十二档手动重卡变速器设计说明书

1 十二档手动重卡变速器设计说明书 车变速器概述 变速器用于 改 变发动机曲轴的转矩和转速，以适应汽车在起步、加速、行驶以及克服各种道路障碍等不同行驶条件下， 满足 驱动车轮牵引力及车速不同要求的需要。 随着汽车工业的不断发展，今后要求汽车车型的多样化、个性化、智能化已成为汽车的发展趋势。但变速器设计一直是汽车设计中最重要的环节之一，它是用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速， 同时使发动机在最有利的工况范围内工作 。因此它的性能影响到汽车的动力性和经济性指标。 变速器能使汽车以非常低的稳定车速行驶，而这种低的车速只 靠内燃机的最低稳定车速是难以达到的。变速器的倒挡使汽车能倒退行驶；其空挡使汽车在启动发动机、停车和滑行时能长时间将发动机和传动系分离。 变速器的结构 除了对 汽车的动力性、经济性 有影响同时对汽车 操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率等都有直接影响。变速器与主减速器及发动机的参数做优化匹配，可得到良好的动力性与经济性；采用自锁及互锁装置，倒挡安全装置，其他结构措施，可使操纵可靠，不 产生 跳挡、乱挡、自动脱挡和误挂倒挡；采用同步器可使换挡轻便，无冲击及噪声；采用 斜齿轮 、修形及参数优化等 2 措施可使齿轮传动平稳、噪声低， 不同的传动比还可以使在其不同路面提高汽车的动力性和经济性，使汽车和发动机有良好的匹配性。 题研究 现状、设计的目的 和意义 究现状 重型汽车的装载质量大，使用条件复杂，欲保证重型汽车具有良好的动力性、经济性和加速性，则必须扩大传动比范围并增多档数。传统结构三轴式变速器的最大容量：档位数一般最多蛤能布置到 6个前进档和一个倒档，最大输出扭矩约为 8400年来重型汽车需要更多档位（ 8进档，需要爬行档（最低档）速比为 10然传统结构变速器远不能满足需求。而组合式机械变速器则能满足上述要求。而组合式机械变速器则能满足上述要求。而组合机械变速器的组成是在传统变速器（称主箱）后部（或前部）加装一个副变速器（称副箱，一般为两档），将主箱的档位数增加一倍，所增加档位的速比值增大到等于主箱速比和副箱速比的乘积，而齿轮对数小于档位数，因此箱体尺寸大为缩小，轴的长度减短，刚度增大，并且增大了变速器的容量 。 计目的意义 重型货车装载数十吨的货品，面对如此高的 “ 压力 ” ，除了发动机需要强劲的动力之外，还需要变速器的全力协 3 助。大家都知道一档有 “ 劲 ” ，这样在起步的时候有足 够的牵引力量将车带动。特别是面对爬坡路段，它的特点显露的非常明显。而对于其他新型的变速器，虽然具有操作简便等特性，但这些特点尚不具备。 从我国的具体情况来看，机械式变速器几乎贯穿了整个中国的汽车发展历史，资历郊深的司机都是用机械式变速器的，他们对机械式变速器的认识程度是非常深刻的，如果让他们改变常规的做法，这是不现实的 。 车变速器现状和发展趋势 现代汽车工业的飞速发展以及人们对汽车的要求不断的变化，机械式变速器不能满足人们的需要。而 自动变速器技术得到了迅速发展。 目前，国内变速器厂商都向着无级变速器 和自动变速器方向发展，国内现已有好几款轿车已经应用上无级变速器，而重型多挡位汽车则采用多中间轴的形式，将低速档和高速档区分开。 无 级 变 速 器 又 称 为 连 续 变 速 式 无 级 变 速 器(称 。这种变速器与一般齿轮式自动变速器的最大区别，是它省去了复杂而又笨重的齿轮组合变速传动，而只用了两组带轮进行变速传动。无级变速器结构比传统变速器简单，体积更小，它既没有手动变速器的众多齿轮副，也没有自动变速器复杂的行星齿轮组，主要靠主动轮、从动轮和传动 4 带来实现 速比的无级变化 在跨越了三个世纪的一百多年后的今天，汽车还没有使用上满意的无级变速箱。这是汽车的无奈和缺憾。但是 ,人们始终没有放弃寻找实现理想汽车变速器的努力 ,各大汽车厂商对无级变速器 (现了极大的热情，极度重视 汽车领域的实用化进程。这是世界范围尚未根本解决的难题，也是汽车变速器的研究的终极目标。在今后，摩擦传动 力传动；电控机械式自动变速器(称 ；齿轮 无 级 变 速 器 （ 围绕着汽车变速箱四个主要的研究方向。 齿轮无级变速器（ 是一种全新的设计思想，是利用齿轮传动实现高效率、大功率的无级变速传动。 据最新消息：一种 齿轮无级变速装置 (称 已经试制成功，并已经进行了多次样机试验。 齿轮无级变速装置 结构相当简单，只有不足 20 种非标零件， 51 个零件，生 产成本甚至低于手动变速箱。预计今年进行装车试验。 齿轮无级变速器的优势表现为： 5 (1) 传动功率大 200传动功率是很容易达到的； (2) 传动效率高 ， 90%以上的传动效率是很容易达到的； (3) 结构简单，大幅度降低生产成本，相当于自动变速箱的 1/10； (4) 对汽车而言，提高传动效率，节油 20%； (5) 发动机在理想状态下工作，燃料燃烧完全，排放干净，极大的减 少了对环境的破 坏。 速器的特点和设计要求及内容 在本次设计中，由于是对传统的变速器进行改进性设计 ,在给定的发动机最大转矩、转速及最高车速、发动机标定功率等条件下，主要完成变速器机构的设计，并绘制出变速器装配图及主要零件的零件图。 在本设计中主要设计是带有主副变速箱的中间轴式十二档变速器。主箱是中间轴式六档的变速器，采用惯性锁环式同步器，最高档位为直接档 1。副箱采用一对直接档齿轮传动和一对减速档齿轮传动并采用锁销式同步器来改变传动比 。从而使挂入副箱减速档时或得通过减速齿轮后的六个减速档位。 对于变速器的要求： （ 1）保证汽车有必要的动力性和经济性； 6 （ 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，使汽车能到推行驶； （ 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。工作可靠； （ 6） 汽车行驶过程中，变速器不得有跳档、乱档以及换挡冲击等现象发生； （ 7） 变速器应当有高的工作效率； （ 8） 变速器的工作噪声要低。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 。 速器设计的主要内容： 本次设计主要是依据 给定的重型货车 有关参数，通过对 变速器各部分参数的选择和计算，设计出一种基本符合要求的手动 12 档 变速器。本文主要完成下面一些主要工作 ： 1、参数计算。包括变速器传动比计算、中心距计算、齿轮参数计算、各 档 齿轮齿数的分配； 2、变速器齿轮设计计算。变速器齿轮几何尺寸计算；变速器齿轮的强度计算及材料选择；计算各轴的扭矩和转速；齿轮强度计算及检验； 3、变速器轴设计计算。包括各轴直径及长度计算、 7 轴的结构设计、轴的强度计算、轴的加工工艺分 析； 4、变速器轴承的选择及校核； 5、同步器的设计选用和参数选择； 6、变速器操纵机构的设计选用； 7、变速器箱体的 结构设计 设计。 8 第 2 章 变速器传动机构布置方案 构工艺性 两轴式变速器输出轴与主减速器主动齿轮做成一体，当发动机纵置时，主减速器可用螺旋圆锥齿轮或双曲面齿轮，而当发动机横置时用圆柱齿轮，因而简化了制造工艺。 速器的径向尺寸 两轴式变速器的前进挡均为一对齿轮副，而中间轴式变速器 则有二对齿轮副。因此，对于相同的传动比要求，中间轴式变速器的径向尺寸可以比两轴式变速器小得多。 速器齿轮的寿命 两轴式变速器的低挡齿轮副，大小相差悬殊，小齿轮 9 工作次数比大齿轮要高的多，因此，小齿轮的寿命比大齿轮的短。中间轴式变速器的各前进挡，均为常啮合斜齿轮传动，大小齿轮的径向尺寸相差较小，因此寿命较接近。在直接挡时，齿轮只空转，不影响齿轮寿命。 速器的传动效率 两轴式变速器，虽然可以有等于 1 的传动比，但仍要有一对齿轮传动，因而有功率损失。而中间轴式变速器，可将输入轴和输出轴直接 相连，得到直接挡，因而传动效率较高，磨损小，噪声也较小。 轿车，尤其是微型汽车，采用两轴式变速器比较多，而中、重型载货汽车则多采用中间轴式变速器。因此设计的变速器采用中间轴式 6。 倒挡布置应注意以下几点： （ 1）倒挡齿轮在非工作位置时，不得与第二轴的齿轮有啮合现象； （ 2）换入倒挡时不得与其他齿轮发生干涉； （ 3）倒挡轴在变速器壳体上的支承不得与与中间轴的齿轮相碰。 图 常见的倒挡布置方案。 图 案主要用于小客车上。 图 案用于四挡直齿滑动齿轮的变速器上。 10 (a) 小客车常用 (b) 直齿滑动啮合四挡 (c) 多数五挡采用 (d) (e) 前进挡常啮合 (f) 前进挡常啮合 (g) 一、倒挡各用一跟拨叉轴 图 图 案是对 c 的修改。 图 于所有前进档都是常啮合的变速器上。是用于所有前进档都是常啮合的变速器上 . 为了充分利用空间，缩短变速器的轴向长度，有的货车倒挡传动采用图 案；缺点是一、倒挡须各用一根变速器拨叉轴，致使变速器盖中的操纵机构复杂一些。 倒档结构方案的选择，应根据 其它档布置情况。力求位置合理并缩短变速器的轴向长度。综合以上几种变速器倒挡布置方案，选择图 7。 11 零、部件结构方案分析 轮形式 变速器用齿轮有直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮两种。 与直齿圆柱齿轮比较，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长、运转平稳、工作噪声低等优点；缺点是制造时稍有复杂，工作时有轴向力，这对轴承不利。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，并导致变速器的质量和转动惯量增大。直齿圆柱齿轮仅用于低挡和倒挡。一挡、二挡和倒挡齿轮 用直齿，其他挡齿轮用斜齿轮。 （ a） 直齿滑动齿轮换挡 （ b）啮合套换挡 （ c）同步器换挡 图 换挡机构形式 挡机构形式 如图 速器换挡机构有直齿滑动齿轮、啮合套和同步器换挡三种形式。 直齿滑动齿轮换挡要求驾驶员有熟练的操作技术（如两脚离合器）才能使换挡时齿轮无冲击；换挡行程长，换 12 挡瞬间驾驶员注意力被分散，又影响行驶安全。因此，尽管这种换挡方式结构简单，制造、拆装与维修工作皆容易，并能减小变速器旋转部分的惯性力矩，但除一挡、倒挡已很少使用。 啮合套换挡不能消除换挡 冲击，而且要求驾驶员有熟练的操作技术。此外，因增设了啮合套和常啮合齿轮，使变速器旋转部分的总惯性力矩增大。因此，目前这种换挡方法只在某些要求不高的挡位及重型货车变速器上应用。 使用同步器能保证迅速、无冲击、无噪声换挡，而与操作技术的熟练程度无关，从而提高了汽车的加速性、燃油经济性和行驶安全性。同上述两种换挡方法比较，虽然它有结构复杂、制造精度要求高、轴向尺寸大等缺点，但仍然得到广泛应用。 动脱挡 由于接合齿磨损、变速器刚度不足以及振动等原因，都会导致自动脱挡。为解决这个问题，除工艺上采取措施以 外，目前在结构上采取措施且行之有效的方案有以下几种： 13 (a) 接合齿位置错开 (b) 齿厚切薄 (c) 工作面加工成倒锥角 图 止自动脱挡的措施 （ 1）将两接合齿的啮合位置错开，如图 示。这样在啮合时，使接合齿端部超过被接合齿的 1 3用中两齿接触部分受到挤压同时磨损，并在接合齿端部形成凸肩，可用来阻止接合齿自动脱挡。 （ 2）将啮合齿套齿座上前齿圈的齿厚切薄（切下 这样，换挡后啮合套的后端面被后齿圈的前端面顶住，从而阻止自动脱挡，如图 示。 （ 3）将接合齿的工作面设计并加工成斜面，形成倒锥角（一般倾斜 2 3 ），使接合齿面产生阻止自动脱挡的轴向力，如图 c）所示。这种方案比较有效，应用较多。将接合齿的齿侧设计并加工成台阶形状，也具有相同的阻止自动脱挡的效果 。 章小结 本章首先对比了两轴式和中间轴式的优、缺点，由于 14 中间轴式变速器的结构工艺性、变速器径向尺寸、变速器齿轮的寿命、变速器传动效率好于两轴式 ,因此设计的变速器选择中间轴式；接着本章确定了倒挡布置方案；然后对零部件的结构方案进行了分析，即对齿轮及换挡机构的形式进行了 分析；最后对倒挡的布置方案以及防止自动脱挡进行了设计。 15 第 3 章 变速器主要参数的选择及齿数的分配 述 满足汽车必要的动力性和经济性指标，这与变速器的挡数、传动比范围和各挡传动比有关。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。 表 尼克 2764 基本参数 整备 质量 最大总质量 最高 车速 最大爬坡度 最大 功率 最大 扭矩 轮胎 变速器挡数 后桥 速比 905550000km/h 30% 191 2 数 近年来，为了降低油耗，变速器的挡数有增加的趋势。目前，乘用车一般用 4 5 个挡位的变速器。发动机排量 16 大的乘用车变速器多用 5 个挡。商用车变速器采用 4 5个挡或多挡。载质量在 货车采用五挡变速器，载质量在 货车采用六挡变速器。多挡变速器多用于总质量大些的货车和越野汽车上。本设计采用十二挡变速器。 动比范围 变速器传动比是指变速器最高挡与最低挡传动比的比值。目前乘用车的传动比范围在 间，总质量轻些的商用车在 间，其他商用车则更大。 速器各挡传动比的确定 初选传动比： 设 12 挡为直接挡，则 式中： 最高车速 发动机最大功率转速 r 车轮半径 变速器最小传动比 0i 主减速器传动比 9549转矩适应系数 = 17 所以，549=上述两两式取400 r/i =曲面主减速器，当 0i 6 时，取 =90% 轻型商用车1围 ， g=96%， T = T =90% 96%=最大传动比1 满足最大爬坡度。 根据汽车行驶方程式 20e m a x 汽车以一挡在无风、沥青混凝土干路面行驶，公式简化为 s in c o m a x g 即， 0m a s 式中： G 作用在汽车上的重力， ， m 汽车质量，g 重力加速度， 发动机最大转矩， 0i 主减速器传动比，0i= 传动系效率， T = r 车轮半径， r = 18 f 滚动阻力系数，对于货车取 f = 爬坡度，取 = 计算得 满足附着条件。 g 01 在沥青混凝土干路面， = =1 得 传动比大于 10取1他各挡传动比的确定： 按等比级数原则， 式中： q 常数，也就是各挡之间的公比；因此，各挡的传动比为： 1n 1 11 =以其他各挡传动比为： 1 25 89012 心距 A 初选中心距时，可根据下述经验公式 3 1m a x 19 因 为该变速器为主副箱变速器，需根据主变速器来确定中确定。则： 3 7m a x 式中： A 变速器中心距（ 中心距系数，多档变速器： 发动机最大转矩（ 7 变速器一挡传动比，7 g 变速器传动效率，取 96% ； 发动机最大转矩， 则， 37m a x =选中心距 A =153 轮参数 数 对货车，减小质量比减小噪声更重要，故齿轮应该选用大些的模数；从工艺方面考虑，各挡齿轮应该选用一种模数。 啮合套和同步器 的接合齿多数采用渐开线。由于工艺上的原因，同一变速器中的接合齿模数相同。其取值范围是：乘用车和总质量货车为 质量货车为 取较小的模数值可使齿数增多，有利于换挡。 表 车变速器齿轮法向模 20 数 车型 乘用车的发动机排量V/L 货车的最大总质量am/t V6.0数nm/ 车变速器常用齿轮模数 一系列 系列 根据表 轮的模数 定为 力角 理论上对于乘用车， 15、 16、 小些的压力角；对商用车，为提高齿轮承载能力应选用 25等大些的压力角。 国家规定的标准压力角为 20，所以变速器齿轮普遍采用的压力角为 20。 21 旋角 实验证明：随着螺旋角的增大，齿的强度也相应提高。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。斜齿轮 传递转矩时，要产生轴向力并作用到轴承上。设计时，应力求使中间轴上同时工作的两对齿轮产生的轴向力平衡，以减小轴承负荷，提高轴承寿命。因此，中间轴上不同挡位齿轮的螺旋角应该是不一样的。为使工艺简便，在中间轴轴向力不大时，可将螺旋角设计成一样的，或者仅取为两种螺旋角。 货车变速器螺旋角： 18 26 初选一挡斜齿轮齿轮螺旋角为 24，其余挡斜齿轮螺旋角 24。 宽 b 直齿 为 斜齿 采用啮合套或同步器换挡时，其接合齿的工作宽度初选时可取为 2 4 顶高系数 在齿轮加工精度提高以后，包括我国在内，规定齿顶高系数取为 22 挡齿轮齿数的分配 图 齿轮传动方案 如图 示为主变速器的传动示意图。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。应该注 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。 定七档挡齿轮的齿数 中间轴一挡齿轮齿数，货车可在 12间选用，最小为 12 12Z =17，一挡齿轮为斜齿轮。 一挡传动比为1211121g 为了求， 11Z , 12Z 的齿数，先求其齿数和 斜齿nh 211co =5 24 =6 23 即 11Z = 12Z =569 对中心距 A 进行修正 因为计算齿数和过取整数使中心距有了变化，所以应根 据取定的 ，再以修正后的中心距 A 作为各挡齿轮齿数分配的依据。 n0 = 9175 ）（ =整为 A=154 对七挡齿轮进行角度变位： 端面啮合角 t： =t=合角 ,t： t=t=位系数之和 nt,t a in =变位系数线图得： 计算精确值10 A=12 24 计算七挡齿轮 11、 12 参数： 分度圆直径 12m =5 39/ 2m =5 17/ 顶高 yh mh a = yh mh a =中： （ =（ 5= =根高 h f = h f =全高 h=顶圆直径 1111 =2 a =根圆直径 25 121111 2 ff =21212 2 ff = 确定常啮合传动齿轮 取 2421 11127 =啮合传动齿轮的中心距与一挡齿轮的中心距相等，即 2121co n 121co =5 24= 1Z =2Z =整为 1Z =24， 2Z =32，则： 1211127g =常啮合齿轮进行角度变位： 理论中心距 2121co 242245=面压力角 26 =t= 端面啮合角 A c = t 变位系数之和 in t a 1n = 20t a in v=变位系数线图得： 计算精确值 21 ： A=21 常啮合齿轮数： 分度圆直径 211 =22 =顶高 yh mh a =（ 1+27 5=5 yh mh a =（ 1+ 5=中： （ =（ 5= =根高 h f =（ 1+ 5= h f =（ 1+ 5=全高 1h=顶圆直径 11 = a =根圆直径 111 2 ff =22 2 ff = 确定其他各挡的齿数 （ 1）八挡齿轮为斜齿轮，模数与七挡齿轮相同，初选 28 109=18 101922 21109 g= 109109n co co s2 =5 81=9Z=0Z=整为9Z=37，10Z=21 则， 101928 =2424 3234=八挡齿轮进行角度变位： 理论中心距 109109co 面压力角 t= 端面啮合角 A c = t变位系数之和 29 nt,t a in =变位系数线图得： n10=9= 计算精确值87： 109109co n 109 = 八挡齿轮参数： 分度圆直径 10999 091010 顶高 yh mh a = yh mh a =中： （ = =根高 h f = h f =30 齿全高 9h=顶圆直径 99 =1 a =根圆直径 999 2 ff =01010 2 ff = 2）九挡齿轮为斜齿轮，模数与一挡齿轮相同，初选87=18 81729 21287 g= 8787n co co s2 =5 28=7Z=Z=整为7Z=34，8Z=24 则， 81729 =2424 3234=九挡齿轮进行角度变位： 理论中心距 31 8787co 面压力角 t= 端面啮合角 A c = t变位系数之和 nt,t a in =变位系数线图得： n8=7= 计算精确值87： 8787co n 87 = 九挡齿轮参数： 分度圆直径 8777 32 8788 顶高 yh mh a = yh mh a =中： （ = =根高 h f = h f =全高 7h=顶圆直径 77 = a =根圆直径 777 2 ff =88 2 ff = 3）十挡齿轮为斜齿轮，初选65=20 211065 33 = 6565co n 得5Z=Z=整5Z=31，6Z=27 615210 =2724 3132=0十挡齿轮进行角度变为： 理论中心距 6565co 面压力角 =t= 端面啮合角 A c = t变位系数之和 34 nt,t a in =变位系数线图得： 5=算精确值65： 6565co n 十挡齿轮 5、 6参数： 分度圆直径 6555 566 顶高 yh mh a = yh mh a =中： （ = =根高 h f =35 h f =全高 5h=10顶圆直径 55 = a =根圆直径 555 2 ff =66 2 ff = 4）十一挡齿轮为斜齿轮 21443 g= 4343co n 4321 243 21 1t a nt a n z得 3Z=4Z =22 取整3Z=28， 4Z =29 则： 41324 36 =2924 2832=十一挡齿轮进行角度变位： 理论中心距 4343co 面压力角 =t= 端面啮合角 A c = t变位系数之和 nt,t a in =变位系数线图得： 4 =确值43= 37 十一齿轮 3、 4参数： 分度圆直径 4333 344 顶高 yh mh a = yh mh a =中： （ = =根高 h f = h f =全高 3h=顶圆直径 33 = a =根圆直径 333 2 ff =44 2 ff =38 （ 5） 确定倒挡齿轮齿数 倒挡齿轮选用的模数与一挡相同，可计算出中间轴与倒挡轴的中 心距 ，A 。初选15Z=16， 14Z =10，则： 151421 = 1610621 =78保证倒挡齿轮的啮合和不产生运动干涉，齿轮 14 和13 的齿顶圆之间应保持有 上的间隙，则齿轮 13的齿顶圆直径13 314 121413 154 6 (10+2) 1 =23513n e=6235 2 =了保证齿轮 13和 14的齿顶圆之间应保持有 13Z=38 计算倒挡轴和第二轴的中心距 A 2 1513, 39 = 2 16386 =162算倒挡传动比 1513141512 倒=161024 381632 =1413 ，查表得 分度圆直径 313 =38 6=228 414 10 6=60 6=96 顶高 3*h 3.6 4*h = 3.6 5*h =8.4 根高 3h =9.9 4h =9.9 f 15h =全高 40 13h=顶圆直径 1313 =4 a =5 a =根圆直径 131313 2 ff =208.2 41414 2 =40.2 51515 2 =85.8 6） 确定副变速箱低速挡齿轮 的齿数 取19Z=17，齿轮为斜齿轮。 低速档传动比为 19161817 副为了求18Z，19求其齿数和选1918=25 斜齿 nh 918co =6 25 =整为