【導(dǎo)讀】本次設(shè)計的題目是輕型貨車變速器設(shè)計，采用車型為長城風(fēng)駿皮卡。能夠起動、怠速，并便于變速器換擋或進(jìn)行動力輸出。采用中間軸式變速器，該變速器具有兩個突出的優(yōu)點：一是其直接檔的傳動效率高，磨損及噪聲也最小；二是在齒輪中心距較小的情況下仍然可以獲得較大的一檔傳動比。本設(shè)計論述了變速器的總體結(jié)構(gòu)，在設(shè)計中完成了各擋齒輪和軸的計。算和校核及CAD繪圖等工作。

　　

【正文】 本章主要任務(wù)是對齒輪齒數(shù)進(jìn)行分配、確定中心距。在確定完傳動方案后，開始進(jìn)行齒輪各參數(shù)的選擇以及齒輪齒形和齒數(shù)的計算，為后續(xù)設(shè)計打下基礎(chǔ) 。 24 第 4章 變速器齒輪的設(shè)計計算 變速器齒輪的幾何尺寸計算 汽車變速器均為漸開線齒輪。漸開線齒輪除了能滿足傳動平穩(wěn)、傳動比恒定不變等基本要求外，還有互換性好、中心距具有可分性及切齒刀具制造容易等優(yōu)點。漸開線齒輪的正確嚙合條件是：兩齒輪的模數(shù)、分度圓壓力角必須分別相等，兩斜齒輪的螺旋角必須相等而方向相反。根據(jù)以上計算所得到的變速器齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、齒頂高系數(shù)、齒寬系數(shù)等條件，可計算得出變速器齒輪的幾何尺寸如表 所示。 表 變速器齒輪的主要幾何尺寸 項目 齒輪 齒數(shù) （ mm） 螺 旋角（ ? ） 端 面 模 數(shù)（ tm ） 端 面 壓力 角 （ ? ） 分 度 圓直徑 齒 頂 圓直徑 齒 根 圓直徑 齒寬 (mm) 1z 21 20 2z 35 20 3z 27 20 4z 29 20 5z 32 20 6z 23 20 7z 37 20 8z 17 20 9z 14 20 10z 39 20 11z 38 30 114 120 20 12z 18 30 54 60 20 13z 23 30 69 75 20 計算變速器各軸的扭矩和轉(zhuǎn)速 已知發(fā)動機的最的轉(zhuǎn)矩為 260Nm，轉(zhuǎn)速為 1600~2600r/min；離合器的傳動效率為，齒輪傳動效率為 ， 軸承的傳動效率為 。通過計算可得到各軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。 一軸 25 5 6 0m a x1 ????? 離?eTT Nm 16001 ??nn r/min 中間軸 ????????? ?iTT 齒承 ?? Nm 96035/211 6 0 02112 ???? ?inn r/min 二軸 （ 1） 掛 1 擋 時 ????????? ?iTT 齒承 ?? Nm 4 137/179 6 08723 ???? ?inn r/min （ 2）掛 2 擋 時 ????????? ?iTT 齒承 ?? Nm 69032/239606523 ???? ?inn r/min （ 3）掛 3 擋 時 ????????? ?iTT 齒承 ?? Nm 0 3 127/ ???? ?inn r/min （ 4）掛 4 擋 時 ?T Nm 16003?n r/min （ 5）掛 5 擋 時 ????????? ?iTT 齒承 ?? Nm ???? ?inn r/min 齒輪的強度計算和材料選擇 齒輪損壞的原因和形式 齒輪在嚙合過程中，輪齒根部產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，過渡轉(zhuǎn)角處又有應(yīng)力集中，故當(dāng)齒輪受到足夠大的載荷作用，其根部的彎曲應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力時，輪齒就會斷裂。這種由于強度不夠而產(chǎn)生的斷裂，其斷面為一次性斷裂所呈現(xiàn)的粗狀顆粒面。在汽車變速器中這種情況很少發(fā)生。 而最常見的斷裂則是由于在重復(fù)載荷作用下 使 齒根受拉面的最大應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)疲勞裂縫而逐漸擴展到一定深度后所產(chǎn)生的折斷，其疲勞斷面在疲勞裂縫部分呈光滑表面，而突然斷裂部分呈粗粒狀表面 [14]。變速器低 擋 小齒輪由于載荷大而齒數(shù)少、齒根較弱，其主要破壞形式就是這種彎曲疲勞斷裂。 齒面點蝕是常用的高 擋 齒輪齒面接觸疲勞強度的形式。齒面長期在脈動的接觸應(yīng) 26 力作用下，會逐漸產(chǎn)生大量與齒面成尖角的小裂縫。嚙合時由于齒面的相互擠壓， 使充滿了潤滑油的裂縫處油壓增高，導(dǎo)致裂縫的擴展，最后產(chǎn)生剝落， 使 齒面上產(chǎn)生大量的扇形小麻點，即是所謂點蝕 。點蝕 使 齒形誤差加大而產(chǎn)生動載荷，甚至可能引起輪齒折斷。通常是靠近節(jié)圓根部齒面處的點蝕較靠近節(jié)圓頂部齒面出的點蝕嚴(yán)重；主動小齒輪較被動大齒輪嚴(yán)重。 對于高速重載齒輪，由于齒面相對滑動速度高、接觸壓力大且接觸區(qū)產(chǎn)生高溫而使 齒面間的潤滑油膜破壞， 使 齒面直接接觸。在局部高溫、高壓下齒面互相熔焊粘連，齒面沿滑動方向形成撕傷痕跡的損壞形式成為齒面膠合。在一般汽車變速器中，產(chǎn)生膠合損壞的情況較少。 增大輪齒根部齒厚，加大齒根圓角半徑，采用高齒，提高重合度，增多同時嚙合的輪齒對數(shù)，提高輪齒柔度，采用優(yōu)質(zhì)材料等，都是提高輪 齒彎曲疲勞強度的措施。合理選擇齒輪參數(shù)及變位系數(shù)，增大齒廓曲率半徑，降低接觸應(yīng)力，提高齒面強度等，可提高齒面的接觸強度。采用黏度大、耐高溫、耐高壓的潤滑油，提高油膜強度，提高齒面強度，選擇適當(dāng)?shù)凝X面表面處理方法和鍍層等，是防止齒面膠合的措施。 齒輪的材料選擇 齒輪材料的選擇原則 (1)滿足工作條件的要求 不同的工作條件，對齒輪傳動有不同的要求，故對齒輪材料亦有不同的要求。但是對于一般動力傳輸齒輪，要求其材料具有足夠的強度和耐磨性，而且齒面硬，齒芯軟。 (2)合理選擇材料配對 如對硬度 ≤ 350HBS 的軟齒面齒輪，為 使 兩輪壽命接近，小齒輪材料硬度應(yīng)略高于大齒輪，且 使 兩輪硬度差在 30～ 50HBS 左右。為提高抗膠合性能，大、小輪應(yīng)采用不同鋼號材料。 (3)考慮加工工藝及熱處理工藝 大尺寸的齒輪一般采用鑄造毛坯，可選用鑄鋼或鑄鐵；中等或中等以下尺寸要求較高的齒輪常采用鍛造毛坯，可選擇鍛鋼制作。尺寸較小而又要求不高時，可選用圓鋼作毛坯。軟齒面齒輪常用中碳鋼或中碳合金鋼，經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理后，再進(jìn)行切削加工即可；硬齒面齒輪（硬度 350HBS）常采用低碳合金鋼切齒后再表面滲碳淬火或中碳鋼（或中碳合金鋼）切齒 后表面淬火，以獲得齒面、齒芯韌的金相組織，為消除熱處理對已切輪齒造成的齒面變形需進(jìn)行磨齒。但若采用滲氮處理，其齒面變形小，可不磨齒，故可適用于內(nèi)齒輪等無法磨齒的齒輪。 27 齒輪材料的選擇 現(xiàn)代汽車變速器齒輪大都采用滲碳合金鋼制造， 使 輪齒表面的高硬度與輪齒心部的高韌性相結(jié)合，以大大提高其接觸強度、彎曲強度及耐磨性。在選擇齒輪的材料及熱處理時也應(yīng)考慮其加工性能及制造成本。 國產(chǎn)汽車變速器齒輪的常用材料是 20CrMnTi,也有采用 20Mn2TiB， 20MnVB，20MnCr5 的。這些低碳合金鋼都需隨后的滲碳、淬火 處理，以提高表面硬度，細(xì)化材料晶粒。為消除內(nèi)應(yīng)力，還要進(jìn)行回火。 變速器齒輪輪齒表面滲碳層深度的推薦范圍如下： ?nm 滲碳層深度 ～ ＜ nm ＜ 5 滲碳層深度 ～ 5?nm 滲碳層深度 ～ 滲碳齒輪在淬火、回火后，要求輪齒的表面硬度為 HRC58～ 63，心部硬度為HRC33～ 48。 某些輕型以下的載貨汽車和轎車等變速器的小 模數(shù)（ ～mn ? ）齒輪，采用了 40Cr 或 35Cr 鋼并進(jìn)行表面氰化處理。這種中碳鉻鋼具有滿意的鍛造性能及良好的強度指標(biāo)，氰化鋼熱處理后變形小也是優(yōu)點。但由于氰化層較薄且鋼的含碳量又高，故接觸強度和承載能力均受到限制。 齒輪的強度計算 與其它機械設(shè)備用變速器比較，不同用途汽車的變速器齒輪 使 用條件是相似的。此外，汽車變速器齒輪用的材料、熱處理方法、加工方法、精度級別、支撐方式也基本一致。如汽車變速器齒輪用低碳合金鋼制造，采用剃齒或磨齒精加工，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，比用于通用齒輪強度公式更為簡化一些的計算公式來計算汽車齒輪，同樣可以獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。 輪齒的彎曲應(yīng)力 （ 1）直齒輪彎曲應(yīng)力公式為 btyKKF fw ?? 1? 式中 ： w? － 彎曲應(yīng)力 (MPa)； 1F － 圓周力 (N)， dTF g21 ? ； gT － 計算載荷 (Nm)； 28 d － 節(jié)圓直徑 (mm)； ?K － 應(yīng)力集中系數(shù)，可近似取 ?K =； fK － 摩擦力影響系數(shù)，主、從動齒輪在嚙合點上的摩擦力方向不同，對彎曲應(yīng)力的影響也不同，主動齒輪 fK =，從動齒輪 fK =； b － 齒寬 (mm)； t － 端面齒距 (mm)， mt ?? ； m － 模數(shù)； y － 齒形系數(shù)，如圖 所示。 圖 齒形系數(shù)圖 因為齒輪節(jié)圓直徑 mzd? ，式中 z 為齒數(shù)，所以將上述有關(guān)參數(shù)代入式后得 yzKm KKT c fgw 32?? ?? () （ 2）斜齒輪的彎曲應(yīng)力公式為 ??? btyKKFw 1? 29 式中 ： 1F － 圓周力 (N )， dTF g21 ? ； gT － 計算載荷 (Nm)； d － 節(jié)圓直徑 (mm)， ? ? ?coszmd n? ， nm － 法向模數(shù) (mm)， z － 齒數(shù)， ? － 斜齒輪螺旋角 (? )； ?K － 應(yīng)力集中系數(shù)， ??K ； b － 齒面寬 (mm)； t － 法向齒距 (mm)， nmt ?? ； y － 齒形系數(shù)，可按當(dāng)量齒數(shù) ?3coszzn ? 在圖 中查得； ?K － 重合度影響系數(shù)， ??K 。 將上述有關(guān)參數(shù)代入公式后，可得到斜齒輪的彎曲應(yīng)力公式為 ??? ?? KyKzm KTCngw 3cos2? () 當(dāng)計算載荷取作用到變速器第一軸上的最大轉(zhuǎn)矩 maxeT 時，對乘用車常嚙合齒輪和高 擋 齒輪，許用應(yīng)力在 180～ 350MPa 范圍，對貨車為 100～ 250MPa 范圍。 輪齒接觸應(yīng)力 j? ???????? ??bzj bFE ??? 114 1 () 式中 ： j? － 輪齒接觸應(yīng)力 (MPa)； F － 齒面上的法向力 (N)， ? ??? co sco stFF ? ， tF 為圓周力 (N )， dTF gt 2? ，gT 為計算載荷 (Nm)， d 為節(jié)圓直徑 (mm)， ? 為節(jié)點處壓力角 (? )， ? 為齒輪螺旋角 (? )； E － 齒輪材料的彈性模量 (MPa)， ??E MPa； b － 齒輪接觸的實際寬度 (mm)，斜齒輪用 ?cosb 代替 ； z? 、 b? － 主、從動齒輪節(jié)點處的曲率半徑 (mm) ，直齒輪 ?? sinzz r? 、?? sinbb r? ， 斜齒輪 ? ? ??? 2co ssinzz r? 、 ? ? ??? 2co ssinbb r? ， zr 、 br 主、從動齒輪節(jié)圓半徑 (mm)。 將作用在變速器第一軸上的載荷 2maxeT 作為計算載荷時，變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力見表 。 常嚙合齒輪強度的校核 （ 1） 彎曲應(yīng)力的校核 常嚙合齒輪為斜齒輪，由式 ()得齒輪的彎曲應(yīng)力公式為 30 ??? ?? KyKzm KTCngw 3c os2? 式中 ： y － 齒形系數(shù)。由圖 得 ?y ， ?y 。 通過以上的計算，把各個參數(shù)代入公式后得 o 5 72c o s231312111?????????????????KKymzKTCngw =? 100～ 250MPa ??? ?? KKymz KTCngw2322122 c os2 ?? 3 ????? ???? ? =? 100～ 250Mpa 所以常嚙合齒輪的彎曲強度合格。 表 變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力 齒輪 j? /MPa 滲碳齒輪 液體碳氮共滲齒輪 一擋和倒擋 1900～ 2021 950～ 1000 常嚙合齒輪和高擋 1300～ 1400 650～ 700 （ 2）接觸應(yīng)力的校核 由式 ()得齒輪的接觸應(yīng)力公式為 ???????? ??bzj bFE ??? 114 1 確定有關(guān)的參數(shù)和系數(shù)： 齒面法向力 F ??c osc os2d TF g? ??? ??? ?? osc os 2 211 11 ??d TF g = 31 ???????? o