三轴式刚性支承结构变速器设计【长安之星SC6371微型车 面包 (2)】

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In this paper,from the beginning of the overall program of rear-wheel drive transmission,analyse the program of transmission system.Choose basic parameters of the transmission,determine the structure of the program components,design the synchronizer,manipulation of body and the box.According to the model selection,combine these parameters and the related knowledge of Auto Design,Automotive Theory,Mechanical design ,calculate related parameters of transmission and prove the rationality of the design.Finally,achieve the assembly drawing and parts chart to use the soft ware of AutoCAD. Design the three-axis rigid support transmission to upgrade the performance of rear-wheel drive transmission,increase the market of rear-wheel drive mini-cars,in order to satisfy the needs of different levels. Key words: Three-axis Rigid Support; Rear-wheel Drive Transmission; Axle; Gear-wheel; Box; Design II 目　　录 摘要 ………………………………………………………………………………………Ⅰ Abstract……………………………………………………………………………………Ⅱ 第1章 绪论 ……………………………………………………………………………1 1.1 课题的目的和意义 ………………………………………………………………1 1.2 研究现状 …………………………………………………………………………1 1.3 变速器的设计思想 ………………………………………………………………2 1.4 研究的主要工作内容 ……………………………………………………………2 第2章 变速器设计的总体方案 ……………………………………………………4 2.1 设计依据 …………………………………………………………………………4 2.2 变速器传动机构布置方案 ………………………………………………………4 2.3 变速器基本参数的确定 …………………………………………………………5 2.3.1 挡数的确定 ………………………………………………………………5 2.3.2 传动比的确定 ……………………………………………………………5 2.3.3 变速器中心距的确定 ……………………………………………………7 2.3.4 变速器轴向尺寸的确定 …………………………………………………7 2.4 本章小结 …………………………………………………………………………7 第3章 主要零部件的设计及计算 …………………………………………………8 3.1 齿轮的设计及校核 ………………………………………………………………8 3.1.1 齿轮参数确定及各挡齿轮齿数分配 ……………………………………8 3.1.2 轮齿强度计算……………………………………………………………14 3.1.3 变速器齿轮的材料及热处理……………………………………………17 3.2 轴的设计及校核…………………………………………………………………17 3.2.1 初选轴的直径……………………………………………………………17 3.2.2 轴的设计…………………………………………………………………18 3.2.3 轴的校核…………………………………………………………………21 3.3 轴承的选用及校核………………………………………………………………26 3.3.1 变速器轴承型式的选择…………………………………………………26 3.3.2 轴承的校核………………………………………………………………26 3.3.3 轴承的润滑和密封………………………………………………………29 3.4 花键的校核………………………………………………………………………29 3.5 本章小结…………………………………………………………………………30 第4章 变速器其他零件及机构的设计 …………………………………………31 4.1 同步器的设计及计算……………………………………………………………31 4.1.1 锁环式同步器主要尺寸的确定…………………………………………31 4.1.2 主要参数的确定…………………………………………………………32 4.2 操纵机构的设计…………………………………………………………………33 4.3 变速器箱体的设计………………………………………………………………34 4.4 本章小结…………………………………………………………………………34 结论 ………………………………………………………………………………………35参考文献 …………………………………………………………………………………36 致谢 ………………………………………………………………………………………37 附录 ………………………………………………………………………………………38 第1章 绪　　论 1.1 课题的目的和意义 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[1]。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。变速器若采用浮动式结构的齿轮轴，工作时会产生挠度。因此，一方面降低了输出轴的刚性，另一方面造成了啮合齿轮啮合不良，致使齿轮强度降低，增加了运转噪音，影响了整机的性能。 为了近一步提升后驱动变速器的性能，增加后驱微型车市场销售份额，应该建立一个适应发动机排量为1.3升的后驱动变速器新平台，以满足车厂和用户更高层次的要求。 设计方案力求实现： （1）变速器结构更加紧凑、合理，承载能力较大，满足匹配发动机之所需； （2）选挡、换挡轻便、灵活、可靠； （3）同步器结构合理，性能稳定，有利于换挡； （4）齿轮承载能力高，运转噪音低，传递运动平稳。 1.2 研究现状 众所周知，中国国内市场的微型系列车型，90%都来自日本技术，更确切地说，是来自于日本铃木技术。国内的许多微型车厂在研发、生产方式上，或是购买日本技术，或是与日方联合经营，自主独立开发的能力相对欠缺。因此，在微型车型及所属关紧部件的研发方面的发展相对滞后，进而造成国内的许多老型产品一干就是十几年，甚至二十几年的尴尬局面。同时，由于国际市场的导向，微型车的根据地日本在此方面的投入也没有更大、更新的研究与发展。所以从微型汽车后驱动变速器的发展来看，并没有特别新的技术在产品中应用。 但是根据我们国家的实际现状，目前中国市场对微型车的需求，在短时间内，甚至相当长的一段时间内微型车仍然具有一定的发展的空间。国内的中、小城市，及山区，从居民的购买能力及所需看，微型车由于其价格低、经济适用，仍然具有广阔的市场份额。近几年来，微型车的销售占中国汽车总销售量约25%。尤其以生产微型车为主的长安集团在内，2005年内的整车销售排在全国第三位的良好势头。据了解国内生产微型汽车如长安、柳洲五菱等车厂，后驱动发动机所配的变速器结构先进、合理，在满足同等排量发动机匹配所需的同时，市场反映效果也较好。 汽车变速器发展经历了100多年，从最初采用侧链传动到手动变速器，到现在的液力自动变速器和电控机械式自动变速器，再向无级自动变速器方向发展。变速器是汽车传动系的重要组成部分，其发展无疑代表着汽车工业的发展，它的设计也是汽车设计的一个重要部分。手动变速器(MT)主要采用齿轮传动的降低原理，变速器内有多组传动比不同的齿轮副，汽车行驶时的换挡就是通过操纵机构使变速器内不同的齿轮副工作。 我国汽车工业采用CAD技术，从无到有，至今已有十多年的历史。与其他机械产品相比，汽车行业在计算机应用的投入比较多。各汽车厂纷纷引进软硬件并逐步建立了计算机辅助系统。AutoCAD在用户的心目中也变成了二维设计软件的缩影。 1.3 变速器的设计思想 根据发动机匹配的微型车的基本参数，及发动机的基本参数，设计能够匹配各项的新型后驱动变速器。 新型后驱动变速器应满足： （1）发动机排量1.3升； （2）五个前进挡，一个倒档； （3）输入、输出轴保证两点支承； （4）采用同步器，保证可靠平稳换挡； （5）齿轮、轴及轴承满足使用要求。 1.4 研究的主要工作内容 中间轴式变速器主要用于后轮驱动变速器，所以，根据实际汽车发动机匹配所需，本文计划对适用于后驱动发动机固定中间轴式变速器作为总的布置方案。 1.确定合适的布置结构 变速器中各档齿轮按照档位先后顺序在轴上排列；各档的换挡方式；齿轮与轴的配套方案；轴承支承位置等结构。 2.进行主要参数的选择 确定变速器的档位数；各档传动比；中心距；轴向长度等。 3.进行主要零部件及其他结构的设计 齿轮参数；各档齿轮齿数分配；轮齿强度计算；轴的设计及校核；轴承的设计及校核；同步器主要参数的选取；操纵机构的设计等。 4.绘制图纸 根据设计方案，通过CAD完成装配图及零件图的绘制。 第2章 变速器设计的总体方案 变速器是汽车传动系的重要组成部分，是连接发动机和整车之间的一个动力总成，起到将发动机的动力通过转换传到整车，以满足整车在不同工况的需求。所以整车和发动机的主要参数对变速器的总体方案均产生较大影响。 2.1 设计依据 随着消费者对汽车安全性、舒适性、经济性和动力性需求的提高，微型汽车的技术含量不断提高。长安汽车在微型车领域具有里程意义，长安之星是适应微车市场发展的新需求而诞生的产品。为其设计新型后驱动变速器以使变速器结构更加紧凑、合理、承载能力强。 选择车型为长安之星SC6371进行设计，基本性能参数如表2.1。 表2.1 基本性能参数 发动机参数 排量(L) 1.310 最大功率(km) 60(6000r/min) 最大扭矩(N·m) 102(3000r/min) 底盘参数 驱动方式 后轮驱动 轮胎规格 165/70 R13 整车尺寸及质量 长*宽*高(mm) 3725*1560*1895 轴距(mm) 2350 总质量(kg) 1580 整备质量(kg) 1000 整车性能参数 最高车速(km/h) 135 6.3L/100km 最大爬坡度 32% 注：其中，165/70 R13表示轮胎断面宽B=165，扁平比H/B=70,轮辋直径13in=330.2mm， 故车轮滚动半径近似等于轮胎半径，为r=330.2/2+115.5=280.6mm。 2.2 变速器传动机构布置方案 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。变速器第一轴的前端经轴承支承在发动机飞轮上，第一轴上的花键用来装设离合器的从动盘，而第二轴的末端经花键与万向节连接。如图2.1所示。 图2.1 传动方案图 变速器采用三轴式刚性支承，能提高轴的刚度。第一轴后端经轴承支承在第二轴前端的孔内，第二轴前端与常啮合主动齿轮做成一体，且保持两轴轴线在同一直线上，经啮合套将它们连接后可得到直接挡。使用直接挡，变速器的齿轮和轴承及中间轴均不承载，发动机转矩经变速器第一轴和第二轴直接输出，此时变速器的传动效率高，可高达90%以上，噪声低，齿轮和轴承的磨损减少。挡位高的齿轮采用常啮合齿轮传动，挡位低的齿轮不采用常啮合齿轮传动，各挡位采用同步器换挡[3]。 2.3 变速器基本参数的确定 2.3.1 挡数的确定 挡数的设置与整车的动力性和经济性有关。就动力性而言，增加变速器的挡数，能够增加发动机发挥最大功率附近高功率的机会，提高了整车的加速与爬坡能力。就燃油经济性而言，挡数多，增加了发动机在低油耗区工作的可能性，降低油耗。所以挡数设置为五档。 2.3.2 传动比的确定 1.确定主减速器传动比 根据 （2.1） 式中：——最高车速，135km/h； ——发动机最大功率下的转速，6000r/min； r ——车轮半径，0.281m； ——变速器最高挡传动比，1.0； ——变速器主减速比。 由公式（2.1）得：=4.708。 2.确定变速器一挡传动比 汽车爬陡坡时车速不高，空气阻力可忽略，则最大驱动力用于克服轮胎与路面间的滚动阻力及爬坡阻力。故有：，则由最大爬坡度要求的变速器一挡传动比为[1]： （2.2） 式中：m——汽车总质量，1580kg； g——重力加速度，9.8； ——道路最大阻力系数，由于一般沥青或混凝土路面滚动阻力系数f=0.018~0.020，故取f=0.019；最大爬坡度，故坡角，所以为0.323； ——驱动车轮滚动半径，0.281mm； ——发动机最大转矩，102N·m； ——主减速比，4.708； ——汽车传动系的传动效率，轿车可取0.9~0.92，故选为0.9。 由公式（2.2）得：； 根据驱动车轮与路面的附着条件，求得变速器一挡传动比为[1]： （2.3） 式中：——汽车满载静止于水平路面时，驱动桥给地面的载荷，对于发动机前置后轮驱动的乘用车，满载时后轴占50%~55%，故取=55%mg； ——道路的附着系数，计算时取=0.5~0.6，故选为0.6； ，，，——见式（2.2）下说明。 由公式（2.3）得：；最终取。 3.确定其他挡传动比 由于汽车传动系各挡的传动比大体上是按等比级数分配的，且=1，q为各挡公比，则，故。 2.3.3 变速器中心距的确定 对于中间轴式变速器，是将中间轴与第二轴轴线之间的距离称为变速器中心距A，初选中心距时，可根据下述经验公式计算[3]： （2.4） 式中：——中心距系数，乘用车：=8.9~9.3，取=9.3； ——发动机最大转矩，102 N·m； ——变速器一挡传动比，3.32； ——变速器传动效率，取96%。 由公式（2.4）得：A=63.95mm； 乘用车变速器的中心距在60~80mm范围内变化，圆整后得变速器中心距A=70mm。 2.3.4 变速器轴向尺寸的确定 变速器的轴向尺寸与挡位数、齿轮型式、换挡机构的结构型式等都有直接关系，设计初可根据中心距A的尺寸参照下式初选。 乘用车变速器壳体的轴向尺寸为（3.0~3.4）A，取3.2A=224mm。 2.4 本章小结 本章主要通过分析整车和发动机、底盘参数，对新型后驱动变速器的总体方案进行确定。其中包括：变速器传动方案的布置，中心距的确定，挡位的设置，各挡传动比的确定及轴向尺寸的确定等。通过确定变速器的基本参数，便于其他零部件的设计选用，为下一步的设计计算奠定基础。 第3章 主要零部件的设计及计算 3.1 齿轮的设计及校核 3.1.1 齿轮参数确定及各挡齿轮齿数分配 1.模数m 齿轮模数是一个重要参数，并且影响它的选取因素又很多，如齿轮的强度、质量、噪声、工艺要求等。对于乘用车为了减少噪声应合理减小模数，乘用车和总质量在1.8~14.0t的货车为2.0~3.5mm，取m=2.5mm。 2.压力角 国家规定的标准压力角为，所以变速器齿轮普遍采用的压力角为。 3.螺旋角 选取斜齿轮的螺旋角，应该注意它对齿轮工作噪声、轮齿的强度和轴向力有影响。螺旋角应选择适宜，太小时发挥不出斜齿轮的优越性，太大又会使轴向力过大。轿车变速器齿轮应采用较大螺旋角以提高运转平稳性，降低噪声。 乘用车中间轴式变速器为~，选。 4.齿宽b 齿宽的选择既要考虑变速器的质量小，轴向尺寸紧凑，又要保证轮齿的强度及工作平稳性的要求，通常是根据齿轮模数来确定齿宽b。，其中为齿宽系数。变速器中一般倒挡采用直齿圆柱齿轮=4.5~8.0；常啮合及其他挡位用斜齿圆柱齿轮=6.0~8.5。 5.齿顶高系数 齿顶高系数对重合度、轮齿强度、工作噪声、轮齿相对滑动速度、轮齿根切和齿顶厚度等有影响。一般齿轮的齿顶高系数，为一般汽车变速器齿轮所采用。 6.各挡齿轮齿数的分配 分配齿数时应注意的是，各挡齿轮的齿数比应该尽可能不是整数，以使齿面磨损均匀。 （1）确定一挡齿轮的齿数 由于一挡采用斜齿轮传动，所以齿数和=50，修正后得。 齿轮的变位是齿轮设计中一个非常重要的环节，采用变位齿轮，除为了避免齿轮产生根切和凑配中心距以外，它还影响齿轮的强度，使用平稳性、耐磨损、抗胶合能力及齿轮的啮合噪声[6]。 凑配中心距； 斜齿端面模数； 啮合角，得； 故总变位系数，即为高度变位。 根据齿数比查得：。两齿轮分度圆仍相切，节圆与分度圆重合，全齿高不变。一挡齿轮参数如表3.1。 表3.1 一挡齿轮基本参数 序号 计算项目 计算公式 1 端面压力角 2 分度圆直径 3 齿顶高 4 齿根高 5 齿顶圆直径 6 齿根圆直径 7 当量齿数 8 齿宽 （2）对中心距进行修正 因为计算齿轮和后，经过取整数使中心距有了变化，所以应根据取定的重新计算中心距A作为各挡齿轮齿数分配的依据。。 （3）确定常啮合传动齿轮副的齿数 由一挡传动比求出常啮合传动齿轮的齿数比： （3.1） 而常啮合传动齿轮的中心距与一挡齿轮的中心距相等，即： （3.2） 由公式（3.1）（3.2）得：。 核算=3.27，与前相差较小，故由（3.2）式得：齿轮1、2精确的螺旋角。 凑配中心距； 斜齿端面模数； 啮合角，故，角度变位。 根据齿数比，查得。常啮合齿轮参数如表3.2。 表3.2 常啮合齿轮基本参数 序号 计算项目 计算公式 1 理论中心距 2 中心距变动系数 3 齿顶降低系数 4 分度圆直径 5 齿顶高 6 齿根高 7 齿顶圆直径 8 齿根圆直径 9 当量齿数 10 齿宽 （4）确定其他各挡的齿数 二挡齿轮是斜齿轮，螺旋角与常啮合齿轮不同，由得： （3.3） 而 （3.4）此外，从抵消或减少中间轴上的轴向力出发，还必须满足下列关系式： （3.5） 联解上述三个方程式，采用试凑法，选定螺旋角，解式（3.3）（3.4）求出。 再把代入式（3.5），检查近似满足轴向力平衡关系。 凑配中心距； 斜齿端面模数； 啮合角，故，正角度变位。 根据齿数比，查得。二挡齿轮参数如表3.3。 表3.3 二挡齿轮基本参数 序号 计算项目 计算公式 1 理论中心距 2 中心距变动系数 3 齿顶降低系数 4 分度圆直径 5 齿顶高 6 齿根高 7 齿顶圆直径 8 齿根圆直径 9 当量齿数 10 齿宽 同理：三挡齿轮，近似满足轴向力平衡关系。 凑配中心距； 斜齿端面模数； 啮合角，故，正角度变位。 根据齿数比，查得。三挡齿轮参数如表3.4。 表3.4 三挡齿轮基本参数 序号 计算项目 计算公式 1 理论中心距 2 中心距变动系数 3 齿顶降低系数 4 分度圆直径 5 齿顶高 6 齿根高 7 齿顶圆直径 8 齿根圆直径 9 当量齿数 10 齿宽 同理：四挡齿轮，近似满足轴向力平衡关系。 凑配中心距； 斜齿端面模数； 啮合角，故，负角度变位。 根据齿数比，查得。四挡齿轮参数如表3.5。 表3.5 四挡齿轮基本参数 序号 计算项目 计算公式 1 理论中心距 2 中心距变动系数 3 齿顶降低系数 4 分度圆直径 5 齿顶高 6 齿根高 7 齿顶圆直径 8 齿根圆直径 9 当量齿数 10 齿宽 （5）确定倒挡齿轮齿数 倒挡齿轮选用的模数往往与一挡相近。倒挡齿轮的齿数，一般在21~23之间，初选，计算出输入轴与倒挡轴的中心距。 设。 为保证倒挡齿轮的啮合和不产生运动干涉，齿轮11和12的齿顶圆之间应保持有0.5mm以上的间隙，故取，满足输入轴与中间轴的距离。假设当齿轮11和12啮合时，中心距，且。故倒挡轴与中间轴的中心距，圆整后得。 根据中心距求啮合角： ，故，高度变位。 根据齿数比，查得。 。倒挡齿轮参数如表3.6。 表3.6 倒挡齿轮基本参数 序号 计算项目 计算公式 1 分度圆直径 2 齿顶高 3 齿根高 4 齿顶圆直径 5 齿根圆直径 6 基圆直径 7 齿宽 序号 计算项目 计算公式 1 分度圆直径 2 齿顶高 3 齿根高 4 齿顶圆直径 5 齿根圆直径 6 基圆直径 7 齿宽 3.1.2 轮齿强度计算 变速器齿轮的损坏形式主要有：轮齿折断、齿面疲劳剥落（点蚀）、移动换挡齿轮端部破坏以及齿面胶合。 轮齿折断发生在下述几种情况下：轮齿受到足够大的冲击载荷作用，造成轮齿弯曲折断；轮齿在重复载荷作用下，齿根产生疲劳裂纹，裂纹扩展深度逐渐加大，然后出现弯曲折断。前者在变速器中出现的极少，而后者出现的多些[3]。变速器抵挡小齿轮由于载荷大而齿数少，齿根较弱，其主要破坏形式就是这种弯曲疲劳断裂。 齿面点蚀是常用的高挡齿轮齿面接触疲劳的破坏形式。点蚀使齿形误差加大而产生动载荷，甚至可能引起轮齿折断。通常是靠近节圆根部齿面点蚀较靠近节圆顶部齿面处的点蚀严重；主动小齿轮较被动大齿轮严重。 1.轮齿弯曲强度计算 （1）直齿轮弯曲应力 （3.6） 式中：——计算载荷（N·mm）； ——应力集中系数，可近似取=1.65； ——摩擦力影响系数，主、从动齿轮在啮合点上的摩擦力方向不同，对弯曲应力的影响也不同：主动齿轮=1.1，从动齿轮=0.9； ——齿宽系数； y——齿形系数。 倒挡主动轮12，查手册得y=0.133，代入（3.6）得； 倒挡传动齿轮13，查手册得y=0.128，代入（3.6）得； 倒挡从动轮11，查手册得y=0.144，代入（3.6）得； 当计算载荷取作用到变速器第一轴上的最大转矩时，倒挡直齿轮许用弯曲应力在400~800Mpa，承受双向交变载荷作用的倒挡齿轮的许用应力应取下限。 故<[]，弯曲强度足够。 （2）斜齿轮弯曲应力 （3.7） 式中：——计算载荷（N·mm）； ——斜齿轮螺旋角； ——应力集中系数，可近似取=1.50； Z——齿数； ——法向模数（mm）； y——齿形系数，可按当量齿数在图中查得； ——齿宽系数； ——重合度影响系数，=2.0。 一挡齿轮10，查图得y=0.152，代入（3.7）得=153.93Mpa； 一挡齿轮9，查图得y=0.139，代入（3.7）得=86.71Mpa； 二挡齿轮8，查图得y=0.145，代入（3.7）得=158.26Mpa； 二挡齿轮7，查图得y=0.141，代入（3.7）得=110.25Mpa； 三挡齿轮6，查图得y=0.146，代入（3.7）得=132.03Mpa； 三挡齿轮5，查图得y=0.141，代入（3.7）得=126.58Mpa； 四挡齿轮4，查图得y=0.155，代入（3.7）得=107.82Mpa； 四挡齿轮3，查图得y=0.131，代入（3.7）得=162.37Mpa； 常啮合齿轮1，查图得y=0.151，代入（3.7）得=141.41Mpa； 常啮合齿轮2，查图得y=0.137，代入（3.7）得=92.54Mpa； 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高挡齿轮，许用应力在180~350Mpa范围，所有斜齿轮满足<[]，故弯曲强度 足够。 2.轮齿接触应力计算 （3.8） 式中：——轮齿的接触应力（Mpa）； F——齿面上的法向力（N）， ； ——圆周力（N），； ——计算载荷（N·mm）； d——节圆直径（mm）； ——节点处压力角； ——齿轮螺旋角； E——齿轮材料的弹性模量，合金钢取E=； b——齿轮接触的实际宽度（mm）； 、——主、从动齿轮节点处的曲率半径（mm），直齿轮，斜齿轮；、为主、从动齿轮的节圆半径（mm）。 将上述有关参数代入式（3.8），并将作用在变速器第一轴上的载荷/2作为计算载荷时，得出： 一挡接触应力； 二挡接触应力； 三挡接触应力； 四挡接触应力； 常啮合接触应力； 倒挡接触应力（齿轮12主动，13从动）； （齿轮13主动，11从动）； 对于渗碳齿轮变速器齿轮的许用接触应力[]，一挡和倒挡[]=1900~2000Mpa，常啮合齿轮和高挡[]=1300~1400Mpa。故所有齿轮满足<[]，接触强度足够。 3.1.3 变速器齿轮的材料及热处理 变速器齿轮多数采用渗碳合金钢，其表层的高硬度与心部的高韧性相结合，能大大提高齿轮的耐磨性及抗弯曲疲劳和接触疲劳的能力。 国内汽车变速器齿轮材料主要采用20CrMnTi,渗碳齿轮在淬火、回火后表面硬度为58~63HRC，心部硬度为33~48HRC。 淬火的目的是大幅度提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。回火的作用在于提高组织稳定性，使工件在使用过程中不再发生组织转变，从而使工件几何尺寸和性能保持稳定；消除内应力，以改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸；调整钢铁的力学性能以满足使用要求[8]。 3.2 轴的设计及校核 变速器轴在工作过程中承受着转矩和来自齿轮啮合的圆周力、径向力和斜齿轮的轴向力引起的弯矩。刚度不足会产生弯曲变形，破坏齿轮的正确啮合，产生过大的噪声，降低齿轮的硬度、耐磨性及寿命。 3.2.1 初选轴的直径 轴的径向及轴向尺寸对其刚度影响很大，且轴长与轴径应协调。变速器轴的最大直径d与支承间的距离l可按下列关系式初选： 对第一轴及中间轴 对第二轴 （3.9） 中间轴式变速器的第二轴与中间轴的最大直径d可根据中心距A（mm）按下式初选： ，取； 第一轴花键部分直径可根据发动机最大转矩（N·mm）按下式初选： ； 取，为满足发动机最大转矩要求，取。代入（3.9）式： 第一轴取，则； 中间轴取，则； 第二轴取，则。 初选的轴径还需要根据变速器的结构布置和轴承与花键、弹性挡圈等标准以及轴的刚度与强度等结果进行修正。 3.2.2 轴的设计 初选轴的材料为45号钢，调质处理。调质是淬火后在400~720℃进行高温回火，用来使钢获得高的韧性和足够的强度。 轴的结构设计是要尽量保证轴便于加工，轴上零件易于装拆；轴和轴上零件要有准确的工作位置；各零件要牢固而可靠地相对固定；以及改善受力情况，减少应力集中和提高疲劳强度。 1.输入轴的设计 如图3.1。 图3.1 输入轴图 第一段：接离合器从动轴轴承。根据第一轴花键部分直径及轴承标准，取。查手册选用深沟球轴承6203，，取。 第二段：为花键轴段，接离合器从动盘。第一轴的花键尺寸与离合器从动盘毂的内花键统一考虑，目前一般都采用齿侧定心的矩形花键，键齿之间为动配合。花键连接比平键连接具有承载能力高，对轴削弱程度小，定心好和导向性能好等优点。 根据第一轴花键直径d=18mm，查《汽车设计》得花键内径d=18mm，花键外径D=23mm，花键齿数n=10，键齿宽b=4mm，有效齿长l=20mm，即取。 第三段：过渡轴，取。 第四段：轴承支承段。这一段轴根据轴承标准取，查《机械设计手册》选用圆锥滚子轴承32305，。根据轴径，选择卡环对轴承进行轴向固定，查手册选用挡圈GB/T 893.1-1986 62（孔径，材料为65Mn，热处理硬度44~51HRC，经表面氧化处理的A型孔用弹性挡圈），取。 第五段：齿轮段，一挡、倒挡、二挡主动轮与轴做为一体。取。根据齿宽等因素，取。 第六段：过渡轴，取。 第七段：通过滚针轴承接变速器三挡主动轮。取，根据标准选用向心 滚针和保持架组件：K JB/T 7918-1997，取。 第八段：花键轴段，接同步器。根据，选择矩形花键，取，。 第九段：通过滚针轴承接四挡主动轮，结合第七段轴选用滚针轴承K，取，。 第十段：轴承支承段。取，查手册选用圆锥滚子轴承32305，。在轴承外圈开槽放卡环与箱体进行固定，查手册选用挡圈GB/T 893.1-1986 62（孔径，材料为65Mn，热处理硬度44~51HRC，经表面氧化处理的A型孔用弹性挡圈）。D=66.2mm，s=2mm，b=5.2mm，取。 第十一段：花键轴段，接同步器。根据选用矩形花键，取，。 第十二段：与输出轴常啮合齿轮相连，根据轴承标准取，选用非标准件滚针，取。 2.中间轴的设计 如图3.2。 图3.2 中间轴图 （1）最小直径估算 （3.10） 式中：C——由轴的材料和承载情况确定的常数，45号钢为118~107，取C=108； P——传递的功率，，为发动机最大功率，60KW；为变速器传动效率，取96%； ——轴的转速，6000r/min。 由公式（3.10）得： （2）中间轴结构设计 第一段：轴承段。根据标准取，则查表选用圆锥滚子轴承30205，。根据轴径，选用卡环对轴承进行轴向固定，查手册选用挡圈GB/T 893.1-1986 52，取。 第二段：齿轮段。通过滚针轴承接一挡齿轮，取，。选用向心滚针和保持架组件K。 第三段：花键轴段，接同步器。根据，选用矩形花键，则取。 第四段：齿轮段，通过滚针轴承接二挡从动轮。根据第二段轴的结构选用向心滚针和保持架组件K，取，。 第五段：过渡轴段，取。 第六段：齿轮段，三挡从动轮和四挡从动轮与轴铸成一体。，取，根据输入轴取。 第七段：轴承段。根据轴承标准取，查表选用圆锥滚子轴承30205，。根据轴径，选用卡环对轴承进行轴向固定。查手册选用挡圈GB/T 893.1-1986 52，取。 第八段：过度轴段。，取。 第九段：齿轮段，常啮合主动轮通过花键与轴相连，选用矩形花键，则取。 第十段：螺纹段，拧上螺母进行固定及轴向定位。根据标准选普通螺纹M18-6g（公称直径18，螺距1.5的细牙右旋外螺纹，中径和大径的公差带均为6g，中等旋合长度），取。 查表选用螺纹规格D=M18，性能等级为8级，不经表面处理，A级的I型六角螺母，标记为螺母GB/T 6170 M18。 3. 输出轴的设计 第一段：齿轮轴段，常啮合从动轮与轴做为一体，取。 第二段：轴承支承段。根据标准取。查表选用深沟球轴承6306，。选用套筒D=40mm，并安装车速表驱动齿轮，取72mm。 第三段：花键轴段，与万向节连接。选用矩形花键，取35mm。 图3.3 输出轴图 3.2.3 轴的校核 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，变速器的轴要承受转矩和弯矩，要求变速器的轴应有足够的刚度和强度。为了验证结构方案的合理性及变速器的可靠性需对轴进行校核。 应当对每个挡位下的轴的刚度和强度都进行验算，因为挡位不同不仅齿轮的圆周力、径向力和轴向力不同，而且着力点也有变化。验算时可将轴看作是铰接支承的梁，第一轴的计算转矩为发动机最大转矩。 1.计算各挡齿轮啮合的圆周力、径向力及轴向力 （3.11） 式中：i——齿轮的传动比； d——齿轮的节圆直径，mm； ——节圆处压力角； ——螺旋角； ——发动机最大转矩。 一挡代入（3.11）式得： 二挡代入（3.11）式得： 三挡代入（3.11）式得： 四挡代入（3.11）式得： 倒挡代入（3.11）式得： 五挡 （3.12） 式中：P——输出轴功率，； n——输出轴转速，r/min； T——输出轴转矩，N·mm。 输出轴功率；，代入（3.12）式得 N·mm。代入（3.11）式得： 2.输入轴的校核 （1）轴的强度计算 应该校核在弯矩和转矩联合作用下的变速器轴的强度。作用在齿轮上的径向力和轴向力使轴在垂直面内弯曲变形并产生垂向挠度；而圆周力使轴在水平面内 弯曲变形并产生水平挠度，则在弯矩和转矩联合作用下的轴应力为： （3.13） （3.14）式中：——计算转矩，N·mm； d——轴在计算断面处的直径，花键处取内径，mm； ——弯曲截面系数，； ——在计算断面处轴的垂向弯矩，N·mm； ——在断面处轴的水平弯矩，N·mm； ——许用应力，在抵挡工作时取。 一挡受力图如图3.4。计算得：AB=66.875mm, BC=30.125mm,CD=141.625mm； 水平面 垂直面 N·m； N·m； N·m； d=26mm，代入（3.13）（3.14）得： ，故满足强度要求。 图3.4 一挡受力图 （2）轴的刚度计算 对齿轮工作影响最大的是轴在垂直面内产生的挠度和轴在水平面内的转角。前者使齿轮中心距发生变化，破坏了齿轮的正确啮合；后者使齿轮相互歪斜，致使沿齿长方向的压力分布不均匀。 若轴在垂直面内挠度为，在水平面内挠度为和转角为，可以分别用下式计算： （3.15） 式中：——齿轮齿宽中间平面上的径向力（N）； ——齿轮齿宽中间平面上的圆周力（N）； E——弹性模量（MPa），； I——惯性矩（），对于实心轴，； d——轴的直径（mm），花键处按平均直径计算； a、b——齿轮上的作用力距支座B、D的距离（mm）； L——支座间的距离（mm）。 计算得：一挡齿轮a=21.375mm，b=150.375mm； ,； ； 由公式（3.15）得：， ， ， 轴的全挠度为。 由于轴在垂直面和水平面内挠度的允许值为，，齿轮所在平面的转角不应超过0.002rad。满足，，，故满足刚度要求。 同理计算出：二挡斜齿轮轴应力，故强度足够。 挠度，， 转角，故刚度足够。 三挡齿轮轴应力，故强度足够。 挠度，， 转角，故刚度足够。 四挡齿轮轴应力，故强度足够。 挠度，， 转角，故刚度足够。 倒档齿轮轴应力，故强度足够。 挠度，， 转角，故刚度足够。 3.输出轴的校核 由于输出轴在运转的过程中所受的弯矩很小，可以忽略，可认为其只受扭矩。轴的扭转切应力： （3.16） 式中：——轴的扭切应力，MPa； T——转矩，N·mm； ——抗扭截面系数，，对圆截面轴； P——传递的功率，kw； n——轴的转速，r/min； d——轴的直径，mm。 其中，，，n=6000r/min代入（3.16）式得： 查表可知：45号钢许用扭切应力，故符合强度要求。 3.3 轴承的选用及校核 3.3.1 变速器轴承型式的选择 变速器轴承多选用滚动轴承，即向心球轴承，向心短圆柱滚子轴承，滚针轴承以及圆锥滚子轴承。通常是根据变速器的结构选定，再验算其寿命。 输入轴及中间轴的两个轴承采用圆锥滚子轴承，输出轴的轴承采用深沟球轴承， 它不仅承受径向负荷，而且承受向外的轴向负荷。齿轮内孔与轴的配合采用滚针轴承。 3.3.2 轴承的校核 1.输入轴轴承32305 查《机械设计手册》可知：； ； 圆锥滚子轴承受力如图3.5。 图3.5 轴承受力图 根据力矩平衡得出： （3.17） 解（3.17）式得出： ； ； 轴承内部轴向力： ； ； 因为，所以轴承1为压紧端： ； ； 因为e=0.3，故，所以； ，所以； 当量动载荷： （3.18） 代入得： ； 。 轴承寿命用小时表示比较方便： （3.19） 式中：——基本额定寿命，h； ——温度系数，轴承工作温度为100℃时，=1； ——载荷系数，无冲击或轻微冲击；中等冲击； C——基本额定动载荷，N； P——动载荷，N； ——寿命指数，对于球轴承=3，对于滚子轴承=； n——轴的转速，r/min。 取=1，=1.6，，代入（3.19）式得： ； 平均车速； 行驶至大修前的总行驶里程。 对汽车轴承寿命的要求是轿车30万km，故该轴承满足使用要求。 2.中间轴轴承30205 查《机械设计手册》可知：； ； 同理可得 （3.20） 求得 则 即，； 因为e=0.37，故，所以； ，所以； 由公式（3.18）得：，。 取，，代入（3.19）式得：，，满足使用要求。 3.输出轴轴承6306 根据轴承型号查手册可知：，。 故； ，插入法查表得系数e=0.264； 而，查表取X=0.56，插入法得：Y=1.68； 由公式（3.18）得：P=。 取，，n=6000r/min，代入（3.19）式得：，，满足使用要求。 3.3.3 轴承的润滑和密封 滚动轴承的润滑方式具体选择可按速度因数dn值来定。d代表轴承内径，mm；n代表轴承套圈的转速，r/min，dn值间接地反映了轴颈的圆周速度，当时，一般滚动轴承可采用润滑脂润滑，超过这一范围宜采用润滑油润滑[9]。由于d=25mm，n=6000r/min，故dn=采用润滑脂润滑。脂润滑因润滑脂不易流失，故便于密封和维护，且一次充填润滑脂可运转较长时间。 采用密封圈对轴承进行密封，工作温度范围-40~100℃。密封圈用皮革、塑料或耐油橡胶制成。 3.4 花键的校核 1.输入轴第二段花键轴段接离合器从动盘 花键尺寸选定后应进行挤压应力及剪切应力的强度校核： （3.21） （3.22） 式中：D，d——花键的外径及内径，D=23mm，d=18mm； n——花键齿数，n=10； l，b——花键的有效齿长及键齿宽，l=20mm，b=4mm； Z——从动盘毂的数目，Z=1； ——发动机最大转矩，N·mm。 由公式（3.21）（3.22）得：； ，故强度足够。 2.输入轴第八段花键轴段接同步器 动连接压强： （3.23） 式中：T-转矩，N·mm，N·mm； K——载荷不均匀系数，K=0.7~0.8，取K=0.8； ——平均半径，； Z——齿数，Z=6； h——齿面工作高度，； ——齿的接触长度，。 由公式（3.23）得： P=39.34Mpa。 由于动连接齿面经过热处理时中等使用情况下许用压强[P]= ,故，强度足够。 3.输入轴第十一段花键轴段接同步器 N·mm； K=0.8，，Z=6，，； 由公式（3.23）得： P=55.95Mpa<[P]，故强度足够。 3.5 本章小结 本章主要对新型后驱动变速器的主要零件进行设计和计算，其中包括：齿轮的设计及校核，轴的设计及校核，轴承的设计及校核。这些零件是变速器的基石，齿轮的变位是齿轮设计中一个非常重要的环节，轴的设计是变速器传递动力的重要因素，轴承的定位及校核是设计的难点，这些计算的理论基础是设计的关键。此外，本章的一些计算结果，绘图时需要进一步印证。 第4章 变速器其他零件及机构的设计 4.1 同步器的设计及计算 该变速器的一挡和二挡、三挡和四挡及常啮合齿轮共采用三个同步器进行换挡。同步器