【導(dǎo)讀】變速器用來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，作用是在原地起步，時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利工況范圍內(nèi)工作。變速器設(shè)有空擋和倒擋。器還有動(dòng)力輸出功能。近軸的后支承處，然后按照從低檔到高檔順序布置各檔位齒輪。使軸有足夠大的剛性，又能保證裝配容易。一般通過(guò)控制軸的長(zhǎng)度即控制檔數(shù)，來(lái)保證變速箱有足夠的。本文設(shè)計(jì)研究了三軸式五擋手動(dòng)變速器，對(duì)變速器的工作原理做了闡述，準(zhǔn)件進(jìn)行了選型。變速器的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)單講述了變速器中各部件材

　　

【正文】 30 第 5 章 軸的設(shè)計(jì)及校核 軸的工藝要求 倒擋軸為壓入殼體孔中并固定不動(dòng)的光軸。變速器第二軸視結(jié)構(gòu)不同，可采用滲碳、高頻、氰化等熱處理方法。對(duì)于只有滑動(dòng)齒 輪工作的第二軸可以采用氰化處理，但對(duì)于有常嚙合齒輪工作的第二軸應(yīng)采用滲碳或高頻處理[14]。第二軸上的軸頸常用做滾針的滾道，要求有相當(dāng)高的硬度和表面光潔度，硬度應(yīng)在 HRC58～ 63，表面光潔度不低于▽ 8。 對(duì)于做為軸向推力支承或齒輪壓緊端面的軸的端面，光潔度不應(yīng)低于▽7，并規(guī)定其端面擺差。一根軸上的同心直徑應(yīng)可控制其不同心度。 對(duì)于采用高頻或滲碳鋼的軸，螺紋部分不應(yīng)淬硬，以免產(chǎn)生裂紋。 對(duì)于階梯軸來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量保證工藝簡(jiǎn)單，階梯應(yīng)盡可能少。 軸的強(qiáng)度計(jì)算 本次計(jì)算只計(jì)算一檔齒輪處的軸的強(qiáng)度，因?yàn)?一檔時(shí)受力最大，如果符合強(qiáng)度要求，則其余也符合 初選軸的直徑 此為一檔齒輪所在輸出軸上有花鍵的部分，去掉花鍵部分的直徑 d=42mm 31 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 第二軸結(jié)構(gòu)圖 由圖 可知，支撐點(diǎn)距離為 250mm,一擋齒輪到兩支點(diǎn)的距離分別為：47mm， 203mm。 一擋齒輪的各個(gè)分力 軸的受力簡(jiǎn)圖如圖 所示： 圖 受力簡(jiǎn)圖 9 nd m Z??123mm 3m a x 1992 2 2 0 0 4 1 0 1 3 0 0 8 . 1 3 N123et TiF d ??? ? ? ? 99 ta n 13 008 .13 ta n20 473 7 NrtFF ?? ? ? ? ? 32 軸的強(qiáng)度校核 則在水平面上： AF 250= rF 47? AF = 在豎直面上： FA ＇ = 203250Ft?= 則水平面上受到的力矩： Mc= 豎直 面上受到的力矩為 ： Ms= 該軸所受的彎矩為： T= 故危險(xiǎn)截面受到的合成彎矩為： 2 2 2M M c M s T? ? ?= 在彎矩和轉(zhuǎn)矩聯(lián)合作用下，軸的應(yīng)力應(yīng)為： ? ???? ?? 332dM =400Mpa 故軸的強(qiáng)度符合要求 軸的剛度校核 若軸在垂直面內(nèi)撓度為 cf ，在水平面內(nèi)撓度為 sf 和轉(zhuǎn)角為δ，可分別用式（ ）、（ ）、（ ）計(jì)算 EILbaFfc 3 221? （ ） EILbaFfs 3 222? （ ） ? ?EIL ababF 31 ??? （ ） 33 式中： 1F — 齒輪齒寬中間平面上的徑向力（ N）； 2F — 齒輪齒寬中間平面上的圓周力（ N）； E — 彈性模量（ MPa）， E = 105MPa； I — 慣性矩（ mm4），對(duì)于實(shí)心軸， 4 64Id?? ； d — 軸的直徑（ mm），花鍵處按平均直徑計(jì)算； a 、 b — 齒輪上的作用力距支座 A 、 B 的距離（ mm）； L — 支座間的距離（ mm）。 軸的全撓度為 ??? sc fff mm。 軸在垂直面和水平面內(nèi)撓度的允許值為 ??cf =～ ， ??sf =～。齒輪所在平面的轉(zhuǎn)角不應(yīng)超過(guò) 。 2299222433473 7 47 203 17 m m 5 0 m m42250 3 105 1064rcF a bfE I L????? ? ?? ? ? ? ? ? 2299222433 47 203 47 m m 5 0 m m42250 3 105 1064tsF a bfE I L????? ? ?? ? ? ? ? ? 2 2 2 29 9 9 0 .0 1 7 0 .0 4 7 0 .0 5 m m 0 .2 m mcsf f f? ? ? ? ? ? ?? ?9943364 47 34 .5 7 47 20 3 20 3 473 42 2. 1 10 5 10 25 00. 00 03 r a d 0. 00 2 r a drF ab b aEI L????? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? 故該軸符合剛度條件，該軸合格。 34 第 6 章 同步器的 選擇 同步器有常壓式、慣性式和慣性增力式三種。常壓式同步器結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但有不能保嚙合件在同步狀態(tài)下（即角速度相等）換擋的缺點(diǎn)，現(xiàn)已不用。得到廣泛應(yīng)用的是慣性式同步器。 慣性式同步器 慣性式同步器能做到換擋時(shí)，在兩換擋元件之 間的角速度達(dá)到完全相等之前不允許換擋，因而能很好地完成同步器的功能和實(shí)現(xiàn)對(duì)同步器的基本要求。 按結(jié)構(gòu)分，慣性式同步器有鎖銷(xiāo)式、滑塊式、鎖環(huán)式、多片式和多錐式幾種。雖然它們結(jié)構(gòu)不同，但是它們都有摩擦元件、鎖止元件和彈性元件。 鎖環(huán)式同步器的結(jié)構(gòu) 如圖 所示，鎖環(huán)示同步器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是同步器的摩擦元件位于鎖環(huán)1 或 4 和齒輪 5 或 8 凸肩部分的錐形斜面上。作為鎖止元件是在鎖環(huán) 1 或 4上的齒和做在嚙合套 7 上的齒的端部，且端部均為斜面稱為鎖止面。彈性元件是位于嚙合套座兩側(cè)的彈簧圈。彈簧圈將置于嚙合套座花鍵上中部 呈凸起狀的滑快壓向嚙合套。在不換擋的中間位置，滑快凸起部分嵌入嚙合套中部的內(nèi)環(huán)槽中，使同步器用來(lái)?yè)Q擋的零件保持在中立位置上?；靸啥松烊腈i環(huán)缺口內(nèi)，而缺口的尺寸要比滑快寬一個(gè)接合齒。 35 圖 鎖環(huán)式同步器 4鎖環(huán)； 2滑塊； 3彈簧圈； 8齒輪； 6嚙合套座； 7嚙合套 鎖環(huán)式同步器的工作原理 換檔時(shí)，沿軸向作用在嚙合套上的換檔力，推嚙合套并帶動(dòng)滑快和鎖環(huán)移動(dòng)，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 △ ? ，致使在錐面上有摩擦力矩，它使鎖環(huán)相對(duì)嚙合套和滑塊轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，并由滑快予以定位。接下來(lái)，嚙合套的齒端與鎖環(huán)齒端的鎖止面接觸，使嚙合套的移動(dòng)受阻，同步器處在鎖止?fàn)顟B(tài)，換檔的第一階段工作至此已完成。換檔哪個(gè)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(shí)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)的角速度逐漸接近，在角速度相等的瞬間，同步過(guò)程結(jié)束，完成了換檔過(guò)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(kāi)，同步器解除鎖止?fàn)顟B(tài)，嚙合套上的接合齒在換檔力的 作用下通過(guò)鎖環(huán)去與齒輪上的接合齒嚙合，完成換檔。 鎖環(huán)式同步器有工作可靠、零件耐用等優(yōu)點(diǎn)，但因結(jié)構(gòu)布置上的限制，轉(zhuǎn)矩容量不大，而且由于鎖止面在鎖環(huán)的接合齒上，會(huì)因齒端磨損而失效，因而主要用于乘用車(chē)和總質(zhì)量不大的貨車(chē)變速器中。 36 鎖環(huán)式同步器主要尺寸的確定 接近尺寸 b ，同步器換擋第一階段中間，在滑塊側(cè)面壓在鎖環(huán)缺口側(cè)邊的同時(shí)，且嚙合套相對(duì)滑塊作軸向移動(dòng)前，嚙合套接合齒與鎖環(huán)接合齒倒角之間的軸向距離 b ，稱為接近尺寸。尺寸 b 應(yīng)大于零，取 b =～ 。 分度尺寸 a ，滑塊側(cè)面與鎖環(huán)缺口側(cè)邊接觸時(shí)，嚙合套接合齒與鎖環(huán)接合齒中心線間的距離 a ，稱為分度尺寸。尺寸 a 應(yīng)等于 1/4 接合齒齒距。 尺寸 a 和 b 是保證同步器處于正確嚙合鎖止位置的重要 尺寸，應(yīng)予以控制。 滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)距離 c ，滑塊在鎖環(huán)缺口內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)距離 c 影響分度尺寸 a ?；瑝K寬度 d 、滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)距離 c 與缺口寬度尺寸 E 之間的關(guān)系如下 cdE 2?? （ ） 滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)距離 c 與接合齒齒距 t 的關(guān)系如下 214RtRc? （ ） 式中 1R — 滑塊軸向移動(dòng)后的外半徑（即鎖環(huán)缺口外半徑）； 2R — 接合齒分度圓半徑。 滑塊端隙 1? ，滑塊端隙 1? 系指滑塊端面與鎖環(huán)缺口端面之間的間隙，同時(shí)，嚙合套端面與鎖環(huán)端面之間的間隙為 2? ，要求 2? ＞ 1? 。若 2? ＜ 1? ，則換擋時(shí)，在摩擦錐面尚未接觸時(shí)，嚙合套接合齒與鎖環(huán)接合齒的鎖止面已位于接觸位置，即接近尺寸 b ＜ 0，此刻因鎖環(huán)浮動(dòng)，摩擦面處無(wú)摩擦力矩作用，致使嚙合套可以 通過(guò)同步環(huán)，而使同步器失去鎖止作用。為保證 b ＞ 0，應(yīng)使2? ＞ 1? ，通常取 1? = 左右。 鎖環(huán)端面與齒輪接合齒端面應(yīng)留有間隙 3? ，并可稱之為后備行程。 預(yù)留后備行程 3? 的原因是鎖環(huán)的摩擦錐面會(huì)因摩擦而磨損，并在下來(lái)的換擋時(shí)，鎖環(huán)要向齒輪方向增加少量移動(dòng)。隨著磨損的 增加，這種移動(dòng)量也逐漸增多，導(dǎo)致間隙 3? 逐漸減少，直至為零；此后，兩摩擦錐面間會(huì)在這種狀態(tài)下出現(xiàn)間隙和失去摩擦力矩。而此刻，若鎖環(huán)上的摩擦錐面還未達(dá)到許用磨損的范圍，同步器也會(huì)因失去摩擦力矩而不能實(shí)現(xiàn)鎖環(huán)等零件與齒輪同 37 步后換擋，故屬于因設(shè)計(jì)不當(dāng)而影響同步器壽命。一般應(yīng)去 3? =～ 。 在空擋位置，鎖環(huán)錐面的軸向間隙應(yīng)保持在 ～ 。 主要參數(shù)的確定 摩擦因數(shù) f 汽車(chē)在行駛過(guò)程中換檔，特別是 在高檔區(qū)換檔次數(shù)較多，意味著同步器工作頻繁。同步器是在同步環(huán)與連接齒輪之間存在角速度差的條件下工作，要求同步環(huán)有足夠的使用壽命，應(yīng)當(dāng)選用耐磨性能良好的材料。為了獲得較大的摩擦力矩，又要求用摩擦因數(shù)大而且性能穩(wěn)定的材料制作同步環(huán)。另一方面，同步器在油中工作，使摩擦因數(shù)減小，這就為設(shè)計(jì)工作帶來(lái)困難。 摩擦因數(shù)除與選用的材料有關(guān)外，還與工作面的表面粗糙度、潤(rùn)滑油種類(lèi)和溫度等因數(shù)有關(guān)。作為與同步環(huán)錐面接觸的齒輪上的錐面部分與齒輪做成一體，用低碳合金鋼制成。對(duì)錐面的表面粗糙度要求較高，用來(lái)保證在使用過(guò)程中摩擦因數(shù)變化 小。若錐面的表面粗糙度值大，則在使用初期容易損害同步環(huán)錐面。 同步環(huán)常選用能保證具有足夠高的強(qiáng)度和硬度、耐磨性能良好的黃銅合金制造，如錳黃銅、鋁黃銅和錫黃銅等。早期用青銅合金制造的同步環(huán)，因使用壽命短已遭淘汰。 由黃銅合金與鋼材構(gòu)成的摩擦副，在油中工作的摩擦因數(shù) f 取為 。 摩擦因數(shù) f 對(duì)換擋齒輪和軸的角速度能迅速達(dá)到相同有重要作用。摩擦因數(shù)大，則換擋省力或縮短同步時(shí)間；摩擦因數(shù)小則反之，甚至失去同步作用。為此，在同步環(huán)錐面處制有破壞油膜的細(xì)牙螺紋槽及與螺紋槽垂直的 泄油槽，用來(lái)保證摩擦面之間有足夠的摩擦因數(shù)。 同步環(huán)主要尺寸的確定 同步環(huán)錐面上的螺紋槽 如果螺紋槽螺線的頂部設(shè)計(jì)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(guò)窄會(huì)影響接觸面壓強(qiáng)，使磨損加快。實(shí)驗(yàn)還證明：螺 38 紋的齒頂寬對(duì) f 的影響很大， f 隨齒頂?shù)哪p而降低，換擋費(fèi)力，故齒頂寬不易過(guò)大。螺紋槽設(shè)計(jì)得大些，可使被刮下來(lái)的油存在于螺紋之間的間隙中，但螺距增大又會(huì)使接觸面減少，增加磨損速度。通常軸向泄油槽為 6～ 12 個(gè)，槽寬 3～ 4mm。 錐面半錐角 ? 摩擦錐面半錐角 ? 越小，摩擦力矩越大。但 ? 過(guò)小則摩擦錐面將產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象，避免自鎖的條件是 f??tan 。一般取 ? =6176?！?8176。 ? =6176。時(shí)，摩擦力矩較大，但在錐面的表面粗糙度控制不嚴(yán)時(shí)，則有粘著和咬住的傾向；在 ? =7176。時(shí)就很少出現(xiàn)咬住現(xiàn)象。 摩擦錐面平均半徑 R R 設(shè)計(jì)得越大，則摩擦力矩越大。 R 往往受結(jié)構(gòu)限制，包括變速器中心距及相關(guān)零件的尺寸和布置的限制，以及 R 取大以后還會(huì)影響同步器徑向厚度尺寸要取小的約束，故不能取大。原則上是在可能的條件下，盡可能將 R 取大些。 錐面工作長(zhǎng)度 b 縮 短錐面長(zhǎng)度 b ， 可使變速器的軸向長(zhǎng)度縮短，但同時(shí)也減小了錐面的工作面積，增加了單位壓力并使磨損加速。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)下式計(jì)算確定 b 22 dfRMb m?? （ ） 式中 p—— 摩擦面的許用壓力，對(duì)黃銅與鋼的摩擦副， p =～ ； Mm—— 摩擦力矩； f —— 摩擦因數(shù)； R —— 摩擦錐面的平均半徑。 上式中面積是假定在沒(méi)有螺紋槽的條件下進(jìn)行計(jì)算的。 同步環(huán)徑向厚度 與摩擦錐面平均半徑一樣，同步環(huán)的徑向厚度受結(jié)構(gòu)布置上的限制，包括變速器中心距及相關(guān)零件特別是錐面平均半徑 R 和布置上的限制，不易取得很厚，但必須保證同步環(huán)有足夠的強(qiáng)度。 乘用車(chē)同步環(huán)厚度比貨車(chē)小些，應(yīng)選用鍛件或精密鍛造工藝加工制成，這能提高材料的屈服強(qiáng)度和疲勞壽命。鍛造時(shí)選用錳黃銅等材料。有的變速器用高強(qiáng) 度、高耐磨性的鋼與鉬配合的摩擦副，即在鋼質(zhì)或球墨鑄鐵同步環(huán)的錐面上噴鍍一層鉬（厚約 ～ ），使其摩擦因數(shù)在鋼與銅合金的摩擦副范圍內(nèi)，而耐磨性和強(qiáng)度有顯著提高。也有的同步環(huán)是在銅環(huán)基體的錐孔表 39 面噴上厚 ～ 的鉬制成。噴鉬環(huán)的壽命是銅環(huán)的 2～ 3 倍。以鋼質(zhì)為基體的同步環(huán)不僅可以節(jié)約銅，還可以提高同步環(huán)的強(qiáng)度。 鎖止角 ? 鎖止角 ? 選取得正確，可以保證只有在換擋的兩個(gè)部分之間角速度差達(dá)到零值才能進(jìn)行換 擋。影響鎖止角 ? 選