机械式四档变速器设计

PAGE1机械式四档变速器设计摘要变速器是汽车传动系中最主要的部件之一。变速箱由变速传动机构和变速操纵机构两部分组成。变速传动机构的主要作用是改变转距和转速的数值和方向；操纵机构的主要作用是控制传动机构，实现变速器传动比的交换，即实现换档，以达到变速变距。关键字：变速传动机构、变速操纵机构、齿轮目录引言 11变速器的参数选择 11.1一档齿轮齿数的确定 11.2中心距A的选择 31.3确定齿轮参数 41.4变速器轴向尺寸 71.5轴的直径 71.6各档齿轮齿数的分配 82变速器传动 102.1传动简图 102.2同步器简介 103故障诊断与检修 163.1常见故障与诊断 163.2变速器零件的检修 20参考文献 22致谢 24引言变速器是汽车传动系中最主要的部件之一。变速箱由变速传动机构和变速操纵机构两部分组成。变速传动机构的主要作用是改变转距和转速的数值和方向；操纵机构的主要作用是控制传动机构，实现变速器传动比的交换，即实现换档，以达到变速变距。采用优化设计方法对变速器与主减速器，以及变速器的参数做优化匹配，可得到良好的动力性与燃油经济性；采用自锁及互锁装置、倒档安全装置，对接合齿采取倒锥齿侧（或越程接合、错位接合、齿厚减薄、台阶齿侧）等措施，以及其他结构措施，可使操纵可靠，不跳档、乱档、自行脱档和误挂倒档；采用同步器可使换挡轻便、无冲击及噪声；采用高齿、修形及参数优化等措施可使齿轮传动平稳、噪声低。降低噪声水平已成为提高变速器质量和设计、工艺水平的关键。选做机械式四挡变速器为毕业论文（设计），是因为自己本身对变速器有一定的了解，并且希望在做此课题的同时，对所学知识进行巩固并且进一步的学习。而且对从事相关行业工作，可以打下坚实的基础。1变速器的参数选择1.1一档齿轮齿数的确定设计轿车四档变速器，已知：发动机输出功率p=80千瓦，转速n=4800r/min，载荷平稳，可靠性一般。确定一档齿轮齿数：一档传动比i₁=取中间轴一档的齿数轿车中间轴式变速器一档传动比i=3.5～3.8时，货车在12～17个齿之间选用。由于所设计为一般轻形轿车，载荷平稳、可靠性要求一般。所以选择一档齿轮传动比i=3.6、一档主齿轮齿数Z8=15。取变速器模数m选取齿轮模数，要保证齿轮有足够的强度，同时兼顾它对噪声和质量的影响。减少模数，增加齿宽会使噪音减低，反之则能减轻变速器质量。减低噪音对轿车有较大意义，减轻质量对货车比较重要。直齿轮模数m与弯曲应力σω之间有如下关系：m===2.48（取k=1）==9.55式中——计算载荷，为N·mm;——摩擦力影响系数，主动齿轮和被动齿轮在啮合点上的摩擦力方向不同，对弯曲应力影响也不同；主动齿轮=1.1，被动齿轮=0.9；——应力集中系数，可以近似取=1.65；Z——齿轮系数；——齿宽系数；Y——齿形系数；σω——弯曲应力，当计算载荷取作发动机最大转；一档倒直齿轮许用弯曲应力在400～850N/，货车可取下数。所取模数值应符合JB111-60规定的值，所以取模数m=2.51.2中心距A的选择要选中心距（A为mm）时，可根据下式计算：A=k=9.0=73.=9.553.60.96=9.553.60.96=547.2N·m=9.55式中k—中心系数。对轿车k=8.9～9.3，对多档主变速k=9.5～11；—变速器器在一档，第二轴输出的转矩，其值为=—发动机最大转矩；i—变速器一档传动比；—变速器转动效率，取0.96轿车变速器的中心距在65～80mm范围内变化。计算一档从动齿轮齿数==60必须取为整数，=60=60-15=451.3确定齿轮参数1.3.1齿宽选择齿宽应满足既能减轻变速器质量，同时又能保证齿轮工作平稳的要求。齿宽太小，会使齿轮的工作应力过大。为了使工作应力不过大，必须增加中心距，结果又使变速器的质量增加。而且斜齿轮传动平稳的优点，也会因齿宽的减小，但这又使轴承承受的轴向力增加。齿宽也不宜大因为这会增加变速器的轴向尺寸。如果保持相同的用材量就必须减小中心距，结果会增大作用在轴承上的载荷，减低轴的刚度和减小轴承外座圈尺寸。通常根据齿轮模数的大小来选定齿宽：直齿b=,可取为4.5～8.0斜齿b=，可取为6.0～8.5第一轴常啮合齿轮副的齿宽系数可取大些，使接触长度增加，接触应力减低，以提高传动的平稳性和齿轮寿命。=5m=52.5=12.51.3.2压力角工作时要求轿车变速器齿轮有较小的噪音，因此高档齿轮采用14.5°、15°、16°、16.5°等较小压力角才更合理。为提高中、重型汽车倒档齿轮的承载能力，应采用22.5°或25°压力角齿轮。实际上因国家规定的齿轮标准压力角为20°，所以变速器齿轮普遍的压力角为20°，=20°。1.3.3齿轮螺旋角为减小工作噪音和提高强度，汽车变速器齿轮多数用斜齿轮，只有倒档齿轮以及货车的一档齿轮才用直齿齿轮。选择时应注意下列问题：首先，增大时、使齿轮啮合的重合系数增加、工作平稳、噪声减低。随着的增大，齿轮的强度也相应的提高，不过当螺旋角大于30°时，其弯曲强度骤然下降，而接触强度仍然继续上升，因此从提高低档齿轮的弯曲强度出发，并不希望过大，而从提高高档齿轮的接触强度着眼，可选取较大的值。其次，斜齿轮传递时要产生轴向力。设计时应力与中间轴上的轴向力平衡，故中间轴上全部齿轮的螺旋方向应一律做成右旋，而第一、第二轴上的斜齿轮取左旋，其轴向力经轴承盖由壳体承受。斜齿轮螺旋角可在下面提供的范围选用：轿车变速器：中间轴变速器···················22°～34°两轴变速器·····················20°～25°货车变速器·····················18°～26°1.3.4校验齿轮的接触强度轮齿的接触应力按下式算：=0.148=980（N/）=2==4245N=2.515=3=1/2=1/29.5580/4800=7.96N·mmF==4245/=4807N==1/260=10.5==1/22.545=19.2mm式中——齿轮的接触应力；F——齿面上的法向力，F=;——圆周力，=2;——刀具载荷；——节圆直径；——节点处压力角；——螺旋角；——齿轮材料的弹性模量；——齿轮接触的实际宽度；主被动齿轮节点处的曲率半径，对直齿轮：=,=;——主动齿轮的节圆半径；——被动齿轮的节圆半径。齿轮渗碳齿轮氰化齿轮一档和倒档1900～2000950～1000常啮合和高档1300～1400650～7001.4变速器轴向尺寸货车变速器壳体的轴向尺寸与档数有关，可参照下列数据选用：四档（2．2～2．7）A五档（2．7～3．0）A六档（3．2～3．5）A轿车四档变速器轴向尺寸为（3．0～3．4）A。1.5轴的直径变速器的轴必须有足够的刚度和强度。工作时它们除传递转矩外，还承受来自齿轮作用的径向力，如果是斜齿轮还有轴向力。在这些力的作用下，轴的刚度不足会产生弯曲变形，结果破坏了齿轮的正确啮合，对齿轮的强度和耐磨性均有不利影响。还会增加工作噪声。中间轴是变速器的第二轴和中间轴中部直径d≈0.45A；第一轴花键部分直径按d=k选d=k==2式中k经验系数k=4～4.6；-发电机最大转矩。第二轴和中间轴中部直径d≈0.45A≈0.45×75≈33.8mm1.6各档齿轮齿数的分配（图一）1.6.1确定常啮合传动齿轮副的齿数常啮合传动齿轮中心距和一档齿轮的中心距相等，=()解得：=25=281.6.2确定其他各档的齿数二档齿轮是斜齿轮，螺旋角与常啮合齿轮的不同：取=22，ί=2．105；解得：三档齿轮的齿数：取解得：确定倒档齿轮齿数：一档、倒档齿轮常选用相同的模数。倒档齿轮的齿数，一般在21～17之间，可选倒档齿轮齿数=22可计算出中间轴与倒档轴的中心距：=40为了保证倒档齿轮的啮合和不产生运动干涉，齿轮8和9的齿顶圆之间应保持0.5mm2变速器传动2.1传动简图2.2同步器简介同步器能实现迅速和无噪音声换档，换档时又能避免啮合套端部受到损坏，并使操纵轻便，所以近代的汽车变速器，除轿车的倒档和货车的一档、倒档以外，其它档位多数都装用同步器。同步器有常压式，惯性式和自行增力式等种类。惯性式同步器是依靠摩擦作用实现同步的，在其上面设有专设机构保证接合套与待接合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，从而避免了齿间冲击。如下图所示：1、4-齿轮2-滑块3-拨差5、9-锁环6-弹簧圈7-花键毂8-接合套10-凹槽11-轴向槽12-缺口花键毂与第二轴用花键连接，并用垫片和卡环作轴向定位。在花键毂两端与齿轮之间，各有一个青铜制成的锁环（也称同步环）。锁环上有短花键齿圈，花键齿的断面轮廓尺寸与齿轮及花键毂上的外花键齿均相同。在两个锁环上，花键齿对着接合套的一端都有倒角（称锁止角，且与接合套齿端的倒角相同。锁环具有与齿轮上的摩擦面锥度相同的内锥面，内锥面上制出细牙的螺旋槽，以便两锥面接触后破坏油膜，增加锥面间的摩擦。三个滑块分别嵌合在花键毂的三个轴向槽内，并可沿槽轴向滑动。在两个弹簧圈的作用下，滑块压向接合套，使滑块中部的凸起部分正好嵌在接合套中部的凹槽内，起到空档定位作用。滑块的两端伸入锁环的三个缺口中，只有当滑块位于缺口的中央时，接合套与锁环的齿方可能接合。常压式同步器虽然结构简单，但又不能保证被啮合件在同步状态（即角速度相等）下换档的缺点，故仅在少数重型汽车上得到应用，而在大多数变速器中得到广泛应用的是惯性式同步器。同步器作为一种换档装置，是在接合套换档的基础上发展起来的，起功用是使接合套与待接合的齿轮二者之间迅速达到同步，并阻止二者在同步前进入啮合，从而可消除换档时的冲击，缩短换档时间，简化换档过程，使换档操纵作简捷而轻便。3故障诊断与检修3.1常见故障与诊断汽车变速器随着行使里程的增加，以及不正常的操作，使其零件的磨损、变形随之增加，这样会出现异常响声、挂档困难、跳档、发热、漏油等变速器常见的故障。3.1.1变速器的异常声响变速器的异常声响主要是由于轴承的磨损松和齿轮间不正常的捏合而引起的噪声。大致表现在空档发响和挂档后发响。空档发响现象：发动机怠速运转，变速器处于空档位置有异响，踏下板时响声消失。原因：变速器与发动机安装时曲轴与变速器第一轴中心线不同心，或变速器壳变形；第二轴前轴承磨损、无垢、起毛；变速器常啮合齿轮摩损，齿侧间隙过大，或个别齿轮牙齿破裂；常啮齿轮未成对更换，啮合不良；轴承松旷、损坏、齿轮轴向间隙大；拨叉玉结合套间隙过大；挂档后发响现象：变速器挂入档位后发响；当汽车以40KM/h以上车速行使时，发出一种不正常声响，且车速愈高，声响愈大，而当滑行或低速时响声减小或消失；原因：轴的弯曲变形，轴的花键与滑动齿轮配合松动；齿轮啮合不当，或轴承松旷；操纵机构各联接处松动，变速叉变形；主从动齿轮配合间隙过大；诊断：变速器产生响声，是由齿轮或轴的振动及其它生源开始，然后扩散到变速器壳壁产生共振而形成的，诊断步骤为：发动机怠速运转，变速器空档有异响，踩下离合器踏板后声响消失，多为常啮齿轮啮合不良；变速器各档均有响声，多为基础件、轴、齿轮、花键磨损使行位误差超限；挂入某档、声响严重，则说明该档齿轮磨损严重；启动后稍微挂档就发响，且在汽车运行中车速变化时声响严重，说明输出前后轴承响；3.1.2变速器跳档1.现象：汽车行驶中，变速杆自动跳入空档位置（一般多在中、高速负荷时突然变化或汽车剧烈振动时发生）；2.原因：由于磨损成锥形，啮合时产生轴向力，加之工作过程振抖、转速变化，近使啮合齿轮沿变速器轴向脱开。具体表现为：变速器齿轮或齿套磨损过量，沿齿长方向磨成锥形；变速叉轴凹槽及定位球磨损，以及定位弹簧过软或使自锁装置失效；变速器轴、轴承磨损松旷，使跪轮在齿度位置啮合不足；3.诊断1）发现某档跳档时，仍将变速杆挂入该档，然后拆下变速器盖察看齿轮啮合情况，如啮合良好，应检查换档机构；2）用手推动变速杆，如无阻力或阻力甚小，说明自锁装置失效，应检查自锁钢球和变速叉轴上的凹槽是否磨损过甚，自锁钢球弹簧是否过软、折断。如是应更换；3）如齿轮未完全啮合，应检查拨叉是否磨损或变形，如石弯曲应校正；如换档机构良好，应检查齿轮是否成锥形，轴承是否松旷，必要时应拆下修理后更换；3.2变速器零件的检修3.2.1齿轮与花键的检修齿轮损伤表现为：齿面、齿顶、齿轮中心孔、花键齿磨损、齿面疲劳脱落、斑点、严重时会出现轮齿断裂、破碎等现象。1）齿轮的表面上出现明显的疲劳的斑点、划痕或阶梯形磨损，应更换；斑点小时可用油石修磨后继续使用。2）齿轮断面的磨损长度不允许超过齿长的15%，否则更换。3）齿轮的啮合面应在尺高的中部，接触面积不得小于齿轮工作面的60%。4）齿轮与齿轮、齿轮与轴及花键的啮合间隙要符合原厂的规定。3.2.2轴的损伤通常表现为：轴颈、花键齿的磨损，轴的变形，轴的破裂。轴的弯曲用变形百分表来测量，超过标准时应校正或更换。轴齿、花键齿损伤达到规定时应更换。用千分尺来检修轴径的磨损程度，其磨损达到规定时，可堆焊后修磨、镀修复或更换。检查轴上定位凹槽的磨损，超过更换。轴出现任何形式的裂纹和破碎时，应更换。3.2.3锁环式变速器的检修锁环式同步器的损伤表现在锁环、滑块、接合套、花键和花键齿的损伤。锁环内锥面和滑块凸台的磨损都会破坏换档过程中的同步作用；锁环、接合套锁止角的磨损，会使同步器失去锁止作用，这都会出现换档困难，发出机械撞击噪声。同步器滑块顶部凸抬磨损出现够草，必须更换。否则，也会使同步作用减弱。锁环上滑块的磨损、滑块支承弹簧断裂或弹力不足以及接合套和花键毂的磨损都会使换档困难。参考文献[1]台玉琢，宋健，卢正弘，方圣楠，NguyenTruongSinh.基于最优轨迹的两挡无动力中断变速器控制方法[J].清华大学学报（自然科学版）：1-7.[2]张思佳，于沐含，于艳辉，沈天宇.YZ1020S轻型载货汽车变速器设计[J].时代汽车，2017（24）：52-54.[3]张攀，张学义，李波，赵玉真，徐进彬.拖拉机自动变速器发展现状与趋势探讨[J].农机化研究，2017，39（11）：217-222.[4]贺敬良，任忠伦，秦龙泉，陈勇，林慕义.同步器同步过程对变速器动力学特性的影响分析[J].振动与冲击，2017，36（14）：239-244.[5]陈德鑫，陈曦，孙友情，杨启，石兴磊.某商用车变速器传动效率偏低原因分析及改进[J].汽车技术，2017（07）：10-15.[6]莫易敏，董济兴，王骏，尹凯峰，梁玮.润滑油对NEDC工况变速器传动效率的影响分析[J].机械传动，2017，41（07）：138-141+167.[7]郑海兵，王中华.自动变速器加油量的研究[J].汽车实用技术，2017（13）：47-49.[8]谭富春，王军，黄海，王伟，邹捷，厉海祥.点线啮合齿轮在汽车变速器中的应用[J].机械传动，2017，41（06）：190-192.[9]汪文忠.浅谈汽车变速器的维修方法[J].汽车与配件，2017（15）：80-81.[10]吴虎威，吴光强，陈祥，庄婷.机械变速器齿轮敲击及抑制措施试验[J].同济大学学报（自然科学版），2017，45（05）：761-769.[11]黄国勤，陈聪，于亚鹏.基于环卫车两段式液压机械复合变速器设计与仿真[J].机械传动，2017，41（05）：161-164+203.[12]王鹏，宋仲康