車輛工程畢業設計論文-奧騰皮卡變速器設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 用非常廣泛，但自動變速器是今后變速器發展的必然趨勢。 現代汽車工業的飛速發展以及人們對汽車的要求不斷的變化 ，機械式變速器不能滿足人們的需要。 從 40 年代初，美國成功研制出兩 檔 的液力 機械變速器以來，自動變速器技術得到了迅速發展。 80 年代，美國已將液力自動變速器作為轎車的標準裝備。1983 年時，美國通用汽車公司的自動變速器裝車率已經達到了 94%。近些年來，由于電子技術和電子計算機技術的發展，自動變速器技術已經達到了相當高的水平。 目前，國內變速器廠商都朝 自動 變速器和 無級 變速器方向發展，國內現已有 多 款轎車已經應用上無級變速器，而重型汽車則采用多中間軸的形式，將低速檔和高速檔區分開。汽車行駛的速度是不斷變化的，這就要求 汽車的變速器的變速比要盡量多，這就是無級變速 (Continuously Variable Transmission 簡稱 CVT) 。盡管傳統的齒輪變速箱并不理想，但其以結構簡單、效率高、功率大三大顯著優點依然占領著汽車變速箱的主流地位。 一百多年后的今天，汽車還沒有使用上滿意的無級變速箱。但是 ,人們始終沒有放棄尋找實現理想汽車變速器的努力 ,各大汽車廠商對無級變速器 (CVT)表現了極大的熱情，極度重視 CVT 在汽車領域的實用化進程。這是世界范圍尚未根本解決的難題，也是汽車變速器研究的終極目標。 今后 變速器技術 將會朝著節能環保、應用新型材料、高性能、低成本、微型化、智能化、集成化的方向 發展并會取得重大成果。 變速器設計的 研究方法與 目的意義 [3] 從輕型貨車的特性上來說，手動變速器的功用是其他變速器所不能替代的。本課題取材于汽車中比較實用的皮卡汽車，皮卡車載貨或在雨、雪路面上行駛時，動力性好，越野性能出色。為了滿足消費者對汽車高性能、安全性、可靠性、舒適性的需求，對變速器的性能要求也更高。因此，本課題主要是針對機械式變速器的設計。 汽車變速器的設計是一個復雜的系統工程 ， 其設計的成功與否決定著車輛的平順 3 性、動力 性和燃油經濟性等多方面的設計要求。這就對變速器設計人員提出較高的要求。 我們除了 要 對汽車變速器的結構進行了合理的布置外，還運用了材料力學、機械原理、機械設計等知識，對變速器的重要零件軸和齒輪進行受力分析，強度、剛度的校核，以及為這些零件選擇合理的工程材料和熱處理方法，同時也為變速器選擇合理的同步器和操縱機構。 本次設計主要是 根據給定皮卡車的車型參數， 通過 對 變速器各部分參數的選擇和計算，設計出一種基本符合要求的手動 5 檔 變速器。本文要完成 的有 下面一些主要工作： 1． 主要 參數計算。包括變速器傳動比計算、中心距計算、 齒輪參數計算、各檔 齒輪齒數的分配 。 2． 變速器齒輪設計計算。變速器齒輪幾何尺寸計算；變速器齒輪的強度計算及材料選擇；計算各軸的扭矩和轉速；齒輪強度計算及檢驗 。 3． 變速器軸設計計算。包括各軸直徑及長度計算、軸的結構設計、軸的強度計算、軸的加工工藝分析 。 4． 變速器軸承的選擇及校核 。 5． 同步器 、 變速器操縱機構 和 箱體 的設計選用 。 4 第 2 章 皮卡 主要參數 與變速器結構方案 的確定 確定總質量 汽車的 整備質量利用系數 0m? ： 00 mmem ?? （ ） 式中 em —— 汽車的載質量； 0m —— 整車 整備質量。 表 貨車的質量系數 0m? 參數 車型 總質量 tma/ 0m? 貨 車 ＜ am ≤ ～ ① ＜ am ≤ ～ am ＞ ～ ①裝柴油機的貨車為 ～ 。 汽車總質量 am ： 商用貨車的總質量 am 由整備質量 οm 、載質量 em 和駕駛員以及隨行人員質量三部分組成，即 kgnmmm eοa 651??? () 式中， 1n 為包括駕駛員及隨行人員數在內的人數，應等于座位數。 此載貨汽車是 柴 油機，查表 得 質量利用系數為 ～ ，其 整備 質量 是om = 103kg, 由公式 （ ）得： ? ?~ 7 6 0 ??? mooe mm ? =1408～ 1760kg 5 因為此車設計為 雙 排室 ,所以1n=5,由公式 （ ）得 : kgnmmm ea 6510 ??? =（ 1408～ 1760） +1760+5 65 =3493～ 3845kg 本課題選用 ma=3500kg。 選擇 發動機 型號 根據現在載貨汽車選用發動機的情況，參照 20xx 款 GA1020CRE3A 型奧騰皮卡 ，針對本次設計任務選用 GA4D28TC 柴油 發動 機。 表 GA4D28TC 柴油 發動 機技術參數 發動機型號 GA4D28TC 發動機形式 四缸直列， 高壓 共軌 燃油種類 柴油 排量 排放標準 國 Ⅲ 最大輸出功率 80KW 最大扭矩 260Nm 最大扭矩轉速 1600~2400 r/min 最大功率轉速 3800r/min 確定最高 車速 ?????? ?? 3m a xm a xm a x 7614036001 VACVgfmP DaTe ? () 式中 maxeP —— 發動機最大功率， kW； T? —— 傳動系 傳動效率，取 T? ≈ ； am —— 汽車總 質量， kg； g —— 重力加速度， m／ s2； f —— 滾動阻力系數，對載貨汽車取 ； 6 maxV —— 最高車速， km／ h； DC —— 空氣阻力系數，轎車取 ～ ，客車取 ～ ，貨車取 ～ ； A —— 汽車正面投影面積，㎡，若無測量數據，可按前輪距 B汽車總高H、汽車總寬 B 等尺寸近似計算： 對轎車 A≈ ， 對載貨汽車 A≈ B1 H。 A≈ B1 H≈ = ㎡ 由公式 （ 23）得： ?????? ?? 3m a xm a xm a x 7614036001 VACVgfmP DaTe ? ?????? ????? 3m a xm a x 76140 180 VV　 算出 maxV ≈ 130km/h,該車滿足要求。 變速器傳動機構 的 布置 [3] 機械式變速器具有結構簡單、傳動效率高、制造成本 低 和工作可靠等優點，故在不同形式的汽車上得到廣泛應用。 通常，有級變速器具有三個、四個、 五個前進 檔 ；重型載貨汽車和重型越野車則采用多 檔 變速器，其前進 檔 位數多 達 6～ 16 個甚至 20 個。變速器 檔 位的增多可提高發動機的功率利用率、汽車的燃料經濟性和平均車速，從而可提高汽車的運輸效率，降低運輸成本。但 檔 位數的增多也使變速器的尺寸及質量增大，結構復雜，制造成本提高，操縱也復雜。 某些轎車和貨車的變速器，采用僅在良好的路面和空載行駛時才使用的超速檔 。采用傳動比小于 1（約為 ～ ）的超速 檔 ，可充分地利用發動機功率，降低單位行駛里程的發動機曲軸總轉數，因而會減少發動機的磨損，降低燃料消耗。但與傳動比為 1 的直接 檔 比較，采用超速 檔 會降低傳動效率。 機械式 變速器的傳動效率與所選用的傳動方案有關，包括齒輪副 的 數目、 齒輪的 轉速、傳遞的功率、潤滑系統的有效性、齒輪及軸以及殼體等零件的制造精度、剛度等。 7 兩軸式變速器和中間軸式變速器的特點分析 1． 兩軸式變速器 兩軸式變速器多用于發動機前置前輪驅動的汽車上。其特點是：變速器輸出軸與主減速器主動齒輪做成一體，發動機縱置時，主減速器采用弧齒錐齒輪或準雙曲面齒輪，發動機橫置時則采用斜齒圓柱齒輪；多數方案的倒檔傳動常用滑動齒輪，其他檔位均采用常嚙合齒輪傳動。與中間軸 式變速器相比，它具有軸和軸承數少，結構簡單、輪廓尺寸小、易布置等優點。此外，各中間檔因只經一對齒輪傳遞動力，故傳動效率高，同時噪聲低。但兩軸式變速器不能設置直接檔，所以在高檔工作時齒輪和軸承均承載，工作噪聲增大且易損壞；受結構限制其一檔速比不能設計的很大；對于前進 檔 ，兩軸式變速器輸入軸的傳動方向與輸出軸的傳動方向相反。 2． 中間軸式變速器 中間軸式變速器多用于發動機前置后輪驅動汽車和發動機后置后輪驅動的汽車上。其特點是：變速器一軸后端與常嚙合齒輪做成一體。絕大多數方案的第二軸前端經軸承支承在第一軸后端的孔 內，且保持兩軸軸線在同一條直線上，經嚙合套將它們連接后可得到直接檔，使用直接檔，變速器齒輪和軸承及中間軸不承載，發動機轉矩經變速器第一軸和第二軸直接輸出，此時變速器的傳動效率高，可達90%以上，噪聲低，齒輪和軸承的磨損減少。因為直接檔的利用率要高于其他檔位，因而提高了變速器的使用壽命 。 在除直接檔以外的其他檔位工作時，中間軸式變速器的傳動效率略有降低，這是它的缺點。 變速器 倒 檔 布置 倒檔齒輪的結構及其軸的位置，應與變速器的整體結構方案同時考慮。倒檔設計在變速器的左側或右側在機構上均能實現，不同之處是 掛倒檔時駕駛員移動變速桿的方向改變了。在結構布置上，要注意的是在不掛入倒檔時，為了防止意外掛入倒檔，一般在掛倒檔時設有一個掛倒檔時需克服彈簧所產生的力，用來提醒駕駛員注意。倒檔齒輪不能與第二軸齒輪有嚙合的狀況。換倒檔時能順利換入倒檔，而不和其它齒輪發生干涉。 與前進 檔 位比較，倒 檔 使用率不高，而且都是在停車狀態下實現換倒 檔 ，故多數方案采用直齒滑動齒輪方式換倒 檔 。為實現倒 檔 傳動，有些方案利用在中間軸和第二軸上的齒輪傳動路線中，加入一個中間傳動齒輪的方案；也有利用兩個聯體齒輪方案的。前者雖然結構簡單，但是中間傳動 齒輪的輪齒，是在最不利的正、負交替對稱變化的彎曲應力狀態下工作；而后者是在較為有利的單向循環彎曲應力狀態下工作，并使倒 檔 傳動比略有增加。也有少數變速器采用結構復雜和使成本增加的 8 嚙合套或同步器方案換入倒檔。 圖 21 倒檔布置方案 圖 21 為常見的倒 檔 布置方案。圖 21b 所示方案的優點是換倒 檔 時利用了中間軸上的一 檔 齒輪，因而縮短了中間軸的長度。但換擋時有兩對齒輪同時進入嚙合，使換檔 困難。圖 21c 所示方案能獲得較大的倒 檔 傳動比，缺點是換 檔 程序不合理。圖 21d所示方案適用于全部齒輪 副均為常嚙合齒輪，換 檔 更為輕便，且能獲得較大的倒 檔 傳動比。圖 21e 所示方案針對圖 21c 所示方案的缺點做了修改，因而取代了圖 21c 所示方案。圖 21f所示方案是將中間軸上的一、 倒 檔 齒輪做成一體，將其齒寬加長。圖21g所示方案適用于全部齒輪副均為常嚙合齒輪，換 檔 更為輕便。為了充分利用空間，縮短變速器軸向長度 。 各檔 齒輪 位置安排 各齒輪副的相對安裝位置對于整個變速器的結構布置有很大的影響。各檔位置的安排應考慮以下四個方面： 1． 整車總布置 根據整車的總布置，對變速器輸入軸和輸出軸的相對位置和變 速器的輪廓形狀以及換檔機構提出要求。 2． 駕駛員的使用習慣 人們習慣于按檔的高低順序，由左到右或由右到左排列來換檔。值得注意的是倒檔，雖然他是平常換檔序列之外的一個特殊檔位，然而卻是決定序列組合方案的重要環節。按習慣，倒檔最好與序列不接合。從安全角度考慮，將倒檔與一檔放在一起較好。 3． 提高平均傳動效率 為提高平均傳動效率，在 中間 軸式變速器中，普遍采用具有直接檔的傳動方案，并盡可能地將使用時間最多的檔位設計成直接檔。 4． 改善齒輪受載狀況 各檔齒輪在變速器中的位置安排，應考慮齒輪的受載狀況。 9 承受載荷大 的低檔齒輪，一般安置在離軸承較近的地方，以較小軸的變形，使齒輪的重疊系數不致下降過多。變速器齒輪主要是因接觸應力過高而造成表面點蝕損壞，因此將高檔齒輪安排在離兩支撐較遠處較好 。 因為變速器在一 檔 和倒 檔 工作時有較大的力，所以無論是兩軸式變速器還是中間軸式變速器的低檔與倒 檔 ，都應當布置在靠近軸的支承處，以減少軸的變形，保證齒輪重合度下降不多，然后按照從低 檔 到高 檔 順序布置各擋齒輪，這樣做既能使軸有足夠大的剛性，又能保證容易裝配。 綜上所述，由于 本次設計的為 輕 型貨車變速器 ， 布置形式采用發動機前置后輪驅動， 變速器 布置 的 空間較 大 ，對變速器的 結構 要求較高，要求運行 時 噪聲 要 小，故選用 中間 軸 五檔 變速 器 ，并且五檔為直接檔。采用圖 21g 的倒檔布置形式。 變速器 齒輪形式與自動脫檔分析 齒輪形式 變速器齒輪有直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪兩種。 斜齒圓柱齒輪 與直齒圓柱齒輪比較， 有 運轉平穩、作時噪聲低等優點；缺點是制造時工藝復雜，工作時有軸向力。變速器中的常嚙合齒輪均采用斜齒圓柱齒輪，盡管這樣會使常嚙合齒輪數增加，并導致變速器的轉動慣量增大。直齒圓柱齒輪僅用于低檔和倒 檔 。 變速器齒輪可以與軸設計為一體或與軸分開，然后用花鍵、 過盈配合或者