兩軸式五檔手動變速箱變速器設(shè)計

摘要變速器作為汽車傳動系統(tǒng)中的重要部件，其設(shè)計的好壞直接影響汽車的實際使用。變速器是用來改變發(fā)動機傳遞到驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目的是在不同的行駛工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時使發(fā)動機在最有利工況范圍內(nèi)工作。傳統(tǒng)的機械式變速器雖然存在很多缺點，例如占用空間大、操作不便等，但是由于其具備成本低，制造簡單等優(yōu)點，目前仍廣泛用于現(xiàn)代轎車上。本論文對變速器研究主要包括以下幾個方面：（1）確定手動變速器的總體方案設(shè)計，包括變速器的選型、軸的選型等；（2）查閱資料，根據(jù)前人得出的經(jīng)驗公式對齒輪、同步器等相關(guān)參數(shù)的確定；（3）使用AutoCAD、SolidWorks建模；（4）使用ANSYS進(jìn)行有限元分析。關(guān)鍵詞：手動變速器SolidWorks建模有限元分析ABSTRACT(三號TimesNewRoman加粗居中)Asanimportantpartofautomobiletransmissionsystem,thedesignoftransmissiondirectlyaffectstheactualuseofautomobile.Thetransmissionisusedtochangethetorqueandspeedthattheenginetransmitstothedrivingwheel.Thepurposeistomakethevehicleobtaindifferenttractionandspeedunderdifferentdrivingconditions,andmaketheengineworkinthemostfavorableconditions.Althoughthetraditionalmechanicaltransmissionhasmanydisadvantages,suchaslargespace,inconvenientoperation,etc.,itisstillwidelyusedinmoderncarsbecauseofitslowcost,simplemanufacturingandotheradvantages.Inthispaper,thetransmissionresearchmainlyincludesthefollowingaspects:(1)determinetheoverallschemedesignofmanualtransmission,includingtheselectionoftransmissionandshaft;(2)consultthedata,confirmtherelevantparametersofgearandsynchronizeaccordingtotheempiricalformulaobtainedbypredecessors;(3)AutoCADandSolidWorksareusedformodeling;(4)ANSISisusedforfiniteelementanalysis.KEYWORDS:ManualtransmissionSolidWorksmodelingfiniteelementanalysisiiiiii目錄TOC\o"1-3"\h\u28825摘要2881ABSTRACT11572第1章緒論 第1章緒論1.1研究背景及意義道路運輸是人類最先應(yīng)用的運輸方式。道路運輸工具隨著人類文明的發(fā)展，經(jīng)歷了漫長的演變過程。遠(yuǎn)古時期，用木棒作為工具，由人來背負(fù)貨物；進(jìn)入畜牧?xí)r代，馱獸成為人類主要的運輸工具；人類發(fā)明的重要交通工具——橇，其為人類文明做出巨大貢獻(xiàn)。車的出現(xiàn)正源于橇，從世界上第一輛汽車誕生發(fā)展至今，已有一百余年之久。自打汽車問世以來，尤其是經(jīng)歷了汽車大批量生產(chǎn)和汽車行業(yè)飛速發(fā)展，汽車為世界經(jīng)濟(jì)的騰飛和人類進(jìn)入現(xiàn)代生活做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，掀起一場劃時代的革命[1]。在當(dāng)今社會，汽車更是不可或缺的交通工具。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計[2]，目前全球處于使用狀態(tài)的各類用途汽車總保有量已突破10億輛。自1970年以來，全球汽車數(shù)量幾乎每隔15年翻一番。目前，美國是最大的汽車擁有國，其汽車注冊量達(dá)到2.4億輛；中國次之，汽車擁有量為7800萬輛；日本緊隨其后，汽車擁有量為7400萬輛。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2019年，全球汽車平均擁有量為1:6.75，即每6.75個人就擁有一輛汽車，這個數(shù)據(jù)在美國為1:1.3，而在中國為1:17.2。數(shù)據(jù)還顯示去年全球新增汽車為3600萬輛，比前年增長3.6％，是十年來增長最快的一年。自從汽車采用內(nèi)燃機作為動力裝置，變速器就成為重要組成部分。因汽車內(nèi)燃機本身無法解決動力性和經(jīng)濟(jì)性之間存在的矛盾，所以就在傳動系中設(shè)置了變速器和主減速器，以達(dá)到減速增扭的目的。變速器的功用主要有以下幾點[3]：改變汽車傳動比，面對不同路況時，使發(fā)動機始終處在最佳工作范圍內(nèi)工作；實現(xiàn)汽車倒退行駛；設(shè)置空擋，滿足發(fā)動機怠速等功能。根據(jù)資料顯示，目前使用最為廣泛的仍然是傳統(tǒng)的機械式的變速器，它具有結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率高等優(yōu)點，但同時，體積大、操作麻煩也是其顯著的缺點，如果能克服上述缺點，其具有一定的發(fā)展空間。所以對手動變速器的研究還是很有意義的。目前，國內(nèi)變速器主要采用齒輪機構(gòu)傳遞動力，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長、工作可靠等優(yōu)點，加之關(guān)于齒輪設(shè)計出臺相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，使齒輪機構(gòu)在傳動方面得到普遍應(yīng)用。然而隨著時代發(fā)展，對汽車也有了更高的要求，例如輕量化，但是傳統(tǒng)手動變速器使用的齒輪機構(gòu)設(shè)計初衷是為了能夠可靠的工作，在當(dāng)今發(fā)展形勢下，已不能滿足輕量化的要求，因此，有必要對動變速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使其傳承傳統(tǒng)優(yōu)點并且滿足新的使用需求。為了使變速器具有良好的工作性能，在設(shè)計時一般有以下要求[1][4]：正確選擇檔位數(shù)和傳動比，達(dá)到最優(yōu)匹配；操作簡單、迅速省力；傳動效率高，工作可靠；體積小、質(zhì)量輕；使用壽命長等。近年來，汽車技術(shù)的進(jìn)步突飛猛進(jìn)，道路車輛密度不斷增大，對汽車變速器性能的要求不斷提高，為此，汽車工程師傾注大量心血在變速器的設(shè)計研究中，使變速器技術(shù)得到飛速發(fā)展。我國采用的很多技術(shù)中不乏借鑒了國外的先進(jìn)技術(shù)或標(biāo)準(zhǔn)，所以研究國外汽車變速器的發(fā)展?fàn)顩r對我國行業(yè)發(fā)展具有重要意義。全球范圍內(nèi)，六擋手動變速器在短時間內(nèi)有較快的發(fā)展，于2016-2017年間達(dá)到30％的市場份額。其中美國、德國、日本，分別在2011年、2006年、2011年超過50％市場份額[5]。目前，變速器設(shè)計面臨著幾大問題：綠色節(jié)能，環(huán)保低排放、高效實用，一定是變速器甚至汽車行業(yè)所要面臨的總要問題；為什么自動變速器發(fā)展如此迅速，是因為操作簡單。所以，在設(shè)計變速器時，既要保證操作簡易，又要保證駕駛樂趣不會因此喪失，這是一個不能忽視的問題；設(shè)計更加簡單，效率更高始終都是變速器設(shè)計要到達(dá)到的目的。手動變速器在中國乃至全世界的市場份額下降是必然的，但這并不代表手動變速器就是夕陽產(chǎn)業(yè)，在未來很長一段時間內(nèi)，仍然具有發(fā)展空間。換句話說，只有生產(chǎn)技術(shù)、工藝落后的手動變速器產(chǎn)業(yè)才是夕陽產(chǎn)業(yè)，這樣的產(chǎn)業(yè)也終將被先進(jìn)的自動變速器產(chǎn)業(yè)所替代[5]。選擇這樣一個題目來研究，可以使學(xué)生充分調(diào)動本科四年所學(xué)，并將這些理論知識和實際情況相結(jié)合。通過這次設(shè)計實踐，熟悉圖紙，加強制圖、讀圖的能力，實現(xiàn)從理論到實操的過渡，為畢業(yè)后的具體工作做準(zhǔn)備。1.2國內(nèi)外變速器研究現(xiàn)狀中國汽車連續(xù)兩年突破2000萬輛產(chǎn)量大關(guān)，變速器產(chǎn)業(yè)也隨之得到迅速發(fā)展。傳統(tǒng)的手動變速器（MT）方面，由于長時間的發(fā)展，其設(shè)計原理和生產(chǎn)工藝、技術(shù)較為成熟，技術(shù)難度相比于自動變速器較低，而中國國內(nèi)廠家本身具備手動變速器的生產(chǎn)經(jīng)驗，因此引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)后，消化理解比較容易，在此基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新，做到立足于本土生產(chǎn)，基本滿足了整車廠商的配套需求，并已實現(xiàn)出口；技術(shù)方面，近幾年來，部分廠商已經(jīng)能夠根據(jù)中國國情實現(xiàn)自主創(chuàng)新，并且國內(nèi)大部分市場份額由國內(nèi)廠商占據(jù)。雖然MT仍占據(jù)著市場份額的主導(dǎo)地位，但其領(lǐng)先優(yōu)勢受到了強有力的沖擊。不僅如此，MT在很多方面都受到了前所未有的挑戰(zhàn)，例如：技術(shù)、成本及技術(shù)先進(jìn)性等方面。在未來，手動變速器（MT)市場霸主的地位是否會被替代，其技術(shù)發(fā)展該往何方，這是值得整個變速器行業(yè)，乃至汽車行業(yè)深思和探究的問題［5］。變速器是汽車傳動系統(tǒng)的“心臟”，對整車動力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性有至關(guān)重要的影響。對比國外變速器研究發(fā)展現(xiàn)狀，國內(nèi)一汽集團(tuán)最具代表性，其在乘用車、商用車、客車各領(lǐng)域變速器的發(fā)展都能夠代表中國變速器行業(yè)目前的水平。在乘用車領(lǐng)域，除了手動變速器以外，6AT、AMT、7DCT作為研究重點，其發(fā)展具有下以幾個趨勢：手動變速器作為基礎(chǔ)，自動變速器作為研究重點；重點提升變速器的制造水平和能力；重點發(fā)展DCT、AMT，在恰當(dāng)時候發(fā)展AT；產(chǎn)品平臺系列化、適用范圍更廣闊。在商用車領(lǐng)域，手動變速器檔位覆蓋5-12檔，扭矩覆蓋520-2100N·m。同步器結(jié)構(gòu)包括單中間軸同步器、雙中間軸同步器，其發(fā)展具有以下幾個趨勢：結(jié)合細(xì)分化的國內(nèi)載貨汽車市場，豐富產(chǎn)品平臺；重點開發(fā)重型變速器，向著多檔化、緊湊化、輕量化方向發(fā)展；優(yōu)先開發(fā)AMT，適時發(fā)展DCT、AT；采用新工藝和新材料，降低油耗和排放，提高傳動效率，提升經(jīng)濟(jì)性。在客車領(lǐng)域，手動變速器檔位覆蓋２－６檔，滿足６－１３ｍ客車使用，混合動力５A(chǔ)MT為自主開發(fā)，裝備于大連、長春、昆明等地公交車，其發(fā)展具有以下幾個趨勢：重點開發(fā)混合動力AMT，降低油耗；新型摩擦材料及優(yōu)化的同步器設(shè)計將用于手動變速器，提高舒適性，降低污染排放，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高安全性［6］。手動變速器的許多研究技術(shù)都集中在降低成本和體積的新型制造方法上。最新的技術(shù)例如，新的Ford/Getrag6擋變速器中存在激光焊接沖壓剛滑動齒輪選擇器軸套，用來替代前一代變速器的鋼鐵撥叉，這種設(shè)計方案可以減少對內(nèi)部的傷害。EMI是一種由雷諾公司提出的在5擋副軸圓型變速器設(shè)計中提出的，齒輪盤片的激光和摩擦焊接同時保證了所需機器設(shè)計空間的降低[7]。國內(nèi)企業(yè)對CVT和AMT加速產(chǎn)業(yè)化的同時，著手開始研發(fā)雙離合變速器，但博格華納公司和舍弗勒公司掌握著雙離合變速器的關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)企業(yè)研發(fā)DCT的路任重而道遠(yuǎn)[8]。國外KlausMichaelis等人進(jìn)行了關(guān)于汽車變速器系統(tǒng)的功率損失組成的理論分析和試驗研究，研宄了不同類型軸承的功率損失的大小，測試了齒輪在不同浸油深度和潤滑油粘度下功率損失的變化形式，為變速器傳動效率的研究提供了參考[9]。Changenet.C.等人利用熱網(wǎng)絡(luò)方法搭建了一個可以預(yù)測六速手動變速箱功率損耗的模型，考慮了齒輪嚙合損失，軸承、油封等摩擦損失，能夠在設(shè)計階段對變速器的功率損失做粗略的估計[10]。德國的ClemensSchlegel等根據(jù)文獻(xiàn)和制造商提供的零件功率損失算法，建立了一個7速雙離合變速器的功率損失模型，仿真結(jié)果和試驗結(jié)果十分吻合[11]。根據(jù)變速器在全球的使用情況，可把全球市場分為北美、歐洲和日本市場，自動變速器在北美市場很受歡迎，手動變速器在歐洲市場占很大比重，而日本人更加青睞無級變速器。近幾年，歐洲企業(yè)基于自動變速器開發(fā)出雙離合變速器，并且依靠現(xiàn)有的技術(shù)和設(shè)備做到批量生產(chǎn)。越來越多的車企采用這種變速器，雙離合變速器的市場份額會越來越大。在北美，美國人對自動變速器情有獨鐘，美國人致力于研究自動變速器，開發(fā)其性能，研發(fā)出了經(jīng)濟(jì)性更好的6速變速器，在將來，北美市場上手動變速器的份額越來越小，六速變速器也將代替四速變速器。在日本，無級變速器和液力式變速器因更加符合日本國情而廣受好評[12]。1.3研究內(nèi)容擬解決的主要問題研究變速器的組成、結(jié)構(gòu)與設(shè)計；確定變速器的結(jié)構(gòu)；確定尺寸參數(shù)，以及材料的選取，滿足最終的需要；完成設(shè)計機構(gòu)的總體方案設(shè)計，包括主要部件的選型及其主要參數(shù)的選定；對總體結(jié)構(gòu)及主要零件進(jìn)行圖紙制圖；利用電腦制圖軟件對總體及主要零件進(jìn)行二維制圖；利用電腦制圖軟件制作變速器三維模型。第2章手動變速器的結(jié)構(gòu)型式和方案選擇2.1手動變速器的結(jié)構(gòu)型式手動變速器也稱作定軸式變速器，它主要由變速器殼體、變速傳動機構(gòu)、變速操縱機構(gòu)和換檔裝置等四大部分組成。變速器殼體是變速器內(nèi)部零件安裝的基礎(chǔ)；傳動機構(gòu)是變速器的核心，傳動比的改變通過齒輪嚙合位置的改變實現(xiàn)，來改變傳遞的轉(zhuǎn)矩以及方向；操縱機構(gòu)和換檔裝置用來實現(xiàn)換檔。通?？砂凑展ぷ鬏S的數(shù)量，將手動變速器分為三軸式變速器和兩軸式變速器。2.1.1三軸式變速器第一軸；2-第一軸常嚙合傳動齒輪；3-第一軸齒輪接合齒圈；4、9-接合套；5-四擋齒輪接合齒圈；6-第二軸四檔齒輪；7-第二軸三檔齒輪；8-三檔齒輪接合齒圈；10-二擋齒輪接合齒圈；11-第二軸二檔齒輪；12-第二軸一、倒檔滑動齒輪；13-變速器殼體；14-第二軸；15-中間軸；16-倒檔軸；17、19-倒檔中間齒輪；18-中間軸一、倒檔齒輪；20-中間軸二檔齒輪；21-中間軸三檔齒輪；22-中間軸四檔齒輪；23-中間軸常嚙合齒輪；24、25-花鍵轂；26-第一軸軸承蓋；27-軸承蓋回油螺紋；28-通氣塞；29-車速里程表傳動齒輪；30-中央制動器底座圖2-1東風(fēng)EQ1091E型汽車變速器結(jié)構(gòu)圖三軸式變速器有三根軸，分別是：輸入軸、輸出軸、中間軸。輸入軸作為動力輸入，輸出軸為動力輸出。輸入軸和輸出軸的軸線在同一直線上，兩根軸同心，通過軸承相連，中間軸的軸線和它們的軸線相平行。輸入軸和中間軸上的齒輪相嚙合，形成一對齒輪副，中間軸和輸出軸上的齒輪相嚙合，形成一對齒輪副。每一個檔位都需要兩對齒輪，并且輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)動方向相同。圖2-1是東風(fēng)EQ1091E型輕型載貨汽車汽車變速器結(jié)構(gòu)[13]。2.1.2兩軸式變速器1-輸入軸；2-輸入軸一檔齒輪；3-輸入軸二檔齒輪；4-輸入軸三檔齒輪；5、10、16-同步器；6-輸入軸四檔齒輪；7-輸入軸五檔齒輪；8-輸入軸倒擋齒輪；9-輸出軸倒擋齒輪；11-輸出軸五檔齒輪；12-輸出軸四檔齒輪；13-輸出軸；14-輸出軸三檔齒輪；15-輸出軸二檔齒輪；17-輸出軸一檔齒輪；18-主減速器錐齒輪；19-倒檔軸；20-倒檔軸倒擋齒輪圖2-2奧迪100型轎車變速器結(jié)構(gòu)圖相比于三軸式變速器，兩軸式變速器沒有中間軸，輸入軸和輸出軸的軸線平行，加之倒檔軸、各檔齒輪及變速器殼體，共同組成了兩軸式變速器。輸入軸作為動力輸入，中間經(jīng)過一對齒輪副傳遞，再由輸出軸輸出動力。由于動力輸入后只經(jīng)過一對齒輪副，所以輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)動方向相反。兩軸式變速器在高速運轉(zhuǎn)時的效率相比三軸式變速器要低，因為沒有直接檔，但是兩軸式變速器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小，容易布置在汽車?yán)铮嘤迷谵I車上。圖2-2是奧迪100型轎車變速器結(jié)構(gòu)圖[14]。2.2手動變速器的方案選擇2.2.1兩軸式變速器與三軸式變速器的比較（1）變速器尺寸兩軸式變速器的所有前進(jìn)擋在傳動時都只需要一對齒輪，對于一檔，要滿足其大傳動比的性能要求，主齒輪做的小些，而從動齒輪做的大些，但是這樣增大了兩根軸的中心距，使得變速器的橫向尺寸增加。而對于三軸式變速器，在傳遞動力時，需要兩對齒輪，在相同傳動比的情況下，可適當(dāng)減小大齒輪半徑，減小兩軸的中心距，使得變速器橫向尺寸減小，但是，輸入軸和輸出軸的軸心必須要在同一直線上，只能通過軸承將兩軸相連，造成變速器徑向尺寸增大。（2）變速器壽命兩軸式變速器只有一對齒輪，兩個齒輪徑向尺寸相差較大，傳動比較大時，小齒輪所轉(zhuǎn)圈數(shù)比大齒輪多得多，因此小齒輪更容易磨損，壽命比大齒輪短。三軸式變速器除直接檔外的各個前進(jìn)擋都需要兩對齒輪完成動力傳遞，它們徑向尺寸相差較小，所轉(zhuǎn)圈數(shù)更加接近，壽命相差不大；在直接檔工作時，其他嚙合齒輪只是空轉(zhuǎn)，并沒有傳遞動力，對齒輪的壽命沒有影響。（3）變速器傳動效率三軸式變速器有直接檔，傳動比為1，其將輸出軸直接與輸入軸相連，不經(jīng)過齒輪，功率幾乎沒有損耗。兩軸式變速器沒有直接檔，動力傳遞需經(jīng)過齒輪，有一定的動力損失。兩軸式變速器通常裝配在轎車上，用于前置前輪驅(qū)動的汽車，一般與驅(qū)動橋、前橋合稱為手動變速驅(qū)動橋。而三軸式變速器多用于商用車，例如重型卡車等。本文選取兩軸式變速器。2.2.2換檔機構(gòu)的形式選擇手動變速器的換擋機構(gòu)包括同步器、嚙合套、直齒滑動齒輪。同步器換擋用同步器能保證迅速、無沖擊、無噪聲換檔，而與操作技術(shù)的熟練程度無關(guān)，從而提高汽車的加速性、經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性等一系列性能，故現(xiàn)代汽車大多數(shù)采用這種換檔形式，同其他兩種換檔方式相比較，雖然它有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，軸向尺寸大等缺點，但仍然得到廣泛應(yīng)用。（2）嚙合套換擋由于變速器第二軸齒輪與中間軸齒輪處于常嚙合狀態(tài)，所以可用移動嚙合套換檔。目前這種換檔方法只在某些要求不高的檔位及重型車變速器上應(yīng)用，這是重型車換檔機構(gòu)連接件之間的角速度差小，因此采用嚙合套換檔，并且還能降低制造成本及減小變速器長度。（3）直齒滑動齒輪這種結(jié)構(gòu)形式制造容易，結(jié)構(gòu)簡單，但是有很多缺點，例如：噪聲大、容易打齒，這種方式大多用在倒擋上。綜上所述，雖然同步器具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造要求高等問題，但由于其能夠輕便無噪聲無沖擊換擋，對汽車經(jīng)濟(jì)性，燃油性有很大幫助，加之現(xiàn)代汽車對換擋的要求，本文選用同步器換擋機構(gòu)。2.2.3主要零部件的形式選擇（1）齒輪形式手動變速器采用的傳動齒輪有兩種形式，分別為直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪。與直齒圓柱齒輪比較，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長，工作時噪聲低等優(yōu)點；本文針對轎車設(shè)計變速器，因此傳動齒輪設(shè)計要求滿足高速大轉(zhuǎn)矩、低噪音、傳動平穩(wěn)、耐沖擊以及疲勞強度高的特點，因此對五個前進(jìn)檔齒輪副采用漸開線斜齒圓柱齒輪，倒擋齒輪副采用直齒圓柱齒輪。軸承形式手動變速器軸上支承形式多采用滾動軸承，包括向心球軸承、滾針軸承和圓錐滾子軸承等。為適應(yīng)汽車變速器向著增大其單位質(zhì)量的傳遞功率、增強其承載能力、具有更高的可靠性、更長的壽命和更好的性能等方向發(fā)展，變速器采用圓錐滾子軸承的日益增多。因為與其他軸承相比，圓錐滾子軸承的直徑小、寬度大、接觸線長，因而容量大，可以承受高負(fù)荷。本文選用圓錐滾子軸承形式。2.3變速器操縱機構(gòu)汽車在行駛過程中，駕駛員根據(jù)實際路況、車輛行駛情況等條件進(jìn)行檔位的變換，使用變速器的操縱機構(gòu)完成。操縱機構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：進(jìn)行檔位變換時，每次只能掛入一個檔位；檔位變換完成后必須保證齒輪完全嚙合；防止脫檔、亂檔、誤掛擋的出現(xiàn)。撥叉、變速桿等形式在機械式變速器中較為常見，其動力來源與駕駛員的手動。采用這種形式的的變速器一般稱之為手動換擋變速器。本設(shè)計采用的正式這種形式。對于手動換擋的汽車，一般將變速器放置在駕駛位置的座椅下方附近，這樣能夠直接在變速器上伸出變速桿，且駕駛員能夠通過手力直接進(jìn)行換檔變速。這種方案結(jié)構(gòu)最簡單，并得到了廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計也是采用這種形式。變速器要滿足以下要求：（1）要有鎖止裝置，其中包括互鎖、自鎖和倒檔鎖裝置?；ユi裝置是保證防止同時掛上兩個檔位，原理是：移動某一變速叉軸時，其他變速桿叉軸互被鎖止。互鎖裝置的結(jié)構(gòu)主要有：鎖銷式和鎖球式。自鎖裝置的作用是防止因汽車振動或有軸向作用力而導(dǎo)致脫檔，是通過自鎖裝置中的彈簧將鋼球壓入叉軸中實現(xiàn)的。倒擋鎖的作用是在防止駕駛員在汽車前進(jìn)時誤掛倒擋，能在駕駛員掛倒檔時給駕駛員明顯手感，以起到提醒作用。（2）換檔過程省力，順滑，減輕駕駛員的疲勞強度。（3）應(yīng)使駕駛員在換檔過程中有明顯手感。2.4變速器殼體變速器殼體的尺寸和質(zhì)量要盡可能小，并具剛度達(dá)到要求，用來保證軸和軸承工作時不會偏離其工作位置。變速器橫向斷面尺寸應(yīng)保證能放置齒輪，而且設(shè)計時還應(yīng)在殼體側(cè)面的內(nèi)壁與轉(zhuǎn)動齒輪齒頂之間預(yù)留有5～8mm的間隙，由于增加了潤滑油的液壓阻力，可能會導(dǎo)致使變速器過熱，出現(xiàn)膨脹。齒輪齒頂?shù)阶兯倨鞯撞恐g要留有不小于15mm的間隙。為了提高變速器殼體的剛度，在殼體上應(yīng)設(shè)計有加強肋。加強肋的方向與軸支承處的作用力方向有關(guān)。不利于吸收齒輪振動和噪聲的大平面不應(yīng)該出現(xiàn)在變速器殼壁上。對加強肋的形狀，可以設(shè)計一些三角形的交叉肋條，用來增加殼體剛度和降低總成噪聲。為了放油，在變速器殼體上設(shè)計有放油孔。放油孔應(yīng)設(shè)計在殼體的最低處。為了吸住存留于潤滑油內(nèi)的金屬顆粒，放油鏍塞需采用永久磁性鏍塞。為了使從第一軸或第二軸后支承的軸承間隙處流出的潤滑油再流回變速器殼體內(nèi)，在變速器殼體前或后端面的兩軸承孔之間常開設(shè)回油孔。2.5本章小結(jié)本章介紹了機械式變數(shù)器的分類：三軸式變速器和兩軸式變速器，并且闡述了三軸式變速器和兩軸式變速器的結(jié)構(gòu)及其特點，從變速器的尺寸、壽命和傳動效率三個方面比較了三軸式和兩軸式的優(yōu)缺點，確定了本次設(shè)計采用兩軸式變速器。同時也對變速器的換檔機構(gòu)和主要零部件的形式做了選擇及對變速器操縱結(jié)構(gòu)和變速器殼體進(jìn)行簡單闡述。第3章手動變速器主要零件參數(shù)設(shè)計計算設(shè)計一款與汽車發(fā)動機相匹配的變速器，需要考慮的因素有變速器檔位數(shù)、各檔傳動比等。汽車的基本參數(shù)以表3-1為例。表3-1汽車的基本參數(shù)3.1變速器的檔位數(shù)變速器的的檔位數(shù)直接影響汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性等。檔位數(shù)多，使發(fā)動機有更多機會在最大功率附近工作，改善汽車的爬坡能力，縮短加速時間。第二，檔位數(shù)多，使得發(fā)動機在低油耗轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作的機會增加，降低油耗，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性得到提高，檔位多，相鄰的高低檔直接傳動比小，換擋沖擊小，易于實現(xiàn)換擋。要求相鄰檔位傳動比比值在1.8以下，該值越小，換擋越容易進(jìn)行。但是檔位越多，使得變速器結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，質(zhì)量和體積也就越大[13]。變速器的檔位數(shù)要根據(jù)汽車類型與用途來確定。大多數(shù)轎車采用五檔式變速器，也有少數(shù)高級轎車采用六檔式變速器。商用車中，輕型卡車大多采用五檔變速器，重型卡車的變速器檔位數(shù)可達(dá)六個以上。本文是設(shè)計配備轎車使用的變速器，所以采用五檔式。3.2變速器的傳動比3.2.1變速器的傳動比范圍變速器的傳動比范圍是指變速器最低擋傳動比與最高擋傳動比的比值。影響傳動比范圍確定的因素有：發(fā)動機參數(shù)、汽車的最高車速、最低穩(wěn)定車速和使用條件(如要求的汽車爬坡能力)等。?目前轎車的傳動比范圍在3.0-4.5之間選取，輕型貨車的傳動比范圍在5.0-8.0之間選取，其他貨車的傳動比范圍更大。3.2.2一檔和最高檔傳動比的計算（1）一檔傳動比根據(jù)汽車的最大爬坡度確定一檔傳動比，汽車在爬坡時速度較低，所遇到的空氣阻力可忽略不計，加速阻力也可忽略。汽車所受阻力只有來自輪胎與地面的滾動阻力和坡度阻力，所以汽車的最大驅(qū)動力只要大于或等于滾動阻力和坡度阻力之和即可[15]，故有： （3-1）即：上式中：R-驅(qū)動輪滾動半徑，值為300mm；-主減速器傳動比；m-汽車最大總質(zhì)量；-路面最大坡度；-發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩；-驅(qū)動輪與地面的滾動阻力系數(shù)（粗糙路面取0.02，松軟路面取0.05）；-傳動效率，機械式變速器的傳動效率一般大于90％，取96％；-一檔傳動比。計算得到。（2）五檔傳動比汽車掛五檔行駛時可達(dá)到最大車速，確定五檔傳動比，可用下面公式： （3-2） 上式中：-汽車能達(dá)到的最大速度；T-汽車最大速度時發(fā)動機的扭矩；-主減速器的傳動比；-驅(qū)動輪的滾動半徑；-驅(qū)動輪與地面的滾動阻力系數(shù)；-汽車總質(zhì)量；-空氣阻力系數(shù)；汽車正投影面積。計算得到。3.2.3其余各檔傳動比（1）二、三、四檔傳動比機械式變速器中間各檔傳動比分配通常按照比級數(shù)來分配，等比級數(shù)分配傳動比可以使發(fā)動機在運轉(zhuǎn)過程中，扭矩更接近外特性曲線，增加汽車后備功率，提高了其爬坡能力。將各檔按照等比數(shù)列排列，等比級數(shù)為，即： （3-3）計算得到，，。按照等比級數(shù)分配傳動比只是理論上的做法，在實際應(yīng)用中，齒輪齒數(shù)通常為整數(shù)，導(dǎo)致實際傳動比大小和理論值有一定偏差。之所以采用等比級數(shù)分配，是因為能夠使發(fā)動機在外特性最大功率附近工作，增加汽車后備功率，改善汽車動力性。（2）倒擋傳動比沒有直接公式計算到檔傳動比，只能參照同類型汽車的變速器確定。通常倒擋傳動比取得比一檔傳動比大些，且滿足驅(qū)動輪和地面的附著條件。取。表3-2變速器傳動比檔位一檔二檔三檔四檔五檔倒擋傳動比3.452.361.641.140.83.53.3齒輪相關(guān)參數(shù)的計算和選擇3.3.1齒輪的設(shè)計要求齒輪傳動作為機械傳動中最為廣泛應(yīng)用的傳動形式之一，同樣應(yīng)用在手動變速器中。在變速器中，齒輪的作用是傳遞來自發(fā)動機的動力。由于發(fā)動機的工作情況是不斷變化的，變速器齒輪的運行情況也隨之復(fù)雜起來。在實際工作過程中，齒面受到載荷變形、誤差等因素影響，導(dǎo)致齒輪運行不平穩(wěn)，同時造成振動和噪聲增加。在齒輪具有一定工作時間后，就容易產(chǎn)生疲勞斷裂，齒面點蝕，磨損等不同形式的損傷。因此，設(shè)計齒輪時要滿足以下要求：一是保證齒輪平穩(wěn)工作，振動和噪聲處于可接受范圍內(nèi)；二是齒輪要具有足夠的強度，輪齒在工作中不折斷，在滿足強度的條件下，盡可能使齒輪重量輕，尺寸小。3.3.2齒輪基本參數(shù)的確定齒輪的組要參數(shù)包括齒數(shù)、模數(shù)、齒形角、齒頂高系數(shù)、齒寬、齒輪中心距等。（1）齒數(shù)變速器齒輪在選定齒數(shù)時，主要考慮以下幾點因素[16]：盡可能滿足汽車動力性，經(jīng)濟(jì)性及變速器各檔傳動比的要求。變速器一檔主動齒輪一般是所有齒中最小的齒，并且要避免根切，另外齒根圓也需大于所在軸的直徑。對于相嚙合的齒輪，它們的齒數(shù)不應(yīng)有公因數(shù)。齒數(shù)的選擇要滿足汽車的要求。（2）模數(shù)齒輪模數(shù)是決定齒輪大小和幾何參數(shù)的重要因素，模數(shù)越大，齒輪越大，齒輪的抗彎曲強度越大，噪聲越大，為了減少噪聲，可以選擇較小的模數(shù)，增加齒寬。齒輪的模數(shù)選擇不但要考慮齒輪設(shè)計加工的基本原則，也要綜合考慮汽車在應(yīng)用過程中所希望達(dá)到的要求。在設(shè)計時，為了減少工作過程中的沖擊產(chǎn)生噪音，應(yīng)當(dāng)在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)減少模數(shù)，增加寬度。同時從加工工藝來看，各種齒輪應(yīng)當(dāng)盡可能的采用同一種模數(shù)。對于轎車，減小整體的質(zhì)量比較重要，這又要求選擇一些較大的模數(shù)?；谝陨戏治?，初步選取模數(shù)時，可參考同類型的變速器確定，也可使用經(jīng)驗公式：對于一檔和倒擋： （3-4）上式中：-發(fā)動機最大扭矩；-一擋傳動比；-傳動效率，一般取=0.96；-齒輪模數(shù)系數(shù)，一般取=0.27-0.37。根據(jù)參考文獻(xiàn)和經(jīng)驗，一般小型轎車取。在設(shè)計齒輪時，模數(shù)m必須為標(biāo)準(zhǔn)值[17]，如表3-3所示。表3-3國家標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)選取齒輪模數(shù)m=2.75。（3）斜齒輪螺旋角斜齒輪傳動平穩(wěn)，噪聲小。齒輪的螺旋角取值過小，斜齒輪的優(yōu)點無法發(fā)揮出來，螺旋角取值過大，軸向力增加，使軸承的載荷增大，降低壽命[18]。變速器齒輪螺旋角選取范圍一般在20°-40°之間，對于轎車來說，其變速器齒輪轉(zhuǎn)速快，扭矩小并且要求噪聲小，因此可選用較大的螺旋角。為適當(dāng)減小中間軸上的軸向力，各檔齒輪選取的螺旋角通常不一樣，滿足下列公式： （3-5）上式中：-輸出軸上常嚙合齒輪；-輸出軸上各檔嚙合齒輪；-輸出軸齒輪節(jié)圓半徑；-輸出軸各檔齒輪節(jié)圓半徑。螺旋角的方向有左旋和右旋之分，輸入軸上的各檔齒輪和輸出軸上的常嚙合齒輪使用左旋，輸出軸上的各檔齒輪使用右旋，這樣可以使輸入軸上的軸向力作用在殼體上，輸出軸上的軸向力，幾乎全部抵消。表3-4各檔齒輪螺旋角選擇檔位一檔二檔三檔四檔五檔螺旋角23°23°22°22°25°（4）齒輪中心距齒輪中心距直接影響變速器的整體尺寸和重量。可根據(jù)已有的經(jīng)驗公式進(jìn)行選取，即：對于轎車： （3-6）對于貨車： （3-7）根據(jù)公式3-8得，。汽車在良好路面上行駛時，中心距應(yīng)取最小值。確定中心距時，也要考慮齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、變位系數(shù)及螺旋角等參數(shù)。中心距過小會導(dǎo)致零件布置困難，過大會導(dǎo)致變速器尺寸和重量增加。選取齒輪中心距。（5）齒形角通常選用20°的齒形角，同時也選用14.5°、16.5°、22.5°等其他角度齒形角。齒形角減小，導(dǎo)致漸開線在節(jié)圓處曲率半徑及齒根圓齒厚減小，同時齒輪的彎曲強度也會減小，但是齒輪在傳動過程中的噪聲降低。對于轎車而言，變速器齒輪轉(zhuǎn)速高，承受載荷小，并且要求噪聲小以提高舒適性，因此選用較小的齒形角。但是同一個變速器上，檔位不同，所選齒形角也不同，低檔要承受較大載荷，所以選用較大的齒形角；高檔承受小載荷，所以選用較小的齒形角。實際上國家有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定壓力角為20°。本設(shè)計選用20°的齒形角。（6）齒寬齒寬較大時，齒輪承載能力提高。在實際工作中，齒輪受載荷會產(chǎn)生齒向誤差，造成齒寬方向受力不均勻，使齒輪更易磨損，因此在選取齒寬時不宜過大。可以根據(jù)以下公式選取齒寬： （3-8）上式中：-齒輪的齒寬系數(shù)，直齒輪的選取范圍為4.5-7.5，斜齒輪的選取范圍為6.5-8.5；-法向模數(shù)。本設(shè)計取值為7。（7）齒頂高系數(shù)齒輪可根據(jù)齒頂高系數(shù)分為長齒齒輪、短齒齒輪、正常齒輪。齒頂高系數(shù)小于1的齒輪稱為短齒齒輪，大于1的稱為長齒齒輪。長齒齒輪不僅增加齒輪的強度和動載荷，還能降低噪聲和振動，但是這種齒輪相對滑動速度較大，齒面易磨損，與其相嚙合的齒輪容易產(chǎn)生根切等問題，所以長齒齒輪只應(yīng)用在少數(shù)變速器上，大多數(shù)變速器采用的是齒頂高系數(shù)為1的正常齒輪。3.3.3各檔齒輪齒數(shù)初選了變速器的檔位數(shù)、傳動比、中心距、模數(shù)、螺旋角后，即可對各檔齒輪的齒數(shù)進(jìn)行分配。但要注意各檔嚙合齒輪齒數(shù)不能有公因數(shù)，以避免齒輪磨損不均勻。圖3-1五檔變速器傳動示意圖（1）一檔齒輪齒數(shù)一擋傳動比： （3-9）一檔齒輪齒數(shù)和： （3-10）結(jié)合上式，經(jīng)過計算取整得：，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗與文獻(xiàn)，為保證圓整后的傳動誤差較小，取，。通過實際的計算出齒輪的齒數(shù)之后，由于數(shù)值進(jìn)行了取整，導(dǎo)致了中心距發(fā)生了稍微的變化，所以在實際設(shè)計中應(yīng)當(dāng)根據(jù)齒數(shù)和齒輪變位系數(shù)重新算出中心距：一檔傳動比為：一檔齒輪螺旋角精確值為：（2）二檔齒輪齒數(shù)二檔齒輪傳動比： （3-11）二檔齒輪齒數(shù)和： （3-12）結(jié)合上式，經(jīng)計算取整得：，。二檔傳動比為：二檔齒輪螺旋角精確值為：（3）三檔齒輪齒數(shù)三檔齒輪傳動比： （3-13） 三檔齒輪齒數(shù)和： （3-14）結(jié)合上式，經(jīng)計算取整得：，。三檔傳動比為：三檔齒輪螺旋角精確值為：（4）四檔齒輪齒數(shù)四檔齒輪傳動比： （3-15）四檔齒輪齒數(shù)和： （3-16）結(jié)合上式，經(jīng)計算取整得：，。四檔傳動比為：四檔齒輪螺旋角精確值為：（5）五檔齒輪齒數(shù)五檔齒輪傳動比： （3-17）五檔齒輪齒數(shù)和： （3-18）結(jié)合上式，經(jīng)計算取整得：，。五檔齒輪傳動比為：五檔齒輪螺旋角為：（6）倒檔齒輪齒數(shù)圖3-2倒檔機構(gòu)示意圖惰輪齒數(shù)通常在21-23間選取，選取。倒檔傳動比為： （3-19）主動輪和從動輪嚙合并不存在與倒檔齒輪中，中心距要小于兩軸的中心距。 （3-20），經(jīng)計算選取得：，。倒檔齒輪傳動比為： 總結(jié)如下：表3-5變速器各檔傳動比檔位一檔二檔三檔四檔五檔倒檔傳動比3.62.421.671.180.813.72表3-6變速器各檔位齒輪齒數(shù)檔位主動輪從動輪一檔齒輪1137二檔齒輪1434三檔齒輪1830四檔齒輪2226五檔齒輪2621與主動輪嚙合的倒檔齒輪1122與從動輪嚙合的倒擋齒輪22413.4齒輪的設(shè)計計算3.4.1齒輪的幾何尺寸計算機械式變速器使用漸開線圓柱齒輪，包括漸開線圓柱直齒輪和漸開線圓柱斜齒輪。其優(yōu)點是：傳動平穩(wěn)，工作安全可靠等。該手動變速器的五個前進(jìn)檔位運用斜齒輪，倒檔使用直齒輪，主要幾何尺寸計算公式如下：端面模數(shù)： （3-21） 分度圓直徑： （3-22）基圓直徑： （3-23）齒頂圓直徑： （3-24）齒根圓直徑： （3-25）變位系數(shù)之和： （3-26）上式中：-齒輪法向模數(shù)；-斜齒輪螺旋角；-齒輪齒數(shù)；-齒頂高；-齒根高；-齒輪法向壓力角；-齒輪端面壓力角。由以上公式計算得幾何尺寸，結(jié)果如表3-7所示表3-7齒輪的幾何尺寸參數(shù)一檔二檔三檔四檔五檔齒數(shù)11371434183022262621法向模數(shù)2.752.752.752.752.752.752.752.752.752.75端面模數(shù)2.992.99壓力角20°20°螺旋角23.5623.5623.5623.5623.5523.5523.5523.5525.725.7分度圓直徑3311142102549066788054基圓直徑30.7103.34095508461737450齒根圓直徑28.71103.8537.3894.5246.19174.63361.7670.874.1958.28齒頂圓直徑36.38114.5248.71105.8556.24584.68672.680.5183.6568.74齒寬19.2519.25齒頂高2.1453.5753.3551.9252.2833.9383.32.261.982.2變位系數(shù)0.47-0.050.41-0.110.420.20.480.10.250.333.4.2齒輪的主要失效形式齒輪折斷和齒面點蝕而損壞是汽車變速器傳動齒輪主要的損壞形式[19]。（1）齒輪折斷齒輪折斷有兩種情況，一種是受到多次重復(fù)載荷的作用，齒輪容易產(chǎn)生疲勞裂縫，當(dāng)此裂縫擴(kuò)展到一定深度時，齒輪折斷。另一種是齒輪突然受到過大載荷，超出其能承受的載荷極限，齒輪斷裂。為避免齒輪折斷，可以增大齒根部齒厚；加大齒輪根部過渡圓角的半徑等，以提高齒輪的彎曲強度。（2）齒面點蝕齒輪在傳動過程中受到載荷，齒面長期受到接觸應(yīng)力的作用，使得齒面出現(xiàn)細(xì)微的裂紋，裂紋擴(kuò)展后導(dǎo)致齒面產(chǎn)生因表層脫落的小坑，這種現(xiàn)象叫做齒面點蝕。提高齒面接觸強度有以下措施：一是選擇合理齒輪參數(shù)，減小接觸應(yīng)力；二是提高齒面的強度。3.4.3變速器齒輪材料選擇變速器齒輪材料要滿足以下要求：（1）抗彎曲強度以及沖擊韌性強；（2）齒面耐磨性和硬度要達(dá)到要求；（3）易達(dá)到加工要求的精度；（4）抗膠合能力強。變速器齒輪大多采用滲碳合金鋼，不僅可以提高齒輪耐磨性，還能滿足抗彎曲和接觸強度。目前國內(nèi)變速器主要采用的材料有、、、、等。選擇滿足性能要求的材料時，還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)成本。本文采用作為變速器齒輪材料，同時進(jìn)行滲碳淬火。3.4.4變速器齒輪強度校核（1）計算各檔轉(zhuǎn)矩本次設(shè)計的中型貨車所產(chǎn)生的最大扭矩為，在計算中，齒輪和離合器的傳動效率取值為99％，其中軸承的效率取值為96％。輸入軸：；輸出軸一檔：；輸出軸二檔：；輸出軸三檔：；輸出軸四檔：；輸出軸五檔：（2）齒面接觸強度校核設(shè)齒面接觸應(yīng)力，其公式為： （3-27） （3-28）上式中：-齒面法向力（N）；-齒輪的圓周力，；-載荷,;-節(jié)圓直徑（mm）;-彈性模量（MPa），?。?齒輪實際工作齒寬（mm）；-在齒輪節(jié)點主、從動齒輪的曲率半徑（mm），對于直齒輪，對于斜齒輪，為主、從動齒輪的節(jié)圓半徑（mm）。各參數(shù)代入整理得接觸應(yīng)力公式為： （3-29）計算得到的接觸應(yīng)力應(yīng)小于需用接觸應(yīng)力，如大于，則齒輪容易發(fā)生疲勞損壞，接觸應(yīng)力視材料而定。對于滲碳齒輪，一檔和倒擋齒輪接觸應(yīng)力不大于1900MPa，其他檔位齒輪接觸應(yīng)力不大于1300MPa。經(jīng)過計算得到各檔位齒輪齒面接觸強度符合要求。（3）齒輪彎曲強度校核設(shè)齒輪的彎曲應(yīng)力為，其公式為： （3-30）上式中：-圓周力（N），；-作用在齒輪上的載荷；-齒輪的節(jié)圓直徑，；-應(yīng)力集中系數(shù)，取；-重合度系數(shù)，??；-齒寬（mm）；-齒形系數(shù)，取。3.5軸的設(shè)計計算3.5.1軸的設(shè)計要求變速器軸在工作過程中承受轉(zhuǎn)矩和彎矩，因此，軸要具備足夠的強度和剛度，若剛度不足，齒輪在載荷作用下產(chǎn)生變形，無法正常嚙合，從而產(chǎn)生噪聲，降低齒輪壽命。通常軸的設(shè)計遵循以下原則[20]：（1）根據(jù)軸的工作條件等合理選材；（2）提高軸的強度和剛度；（3）軸應(yīng)便于加工、檢修；（4）軸上零件定位準(zhǔn)確。3.5.2初選軸尺寸本文采用兩軸式變速器。軸的長度和直徑之間的關(guān)系如下公式所示：輸入軸： 輸出軸： 初選軸直徑可用以下公式：最粗處： ；最細(xì)處： ；上式中：-發(fā)動機最大扭矩；-變速器中心距（mm）。3.5.3軸的強度和剛度計算對軸進(jìn)行剛度和強度計算時，首先分析軸的受力和各支承反力；其次，因為不同檔位下軸受到的力和支撐反力都不一樣，所以需要對不同檔位下的軸的強度和剛度分別計算。齒輪圓周力： （3-31）齒輪徑向力： （3-32）齒輪軸向力： （3-33）上式中：-傳動比；-齒輪的節(jié)圓半徑（mm）；-齒形角（壓力角）；-斜齒輪螺旋角；-發(fā)動機最大扭矩。變速器軸的強度校核要同時考慮彎矩和扭矩的作用，利用徑向力計算出軸的垂直彎矩，利用圓周力計算出水平彎矩，再由圓周力和徑向力計算出轉(zhuǎn)矩，由彎矩和轉(zhuǎn)矩聯(lián)合作用下的軸的應(yīng)力（MPa）為： （3-34）上式中：-軸受到的轉(zhuǎn)矩，；-軸在受力處的斷面直徑，若受力端為花鍵，則取內(nèi)徑，（mm）；-抗彎曲截面系數(shù)，；-水平彎矩，；-垂直彎矩，；-許用應(yīng)力，取。對于軸的剛度校核，需要計算出軸在某處受力產(chǎn)生的撓度與轉(zhuǎn)角，對于輸出軸，由于常嚙合齒輪離軸較近，此處產(chǎn)生的撓度和轉(zhuǎn)角可以不用考慮，只用計算輸入軸主動齒輪和輸出軸從動齒輪位置上的撓度和轉(zhuǎn)角。設(shè)軸在垂直面上的撓度為，在水平上的撓度為以及轉(zhuǎn)角位，按照下面公式計算： （3-35） （3-36） （3-37）上式中：-齒輪上的徑向力（N）；-齒輪上的圓周力（N）；-材料的彈性模量，取；-面積慣性矩，對于空心軸，，對于實心軸；-軸在受力端面的直徑（mm），若受力端為花鍵，則取平均值，（mm）；-軸的總跨度（mm）；-軸上作用力離A、B支座的距離（mm）。上式中，軸上有花鍵，其計算直徑取內(nèi)徑的1.1倍，軸在垂直方向上的撓度許用值；而水平方向上的撓度許用值；軸的彎曲轉(zhuǎn)角小于等于0.002rad。對于長度較長的軸，在滿足上述條件后，還需進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度的驗算，軸的扭轉(zhuǎn)角要小于許用值。軸長為L的扭轉(zhuǎn)角在轉(zhuǎn)矩M的作用下為： （3-38）則單位長度扭轉(zhuǎn)角為： （3-39）上式中：-轉(zhuǎn)矩，；-軸長，（m）；-軸的極慣性矩，，對于實心軸，對于空心軸；彈性模量，對于鋼材。3.6本章小結(jié)本章工作可分為三個部分。第一部分確定了變速器的檔位數(shù)，根據(jù)相關(guān)參數(shù)計算出各檔傳動比。第二部分首先簡單介紹了齒輪的相關(guān)參數(shù)并做出選擇，其次根據(jù)各檔傳動比計算出各檔齒輪齒數(shù)，最后對齒輪幾何參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算，并校核無誤。第三部分是對變速器軸的設(shè)計，包括軸尺寸的選取及軸的強度、剛度校核。第4章同步器的設(shè)計計算4.1同步器的功用與分類目前機械式變速器均使用同步器換擋（倒檔除外）代替以前的滑動齒輪換擋。同步器的主要功用是使接合套迅速和要嚙合的齒圈同步，使換檔平穩(wěn)，同時避免換擋時較大的沖擊，提高變速器工作壽命。同步器常見的有常壓式，慣性式和自增力式。目前慣性式同步器在汽車上使用最為廣泛。結(jié)合套和齒圈接觸面的摩擦力是慣性式同步器實現(xiàn)同步的方式，同步器常用的類型有鎖環(huán)式慣性同步器和鎖銷式慣性同步器兩種，在轎車和輕型貨車上廣泛使用的是鎖環(huán)式慣性同步器，而鎖銷式慣性同步器主要應(yīng)用在中型和重型汽車上。本文設(shè)計的是轎車變速器，所以選用選用鎖環(huán)式慣性同步器。4.2鎖環(huán)式慣性同步器結(jié)構(gòu)及工作原理4.2.1鎖環(huán)式慣性同步器結(jié)構(gòu)圖4-1為鎖環(huán)式慣性同步器的結(jié)構(gòu)圖，其中4-1（a）為剖視圖，4-1（b）為分解圖。輸入軸；2-輸入軸齒輪；3-花鍵轂；4、10-接合齒圈；5、9-同步環(huán)；6-滑塊；7-接合套；8-彈簧圈；11-輸出軸常嚙合齒輪；12-輸出軸；13-滑塊凸起；14-滑塊槽；15-缺口圖4-1鎖環(huán)式慣性同步器的結(jié)構(gòu)同步器由同步環(huán)5、9，接合套齒座3、滑塊6、卡簧8和接合套7組成。花鍵轂3固定在輸入軸上，和輸入軸同步轉(zhuǎn)動，滑塊6共3個，和接合套7裝在花鍵轂3上面，并且可以軸向運動。彈簧圈8共2個，滑塊被緊緊地貼在接合套7上，齒輪接合齒圈10、4利用其的外錐面插進(jìn)同步環(huán)5、9的內(nèi)錐面內(nèi)，兩個錐面間有相對的滑動，三個滑塊插入同步環(huán)5、9上的3個缺口中，并且滑塊的寬帶與一個接合齒的寬度之和恰好為缺口的寬度，這樣同步環(huán)5、9與結(jié)合套有一定的相對轉(zhuǎn)動，但是最多只能轉(zhuǎn)半個齒的寬度，最終，同步環(huán)和結(jié)合套一下轉(zhuǎn)動。4.2.2鎖環(huán)式慣性同步器工作原理圖4-2鎖環(huán)式慣性同步器工作原理如圖4-2，鎖環(huán)式慣性同步器的工作原理是：換檔時，沿軸向作用在嚙合套上的換檔力，推嚙合套并帶動定位銷和鎖環(huán)移動，直至鎖環(huán)錐面與被接合齒輪上的錐面接觸為止。之后，因作用在錐面上的法向力與兩錐面之間存在角速度差，致使在錐面上作用有摩擦力矩，它使鎖環(huán)相對嚙合套和滑塊轉(zhuǎn)過一個角度，并滑塊予以定位。接下來，嚙合套的齒端與鎖環(huán)齒端的鎖止面接觸（圖6-2b），使嚙合套的移動受阻，同步器在鎖止?fàn)顟B(tài)，換檔的第一階段結(jié)束。換檔力將鎖環(huán)繼續(xù)壓靠在錐面上，并使摩擦力矩增大，與此同時在鎖止面處作用有與之方向相反的撥環(huán)力矩。齒輪與鎖環(huán)的角速度逐漸靠近，在角速度相等的瞬間，同步過程結(jié)束，完成換檔過程的第二階段工作。之后，摩擦力矩隨之消失，而撥環(huán)力矩使鎖環(huán)回位，兩鎖止面分開，同步器解除鎖止?fàn)顟B(tài)，接合套上的接合齒在換檔力的作用下通過鎖環(huán)去與齒輪上的接合齒嚙合（圖6-2d），完成同步換檔。4.3鎖環(huán)式慣性同步器的設(shè)計4.3.1同步環(huán)主要參數(shù)的確定（1）同步環(huán)內(nèi)錐面的螺紋槽如果螺紋槽螺線的頂部設(shè)計得窄些，則刮去存在于摩擦錐面之間的油膜效果好。但頂部寬度過窄會影響接觸面壓強，使磨損加快[21]。試驗還證明：螺紋的齒頂寬對摩擦因數(shù)的影響很大，摩擦因數(shù)隨齒頂寬度的減小而減小，造成換擋費力，故齒頂寬不易過大。螺紋槽設(shè)計得大些，可使被刮下來的油存于螺紋之間的間隙中，但螺距增大又會使接觸面減少，增加磨損速度。圖4-3（a）中給出的尺寸適用于輕、中型汽車；圖4-