尺寸54.4齿轮参数54.4.1 模数的选取54.4.2 压力角54.4.3 螺旋角64.4.4 齿宽b64.4.5 各挡齿轮齿数的分配64.4.6 确定一挡齿轮的齿数6轮齿弯曲强度计算12参考文献24全套图纸加扣30122505821 总体方案设计1.1 汽车参数的选择 根据变速器设计所选择的汽车基本参数如下表表1-1设计基本参数表发动机90KW最高车速180Km/h转矩185N m总质量1740Kg转矩转速3200r/min车轮185/60R14S1.2 变速器设计应满足的基本要求对变速器如下基本要求. 1）保证汽车有必要的动力性和经济性。 2）设置空挡，用来切断发动机动力向驱动轮的传输。 3）设置倒档，使汽车能倒退行驶。 4）设置动力输出装置，需要时能进行功率输出。 5）换挡迅速，省力，方便。 6）工作可靠。汽车行驶过程中，变速器不得有跳挡，乱挡以及换挡冲击等现象发生。 7）变速器应当有高的工作效率。除此以外，变速器还应当满足轮廓尺寸和质量小，制造成本低，维修方便等要求。满足汽车有必要的动力性和经济性指标，这与变速器的档数，传动比范围和各挡传动比有关。汽车工作的道路条件越复杂，比功率越小，变速器的传动比范围越大。2 变速器传动机构布置方案机械式变速器因具有结构简单，传动效率高，制造成本低和工作可靠等优点，在不同形式的汽车上得到 广泛应用。2.1 传动机构布置方案分析2.1.1 固定轴式变速器固定轴式又分为两轴式，中间轴式，双中间轴式变速器。固定轴式应用广泛，其中两轴式变速器多用于发动机前置前轮驱动的汽车上，中间轴式变速器多用于发动机前置后轮驱动的汽车上。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。此外，受结构限制，两轴式变速器的一挡速比不可能设计得很大。我们设计的是乘用车，所以我选择的是两轴式的变速器。传递方案如下图所示 2.1.2 倒挡布置方案与前进挡位比较，倒挡使用率不高，而且都是在停车状态下实现换倒挡，故多数方案采用直齿滑动齿轮方式换倒挡。为实现倒挡传动，有些方案利用在中间轴和第二轴上的齿轮传动路线中，加入一个中间传动齿轮的方案。前者虽然结构简单，但是中间传动齿轮的轮齿，是在最不利的正，负交替对称变化的弯曲应力状态下工作，而后者是在较为有利的单向循环弯曲应力状态下工作，并使倒挡传动比略有增加。选择倒挡布置方案如下图所示因为变速器在一挡和倒挡工作时有较大的力，所以无论是两轴式变速器还是中间轴式变速器的低档与倒挡，都应当布置在在靠近轴的支承处，以减少轴的变形，保证齿轮重合度下降不多，然后按照从低挡到高挡顺序布置各挡齿轮，这样做既能使轴有足够大的刚性，又能保证容易装配。倒挡的传动比虽然与一挡的传动比接近，但因为使用倒挡的时间非常短，从这点出发有些方案将一挡布置在靠近轴的支承处，然后再布置倒挡3 变速器传动比分配及个档传动比确立 根据给定条件去顶主减速器传动比；五挡为超速挡=0.8；n最大发动机转速，n=3200r/min； u最高车速，u=180km/h；车轮半径，=0.288m； =3.314 确定最大传动比 主减速器传动比，=3.314 车轮半径，=0.288m； n最低发动机转速，n=600r/min u最低稳定车速，u=5km/h一档 =3.1239根据汽车行驶方程式传动系效率，=0.96；=0.03 G作用在汽车上的重力，汽车质量，重力加速度, （3.1）汽车以一挡在无风、干砂路面行驶，公式简化为 （3.2）6595.96N.m； 符合附着条件 一般汽车各挡传动比大致符合如下关系式中：常数，也就是各挡之间的公比；因此，各挡的传动比为，所以各挡传动比与挡传动比的关系为=2.26，=1.6，=1.31，=0.84变速器设计和计算4.1 挡数增加变速器的挡数能改善汽车的动力性和经济性。挡数越多，变速器的结构越复杂，并且是尺寸轮廓和质量加大。同时操纵机构复杂，而且在使用时换挡频率也增高。在最低挡传动比不变的条件下，增加变速器的当属会是变速器相邻的低挡与高挡之间传动比比值减小，是换挡工作容易进行。要求相邻挡位之间的传动比比值在1.8以下,该制约小换挡工作越容易进行。要求高挡区相邻挡位之间的传动比比值要比低挡区相邻挡位之间的传动比比值小。目前轿车一般用45个挡位，级别高的轿车变速器多用5个挡，货车变速器采用45个挡位或多挡。装载质量在23.5T的货车采用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车。选用的是5挡变速器。4.2中心距A对中间轴式变速器，是将中间轴与第二轴之间的距离成为变速器中心距。其大小不仅对变速器的外形尺寸，体积和质量大小，而且对轮齿的接触强度有影响。中心距越小，齿轮的接触应力大，齿轮寿命短。最小允许中心距当有保证齿轮有必要的接触强度来确定。变速器轴经轴承安装在壳体上，从布置轴承的可能与方便和不影响壳体的强度考虑，要求中心距取大些。此外受一挡小齿轮齿数不能过少的限制，要求中心距也要大些。 A= =73.7mm 式中，A为中心距（mm）；为中心距系数，轿车：=8.99.3； 为发动机最大转矩（）；为变速器一挡传动比；为变速器传动效率0.96。轿车变速器的中心距在6580mm变化范围。原则上总质量小的汽车中心距小。4.3 外形尺寸轿车四挡变速器壳体的轴向尺寸（3.03.4）A。当变速器选用常啮合齿轮对数和同步器多时，中心距系数K应取给出系数的上限。为检测方便，A取整。4.4齿轮参数4.4.1 模数的选取遵循的一般原则：为了减少噪声应合理减少模数，增加尺宽；为使质量小，增加数，同时减少尺宽；从工艺方面考虑，各挡齿轮应选用同一种模数，而从强度方面考虑，各挡齿数应有不同的模数。减少轿车齿轮工作噪声有较为重要的意义，因此齿轮的模数应选小；对货车，减小质量比噪声更重要，故齿轮应选大些的模数。低挡齿轮应选大些的模数，其他挡位选另一种模数。少数情况下汽车变速器各挡齿轮均选用相同的模数。啮合套和同步器的接合齿多数采用渐开线齿轮。由于工艺上的原应，同一变速器的接合齿模数相同。其取用范围是：乘用车和总质量在1.814.0t的货车为2.03.5mm。选取较小的模数值可使齿数增多，有利换挡。初选齿轮模数 =3mm 齿轮法向模数 =3mm4.4.2 压力角压力角较小时，重合度大，传动平稳，噪声低；较大时可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。对轿车，为加大重合度已降低噪声，取小些。变速器齿轮压力角为 20 4.4.3 螺旋角斜齿轮螺旋角可在下面提供的范围内选用：两周式变速器为2025 初选的螺旋角=214.4.4 齿宽b通常根据齿轮模数m的大小来选定齿宽。直齿：b=m， 为齿宽系数，取为4.58.0 取=7斜齿：b=，取6.08.5 ，取=6 一档齿宽为斜齿 b=21二档 三档齿宽为b=21mm四档齿宽为b=21mm五档齿宽为b=21mm倒档直齿为 b=21mm4.4.5 各挡齿轮齿数的分配在初选中心距，齿轮模数和螺旋角以后，可更据变速器的挡数，传动比和传动方案来分配各挡齿轮的齿数。4.4.6 确定一挡齿轮的齿数一挡传动比 初选=20 =3 mm =3.2 斜齿=2A/ 一挡用的是斜齿轮，所以=+=2A/=46.54取整数后，=47 =11 =362、对中心距进行修正因为计算齿数和后，经过取整数使中心距有了变化，所以应根据取定的和齿轮变位系数重新计算中心距，再以修正后的中心距作为各挡齿轮齿数分配的依据。=75.87mm 取整为76mm。 3、对螺旋角进行修正 =21.93 4、一档齿轮的变位系数； 分度圆压力角 =21分度圆直径 =35.574mm =116.424 mm端面啮合角 =0.9281 变位系数之和 =0.34根据当量齿数比，查机械设计手册小齿轮变位系数为，则大齿轮变为系数为齿顶圆直径 =42.474 mm =120.024mm齿根圆直径 =30.074mm =108.024mm 二 挡传动比，齿数及变位系数的确立 初选=22 =3 mm =2.26 斜齿=2A/ 二挡用的是斜齿轮，所以=+=2A/=46.97齿数取整数后， =14 =33 2、对螺旋角进行修正 =21.93 3、二档齿轮的变位系数； 分度圆直径 =45.276mm =106.722 mm变位系数之和 =0.34根据当量齿数比，查机械设计手册小齿轮变位系数为，则大齿轮变为系数为齿顶圆直径 =52.056mm =110.442mm齿根圆直径 =40.046mm =97.942mm三 挡传动比，齿数及变位系数的确立 斜齿=2A/ 三挡用的是斜齿轮，所以=+=2A/=50.892 齿数取整数后， =20 =31分度圆直径 =59.657mm =92.245 mm变位系数之和 =0齿顶圆直径 =64.69mm =95.51mm齿根圆直径 =49.36mm =82.93mm四 挡传动比，齿数及变位系数的确立 斜齿=2A/ 齿数取整数后， =19 =27 =24.78 分度圆直径 =62.776mm =89.208mm端面啮合角 =0.9278 齿顶圆直径 =66.076mm =92.508mm齿根圆直径 =57.976mm =85.408mm 五 挡传动比，齿数及变位系数的确立 斜齿=2A/ 五挡用的是斜齿轮，所以=+=2A/齿数取整数后， =27 =19齿顶圆直径 =92.448mm =66.376mm齿根圆直径 =84.208mm =58.036mm六 倒档齿轮的齿数的确立及变位系数 倒挡齿轮选用的模数与一挡相同，倒挡齿轮的齿数一般在2123之间，初选后，可计算出中间轴与倒挡轴的中心距。=22，=11，则：=48 mm为保证倒挡齿轮的啮合和不产生运动干涉，齿轮12和11的齿顶圆之间应保持有0.5mm以上的间隙，则齿轮11的齿顶圆直径应为 为了保证齿轮11和12的齿顶圆之间应保持有0.5mm以上的间隙，取=27计算倒挡轴和第二轴的中心距 =82.13mm计算倒挡传动比 =2.81 分度圆直径=33mm =93mm =63mm尺顶圆直径 d+ 40.32 mm mm mm 尺根圆直径 2 mm mm mm 变位系数的齿轮 确立根据当量齿数比，查机械设计手册Z11变位系数为，则Z13变为系数为 5. 齿轮校核4.5.1 齿轮材料的选择原则1、满足工作条件的要求 不同的工作条件，对齿轮传动有不同的要求，故对齿轮材料亦有不同的要求。但是对于一般动力传输齿轮，要求其材料具有足够的强度和耐磨性，而且齿面硬，齿芯软。2、合理选择材料配对 如对硬度350HBS的软齿面齿轮，为使两轮寿命接近，小齿轮材料硬度应略高于大齿轮，且使两轮硬度差在3050HBS左右。为提高抗胶合性能，大、小轮应采用不同钢号材料。3、考虑加工工艺及热处理工艺 变速器齿轮渗碳层深度推荐采用下列值：时渗碳层深度0.81.2时渗碳层深度0.91.3时渗碳层深度1.01.3表面硬度HRC5863；心部硬度HRC3348对于氰化齿轮，氰化层深度不应小于0.2；表面硬度HRC485312。对于大模数的重型汽车变速器齿轮，可采用25CrMnMO，20CrNiMO，12Cr3A等钢材，这些低碳合金钢都需随后的渗碳、淬火处理，以提高表面硬度，细化材料晶面粒13。4.5.2计算各轴的转矩发动机最大扭矩为181N m，最高转速5600r/min，齿轮传动效率99%，离合器传动效率99%，轴承传动效率96%。输入轴 =18599%96%=177.38N.m输出轴 一挡=177.380.960.9937/12=519.79N.m 二挡=177.380.960.9934/15=382.12N.m三挡=177.380.960.9933/20=278.16N.m四挡=177.380.960.9928/25=188.81N.m五挡=177.380.960.9923/30=129.25N.m倒挡 =177.380.960.9911/34=91.97N.m=177.380.960.9922/34=109.08N.m4.5.3轮齿强度计算轮齿弯曲强度计算1、直齿轮弯曲应力图4.1 齿形系数图 （4.1）式中：弯曲应力（MPa）；计算载荷（N.mm）；应力集中系数，可近似取=1.65；摩擦力影响系数，主、从动齿轮在啮合点上的摩擦力方向不同，对弯曲应力的影响也不同；主动齿轮=1.1，从动齿轮=0.9；齿宽（mm）；模数；齿形系数，如图4.1。当计算载荷取作用到变速器第一轴上的最大转矩时，一、倒挡直齿轮许用弯曲应力在400850MPa，货车可取下限，承受双向交变载荷作用的倒挡齿轮的许用应力应取下限。3、斜齿轮弯曲应力 （4.2）式中：计算载荷（Nmm）；法向模数（mm）；齿数；斜齿轮螺旋角（）；应力集中系数，=1.50；齿形系数，可按当量齿数在图中查得；齿宽系数=7.0重合度影响系数，=2.0。当计算载荷取作用到变速器第一轴上的最大转矩时，对乘用车常啮合齿轮和高挡齿轮，许用应力在180350MPa范围，对货车为100250MPa。=11，=36，=0.12，=0.095，=177.38N.m，=24.43N.m =235MPa180-350MPa范围=221.16MPa180-350MPa（2）计算二挡齿轮3，4的弯曲应力=14，=33，=0.107，=0.11，=177.38N.m，=382.12N.m , =24.43=189.5MPa180-350MPa =202.04MPa180-350MPa（3）计算三挡齿轮5，6的弯曲应力=20，=31，=0.1，=0.096，=177.38N.m，=278.16 N.m =2 5=282.29MPa180-350MPa=169.8MPa180-350MPa（4）计算四档齿轮7，8的弯曲应力=19，=27，=0.1，=0.103， =177.38N.m， =25 =208.23MPa180-350MPa =187.04MPa180-350MPa（5）计算五档齿轮9，10的弯曲应力=27，=19，=0.161，=0.131， =177.38N.m， =25 =154.36MPa350MPa =141.36MPa 4.5.3 轮齿接触应力j （4.3）式中：轮齿的接触应力（MPa）；计算载荷（N.mm）；节圆直径(mm)；节点处压力角（），齿轮螺旋角（）；齿轮材料的弹性模量（MPa）；齿轮接触的实际宽度(mm)；、主、从动齿轮节点处的曲率半径(mm)，直齿轮、，斜齿轮、；、主、从动齿轮节圆半径(mm)。将作用在变速器第一轴上的载荷作为计算载荷时，变速器齿轮的许用接触应力见表4.1。弹性模量=20.6104 Nmm-2，齿宽=75.5=38.5mm表4.1变速器齿轮的许用接触应力齿轮渗碳齿轮液体碳氮共渗齿轮一挡和倒挡190020009501000常啮合齿轮和高挡13001400650700（1）计算一挡齿轮1，2的接触应力=519.29N.m =177.38N.m 节圆直径：mm，mm主动齿轮 =1738.79MPa=1698.74MPa（2）计算二挡齿轮3，4的接触应力=382.12N.m，=177.38N.m 节圆直径：mm， mm主动齿轮 =1296.7MPa=1874.47MPa（3）计算三挡齿轮5，6的接触应力 =278.16N.m =177.38N.m 节圆直径：mm，mm主动齿轮 =1643.23MPa=1552.92MPa（4）计算四挡齿轮7，8的接触应力 =188.81N.m =177.38N.m 节圆直径：mm，mm主动齿轮 =1325.78MPa=1389.45MPa（5）计算五挡齿轮9，10的接触应力 =1129.25N.m =177.38N.m节圆直径：mm，mm主动齿轮 =1288.7MPa=1197.43MPa （6）计算倒挡直尺齿轮11，12，13的接触应力=177.38N.m 91.97N.m 2109.08N.mmm mmmmmm =1937.00MPa19002000MPa =1887.9MPa19002000MPa =1771.36MPa19002000MPa注：以上校核都在小于19002000范围内符合要求。6 轴的校核轴的工艺要求倒挡轴为压入壳体孔中并固定不动的光轴。变速器第二轴视结构不同，可采用渗碳、高频、氰化等热处理方法。对于只有滑动齿轮工作的第二轴可以采用氰化处理，但对于有常啮合齿轮工作的第二轴应采用渗碳或高频处理14。第二轴上的轴颈常用做滚针的滚道，要求有相当高的硬度和表面光洁度，硬度应在HRC5863，表面光洁度不低于815。对于做为轴向推力支承或齿轮压紧端面的轴的端面，光洁度不应低于7，并规定其端面摆差。一根轴上的同心直径应可控制其不同心度16。对于采用高频或渗碳钢的轴，螺纹部分不应淬硬，以免产生裂纹。对于阶梯轴来说，设计上应尽量保证工艺简单，阶梯应尽可能少17。2轴的强度计算（1） 初选轴的直径按扭转强度法进行最小直径计算dC=29.71,取d=30（2） 轴的设计结构 由图可知，支撑点距离为208mm,一挡齿轮到两支点的距离分别为：55.8，114.5。（3） 一挡齿轮的各个分力：轴的受力简图如图所示：102.372则在水平面上：FA203=Fr58.5FA=1035.80N则水平面上受到的力矩：Mc=1496731N.mm在竖直面上：=5345.09N水平面上受到的力矩为：Ms=772365N.mm该轴所受的弯矩为：T=459200 N.mm故危险截面受到的合成弯矩为：=1745742.255N.mm在弯矩和转矩联合作用下，轴的应力应为：=195.138Mpa400Mpa故轴的强度符合要求（4） 轴的刚度校核 若轴在垂直面内挠度为，在水平面内挠度为和转角为，可分别用式（5.2）、（5.3）、（5.4）计算 （5.2） （5.3） （5.4）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），=2.1105MPa；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mm。轴在垂直面和水平面内挠度的允许值为=0.050.10mm，=0.100.15mm。齿轮所在平面的转角不应超过0.002rad18。故该轴符合刚度条件，该轴合格。十、轴承的校核1.输入轴的轴承校核由工作条件和轴颈直径初选输入轴轴承型号，32305（左），32304（右），转速n=5101r/min,查机械设计手册左侧轴承，e=0.3,y=2。右侧轴承，e=0.30，y=2。轴承的预期寿命为：Lh=1636510=58400h计算轴承当量动载荷P39.628则：Fr1203=Fr758.5=955.64N Fr2203=Fr7144.5=2360.05N故轴承的附加轴向力：Fs1= Fr1/2Y=238.91NFs2= Fr2/2Y=590.01NFs1+Fa1=4047.3N Fs2=590.01NFa2= Fs1+Fa1=4047.3NFa1= Fs2=590.01N则：，故右侧轴承X=0.67，左侧轴承X=0.4，为考虑载荷性质引入的载荷系数，见机械设计原理与设计（1.21.8）取=1.2=1.20.4955.01+24047.3=10171.92N=1.20.672360.05+2590.01=3313.50N左侧轴承寿命命，为寿命系数，对球轴承=3；对滚子轴承=10/3。=708460565.9h=58400h合格19,20。右侧轴承寿命，为寿命系