目 录
摘要……………………………………………………………………...Ⅰ
Abstract……………………………………………………………..Ⅱ
第1章 绪 论............................................................................................1
1.1汽车变速器概述…………………………………………………………..1
1.2课题研究目的和意义……………………………………………………..1
1.3课题研究现状及分析……………………………………………………..2
1.3.1国外手动变速器的研究现状……………………………………….2
1.3.2国内手动变速器的研究现状…………………………………..…...3
1.3.3国内轻载手动变速器的发展趋势……………………………..…...4
1.4手动变速器的特点和设计要求及内容…………………………………..5
1.4.1手动变速器特点………………………………………………..…...5
1.4.2手动变速器的设计要求……………………………..……………...6
1.4.3设计的主要内容……………………………………………..……...6
第2章 总体方案设计……………………………………………..…….7
2.1汽车参数选择……………………………………………………………..7
2.2变速器设计应满足的基本要求…………………………………………..7
2.3变速器传动机构的结构分析和形式选择………………………………..7
2.3.1两轴式变速器的特点分析……………………………………..…...8
2.3.2中间轴式变速器特点分析……………………………………..…...9
2.3.3倒挡布置方案分析…………………………………………..…….10
2.3.4传动机构布置的其他问题……………………………………..….11
2.4零部件结构方案分析……………………………………………………11
2.4.1齿轮形式………………………………………………………..….11
2.4.2换挡机构形式……………………………………………..……….12
2.4.3防止自动脱挡的结构………………………………………..…….12
2.4.4锁止机构………………………………………………………..….13
2.4.5变速器轴承………………………………………………………...14
2.5本设计所采用的传动机构布置方案……………………………………15
2.6本章小结…………………………………………………………………15
第3章 变速器设计和计算…………………………………………......16
3.1挡数………………………………………………………………………16
3.2传动比范围………………………………………………………………16
3.3各挡传动比的确定………………………………………………………16
3.3.1主减速器传动比的确定…………………………………….……..16
3.3.2最低挡传动比计算…………………………….…………………..17
3.3.3各挡传动比的选择………………………………………………...18
3.3.4中心距的选择……………………………………………………...19
3.3.5变速器的外形尺寸………………………………………………...19
3.4齿轮参数…………………………………………………………………19
3.4.1模数的选取………………………………………………………...19
3.4.2压力角…………………………………………………………...20
3.4.3螺旋角…………………………………………………………...20
3.4.4齿宽b………………………………………………………………22
3.4.5齿顶高系数………………………………………………………...22
3.4.6变位系数的选择原则……………………………………………...22
3.5各挡齿轮齿数的分配……………………………………………………23
3.5.1确定一挡齿轮的齿数……………………………………………...23
3.5.2常啮合齿轮齿数，变位系数及相关参数的确定…………………26
3.5.3二挡齿轮齿数，变位系数及相关参数的确定……………………27
3.5.4三挡齿轮齿数，变位系数及相关参数的确定……………………30
3.5.5五挡超速挡齿轮齿数，变位系数及相关参数的确定……………31
3.5.6倒挡齿轮齿数，变位系数及相关参数的确定……………………33
3.6本章小结…………………………………………………………………35
第4章 变速器的校核………………………………………….………36
4.1齿轮的损坏形式…………………………………………………………36
4.2齿轮材料的选择原则……………………………………………………36
4.3计算各轴的转矩…………………………………………………………37
4.4齿轮强度计算……………………………………………………………38
4.4.1齿轮弯曲强度计算………………………………………………...38
4.4.2轮齿接触应力……………………………………………………...42
4.4.3计算各挡齿轮的受力……………………………………………...48
4.5本章小结…………………………………………………………………51
第5章 轴及轴上支撑件强度和刚度的计算及校核………………….52
5.1轴的工艺要求……………………………………………………………52
5.2轴的结构尺寸设计………………………………………………………52
5.3轴的校核…………………………………………………………………53
5.3.1轴的刚度的计算…………………………………………………...53
5.3.2轴的强度计算……………………………………………………...61
5.3.3验算轴的强度……………………………………………………...64
5.3.4轴的支撑反力和弯矩图………………………………………...…66
5.4本章小结…………………………………………………………………71
第6章 变速器的轴承的选择及校核………………………………….72
6.1第一轴轴承的选择及校核………………………………………………72
6.2第二轴轴承的选择及校核………………………………………………73
6.3中间轴轴承的选择及校核………………………………………………74
6.4本章小结…………………………………………………………………75
第7章 同步器和操纵机构的设计选用……………………………….76
7.1同步器的设计选用………………………………………………………76
7.1.1锁环式同步器……………………………………………………...76
7.1.2锁销式同步器……………………………………………………...77
7.1.3锁环式同步器主要尺寸的确定…………………………………...78
7.1.4同步器主要参数的确定…………………………………………...79
7.1.5同步器参数………………………………………………………...81
7.2变速器操纵机构的设计选用……………………………………………82
7.2.1变速器操纵机构的分类…………………………………………...82
7.2.2变速器常用操纵机构分析………………………………………...83
7.3变速器箱体的设计………………………………………………………84
7.4本章小结…………………………………………………………………85
结 论…………………………………..………………………………...86
参考文献………………………………………………………………...87
致 谢…………………………………………………………………….89
摘 要
变速器用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，目的是在原地起步，爬坡，转弯，加速等各种行驶工况下，使汽车获得不同的牵引力和速度，同时使发动机在最有利工况范围内工作。变速器设有空挡和倒挡。需要时变速器还有动力输出功能。
因为变速箱在低档工作时作用有较大的力，所以一般变速箱的低档都布置靠近轴的后支承处，然后按照从低档到高档顺序布置各档位齿轮。这样做既能使轴有足够大的刚性，又能保证装配容易。变速箱整体结构刚性与轴和壳体的结构有关系。一般通过控制轴的长度即控制档数，来保证变速箱有足够的刚性。
本次设计的题目是福田轻型载货汽车手动变速器设计。变速器由变速器传动机构和操纵机构组成，其基本功用是改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利的工况下工作;在发动机曲轴旋转方向不变的前提下使汽车能倒退行驶；利用空挡中断动力传递，以使发动机能够起动 、怠速，并便于变速器换挡或进行动力输出。
采用中间轴式变速器，该变速器具有三个突出的优点：一是其直接档的传动效率高，磨损及噪声也最小；二是在齿轮中心距较小的情况下仍然可以获得较大的一档传动比；三是可以提供较大转矩，保证汽车能载一定质量的货物。这台变速器具有五个前进档（包括一个超速档五档）和一个倒档，并通过锁环式同步器来实现换档。本设计论述了变速器的总体结构，对变速器的工作原理做了阐述，变速器的各挡齿轮和轴做了详细的设计计算，并进行了强度校核，对一些标准件进行了选型。变速器的传动方案设计并讲述了变速器中各部件材料的选择，在设计中完成了各挡齿轮和轴的计算和校核及CAD绘图等工作。
关键字：变速器；设计；齿轮；轴；校核
ABSTRACT
Transmission to change the engine reached on the driving wheel torque and speed, is aimed at marking start, climbing, turning, accelerate various driving conditions, the car was different traction and speed Meanwhile engine in the most favorable working conditions within the scope of the work. And the trans mission in neutral gear with reverse gear. Transmission also need power output function.
Gearbox because of the low-grade work at a larger role, In general, the low-grade gearbox layout are close to the axis after support, Following from low-grade to high-grade order of the layout of stalls gear. This will not only allow axis are large enough for a rigid, but also ensures easy assembly. Gear box overall structure and rigid axle and the shell structure of relations. Generally through the control shaft length control over several stalls to ensure that adequate gear box rigid.
This paper describes the design of three-axis five block manual tran mission, the transmission principle of work elaborated, Transmission of the gear shaft and do a detailed design, and the intensity of a school. For some standard parts for the selection. Transmission Trans mission program design. A brief description of the trans mission of all components of the material choice.
Keywords : Transmission; Design; Gear; Axis; Checking
第1章 绪 论
1.1汽车变速器概述
变速器用于转变发动机曲轴的转矩和转速，以适应汽车在起步、加速、行驶以及克服各种道路障碍等不同行驶条件下，对驱动车轮牵引力及车速不同要求的需要。用变速器转变发动机转矩、转速的必要性在于内燃机转矩-转速变化特性的特点是具有相对小的对外部载荷改变的适应性[1]。
变速器能使汽车以非常低的稳定车速行驶，而这种低的车速只靠内燃机的最低稳定车速是难以达到的。变速器的倒挡使汽车能倒退行驶；其空挡使汽车在启动发动机、停车和滑行时能长时间将发动机和传动系分离。
变速器按其传动比的改变方式可分为有级、无级和综合式的。有级变速器按其前进挡的挡位数分为三、四、五挡和多挡的；而按其轴中心线的位置又可分为固定轴线式、旋转轴线式和综合式的。固定轴式变速器又分为两轴式、三轴式和多轴式的。变速器按其操纵方式又可分为自动式、半自动式、预选式、指令式、直接操纵式和远距离操纵式[2]。
变速器的结构对汽车的动力性、经济性、操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率等都有直接影响。变速器与主减速器及发动机的参数做优化匹配，可得到良好的动力性与经济性；采用自锁及互锁装置，倒挡安全装置，对接合齿采取倒锥齿侧措施以及其他结构措施，可使操纵可靠，不跳挡、乱挡、自动脱挡和误挂倒挡；采用同步器可使换挡轻便，无冲击及噪声；采用高齿、修形及参数优化等措施可使齿轮传动平稳、噪声低，降低噪声水平已成为提高变速器质量和设计、工艺水平的关键。随着汽车技术的发展，增力式同步器，双、中间轴变速器，后置常啮合传动齿轮、短第二轴的变速器，各种自动、半自动以及电子控制的自动换挡机构等新结构也相继问世。
变速器多采用飞溅润滑，重型汽车有时强制润滑第一、二轴轴承等。
变速器都装有单向的通气阀以防壳内空气热胀而漏油及润滑油氧化。壳底放油塞多放置磁铁以吸附油内铁屑[3]。
1.2课题研究目的和意义
现如今国内外汽车工业迅猛发展的今天，车型的多样化和个性化已经成为汽车发展的趋势。但变速器设计一直是汽车设计中最重要的环节之一，特别是对轻型载货汽车而言，配备一个良好的变速器，可以使其汽车在行驶的过程中达到一个良好的平顺性，缓解驾驶员由于长时间驾驶所带来的疲劳。所以设计一台匹配性好的变速器，是汽车设计的一项重要工作，因此，依据整车的主要技术指标、发动机功率、转速和车辆行驶条件，来确定变速器的结构型式的选择、设计参数的选取及各大零部件的设计计算，在设计过程中可以详细了解、掌握变速器中齿轮、轴的设计方法，不同条件下轴承的选取方法，操纵机构的设计和分析方法以及箱体的设计方法。
特别是对轻型载货汽车而言，其设计意义更为明显。在对汽车性能要求越来越高的今天，车辆的舒适性也是评价汽车的一个重要指标，而变速器的设计如果不合理，将会使汽车的舒适性下降，使汽车的运行噪声增大。通过一步步的计算和校核来改善变速器的工作状态，使其达到理想的舒适性并减小工作时的噪声。传统的变速器设计设计方法一般是根据性能要求利用经验公式取初值，然后计算其强度，传动质量指标等，如不符合要求根据经验公式改变某些参数，继续计算直至符合所有的条件与要求。通过本题目的设计，可综合运用所学知识对轻型载货汽车的手动变速器进行设计，从而回顾并复习了以前所学过的课和一些工程软件的应用，由于本题目模拟工程一线实际情况，通过毕业设计可与工程实践直接接触，从而可以提高解决实际问题的能力，使在课堂上所学的专业知识理论与实际问题结合起来，综合提高自身的设计和制造水平。并为我以后的工作打下了坚实的基础。
1.3课题研究现状及分析
1.3.1国外手动变速器的研究现状
(1)国外变速器的发展
早在1889年，法国标致公司埃米尔•利互苏成功研制出世界上第一台手动机械式4挡齿轮传动汽车变速器。这种变速器要求驾驶员用一根操纵杆不断地拨动滑动齿轮,直到它们啮合为止,这种变速器操作频繁、换挡困难、齿轮在挂档时易碎等缺点。但是现如今的变速器都是由它演练而来。变速器最重要的发展是由凯迪拉克公司厄尔•汤普森的工程师于1928年研制出一种在换挡时可避免齿轮被咬碎的同步器，后来，波尔舍公司又研制出一种改进了的同步器系统，被普遍应用在现在的手动变速器上。随着几十年来车速的不断提高，在现在汽车中，变速器的结构对汽车的动力性、经济性、操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率等都有直接影响。变速器与主减速器及发动机的参数作优化匹配,可得到良好的动力性与经济性;采用自锁及互锁装置，倒档安全装置可使操纵可靠，不跳档、乱档、自动脱档和误挂倒档;采用同步器可使换档轻便，无冲击及噪声;采用高齿、修形及参数优化等措施可使齿轮传动平稳、噪声低，降低噪声水平已成为提高变速器质量和设计、工艺水平的关键。随着汽车技术的发展，增力式同步器，双中间轴变速器，后置常啮合传动齿轮、短第二轴的变速器，各种自动、半自动以及电子控制的自动换档机构等新结构也相继问世[4]。
(2)国外变速器的发展趋势
现在在国外，有很多变速器厂，大多在向AMT（顺序换挡变速器）方向研发，他们认为AMT技术难度低，成本低，大多的轻型载货汽车基本上都在匹配AMT技术，这个会是轻型载货汽车的主流发展趋势。比较好的载货汽车档位很多，让人不停的操作换档不现实也不安全，AMT技术就是解决这个问题，而且载货汽车车由于本身惯量比较大，对于动力中断过程比小型乘用车感觉要小的多，轻型载货汽车本身对舒适性的要求也不是很高，这样充分发挥了AMT的优势，避开了AMT的缺点：动力中断。在这方面德国ZF公司是领先者。CVT（无级变速器）一个瓶颈就是钢带的强度问题，承载扭矩比较小，世界上主要匹配CVT的大都是日本车，欧洲还是以MT（手动变速器）、AT为主，美国是以AT为主，但向DCT（双离合变速器）发展是个趋势[5]。
1.3.2国内手动变速器的研究现状
(1)国内手动变速器的现状
从上个世纪50年代国产第一辆载货汽车下线以来，我国的汽车工业已经经历了50年的发展历程，已经成为我国的支柱产业，随着改革开放的的深入和社会发展的广泛需求，我国汽车工业发展迅速，汽车保有量逐年上升。
但是我国汽车工业起步较晚，随着近些年来国内外汽车工业迅猛发展，发展车型的多样化和个性化已经成为汽车发展的趋势。但变速器设计一直是汽车设计中最重要的环节之一，它是用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，因此它的性能影响到汽车的动力性和经济性指标。对于载货汽车，手动变速器的功用是其它变速器所不能替代的。目前国产轻型载货汽车所装配的变速器主要以国产手动档变速器为主，汽车变速器是影响整车动力性、经济性、舒适性的重要总成，国内外的汽车制造与销售数据显示，人们对载货汽车驾乘的舒适性越来越重视。所以国内的轻型载货汽车市场的发展也是越来越快。现在的汽车变速器的使用寿命与整车基本相当，售后维修市场对变速器总成的需求仅占少数，故此可将轻型载货汽车市场近似为它的变速器配套市场空间。随着全球能源及原材料价格的不断上涨，汽车销售价格的下降，要求汽车变速器向着体积小质量轻、承载能力大、结构紧凑上发展。这就要求零件设计结构机械性能也要相应有所改变，向着小巧紧凑高强度，高刚性方向改进，进而也要求有新技术新工艺来保证能够制造出来。目前许多变速器生产企业正在研发一些能大幅提高离合器、同步器寿命和行车安全性，且保留了传统有级机械变速器传动效率高、体积小、机构简单、使用可靠、易于制造、成本低、燃油消耗少和维护与使用费用低、多档位、大速比变化范围改善了汽车的动力性、燃油经济性和换档平顺性的变速器[6]。
(2)国内手动变速器的设计技术
如今,国内的一些变速器的设计和制造广泛采用CAD、CAE和CAM技术，这些计算机辅助技术不仅仅节省了在设计研究过程中的时间，更解决了在研发过程中的成本问题，各大汽车制造厂家也纷纷引进技术，使计算机应用到汽车生产研发的过程中去。在对汽车变速器的三维设计中,目前仍主要采用自底向上设计方法,即先对组成总成概念设计模型的零件进行详细的几何结构设计,然后再对其结构零件进行装配。这种设计方法的缺陷是所开发的产品不仅缺乏整机设计标准和设计要求的继承性, 而且在整个设计阶段一些重要的产品设计信息、零部件信息没有得到很好的建立和控制, 一旦发现问题修改起来相当困难。而工程技术人员通常的设计过程是一个由抽象到具体的逐步细化过程,是一个自顶层向底层的逐步分解细化和求解的过程。其中的结构设计一般是先设计装配图,再设计零件图, 装配图和零件图是相互关联的。这种设计流程叫做自顶而下的设计。比如通过将虚拟样机技术中软件协同方法应用于虚拟装配的研究中，实现了在产品的设计阶段以较少的时间和精力进行虚拟装配，并从静态和动态两方面对装配结果进行了验证，得到可靠的装配检查结果。从而减少虚拟样机的建模时间，增加模型的可信度，提高产品质量，加快产品上市的时间，这种技术就是基于在计算机辅助设计、分析和制造的基础上进行的研究。再如对具体的齿轮进行几何精度计算设计完成后,在计算机辅助设计、分析和制造软件中调用绘图软件进行自动绘图,生成各级齿轮的平面二维图形。所有图形基本不需要任何修改即可用于生产。而且所有齿轮的参数、尺寸,包括技术要求均能在图纸中自动标注,无须手工输入。所以当今对汽车的设计很大程度上依赖于计算机的相关软件[7]。
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