第五章+定轴变速箱设计

第五章定轴式变速箱第一节概述目前工程机械上广泛采用内燃机，其转矩与转速变化范围较小（1.15-1.25），不能满足车辆在各种工况下对牵引力和行驶速度的要求，因此，必须采用变速箱来解决这种矛盾。1．功用变速箱的主要功用如下：a.变换排挡，改变发动机和驱动轮间的传动比，使车辆的牵引力和行驶速度适应各种工况的需要；b.实现倒挡，使车辆能前进与倒退；c.实现空挡，可切断传动系统的动力，实现在发动机运转情况下，车辆能长期停止，便于发动机启动和动力输出的需要。2．分类动力换挡变速箱和人力换挡变速箱两种。行星式变速箱和定轴式变速箱.定轴式变速箱可分为二轴式、平面二轴式、空间三轴式与多轴式等不同类型变速箱的挡位数是有限的，各挡传动比之间有一定间隔，故称它为有级式变速箱。（1）按操纵方式分类：动力换挡变速箱和人力换挡变速箱人力换挡变速箱是用人力拨动变速箱齿轮或啮合套进行换挡的。同汽车用变速箱一样，人力换挡变速箱换挡时，需先踩下离合器，然后变换挡位。与动力换挡变速箱相比，人力换挡变速箱的结构简单、工作可靠、制造方便、重量轻、传动效率高。但人力换挡变速箱采用人力操纵，劳动强度大。同时在换挡时，动力切断的时间较长，这些因素影响了工程机械的作业效率的提高，并使工程机械在恶劣路面上行驶时通过性差。所以，除极少数小型车辆外，目前人力换挡变速箱已很少采用。动力换挡变速箱的工作原理如图所示。齿轮a、b用轴承支承在轴上，与轴空转连接，通过相应的换挡离合器可分别将不同挡位的齿轮相固连，从而实现换挡。换挡离合器的分离与结合一般是液压操纵，液压油是由柴油机带动的油泵供给的，可见，换挡的动力是由柴油机提供的，所以称为“动力换挡”。

动力切断时间短“动力换挡”实现在大负荷的情况下换挡不停车。动力换挡变速箱结构复杂、制造困难、精度高、重量大、体积也比较大，而且由于换挡元件（离合器）有摩擦功率损失，传动效率较低。但是动力换挡变速箱操纵轻便、简单，换挡快，换挡时动力切断的时间可降低到最低限度，能实现在大负荷的情况下换挡不停车，这大大有利于工程机械生产效率的提高。由于工程机械作业时换挡频繁，迫切需要改善换挡操作。因此，虽然动力换挡变速箱的结构复杂、制造困难，动力换挡变速箱在工程机械上的应用愈来愈广泛。（2）按轮系型式分类按轮系型式的不同可分为行星式变速箱（旋转轴式-行星式）和定轴式变速箱（固定轴式）。3。设计要求：1）保证车量有必要的动力性和经济性。2）设置空挡，用来切断发动机的动力传输。3）设置倒挡，使之能倒退行驶。4）设置动力输出装置。5）换挡迅速、省力、方便。6）工作可靠。变速器不得有跳挡、乱挡及换挡冲击等现象发生。7）变速器应有高的工作效率。8）变速器的工作噪声低。除此之外，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。4．变速箱设计通常采用如下步骤：程序

b.根据挡位数与各挡传动比，草拟变速箱的传动方案；

c.确定变速箱的主要参数，包括中心距、齿轮模数，齿宽和斜齿轮螺旋角等；d.根据变速箱的传动比选配齿轮，确定各挡齿轮的齿数；e.进行齿轮、轴、轴承等零件的寿命计算及强度、刚度计算；f.进行结构设计，绘制装配图与零件图

第二节．定轴人力换挡变速箱

一.类型；二.传动简图；三．变速箱主要参数的确定，四.变速箱主要零件设计；五.结构设计要点六.变速箱齿轮的损坏形式有三种：断齿、齿面点蚀和磨损。一。类型：(一)按换挡方式分滑动齿轮换挡与啮合套换挡滑动齿轮换挡啮合套换挡3.啮合套换挡的改进-同步器锁环式惯性同步器锁环（也称同步环）同步环同步环锁环具有与齿轮1和4上的摩擦面锥度相同的内锥面，内锥面上制出细牙的螺旋槽，以便两锥面接触后破坏油膜，增加锥面间的摩擦。三个滑块2分别嵌合在花键毂的三个轴向槽11内，并可沿槽轴向滑动。在两个弹簧圈6的作用下，滑块压向接合套，使滑块中部的凸起部分正好嵌在接合套中部的凹槽10中，起到空档定位作用。滑块2的两端伸入锁环9和5的三个缺口12中。只有当滑块位于缺口12的中央时，接合套与锁环的齿方可能接合。接合套原理：惯性式同步器是依靠摩擦作用实现同步的，在其上面设有专设机构保证接合套与待接合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，从而避免了齿间冲击。

传动系统--变速器和同步器两轴五当变速器传动简图

此变速器有五个前进档和一个倒档，由壳体、第一轴（输入轴）、中间轴、第二轴（输出轴）、倒档轴、各轴上齿轮、操纵机构等几部分组成。1-输入轴2-轴承3-接合齿圈4-同步环

5-输出轴6-中间轴7-接合套8-中间轴常啮合齿轮

三轴五挡变速器传动简图两轴五当变速器4-同步环

补充1-输入轴2-接合套3-里程表齿轮4-同步环

5-半轴6-主减速器被动齿轮

7-差速器壳

8-半轴齿轮9-行星齿轮10、11-输出轴12-主减速器主动齿轮13-花键毂

两轴五当变速器传动简图两轴五当变速器传动4-同步环

补充同步器有常压式，惯性式和自行增力式等种类。这里仅介绍目前广泛采用的惯性式同步器。

惯性式同步器是依靠摩擦作用实现同步的，在其上面设有专设机构保证接合套与待接合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，从而避免了齿间冲击。

惯性同步器按结构又分为锁环式和锁销式两种。

其工作原理可以北京BJ212型汽车三档变速器中的二、三档同步器为例说明。花键毂7与第二轴用花键连接，并用垫片和卡环作轴向定位。在花键毂两端与齿轮1和4之间，各有一个青铜制成的锁环（也称同步环）9和5。锁环上有短花键齿圈，花键齿的断面轮廓尺寸与齿轮1，4及花键毂7上的外花键齿均相同。在两个锁环上，花键齿对着接合套8的一端都有倒角（称锁止角），且与接合套齿端的倒角相同。

锁环具有与齿轮1和4上的摩擦面锥度相同的内锥面，内锥面上制出细牙的螺旋槽，以便两锥面接触后破坏油膜，增加锥面间的摩擦。三个滑块2分别嵌合在花键毂的三个轴向槽11内，并可沿槽轴向滑动。在两个弹簧圈6的作用下，滑块压向接合套，使滑块中部的凸起部分正好嵌在接合套中部的凹槽10中，起到空档定位作用。滑块2的两端伸入锁环9和5的三个缺口12中。只有当滑块位于缺口12的中央时，接合套与锁环的齿方可能接合。

补充锁环式惯性同步器锁环（也称同步环）同步环同步环锁环具有与齿轮1和4上的摩擦面锥度相同的内锥面，内锥面上制出细牙的螺旋槽，以便两锥面接触后破坏油膜，增加锥面间的摩擦。三个滑块2分别嵌合在花键毂的三个轴向槽11内，并可沿槽轴向滑动。在两个弹簧圈6的作用下，滑块压向接合套，使滑块中部的凸起部分正好嵌在接合套中部的凹槽10中，起到空档定位作用。滑块2的两端伸入锁环9和5的三个缺口12中。只有当滑块位于缺口12的中央时，接合套与锁环的齿方可能接合。接合套

补充R啮合套滑动齿论滑动齿轮二。传动简图轴：在变速箱中的位置：总体布置及前后部件的连接（4点）按上述原则：档位齿轮：在轴上的布置（3点）（1）（1）（2）输入轴输入轴输入轴输出倒档齿轮变速箱的挡数、传动比及传动方案确定以后，得出变速箱的具体尺寸。影晌变速箱尺寸的参数有：中心距、齿轮模数、齿宽、斜齿轮螺旋角及各挡齿轮的齿数等。在上述这些参数中，最重要的是选择中心距和模数，而且只有在确定中心距和模数以后，才能知道每对传动齿轮的总齿数，并按变速箱传动比选配齿轮。三．变速箱主要参数的确定（1）传动轴中心距A中心距的大小直接影响到变速箱结构的紧凑性。因此，在保证传递发功机最大转矩、齿轮在足够的强度、结构布置有可能实现的情况下，应尽可能采用较小的中心矩。(2)模数的选取齿轮模数选取的一般原则：

1）为了减少噪声应合理减小模数，同时增加齿宽；

2）为使质量小些，应该增加模数，同时减少齿宽；

3）从工艺方面考虑，各挡齿轮应该选用一种模数；

4）从强度方面考虑，各挡齿轮应有不同的模数。对于轿车，减少工作噪声较为重要，因此模数应选得小些；对于货车，减小质量比减小噪声更重要，因此模数应选得大些。所选模数值应符合国家标准的规定。螺旋角模数的选择，可通过对同类变速箱的统计，参考选择，也可按经验公式选取。

实际设计中，大多变速箱采用两种模数，低挡采用比高挡大一些的模数。

（3）齿轮齿形角(压力角α)压力角较小时，重合度较大，传动平稳，噪声较低；压力角较大时，可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。我国和许多国家都把齿轮的标准齿形角规定为20°

，因此变速箱普遍采用20°齿形角。但对于某些高速车辆，考虑到减小噪声，高挡齿轮有采用较小齿形角的，如14.5°、15°、16°、16.5°等。有些车辆为提高齿轮的承载能力，对倒挡采用22.5°或25°齿形角。（4）轮齿宽度齿宽的大小直接影响齿轮强度。在一定范围内，齿宽越大强度就越高，但变速箱的轴向尺寸和重量亦增大。实验证明，齿宽过大时，随着齿宽的增大，齿面上的载荷不均匀性亦增大，反面使齿轮的承载能力降低。所以在保证必要强度的条件下，齿宽不宜过大。一般以中心距或模数的比例系数来确定齿宽。对于直齿齿宽b=(4.4～7)m；对于斜齿齿宽b=(7～8.6)m。变速箱中受力较大的低挡齿轮或经常工作的工作挡齿轮，齿宽系数最应取较大值。(5）

斜齿轮的螺旋角螺旋角是表征斜齿轮传动的主要参数。确定螺旋角时，主要是从它对齿轮的啮合性能、强度影响以及轴向力平衡等方面综合考虑。螺旋角增大，齿轮啮合的重叠系数增大，运转平稳，噪声下降。但螺旋角过大时，不仅使轴向力过大，且导致传动效率降低，使轴承工作条件恶化。试验证明，随着螺旋角的增大，齿轮的强度也相应提高，但是与相应的直齿轮比较，当螺旋角大于30°时，其弯曲强度骤然下降，而接触强度继续上升。因此从提高低挡的齿轮弯曲强度出发，不希望螺旋角过大。实际设计，大多取螺旋角23°～27°。螺旋角是指在锥齿轮节锥表面展开图上的齿线任意一点c的切线TT与该点和节锥顶点连线之间的夹角(6)齿轮变位系数的选择原则

采用变位齿轮的原因：1）配凑中心距；2）提高齿轮的强度和使用寿命；3）降低齿轮的啮合噪声。变位齿轮主要有两类：高度变位和角度变位。高度变位齿轮副的一对啮合齿轮的变位系数之和等于零。高度变位可增加小齿轮的齿根强度，使它达到和大齿轮强度接近的程度。角度变位系数之和不等于零。角度变位可获得良好的啮合性能及传动质量指标，故采用得较多。变位系数的选择原则：1）对于高挡齿轮，应按保证最大接触强度和抗胶合及耐磨损最有利的原则选择变位系数。2）对于低挡齿轮，为提高小齿轮的齿根强度，应根据危险断面齿厚相等的条件来选择大、小齿轮的变位系数。3）总变位系数越小，齿轮齿根抗弯强度越低。但易于吸收冲击振动，噪声要小一些。为了降低噪声，对于变速器中除去一、二挡以外的其它各挡齿轮的总变位系数要选用较小一些的数值。一般情况下，随着挡位的降低，总变位系数应该逐挡增大。一、二挡和倒挡齿轮，应该选用较大的值。(7)余下配齿（机零讲）

四。变速箱主要零件设计五．变速箱结构设计要点

(三化；润滑;密封)1）变速箱的设计应充分考虑零部件的系列化、通用化和标准化。2）变速箱中齿轮、轴承、衬套等零件的摩擦表面的润滑有两种方式，即激溅润滑及压力强制润滑。激溅润滑是在变速箱壳中储存一定量的润滑油，工作时由浸泡在油中的旋转齿轮把油激溅起来，供到各个需要润滑的部位。采用激溅润滑时，油底壳中的油面高度应考虑到工程机械爬最大坡度时，仍有旋转齿轮浸在油中，能把润滑油激溅起来。但油量太多，会增加功率损失和造成密封处渗油。

齿轮上所钻径向孔数目，一般为3～4个。为了能很好向润滑处供油，相啮合齿轮的轮齿两侧，最好尽量用挡板或依靠相邻的零件遮挡起来。装轴承的孔应加工出油循环的油路，以便更好地使油循环。

压力强制润滑是利用工程机械液压系统设置润滑油路，采用压力强制润滑的优点是润滑比较可靠，而且油液是循环的，在润滑的同时对零件有冷却作用，保持变速箱具有正常油温。工程机械大多具有液压系统，所以可利用其油路较易获得压力强制润滑。3）变速箱的密封必须可靠，以防漏油。通常箱体、箱盖、轴承座的接合处，都应有纸垫或椽胶圈，箱体上应尽量采用不钻透螺孔，输入轴和输出轴的外伸端一般采用骨架式有紧油封，变速箱杆球支座用橡皮罩密封，放油螺塞均采用锥形细牙螺纹结构。为了防止变速箱温度升高时因空气膨胀而使油液泄漏，变速箱盖上应有带滤芯的通气孔。六。变速箱齿轮的损坏形式有三种：

断齿、齿面点蚀和磨损。断齿一般情况下都是在轮齿的弹性范围内反复受到弯曲或冲击而造成的疲劳折断。克服断齿的办法，主要是降低轮齿的弯曲应力和改善材料的热处理。通常认为点蚀是因轮齿表层下最大剪