變速箱主要參數(shù)的選擇計(jì)算

1、第三章 變速箱主要參數(shù)的選擇根據(jù)變速箱運(yùn)用的實(shí)際場合，結(jié)合同類變速箱的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，來進(jìn)行本設(shè)計(jì)的主要參數(shù)的選擇，包括：擋數(shù)、傳動(dòng)比范圍、中心距、外形尺寸、齒輪參數(shù)等。3.1 擋數(shù) 變速箱的擋數(shù)可在320個(gè)擋位范圍內(nèi)變化。通常變速箱的擋數(shù)在6擋以下，當(dāng)擋數(shù)超過六擋以后，可在6擋以下的主變速箱基礎(chǔ)上，再配置副變速箱，通過兩者的組合獲得多擋位變速箱。傳動(dòng)系的擋位增多后，增加了選用合適擋位使發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作狀況的機(jī)會，有利于提高燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，轎車手動(dòng)變速箱已基本采用5擋，也有6擋的。近年來，為了降低油耗，變速箱的擋位也有增加的趨勢。發(fā)動(dòng)機(jī)排量大的乘用車多用5個(gè)擋?！颈驹O(shè)計(jì)采用5個(gè)擋位】3.2 傳

2、動(dòng)比范圍變速箱傳動(dòng)比的范圍是指變速箱最低擋傳動(dòng)比與最高擋傳動(dòng)比的比值。高擋通常是直接擋，傳動(dòng)比為1.0；有的變速箱最高擋是超速擋，傳動(dòng)比為0.70.8。影響最低擋傳動(dòng)比選取的因素有：發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速所要求的汽車最大爬坡能力、驅(qū)動(dòng)輪與路面間的附著力、主減速比和驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑以及所要求達(dá)到最低穩(wěn)定性是車速等。目前乘用車的傳動(dòng)比范圍在3.05.4之間，總質(zhì)量輕些的商用車在5.08.0之間，其他商用車則更大。本設(shè)計(jì)根據(jù)已給條件，最高擋擋選用超速擋，傳動(dòng)比為i1=3.5，i2=2.5，i3=2.0，i4=1.5，i5=0.95，iR=3.5(倒擋)所給相鄰擋位間的傳動(dòng)比比值在1.8以下，

3、利于換擋。3.3 中心距A對中間軸式變速箱，變速箱中心距是指中間軸與第二軸軸線之間的距離。它是一個(gè)基本參數(shù)，其大小不僅對變速箱的外形尺寸、體積和質(zhì)量大小有影響，而且對齒輪的接觸有輕度有影響。中心距越小，齒輪的接觸應(yīng)力越大，齒輪壽命越短；變速箱的中心距取的越小，會使變速箱長度增加，并因此而使軸的剛度被削弱和使齒輪的嚙合狀態(tài)破壞。中間軸式變速箱中心距A（mm）的確定，可根據(jù)對已有變速箱的統(tǒng)計(jì)而得出的經(jīng)驗(yàn)公式初定： （3-1）式中：KA中心距系數(shù)。對轎車，K A =8.99.3；對貨車，K A =8.69.6；對多擋主變速箱，K A =9.511； 變速箱處于一擋時(shí)的輸出扭矩（此處意為最大轉(zhuǎn)矩）。故

4、可得出初始中心距：A=66.86mm，圓整取A為67mm。3.4 外形尺寸變速箱的橫向外形尺寸，可根據(jù)齒輪直徑以及倒擋中間齒輪和換擋機(jī)構(gòu)的布置初步確定。乘用車四擋變速箱殼體的軸向尺寸3.03.4A。商用車變速箱殼體的軸向尺寸與擋數(shù)有關(guān)：四擋(2.22.7)A五擋(2.73.0)A六擋(3.23.5)A當(dāng)變速箱選用的擋數(shù)和同步器多時(shí)，中心距系數(shù)KA應(yīng)取給出系數(shù)的上限。為檢測方便，A取整。本設(shè)計(jì)為五速手動(dòng)變速箱，其殼體的軸向尺寸是3x67=201mm。3.5 齒輪參數(shù)3.5.1 模數(shù)齒輪模數(shù)是一個(gè)重要參數(shù)，影響它選取的因素很多，如齒輪的強(qiáng)度、質(zhì)量、噪聲、工藝等。選取齒輪模數(shù)一般遵守的原則有：在變速

5、箱中心距相同的情況下，選取較小的模數(shù)，就可以增加齒輪的齒數(shù)，同時(shí)增加齒寬可使齒輪嚙合的重合度增加，并減少齒輪噪聲；為使質(zhì)量小些，應(yīng)該增加模數(shù)，同時(shí)減小齒寬；從工藝方面考慮，各擋齒輪應(yīng)該選用一種模數(shù)，而從強(qiáng)度方面考慮，各擋齒輪應(yīng)有不同的模數(shù)；減少乘用車齒輪工作噪聲有較為重要的意義，因此齒輪的模數(shù)應(yīng)選的小些；對貨車，減小質(zhì)量比減小噪聲更重要，此時(shí)齒輪應(yīng)該選用大些的模數(shù)；變速箱低擋齒輪應(yīng)選用較大些的模數(shù)，其他擋位選用另一種模數(shù)。所選模數(shù)應(yīng)符合GB/T 1357-2008規(guī)定的通用機(jī)械和重型機(jī)械用直齒和斜齒漸開線圓柱齒輪的法向模數(shù)。第一軸常嚙合斜齒輪的法向模數(shù)mn （3-2） （3-3）式中為變速箱傳

6、動(dòng)效率，取96%；為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。由4-3式得=122Nm，進(jìn)而求得=2.33，取m=2.5。一擋直齒輪的模數(shù)m mm （3-4）通過計(jì)算m=2.45，取m=3。 同步器和嚙合套的接合大都采用漸開線齒形。由于制造工藝上的原因，同一變速箱中的結(jié)合套模數(shù)都取相同，轎車和輕型貨車取23.5?！颈驹O(shè)計(jì)取2.5】3.5.2 齒形、壓力角、螺旋角和齒寬b齒輪壓力角較小時(shí)，重合度較大并降低了輪齒剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，能減少進(jìn)入嚙合和退出嚙合時(shí)的動(dòng)載荷，使傳動(dòng)平穩(wěn)，有利于降低噪聲；壓力角較大時(shí)，可提高輪齒的抗彎強(qiáng)度和表面接觸強(qiáng)度。汽車變速箱齒輪的齒形、壓力角、螺旋角按表3-1選取。表3-1 汽車變速箱齒輪的齒形、

7、壓力角與螺旋角項(xiàng)目 車型 齒形壓力角螺旋角轎車 高齒并修形的齒形14.5°，15°，16°16.5°25°45°一般貨車 GB1356-78規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)齒形20°20°30°重型車同上 低擋、倒擋齒輪22.5°，25°小螺旋角因國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為20°，所以變速箱齒輪普遍采用壓力為20°。嚙合套或同步器取30°；斜齒輪螺旋角取30°。應(yīng)該注意的是選擇斜齒輪的螺旋角時(shí)應(yīng)力求使中間軸上是軸向力相互抵消。為此，中間軸上的全部齒輪一律取右旋，而第一軸和

8、第二軸上的的斜齒輪取左旋，其軸向力經(jīng)軸承蓋由殼體承受。齒輪寬度b的大小直接影響著齒輪的承載能力，b加大，齒的承載能力增高。但試驗(yàn)表明，在齒寬增大到一定數(shù)值后，由于載荷分配不均勻，反而使齒輪的承載能力降低。所以，在保證齒輪的強(qiáng)度條件下，盡量選取較小的齒寬，以有利于減輕變速箱的重量和縮短其軸向尺寸。通常根據(jù)齒輪模數(shù)m（mn）的大小來選定齒寬：直齒 b=kcm，kc為齒寬系數(shù)，取為4.58.0斜齒 b= kcmn，kc取為6.08.5b為齒寬（mm）。采用嚙合套或同步器換擋時(shí)，其接合齒的工作寬度初選時(shí)取24mm。第一軸常嚙合齒輪副齒寬的系數(shù)值可取大一些，使接觸線長度增加，接觸應(yīng)力降低，以提高傳動(dòng)的平

9、穩(wěn)性和齒輪壽命。模數(shù)相同的各擋齒輪，擋位低的齒輪的齒寬系數(shù)取得稍大。3.5.3 齒輪變位系數(shù)的選擇齒輪的變位是齒輪設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。采用變位齒輪，除為了避免齒輪產(chǎn)生根切和配湊中心距以外，它還影響齒輪的強(qiáng)度，使用平穩(wěn)性，耐磨性、抗膠合能力及齒輪的嚙合噪聲。由幾對齒輪安裝在中間軸和第二軸組合并構(gòu)成的變速箱，會因保證各擋傳動(dòng)比的需要，使各相互嚙合齒輪副的齒數(shù)和不同。為保證各對齒輪有相同的中心距，應(yīng)對齒輪進(jìn)行變位。當(dāng)齒數(shù)和多的齒輪副采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪傳動(dòng)或高度變位時(shí)，對齒數(shù)和少些的齒輪副應(yīng)采用正角度變位。角度變位可獲得良好的嚙合性能及傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)，采用得多。對斜齒輪傳動(dòng)，還可以通過選擇合適的螺旋角來

10、達(dá)到中心距相同的要求。變速箱齒輪是在承受循環(huán)負(fù)荷的條件下工作，有時(shí)還承受沖擊負(fù)荷。對于高擋齒輪，其主要損壞形勢是齒面疲勞剝落，因此應(yīng)按保證最大接觸強(qiáng)度和抗膠合劑耐磨損最有利的原則選擇變位系數(shù)。為提高接觸強(qiáng)度，應(yīng)使總變位系數(shù)盡可能取大一些，這樣兩齒輪的齒輪漸開線離基圓較遠(yuǎn)，以增大齒廓曲率半徑，減小接觸應(yīng)力。對于低擋齒輪，由于小齒輪的齒根強(qiáng)度較低，加之傳遞載荷較大，小齒輪可能出現(xiàn)齒根彎曲斷裂的現(xiàn)象?？傋兾幌禂?shù)越小，一對齒輪齒根總厚度越薄，齒根越弱，抗彎強(qiáng)度越低。但是由于輪齒的剛度較小，易于吸收沖擊振動(dòng)，故噪聲要小些。根據(jù)上述理由，為降低噪聲，變速箱中除去一、二擋和倒擋以外的其他各擋齒輪的總變位系數(shù)

11、要選用較小的一些數(shù)值，以便獲得低噪聲傳動(dòng)。其中，一擋主動(dòng)齒輪10的齒數(shù)Z10=1517，因此一擋齒輪需要變位。變位系數(shù) （3-5）式中 Z為要變位的齒輪齒數(shù)?！颈驹O(shè)計(jì)中變位系數(shù)根據(jù)上式3-5求得】3.5.4 齒頂高系數(shù)齒頂高系數(shù)對重合度、輪廓精度、工作噪聲、輪齒相對滑動(dòng)速度、輪齒根切和吃定厚度等有影響。若齒頂高系數(shù)小，則齒輪重合度小、工作噪聲大；但因齒輪受到的彎矩減小，輪齒的彎曲應(yīng)力也減少。因此，從前因齒輪加工精度不高，并認(rèn)為齒輪上受到的載荷幾種作用在齒頂上，所以曾采用過齒頂高系數(shù)為0.750.80的短齒制齒輪。在齒9輪加工精度提高以后，短齒制齒輪不再被采用，包括我國在內(nèi)，規(guī)定齒頂高系數(shù)取為1

12、.0。本設(shè)計(jì)中也取齒頂高系數(shù)為1.0。3.6 各擋齒輪齒數(shù)的分配在初選中心距、齒輪模數(shù)和螺旋角以后，可根據(jù)變速箱的擋數(shù)、傳動(dòng)比和傳動(dòng)方案來分配各擋齒輪的齒數(shù)。下面結(jié)合本設(shè)計(jì)來說明分配各擋齒數(shù)的方法。3.6.1 確定一擋齒輪的齒數(shù) 一擋傳動(dòng)比 （3-6） 為了確定Z9和Z10的齒數(shù)，先求其齒數(shù)和: （3-7） 其中 A =67mm、m =3；故有。 圖3-1 三軸五速變速箱示意圖乘用車中間軸式變速箱時(shí)，則中間軸上一擋齒輪的齒數(shù)可在1517之間選取，此處取=15，則可得出=30。上面根據(jù)初選的A及m計(jì)算出的可能不是整數(shù)，將其調(diào)整為整數(shù)后，從式（3-7）看出中心距有了變化，這時(shí)應(yīng)從及齒輪變位系數(shù)反過

13、來計(jì)算中心距A，再以這個(gè)修正后的中心距作為以后計(jì)算的依據(jù)。這里修正為45，則根據(jù)式（3-7）反推出A=67.5mm。3.6.2 確定常嚙合齒輪副的齒數(shù)由式（3-6）求出常嚙合齒輪的傳動(dòng)比 （3-8）由已經(jīng)得出的數(shù)據(jù)可確定 而常嚙合齒輪的中心距與一擋齒輪的中心距相等 （3-9）由此可得： （3-10)而根據(jù)已求得的數(shù)據(jù)可計(jì)算出： 。 與聯(lián)立可得：=17、=30。則根據(jù)式（3-6）可計(jì)算出一擋實(shí)際傳動(dòng)比為：i1=3.53 。3.6.3 確定其他擋位的齒數(shù)二擋傳動(dòng)比 （3-11）而 ，故有： 對于斜齒輪， （3-12）故有： 聯(lián)立得：。按同樣的方法可分別計(jì)算出：三擋齒輪 ；四擋齒輪 。3.6.4 確

14、定倒擋齒輪的齒數(shù)一般情況下，倒擋傳動(dòng)比與一擋傳動(dòng)比較為接近，在本設(shè)計(jì)中倒擋傳動(dòng)比取3.5。中間軸上倒擋傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)比一擋主動(dòng)齒輪10略小，取。而通常情況下，倒擋軸齒輪取2123，此處取=23。由 （3-13）可計(jì)算出。故可得出中間軸與倒擋軸的中心距 （3-14) =45mm 而倒擋軸與第二軸的中心: （3-15)=61.25mm。各擋齒輪相關(guān)參數(shù)如下表3-2所示：表3-2 齒輪相關(guān)參數(shù)名稱符號齒數(shù)z模數(shù)m分度圓直徑d（mm）基圓直徑db壓力角螺旋角齒寬b（mm）1軸常嚙合齒輪Z1172.542.539.920°30°20中間軸5擋齒輪Z2307570.5184擋從動(dòng)齒輪Z

15、32152.549.3204擋主動(dòng)齒輪Z4266561.1183擋從動(dòng)齒輪Z5266561.1223擋主動(dòng)齒輪Z62152.549.3222擋從動(dòng)齒輪Z7287065.8202擋主動(dòng)齒輪Z81947.544.6221擋從動(dòng)齒輪Z93039084.60°201擋主動(dòng)齒輪Z10154542.322倒擋從動(dòng)齒輪Z11262.56561.130°20倒擋主動(dòng)齒輪Z12123028.222倒擋軸齒輪Z132357.554.022第四章 變速箱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算和材料選擇4.1 齒輪的損壞形式變速箱齒輪的損壞形式主要有：輪齒折斷、齒面疲勞剝落（點(diǎn)蝕）、移動(dòng)換擋齒輪端部破壞以及齒面膠合。輪齒

16、折斷分一下兩種情況：輪齒受到足夠大的沖擊載荷作用，造成輪齒彎曲折斷；輪齒在重復(fù)載荷作用下，齒根產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展深度逐漸加大，然后出現(xiàn)彎曲折斷。前者在變速箱中出現(xiàn)的極少，而后者出現(xiàn)的較多。輪齒工作時(shí)，一對齒輪相互嚙合，齒面相互擠壓，這時(shí)存在于吃面細(xì)小裂縫中的潤滑油壓升高，并導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展，然后齒面表層出現(xiàn)塊狀剝落而形成小麻點(diǎn)，稱之為齒面點(diǎn)蝕。它使齒形誤差加大，產(chǎn)生動(dòng)載荷，并可能導(dǎo)致輪齒折斷。用移動(dòng)齒輪的方法完成換擋的低擋和倒擋齒輪，由于換擋時(shí)兩個(gè)進(jìn)入嚙合的齒輪存在角速度差，換擋瞬間在輪齒端部產(chǎn)生沖擊載荷，并造成損壞。4.2 輪齒強(qiáng)度計(jì)算與其他機(jī)械設(shè)備用變速箱比較，不同用途汽車的變速箱齒輪使用

17、條件仍是相似的。此外，汽車變速箱齒輪所用的材料、熱處理方法、加工方法、精度等級、支撐方式也基本一致。如汽車變速箱齒輪用低碳合金鋼制造，采用剃齒或齒輪精加工，齒輪表面采用滲碳淬火熱處理工藝，齒輪精度不低于7級。因此，比用于計(jì)算通用齒輪強(qiáng)度公式更為簡化一些的計(jì)算公式來計(jì)算汽車齒輪，同樣可以獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。本設(shè)計(jì)在這里所選擇的齒輪材料為40Cr，采用計(jì)算汽車變速箱齒輪強(qiáng)度用的簡化公式。4.2.1 輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算1）直齒輪彎曲應(yīng)力 （4-1）式中：為彎曲應(yīng)力（MPa）；為一擋齒輪10的圓周力（N），=2Tg/d；其中Tg為計(jì)算載荷（N·mm），d為節(jié)圓直徑；為應(yīng)力集中系數(shù)，可近似取1.

18、65；為摩擦力影響系數(shù)，主動(dòng)齒輪取1.1，從動(dòng)齒輪取0.9；b為齒寬（mm），取18；t為端面齒距（mm）,t=m；y為齒形系數(shù)。如圖4-1所示，當(dāng)處于一擋時(shí)，中間軸上的計(jì)算扭矩為： （4-2） =122100030/1530/17 =430588Nm 故由 可以得出；再將所得出的數(shù)據(jù)代入式（5-1）可得 當(dāng)計(jì)算載荷取作用到變速箱第一軸上的最大扭矩時(shí)，一擋直齒輪的彎曲應(yīng)力在400850MPa之間。2)斜齒輪彎曲應(yīng)力 （4-3） y式中 為重合度影響系數(shù)，取2.0；其他參數(shù)均與式（4-1）注釋相同，圖4-1齒形系數(shù)圖選擇齒形系數(shù)y時(shí)，按當(dāng)量模數(shù)在圖（4-1）中查得。 二擋齒輪圓周力： （4-4）根據(jù)斜齒輪參數(shù)計(jì)算公式可得出：=6798.8N齒輪8的當(dāng)量齒數(shù)=47.7，由圖（5-1）得：。故 同理可得： 。依據(jù)計(jì)算二擋齒輪的方法可以得出其他擋位齒輪的彎曲應(yīng)力，其計(jì)算結(jié)果如下：三擋：四擋：五擋： 當(dāng)計(jì)算載荷取作用到第一軸上的最大扭矩時(shí)，對常嚙合齒輪和高擋齒輪，許用應(yīng)力在180350MPa范圍內(nèi)，因此，上述計(jì)算結(jié)果均符合彎曲強(qiáng)度要求。4.2.2 齒輪接觸應(yīng)力 （4-5） 式中， -齒輪的接觸應(yīng)力（MPa）； F -齒面上的法向力（N），； -圓周力在（N）， ； -節(jié)點(diǎn)處的壓力角（°）；-齒輪螺旋角（°）；E-