西华大学产品结构原理课程设计说明书.doc

课 程 设 计 说 明 书 课程设计说明书 课 程 名 称: 产品结构原理设计 课 程 代 码: 106089439 题 目: 微型汽车变速器反求分析 学院(直属系) : 机械工程学院 年级/专业/班: 学 生 姓 名: 学 号: 指 导 教 师: 杨昌明 开 题 时 间: 2016 年 11 月 27 日完 成 时 间: 2016年 12 月 23 日 目 录摘要3引言5一、任务分析6二、微型汽车整车性能参数6三、微型汽车变速箱功能分析731 分析变速箱在汽车中的功能732 微型汽车变速器的位置733 观察变速箱在微型汽车中怎样将发动机的动力和运动传递到车轮.734 怎样实现变速和保证变速的顺利进行的735 怎样实现变速和保证变速的顺利进行的736 利用黑箱（系统）分析方法画出功能结构图8四、微型汽车变速箱运动分析941 测量微型汽车车轮直径942 最高车速为120KM时变速箱的传动比943 四档的传动比的分配944 变速箱的最大和最小载状态945 行驶速度分别为10、20、40、60km/h时应该使用档位的分析9五、微型汽车变速箱受力分析10 5.1计算在受力最大时各轴的扭矩10 5.2计算各轴的最小直径10 5.3各档位齿轮强度校核106、 变速箱的拆装13七、微型汽车变速箱的外观功能分析14八、微型汽车变速箱结构原理方案反求分析168.1 微型汽车变速箱整体结构及布置方案168.2 微型汽车变速箱具体结构及布置方案反求16九、微型汽车变速箱关键零件反求分析.18 9.1齿轮零件的加工工艺.18 9.2 齿轮零件公差反求分析.18 9.3齿轮零件材料热处理反求分析.19 9.4变速轴零件的结构、功能原理的反求分析.199.5齿轮零件的受载分析.19 9.6齿轮零件的形状位置公差反求分析.19 十、 变速器总成装配.20总结.21 参考文献.22摘要 通过本次课程设计，运用反求工程的方法对微型汽车变速器进行分析设计，了解了它的总体布局、结构方案、自锁互锁和倒挡锁原理、装配工艺、轴的支撑方式，同步器的作用和工作原理以及组成、重要零部件的形位公差等。本次设计的主要内容有：变速箱的功能分析、运动分析、受力分析、外观功能分析、变速箱的拆装、微型汽车变速箱具体结构及布置方案反求、微型汽车变速箱从动轴总成反求分析。通过拆装变速器了解并编写操纵的装配工艺过程，确定各零件的装配方法；通过观察变速箱的结构形状，分析其从提高刚度和刚性要求并满足功能要求和工艺要求而设计的结构；对变速箱各轴的结构形状、结构要素作用进行分析，并对其结构尺寸与轴的功能强度刚度装配关系等进行了反求；分析变速箱的主要零件材料、形位公差及箱体和轴的技术要求等。关键词：结构分析、反求设计、变速箱 Abstract By this course design，using the method of reverse engineering analysis and design of mini car transmission, to understand the overall layout, the structure scheme, self-locking interlock and reverse gear lock principle, assembly process, shaft, synchronizer function and working principle and composition, the important parts of the form tolerance. The main content of this design includes the transmission function analysis, motion analysis, stress analysis, function analysis, the appearance of gearbox mini car gearbox concrete structure and layout scheme in reverse, mini car gearbox output shaft assembly reverse analysis. Through disassembling transmission to understand and write assembly process control, determine the method of assembly parts; by the structure to observe the shape of the gearbox structure analysis of the increased stiffness and rigidity requirements and meet the functional requirements and technical requirements of the design; the gearbox structure shape, the structural elements of the axis of the function and intensity on the structure size and the stiffness of the shaft assembly relationship of reverse analysis; gearbox main parts materials, technical requirements and form position tolerance box and shaft etc.Key word：structural analysis、Reverse design、Transmission case引言反求工程是针对消化吸收先进技术的一系列工作方法和技术的综合工程，通过反求工程,在掌握先进技术中创新，是机械创新设计的重要途径之一。在现代社会中，科技成果的应用已成为推动生产力发展的重要手段，把别的国家的科技成果加以引进，消化吸收，改进提高，再进行创新设计，进而发展自己的新技术，是发展民族经济的接近。发展国民经济，特别是世界进入知识经济的时代，主要一来高新科学技术。我国现在实行对外改革开放，对内搞活的经济政策以前，过分的强调了独立自主，自力更生地经济之路，对外交流很少，这极大的影响了我国科学技术的发展，在实行改革开放政策以后，我国重视了技术引进工作，但存在着重应用，轻分析的倾向，随着科学技术的飞速发展，广大科学技术人员认识到了在引进技术的基础上创新设计的重要性。反求工程开始得到重视。在对引进技术的应用分析研究的基础上，创新设计出许多适合中国国情的新产品，促进了我国民族经济的发展。因此，学习反求设计和进行此次反求设计的课程设计对于我们更为重要，我们要抓住此次机会好好训练，才能在以后的工作中有所贡献。一、任务分析 本次课程设计的目的在于进一步加强学生应用所学的专业理论、知识以及专业技能，进行独立解决工程实际问题的能力。机械产品功能原理、机构课程设计的重点在于掌握典型机械的功能原理分析方法及分析机械机构的组成要素和机构功能，掌握结构设计要求及特点，丰富学生的机械结构设计知识，启发设计思维，通过实践是学生的机构设计理论得以巩固、加深，为今后进行机械产品设计打下良好基础。二 微型汽车整车性能参数21 微型汽车变速器所配置的发动机参数1、型 号 JL368Q3电喷发动机2、工作形式 直立四冲程水冷顶置凸轮轴多点电喷3、气缸数量 34、气缸直径 68.5 mm5、行 程 72 mm6、排 量 796 ml7、额定功率 26.5 KW（5500r/min）8、最大扭矩 60.5 N.m（3000-4000r/min）22 微型汽车整车性能参数1、最高车速 120km2、最大爬坡度 tg30%3、起步换挡加速到100km/h所需时间 37s4、第四档最小稳定速度 25km/h5、微型汽车在60km/h时100km的耗油量为4.5L6、整车质量645kg 全部载重后质量为950kg左右。 三 微型汽车变速箱功能分析3.1 分析变速箱在汽车中的功能主要功能：（1）改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利的工况下工作。（2）在发动机旋转方向不变的情况下是汽车能够倒退行驶。（3）利用空档中断动力传输以便发动机能够正常启动，怠速并便于进行动力输出。3.2观察变速箱在微型汽车中的位置 变速器一般都是通过离合器和发动机相连的，输出接差速器。3.3观察变速箱在微型汽车中怎样将发动机的动力和运动传递到车轮 发动机的曲轴输出功率到变速器输入轴上，通过变速器改变驱动力矩和转速再传递差速器，受力不同的时候两个车轮所获得不同的速度，再通过差速器把动力通过半轴把力传递到驱动车轮上。3.4怎样实现变速和保证变速的顺利进行的变速器的中间轴上有二个同步器，而每个同步器都与变速器输出轴连在一起，并且可以左右滑动。每个同步器共有左、中、右三个位置，中间不与任何齿轮同步，而左右都可以和齿轮同步，通过拨叉拨动来控制同步器的左右运动，与不同的齿轮同步，而四结齿轮处于常啮全状态，但可以相对于轴转动，一旦与同步器同步就可带动轴转动，从而通过拨叉控制同步器与不同的齿轮啮合，实现变速。而拨叉机构具有自锁与互锁功能，每次变速换档都会经过中间位置，即空档，这样就保证了变速的顺利进行。3.5怎样实现各个档位的换挡的 变速器的换档操纵机构实现档位的转换，其中变速器内部一共有三根控制换档杆，其中每一根杆都有左、中、右三个位置可供控制，可实现六个档位控制。换档是通过换档杆实现的，换档杆纵向有三个位置，旋转有两个位置，从而实现六个位置的控制。但是任何档位之间要切换时都必须先回到中间位置，即空档位置。而且每个档位之间都具有自锁和互锁功能，从而实现不跳档和脱档的现象。变速箱的控制操纵方式如下图：倒档3档1档2档4档 图3-1 变档操纵图 3.6利用黑箱（系统）分析方法画出功能结构图 变速箱转矩、转速不同的转矩、转速档位操作噪音、热图3-2 黑箱图主轴变速机构档杆转动换挡噪音热I档转速II档转速III档转速IV档转速倒档转速摘 要 图3-3 结构功能图 四 微型汽车变速箱运动分析41 测量微型汽车车轮直径 经测量微型汽车的车轮直径为D=420mm42 计算最高车速为120KM时变速箱需要的传动比 由车轮的线速度公式可以求出总的传动比，则有： V=120Km/h=33.33m/s ; n3=n1/i总 4-1 i总=Dn最/60v=3.9 4-2 43 四档的传动比的分配首先应该保证汽车在全部载重后能够平稳的起步，然后是汽车在高速行驶的时候能够达到需要的最高速度。发动机的功率一定、转速一定的情况下只有通过减速器的减速作用来实现汽车的平稳行驶，根据资料查的各个档位的传动比分配如下表： 表4-1 档位传动比分配图 一档二档三档四档3.5852.1661.330.9 4.4什么条件时变速箱的载荷最大和最小发动机的功率是一定的，当载荷最大的时候其扭矩也最大，速度最低;当载荷最小的时候其速度最高，其扭矩也最小，对应的是高档位。 45 行驶速度分别为10、20、40、60km/h时应该使用档位的分析变速箱主减速器的传动比为i：i=3.9根据速度计算公式可以计算出在额定功率下各个档位所能够达到的最大速度。则有：V1=Dn/(60i输入i1） 4-3=3.14*0.42*5500/60*3.9*3.585)=8.6m/s=31Km/hV2=51.5Km/h; V3=84Km/h; V4=123.7Km/h;再通过最大速度与所要求的速度进行比较，由于汽车的第四档稳定速。以汽车在行驶的过程中能够省油为标准选取合适的档位行使，则最后选定： 10km/h用1档，20km/h用2档，40km/h用3档，60km/s用4档。五 微型汽车变速箱受力分析5.1计算在受力最大时各轴的扭矩 发动机最大的扭矩是60.5N.m，而发动机直接和变速箱输入轴相连，因此输入轴的最大扭矩是60.5N.m=T1第二轴的扭矩T2=T13.585=60.53.585216.89N.m 5-1第三轴即输出轴的扭矩T3=T23.9216.893.9845.87N.m 5-25.2计算各轴的最小直径 额定功率其扭矩为：T1=60.5N.mT额=P额*30/(* n额） 5-3=26.5*30*1000/(3.14*5500)=46N.m60.5N.m 在最大扭矩时还没有达到额定功率，因此以最大扭矩的功率来计算最小直径。 P1=T1*W1=19KwP额所以计算轴最小直径用公式：d=A3(P/n) 取A=112 5-4 d1=21.2mm; d2=32.4mm; d3=52.6mm.5.3各档位齿轮强度校核 我们主要校核从动轴的四档齿轮强度，校核其弯曲疲劳强度。齿轮材料为20CrMoTi,其热处理为渗碳淬火加低温回火，HRC=56-62。 5-5 5-6各齿轮参数如下表： 表5-1齿轮参数表I档II档III档IV档齿数Z43393227螺旋角28933288法面模数218齿宽b12121211重合度1.581.481.481.5K2.97524241252571.6761.6651.6351.600.800.720.720.723134294724182040传动比3.5852.1661.330.92332181898941815669565 所以，各档齿轮的弯曲疲劳强度为：齿面接触疲劳强度为：可见，齿轮的强度满足要求。 六 变速箱的拆装变速箱的拆装过程具体如拆装工艺过程分析记录表所示：拆分工艺过程分析记录序号名称内容零件编号操作方法所用工具注意事项1离合轴承取出离合轴承用尖嘴钳拆尖嘴钳保管好零件2离合器操纵杆用手直接拆卸注意保管好操纵杆上的弹簧3端盖螺钉用十字螺丝刀拆十字螺丝刀4轴承前端盖拆卸顺序，避免变形5端盖螺栓M121、16、6、10工具拆松，手工拆卸12号扳手对称松动6端盖螺栓M1213、5、4、8、18、1712号扳手对称松动7端盖螺栓M1214、15、9、2、712号扳手对称松动8端盖螺栓M122、11、3、1212号扳手对称松动9移下上端盖用一字螺丝刀撬变速器上下端的启盖部位，撬松后再取下一字螺丝刀先撬松端盖，再取下10拆除减震支撑手工拆装扳手保管好零件11拆下主动轴手工拆装不要碰伤轴12拆除自锁定位螺钉手工拆装螺丝刀保管好零件13取出弹簧和钢珠手工拆装避免钢珠掉落14拆除从动轴小心的从下端盖取出手工拆装避免从动轴掉落15拆除差速器速器手工拆装保管好零件16记录用相机拍下拆装过程过程完整17分工分组拆卸零件对零件进行测量千分尺、游标卡尺、扳手测量准确 七、微型汽车变速箱的外观功能分析 图7-1 外观图1.从动轴端盖或者说叫做油封：其密封的作用。2.自锁螺钉：用于换挡时的自锁。当换到一个档位的时候自锁装置上的小钢球就卡到换挡杆上的小圆坑将其锁住，防止跳档的出现。3.观察孔：用于观察变速器内部情况。4.离合器分离轴承：用来断开和连接发动机与变速箱之间的运动，是关键零件。 图7-2 外观图5.离合器操纵手柄：方便分离离合器轴承。6.浮动悬挂连接装置：变速箱，发动机工作的时候会产生振动，而悬挂连接有浮动的空间，可以有效的缓解带来的振动。7.圆柱小凸台：没有功能作用，是铸造加工所产生的。8.9.放油孔：方便更换润滑油所设定的孔。10.排气孔（排粉尘）：位于飞轮壳的下方，离合器摩擦片工作的时候会产生粉尘，同时也起到排气的作用。 图7-3 外观图12.启动马达安装孔：用来安装启动马达，此孔加工精度很高，大小由马达决定，马达通过齿轮啮合来启动发动机，和发动机曲轴有垂直度和距离的要求。13.观察孔：用来观察和调整发动机点火时间。14.加强筋：在箱体薄弱的地方设置加强筋提高刚度。16.安装吊孔：箱盖吊装时所用。17.通气孔：变速器内部全部是封闭结构，工作的时候会发热膨胀影响密封性，为防止此现象的产生采用通气孔加长软管的方式解决，软管一直接到发动机的进气孔，最后将气体送到油缸进行燃烧。18.测速装置：位于箱尾，用来记录发动机转速行驶距离等信息。19.油标空：用来观察润滑油也可以用来加油。20.用来束缚通气软管。21.起盖孔：方便开启变速箱箱盖。22.工艺孔：加工时定位用。八、微型汽车变速箱结构原理方案反求分析 8.1微型汽车变速箱整体结构及布置方案 变速箱在汽车中的位置：一般安装于发动机和驱动桥之前。 三轴式变速器的结构方案：第一轴与齿轮做成一体，其前端轴承支承在发动机内腔的轴承上，轴颈根据其与壳体之间轴承内径而定，长度根据离合器总成轴向尺寸来定。轴与壳体之间轴承的外径最好大于第一轴常啮合齿轮的外径，以便于装拆第一轴。第二轴前端通过轴承安装在第一轴的常啮合齿轮内腔，其轴径受齿轮径向尺寸限制。安装同步器齿毂的花键多采用渐开线花键，其定位性能好，承载能力大，花键齿短，其小径相应增大，可一提高轴的刚度。此轴上各档齿轮与轴之间有相对旋转运动，因此，轴的表面加工精度要求很高。一般情况下，轴上开螺旋油槽，以保证充分润滑。第二轴制成阶梯轴，便于安装齿轮。从受力和合理利用材料来看，这也是需要的。各截面尺寸要避免相差悬殊。轴上供磨削用的砂轮越程槽产生应力集中，易造成轴的折断。轻型汽车变速器各档齿轮常用弹性挡圈轴向定位，简单，但拆装不方便。8.2 微型汽车变速箱具体结构及布置方案反求同步器工作过程与原理：当离合器接合时，发动机转矩作用在变速器输入轴（第一轴）上，第一轴伸入变速器箱内，由一大型球轴承支承并有一个与第一轴一体的齿轮。输出轴（第二轴）轴前端插入第一轴轴端孔中，但可独立旋转。第二轴由第一轴端孔中轴承和变速箱后部一轴承支承。各种速度的齿轮在第二轴上旋转，第一轴和第二轴组件的下部或侧面固定一中间轴，其上装有几种尺寸的齿轮，这些齿轮除了一个齿轮外，均与第二轴上齿轮保持常啮合，还有一个齿轮与第一齿轮保持常啮合。当驾驶员选定一齿轮，该齿轮被锁定或连与第二轴，则出现齿轮换档。这是通过一个将齿轮与轴相连的接合套的运动来实现的，仅当齿轮和轴以同速旋转时，换档才可能很平稳无噪音，这就是同步器的主要功能。滑块式同步器由花键毂，接合套，锁环（同步环）和滑块或弹簧-钢球定位装置而组成。 图8-1 工作原理图 图8-2 同步器滑块式惯性同步器工作原理：当接合套刚从二档退到空挡时，齿轮和接合套都在其本身及所联系的一系列运动件的惯性作用下，继续沿原方向旋转，此时，锁环在轴向是自由的，故其内锥面与齿轮外齿锥面并不接触，其锁止作用是齿轮的惯性力矩造成的。8.2.2 锁止装置(1)互锁装置： 图8-3 互锁图互锁装置是保证移动某一变速拨叉轴时，其他变速拨叉轴被锁住。互锁装置的结构主要有以下几种：1.互锁销式2.摆动锁块式3.转动钳口式4.三向锁销式(2)自锁装置： 图8-4 自锁图图十自锁装置的作用是防止因汽车振动或有小的轴向力作用而导致脱档，保证啮合齿轮在全齿长上进行啮合，并使驾驶员有换入档位的感觉。自锁作用通常是由刚球和弹簧组成的自锁装置来保证的，自锁装置可以装在变速器盖内，也可以装在变速叉内。(3) 倒档锁：在汽车行驶过程中，为了防止误挂倒档而造成安全事故和损坏传动系，在操纵机构中而设置的。九、微型汽车变速箱关键零件三档齿轮反求分析9.1三档齿轮零件的加工工艺反求分析 工序号工序名称机床名称1粗车大齿CA61402精车大齿CA61403滚大齿滚齿机4磨大齿砂轮磨床5粗车小齿CA61406精车小齿CA61407插小齿插齿机8粗车齿轮内孔CA61409半精车齿轮内孔CA614010磨削齿轮内孔砂轮磨削9.2 变速变速三档齿轮零件公差反求分析实测尺寸不等于原设计尺寸，需要从实测尺寸推论出原设计尺寸。假设所测的零件尺寸均为合格，实测值一定是图样上规定的公差范围内一数值，即实测值=基本尺寸 制造误差 测量误差 采用基孔制： 孔公差（IT7级） 采用基轴制： 轴公差（IT7级） 在选择孔和轴结构的形位公差时，首先保证其形位公差值应该小于其尺寸公差，选择形位公差时要考虑其加工方法，采用基孔制，7级精度H7。9.3变速齿轮三档零件材料热处理反求分析 机械零件的材料选择与热处理方法直接影响到零件的强度，刚度，周，寿命，可靠性等指标，材料的选择是机械设计中的重要问题。 材料的成分分析：对材料的整体，局部，表面进行定性分析或定量分析时，可通过以下手段：火花鉴别法，音质判别法，原子发射光谱分析法，化学成分分析法，微探针分析法。材料的组织结构分析：可以用放大镜观察材料的晶体大小，淬火硬层的分布，缩孔的缺陷等情况。通过对材料的分析，结合我国国产材料的具体性能，选择合适的代用品。所以选择20CrMnTi作为齿轮的材料，并且进行渗碳处理，其深度达到0.8mm，调质处理后的硬度达到55HRC以上才能保证其工作要求。 9.4 三档齿轮零件的结构、功能原理的反求分析 齿轮的刚度不足，会产生过大的变形，影响齿轮的正常啮合，产生过大的噪音，并会降低齿轮的使用寿命。齿轮尽管由于它们在机器中的功用不同而设计成不同的形状和尺寸，但总可以分为齿圈和轮体两个部分。9.5三档齿轮零件的受载反的求分析 齿轮好像一个悬臂梁，受载以后齿根处产生的弯曲应力最大，在加上齿根处过渡部分的尺寸发生了急剧变化，以及沿齿宽方向留下的加工痕迹等引起的应力集中作用，当轮齿重复受载后，齿根处就是产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使齿轮折断。9.6三档齿轮零件的形状位置公差反求分析 一般地，采用独立原则时，同一要素上的形状公差值应小于位置公差值，而行为公差与尺寸公差无关，相互独立。采用最大实体原则时，同一要素上的形状公差值小于位置公差值，而行为公差可以从尺寸公差中得到补偿，此时被测要素被控制在实效边界内。十、变速器总成装配（1）应清洗所有的零件，所有滑动配合表面应涂齿轮油。（2）在将各零件装配在输出轴时，应注意各垫圈，齿轮，同步器毂和同步器套在安装方向和位置。（3）当在输出轴上装低速档和高速档同步器毂时，各毂长凸台部位的安装方向要正确。（4）装低速同步器套时，应同步器套外表面的槽朝低速齿轮侧；装高速同步器套时应使外表面槽朝离合器。（5）装二档和三档齿轮套时，应检查中间轴 油孔与二档，三档齿轮套油槽是否对准。（6）装同步器套弹簧时不得使弹簧变形或损伤。装弹簧时，应将弹簧的一端插入同步器毂的弹簧固定孔内，并使两弹簧相对，以使载荷均匀的施加在同步器滑块上。( 7) 安装同步器环时注意所用的同步器环的类型，不要错装；同步器环应安装到位。(8) 在低速档同步器环