三轴五档变速器设计说明书

高级轿车三轴五档手动机械式变速器目录一、设计任务书…………………………………………………………………4二、机械式变速器的概述及总体方案论证……………………………………42.1变速器的功用、要求、发动机布置形式分析……………………….42.2变速器传动机构布置方案…………………………………………….52.2.1传动机构布置方案分析…………………………………………52.2.2倒挡布置方案……………………………………………………72.3变速器零部件结构方案分析………………………………………….8三、变速器主要参数的选择与主要零件的设计………………………………113.1变速器主要参数选择………………………………………………….113.1.1档数与传动比……………………………………………………133.1.2中心距……………………………………………………………143.1.3外形尺寸…………………………………………………………143.1.4齿轮参数…………………………………………………………153.2各档齿轮齿数的分配………………………………………………….153.2.1确定一档齿轮的齿数……………………………………………153.2.2确定常啮合齿轮副的齿数………………………………………163.2.3确定其他档位的齿数……………………………………………183.2.4确定倒挡齿轮的齿数……………………………………………183.3齿轮变位系数的选择………………………………………………….19四、变速器齿轮的强度计算与材料的选择…………………………………….224.1齿轮的损坏原因及形式………………………………………………..224.2齿轮的强度计算与校核………………………………………………...224.2.1齿轮弯曲强度计算………………………………………………..234.2.2齿轮接触应力……………………………………………………..242五、变速器轴的强度计算与校核……………………………………………….265.1变速器轴的结构和尺寸………………………………………………...265.1.1轴的结构………………………………………………………….265.1.2确定轴的尺寸……………………………………………………..265.2轴的校核…………………………………………………………………275.2.1第一轴的强度与刚度校核………………………………………..285.2.2第二轴的校核计算………………………………………………..29六、变速器同步器的设计及操纵机构…………………………………………...306.1同步器的结构……………………………………………………………316.2同步环主要参数的确定…………………………………………………336.3变速器的操纵机构………………………………………………………35参考文献…………………………………………………………………………….363一、设计任务书某款四座高级轿车整备质量1458kg，拟设计最高车速203km•h-1，最大功率124kW，对应转速6000r/min；最大转矩226N•m，对应转速4000r/min，前后轮胎尺寸均为205/60R16。第四组（1）画出手动机械式变速器的总装配图（0号图纸）；（2）画出所有手动机械式变速器内零部件图纸（需要标注装配尺寸、配合公差与明细栏，撰写装配技术要求等）；（0/1/2/3号图纸）（3）选取、设计和确定手动机械式变速器内各零部件结构、尺寸等，能实现所设计零部件的相关功能要求；（4）校核手动机械式变速器内的关键零部件；（5）设计说明书一份（5000字左右）二、机械式变速器的概述及总体方案论证2.1变速器的功用、要求、发动机布置形式分析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的工况范围内工作。变速器设有空档，可在启动发动机、汽车滑行或停车时使发动机的动力停止向驱动轮传输。变速器设有倒挡，使汽车获得倒退行驶能力。需要时，变速器还有动力输出功能。变速器设计应该满足以下基本要求：（1）具有正确的档数和传动比，保证汽车有需要的动力性和经济性指标；（2）有空档和倒档，使发动机可以与驱动轮长期分离，使汽车能倒车；（3）换档迅速、省力，以便缩短加速时间并提高汽车动力性（自动、半自动和电子操纵机构）；（4）工作可靠。汽车行驶中，变速器不得跳挡、乱挡以及换挡冲击等现象发生；（5）应设置动力输出装置，以便必要时进行功率输出；（6）效率高、噪声低、体积小、重量轻便于制造、成本低。变速器是由变速传动机构和操纵机构组成。根据前进档数的不同，变速器有4三、四、五和多挡几种。根据轴的不同类型，分为固定轴式和旋转轴式两大类。而前者又分为两轴式、中间轴式和多中间轴式变速器。相比于经济型轿车，高级轿车更加追求汽车性能。发动机纵置具有以下特点：（1）为复杂的前悬架腾出足够的布置空间（2）均衡轴荷，减轻前桥轴荷（3）体积庞大的大排量发动机只能纵置（4）修长的车头有非凡的魅力因此高级轿车普遍采用发动机纵置、前置后驱的形式。而中间轴式变速器多用于发动机前置后轮驱动汽车和发动机后置后轮驱动的客车上。因此本设计采用中间轴式机械变速器。根据给出的设计条件和发动机布置形式的分析，变速器具体的参数说明如下：发动机纵置变速器中间轴式MT发动机最大扭矩226/4000发动机最大功率124/6000驱动形式FR汽车整备质量kg1458最高车速203km•h-1前后轮胎尺寸205/60R162.2变速器传动机构布置方案分析2.2.1传动机构布置方案分析有级变速器[1]与无级变速器相比，其结构简单、制造低廉，具有高的传动效率（η=0.96~0.98），因此在各类汽车上均得到广泛的应用。设计时首先应根据汽车的使用条件及要求确定变速器的传动比范围、档位数及各档的传动比，因为它们对汽车的动力性与燃料经济性都有重要的直接影响。传动比范围是变速器低档传动比与高档传动比的比值。汽车行驶的道路状况愈多样，发动机的功率与汽车质量之比愈小，则变速器的传动比范围应愈大。目前，轿车变速器的传动比范围为3.0~4.5；一般用途的货车和轻型以上的客车为5.0~8.0；越野车与牵引车为10.0~20.0。通常，有级变速器具有3、4、5个前进档；重型载货汽车和重型越野汽车则5采用多档变速器，其前进档位数多达6~16个甚至20个。变速器档位数的增多可提高发动机的功率利用效率、汽车的燃料经济性及平均车速，从而可提高汽车的运输效率，降低运输成本。但采用手动的机械式操纵机构时，要实现迅速、无声换档，对于多于5个前进档的变速器来说是困难的。因此，直接操纵式变速器档位数的上限为5档。多于5个前进档将使操纵机构复杂化，或者需要加装具有独立操纵机构的副变速器，后者仅用于一定行驶工况。某些轿车和货车的变速器，采用仅在好路和空载行驶时才使用的超速档。采用传动比小于1（0.7~0.8）的超速档，可以更充分地利用发动机功率，降低单位行驶里程的发动机曲轴总转数，因而会减少发动机的磨损，降低燃料消耗。但与传动比为1的直接档比较，采用超速档会降低传动效率。有级变速器的传动效率与所选用的传动方案有关，包括传递动力的齿轮副数目、转速、传递的功率、润滑系统的有效性、齿轮及轴以及壳体等零件的制造精度、刚度等。三轴式变速器得到的最广泛的应用。三轴式变速器第一轴的常啮合齿轮与第二轴的各档齿轮分别与中间轴的相应齿轮相啮合，且第一、第二轴同心。将第一、第二轴直接连接起来传递扭矩则称为直接档。此时，齿轮、轴承及中间轴均不承载，而第一、第二轴也传递转矩。因此，直接档的传递效率高，磨损及噪音也最小，这是三轴式变速器的主要优点。其他前进档需依次经过两对齿轮传递转矩。因此。在齿轮中心距（影响变速器尺寸的重要参数）较小的情况下仍然可以获得大的一档传动比，这是三轴式变速器的另一优点。其缺点是：除直接档外其他各档的传动效率有所下降。有级变速器结构的发展趋势是增多常啮合齿轮副的数目，从而可采用斜齿轮。后者比直齿轮有更长的寿命、更低的噪声，虽然其制造稍复杂些且在工作中有轴向力。因此，在变速器中，除低档及倒档外，直齿圆柱齿轮已经被斜齿圆柱齿轮所代替。图2-1a所示[2]方案，除一，倒档用直齿滑动齿轮换档外，其余各档为常啮合齿轮传动。图2-4b、c、d所示方案的各前进档，均用常啮合齿轮传动；图2-4d所示方案中的倒档和超速档安装在位于变速器后部的副箱体内，这样布置除可以提高轴的刚度，减少齿轮磨损和降低工作噪声外，还可以在不需要超速档的条件6下，很容易形成一个只有四个前进档的变速器。图2-1中间轴式五档变速器传动方案以上各种方案中，凡采用常啮合齿轮传动的档位，其换档方式可以用同步器或啮合套来实现。同一变速器中，有的档位用同步器换档，有的档位用啮合套换档，那么一定是档位高的用同步器换档，档位低的用啮合套换档。变速器用图2-1c所示的多支承结构方案，能提高轴的刚度。这时，如用在轴平面上可分开的壳体，就能较好地解决轴和齿轮等零部件装配困难的问题。图2-1c所示方案的高档从动齿轮处于悬臂状态，同时一档和倒档齿轮布置在变速器壳体的中间跨距里，而中间档的同步器布置在中间轴上是这个方案的特点。2.2.2倒挡布置方案图2-2为常见的倒挡布置方案[2]。图2-2b所示方案的优点是换倒挡时利用了中间轴上的一挡齿轮，因而缩短了中间轴的长度。但换挡时有两对齿轮同时进入啮合，使换挡困难。图2-2c所示方案能获得较大的倒挡传动比，缺点是换挡程序不合理。图2-2d所示方案针对前者的缺点做了修改，因而取代了图2-2c所示方案。图2-2e所示方案是将中间轴上的一，倒挡齿轮做成一体，将其齿宽加长。图2-2f所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合齿轮，换挡更为轻便。为了充分利用空间，缩短变速器轴向长度，有的货车倒挡传动采用图2-2g所示方案。其缺点是一，倒挡须各用一根变速器拨叉轴，致使变速器上盖中的操纵机构复杂一些。7图2-2变速器倒档传动方案本设计采用图2-2f所示的传动方案。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，然后按照从低档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。2.3变速器零部件结构方案分析变速器的设计方案必需满足使用性能、制造条件、维护方便及三化等要求。在确定变速器结构方案时，也要考虑齿轮型式、换档结构型式、轴承型式、润滑和密封等因素。2.3.1齿轮型式与直齿圆柱齿轮比较，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长，工作时噪声低等优点；缺点是制造时稍复杂，工作时有轴向力。变速器中的常啮合齿轮均采用斜齿圆柱齿轮，尽管这样会使常啮合齿轮数增加，并导致变速器的转动惯量增大。直齿圆柱齿轮仅用于低档和倒挡。2.3.2换档结构型式换档结构分为直齿滑动齿轮、啮合套和同步器三种[2]。直齿滑动齿轮换档的特点是结构简单、紧凑，但由于换档不轻便、换档时齿8端面受到很大冲击、导致齿轮早期损坏、滑动花键磨损后易造成脱档、噪声大等原因，除一档、倒档外很少采用。啮合套换档型式一般是配合斜齿轮传动使用的。由于齿轮常啮合，因而减少了噪声和动载荷，提高了齿轮的强度和寿命。啮合套有分为内齿啮合套和外齿啮合套，视结构布置而选定，若齿轮副内空间允许，采用内齿结合式，以减小轴向尺寸。结合套换档结构简单，但还不能完全消除换档冲击，目前在要求不高的档位上常被使用。采用同步器换档可保证齿轮在换档时不受冲击，使齿轮强度得以充分发挥，同时操纵轻便，缩短了换档时间，从而提高了汽车的加速性、经济性和行驶安全性，此外，该种型式还有利于实现操纵自动化。其缺点是结构复杂，制造精度要求高，轴向尺寸有所增加，铜质同步环的使用寿命较短。目前，同步器广泛应用于各式变速