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汽车设计课程设计

题目: 汽车变速器设计

设计题目、要求及任务是：

金杯牌SY6474轻型客车变速器设计（4＋1）档 设计参数有：

发动机: Memax=173 N·m ； 车速：Vmax=110 Km=4000 rmin ； 车轮滚动半径：R0=0.35 m ； 汽车总质量：2470 Kg ； 爬坡度：32﹪ ； 主减速比：i0=5.375 ；

驱动轮上法向反作用力：FZ=1181 Kg ；

设计要求：采用中间轴式，全同步器换档，要进行齿轮参数设计计算，对一档齿轮的接触强度、弯曲应力进行校核计算。

1 目录

目录 ...............................................................................................................................................................

第一章 变速器的功用和要求 ...................................................................................................................

第二章 变速器的方案论证 .......................................................................................................................

第一节 变速器类型选择及传动方案设计 .........................................................................................

一、结构工艺性 ...........................................................................................................................

二、变速器的径向尺寸 ...............................................................................................................

三、变速器齿轮的寿命 ...............................................................................................................

四、变速器的传动效率 ...............................................................................................................

第二节 变速器传动机构的分析 .........................................................................................................

一、换档结构形式的选择 ...........................................................................................................

二、倒档的形式及布置方案 .......................................................................................................

第三节 变速器操纵机构方案分析 .................................................................................................

一、变速器操纵机构的功用 .......................................................................................................

二、设计变速器操纵机构时，应该满足以下基本要求 ...........................................................

三、换档位置 ...............................................................................................................................

第三章 变速器设计计算 ...........................................................................................................................

第一节 变速器主要参数的选择 .........................................................................................................

一、轴的直径 ...............................................................................................................................

二. 传动比的选择 .......................................................................................................................

三、中心矩A ................................................................................................................................

四、齿轮参数选择 .......................................................................................................................

第二节 齿轮的强度校核 .....................................................................................................................

一、齿轮的损坏形式 ...................................................................................................................

2 二、齿轮强度校核 .......................................................................................................................

参考文献 .......................................................................................................................................................

第一章 变速器的功用和要求

现代汽车上广泛采用活塞式内燃机作为动力源，其转矩和转速变化范围较小，而复杂的使用条件则要求汽车的牵引力和车速能在相当大的范围内变化。为了解决这一矛盾，在传动系中设置了变速器。根据汽车在不同的行驶条件下提出的要求，改变发动机的扭矩和转速，使汽车具有合适的牵引力和速度，并同时保持发动机在最有利的工况范围内工作。此外，为保证汽车倒车及使发动机和传动系能够分离，变速器应具有倒档和空档。一般的，变速器设有倒档和空档，以使在不改变发动机旋转方向的情况下，汽车能够倒退行驶和空档滑行、或停车时发动机和传动系能保持分离。在有动力输出需要时，还应有功率输出装置。

为保证变速器具有良好的工作性能，达到使用要求，所以变速器的设计必须要满足以下的使用条件：

（一）应该合理的选择变速器的档数和传动比，使汽车具有良好的动力性和经济性；

（二）工作可靠，操纵轻便。汽车行驶过程中，变速器内不应有跳档、乱档、换档等冲击等现象发生。此外，为减轻驾驶员劳动强度，提高行驶安全性操纵轻便性的要求日益突出。——可通过同步器或气动换档，自动、半自动换档来实现；

（三）传动效力高；

（四）结构紧凑，尽量做到质量轻、体积小、制造成本底。 （五）噪音小、为了减少齿轮的啮合损失，应设有直接档，此外，还

3 有合理的齿轮型式以及结构参数，提高其制造和安装精度；

它的功用：

（一）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，如起步、加速、上坡等，同时使发动机在有利的工况下工作；

（二）在发动机旋转方向不变的前提下，使汽车能倒退行驶； （三）利用空挡，中断动力传递，以使发动机能够起动、怠速，并便于变速器换档或进行动力输出

第二章 变速器的方案论证

第一节 变速器类型选择及传动方案设计

变速器的种类很多，按其传动比的改变方式可以分为有级、无级和综合式的 。 有级变速器根据前进档数目的不同，可以分为三、四、五档和多档变速器；而按其轴中心线的位置又分为固定轴线式、螺旋轴线（行星齿轮）式和综合式的。其中，固定式变速器应用较广泛，又可分为两轴式，三轴式和多轴式变速器。

现代汽车大多都采用三轴式变速器。以下是两轴式和三轴式变速器的传动方案。要采用哪一种方案，除了汽车总布置的要求外，主要考虑以下四个方面：

一、结构工艺性

两轴式变速器输出轴与主减速器主动齿轮做成一体，当发动机纵置时，主减速 可用螺旋圆锥齿轮或双曲面齿轮，而发动机横置时用圆柱齿轮，因而简化了制造工艺。

二、变速器的径向尺寸

4 两轴式变速器的前进档均为一对齿轮副，而三轴式变速器则有两对齿轮副。因此，对于相同的传动比要求，三轴式变速器的径向尺寸可以比两轴式变速器小得多。

三、变速器齿轮的寿命

两轴式变速器的低档齿轮副大小相差悬殊，小齿轮工作循环次数比大齿轮要高得多，因此，小齿轮工作寿命比大齿轮要短。三轴式变速器的各前进档均为常啮合齿轮传动，大小齿轮的径向尺寸相差较小，因此寿命比较接近。在直接档时，齿轮只是空转，不影响齿轮寿命。

四、变速器的传动效率

两轴式变速器，虽然可以有等于1的传动比，但是仍要有一对齿轮传动，因而有功率损失。而三轴式变速器，可以将输入轴和输出轴直接相连，得到直接档，因而传动效率高，磨损小，噪声也小。

而这次设计的变速器是轻型客车使用，所以采用三轴式变速器。

第二节 变速器传动机构的分析

根据第一节所述，采用中间轴式变速器，在各档数相同的条件下，各变速器的差别主要在常啮合齿轮对数，换档方案和倒档传动方案。

一、换档结构形式的选择

目前，汽车上的机械式变速器的换档结构形式有直齿滑动齿轮，啮合套和同步器换档三种。 （一） 滑动齿轮换档

通常是采用滑动直齿轮换档，但也有采用滑动斜齿轮换档的。滑动直齿轮换档的优点是结构简单、紧凑、容易制造。缺点是换档时齿端面承受很大的冲击会导致齿轮过早损坏，并且直齿轮工作噪声大，所以这种换档方式一般仅用在一档和倒档上。

5

力，这时：

式中：——最大驱动力； ———滚动阻力； —— 最大上坡阻力。 根据最大爬坡度确定一档传动比 i1≥m×g×(f×cosα

max

+sinα

max

)R0(η)

——（《汽车现代设计制造》P36）

式中：——发动机最大扭矩；为173N.m ——变速器一档传动比； ——主传动器传动比， =5.375； m——汽车总质量＝1960kg； f——道路滚动阻力系数取0.02； η——传动系机械效率，取0.85； g ——重力加速度取9.8； ——驱动轮滚动半径，取0.35m； α

max

——汽车最大爬坡度为32％，即α

max

＝17.740

i1≥3.10，取i1=3.84。

由 —（《汽车理论》第 3版P5-9）

式中，q为常数，也就是各档之间的公比，一般认为q不宜大于1.7-1.8。

由中等比性质；得： =i1

(n-m)(n-1)

m——档位数，取m=2,3,4, n——档数，n=4 ；

11 i2=2.452；i3=1.566；i4=1.0(直接档)； i1i2=1.566；i2i3=1.566；i3i4=1.566； 符合q的要求。

∴i1=3.840, i2=2.452, i3=1.566, i4=1.000。

三、中心矩A

对于中间轴式变速器，是将中间轴与第二轴之间的距离称为变速器中心距A

初选中心矩A时，可根据经验公式计算

A=Ka×(Temax×i1×ηg)13 （3.2）

--（《汽车设计》第4

版P90）

Ka—— 中心矩系数：Ka=8.6~9.6,取9.0； —— 变速器一档传动比；

—— 变速器传动效率：取ηg＝97％；

Memax —— 发动机的最大输出转矩，单位为（Nm）； ∴A＝9.0*（173*3.840*0.97）13＝77.74mm 初选A=78mm

四、齿轮参数选择

（一）模数的选择

影响齿轮模数的选取因素很多，如齿轮强度、质量、噪声、工艺要求等。选取齿轮模数时一般遵循的原则是：为了减少噪声应合理减少模数，同时增加齿宽；为使质量小些，应增加模数，同时减小齿宽；从工艺方面考虑，各档齿轮应选用同一种模数，而从强度方面考虑，各档齿轮应该有不同的模数，对客车，减小噪声比减少质量更重要，故齿轮应选用小些的

12 模数。该设计选用同一模数进行，对于排量1.6

为2.75—3.0。故斜齿轮法向模数mn=2.75；直齿轮模数取.m=2.75。

-- （《汽车设计》第4版P91）

（二）压力角α的选择

压力角较小时，重合度较大，传动平稳，噪声较低；压力角较大时，可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。对于轿车，为重合度以降低噪声，应采用14.5°，15°，16°，16.5°等小些的压力角；对货车，为提高齿轮的承载能力，应选用22.5°或25°等大些的压力角，实际上，因国家规定的标准压力角为20°，所以变速器齿轮普遍采用的压力角为20°。

--（《汽车设计》第 4版P91） （三）螺旋角β

选取斜齿轮的螺旋角，应注意到它对齿轮工作噪声，轮齿的强度和轴向力有影响。在齿轮选取大的螺旋角时，齿合重合度增加，工作平稳，噪声低。随着β增大，齿的强度也相应提高，不过，当螺旋角大于30°时，抗弯强度急剧下降。乘用车中间轴式变速器斜齿螺旋角的选择范围：22-34°。

初选°，°，° （四）齿宽b

齿宽的选择，应注意到齿宽对变速器的轴向尺寸、齿轮工作平稳性、齿

强度和齿轮工作时受力的均匀程度。 通常根据模数m（mn）来选择齿宽： 直齿：b=Kcm, Kc为齿宽系数，取4.5～8

13 斜齿：b=Kcmn，Kc取为6.0～8.5； --（《变速器》第1版P15）

*直齿

b=(4.5～8)×2.75=12.375～22(mm) b7=20mm, b8=22mm, b11=20mm *斜齿

b=(6.0～8.5)×2.75=16.5～23.375(mm) b1=20mm, b2=18mm, b3=20mm, b4=18mm b5=18mm, b6=20mm, b9=18mm, b10=20mm； （五）各档齿数Z

齿数确定原则：各档齿轮齿数比应尽可能不是整数。 * 一档齿轮齿数

1)斜齿Zh=2×A×cosβ

9.10

mn,选取β

9.10

＝（3.3）

Zh=2×78×cos24°2.75 =51.822 取=52（圆整）

由进行大小齿轮齿数分配，为使的传动比更大些， 取Z9=34,Z10=18； 2)A=mn×(Z9+Z10)(2×cosβ9.10

)

（3.4）

=2.75×(34＋18)(2 ×cos24°)=78.27mm 取A＝78； 3)Z2Z1

＝i1Z10Z9=3.840×1834=2.0329（3.5）

4)由A= mn×(Z1+Z2)(2×cos)得

14 24°，

；

Z1+Z2＝2×78×cos27°2.75=50.54，取Z1+Z2＝51； 取Z1=17，Z2=34（圆整）； 5)修正i1 i1

=Z2×Z9(Z1×Z10)

（3.6）

=34×34（17×18） =3.7778

i%=(|3.840-3.7778|3.7778)×100% =1.6%<5% (合格)； 6）修正β

由A＝mn(Z2+Z1)2*cosβ1.2

得 β

1.2

＝arccos［

mn×(Z1+Z2)2*A

（3.7）

同理 β

9.10

＝arccos［mn×(Z9+Z10)2*A］=23.56°

确定Ⅱ档齿轮齿数（取β5.6

＝24°）

1)Z5Z6=i2×Z1Z2=2.452×1734=1.2599； 2)Z5+Z6=2×A×cosβ

5.6

=2×78×cos24°2.75 =52.0000 取Z5+Z6 =52(圆整)

Z5=29,Z6=23； 3)修正i2

i2 ＝Z2×Z5（Z1×Z6 ) ＝34×29（17×23）

15 ］

=26.37°

＝2.5217

i2％＝（|2.5217-2.452|2.452）×100% ＝0.3%<5% (合格)； 4)修正β β

5.6

5.6

＝arccos［mn(Z5+Z6)A*2］=23.56°

1.2

5)tgβtg5.6=1.113

Z2(Z1+Z2)×(1+Z5Z6)=1.507 |1.508-1.195|=0.344<0.5 两者相差不大，近似认为轴向力平衡。 确定Ⅲ档齿轮齿数（β

1)Z3Z4＝i3×Z1Z2 ＝1.566×1734 ＝0.783

2)由A＝mn×(Z3+Z4)2*cosβZ3＋Z4 ＝2×A×cosβ

3.4

3.4

3.4

＝20 °）

,取cosβ

3.4

＝24°,得

mn

=2×78×cos24°2.75 =51.82

取Z3＝23，Z4＝29 （圆整）； 3)修正i3

i3=Z2×Z3（Z1×Z4) =34×23（17×29） =1.586

i3%=（|1.586-1.566|1.566）×100% =1.3%<5% 4)修正β

3.4

16 β

3.4

＝arccos［mn×(Z3+Z4)2*A］

=23.56° 5)tgβ

1.2

tgβ

3.4

=1.113

Z2(Z1+Z2)×(1+Z3Z4)=1.200 |1.200-1.166|=0.034<0.5

两者相差不大，近似满足轴向力的平衡条件。

确定倒档传动比

倒档齿轮的模数往往与一档相同，为保证中间轴倒档齿轮不发生根切，初选Z8＝ 18，倒档齿轮一般在21～23之间选择。

初选Z11＝22。 ——（《汽车设计》第4版P96）

根据中间轴和输出轴的中心距A=78mm 那（3.10）

=2.75×(22+18)2 =55.00mm

2)第二轴与倒档轴之间的中心矩A

A′′=mn×(Z7+Z8)2 =2.75×(32+18)2 =68.750mm A′+A′′=123.75>A=78 3)由A=m(Z7+Z8+4ha)2.0+间隙 得

间隙＝A－m×(Z7+Z8+4ha)2.0 ＝78－2.75×(32+18+4×1)2.0 ＝1.625＞0.5

17 么 78= mn×(Z7+Z8)2+2*×(Z11+Z8)2

齿轮能正常啮合且不发生运动干涉。 （六）齿轮精度的选择

根据推荐，提高高档位齿轮的性能，取Z1～Z4为6级，Z5～Z11为7级。 （七）螺旋方向

由于斜齿轮传递扭矩时要产生轴向力，故设计时应要求中间轴上的轴向力平衡。故中间轴上全部齿轮螺旋方向一律做齿轮取左旋，其轴向力经轴承盖由壳体承受。 （八）齿轮变位系数的计算

选择变位系数首先要考虑到齿轮传动的使用场合和齿轮的材料和热处理等，使变位后的齿轮性能达到预期的要求，如提高承载能力，避免根切等。由于齿轮的变位影响齿轮的加工和齿轮的尺寸，因此，齿轮变位系数的选择受到一定条件的限制：外齿轮要保证加工时不根切和不顶切，保证必要的齿顶厚，保证必要的重合度以及啮合时不干涉。合理的选择是既要满足齿轮使用性能方面的要求，又满足变位的限制条件。

变位系数的计算：

已知实际中心距A’，β，mn，Z 1) 根据中心距求啮合角α中：9≥k≥1

则分别求出αt =22.12°，21.52°，21.52°，20°,21.52°。 2) 在图中，分别求出αt 后，由o点按做射线，与Z= Zk+ Zk+1处向上引垂线相交于一点，在该点的纵坐标值即为所求的变位系数和X，该点在线图的许用区内，故可用。由也可按无侧隙啮合方程式求得X=0

3） 根据齿数比u= Zk+1 Zk，故应按线图左侧的斜线分配X，自该点做水平线与斜线交于C点，C点横坐标即为X1；

18 t

cosαt= mn(Zk+ Zk+1) cosα(2*A) 其

X2=X-X1 (3.11) 查封闭图可得： 表3.1

Zi XI Z8 0.00 Z9 0.00 Z10 0.00 Z11 0.00 Z1 0.25 Z2 -0.25 Z 3 Z4 Z5 Z6 0.00 Z7 0.00 0.125 -0.125 0.00 --（《渐开线齿轮变位系数的选择》P28）

（九）计算所得齿轮参数： 表3.2 Z b β 17 34 20 18 26.37° 3.01 2.75 22.12° ° ° 3.00 2.75 21.5223 20 29 18 23.56 29 18 23 20 23.56° 3.00 2.75 21.52° 32 20 18 22 0° 2.75 2.75 20° 34 18 18 20 23.56° 22 20 0° 3.00 2.75 2.75 21.52° 3.75 2.25 3.302.569 3.000 3.000 2.75 2.75 3.000 3.000 2.75 19 3 3.00 4.50 3.375 3.434.125 3.750 3.750 3.438 3.438 3.750 3.750 8 102.060.587.00 87.00 69.00 88.00 49.50 54.00 0 0 108.066.092.25 93.00 75.00 93.50 55.00 60.00 0 0 d 51.0102.069.00 0 0 58.5106.575.70 45.00 0.145 0 5 62.281.1242.6294.5053.693.00 78.75 79.50 61.50 45.50 5 5 5 0 3 0.130.130.132 0.124 0.124 0.125 0.132 0.144 0.141 0.135 8 8 y (1) 直齿圆柱齿轮： (2) 斜齿圆柱齿轮： 分度圆直径：d=Z×m 端面模数=cosβ 齿顶高ha=m（+） 分度圆直径：d=Z×mt

齿根高hf=(=C×(Temax×i×9.55×106)13 （mm）

齿轮1处： dmin=100×（1.6×105×1.000×0.969.55×106）13＝25.24(mm)；

齿轮3处： dmin=100×（1.6×105×1.632×0.969.55×106）13＝29.72(mm);

齿轮5处： dmin=100×（1.6×105×2.902×0.969.55×106）13＝36.00(mm);

齿轮7处： dmin=100×（1.6×105×4.590×0.969.55×106）13＝41.95(mm);

齿轮9处： dmin=100×（1.6×105×4.865×0.969.55×106）13

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