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车辆与动力工程学院毕业设计说明书PAGEPAGE1前言本次设计的课题是橡胶履带车辆液压机械差速转向装置变速箱总成的设计,当履带车辆转向和行走时不仅要求能够转向工作效率高和转向半径小,还需要输出不同的速度以满足不同情况的需要,这部分工作是通过变速器来完成的。变速器各挡速比与车辆的理论速度成反比,因此,变速箱速比范围的大小,排挡数目以及各挡分配是否合理是评价变速箱性能的重要经济指标,根据任务书上所列的履带车辆的主要作业速度范围,在设计拖拉机变速箱时应该力求在每种作业的速度范围内排列较多的挡次,以求拖拉机能够高效率高质量地完成各种作业。在设计变速器时应该克服以下不足:(1)受结构限制,设计的变速箱难以实现较大的速比范围,致使拖拉机的工作速度区段较窄。(2)由于发动机转速是2300r/min,所以齿轮工作时的啮合线速度以及固定在第二轴上的各挡被动齿轮的齿顶圆线速度要大幅度提高,造成变速箱噪音大,油温偏高。(3)由于采用滑动齿轮换挡,变速箱只能够采用直齿圆柱齿轮换挡,这限制了齿轮传动啮合质量进一步提高的可能性。所以我以为应该为履带式车辆设计一套新的变速箱方案。第一章结构设计§ 1.1概述§1.1.1从传动箱获得的动力一部分通过最终传动装置,传到驱动轮,另一部分传给旋耕机。在发动机转速不变的情况下,可以改变拖拉机行驶速度及旋耕速度。能够适应不同作业的需要。在发动机曲轴旋转方向不变的的情况下,能使拖拉机前进,后退,增加拖拉机的机动性与灵活性。发动机继续工作,拖拉机可以停止行驶,以利于暂时停车及做固定作业。§1.1.2应有较多的变速挡以满足各种作业的要求。传动效率高,结构要紧凑。工作要可靠,要有足够的强度,刚度及耐磨性。不会自动脱档或自动挂档,不乱档。挂上倒挡及快挡时就不挂其他挡。挂上倒档及快档时,就不能挂犁刀变速档。不能同时挂两个档。换档轻便。§1.1.3变速箱完成变速,前进,倒退,停车等动作,主要是利用齿轮传动的基本规律,由一系列齿轮来完成。1、转速和齿数的关系手摇卷扬机,主动齿轮的齿数为15齿,被动齿轮的齿数为45齿,当主动齿轮转3圈时,被动齿轮转一圈。由此可以看出:n1/n2=z2/z1=r2/r1=I,其中n1,z1,r1分别表示主动齿轮的转速,齿数和半径;n2,z2,r2分别表示被动齿轮的转速,齿数和半径;I表示齿轮的传动比。从公式可以看到:两个齿轮转速的比等于它们齿数的反比。就是说被动齿轮齿数越多,转速越低。2、转速和扭矩的关系主动齿轮和被动齿轮相互作用,它们的作用力用p表示,则主动齿轮的扭矩m1=p1r1,而作用到被动齿轮的扭矩m2=p2r2。由于作用力和反作用力大小相等,即p1=p2。所以,n1/n2=r2/r1=m2/m1从公式可以看到:被动齿轮转速降低,它的扭矩就增大。也就是说可以通过降低被动齿轮的转速,增大牵引力。3、旋转的方向如果在两个齿轮中间再加一只中间齿轮,则主动齿轮与被动齿轮的旋方向相同,而传动比与扭矩的变化规律不因为增加中间齿轮而发生变化。上面介绍的是齿轮传动的基本规律。实际拖拉机传动速比变化比较大,发动机转速是2300转/分,而驱动轮每分钟只转几十转。考虑到结构的紧凑,每对齿轮传动比不宜过大,必须用一系列的齿轮严密搭配起来才能够完成。§1.2变速器布置方案的分析一、变速器传动机构的结构和形式选择有极变速器与无极变速器相比,其结构简单,造价低廉,具有较高的传动效率,因此在各种拖拉机上均得到了广泛的运用。在选定发动机的情况下,变速器挡位数目的增多可以提高发动机的功率,提高拖拉机的燃油经济性及平均车速,从而可以提高拖拉机的工作效率,降低成本。但挡位的增多也使变速器的尺寸及质量增大,结构复杂,制造成本提高,操纵也复杂。当采用手动的机械式操纵机构时要迅速,无声换挡,对于6个前进挡的变速器来说是困难的。所以本次设计来改造6+2挡变速器。三轴变速器与四轴式相比,结构简单,紧凑且传动效率高,噪声低等优点。但由于结构限制,本次设计只能够按四轴进行改造。四轴式变速器的动力由第一轴输入,由第二轴输出,其中第一轴,第四轴是六个前进挡的轴,中间轴上是两个倒挡的轴,这样布置,变速器的齿轮和轴承不承载,变速器的传动效率高,噪声低,齿轮和轴承的磨损少。本次设计的变速器齿轮都是啮合套直接啮合方式啮合的齿轮传动,前进挡四挡和六挡,倒挡的一,二挡的动力需要通过一轴,中间轴和四轴的两对齿轮传递给二轴然后输出。这样齿轮传动啮合质量进一步提高。图1-1变速器方案传动图二、变速器零部件结构分析与形式选择(1)齿轮形式直齿圆柱齿轮工作时没有轴向力且加工简单,运转平稳,噪音低,寿命长等优点得到广泛采用,其啮合时齿数均匀,转动惯量也比较均匀。(2)轴的结构与分析变速器轴在工作时承受转矩,轴的明显变形将影响齿轮的正常啮合,产生较大的噪声,降低使用寿命。轴的形状除应保证其强度与刚度外,还应该考虑到轴的加工工艺。第一二四轴和中间轴都做成渐开线形花键轴,齿侧之间为动配合。(3)轴承形式变速器多采用滚动轴承,即使深沟球轴承,和圆柱滚子轴承,根据变速器的结构选定,再验算其寿命。本次设计都采用深沟球轴承。(4)换挡机构的结构形式与分析换挡机构的结构形式有同步器,啮合套和直齿滑动齿轮等三种同步器虽然结构复杂,制造成本高,精度要求严,轴向尺寸大。但可以保证挂挡平顺,使操作简化,减轻驾驶员的劳动强度。啮合套结构简单,制造容易,维修方便,换党行程较短,且由于同时承受冲击载荷的结合齿数较多,故冲击和磨损较轻,噪声低,而齿轮又不参与换挡,因此它不会过早产生损坏。变速器因结合齿端磨损,轴的刚度不足及振动等原因在工作中自动脱档。为防止变速器自动脱档,在结构上可采取如下的措施:(1)结合位置时,使结合套的两端超过被结合痴端部约2—3mm,即越程结合;或使两结合齿的结合位置错开2—3mm,即错位结合。(2)将挂挡后处于结合的啮合套座的那个齿圈的受力齿侧切去0.2—0.3mm的厚度,这样如发生脱档时则会被另一齿圈的端面挡住,从而制止自动脱档。(3)将结合齿的工作面加工成斜面,形成倾斜角1.5--2°倒锥齿侧,使结合面产生阻力,能有效阻止自动脱档,或将结合齿的齿侧加工成台阶形状以防止自动脱档。§1.3操纵机构的确定变速器的操纵机构有变速杆,拨叉轴,自锁与互锁装置,倒挡安全装置等组合于变速器盖上。应结构简单,操纵安全,挡位清晰,变速器杆的换挡位置合理,挂挡准确,迅速,安全可靠。按动作原理,变速器操纵机构除采用机械式外还有液压式,气动式,电控式以及它们之间的组合;按变速器的位置机械式的又分为直接操纵与远程操纵。本次设计采取机械式直接操纵。第二章变速器基本参数设已知所设计的变速器的参数如下:拖拉机质量:m=73500kg最小转弯半径:r=0.346m变速器总传动比:I总=21.315前进挡速度范围:v=3.85-13倒档速度范围:v=2.5-6发动机额定转速:N=2300§2.1传动比的确定(3-1)i===22.8923i==1.074i===77.737i==3.647各挡传动比分配如下:表3-1各挡传动比档位分类一挡二挡三挡四挡五挡六挡倒一倒二常啮合一常啮合二传动比I3.6472.3892.0504.3811.4822.4163.5622.4212.1182.251§2.2扭矩的确定Ft=F×Q=mg×Q(3-2)∴Ft=7.5×9.8×1000×1.0=735100(其中Q=1.0)T===1200NM(其中yt=0.98)§2.3变速箱主要参数的确定§2.3.1A=K(3-3)式中:K中心距系数k=14—16取k=14.823T变速箱输出轴计算转矩A=K×=14.823×10.625=157.5mm§2.3.2M=(0.4—0.6)(3-4)取M=5§2.4确定各档齿轮的齿数已知一挡齿轮齿数计算按如下公式进行:齿数和:∑Z==Z12+Z11(3-5)传动比:I=Z/Z(3-6)中心距:A=157.5mm模数:M=4传动比:I=3.64计算得:Z=16.946Z=61.8取Z=62Z=17其余各挡按此公式计算得到数据如下:表2-2各挡齿轮参数分类档位模数m主动齿轮齿数从动齿轮齿数一挡41762二挡51843三档52041四挡51937五档52537六挡52927倒一挡52237倒二挡52832第一对常啮合齿轮53617第二对常啮合齿轮53616§2.5各档齿轮的变位标准中心距a= (3-7)实际中心距(3-8)变位系数和(3-9)中心距变动系数y=(3-10)齿顶高变动系数k=(3-11)啮合角(3-12)齿顶高(3-13)齿根高(3-14)顶圆直径(3-15)根圆直径(3-16)分度圆直径(3-17)§2.5.1已知:a’=157.5,a=158,r=20`,acosr’=acosr得到r`=19.491`Invr`=tanr`-r`=0.01394Invr=tanr-r=0.0150Invr`=2(X+X)×tanr/(Z+Z)+invr∴X+X=(invr`-invr)×(Z+Z)/2tanr=-0.115查文献4中第994页:选X=0.105X=-0.22∴y=(a`-a)/m=-0125k=X+X-y=0.01分度圆:d=mZ=68d=mZ=248齿顶圆:da=d+2ha=m(Z+2ha*+2X-2k)=76.76da=d+2ha=m(Z+2ha*+2X-2k)=254.16齿根圆:df=d-2hf=m(Z-2ha*-2C*+2X)=58.84df=d-2hf=m(Z-2ha*-2C*+2X2)=236.24§2.5.2以下还有二挡,三挡,四挡,五挡,倒一挡齿轮和两对常啮合齿轮均需要变位,方法如上。其余各挡不需要变位,直接计算即可。最后所得数据如下:表2-3各齿轮参数分类档位分度圆直径d0齿根圆直径df齿顶圆直径da一挡d1=68df1=58.84da1=79.96d2=248df2=236.2da2=254.36二挡d1=90df1=86.52da1=103.9d2=215df2=208.6da2=229.45三档d1=100df1=96.55da1=113.95d2=205df2=198.6da2=219.41四挡d1=185df1=172.5da1=195d2=95df2=82.5da2=105五挡d1=125df1=115.92da1=138d2=185df2=174.5da2=196.58六挡d1=135df1=122.5da1=145d2=145df2=132.5da2=155倒一挡d1=110df1=100.8da1=123d2=185df2=174.5da2=196.05倒二挡d1=140df1=127.5da1=150d2=160df2=147.5da2=170第一对常啮合齿轮d1=85df1=74.41da1=95.58d2=180df2=166.9da2=188.16第二对常啮合齿轮d1=80df1=68.09da1=90.59d2=180df2=166.91da2=188.16第三章轴的校核§3.1一档传动轴(输入轴)的校核一.轴的受力分析:(1)齿轮上的作用力:转矩:=T总/i圆周力:=2000/径向力:=×tan20°(2)受力简图:337mm337mm34mmmFv1Fv2FrFt图3-1受力简图=1\*GB3①齿轮上作用力的大小:转矩:=T总/I=1200/3.64=329.67N·M圆周力:=2000/=2000×329.67/68=9696.176N径向力:=×tan20°=9696.176×tan20=3529.11945N=2\*GB3②求轴承的支反力:337mm34mmmFv1Fv2337mm34mmmFv1Fv2水平面:=×/L=9696.176×337/371=8807.57N=×L2/L=9696.176×34/371=888.59N337mm337mm34mmmFh1Fh2图3-3垂直面受力图垂直面:=L2/L=3529.12×34/371=323.423N=L1/L=3529.12×337/371=3205.69N=3\*GB3③画弯矩图:337mm337mm34mmm`299.45NM108.99NM318.67NM329.67NM375.06NM图3-4水平弯矩图,垂直面弯矩图,合成弯矩图和转矩图=4\*GB3④画计算转矩图:=[-b]/[0b]=0.6Mc==375.06N·M=5\*GB3⑤按弯扭合成应力校核轴的强度 =Mc/W=Mc/0.1(d)=375.06×1000/0.1×(46)=38.53Mpa〈[]=60Mpa所以强度足够§3.2一档传动轴(输出轴)的校核1、轴的受力分析:(1)齿轮上的作用力:转矩:=T总/i圆周力:=2000/径向力:=×tan20°(2)受力简图:332mm39mmmFv1Fv2332mm39mmmFv1Fv2Fr=1\*GB3①齿轮上作用力的大小:转矩:=T总/I=1200/3.64=329.67N·M圆周力:=2000/248=2000×329.67/248=2658.63N径向力:=×tan20°=2658.63×tan20°=967.66N=2\*GB3②求轴承的支反力:332mm39mmmFv1Fv2332mm39mmmFv1Fv2水平面:=×L1/L=2658.63×332/371=2379.15N=×L2/L=2658.63×39/371=279.47N332mm39mmmFh1Fh2332mm39mmmFh1Fh2垂直面:=L2/L=967.66×39/371=101.72N=L1/L=967.66×332/371=865.93N=3\*GB3③画弯矩图:图3-8水平面弯矩图,垂直面弯矩图,合成弯矩图和转矩图332mm图3-8水平面弯矩图,垂直面弯矩图,合成弯矩图和转矩图332mm394mmm`92.78NM33.77NM98.73NM329.67NM221.07NM=4\*GB3④画计算转矩图: =[]/[]=0.6Mc==221.07N·M=5\*GB3⑤按弯扭合成应力校核轴的强度=/W=/0.1(d)=221.07×1000/0.1×(56)=12.585Mpa〈[]=60Mpa第四章轴承寿命的计算§4.1输入轴轴承寿命的计算由前面计算已知:(选用轴承型号为深沟球轴承6408,d=40,D=110,b=27,Cr=65.5kN)Fv1=888.59N,Fv2=8807.57N,Fh1=323.423N,Fh2=3205.69NFR1==945.618N,FR2==9372.819N∵p1=FR1,p2=FR2又∵FR1〈FR2∴P=fp×FR2选fp=1.3∴p=1.3×9372.819=12184.66N∴轴承的寿命计算为:(其中ft=1Cr=65.5kN)Lh=(10)×(c×ft/P)/60×2300=2565.679h所以符合要求。§4.2倒档轴轴承寿命的计算选用轴承型号为深沟球轴承6408,d=40,D=110,b=27,Cr=65.5kN220mm220mm152mmFv24-1水平面受力图水平面支反力:=2502.279N,=3622.46N220mm152mmm4220mm152mmm垂直面支反力:=910.937N,=1318.46N∴==2662.61N,==3854.938N∵p1=,p2=又∵〈∴P=fp×选fp=1.3∴p=1.3×3854.938=5011.4N∴轴承的寿命计算为:(其中ft=1Cr=65.5kN)Lh=(10)×(c×ft/P)/60×2300=6179.59h所以符合要求。第五章齿轮强度的校核§5.1一挡齿轮的校核(齿轮承载能力的计算)这里校核常用挡一挡的齿轮,齿轮的材料选用:20CrMnTi。一、按齿面接触应力校核:=××××式中:——节点区域系数=2.5——弹性系数取=189.8——=1——螺旋角系数取=1=1200/3.64=329.64NM=2000/=2000×329.67/68=9696.176N=28mm,m=4,u=3.64,=1.25,=1.05,=1.2,=1.1=2.5×1×189.8×1×=1591.284Mpa∵=×××/其中=1650Mpa,=1,××=0.985∴=×××/=1650×0.985/1=16525.25Mpa﹤∴齿轮1按接触强度满足要求。齿轮2:=2.5×189.8×1×=833.25Mpa∴﹤齿轮2按接触强度满足要求。=2\*CHINESENUM3二、按弯曲强度校核:=××××(/×)×××××其中×××=1.7325,=9696.176N,=28mm,M=4=3.22,=1.64,=0.76,=1.0,=1.0=××××(/×)×××××=601.96mpa[]=(×/)×××=953.7Mpa式中:=425Mpa,=1.0,=2.0,=1.02,=1.1,=1.0∴〈[]所以一挡满足弯曲强度要求。§5.2倒一挡齿轮的校核一、按齿面接触应力校核:=××××式中:——节点区域系数=2.5——弹性系数取=189.8——=1——螺旋角系数取=1=1200/3.562=336.889NM=2000/=2000×329.67/68=6125.254N=24mm,m=5,u=3.562,=1.25,=1.05,=1.2,=1.1=2.5×1×189.8×1×=1076.62Mpa∵=×××/上式中:=1650Mpa=1××=0.985∴=×××/=1650×0.985/1=1625.25Mpa﹤∴齿轮1按接触强度满足要求。齿轮2:=2.5×189.8×1×=830.18Mpa∴﹤齿轮2按接触强度满足要求。=2\*CHINESENUM3二、按弯曲强度校核:=××××(/×)×××××其中×××=1.7325,=9696.176N,=28mm,M=5=3.22,=1.64,=0.76,=1.0,=1.0=××××(/×)×××××=304.128mpa[]=(×/)×Y××Yx=953.7Mpa其中:=425Mpa,=1.0,=2.0,Y=1.02,=1.1Yx=1.0∴〈[]所以倒一挡满足弯曲强度要求。§5.3变速器齿轮材料及热处理变速器齿轮的材料是:20CrMnTi热处理要求:渗碳深度1.2-1.6,齿面淬火硬度HRC58-64心部硬度HRC35-43,花键表面硬度不低于HRC50。第六章结论时间过得真快,紧张忙碌的毕业设计即将接近尾声,我的大学生活也即将圆满结束。我不禁感慨万千,但此时此刻我考虑最多的还是我本次的毕业设计,以及在本次设计过程中所得到的启发与收获。我的设计任务是拖拉机变速器的设计,变速器要改变发动机传到驱动轮的扭矩和转速,使拖拉机可以在原地起步,正常行驶,爬坡,转弯,加速,减速,倒车及停车止步。变速器在满足这些首要的功能之后还要满足必要的动力性和经济性指数。因此还要协调传动比范围和各挡传动比。在设计过程中,为了搞好设计,我查阅了关于拖拉机变速器的相关资料,参考了同类拖拉机的技术参数,也看了具体的实物结构以及其与车架的固定与连接情况,很受启发。但由于我是第一次搞这方面的设计,没有经验,本次设计中也遇到了很多困难和问题:首先由于所用知识都是以前学的基本的知识,但现实设计中明显感到力不从心,也就是说以前学的很不扎实。另外对于新知识的快速吸收能力还应该提高,由于这些问题浪费了不少时间,虽然一直在努力做,但还是感觉有点盲目。虽有不足可也有很多收获,比如遇到问题之后如何快速的选择问题的切入点,如何去抓住问题的重点和难点,如何与老师和同学之间进行沟通,讨论和协调,我此次深有体会。此次设计不但使我对以往的知识有了一次很好的具体应用,还通过计算机绘图和写说明书对AUTO-CAD,WORD的运用能力有了很大的提高!学习能力,创新能力,协调能力以及处理问题的能力是此次毕业设计所要达到锻炼我们的目的,对即将步入社会的我有极其重要的切身体会,我从这次设计中深受启发,我已经知道我的前进目标,相信我以后的人生会因这次设计而打开一个良好的开端。致谢时间过的真快,几年的大学生活伴随着这紧张充实的岁月即将落下帷幕,人的精力和时间
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