毕业设计hd1050轻型商用车变速器设计

摘 要 汽车变速器是汽车传动系统的主要组成部分，主要作用是将发动机的矩经过改变后传递给主减速器。改变传动比扩大驱动轮转矩和转速范围，来适应不同的行驶条件。设置空档用来中断动力传递，设置倒档，使汽车能够倒退行驶。 文中阐述轻型商用车HD1050的变速器设计，是依据现有生产企业在生产车型的变速器作为设计原型，在给定发动机输出转矩、转速及最高车速、最大爬坡度等条件下，自己独立设计出符合要求的中间轴式五档变速器。其中本设计的主要内容是根据已知参数进行各档位传动比的选择确定、齿轮参数的选择、二轴及中间轴的选择计算、轴承的选择等。 文中对变速器的主要参数进行了验证，包括齿轮强度的校核、变速器轴度和刚度的校核、轴承寿命的验算等。计算结果表明整体性能满足要求。 关键词 变速器；中间轴；设计；传动比；齿轮AbstractAuto transmission is the main component of the transmission agent, its main effect is to transfer the torque from engine to the primary retarder, and in which process the torque is changed, is to expand the scope and speed to adapt different driving conditions by changing gear ratio. We set up the neutral position to interrupt the power transmission, set up the reverse position, so the vehicle can drive back. This paper elaborates on the transmission design of Light Truck CA1050, Which use the existing production as a design prototype. It have finished an independent design to meet the requirements of the three-axle five positioned transmission, in the condition of given engine output torque and rotate speed.,vehicle maximum speed and highest gradient. In the design, the major content is the choice and determine of every position ratio, the choice of gear parameters, the choice and the calculate of the intermediate axle and the output axle, the choice of bearings, basing on the known parameters.The main parameters of transmission have been checked, including the strength of geares, the transmission shafts strength and stiffness , bearing life. The results show that the whole performance meet the requirementKey words Transmission;Intermediate Axle; Design ;Gear ratio; Gear目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 概述11.2 国内外研究状况和发展方向1第2章 传动方案及零部件结构分析32.1 变速器的基本设计要求32.2 变速器传动机构布置方案3第3章 变速器主要参数的选择与计算83.1 挡数的选择83.2 传动比的确定83.3 中心距A的确定103.4 齿轮参数选择11第4章 齿轮与轴的设计计算214.1 齿轮设计与计算214.1.1齿轮材料的选择原则214.1.2各轴的转矩计算214.1.3齿轮强度计算224.2 轴的设计与计算284.2.3轴最小直径的确定304.2.4轴的强度计算314.3 轴承的选择与校核354.3.1一轴轴承的选择与校核354.3.2中间轴轴承的选择与校核37第5章 变速器同步器及操纵机构的选择395.1 同步器395.1.1同步器工作原理39结 论45-22-第1章 绪论 轻型货车主要从事城市市区或农村间中短途距离运输的交通工具，具有机动灵活、快捷方便的优势，特别是在运输吨位不大且距离又比较近时，轻型货车便发挥出巨大优势。近几年来随着我国城市规模的不断扩大，城市市区间越来越需要轻型货车。变速器是汽车传动系统中重要的组成部分，它直接影响汽车的动力性和燃油经济性，是汽车的重要部件之一。 本设计是依据现有生产企业在生产车型的变速器作为设计原型，在给定发动机输出转矩、转速及最高车速、最大爬坡度等条件下，自己独立设计出符合要求的中间轴式五档变速器。其中本设计的重点部分是档位传动比的选择及计算依据、齿轮参数的选择计算及校核、二轴及中间轴的强度校核等。 通过查阅图书馆电子资源和馆藏图书，了解变速器研究领域的最新发展动向；阅读关于变速器设计方面的书籍，学习变速器设计的过程、步骤、方法和经验教训，解决设计过程中遇到的自己不能解决的问题；去实验室动手拆装此类型的变速器，了解变速器的结构与工作原理进行变速器的设计和计算。此次轻型货车的变速器设计将基本满足轻型货车的使用要求，通过对变速器的分析、方案选择、设计计算和整理，能达到了预期的效果，完成此次毕业设计。毕业设计是对自己大学四年所学知识进行系统的综合运用，通过此次设计，了解了变速器设计的基本过程和在设计过程中应该注意的问题，学会了设计的过程和方法。第2章 传动方案及零部件结构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。变速器设有倒档，使汽车获得倒退行驶能力。变速器设有空档，可在发动机起动、汽车滑行或停车时使发动机的动力停止向驱动轮工作。2.1 变速器的基本设计要求变速器在汽车底盘中具有很重要的作用，它的好坏直接决定汽车的使用寿命和经济性，因此变速器的设计必须满足以下要求：（1）保证汽车有必要的动力性和经济性；（2）设置空档，用来切断发动机的动力传输；（3）设置倒档，使汽车能倒退行驶；（4）设置动力输出装置；（5）换档迅速、省力、方便；（6）工作可靠。变速器不得有跳档、乱档及换档冲击等现象发生；（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。第3章 变速器主要参数的选择与计算表3.1整车主要技术参数4000733075103337140100154046960120204753.1 挡数的选择 增加变速器的档数能够改善汽车的动力性和经济性。档数越多，变速器的结构越复杂，使轮廓尺寸和质量加大，而且在使用时换档频率也增高。 在最低档传动比不变的条件下，增加变速器的档数会使变速器相邻的低档与高档之间的传动比比值减小，使换档工作容易进行。 档数选择的要求： （1）相邻档位之间的传动比比值在1.8以下； （2）高档区相邻档位之间的传动比比值要比低档区相邻档位之间的比值小。 目前，轿车一般用45个档位变速器，货车变速器采用45个档或多档，多档变速器多用于重型货车和越野汽车。 传动比范围的确定与选定的发动机参数、汽车的最高车速和使用条件等因素有关。目前轿车的传动比范围在34之间，轻型货车在56之间，其它货车则更大。 文中设计结合实际，变速器选用5档变速器，最高档传动比为1。3.2 传动比的确定 各档传动比为等比分配 6 ，则： 3.3 中心距A的确定由于变速器为中间轴式变速器，初选中心距可根据以下的经验公式（3.5）计算7 。 （3.5） 式中： 变速器中心距（mm）； 中心距系数，商用车=8.6-9.6；发动机最大转距=300（N.m）； 变速器一档传动比为4.2； 变速器传动效率，取96%。将各参数代入式（3.4）得到：（8.69.6）10.7=92.02102.7mm货车的变速器中心距在92102.7mm范围内变化，初取A=96mm。表3.2 商用车变速器壳体的轴向尺寸四档（2.22.7）五档（2.73.0）六档（3.23.5） 为了减小变速器的尺寸，取外形尺寸初选为2.9=278.4mm。3.5 齿轮参数选择3.6 各挡齿轮齿数分配 在初选中心距、齿轮模数和螺旋角以后，可根据变速器的档数、传动比和传动方案来分配各档齿轮的齿数。变速器的传动及各部件如图3.2所示：图3.2 CA10501K26L4变速器传动示意图1一轴常啮合齿轮 2中间轴常啮合齿轮 3第二轴四挡齿轮 4中间轴四挡齿轮 5第二轴三挡齿轮 6中间轴三挡齿轮 7第二轴二挡齿轮 8中间轴二挡齿轮 9第二轴一挡齿轮 10中间轴一挡齿轮11第二轴倒挡齿轮 12中间轴倒挡齿轮 13惰轮1、最低档传动比计算 一档传动比为： 如果一档齿数确定了，则常啮合齿轮的传动比可求出，为了求一档的齿数，要先求其齿轮和，一档齿数和，直齿 斜齿 （3.9） 中间轴上小齿轮的最少齿数，还受中间轴轴向尺寸的限制，即受刚度的限制。在选定时，对轴上的尺寸及齿轮齿数要统一考虑。货车可在1217之间选取，本设计取=16，初选，代入公式（3.6）得到：取整得58，则。2、对中心距A进行修正因为计算齿数和后，经过取整使中心距有了变化，所以要根据取定的齿数和和齿轮变位系数重新计算中心距A，再以修正后的中心距作为各档齿轮齿数分配的依据。 （3.10） 将各已知条件代入式（3.10）得到：mm，取整为96mm。 3、常啮合齿轮传动齿轮副的齿数确定 （3.11）而常啮合齿轮的中心距与一档相等，即： （3.12） 已知各参数如下：代入式（3.12）得到：取整：， 4、二档齿数的确定 已知： 由式子： （3.13） （3.14） （3.15）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： （3.16）联解上述（3.13），（3.14），（3.15）三个方程式，可采用比较方便的试凑法。解得结果如下： ， 5、三档齿数的确定已知：由式子 （3.17） （3.18） （3.19）联解上式（3.17），（3.18），（3.19）三个方程式，可采用比较方便的试凑法，解得： 6、 四档齿数的确定已知：由式子 （3.20） （3.21） （3.22）联解上述（3.20），（3.21），（3.22）三个式子，可采用比较方便的试凑法，解得： 7、 倒档齿数的确定 初选 （22-23）之间，小于取为14， 中间轴与倒档轴之间的距离的确定：取整63mm。为保证倒挡齿轮在啮合不发生干涉，齿轮11和齿轮顶圆之间应保持有0.5mm以上的间隙。则齿轮11的齿顶圆直径De11为：De11=129.92mmZ11=35.12 取整为Z11=35二轴与倒档轴之间的距离确定：mm取整100mm。第4章 齿轮与轴的设计计算4.1 齿轮设计与计算 变速器齿轮的损坏形式主要有轮齿折断、齿面疲劳点蚀、移动换档齿轮端部破坏及齿面胶合等。为防止齿轮损坏需要对齿轮进行强度校核。 （1）一档齿轮弯曲强度校核 已知参数：Nm,Nm 查齿形系数图4.1得：；代入公式（4.2）得：MPaMPa对于货车当计算载荷取变速器第一轴最大转距时，其许用应力应该小于250Mpa，均小于250Mpa，所以满足设计要求。（2）常啮合齿轮、二档齿轮、三档齿轮、四档齿轮弯曲强度校核 常啮合齿轮、二档齿轮、三档齿轮、四档齿轮弯曲强度校核方法与一档齿轮相同其计算结果：（1） 一档齿轮接触应力校核 已知条件：，Nmm,NmmN,Nmm 将已知数据代入公式（4.4）得： ，均小于1900 MPa，所以满足设计要求。（2）常啮合齿轮、二档齿轮、三档齿轮、四档齿轮接触应力校核常啮合齿轮、二档齿轮、三档齿轮、四档齿轮接触应力校核的方法同上，校核计算结果见表4.3：表4.1各齿轮的接触应力常啮合齿轮二档齿轮三档齿轮四档齿轮接触应力（MPa）894.05894.051073.671072.13983.55999.785915.157922.77 各齿轮的接触应力均小于13001400 MPa，所以满足设计要求。4、直齿倒档齿轮接触应力校核已知条件：Nm将已知数据代入公式（4.4）得到：NNNMPaMPaMPa，均小于1900 MPa，所以满足设计要求。4.2 轴的设计与计算 变速器的轴是变速器传递扭距的主要部件，它的结构和强度直接影响变速器的使用寿命，变速器在工作时，由于齿轮上有圆周力、径向力和轴向力的作用，变速器的轴要承受转矩和弯矩。要求变速器的轴应该有足够强的刚度和强度。因为刚度不足轴会产生弯曲变形，结果破坏了齿轮的正确啮合，对齿轮的强度、耐磨性和工作噪声等均有不利影响。因此在设计变速器轴时，其刚度的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公式和已知条件先确定轴的直径，然后根据公式进行有关刚度和强度方面的验算。 4.2.2 初选轴的直径 在已知中间轴式变速器中心距A时，第二轴和中间轴中部直径d为0.45A，轴的最大直径d和支承间距离的比值：对中间轴，对第二轴，。第一轴花键部分直径d可按下式初选： （4.5）式中： K经验系数K=4.0-4.6；发动机最大转距（Nmm）。第二轴和中间轴中部直径=0.45mm的取值：中间轴长度初选：mmmm第二轴长度初选：mmmm第一轴长度初选：mmmmmmmm取160mm。取为35mm。 二轴取为45mm。 4.2.4轴的强度计算 1 轴的挠度验算 轴的挠度和转角可按材料力学的有关公式计算。计算时，仅计算齿轮所在位置处轴的挠度和转角。第一轴常啮合齿轮副，因距离支承点近，负荷又小，通常挠度不大，故可以不必计算。变速器齿轮在轴上的位置如图4-3所示时，若轴在垂直面内挠度为，在水平面内挠度为和转角为，可分别用下式计算： （4.8） （4.9） （4.10）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）；弹性模量（MPa），=2.1105 MPa；惯性矩（mm4），对于实心轴，；轴的直径（mm），花键处按平均直径计算；、为齿轮上的作用 力距支座A、B的距离（mm）；支座间的距离（mm）。轴的全挠度为轴在垂直面和水平面内挠度的允许值为=0.050.10mm，=0.100.15mm。齿轮所在平面的转角不应超过0.002rad。 1 变速器在一档工作时二轴和中间轴的刚度 第一轴轴上受力分析如图4.5所示。 N N N 中间轴轴上受力分析如图4.5所示。 NNNNNNNNN二轴轴刚度校核：将各已知参数代入公式（4.8）得到：N,mm,mm,mm,mm各已知参数代入公式（4.9），（4.10）得到：mmmmrad 所以变速器二轴在一档工作时满足刚度要求。 同理：变速器在一档时中间轴符合刚度要求 变速器二轴在二档工作时满足刚度要求。 变速器在二档时中间轴符合刚度要求。 变速器二轴在三档工作时满足刚度要求。 变速器在三档时中间轴符合刚度要求。 变速器二轴在四档工作时满足刚度要求。4.3 轴承的选择与校核 4.3.1一轴轴承的选择与校核 （1）初选轴承型号根据轴承处直径选择6208型号轴承，查得：KN，KN （2）计算轴承当量动载荷P 当变速器在一档工作时轴承受到的力分别为：N，N，N， 查机械原理与设计得到，查机械原理与设计得到，当量动载荷计算 （4.12）将各已知参数代入式（4.12）：在1.2到1.8之间取，取为1.3，轴承寿命计算公式为： （4.13）将个已知参数代入式（4.13）得到：h 所以所选轴承满足设计要求。 当变速器在四档工作时轴承受到的力分别为：N，N查机械原理与设计得到， ，查表机械原理与设计得到当量动载荷计算代入式（4.12）：在1.2到1.8之间取，取为1.3，将个已知参数代入式（4.13）得到： 对于汽车轴承寿命的要求是轿车30万公里，货车和大客车25万公里。本设计为货车，式子中，h。=606.08所以轴承符合要求。同理：中间轴右侧和二轴轴承同样满足使用要求。第5章 变速器同步器的选择5.1 同步器同步器是变速器换档机构的主要部件，能保证汽车稳定换档，防止齿轮的撞击损坏。同步器有常压式、惯性式和增力式三种。现在得到最广泛的是惯性式同步器。 5.1.1同步器工作原理 目前所有的同步器几乎都是摩擦同步器，它的工作原理是使工作表面产生摩擦力矩，以克服被啮合零件的惯性力矩，使之在最短的时间内达到同步状态。 同步器有常压式、惯性式和惯性增力式三种。常压式同步器结构虽然简单，但有不能保啮合件在同步状态下（即角速度相等）换档的缺点，现已不用。得到广泛应用的是惯性式同步器。 惯性式同步器能做到换档时，在两换档元件之间的角速度达到完全相等之前不允许换档，因而能很好地完成同步器的功能和实现对同步器的基本要求。 按结构分，惯性式同步器有锁销式、滑块式、锁环式、多片式和多锥式几种。虽然它们结构不同，但是它们都有摩擦元件、锁止元件和弹性元件。本设计考虑到所设计的为轻型货车选用锁环式同步器作为设计对象。1、锁环式同步器结构 如图5-1所示，锁环式同步器的结构特点是同步器的摩擦元件位于锁环4或7和齿轮1或9凸肩部分的锥形斜面上。作为锁止元件是在锁环4或7上的齿和做在啮合套10上齿的端部，且端部均为斜面称为锁止面。弹性元件是位于啮合套座两侧的弹簧圈。弹簧圈将置于啮合套座花键上中部呈凸起状的滑块压向啮合套。在不换档的中间位置，滑块凸起部分嵌入啮合套中部的内环槽中，使同步器用来换档的零件保持在中立位置上。滑块两端伸入锁环缺口内，而缺口的饿尺寸要比滑块宽一个接合齿。2、 锁环式同步器工作原理 换档时，沿轴向作用在啮合套上的换档力，推啮合套并带动滑块和锁环移动，直至锁环面与被接合齿轮上的锥面接触为止。之后，因作用在锥面上的法向力与两锥面之间存在速度差，致使在锥面上作用有摩擦力矩，它使锁环相对啮合套和滑块转过一个角度，并由滑块予以确定。接下来，啮合套的齿端与锁环齿端的锁止面接触（图5-2a），使啮合套的移动受阻，同步器处于锁止状态，换档的第一阶段工作至此已完成。换档力将锁环继续压靠在锥面上，并使摩擦力矩增大，与此同时在锁止面处作用有与之方向相反的拨环力矩。齿轮与锁环的角速度逐渐接近，在角速度相等的瞬间，同步过程结束，完成了换档过程的第二阶段工作。之后，摩擦力矩随之消失，而拨环力矩使锁环回位，两锁止面分开，同步器解除锁止状态，啮合套上的接合齿在换档力作用下通过锁环去与齿轮上的接合齿啮合（图5-2b），完成同步换档。 锁环式同步器有工作可靠、零件耐用等优点，但因结构布置上的限制，转矩容量不大，而且由于锁止面在锁环的接合齿上，会因齿端磨损而失效，因而主要用于乘用车和总质量不大的货车变速器中。4、7锁环 ；3、8接合齿圈；2滚针轴承； 6滑块 ； 5弹簧圈；1、9齿轮； 10啮合套座 ； 11啮合套图5.1 锁环式同步器结 论 轻型载货汽车是目前比较普遍的轻型商用车，具有动力性能好，燃油消耗相对较低等优点，在小吨位短途运输中得到广泛应用，本次设计的HD1050轻型商用车变速器就是依据现有生产企业在生产车型的变速器作为原型，在给定主要参数的基础上着重设计变速器的齿轮和轴。对齿轮的选择进行了详细的计算和推导，对齿轮校核的关键参数齿轮变位系数进行了精确的计算和推导，使用现有车型参数对变速器各档位的传动比和各档齿轮齿数进行了设计计算，在满足行驶车辆动力性