奥腾皮卡变速器设计

摘 要

变速器由传动机构和操纵机构组成，其基本功用是改变传动比，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，是汽车传动系的重要组成。变速器的结构要求对汽车的动力性、燃料经济性、换档操纵的可靠性与轻便性、传动平稳性与效率等都有直接的影响。

本次设计的题目是奥腾皮卡变速器设计。依据皮卡相关参数可设计出基本符合要求的中间轴式手动变速器。中间轴式变速器由于具有体积小、原理简单、工作可靠、操纵方便等优点，故在大多数汽车中广泛应用。本设计研究中间轴式五档手动变速器，其目的主要是基于对机械原理、机械设计、AutoCAD等知识的熟练运用和掌握，同时运用汽车构造、汽车设计、材料力学等学科知识，对中间轴式变速器的各部件进行设计，并利用AutoCAD软件绘制装配图和零件图。本文将概述变速器的现状和发展趋势；对其工作原理进行阐述，选择合理的传动方案进行设计；确定各档传动比及齿轮参数选择；对变速器的各档齿轮和轴以及轴承做了详细的设计计算与校核；对同步器和操纵机构及箱体进行选择。

关键词：变速器；传动比；齿轮；轴；设计计算；校核

ABSTRACT

Transmission by the transmission and control mechanism, whose basic use is to change the gear ratio, wheel torque and speed to expand the range to meet the constantly changing driving conditions, while making the engine work in a favorable condition, a car assembly an important component parts. The structural requirements of the automobile transmission of power, fuel economy, shift control of the reliability and portability, stability and efficiency of transmission has a direct impact.

The subject of this design is the Austrian Teng pickup transmission design. Pickup based on the basic parameters can be designed to meet the requirements of the intermediate shaft manual transmission. Since the middle of transmission shaft is small, the principle is simple, reliable, and easy manipulation, it is widely used in most cars. The design of the middle axis five-speed manual transmission, its main purpose is based on mechanical principles, mechanical design, AutoCAD and other skilled use of knowledge and mastery, while the use of vehicle structure, automotive design, materials, mechanics and other disciplines of knowledge, on the intermediate shaft Transmission of the parts design and assembly drawing using AutoCAD software and part drawing. This paper will outline the status and development trend of transmission; its working principle described, a reasonable choice of transmission scheme design; to determine the file transmission gear ratio and parameters; on the transmission gears and shafts, and all files in detail the design bearing calculation and verification; on the synchronizer and the control mechanism and the selection box.

Key words: Transmission；Transmission Ratio； Gear；Shaft；Design and Calculation

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目 录

摘 要 .............................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................................. II 第1章 绪 论 ............................................................................................................. 1

1.1变速器简述 ............................................................................................................... 1 1.2变速器的研究现状与发展趋势 ............................................................................... 1 1.3变速器设计的研究方法与目的意义 ....................................................................... 2

第2章 皮卡主要参数与变速器结构方案的确定 ................................................ 4

2.1确定总质量 ............................................................................................................... 4 2.2选择发动机型号 ....................................................................................................... 5 2.3确定最高车速 ........................................................................................................... 5 2.4变速器传动机构的布置 ........................................................................................... 6

2.4.1两轴式变速器和中间轴式变速器的特点分析 ............................................ 7 2.4.2变速器倒档布置 ............................................................................................ 7 2.4.3各档齿轮位置安排 ........................................................................................ 8 2.5变速器齿轮形式与自动脱档分析 ........................................................................... 9

2.5.1齿轮形式 ........................................................................................................ 9 2.5.2变速器自动脱档分析 .................................................................................. 10 2.6本章小结 ................................................................................................................. 10

第3章 变速器主要参数的确定 ............................................................................... 11

3.1变速器档位数目及各档传动比的确定 ................................................................. 11

3.1.1变速器档位数目的确定 .............................................................................. 11 3.1.2主传动比的确定 .......................................................................................... 11 3.1.3变速器各档传动比的确定 .......................................................................... 12 3.2变速器中心距的确定 ............................................................................................. 14 3.3变速器的外形尺寸 ................................................................................................. 14 3.4齿轮参数的选择 ..................................................................................................... 15

3.4.1齿轮模数 ...................................................................................................... 15 3.4.2齿形、压力角及螺旋角 .............................................................................. 17 3.4.3齿宽 .............................................................................................................. 19 3.4.4齿顶高系数 .................................................................................................. 19 3.4.5齿轮的修正 .................................................................................................. 19 3.5各档齿轮齿数分配 ................................................................................................. 20

3.5.1确定一档齿轮齿数 ...................................................................................... 20 3.5.2对中心距A进行修正 .................................................................................. 21 3.5.3确定常啮合齿轮副齿数 .............................................................................. 22 3.5.4确定其他各档齿轮齿数 .............................................................................. 24 3.5.5确定倒档齿轮齿数 ...................................................................................... 29 3.6本章小结 ................................................................................................................. 31

第4章 变速器齿轮设计及校核 ............................................................................... 32

4.1齿轮材料的选择 ..................................................................................................... 32 4.2各轴的转矩计算 ..................................................................................................... 33 4.3齿轮强度校核 ......................................................................................................... 34

4.3.1轮齿的弯曲应力 .......................................................................................... 34 4.3.2轮齿的接触应力 .......................................................................................... 36 4.3.3各档齿轮的强度校核 .................................................................................. 37 4.4计算各档齿轮的受力 ............................................................................................. 44 4.5本章小结 ................................................................................................................. 47

第5章 变速器轴和轴承的设计及校核 ................................................................. 48

5.1轴的设计 ................................................................................................................. 48

5.1.1轴的设计要求及结构设计 .......................................................................... 48 5.1.2轴的尺寸设计 .............................................................................................. 49 5.2轴的校核 ................................................................................................................. 51

5.2.1轴的刚度校核 .............................................................................................. 51 5.2.2轴的强度校核 .............................................................................................. 56 5.3轴承的选择及校核 ................................................................................................. 61

5.4本章小结 ................................................................................................................. 66

第6章 同步器的选择 ................................................................................................. 67

6.1锁销式同步器 ......................................................................................................... 67 6.2锁环式同步器 ......................................................................................................... 68 6.3本章小结 ................................................................................................................. 69

第7章 操纵机构与箱体的选择 ............................................................................... 70

7.1操纵机构的选择 ..................................................................................................... 70

7.1.1变速操纵杆的布置 ...................................................................................... 70 7.1.2换档锁装置 .................................................................................................. 71 7.2变速器箱体的设计 ................................................................................................. 73 7.3本章小结 ................................................................................................................. 73

结 论 ........................................................................................................................... 74 参考文献 ........................................................................................................................... 75 致 谢 ........................................................................................................................... 76 附 录 ........................................................................................... 错误！未定义书签。

第1章 绪 论

1.1变速器简述[1]

自从汽车诞生时起，汽车变速器就在汽车传动系中扮演着至关重要的角色。现代汽车广泛采用往复活塞式内燃机为主要动力源，而发动机的扭矩、转速与汽车的牵引力、车速要求之间的矛盾，靠现代汽车的内燃机自身是无法解决的。为此，在汽车传动系中设置了变速器。作用是改变了汽车的传动比，扩大了驱动车轮转矩和转速范围，使车辆适应各种变化的行驶工况，同时使发动机在理想工况下工作。变速器还能使汽车以非常低的稳定车速行驶，而这种低的车速只靠内燃机的最低稳定车速是难以达到的。变速器的倒档使汽车能倒退行驶；其空档能中断发动机传递的动力，以便发动机的启动、怠速。

随着汽车工业的不断发展，人们对汽车的性能要求越来越高，汽车的性能、使用寿命、能源消耗、振动噪声等很大程度取决于变速器的性能，因此必须重视对变速器的设计。它的性能影响到汽车的动力性和经济性指标。变速器的结构除了对汽车的动力性、经济性有影响同时对汽车操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率等都有直接影响。变速器与主减速器及发动机的参数做优化匹配，可得到良好的动力性与经济性；采用自锁及互锁装置，倒档安全装置，其他结构措施，可使操纵可靠，不产生跳档、乱档、自动脱档和误挂倒档；采用同步器可使换档轻便，无冲击及噪声；采用斜齿轮、修形及参数优化等措施可使齿轮传动平稳、噪声低。众多汽车工程师在改进汽车变速器性能的研究中倾注了大量心血，使变速器技术得到飞速的发展。

1.2变速器的研究现状与发展趋势[2]

自从汽车采用内燃机作为动力装置开始，变速器就成为汽车重要的组成部分。距1894年一个法国工程师给一辆汽车装上世界上第一个变速器至今，汽车变速器已经经过了一百多年的发展。现代汽车变速器的发展十分快，不断出现崭新的变速器装置。变速器技术的每次跨越，都和相关学科的发展密切相关。计算机技术、自动控制技术、模糊控制、神经网络、先进制造技术、运动仿真等为变速器的进一步发展提供了有力的保障。变速器的发展也给相关学科提出更高的理论要求，使人类的认识迈向新的、更高的境界。

使用最早的是手动变速器，国内最早的东风解放所用的是手动变速器，但手动变速器也并非一成不变，早期的变速器，那时国内还在实用不带同步器的变速器，换挡要依据经验来判断发动机转速和汽车速度是否同步才能进行，并且升档和降档要求的油离配合还不一样。后来为了方便驾驶，在领个相邻齿轮间装上了同步器，依靠同步器的作用，我们换挡就不需要去判断车速了。目前手动变速器依然在汽车界应用非常广泛，但自动变速器是今后变速器发展的必然趋势。

现代汽车工业的飞速发展以及人们对汽车的要求不断的变化，机械式变速器不能满足人们的需要。从40年代初，美国成功研制出两档的液力-机械变速器以来，自动变速器技术得到了迅速发展。80年代，美国已将液力自动变速器作为轿车的标准装备。1983年时，美国通用汽车公司的自动变速器装车率已经达到了94%。近些年来，由于电子技术和电子计算机技术的发展，自动变速器技术已经达到了相当高的水平。

目前，国内变速器厂商都朝自动变速器和无级变速器方向发展，国内现已有多款轿车已经应用上无级变速器，而重型汽车则采用多中间轴的形式，将低速档和高速档区分开。汽车行驶的速度是不断变化的，这就要求汽车的变速器的变速比要尽量多，这就是无级变速(Continuously Variable Transmission简称\。尽管传统的齿轮变速箱并不理想，但其以结构简单、效率高、功率大三大显着优点依然占领着汽车变速箱的主流地位。

一百多年后的今天，汽车还没有使用上满意的无级变速箱。但是,人们始终没有放弃寻找实现理想汽车变速器的努力,各大汽车厂商对无级变速器(CVT)表现了极大的热情，极度重视CVT在汽车领域的实用化进程。这是世界范围尚未根本解决的难题，也是汽车变速器研究的终极目标。

今后变速器技术将会朝着节能环保、应用新型材料、高性能、低成本、微型化、智能化、集成化的方向发展并会取得重大成果。

1.3变速器设计的研究方法与目的意义[3]

从轻型货车的特性上来说，手动变速器的功用是其他变速器所不能替代的。本课题取材于汽车中比较实用的皮卡汽车，皮卡车载货或在雨、雪路面上行驶时，动力性好，越野性能出色。为了满足消费者对汽车高性能、安全性、可靠性、舒适性的需求，对变速器的性能要求也更高。因此，本课题主要是针对机械式变速器的设计。

汽车变速器的设计是一个复杂的系统工程，其设计的成功与否决定着车辆的平顺性、动力性和燃油经济性等多方面的设计要求。这就对变速器设计人员提出较高的要求。我们除了要对汽车变速器的结构进行了合理的布置外，还运用了材料力学、机械

原理、机械设计等知识，对变速器的重要零件轴和齿轮进行受力分析，强度、刚度的校核，以及为这些零件选择合理的工程材料和热处理方法，同时也为变速器选择合理的同步器和操纵机构。

本次设计主要是根据给定皮卡车的车型参数，通过对变速器各部分参数的选择和计算，设计出一种基本符合要求的手动5档变速器。本文要完成的有下面一些主要工作：

1．主要参数计算。包括变速器传动比计算、中心距计算、齿轮参数计算、各档齿轮齿数的分配。

2．变速器齿轮设计计算。变速器齿轮几何尺寸计算；变速器齿轮的强度计算及材料选择；计算各轴的扭矩和转速；齿轮强度计算及检验。

3．变速器轴设计计算。包括各轴直径及长度计算、轴的结构设计、轴的强度计算、轴的加工工艺分析。

4．变速器轴承的选择及校核。

5．同步器、变速器操纵机构和箱体的设计选用。

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