产品结构原理课程设计A差速器.docx
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产品结构原理课程设计A差速器
课程设计说明书
课程名称:
产品结构原理课程设计
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I
AbstractII
引言III
1.任务分析1
1.1发动机主要性能参数1
1.2整车主要参数1
2.微型汽车变速箱功能分析2
2.1微型汽车变速器的功能2
2.2微型汽车变速器的位置3
2.3功率的传递3
2.4变速和保证变速的顺利进行的实现3
2.5各个档位的换档4
2.6功能结构图4
3.微型汽车变速箱运动分析6
3.1测量微型汽车车轮直径6
3.2最高车速为120KM时变速箱的传动比6
3.3四档的传动比的分配6
3.4变速箱的最大和最小载状态6
3.5行驶速度分别为10、20、40、60km/h时应该使用档位的分析7
4.微型汽车变速箱的外观功能分析8
5.变速箱的拆装10
6.微型汽车变速箱结构受力分析13
6.1受力最大的时候各轴的扭矩13
6.2各轴的最小直径13
6.3各个档位齿轮强度13
7.微型汽车变速箱结构原理方案反求分析16
7.1微型汽车变速箱整体结构及布置方案16
7.2微型汽车变速箱具体结构及布置方案反求16
7.2.1差速器工作过程与原理16
7.3变速器操纵机构装配工艺流程反求分析17
8.微型汽车变速箱关键零部件反求分析20
8.1零件公差反求20
8.2零件材料、热处理反求分析20
8.3变速器主要零部件的结构、功能原理的反求分析20
8.4大锥齿轮加工工艺21
8.5大锥齿轮与行星轮的参数计算21
9.变速器总成装配22
结论23
致谢24
参考文献25
摘要
本课程是通过对微型汽车变速器的分析，了解它的变速原理、各轴的布局、自锁与互锁原理、装配工艺过程、润滑方式、同步器的作用和工作原理以及组成、主要零件的热处理要求、形位公差、表面粗糙度等。
通过分析、利用反求的方法创造出新的微型汽车变速器，具体内容有：
其轴的布置，同步器的位置，差速器的位置;同步器的作用，组成，工作原理和变速器操纵机构的组成及变位档的自锁和互锁机构的结构原理和结构；通过拆装变速器了解并编写操纵的装配工艺过程，确定各零件的装配方法；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满足功能要求和工艺要求而设计的结构；对变速箱各轴的结构形状、结构要素作用进行分析，并对其结构尺寸与轴的功能强度刚度装配关系等进行了反求；分析变速箱的主要零件材料及热处理要求、形位公差及箱体和轴的技术要求等。
反求设计是创新的重要方法，所以我们通过本课程的学习，可以了解和基本掌握这种技术。
反求设计就是从有到新，重在创新，创造，借助已有的产品、图样、音响等已存在的可感观的实物，创新出更先进、更完美的产品。
关键词：
分析、反求设计、创新、差速器
Abstract
Thiscourseistheanalysisofthemicro-cargearbox,understanditsshiftingprinciple,thelayoutofeachaxis,self-lockingandinterlockingprinciple,theassemblyprocess,lubrication,andhowtheyworksynchronizerandcomposedmainlyofpartsheattreatmentrequirements,geometrictolerances,surfaceroughness.Throughtheanalysis,theuseofreversewaytocreateanewmini-cargearbox,thespecificcontentsare:
locationarrangedsynchronizeritsaxislocationdifferentials;actingsynchronizer,composition,workingprincipleandTransmissionControlsstructureprincipleandstructureofthecompositionandorganizationofself-displacementgearlockandinterlockmechanism;understandandmanipulatewritingassemblyprocess,identifythepartsoftheassemblymethodbydismantlingthegearbox;throughinstitutionalshapeoftheobservedtransmission,analysisfromimprovingitsstiffnessandrigidityrequirementsandmeetthefunctionalrequirementsandprocessrequirementsanddesignstructure;structureandshapeofeachaxisgearbox,toanalyzetheroleofstructuralelements,andtherelationshipbetweenitsfunctionalstrengthstructuralrigidityoftheassemblyandshaftdimensions,etc.Reverse;analysisgearboxmainpartsmaterialsandheattreatmentrequirements,geometrictolerancesandtechnicalrequirements,suchashousingandtheshaft.InverseDesignisanimportantwayofinnovation,sowepassthiscourse,youcanunderstandandmasterthebasictechniques.Reversedesignisfromtheretothenew,withtheexistingproducts,drawings,audioandotheralreadyexistingcanfeelkind,innovativemoreadvanced,moreperfectproduct.
Keywords:
analysis,reverseengineeringdesign,principlesofinnovation
引言
当今世界科学技术发展日新月异，产品的科技含量越来越高，高新技术产品已进入家庭。
世界进入知识经济的时代，只有科学技术才能兴国。
由于一些发达国家在计算机技术、微电子技术、人工智能技术、材料科学技术、空间科学技术、制造工业技术、等领域处于领先地位，引进发达国家的先进技术为我所用，是发展本国经济的最佳途径。
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。
因此，我们要学习这门课程，对微型汽车的变速器进行反求分析设计。
1任务分析
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。
1.1发动机主要性能参数
表1-1
发动机型式
直立三缸，四冲程水冷汽油机
发动机型号
JL368Q3电喷发动机
汽油牌号
93#
气缸数量
3
气缸直径
68.5mm
行程
72mm
排量
796ml
气缸压缩压力
1.35MPa
额定功率
26.5KW（5500r/min）
最大扭矩
60.5N.m（3000-4000r/min）
点火顺序
1--3--2
点火提前角
上止点钱9度
怠速转速
900+-50r/min
升功率
36.93KW/L
发动机净重
75Kg
曲轴箱通风形式
闭式
润滑方式
压力润滑
冷却方式
水冷电动风扇式
散热器形式
管带式压力循环
水泵
离心式
节温器
蜡式
汽油泵
膜片式
汽油滤清器
滤芯式
1.2整车主要技术参数
表1-2
整车尺寸
3300X1405X1410mm
轴距
2175
轮距
1500
前轮
1215
后轮
1200
车内尺寸
1740X1220X1170mm
汽车整备质量
640Kg
汽车满载质量
950kg
乘员数
4人
空载
175mm
满载
150mm
最小转弯直径
9600mm
接近角
28度
离去角
34度
前悬
555mm
后悬
570mm
最高车速
120Km/h
最大爬坡度
Tanα>30%
百公里耗油
4.5L/100Km
30Km/h制动距离
≤6m
30Km/h制动距偏
≤80mm
纵向通过半径
3200mm
横向通过半径
1100mm
前束
1±2mm
主销内倾角
12°20′
主销后倾角
3°30′
车轮外倾角
0°30′
2微型汽车变速箱功能分析
2.1微型汽车变速器的功能
变速器是改变汽车力矩和转速的机构，其主要功能有：
（1）根据汽车在不同的行驶条件下的需要，改变发动机输出的扭矩和转速，使汽车具有合适的牵引力和行驶车速，并同时使发动机在最有利的工况范围内运转。
（2）汽车起步时，需要较大扭矩来牵引汽车，加速到一定车速。
这时就需要挂在低档位，输出扭矩大，转速低。
（3）汽车告诉行驶时，汽车需要的是高转速，因而就需要挂在高档位，此时输出扭矩较小，而转速较高。
（4）变速器设立倒档，是为了保证汽车能够倒车。
（5）变速器设立空挡，是为了使发动机与传动系统能够分开。
2.2微型汽车变速器的位置
变速器一般是和发动机固连在一起的，他的输出连接差速器。
2.3功率的传递
发动机的曲轴输出功率到离合器再由离合器传递给变速器输入轴，通过变速器改变驱动力矩和转速再传递到差速器，受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。
车轮
半轴
差速器
变速箱
离合器
发动机
2.4变速和保证变速的顺利进行的实现
发动机的曲轴输出功率到变速器，，变速器的中间轴上有二个同步器，而每个同步器都与变速器输出轴连在一起，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，而四个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进行。
2.5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2-1变速箱档位图
2.6功能结构图
图2-2变速箱黑箱图
通过人工控制操纵手柄将发动机输出的转速和力矩转变为不同等级的输出转速和力矩，以此来实现汽车的不同工况的需求，同时因摩擦，碰撞等产生热，噪音等。
图2-3变速箱功能分解图
3微型汽车变速箱运动分析
3.1测量微型汽车车轮直径
经测量微型汽车的车轮直径为D=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3-1
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。
4微型汽车变速箱的外观功能分析
图4-1分析图1
（1）是离合器的分离轴承，它的作用是连接和断开发动机与变速箱之间运动和动务，是整个汽车启动、停止、倒车变速换档的关键。
图4-2分析图2
（2）是发动机启动电机的安装孔，这个孔是变速箱上一个很关键的孔。
由于启动电机是通过齿轮啮合启动发动机，这就要求这个孔端面与发动机曲轴的垂直度要求高，同时孔的中心与发动机曲轴之间距离的精度要其很高。
孔的大小由启动电机的形状所决定。
（3）是上端盖的起盖机构，这个结构没有什么特别要求,只是要求能够方便的把上端盖起开即可。
（4）是汽车行驶速度的一个测试装置。
（5）是一根通气管，变速箱本身是密闭空间，齿轮在里面高速旋转的时候会发热升温，体积会膨胀，如果不排气减压，会破坏变速箱的密封性能。
（6）是油标，同时也是加油口。
（7）是离合器的分离操纵手柄。
要求能够进行调整能够很方便的进行离合器的分离，使换档顺利进行。
（8）观测和调整发动机点火时间的孔，这个孔没有什么特别的要求，要求能够看得见连接在发动机曲轴上的那个大齿轮，并且能够方便的对其进行调整。
使发动机在修理过后能够顺利点火。
5变速箱的拆装
图5-1分析图1
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5-2分析图2
注：
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。
变速箱盖拆卸
图5-3拆卸顺序图
注：
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。
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：
注：
无#号的用梅花扳手预松，有符号的用套筒预松
其次，完全松开螺钉，其顺序为：
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17号是M6的螺钉外，其他的都是M8螺钉，则统一只记录螺钉的长度。
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。
6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。
齿轮的弯邮疲劳强度为：
齿轮的接触疲劳强度为：
各齿轮参数如下：
表6-1
I档
II档
III档
IV档
齿数Z
43
39
32
27
螺旋角
23．93
33．18
法面模数
2
1．75
齿宽b
12
12
12
11
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
189．8
94．1
81．5
66．9
56．5
所以，各档齿轮的弯曲疲劳强度为：
齿面接触疲劳强度为：
可见，齿轮的强度满足要求。
7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7-1变速箱原理图
变速箱在汽车中的位置：
一般安装于发动机和驱动桥之前。
三轴式变速器的结构方案：
第一轴与齿轮做成一体，其前端轴承支承在发动机内腔的轴承上，轴颈根据其与壳体之间轴承内径而定，长度根据离合器总成轴向尺寸来定。
轴与壳体之间轴承的外径最好大于第一轴常啮合齿轮的外径，以便于装拆第一轴。
第二轴前端通过轴承安装在第一轴的常啮合齿轮内腔，其轴径受齿轮径向尺寸限制。
安装同步器齿毂的花键多采用渐开线花键，其定位性能好，承载能力大，花键齿短，其小径相应增大，可一提高轴的刚度。
此轴上各档齿轮与轴之间有相对旋转运动，因此，轴的表面加工精度要求很高。
一般情况下，轴上开螺旋油槽，以保证充分润滑。
第二轴制成阶梯轴，便于安装齿轮。
从受力和合理利用材料来看，这也是需要的。
各截面尺寸要避免相差悬殊。
轴上供磨削用的砂轮越程槽产生应力集中，易造成轴的折断。
轻型汽车变速器各档齿轮常用弹性挡圈轴向定位，简单，但拆装不方便。
7.2微型汽车变速箱具体结构及布置方案反求
7.2.1差速器工作过程与原理：
汽车发动机的动力经离合器、变速器、传动轴，最后传送到驱动桥再左右分配给半轴驱动车轮，在这条动力传送途径上，驱动桥是最后一个总成，它的主要部件是减速器和差速器。
减速器的作用就是减速增矩，这个功能完全靠齿轮与齿轮之间的啮合完成。
汽车差速器是驱动轿的主件。
它的作用就是在向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。
功能汽车在拐弯时车轮的轨线是圆弧，如果汽车向左转弯，圆弧的中心点在左侧，在相同的时间里，右侧轮子走的弧线比左侧轮子长，为了平衡这个差异，就要左边轮子慢一点，右边轮子快一点，用不同的转速来弥补距离的差异。
如果后轮轴做成一个整体，就无法做到两侧轮子的转速差异，也就是做不到自动调整。
普通差速器由行星齿轮、行星轮架（差速器壳）、半轴齿轮等零件组成。
发动机的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。
差速器的设计要求满足：
（左半轴转速）+（右半轴转速）=2（行星轮架转速）。
当汽车直行时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏，导致内侧轮转速减小，外侧轮转速增加。
差速器的这种调整是自动的，这里涉及到“最小能耗原理”，也就是地球上所有物体都倾向于耗能最小的状态。
车轮在转弯时也会自动趋向能耗最低的状态，自动地按照转弯半径调整左右轮的转速。
当转弯时，由于外侧轮有滑拖的现象，内侧轮有滑转的现象，两个驱动轮此时就会产生两个方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然导致两边车轮的转速不同，从而破坏了三者的平衡关系，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。
驱动桥两侧的驱动轮若用一根整轴刚性连接，则两轮只能以相同的角速度旋转。
这样，当汽车转向行驶时，由于外侧车轮要比内侧车轮移过的距离大，将使外侧车轮在滚动的同时产生滑拖，而内侧车轮在滚动的同时产生滑转。
即使是汽车直线行驶，也会因路面不平或虽然路面平直但轮胎滚动半径不等（轮胎制造误差、磨损不同、受载不均或气压不等）而引起车轮的滑动。
车轮滑动时不仅加剧轮胎磨损、增加功率和燃料消耗，还会使汽车转向困难、制动性能变差。
为使车轮尽可能不发生滑动，在结构上必须保证各车辆能以不同的角速度转动。
7.3装配工艺流程反求分析
差速器总成的装配：
图7-2三维装配图
拆装之前，首先要分析整个变速箱的结构形式，各个部件的装配要求，拆装步
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