产品结构原理课程设计主动轴综述.docx
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产品结构原理课程设计主动轴综述
课程设计说明书
课程名称:
机械产品结构课程设计
课程代码:
6004019
题目:
微型汽车变速箱反求设计
学院（直属系）:
机械工程与自动化学院
年级/专业/班:
学生姓名:
学号:
指导教师:
陈守强
开题时间:
年月日
完成时间:
年月日
摘要3
abstract4
引言5
一、任务分析6
二、微型汽车变速箱功能分析6
2．1已知微型汽车变速器所配置的发动机参数6
2．2已知微型汽车整车性能参数6
2．3微型汽车变速器的功能6
2．4观察微型汽车变速器的位置7
2．5传递的功率7
2．6变速和保证变速的顺利进行的实现7
2．7各个档位的换档7
2．8功能结构图8
三、完成微型汽车变速箱运动分析8
3．1测量微型汽车车轮直径是多少8
3．2最高车速为120KM时变速箱的传动比8
3．3四档的传动比的分配9
3．4变速箱的最大和最小载状态9
3．5行驶速度分别为10、20、40、60km/h时应该使用档位的分析9
四、微型汽车变速箱的外观功能分析10
五、变速箱的拆装11
六、微型汽车变速箱结构受力分析15
6．1受力最大的时候各轴的扭矩15
6．2各轴的最小直径16
6．3各个档位齿轮强度17
七、微型汽车变速箱结构原理方案反求分析18
7.1微型汽车变速箱整体结构及布置方案18
7.2微型汽车变速箱具体结构及布置方案反求18
7.2.1同步器工作过程与原理18
7.2.2锁止装置20
7.2.3变速器变速20
7.2.4润滑21
7.3主动轴的反求分析21
7.3.1主动轴参数计算23
7.3.2主动轴工艺分析24
八、微型汽车变速箱关键零部件反求分析25
8.1零件公差反求25
8.2零件材料、热处理反求分析25
8.3变速器主要零部件的结构、功能原理的反求分析25
九.变速器总成装配26
结论28
致谢28
参考文献29
摘要
汽车上广泛装的是往复活塞式发动机，输出的转矩和转速变化范围很小，而汽车在行驶中遇到的行驶条件又非常复杂，如需经常地起步、怠速、加速、减速、倒车、爬坡等。
此时要求汽车的驱动力和车速能在相当大的范围内变化，为了解决这一矛盾，在汽车的传动系中设置了变速器。
本课程就是对变速箱进行反求设计，完成变速箱变速原理分析以及其功能分析基础上。
通过查阅资料以及拆装，了解到操纵换挡机构、差速器、同步器的工作位置以及原理、各档齿轮的位置、变换档位之后的自锁与互锁机构，同时编写操纵的装配工艺过程。
通过观察变速箱的机构形状，分析其从提高刚度和刚性要求并思考各零件材料及热处理要求、尺寸工差，形位公差零件加工工艺、部件装配工艺以及技术要求的反求分析，在此基础上完成主动轴的三维造型。
课程设计的目的在于加强学生应用所学的专用网理论、培养和训练学生解决在工程设计中根据原理方案进行的结构设计能力，在应用的基础上，创新出更先进、更完美的产品。
关键词：
变速器，反求设计，拆装分析，主动轴
Abstract
Cariswidelyinstalledinthereciprocatingpistonengine,outputtorqueandrotationalspeedrangeissmall,andmetinthecarontheroaddrivingconditionsisverycomplicated,ifyouwanttooftenstart,idlespeed,acceleration,deceleration,reversing,climbingandsoon.Atthistimeforcardrivingforceandthespeedcanchangeinaconsiderablescale,inordertosolvethiscontradiction,setupthetransmissionintheautomobiledrivetrain.Thiscourseistoreversedesignofgearbox,completetransmissionbasedontheanalysisofvariablespeedprincipleandthefunctionanalysis.Throughthedataaccessanddismantling,Learntomanipulatetheshiftmechanism,differential,theworkingpositionofthesynchronizer,andthepositionoftheprinciple,thegear,changegearaftertheself-lockingandinterlockinginstitutions,atthesametimewritingcontrolassemblyprocess.Byobservingthegearboxbodyshape,analyzingitsthinkingfromrigiddemand,andimprovetherigidityandthepartsmaterialandheattreatmentrequirements,size,shapetolerancepartsprocessing,partsassemblyprocessandtechnicalrequirementsofreverseanalysis,onthebasisofcompletethethreedimensionalmodellingofdriveshaft.Curriculumdesignisaimedatstrengtheningstudentsapplytheoryoftheprivatenetwork,cultivatingandtrainingstudentstosolveinengineeringdesignaccordingtotheprincipleoftheschemeforthestructuredesignofability,onthebasisoftheapplication,innovationofmoreadvanced,moreperfectproduct
Keywords:
transmission, reversedesign,dismountinganalyze,drivingshaft
引言
技术引进是促进民族经济高速增长的战略措施。
要取得最佳技术和经济效益,必须对引进技术进行深入研究、消化和创新,开发出先进产品,形成自己的技术体系。
反求设计是针对消化吸收先进技术的系列分析方法和应用技术的组合。
反求工程包括设计反求、工艺反求、管理反求等各个方面。
以先进产品的实物、软件作为研究对象,应用现代设计的理论方法,生产工程学、材料学和有关专业知识,进行系统地分析研究,探索掌握其关键技术,进而开发出同类产品。
我国是一个发展中国家，科学技术相对落后，投入大量资金去研究发达国家已推向市场的产品或技术是完全没有必要的。
这不仅浪费资金，也拖延发展经济的时间，而且涉及到发展经济的科学技术领域非常广泛。
我国也缺少巨额资金去进行大面积的科学研究，因此，引进发达国家先进的科学技术或先进的产品，然后进行反求设计，仿照或创新设计更新的产品，是发展中国家发展国民经济的必由之路。
特别是在知识经济的时代，反求工程在科技发展中的地位更为重要。
通过对微型汽车的变速器进行反求分析设计，使我们更好的理解反求设计的重要性。
一、任务分析
产品功能原理、结构课程设计是机械设计专业的学生第一次全面结合专业技能的训练，是一个重要的实践性教学环节。
本次课程设计的目的在于进一步加强学生应用所学的专业理论、知识以及专业技能，进行独立解决工程实际问题的能力。
机械产品功能原理、机构课程设计的重点在于掌握典型机械的功能原理分析方法及分析机械机构的组成要素和机构功能，掌握结构设计要求及特点，丰富学生的机械结构设计知识，启发设计思维，通过实践是学生的机构设计理论得以巩固、加深，为今后进行机械产品设计打下良好基础。
二、微型汽车变速箱功能分析
2.1已知微型汽车变速器所配置的发动机参数
1、型号JL368Q3电喷发动机
2、工作形式直立四冲程水冷订置凸轮轴多点电喷
3、气缸数量3
4、气缸直径68.5mm
5、行程72mm
6、排量796ml
7、额定功率26.5KW（5500r/min）
8、最大扭矩60.5N.m（3000-4000r/min）
2.2已知微型汽车整车性能参数
1、最高车速>=120km
2、最大爬坡度tgθ>=30%
3、起步换挡加速到100km/h所需时间<=37s
4、第四档最小稳定速度<=25km
5、微型汽车在60km/h时100km的耗油量为4.5L
6、整车质量645kg全部载重后质量为950kg左右。
2.3微型汽车变速器的功能
1、改变传动比，可以较大扩大驱动轮转矩的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，同时是发动机在有利（功率较高而油耗较低）的工作条件下工作。
2、在发动机旋转方向不变的情况下，利用倒档实现汽车的倒向行驶
3.在发动机不熄火的情况下，利用空挡，中断动力传递，以发动机能够启动、怠速，并便于变速器换挡或进行动力输出。
2.4观察微型汽车变速器的位置
对大多数微型车来说，变速器一般是和发动机固连在一起的，在驾驶员前方一点，档杆下方靠前一点，它的输出连接差速器。
2.5功率的传递
发动机的曲轴在气缸点火、活塞反复作用下带动，使曲轴获得输入力矩，曲轴输出功率通过后端的离合器将动力传动到变速器输入轴上，通过变速器之间轴与轴之间的传动，改变驱动力矩与转速，再传递到差速器，受阻力不同的时候两个车轮所获得不同的速度，再通过差速器把动力通过半轴把动力传递到驱动车轮上。
2.6变速和保证变速的顺利进行的实现
变速器的中间轴有两个同步器，而每个同步器都与变速器的输出轴连在一起，并且可以左右滑动。
每个同步器共有左、中、右三个位置，中间不与任何齿轮同步，而左右都可以和齿轮同步，通过拨叉拨动来控制同步器的左右运动，与不同的齿轮同步，而四结齿轮处于常啮全状态，但可以相对于II轴转动，一旦与同步器同步就可带动II轴转动，从而通过拨叉控制同步器与不同的齿轮啮合，实现变速。
而拨叉机构具有自锁与互锁功能，每次变速换档都会经过中间位置即空档，这样就保证了变速的顺利。
2.7各个档位的换档
变速器的换档操纵机构，其中变速器内部一共有三根控制换档杆，其中每一根杆都有左、中、右三个位置可供控制，可实现六个档位控制。
换档是通过换档杆实现的，换档杆纵向有三个位置，旋转有两个位置，从而实现六个位置的控制。
但是任何档位之间要切换时都必须先回到中间位置，即空档位置。
而且每个档位之间都具有自锁和互锁功能，从而实现不跳档和脱档的现象。
变速箱的控制操纵方式如下图：
图1.变速箱的控制操纵方式图
2.8功能结构图
图2.变速黑箱图
图3.功能结构图
三、完成微型汽车变速箱运动分析
3.1测量微型汽车车轮直径是多少？
经测量微型汽车的车轮直径为15寸，换算成为500mm
3．2最高车速为120KM时变速箱的传动比
由车轮的线速度公式
可以求出总的传动比
，则有：
3.3四档的传动比的分配
首先应该保证汽车在全部载重后能够平稳的起步，然后是汽车在高速行驶的时候能够达到需要的最高速度。
发动机的功率一定、转速一定的情况下只有通过减速器的减速作用来实现汽车的平稳行驶，根据资料查的各个档位的传动比分配如下表：
表1：
传动比分配表
一档
二档
三档
四档
3.585
2.166
1.33
0.9
3.4变速箱的最大和最小载状态
微型汽车的额定功率时一定的，则有：
根据上式可知，当发动机的额定功率达到最大且变速箱的档位最低，即速度最低时，该轴受到的载荷是最大的；同样当发动机的功率达到了额定功率，变速箱档位最大，即速度最高时，该轴的载荷就是最小。
根据传动比可以分析出变速箱中受载荷最大的时候再是汽车处于一档的时候的差速器从动轴上；变速箱中受载荷最小的轴是汽车处于四档的时候中间轴上。
3.5行驶速度分别为10、20、40、60km/h时应该使用档位的分析
变速箱主减速器的传动比为i：
根据速度计算公式
可以计算出在额定功率下各个档位所能够达到的最大速度。
则有：
再通过最大速度与所要求的速度进行比较，由于汽车的第四档稳定速
。
以汽车在行驶的过程中能够省油为标准选取合适的档位行使，则最后选定：
10km/h用1档，20km/h用2档，40km/h用3档，60km/s用4档。
四、微型汽车变速箱的外观功能分析
1.连接螺栓:
由于箱体材料是铝合金，较容易被破坏表面极易被划伤，螺栓若用垫片用于防松，但在维修过程中容易被遗失，因此，将垫片螺栓做成一体。
2.油标；做成长条形，操作方便，因为在变速箱中油液较低，所以做成较长结构，同时油标下端做成滚花结构，有助于测量油液高度，便于观测，油标旋钮材料为塑料，节约成本，同时也可以气密封作用，旋钮做成一字形，便于施加力。
3.离合器拨叉：
工艺上采用先压后钻孔的方式，烫合，受力是为弯矩，因此做成片状，为节省材料，端头部分做成开口状，便于螺栓调节齿孔大小，孔做成齿槽形式，便于锁紧，拨叉不装成一体是为了便于加工，便于调节，弹簧的作用是便于啮合与断开，离合接触片单独制造，并采用焊接的方式，便于制造，省材，接触片上开有小槽，用于钩住离合器上便于更好的结合。
4.离合器的分离轴:
，它的作用是连接和断开发动机与变速箱之间运动和动力，是整个汽车启动、停止、倒车变速换档的关键。
中间用塑料制成是为了保护接触面，避免划伤。
5.套筒（固定式）用于避免主动轴被破坏，用于安装离合器轴承，不免轴承与主动轴一起转动
6.密封端盖：
起密封作用，防止油液飞溅，防止进入粉尘
7.进气口（小孔，下方）：
进入冷空气，将粉尘和热空气排除
8出气口（大孔，上方）：
排气，除尘，散热
9.换挡拨叉：
用于变换上中下以及左右共六个档位，橡胶圈作用是避免调动拨叉时，外面的粉尘进入，上部分孔用于方便提拉，拨叉头做成片状是为了更好的成承受扭矩，采用焊接的方式是为了便于制造
10.沉头螺栓放油孔：
放油，采用密封胶密封是为了防止漏油
11.飞轮观察孔：
点火时观察飞轮的位置来调整发动机的供油时间，橡胶塞用于防尘，检查故障时观察齿轮的啮合，以及飞轮上的标记。
12.测速孔：
黑色导管旁边的信号输出孔汽车行驶速度的一个测试装置，传递机械信号，
信息输出至里程表、转速表。
13.油雾出气孔：
连接一根管子，用于排除在运转时、齿轮啮合时产生的热量，以及因温度升高而产生的油雾。
14.轴承端盖：
密封作用，防止外界的粉尘进入，同时防止油液飞溅，为了轴承可以更好的润滑
15.线路固定片：
用于固定线路
16．安装部分：
分成三部分，其中的两部分之间采用焊接的方式，便于制造与节省材料，一部分为了连接变速器，一部分是为了连接车体，用橡胶连接是为了气减震作用，两个螺栓是为了固定橡胶部分。
17.吊耳：
在制造装配过程中便于运输、吊起移动的作用
18.倒车信号线路保护罩：
起保护线路作用，防护罩做成此形状是为了便于加工
19.附件孔（4个）：
用于连接其他附件
20.销孔（2个）：
用于定位
21.箱体加强筋：
提高表面的刚度强度；减少整体重量，其形状根据受力情况而定
一般加在材料、受力较为薄弱处，按照等强度原理分布
22.差速器齿轮轴外端断面旁的卡圈的作用是轴向定位差速器，是它不会从轴向方向
发生脱落。
五、变速箱的拆装
表2.变速箱拆装表
序号
名称
拆装内容
零件编号
拆装方法
工具、测量工具
要求、注意事项
1
放油
将机体内的润滑油全部用倒出
将机体的油液全部倒至出油口，然后开始倒出
手
2
拆离合器分离轴承
按下离合器摆杆，取下离合器轴承
1
用手拆装
手
3
拆离合器回位弹簧
拆下回位弹簧
2
手工拆卸
尖嘴钳
4
拆离合器手柄
拆下离合器手柄
3
手工拆卸
5
拆除套筒（固定式）
用十字螺丝刀将变速箱输入轴前端盖十字沉头螺钉拆下（4颗）并拆下端盖。
并记录型号M6x15
4,5,6,7
手工拆装
十字螺丝刀
先用十字螺丝刀预松1号2号螺钉，再预松3号4号螺钉，后在分别松开1、2和3、4螺钉。
最后用已取下的螺钉2颗分别插入a，b两处用作起盖螺钉，两处应缓慢、均匀受力，使端盖受力均匀，以不致端盖在起盖过程中受损变形。
6
预松并拆除螺栓
拆上端盖M8螺栓
8,9,10,11
手工拆装
扳手
拆螺栓时，先松动两端螺栓，并且对称松动防止端盖受力不均而变形。
7
预松并拆除螺栓
拆上端盖M8
12,13,14
手工拆装
套筒扳手
同上
8
预松并拆除螺栓
拆上端盖M6
15
手工拆装
套筒扳手
同上
9
预松并拆除螺栓
拆上端盖M8
16
手工拆装
加长套筒扳手
由于16号螺栓在端盖里面，普通扳手无法操作
10
预松并拆除螺栓
拆上端盖M8
17,18,19,20
手工拆装
套筒扳手
11
预松并拆除螺栓
拆上端盖M8
21,22,23,24,25
手工拆装
套筒扳手
12
移动上端盖
将上端盖与下端盖分开
26
手工拆装
一字螺丝刀
在变速器上下端盖连接的地方有三个地方要突出一点。
在此处同时用一字螺丝刀用力撬，则可以把上端盖松掉，现在就可以取下上端盖
图4.离合器拆装顺序图
1）拆下离合器的分离轴承，用手直接拆下。
2）用钳子拆下离合器摆杆回位弹簧，使摆杆处于自由状态。
3）用十字螺丝刀将变速箱输入轴前端盖十字沉头螺钉拆下（4颗）并拆下端盖。
并记录型号M6x15。
（如图）
图5.输入端盖拆除顺序图
注：
先用十字螺丝刀预松4号5号螺钉，再预松6号7号螺钉，后在分别松开4、5和6、7螺钉。
最后用已取下的螺钉2颗分别插入a，b两处用作起盖螺钉，两处应缓慢、均匀受力，使端盖受力均匀，以不致端盖在起盖过程中受损变形。
图6.螺钉拆除顺序图
由于变速箱具有良好的密封性，所以拆卸的时候一定要均匀合理卸力，保证机盖不变形而影响密封性能。
首先，按照顺序对连接螺钉进行预松,标准为将螺杆旋转半圈，预松顺序为：
（1）8,9,10,11
（2）12,13,14
（3）15
（4）16
（5）17,18,19,20
（6）21,22,23,24,25
其次，完全松开螺钉，其顺序为：
（1）8,9,10,11
（2）12,13,14（3）15（4）16（5）17,18,19,20
（6）21,22,23,24,25
注：
除了16号螺钉要用到小零件拾取器外，其余在完全松开的情况下可以直接取下。
然后，将取下来的螺钉都做好记录
所有的螺钉除了15号是M6的螺钉外，其他的都是M8螺钉，则统一编号。
最后，取下变速器上盖
在变速器上下端盖连接的地方有三个地方要突出一点。
在此处同时用一字螺丝刀用力撬，则可以把上端盖松掉，现在就可以取下上端盖。
六微型汽车变速箱结构受力分析
6．1受力最大的时候各轴的扭矩
发动机输出扭矩最大是60.5N，由于发动机直接输出到变速器的输入轴，所以变速器的输入轴受到的最大扭矩
，则有：
根据公式
可以计算出中间轴的最大扭矩
，中间轴的转速是第一根轴的传动比转换过来的，则有：
同样可以求出差速器所受到的最大扭矩为
，则有：
6．2各轴的最小直径
根据公式
，可以计算出在最大扭矩的前提下轴的功率p,
也就是说在发动机输出最大扭矩的时候发动机没有达到额定功率，那么可以计算发动机在额定转速下的扭矩
则有：
远比最大扭矩小，这样在最大扭矩下求得轴的最小直径就是该轴的最小直径，则有各个轴的最小直径为：
6．3各个档位齿轮强度
变速箱各档齿轮材料为:
合金钢（20CrMnTi）。
材料强度极限为：
。
取7级精度。
齿轮的弯曲疲劳强度为：
齿轮的接触疲劳强度为：
各齿轮参数如下表：
表3.齿轮参数表
I档
II档
III档
IV档
齿数Z
12
18
24
30
螺旋角
21
36
法面模数
2
1．75
齿宽b
14.4
11.4
12
13
重合度
1.58
1.48
1.48
1.5
K
2.975
2．4
2．41
2．5
2．57
1.676
1.665
1.635
1.60
0.80
0.72
0.72
0.72
3134
2947
2418
2040
传动比
3.585
2.166
1.33
0.9
2．33
2．18
Ze
189．8
25.707
38.9659
51.8159
64.894
所以，各档齿轮的弯曲疲劳强度为：
齿轮1的弯曲疲劳强度：
2.975*3134*2.4*1.676*0.8/14.4/2/1.58=659.34<1100（符合）
齿轮2的弯曲疲劳强度：
2.975*2947*2.4*1.665*0.7/11.4/1.75/1.48=834<1100（符合）
齿轮3的弯曲疲劳强度：
2.975*2418*2.5*1.635*0.7/12/1.75/1.48=662<1100（符合）
齿轮4的弯曲疲劳强度：
2.975*2040*2.57*1.6*0.7/11/1.75/1.5=604<1100（符合）
各挡齿轮齿面接触疲劳强度为：
齿轮1齿面接触疲劳强度：
（2.975*3134*4.585/14.4/25.707/3.585）^0.5*189.8*2.33=968<1100（符合）
齿轮1齿面接触疲劳强度：
（2.975*2947*4.585/11.4/38.9659/3.585）^0.5*189.8*2.33=849<1100（符合）
齿轮3齿面接触疲劳强度：
（2.975*2418*4.585/12/51.8159/3.585）^0.5*189.8*2.33=789<1100（符合）
齿轮1齿面接触疲劳强度：
（2.975*2040*4.585/13/64.894/3.585）^0.5*189.8*2.33=642<1100（符合）
可见，齿轮的强度满足要求。
七、微型汽车变速箱结构原理方案反求分析
7.1微型汽车变速箱整体结构及布置方案反求
图7.变速箱工作
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