1、黑龙江工程学院第一章 设计方案1.1 设计方案和基本数据乘用车（二轴式）基本参数如下表表1-1设计基本参数表1.2 变速器设计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
2、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。第二章 变速器主要参数的选择2.1 变速器主要参数的选择一、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。近年来为了降低油耗，变速器的挡数有增加的趋势。目前轿车一般用 45
3、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。最大功率： 57KW最高车速: 134Km/h最大转矩： 105Nm整车总质量： 1040Kg最大转矩转速： 3300r/min最大功率转速： 5100r/min前轮胎规格： 165/60 R14黑龙江工程学院2本次设计选用的是 5 挡变速器。二、初选传动比1、主减速器传动比的确定发动机转速与汽车行驶速度之间的关系式为：ogairnu37.0式中： 为汽车行驶速度（Km/h） ， 为发动机转
4、速（r/min） ， 为车轮滚动半径au r（m） ， 为变速器传动比， 为主减速器传动比。gi oi设定的最高车速为 144Km/h，最高档为超速档，传动比取 0.8，车轮滚动半径由所选用的轮胎规格 185/60R14 可得 r=0.28m，发动机转速 =(1.42.0) =44806400,取pnn5000r/min。由公式可得 = =4.96agouirni37.01348.0276537.2、最低挡传动比的计算按最大爬坡度设计，满足最大通过能力条件，即用一档通过要求最大坡角 坡道max时，驱动力应大于或等于此时的滚动阻力和上坡阻力（加速阻力为零，空气阻力忽略不计）用公式表示为： max
5、maxmax sincoGfriTtgoe 式中：为 为车辆总质量（N） ， 为坡道面滚动阻力系数（沥青路面中Gf=0.010.02 ） ，取 0.016， 为发动机最大扭矩（Nm） ， 为传动效率（0.850.90） ，f maxeTt为最大爬坡度（一般轿车要求爬上 30%的坡，大约 16.7） 。max由上式可得： toegiTrgfi maxmax1 )sncs(= =1.82 9.064152768.0).1sin87.c06.894即 2.1gi根据驱动车轮件与地面附着条件： ntgoeFri1maxT黑龙江工程学院即： 式中： 为驱动轮的地面法向反力， = ； 为驱动轮toengi
6、rFimax1TnFnFgm1与地面的附着系数，在混凝土或沥青路面 取 0.70.8 ，取 0.8。此处 取 1140Kg（前1置前驱汽车的前轴轴荷 47%60%） 。 89.29.0415768.01 gi所以一档传动比的选择范围是 .11gi初选一档传动比为 .1i最低稳定车速： =5.9 Km/h10Km/h 合格oairnu1mmin37.0分配各挡传动比：选五档 按等比级数分配 qii54321所以 =1.3785.21i.0iq7.3.2qi 51.37.023i 10.37.4qi 8.5i三、初算中心距 A初选中心距时，可根据下述经验公式(4-1)31maxgeAiTK式中：
7、变速器中心距（mm） ；中心距系数，乘用车： =8.99.3，商用车： =8.69.6，多挡变速器：A AAK=9.511.0；K发动机最大转矩（Nm） ；maxeT变速器一挡传动比；1i变速器传动效率，取 96%。g=105N.maxeT=2.851i31maxgeAiK黑龙江工程学院4= 3%9685.210).98(=58.7 62.36(mm)初选中心距 =62 mm A2.2 变速器齿轮的设计计算一、齿轮参数1、模数表 1 汽车变速器齿轮法向模数乘用车的发动机排量 V/L 货车的最大总质量 /tam车型1.0 V1.6 1.6V2.5 6.0 14.0a14.0模数 /mmnm2.2
8、52.75 2.753.00 3.504.50 4.506.00表 2 汽车变速器常用齿轮模数一系列 1.00 1.25 1.5 2.00 2.50 3.00 4.00 5.00 6.00二系列 1.75 2.25 2.75 3.25 3.50 3.75 4.50 5.50 根据表 1、表 2 本次设计，一、二、倒档齿轮的模数定为 2. 5mm，三四五档模数为2.25。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 3、螺旋角 斜齿轮在变速器中得到广泛的应用。选斜齿轮的螺旋角，要注
9、意他对齿轮工作噪声齿轮的强度和轴向力的影响。在齿轮选用大些的螺旋角时，使齿轮啮合的重合度增加，因而工作平稳、噪声降低。试验还证明：随着螺旋角的增大，齿的强度也相应提高。不过当螺旋角大于 30 时，其抗弯强度骤然下降，而接触强度仍然继续上升。因此，从提高低挡齿轮的抗弯强度出发，并不希望用过大的螺旋角，以 15 25 为宜；而从提高高挡齿轮的接触强度和增加重合度着眼，应选用较大螺旋角。斜齿轮螺旋角可在下面提供的范围内选用：轿车两轴式变速器为 20 25初选的螺旋角 =224、齿宽b应注意齿宽对变速器的轴向尺寸，齿轮工作平稳性，齿轮强度和齿轮工作时受力的均匀程度均有影响。考虑到尽可能的减少质量和缩短
10、变速器的轴向尺寸，应该选用较小的齿宽。减少齿宽会使斜齿轮传动平稳的优点被削弱，还会使工作应力增加。使用宽些的齿宽，工作时黑龙江工程学院会因轴的变形导致齿轮倾斜，使齿轮沿齿宽方向受力不均匀并在齿宽方向磨损不均匀。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 CK斜齿：b= ， 取 6.08.5 n第一轴常啮合齿轮副的齿宽系数， 可取大些，使接触线长度增加、接触应力降低，CK以提高传动平稳性和齿轮寿命。二、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，可根据变速器的挡数，传动比和传动方案来分配各挡齿轮的齿数。一、二、三、四、五挡选用斜齿轮，倒挡选用直
11、齿轮。1、 齿轮齿数的确定一档： 85.21zi斜齿 =2A / hcosnm=2A /m=（2 62cos22）/2.5=45.98 计算后取整 =46，然后进行大小齿轮齿hzhz数的分配。 取 =13 =33 所以 1254.1i二档： 取 4607.34zi 98.45cos243nmAz解得： 所以 1514 07.2i三档： 取 51.563zi 9.51cos265nz解得： 所以 2036 5.3i四档： 取 511.784zi 09.51cos25nmAz解得： 所以2382.4i五档： 取 518.0915zi 09.51cos265nz解得： 所以2310 82.5i黑龙江
12、工程学院62、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 和齿轮变位系hz hz数新计算中心距，在以修正后的中心距作为各挡齿轮齿数分配的依据。修正后中心距一二档: A= mm ，02.6cos245.shnzm三四五档 ：A= mm 。8.1.hn3、确定倒挡齿轮齿数倒档齿轮选用的模数往往与一档接近，取模数为 2.5，倒档齿轮 的齿数一般在Rz2123 之间，选 =21。Rz1231.ii倒 A5.02d13az12z13z= =1A5.4)(2mR25.67)(13zmR三、确定齿轮参数一挡齿轮变位后参数：角度变位后的端面压力角： = 所以 tancosn42
13、.1t端面啮合角： 解得Ancsos38.2n查表得变位系数和：=0.21=0.38 =-0.171208.nmy- =0.218分度圆直径: =88.95mmzdn05.3cos11cos22zmdn齿顶高 = =2.905mm =( ) =1.53mm 1ahnmy)(1*2ahy2*n齿根高 =（ + - ） =2.175mm =( + - ) =3.55mmfc2fc黑龙江工程学院全齿高 = + =5.08mm = + =5.08mm1ha1f 2ha2f齿顶圆直径： =40.86mm =92.01mm12ahdad齿根圆直径： =30.7mm =81.85mm11ff22ff当量齿数
14、 = =16.3 = =41.37nz3cosnz3cos二档齿轮变位后参数：角度变位后的端面压力角： = 所以 tacsn 42.1t端面啮合角： 解得Anncoss38.2n查表得变位系数和：=0.21=0.31 =-0.11208.nmy- =0.228分度圆直径: =83.55mmzdn45.0cos33cos44zmdn齿顶高 = =2.73mm =( ) =1.705mm3ahnmy)(1*4ahy2*n齿根高 =（ + - ） =2.35mm =( + - ) =3.375mmfcfc全齿高 =5.08mm =5.08mm3 4齿顶圆直径： =45.91mm =86.96mm43
15、2aahd 42aahd齿根圆直径： =35.75mm =76.8mmff4ff当量齿数 = = 18.8 = =38.863nz3cos4nz3cos三档齿轮变位后参数：角度变位后的端面压力角： = 所以 tacsn 47.21t黑龙江工程学院8端面啮合角： 解得Anncoss75.21n查表得变位系数和：=0.32=0.23 =0.09120.048nmy- =0.272分度圆直径: =75.37mmzdn63.48cos55cos66zmdn齿顶高 = =2.156mm =( ) =1.84mm5ahnmy)(1*6ahy2*n齿根高 =（ + - ） =2.295mm =( + - )
16、 =2.61mmfcfc全齿高 =4.45mm =4.45mm5 6齿顶圆直径： =52.941mm =79.051mm552ahd 62ahd齿根圆直径： =44.04mm =70.15mmff6ff当量齿数 = =25.24 = =39.125nz3cos6nz3cos四档齿轮变位后参数：角度变位后的端面压力角： = 所以 tacsn 47.21t端面啮合角： 解得Anncoss75.n查表得变位系数和：=0.32=0.18 =0.14120.048nmy- =0.272分度圆直径: =68.07mmzdn92.5cos77cos88zmdn齿顶高 = =2.043mm =( ) =1.9
17、53mm7ahnmy)(1*8ahy2*n黑龙江工程学院齿根高 =（ + - ） =2.4075mm =( + - ) =2.495mm7fh*ac1nm8fh*ac2nm全齿高 =4.45mm =4.45mm齿顶圆直径： =60.006mm =71.976mm772ahd 88ad齿根圆直径： =51.105mm =63.08mmff28ffh当量齿数 = =30.28 = =34.077nz3cosnz3cos五档齿轮变位后参数：角度变位后的端面压力角： = 所以 tancsn 47.21t端面啮合角： 解得Ancoss75.n查表得变位系数和：=0.32=0.13 =0.19120.04
18、8 - =0.272nmyyn分度圆直径: =55.92mmzd08.6cos99cos1010zmdn齿顶高 = =1.9305mm =( ) =2.066mm9ahny)(1*10ahy2*n齿根高 =（ + - ） =2.52mm =( + - ) =2.385mmfcm10fac全齿高 =4.45mm =4.45mm9齿顶圆直径： =71.941mm =60.051mm992ahd 10102ahd齿根圆直径： =63.04mm =51.15mmff10ff当量齿数 = =35.33 = =29.029nz3cosnz3cos倒档齿轮变位后参数：角度变位后的端面压力角： 20nt查表得
19、变位系数和：=0=0.23 = -0.23 =0.23123黑龙江工程学院100nmAy- =0分度圆直径: =27.50mm =52.50mm =80mmnd1znmd12znmd13z齿顶高 = =3.075mm =( ) =1.925mm1ahmy)(*ahy2*= =3.075mm3n3齿根高 =（ + - ） =2.55mm =( + - ) =3.70mm1f*ac112f*ac2nm=（ + - ） =2.55mm3fh3nm全齿高 =5.625mm =5.625mm =5.625mm1 12h13h齿顶圆直径： =33.65mm =56.35mm1ad 122ahd=86.15
20、mm33齿根圆直径： =22.40mm =45.10mm112ffh 1212ff=74.90mm33ffd第三章 齿轮的校核3.1 齿轮的损坏形式变速器齿轮的损坏形式主要有：轮齿折断，齿面疲劳剥落，移动换挡齿轮端部破坏以及齿面胶合。3.2 齿轮加工方法及材料与其他机械行业相比，不同用途汽车的变速器齿轮使用条间仍是相似的。此外，汽车变速器齿轮用的材料，热处理方法，加工方法，精度级别，支承方式也基本一致。如汽车变速器齿轮用低碳合金钢制作，采用剃齿和磨齿精加工 ，齿轮表面采用渗碳淬火热处理工艺，齿轮精度不低于 7 级。国内汽车常用的变速器齿轮材料有 20GrMnTi、20GrMn 2TiB、15M
21、nCr5、20MnCr5、25 MnCr5、28 MnCr5。渗碳齿轮的表面硬度为 5863HRC，心部硬度为 3348HRC。本次设计中齿轮的材料选用 20GrMnTi，一般设计中轴与齿轮的材料选取应相同，所以此次设计中轴的材料也选用 20GrMnTi3.3 计算各轴的转矩黑龙江工程学院发动机最大转矩为 130Nm，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 mN842.109.8013max 承离入 eT输出轴一档 = =100.8420.980.98254= 274.082Nm21i齿承入输出轴二档 = =100.8420.980.982.07= 200.4
22、77Nm2齿承入输出轴三档 = =100.8420.980.981.55= 150.115Nm23T3i齿承入 输出轴四档 = =100.8420.980.981.125= 108.955Nm44齿承入输出轴五档 = =100.8420.980.980.82=79.416 Nm255i齿承入倒挡轴 = =123.550.980.981.91=184.893 Nm1倒T12齿承入 = =190.220.980.981.52=270.585Nm2倒 3齿承倒 i3.4 齿轮弯曲强度计算斜齿轮弯曲应力 wKyzmTcngw3os2式中： 计算载荷（Nmm） ；gT法向模数（mm） ；nm齿数；z斜齿
23、轮螺旋角（） ；应力集中系数， =1.50；KK齿形系数，可按当量齿数 在图中查得；y 3coszn齿宽系数 =7.0cc重合度影响系数， =2.0。KK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gT maxeT高挡齿轮，许用应力在 180350MP a范围，对货车为 100250MP a。黑龙江工程学院12图 5-1 齿形系数图一档齿轮的弯曲应力：=13， =33， =0.158， =0.158， = =100.842N.m， =274.082N.m， =21.91z21y2y1T入 21T6=KymzTcnw131os 330.758.04. 962cos. 。
24、=215.44MPa180350MP a=yzcnw2312s 3310.21.2.cs.7。=206.67MPa100250MP a二档齿轮的弯曲应力：=15， =31， =0.138， =0.143， = =100.842N.m， =200.477N.m， =21.93z43y4y3T入 2T6=197.33MPa180350MP aKymzTcnw33os2=183.93MPa100250MP acn4324三档齿轮的弯曲应力：=20， =31， =0.154， =0.155， = =100.842N.m， =150.115N.m， =22.275z65y6y5T入 23T黑龙江工程学院
25、=181.93MPa180350MP aKymzTcnw535os2=173.21MPa100250MP acn6326四档齿轮的弯曲应力：=23， =28， =0.156， =0.154 7z87y8y= =100.842N.m， =108.955N.m， =22.27T入 24T=149.33MPa180350MP aKyzcnw737os=145.28MPa100250MP amTcn83248五档齿轮的弯曲应力：=28， =23， =0.155， =0.154， = =100.842N.m， =79.416N.m， =22.279z109y10y9T入 25T=133.60MPa180
26、350MP aKmzTcnw939os2=124.31MPa100250MP aycn1032510倒档齿轮的弯曲应力：=11， =21， =32， =0.135， =0.114， =0.135， = =100.842N.m，1z121z1y12y13y1T入=184.893N.m ， =270.585Nm， =7倒T2倒TcK=717.75MPa400850MP acnfwyzK131=816.31MPa400850MP acnfmT12312倒=662.03MPa400850MP acnfwKyz1313倒为摩擦力影响系数，主动齿轮 =1.1，从动齿轮 =0.9fKf fK黑龙江工程学院1
27、43.5 轮齿接触应力计算（4.3）bzgjbdET1cos418.0式中： 轮齿的接触应力（ M Pa） ；j计算载荷（N .mm） ；gT节圆直径(mm)；d节点处压力角（） ， 齿轮螺旋角（） ；齿轮材料的弹性模量（M P a） ；E齿轮接触的实际宽度(mm)；b、 主、从动齿轮节点处的曲率半径(mm)，直齿轮 、 ，斜z sinzrsinbr齿轮 、 ； 、 主、从动齿轮节圆半径(mm)。2cosinzr2cosinbrzrb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/maxeT力 见表 4.1。j弹性模量 =20.6104 Nmm-2，齿宽 ，k 取 7En
28、ccKb表 4.1 变速器齿轮的许用接触应力 MPaj齿轮渗碳齿轮 液体碳氮共渗齿轮一挡和倒挡 19002000 9501000常啮合齿轮和高挡 13001400 650700计算齿轮的接触应力 ： =100.842N.m， =274.082N.m， = ， ， ，1T21T2096.12cos/inzr， 节圆直径： = =35.05mm = =88.95mmcos/inbr1d2zA2d21A=1244.76MPa19002000MP a bzjbdETcs418.01黑龙江工程学院=1217.24MPa19002000MP abzjbdET1cos418.0212=840.35MPa19
29、002000MP abzj.33=824.24MPa19002000MP abzjbdET1cos418.042=962.51MPa19002000MP abzj.535=943.29MPa19002000MP abzjbdET1cos418.06236=999.59MPa19002000MP abzj.747=919.55MPa19002000MP abzjbdET1cos18.0248=925.04MPa19002000MP abzj.959=906.13MPa19002000MP abzjbdET1cos418.0025=1472.09MPa19002000MP abzj.11倒=140
30、9.50MPa19002000MP abzjbdET1cos48.01212倒=1154.36MPa19002000MP abzj.1313倒综合齿轮的弯曲应力和接触应力，此次设计的齿轮均基本满足强度要求。3.6 齿轮的受力分析一挡齿轮的受力：=100.842Nm, =274.082Nm =35.05mm =88.95mm1T21T1d2d6162.61NN8.57421dFt 2TFt黑龙江工程学院162258.19N 2418.48N costan1rF costan2rF2320.17N 2484.85N t1a t2a倒挡齿轮的受力：=100.842Nm， =184.893Nm， =2
31、70.585Nm， =27.5mm， =52.5mm， =8倒T1倒T2倒T1d12d13d0mm7333.39Nm， 10308Nm， 6764.63Nm12dFt倒 12dFt倒 132TFt倒2669.34Nm， 3751.81Nm， 2462.12N costanr costanr costan13rFm第四章 轴的设计计算4.1 轴的强度计算变速器在工作时，由于齿轮上有圆周力、径向力和轴向力作用，变速器的轴承受转矩和弯矩。要求变速器的轴应有足够的刚度和强度。因为刚度不足轴会发生弯曲变形，结果破坏了齿轮的正确啮合，对齿轮的强度、耐磨性和工作噪声的均有不利影响。因此，在设计变速器轴时，器
32、刚度大小应以保证齿轮能有正确的啮合为前提条件。设计阶段可根据经验和已知条件来初选轴的直径，然后根据公式进行相关的刚度和强度方面的验算。4.2 初选轴的直径第一轴花键部分直径 （mm）可按式（5.1）初选d（5.1）3maxeTK式中： 为经验系数， =4.04.6； 发动机最大转矩（Nm） 。Kaxe4.3 轴的强度验算轴在垂直面内挠度为 ，在水平面内挠度为 和转角为 。cf sfEILbaFfc321EILbaFfs32EILabF31式中： 齿轮齿宽中间平面上的径向力（N） ；1黑龙江工程学院齿轮齿宽中间平面上的圆周力（N） ；2F弹性模量（MP a） ， =2.1105MPa；EE惯性矩
33、（mm 4） ，对于实心轴， ； 轴的直径（mm） ，花键处按I 64dI平均直径计算；、 齿轮上的作用力矩支座 、 的距离（mm） ；abAB支座间的距离（mm） 。L轴的全挠度为 mm。2.02scff轴在垂直面和水平面内挠度的允许值为 =0.05 0.10mm， =0.100.15mm。齿cfsf轮所在平面的转角不应超过 0.002rad。4.3 轴的刚度一挡输入轴：=2258.19N， =35.05mm， =21.75mm, =195mm =173.25mm1rF1d1aL1b=0.001mmEdbFILbfrrc4122136cf=0.003mmaIftts 41221 sf所以 m
34、.03.211 ffscELdabFEILabFrr 41)(6)(=410-4rad0.002rad倒挡输出轴：=2462.12N， =80mm， =23.75mm， =195.5mm， =171.75mm13rF13d13aL13b=0.018mmEdbFEILbfrrc 41322136cf=0.049mmLaIaftts 4132213 sf所以 mffsc 0.5.21313 黑龙江工程学院18ELdabFEILabFrr 4131313 )(6)(=610-4rad0.002rad4.4 轴的强度计算（1）输入轴强度计算=35.05mm， =100.842N.m， =21.75mm
35、， =35.05mm, =195mmd1T1a1d1L=5754.18N.m， =2258.19N =2320.17N.m21.75 173.251rFBv CvF竖直1a111.19NM水平竖直39.1140.6679.76169.98合成 1tF1rF1a1) 求 H 面内支反力 、 和弯矩1HF2HMNLatH 81.6495.738.4)(011 NFtH37.52122maMB9.1黑龙江工程学院2)求 V 面内支反力 、 和弯矩1VF2VMLdaVaRRV21125.0NFV8.7934621mbMv1由以上两式可得 NmTMVH98.1622MPa40Pa0.45169831 d
36、第五章轴承校核5.1 输入轴轴承校核5.2 初选轴承型号由工作条件和轴颈直径初选一轴轴承型号 32209，转速 =5000r/min，查机械设计n实践该轴承的 =145000N， =188000N， =0.35，预期寿命 =30000hoCre,hL5.12 计算轴承当量动载荷 P=3537.95/3438.18=1.03 =0.35。查机械设计原理与设计 ，则 =0.4，1raF X查 机械设计实践 =1.7。YY， 为考虑载荷性质引入的载荷系数，见机械设计原理与设计1arpXfPpf。（1.21.8）取 =1.2pfpf=1.2（0.43438.18+1.73537.95）=8867.74N1arpYFf3、计算轴承的寿命 4、 基本额定寿命 ， 为寿命系数，对球轴承 =3；对滚子轴承hLPCn60=10/3。 =30000h 合格 19,20。 hLfnTh 56.12)74.86031(50636 ,L黑龙江工程学院20可判断出轴承的寿命满足设计要求。
