【《三轴五档机械式变速器结构设计》14000字】

[4]。4.3齿轮的强度计算及材料接触应力不管是什么车型，其实相较于其他的机械设备的变速器来说变速器中的齿轮的使用同其他机械设备中齿轮的使用情况类似。而且在汽车变速器的生产过程中，对齿轮的加工与热处理所采用的方法也基本相似，同时所选齿轮的材质基本是一样的，对于齿轮的精度等级都是按照国家标准来选取。齿轮精度一般大于或等于7级。使用机械设计中齿轮的强度公式来计算校核轿车变速器中的齿轮，一样会计算出相对准确的结果。此次设计对齿轮材料的选择为40Cr。4.3.1齿轮弯曲强度计算（1）直齿轮弯曲应力（4-9）式中；——应力集中系数；；；；，如图4-1所示。图4-SEQ图4-\*ARABIC1齿形系数图当变速器位于一档时中间轴的转矩公式为：（4-10）可求得=139500N故由可以得出；再将所得出的数据代入式（4-9）可得在进行载荷计算的时候，选择最大扭矩Tmax为影响传动装置第一轴的最大扭矩，（2）斜齿轮弯曲应力（4-11）式中；其他参数均与式（4-9）注释相同，，选择齿形系数y时，再根据图（4-1）中查得。二档齿轮圆周力：（4-12）由有关斜齿轮计算公式有：=5370.1N齿轮8的齿数z=22，可查表（4-1）得：。故可求得：同理可得：其余前进档位齿轮的弯曲应力同此变速器二挡的计算方式一样，通过计算可以得到：三档：；五档：；结合以上数据，所选择的斜齿与直尺的基本参数与尺寸都满足强度要求。4.3.2齿轮材料接触应力齿轮接触应力（4-13）式中；；；；；；；；直齿轮：（4-14）（4-15）斜齿轮：（4-16）（4-17）其中，分别为主从动齿轮节圆半径（mm）。当载荷在第一轴上为最大时，见表4-1：表4-SEQ表4-\*ARABIC1各档位齿轮要求强度齿轮/MPa渗碳齿轮液体碳氮共渗齿轮一档和倒档1900-2000950-1000常啮合、其他档位1300-1400650-700通过计算可以得出各档齿轮的接触应力分别如下：一档：；二档：；三档：五档：由以上数据对照表查看得出变速器中各档齿轮的接触应力都符合使用要求。4.4本章小结此章节开头便阐明了齿轮的几种失效形式，结合相应公式继续对所选择齿轮的强度进行校核，结果均符合使用要求。对齿轮的校核可以检测出所选数据的正确与否，检测出计算过程是否准确，可以及时的发现出前文数据的错误，避免后续更多错误的产生。第五章变速器中轴的设计与校核5.1变速器中轴的结构与尺寸5.1.1轴的结构对输入轴来说前端连接离合器，常啮合齿轮与一轴连接在一体。轴的长度由轴径和轴长的比并且结合离合器的尺寸来进行大致的选择，，输入轴和离合器通过花键连接在一体，需要根据离合器的内花键来选择相应的输入轴上的外花键。输入轴如下图所示：图5-SEQ图5-\*ARABIC1变速器输入轴变速器的中间轴有旋转式、固定式。本次中间轴为旋转式。5.1.2轴的尺寸在进行轴的初步设计时。轴的直径有两种确定方法：1、参考此种车型的变速器直接选用直径。2、由下面的公式进行初选。第一轴和中间轴：（5-1）第二轴：（5-2）式中——发动机的最大扭矩，N·m需要综合考虑设计是否合理，所以要综合考虑轴的强度与刚度之间的关系。参考以下范围来大致确定轴的基本参数：第一轴和中间轴：d/L=0.160.18；第二轴：d/L=0.180.21。5.2轴的校核一般来说，对于传动轴的设计，轴的强度通常是足够的，因此这种设计只检查轴的危险截面并对其进行校核。不管对什么进行设计，在设计时都需要保存一定的余地，留出一定的余量。轴的设计也是如此，轴的刚度与强度在设计时都是足够的。变速器的轴当承受的扭矩最大时，变速器所处的档位应为1挡，因此，对变速器处于一档时来验算校核轴的强度与刚度就可以。此次设计中输出轴上有很多同步器和齿轮所以相应的结构比较复杂，需要重点来校核验算输出轴。以下是对输入轴和输出轴的校核过程。5.2.1一轴的校核在变速器正常工作时，第一轴的所承受的弯矩相对较小，计算时忽略输入轴所承受的弯矩，视为输入轴只承受扭矩。此时，根据轴的扭矩强度条件公式计算校核:（5-3）式中；；；；；。其中将已知的数据P=77kw，：由查表可知[]=55MPa，故[]，符合强度要求。：（5-4）式中；；；将已知数据代入上式可得：因为传动轴的扭转角范围内；所以输入轴符合使用要求。5.2.2二轴的校核（1）轴的强度校核根据机械设计齿轮斜啮合中各分力公式圆周力、径向力及轴向力可按下式求出：（5-5）（5-6）(5-7)式中；；；；。代入上式可得：；；。危险截面的受力图为：图5-SEQ图5-\*ARABIC2危险截面受力分析水平面：（160+83）=83，可得出=1527.2N；水平面内所受力矩：垂直面：（5-8）可求出=5723.6N垂直面所受力矩：。该轴所受扭矩为：。故危险截面所受的合成弯矩为：（5-9）得M=（MPa）：（5-10）将合成弯矩M代入上式可得：，而许用应力[]=400MPa，因此有：，符合要求。（2）轴的刚度校核输出轴竖直面内的挠度由式5-11计算输出轴在水平面内的挠度可由式5-12计算：（5-11）（5-12）式中；；；；；。将数值代入式（5-11）和（5-12）得：，。故轴的全挠度为，符合刚度要求。5.3本章小结本章节对变速器轴进行了设计并进行校核验算，输入轴与常啮合齿轮为一体，中间轴的传动方案为旋转式中间轴，一档倒挡二挡与中间轴造成一体，其他档位通过键连接在中间轴上来传递作用和力；输出轴相对输入轴来说结构相对复杂，上面有矩形花键。校核验算所选的轴的尺寸是否满足强度与刚度要求。第六章变速器中同步器及操纵机构的设计6.1同步器的设计在前面章节阐明了本次设计所采用的换挡方式为锁紧式同步器换挡，其结构如下图6-1所示：图6-SEQ图6-\*ARABIC1锁环式同步器6.1.1同步器的工作原理如上图所示，操纵机构中锁紧式同步器的换挡原理是：当需要换挡时操纵机构中的拨叉会人为地产生轴向力，拨叉由于受到轴向力会带动啮合套筒轴向移动当啮合套内圈与锁紧环内圈触碰时停止移动。而后，啮合套含有齿的端面会与同步环的锁止面相互接触（图5-2b），就会产生相反的力阻止啮合套沿着轴向移动，同步装置被锁定，换挡的第一阶段结束。作用在拨叉上的轴向力使锁环紧靠锥面，故摩擦力矩不断增大，这时拨叉的扭矩会反向作用在锁止面上。此时，齿轮和锁定环的角速度相互接近。在两者的角速度相同的情况下，结束同步处理，换挡的第2阶段正常结束。之后，摩擦扭矩将继续减小，直到消失为止，拨叉产生的扭矩将使锁环平稳返回，两个接触面相互分离，当同步器解锁时，在拨叉轴向力的作用下，啮合套筒上的轮齿通过锁环与齿轮上的啮合齿啮合。如下图d过程所示从而完成同步换档。图6-SEQ图6-\*ARABIC2同步器工作原理6.1.2同步环参数的确定1、同步环锥面螺纹槽如果螺纹块的顶部可以设计成窄的，那么可以更好地去除摩擦壳之间的油膜。但是也会产生相应的缺点，由于螺纹槽螺线顶部很窄会加剧磨损。螺纹尖端磨损越严重，摩擦系数越小，操纵换挡费力不方便从而导致工作困难。从变速器的设计要求来看，要满足操纵轻便的需求就不宜将齿宽设计的过大。但是可以适当增大螺纹槽，如果过分加大螺纹槽就会使接触面变小从而会使磨损速度不断加快。中小型汽车通常选取下图a中所给出的尺寸；大型汽车通常会选择下图b所给的数据。一般来说，所需的轴向泄油槽为6～12个，泄油槽宽约3～4mm。图6-SEQ图6-\*ARABIC3同步器螺纹槽形式2、摩擦锥面半锥角、平均半径R、工作长度b摩擦力矩与半锥角成反比：即摩擦力矩会随着半锥角的减小而增大。当α过小时，便会产生自锁现象。有机械设计知自锁的产生条件是。一般=6～8°。当=6°时，摩擦力矩较大，但如果加工精度和加工质量不好时会产生咬合的现象；但是有实验知当=7°时咬合的倾向就基本不会发生。本次同步器的半锥角取7°。摩擦力矩会随着半径R的增大而增大，同时平均半径也会受到变速器自身结构尺寸的制约，与相关零件的设计和总体结构布置及其变速器中心距都有极大的关系。考虑到同步环的径向厚度与总体的尺寸结构要求不宜将半径R取得过大。虽然半径增大摩擦力矩也会变大，理想条件下是可以将半径取得大一些，综合考虑摩擦力矩与结构尺寸的要求。这个三轴五档机械式变速器的半径R取50～60mm。对工作长度来说，变速器轴向长度会随工作长度的减小而减小；减小长度会存在弊端，减小工作长度也会缩短工作面积进一步导致单位压力的增大；会使磨损加剧。对工作长度的确定可以根据式6-1来设计计算。（6-1）设计中考虑到降低成本取相同的b取5mm。3、同步环径向厚度同步环的尺寸由变速器本身的结构（变速器内部零件的结构尺寸、变速器中具体零件的安装方式）所影响，由于要求变速器的体积小重量轻因此，虽然说同步环的径向厚度不宜过厚，要保证同步环要有足够大的强度满足相应的使用要求的前提下，选择适当的同步环的尺寸。由经验得货车的同步环的径向厚度是要比家用车大一些的，同步环是经过锻造加工制成的，通过锻造可以提高同步环的使用寿命增大其屈服强度。锻造所选用的材料是黄铜锰-合金。通常选择亚洲为货车同步环的加工方法。通过镀一层合金，它的摩擦因数较理想同时可以大大提高耐磨性与强度。另外有变速器在其同步装置的零件上喷一层适当厚度的金属，这种同步环的寿命得到了极大的提高。采用这种同步环既可以提高经济性，还可以提高同步环的强度，满足此次变速器的设计要求。这个三轴五档机械式变速器中的同步器径向宽度取10.5mm。4、锁止角β、同步时间t锁止角β的选择关系到变速器是否可以顺利平顺的进行换挡。摩擦因数、擦锥面的平均半径R、锁止面平均半径和锥面半锥角α这些因素都会影响锁止角的选择。这机械式变速器所初步选择的锁止角为30°。我们说的理想状态下换挡过程的时间越小越好，也就是不同的两个部件可以在极小的时间内迅速完成同步过程，保证顺利换挡。同步装置的同步时间受同步装置自身的尺寸和结构的影响。众所周知，同步时间与车型有关。所以初选同步时间，不同档位的同步时间也不同：参考同步器设计资料得:对轿车变速器来说：；对货车变速器来说：。6.2变速器操纵机构6.2.1操纵机构的功能变速器操纵机构的功用是通过操纵杆来控制拨叉来轴向移动啮合套，用来获得驾驶员想要的档位。而且操纵机构一次只可以挂入一个档位。6.2.2操纵机构的要求(1)必须要有锁止装置（互锁、自锁、倒档锁）a.互锁装置：当操作员移动操纵杆时，只有这一个拨叉可以进行移动，其他操纵杆不能够移动和其他的拨叉一样都被锁止，以此来保证换挡准确。这个机械式变速器的互锁机构选择互锁销式的结构，具体结构如图6-4：b.定位功能是自锁结构最重要的作用，用来防止由于路面颠簸引起汽车振动产生轴向力是定位失效或由于恶劣路况引起的其他状况而导致汽车传动失灵的现象，而且可以通过反馈给驾驶员确定的换挡感受，保护变速器，并起到警示驾驶员的作用。下图为自锁装置的结构形式。c.安全性是最重要的性能，可以保护驾驶员的生命健康，所以为了行驶的安全性，防止驾驶员在行进的过程中因失误操作挂了倒挡，同时也为了保护变速器的传动系统。变速器中都会有倒挡锁。倒档锁能在驾驶员失误操作时给驾驶员不同于挂入前进档的感觉，以此来起到警示作用，及时提醒驾驶员。图6-SEQ图6-\*ARABIC4自锁互锁结构(2)同设计要求一样，操纵机构需要换挡更加轻便，同时需要有相应的反馈，可以及时通知驾驶员，增加行车乐趣。(3)应使驾驶员得到必要的手感。6.2.3变速器的换挡位置确定换挡位置是操纵机构设计首先要考虑的事情。但是如何确定换挡位置呢？需要根据齿轮的布置方案来确定：(1)齿轮布置由低档到高档依次布置；(2)为了满足日常的行驶便于操作，常用档位通常布置在变速器的中间位置；(3)为了防止驾驶员大意操作，倒挡的操纵位置往往在最旁边的位置。6.3本章小结本章节对同步器换挡的结构方案进行设计，适当地分析了锁止式同步器是怎样进行工作的。由设计计算对同步器的基本参数进行选取，并验算参数是否合理。具体分析了操纵机构在实现轻便换挡时所需的内部结构。必须包括自锁、互锁和倒档锁，通过这些机构可以使行车足够的安全，保护驾驶员和变速器的传动系统。通过倒挡锁还会有及时的反馈到驾驶员。提高专注度。提高驾驶乐趣。第七章成本分析由于考虑到经济性与实用性，现在对本次设计的一些主要零件进行设计成本估计核算。具体包括对齿轮的加工方法及其材料选择成本和所用加工工时；对这三个轴的毛坯件进行选择，如何加工到本次设计所需要的尺寸，大致花费了多少成本和时间；对重要非标件进行相同的分析其成本预算；最后就是对三轴五档机械变速器进行整体的成本分析，及其成功加工出一个整体大致所需的成本及其所需的加工时间。7.1齿轮的加工核算因为所设计的变速器中含有较多的齿轮，其中多为斜齿轮，只有一档和倒挡为直齿轮。本次设计所选择的材料为40镉，应该是国内机械生产所常用的钢材。40Cr是很经济性的材料成本价格不高，很具有性价比。对于变速器中的斜齿轮的加工方法有很多种，最常用的是成形法与范成法加工。本次设计的直齿轮采铣刀加工。采用铣刀加工的直齿轮精度不是很高但生产成本较低。如下图为铣刀加工直齿轮：图7-SEQ图7-\*ARABIC1铣刀加工直齿轮本次变速器的斜齿轮使用的加工方法为滚齿加工，这种方式加工效率较高，适应性好。如下为本次设计采用的滚齿机及其滚齿加工的工作原理：图7-SEQ图7-\*ARABIC2滚齿加工图7-SEQ图7-\*ARABIC3Y3150E型滚齿机三个直齿轮通过铣刀加工，其余各档位和常啮合的斜齿轮在滚齿机上加工在相对较短的时间内就可以完成加工，然后对已加工的齿轮进行热处理使其满足相应的使用要求。7.2轴的加工核算本次设计中因为输入轴上常啮合齿轮与输入轴为一体，加工相对较为复杂。中间轴上五档与三档的的齿轮通过键连接在轴上，故在进行中间轴的加工时需要在轴上铣出相应的键槽。输入轴上装配的零件较多，对输入轴的加工要求较高。轴的材料可以选择45钢或40Cr合金钢。结合上文齿轮材料的选择及其变速器的设计要求。本次轴的材料同齿轮一样为40Cr。这样方便输入的齿轮轴进行加工，虽然成本相较于45钢略高一些，但使用性能更好。轴通过车床来进行加工，根据其表面粗糙度的要求，恰当的选取加工方法，同时兼顾了经济性。轴上的键槽和齿轮上的键槽可以通过车刀或铣刀将键槽铣出来。对于输出轴上的同步器的加工来说，啮合齿圈可以由铸造产生在对其表面进行磨削工序满足其粗糙度要求，与之配合的拨叉可以在数控机床进行加工，精确性较高可以完美与套筒相配合。但成本相对来说略高，但好在拨叉的数量并不多。图7-SEQ图7-\*ARABIC440Cr价格7.3整体核算变速器的可以采用最廉价的方法制造，通过铸造来进行大批量生产。成本相对较低，输入输出轴和中间轴的轴承根据标准和工作情况来选择恰当的轴承，四个轴承成本大致在80元左右。铸造过后的壳体对其需要进行装配的表面进行进一步的加工，以保证可以完美的装配。进行整体核算是要充分考虑是否满足经济性的要求。对壳体的材料选择，要满足