变速箱主要参数的选择计算.docx

1、变速箱主要参数的选择计算第三章 变速箱主要参数的选择根据变速箱运用的实际场合，结合同类变速箱的设计数据和经验，来进行本 设计的主要参数的选择，包括：挡数、传动比围、中心距、外形尺寸、齿轮参数 等。3.1挡数变速箱的挡数可在320个挡位围变化。通常变速箱的挡数在6挡以下，当 挡数超过六挡以后，可在6挡以下的主变速箱基础上，再配置副变速箱，通过两 者的组合获得多挡位变速箱。传动系的挡位增多后，增加了选用合适挡位使发动机处于工作状况的机会， 有利于提高燃油经济性。因此，轿车手动变速箱已基本采用 5挡，也有6挡的。近年来，为了降低油耗，变速箱的挡位也有增加的趋势。 发动机排量大的乘用车 多用5个挡。【

2、本设计采用5个挡位】3.2 传动比围变速箱传动比的围是指变速箱最低挡传动比与最高挡传动比的比值。 高挡通常是直接挡，传动比为1.0;有的变速箱最高挡是超速挡，传动比为 0.70.8。影响最低挡传动比选取的因素有：发动机的最大转矩和最低稳定转速所要求的汽 车最大爬坡能力、驱动轮与路面间的附着力、主减速比和驱动轮的滚动半径以及 所要求达到最低稳定性是车速等。目前乘用车的传动比围在3.05.4之间，总质 量轻些的商用车在5.08.0之间，其他商用车则更大。本设计根据已给条件，最高挡挡选用超速挡，传动比为 i1=3.5，i2=2.5，i3=2.0，i4=1.5，i5=0.95，iR=3.5(倒挡)所给

3、相邻挡位间的传动比比值在1.8以下，利于换挡。3.3 中心距A对中间轴式变速箱，变速箱中心距是指中间轴与第二轴轴线之间的距离。 它 是一个基本参数，其大小不仅对变速箱的外形尺寸、 体积和质量大小有影响，而 且对齿轮的接触有轻度有影响。中心距越小，齿轮的接触应力越大，齿轮寿命越 短；变速箱的中心距取的越小，会使变速箱长度增加，并因此而使轴的刚度被削 弱和使齿轮的啮合状态破坏。中间轴式变速箱中心距 A (mm)的确定，可根据对已有变速箱的统计而得出的经验公式初定:(3-1 ) 式中：KA中心距系数。对轿车，K A =8.99.3;对货车，K A =8.69.6;对 多挡主变速箱，KA =9.511

4、;Timax 变速箱处于一挡时的输出扭矩（此处意为最大转矩）。故可得出初始中心距： A=66.86mm，圆整取 A为67mm。3.4外形尺寸变速箱的横向外形尺寸，可根据齿轮直径以及倒挡中间齿轮和换挡机构的布 置初步确定。乘用车四挡变速箱壳体的轴向尺寸 3.03.4A。商用车变速箱壳体的轴向尺寸与挡数有关：四挡（2.22.7）A五挡（2.73.0）A六挡（3.23.5）A当变速箱选用的挡数和同步器多时，中心距系数 KA应取给出系数的上限。为检测方便，A取整。本设计为五速手动变速箱，其壳体的轴向尺寸是 3x67=201mm。3.5齿轮参数3.5.1模数齿轮模数是一个重要参数，影响它选取的因素很多，

5、如齿轮的强度、质量、 噪声、工艺等。选取齿轮模数一般遵守的原则有：在变速箱中心距相同的情况下，选取较小的模数，就可以增加齿轮的齿数， 同时增加齿宽可使齿轮啮合的重合度增加， 并减少齿轮噪声；为使质量小些，应 该增加模数，同时减小齿宽；从工艺方面考虑，各挡齿轮应该选用一种模数，而 从强度方面考虑，各挡齿轮应有不同的模数；减少乘用车齿轮工作噪声有较为重 要的意义，因此齿轮的模数应选的小些；对货车，减小质量比减小噪声更重要， 此时齿轮应该选用大些的模数；变速箱低挡齿轮应选用较大些的模数，其他挡位 选用另一种模数。所选模数应符合 GB/T 1357-2008规定的通用机械和重型机械 用直齿和斜齿渐开线

6、圆柱齿轮的法向模数。第一轴常啮合斜齿轮的法向模数 mnmn 0.473 TemaXmm(3-2 )T1 max Te maxi1(3-3) 式中 为变速箱传动效率，取96% Temax为发动机最大转矩。由 4-3 式得 Temax=122Nm，进而求得 mn =2.33，取 m=2.5。 一挡直齿轮的模数mm OS3： Timax mm(3-4)通过计算 m=2.45，取m=3。同步器和啮合套的接合大都采用渐开线齿形。由于制造工艺上的原因，同一 变速箱中的结合套模数都取相同，轿车和轻型货车取 23.5。【本设计取2.53.5.2 齿形、压力角a、螺旋角B和齿宽b齿轮压力角较小时，重合度较大并降

7、低了轮齿刚度，传动平稳，能减少进入 啮合和退出啮合时的动载荷，使传动平稳，有利于降低噪声；压力角较大时，可 提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。汽车变速箱齿轮的齿形、压力角、螺旋角 按表3-1选取。表3-1汽车变速箱齿轮的齿形、压力角与螺旋角项目车型 、齿形压力角a螺旋角卩轿车高齿并修形的齿形14.5 ,15 ,16 1 6.5 25 -45 一般货车GB1356-78规定的标准齿形20 20 -30 重型车同上低挡、倒挡齿轮 22.5 ,25小螺旋角因国家规定的标准压力角为20，所以变速箱齿轮普遍采用压力为20。啮 合套或同步器取30;斜齿轮螺旋角测30 。应该注意的是选择斜齿轮的螺旋角时应力

8、求使中间轴上是轴向力相互抵消。 为此，中间轴上的全部齿轮一律取右旋，而第一轴和第二轴上的的斜齿轮取左旋， 其轴向力经轴承盖由壳体承受。齿轮宽度b的大小直接影响着齿轮的承载能力，b加大，齿的承载能力增高。 但试验表明，在齿宽增大到一定数值后，由于载荷分配不均匀，反而使齿轮的承 载能力降低。所以，在保证齿轮的强度条件下，尽量选取较小的齿宽，以有利于 减轻变速箱的重量和缩短其轴向尺寸。通常根据齿轮模数m (mn)的大小来选定齿宽：直齿 b=kcm , kc为齿宽系数，取为4.58.0斜齿 b= kcmn , kc取为6.08.5b为齿宽(mm )。采用啮合套或同步器换挡时，其接合齿的工作宽度初选时

9、取24mm。第一轴常啮合齿轮副齿宽的系数值可取大一些，使接触线长度增加，接触应 力降低，以提高传动的平稳性和齿轮寿命。模数相同的各挡齿轮，挡位低的齿轮 的齿宽系数取得稍大。3.5.3 齿轮变位系数的选择齿轮的变位是齿轮设计中一个非常重要的环节。 采用变位齿轮，除为了避免 齿轮产生根切和配凑中心距以外，它还影响齿轮的强度，使用平稳性，耐磨性、 抗胶合能力及 齿轮的啮合噪声。由几对齿轮安装在中间轴和第二轴组合并构成的变速箱，会因保证各挡传动 比的需要，使各相互啮合齿轮副的齿数和不同。为保证各对齿轮有相同的中心距， 应对齿轮进行变位。当齿数和多的齿轮副采用标准齿轮传动或高度变位时，对齿 数和少些的齿

10、轮副应采用正角度变位。角度变位可获得良好的啮合性能及传动质 量指标，采用得多。对斜齿轮传动，还可以通过选择合适的螺旋角来达到中心距 相同的要求。变速箱齿轮是在承受循环负荷的条件下工作，有时还承受冲击负荷。对于高 挡齿轮，其主要损坏形势是齿面疲劳剥落，因此应按保证最大接触强度和抗胶合 剂耐磨损最有利的原则选择变位系数。 为提高接触强度，应使总变位系数尽可能 取大一些，这样两齿轮的齿轮渐开线离基圆较远， 以增大齿廓曲率半径，减小接 触应力。对于低挡齿轮，由于小齿轮的齿根强度较低，加之传递载荷较大，小齿 轮可能出现齿根弯曲断裂的现象。总变位系数越小，一对齿轮齿根总厚度越薄，齿根越弱，抗弯强度越低。但

11、 是由于轮齿的刚度较小，易于吸收冲击振动，故噪声要小些。根据上述理由，为降低噪声，变速箱中除去一、二挡和倒挡以外的其他各挡 齿轮的总变位系数要选用较小的一些数值，以便获得低噪声传动。其中，一挡主 动齿轮10的齿数Z10=15V 17,因此一挡齿轮需要变位。变位系数17 Z (3-5 )17式中Z为要变位的齿轮齿数。【本设计中变位系数根据上式 3-5求得】3.5.4齿顶高系数齿顶高系数对重合度、轮廓精度、工作噪声、轮齿相对滑动速度、轮齿根切 和吃定厚度等有影响。若齿顶高系数小，则齿轮重合度小、工作噪声大；但因齿 轮受到的弯矩减小，轮齿的弯曲应力也减少。因此，从前因齿轮加工精度不高， 并认为齿轮上

12、受到的载荷几种作用在齿顶上， 所以曾采用过齿顶高系数为0.75 0.80的短齿制齿轮。在齿9轮加工精度提高以后，短齿制齿轮不再被采用，包括我国在，规定齿 顶高系数取为1.0。本设计中也取齿顶高系数为1.0。3.6各挡齿轮齿数的分配在初选中心距、齿轮模数和螺旋角以后，可根据变速箱的挡数、传动比和传 动方案来分配各挡齿轮的齿数。下面结合本设计来说明分配各挡齿数的方法。3.6.1确定一挡齿轮的齿数图3-1三轴五速变速箱示意图乘用车中间轴式变速箱h 3.5 3.9时，则中间轴上一挡齿轮的齿数 Z10可在 1517之间选取，此处取Z10=15，则可得出Zg=30。上面根据初选的A及m计算出的Z可能不是整

13、数，将其调整为整数后，从 式（3-7 ）看出中心距有了变化，这时应从Z及齿轮变位系数反过来计算中心距 A， 再以这个修正后的中心距作为以后计算的依据。这里Z修正为45,则根据式（3-7）反推出A=67.5mm。3.6.2确定常啮合齿轮副的齿数Za 21、Z4 26。3.6.4确定倒挡齿轮的齿数一般情况下，倒挡传动比与一挡传动比较为接近，在本设计中倒挡传动比ig取3.5。中间轴上倒挡传动齿轮的齿数比一挡主动齿轮 10略小，取Z12 13。而通常情况下，倒挡轴齿轮 Z13取2123,此处取乙3=23。i1（3-13）可计算出乙1 267060可得出中间轴上与倒挡轴的中心距40轴倒挡心：20所示:如

14、而二轴1A 一 mn(Z11 乙 3 )2=61.25mm。1_东部_西部北部2 mn (Z12 乙3)45mm(3-14)(3-15)0 - rZT 1 1U J | L* |模数m分度圆 直径d（mm）基圆直径db压力角a螺旋角卩齿宽b(mm)第名称度第三季符号度齿数z1轴常啮合齿轮Z11742.539.920中间轴5挡齿轮Z2307570.5184挡从动齿轮Z32152.549.3204挡主动齿轮Z4262.56561.130183挡从动齿轮Z5266561.1223挡主动齿轮Z62152.549.3222挡从动齿轮Z7287065.820 202挡主动齿轮Z81947.544.6221

15、挡从动齿轮Z9309084.6201挡主动齿轮Z101534542.30 22倒挡从动齿轮Z11266561.120倒挡主动齿轮Z12122.53028.23022倒挡轴齿轮Z132357.554.022表3-2 齿轮相关参数各10第四章 变速箱齿轮的强度计算和材料选择4.1齿轮的损坏形式变速箱齿轮的损坏形式主要有：轮齿折断、齿面疲劳剥落（点蚀） 、移动换挡齿轮端部破坏以及齿面胶合。轮齿折断分一下两种情况：轮齿受到足够大的冲击载荷作用，造成轮齿弯曲 折断；轮齿在重复载荷作用下，齿根产生疲劳裂纹，裂纹扩展深度逐渐加大，然 后出现弯曲折断。前者在变速箱中出现的极少，而后者出现的较多。轮齿工作时，一

16、对齿轮相互啮合，齿面相互挤压，这时存在于吃面细小裂缝 中的润滑油压升高，并导致裂缝扩展，然后齿面表层出现块状剥落而形成小麻点， 称之为齿面点蚀。它使齿形误差加大，产生动载荷，并可能导致轮齿折断。用移动齿轮的方法完成换挡的低挡和倒挡齿轮，由于换挡时两个进入啮合的 齿轮存在角速度差，换挡瞬间在轮齿端部产生冲击载荷，并造成损坏。4.2轮齿强度计算与其他机械设备用变速箱比较，不同用途汽车的变速箱齿轮使用条件仍是相 似的。此外，汽车变速箱齿轮所用的材料、热处理方法、加工方法、精度等级、支撑方式也基本一致。如汽车变速箱齿轮用低碳合金钢制造，采用剃齿或齿轮精 加工，齿轮表面采用渗碳淬火热处理工艺，齿轮精度不

17、低于 7级。因此，比用于计算通用齿轮强度公式更为简化一些的计算公式来计算汽车齿轮，同样可以获得 较为准确的结果。本设计在这里所选择的齿轮材料为 40Cr,采用计算汽车变速箱齿轮强度用的简化公式。4.2.1轮齿弯曲强度计算FtioK Kf1）直齿轮弯曲应力 W式中：w为弯曲应力（MPa）;btyFt10为一挡齿轮10的圆周力（N）,F=2Tg/d ;其中Tg为计算载荷（N mm）, d为节圆直径；K为应力集中系数，可近似取1.65;Kf为摩擦力影响系数，主动齿轮取1.1,从动齿轮取0.9;b为齿宽（mm）,取18;t为端面齿距（mm） ,t=冗m;y为齿形系数。如图4-1所示，当处于一挡时，中间

18、轴上的计算扭矩为：Tg Te maxZg Z2Z10乙(4-2 )=1221000 30/15 30/17=430588Nm2Tg可以得出Ft10;再将所得出的数据代入式（5-1 ）可得图4-1齿形系数图故由F10选择齿形系数y时，按当量模数Zn z/cos 二挡齿轮圆周力：在图（4-1 ）中查得。(4-4 )2Tgd8根据斜齿轮参数计算公式可得出： Ft8 F7=6798.8N齿轮8的当量齿数Z z/coS =47.7，由图（5-1 ）得:目8 0.153故6798.8 1.5w8 212.28MPa20 7.85 0.153 2同理可得： w7231.9MPa。依据计算二挡齿轮的方法可以得

19、出其他挡位齿轮的弯曲应力，其计算结果如下：三挡：w5276.2MPaw6266.4MPa四挡：w1211.5MPaw2197.4MPa五挡：w3218.8MPaw4216.98MPa当计算载荷取作用到第一轴上的最大扭矩时，对常啮合齿轮和高挡齿轮，许用 应力在180350MPa围，因此，上述计算结果均符合弯曲强度要求。422齿轮接触应力 jFE(4-5 )418 b式中，j -齿轮的接触应力（MPa）;F -齿面上的法向力（N），F F/（COS COS ）;F1-圆周力在（N）， F1 2Tg/d ；-节点处的压力角（）;-齿轮螺旋角（）;E-齿轮材料的弹性模量（MPa）,查资料可取E 190

20、 103MPa ;b-齿轮接触的实际宽度，20mm ;z、 b-主、从动齿轮节点处的曲率半径（mm ）。直齿轮： z rzs in （4-6）rb sin （4-7）2rzsin /cos. 2rb sin cos其中，J、Hb分别为主从动齿轮节圆半径（mm）将作用在变速箱第一轴上的载荷EmaX乍为计算载荷时，变速箱齿轮的许用接 触应力j见下表：表4-1变速箱齿轮的许用接触应力齿轮j/MPa渗碳齿轮液体碳氮共渗齿轮一挡和倒挡1900 2000950 1000常啮合齿轮和高挡1300 1400650 700通过计算可以得出各挡齿轮的接触应力分别如下:一挡：j11998.61MPa二挡：j21325.仃MPa三挡：j31233.1MPa四挡：j41208.5MPa五挡：j51015.78MPa倒挡：jR1904.32MPa对照上表可知，所设计变速箱齿轮的接触应力基本符合要求。