[4]。4.3齒輪的強度計算及材料接觸應力不管是什么車型，其實相較于其他的機械設備的變速器來說變速器中的齒輪的使用同其他機械設備中齒輪的使用情況類似。而且在汽車變速器的生產(chǎn)過程中，對齒輪的加工與熱處理所采用的方法也基本相似，同時所選齒輪的材質(zhì)基本是一樣的，對于齒輪的精度等級都是按照國家標準來選取。齒輪精度一般大于或等于7級。使用機械設計中齒輪的強度公式來計算校核轎車變速器中的齒輪，一樣會計算出相對準確的結(jié)果。此次設計對齒輪材料的選擇為40Cr。4.3.1齒輪彎曲強度計算（1）直齒輪彎曲應力（4-9）式中；——應力集中系數(shù)；；；；，如圖4-1所示。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC1齒形系數(shù)圖當變速器位于一檔時中間軸的轉(zhuǎn)矩公式為：（4-10）可求得=139500N故由可以得出；再將所得出的數(shù)據(jù)代入式（4-9）可得在進行載荷計算的時候，選擇最大扭矩Tmax為影響傳動裝置第一軸的最大扭矩，（2）斜齒輪彎曲應力（4-11）式中；其他參數(shù)均與式（4-9）注釋相同，，選擇齒形系數(shù)y時，再根據(jù)圖（4-1）中查得。二檔齒輪圓周力：（4-12）由有關(guān)斜齒輪計算公式有：=5370.1N齒輪8的齒數(shù)z=22，可查表（4-1）得：。故可求得：同理可得：其余前進檔位齒輪的彎曲應力同此變速器二擋的計算方式一樣，通過計算可以得到：三檔：；五檔：；結(jié)合以上數(shù)據(jù)，所選擇的斜齒與直尺的基本參數(shù)與尺寸都滿足強度要求。4.3.2齒輪材料接觸應力齒輪接觸應力（4-13）式中；；；；；；；；直齒輪：（4-14）（4-15）斜齒輪：（4-16）（4-17）其中，分別為主從動齒輪節(jié)圓半徑（mm）。當載荷在第一軸上為最大時，見表4-1：表4-SEQ表4-\*ARABIC1各檔位齒輪要求強度齒輪/MPa滲碳齒輪液體碳氮共滲齒輪一檔和倒檔1900-2000950-1000常嚙合、其他檔位1300-1400650-700通過計算可以得出各檔齒輪的接觸應力分別如下：一檔：；二檔：；三檔：五檔：由以上數(shù)據(jù)對照表查看得出變速器中各檔齒輪的接觸應力都符合使用要求。4.4本章小結(jié)此章節(jié)開頭便闡明了齒輪的幾種失效形式，結(jié)合相應公式繼續(xù)對所選擇齒輪的強度進行校核，結(jié)果均符合使用要求。對齒輪的校核可以檢測出所選數(shù)據(jù)的正確與否，檢測出計算過程是否準確，可以及時的發(fā)現(xiàn)出前文數(shù)據(jù)的錯誤，避免后續(xù)更多錯誤的產(chǎn)生。第五章變速器中軸的設計與校核5.1變速器中軸的結(jié)構(gòu)與尺寸5.1.1軸的結(jié)構(gòu)對輸入軸來說前端連接離合器，常嚙合齒輪與一軸連接在一體。軸的長度由軸徑和軸長的比并且結(jié)合離合器的尺寸來進行大致的選擇，，輸入軸和離合器通過花鍵連接在一體，需要根據(jù)離合器的內(nèi)花鍵來選擇相應的輸入軸上的外花鍵。輸入軸如下圖所示：圖5-SEQ圖5-\*ARABIC1變速器輸入軸變速器的中間軸有旋轉(zhuǎn)式、固定式。本次中間軸為旋轉(zhuǎn)式。5.1.2軸的尺寸在進行軸的初步設計時。軸的直徑有兩種確定方法：1、參考此種車型的變速器直接選用直徑。2、由下面的公式進行初選。第一軸和中間軸：（5-1）第二軸：（5-2）式中——發(fā)動機的最大扭矩，N·m需要綜合考慮設計是否合理，所以要綜合考慮軸的強度與剛度之間的關(guān)系。參考以下范圍來大致確定軸的基本參數(shù)：第一軸和中間軸：d/L=0.160.18；第二軸：d/L=0.180.21。5.2軸的校核一般來說，對于傳動軸的設計，軸的強度通常是足夠的，因此這種設計只檢查軸的危險截面并對其進行校核。不管對什么進行設計，在設計時都需要保存一定的余地，留出一定的余量。軸的設計也是如此，軸的剛度與強度在設計時都是足夠的。變速器的軸當承受的扭矩最大時，變速器所處的檔位應為1擋，因此，對變速器處于一檔時來驗算校核軸的強度與剛度就可以。此次設計中輸出軸上有很多同步器和齒輪所以相應的結(jié)構(gòu)比較復雜，需要重點來校核驗算輸出軸。以下是對輸入軸和輸出軸的校核過程。5.2.1一軸的校核在變速器正常工作時，第一軸的所承受的彎矩相對較小，計算時忽略輸入軸所承受的彎矩，視為輸入軸只承受扭矩。此時，根據(jù)軸的扭矩強度條件公式計算校核:（5-3）式中；；；；；。其中將已知的數(shù)據(jù)P=77kw，：由查表可知[]=55MPa，故[]，符合強度要求。：（5-4）式中；；；將已知數(shù)據(jù)代入上式可得：因為傳動軸的扭轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)；所以輸入軸符合使用要求。5.2.2二軸的校核（1）軸的強度校核根據(jù)機械設計齒輪斜嚙合中各分力公式圓周力、徑向力及軸向力可按下式求出：（5-5）（5-6）(5-7)式中；；；；。代入上式可得：；；。危險截面的受力圖為：圖5-SEQ圖5-\*ARABIC2危險截面受力分析水平面：（160+83）=83，可得出=1527.2N；水平面內(nèi)所受力矩：垂直面：（5-8）可求出=5723.6N垂直面所受力矩：。該軸所受扭矩為：。故危險截面所受的合成彎矩為：（5-9）得M=（MPa）：（5-10）將合成彎矩M代入上式可得：，而許用應力[]=400MPa，因此有：，符合要求。（2）軸的剛度校核輸出軸豎直面內(nèi)的撓度由式5-11計算輸出軸在水平面內(nèi)的撓度可由式5-12計算：（5-11）（5-12）式中；；；；；。將數(shù)值代入式（5-11）和（5-12）得：，。故軸的全撓度為，符合剛度要求。5.3本章小結(jié)本章節(jié)對變速器軸進行了設計并進行校核驗算，輸入軸與常嚙合齒輪為一體，中間軸的傳動方案為旋轉(zhuǎn)式中間軸，一檔倒擋二擋與中間軸造成一體，其他檔位通過鍵連接在中間軸上來傳遞作用和力；輸出軸相對輸入軸來說結(jié)構(gòu)相對復雜，上面有矩形花鍵。校核驗算所選的軸的尺寸是否滿足強度與剛度要求。第六章變速器中同步器及操縱機構(gòu)的設計6.1同步器的設計在前面章節(jié)闡明了本次設計所采用的換擋方式為鎖緊式同步器換擋，其結(jié)構(gòu)如下圖6-1所示：圖6-SEQ圖6-\*ARABIC1鎖環(huán)式同步器6.1.1同步器的工作原理如上圖所示，操縱機構(gòu)中鎖緊式同步器的換擋原理是：當需要換擋時操縱機構(gòu)中的撥叉會人為地產(chǎn)生軸向力，撥叉由于受到軸向力會帶動嚙合套筒軸向移動當嚙合套內(nèi)圈與鎖緊環(huán)內(nèi)圈觸碰時停止移動。而后，嚙合套含有齒的端面會與同步環(huán)的鎖止面相互接觸（圖5-2b），就會產(chǎn)生相反的力阻止嚙合套沿著軸向移動，同步裝置被鎖定，換擋的第一階段結(jié)束。作用在撥叉上的軸向力使鎖環(huán)緊靠錐面，故摩擦力矩不斷增大，這時撥叉的扭矩會反向作用在鎖止面上。此時，齒輪和鎖定環(huán)的角速度相互接近。在兩者的角速度相同的情況下，結(jié)束同步處理，換擋的第2階段正常結(jié)束。之后，摩擦扭矩將繼續(xù)減小，直到消失為止，撥叉產(chǎn)生的扭矩將使鎖環(huán)平穩(wěn)返回，兩個接觸面相互分離，當同步器解鎖時，在撥叉軸向力的作用下，嚙合套筒上的輪齒通過鎖環(huán)與齒輪上的嚙合齒嚙合。如下圖d過程所示從而完成同步換檔。圖6-SEQ圖6-\*ARABIC2同步器工作原理6.1.2同步環(huán)參數(shù)的確定1、同步環(huán)錐面螺紋槽如果螺紋塊的頂部可以設計成窄的，那么可以更好地去除摩擦殼之間的油膜。但是也會產(chǎn)生相應的缺點，由于螺紋槽螺線頂部很窄會加劇磨損。螺紋尖端磨損越嚴重，摩擦系數(shù)越小，操縱換擋費力不方便從而導致工作困難。從變速器的設計要求來看，要滿足操縱輕便的需求就不宜將齒寬設計的過大。但是可以適當增大螺紋槽，如果過分加大螺紋槽就會使接觸面變小從而會使磨損速度不斷加快。中小型汽車通常選取下圖a中所給出的尺寸；大型汽車通常會選擇下圖b所給的數(shù)據(jù)。一般來說，所需的軸向泄油槽為6～12個，泄油槽寬約3～4mm。圖6-SEQ圖6-\*ARABIC3同步器螺紋槽形式2、摩擦錐面半錐角、平均半徑R、工作長度b摩擦力矩與半錐角成反比：即摩擦力矩會隨著半錐角的減小而增大。當α過小時，便會產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象。有機械設計知自鎖的產(chǎn)生條件是。一般=6～8°。當=6°時，摩擦力矩較大，但如果加工精度和加工質(zhì)量不好時會產(chǎn)生咬合的現(xiàn)象；但是有實驗知當=7°時咬合的傾向就基本不會發(fā)生。本次同步器的半錐角取7°。摩擦力矩會隨著半徑R的增大而增大，同時平均半徑也會受到變速器自身結(jié)構(gòu)尺寸的制約，與相關(guān)零件的設計和總體結(jié)構(gòu)布置及其變速器中心距都有極大的關(guān)系?？紤]到同步環(huán)的徑向厚度與總體的尺寸結(jié)構(gòu)要求不宜將半徑R取得過大。雖然半徑增大摩擦力矩也會變大，理想條件下是可以將半徑取得大一些，綜合考慮摩擦力矩與結(jié)構(gòu)尺寸的要求。這個三軸五檔機械式變速器的半徑R取50～60mm。對工作長度來說，變速器軸向長度會隨工作長度的減小而減??；減小長度會存在弊端，減小工作長度也會縮短工作面積進一步導致單位壓力的增大；會使磨損加劇。對工作長度的確定可以根據(jù)式6-1來設計計算。（6-1）設計中考慮到降低成本取相同的b取5mm。3、同步環(huán)徑向厚度同步環(huán)的尺寸由變速器本身的結(jié)構(gòu)（變速器內(nèi)部零件的結(jié)構(gòu)尺寸、變速器中具體零件的安裝方式）所影響，由于要求變速器的體積小重量輕因此，雖然說同步環(huán)的徑向厚度不宜過厚，要保證同步環(huán)要有足夠大的強度滿足相應的使用要求的前提下，選擇適當?shù)耐江h(huán)的尺寸。由經(jīng)驗得貨車的同步環(huán)的徑向厚度是要比家用車大一些的，同步環(huán)是經(jīng)過鍛造加工制成的，通過鍛造可以提高同步環(huán)的使用壽命增大其屈服強度。鍛造所選用的材料是黃銅錳-合金。通常選擇亞洲為貨車同步環(huán)的加工方法。通過鍍一層合金，它的摩擦因數(shù)較理想同時可以大大提高耐磨性與強度。另外有變速器在其同步裝置的零件上噴一層適當厚度的金屬，這種同步環(huán)的壽命得到了極大的提高。采用這種同步環(huán)既可以提高經(jīng)濟性，還可以提高同步環(huán)的強度，滿足此次變速器的設計要求。這個三軸五檔機械式變速器中的同步器徑向?qū)挾热?0.5mm。4、鎖止角β、同步時間t鎖止角β的選擇關(guān)系到變速器是否可以順利平順的進行換擋。摩擦因數(shù)、擦錐面的平均半徑R、鎖止面平均半徑和錐面半錐角α這些因素都會影響鎖止角的選擇。這機械式變速器所初步選擇的鎖止角為30°。我們說的理想狀態(tài)下?lián)Q擋過程的時間越小越好，也就是不同的兩個部件可以在極小的時間內(nèi)迅速完成同步過程，保證順利換擋。同步裝置的同步時間受同步裝置自身的尺寸和結(jié)構(gòu)的影響。眾所周知，同步時間與車型有關(guān)。所以初選同步時間，不同檔位的同步時間也不同：參考同步器設計資料得:對轎車變速器來說：；對貨車變速器來說：。6.2變速器操縱機構(gòu)6.2.1操縱機構(gòu)的功能變速器操縱機構(gòu)的功用是通過操縱桿來控制撥叉來軸向移動嚙合套，用來獲得駕駛員想要的檔位。而且操縱機構(gòu)一次只可以掛入一個檔位。6.2.2操縱機構(gòu)的要求(1)必須要有鎖止裝置（互鎖、自鎖、倒檔鎖）a.互鎖裝置：當操作員移動操縱桿時，只有這一個撥叉可以進行移動，其他操縱桿不能夠移動和其他的撥叉一樣都被鎖止，以此來保證換擋準確。這個機械式變速器的互鎖機構(gòu)選擇互鎖銷式的結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖6-4：b.定位功能是自鎖結(jié)構(gòu)最重要的作用，用來防止由于路面顛簸引起汽車振動產(chǎn)生軸向力是定位失效或由于惡劣路況引起的其他狀況而導致汽車傳動失靈的現(xiàn)象，而且可以通過反饋給駕駛員確定的換擋感受，保護變速器，并起到警示駕駛員的作用。下圖為自鎖裝置的結(jié)構(gòu)形式。c.安全性是最重要的性能，可以保護駕駛員的生命健康，所以為了行駛的安全性，防止駕駛員在行進的過程中因失誤操作掛了倒擋，同時也為了保護變速器的傳動系統(tǒng)。變速器中都會有倒擋鎖。倒檔鎖能在駕駛員失誤操作時給駕駛員不同于掛入前進檔的感覺，以此來起到警示作用，及時提醒駕駛員。圖6-SEQ圖6-\*ARABIC4自鎖互鎖結(jié)構(gòu)(2)同設計要求一樣，操縱機構(gòu)需要換擋更加輕便，同時需要有相應的反饋，可以及時通知駕駛員，增加行車樂趣。(3)應使駕駛員得到必要的手感。6.2.3變速器的換擋位置確定換擋位置是操縱機構(gòu)設計首先要考慮的事情。但是如何確定換擋位置呢？需要根據(jù)齒輪的布置方案來確定：(1)齒輪布置由低檔到高檔依次布置；(2)為了滿足日常的行駛便于操作，常用檔位通常布置在變速器的中間位置；(3)為了防止駕駛員大意操作，倒擋的操縱位置往往在最旁邊的位置。6.3本章小結(jié)本章節(jié)對同步器換擋的結(jié)構(gòu)方案進行設計，適當?shù)胤治隽随i止式同步器是怎樣進行工作的。由設計計算對同步器的基本參數(shù)進行選取，并驗算參數(shù)是否合理。具體分析了操縱機構(gòu)在實現(xiàn)輕便換擋時所需的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。必須包括自鎖、互鎖和倒檔鎖，通過這些機構(gòu)可以使行車足夠的安全，保護駕駛員和變速器的傳動系統(tǒng)。通過倒擋鎖還會有及時的反饋到駕駛員。提高專注度。提高駕駛樂趣。第七章成本分析由于考慮到經(jīng)濟性與實用性，現(xiàn)在對本次設計的一些主要零件進行設計成本估計核算。具體包括對齒輪的加工方法及其材料選擇成本和所用加工工時；對這三個軸的毛坯件進行選擇，如何加工到本次設計所需要的尺寸，大致花費了多少成本和時間；對重要非標件進行相同的分析其成本預算；最后就是對三軸五檔機械變速器進行整體的成本分析，及其成功加工出一個整體大致所需的成本及其所需的加工時間。7.1齒輪的加工核算因為所設計的變速器中含有較多的齒輪，其中多為斜齒輪，只有一檔和倒擋為直齒輪。本次設計所選擇的材料為40鎘，應該是國內(nèi)機械生產(chǎn)所常用的鋼材。40Cr是很經(jīng)濟性的材料成本價格不高，很具有性價比。對于變速器中的斜齒輪的加工方法有很多種，最常用的是成形法與范成法加工。本次設計的直齒輪采銑刀加工。采用銑刀加工的直齒輪精度不是很高但生產(chǎn)成本較低。如下圖為銑刀加工直齒輪：圖7-SEQ圖7-\*ARABIC1銑刀加工直齒輪本次變速器的斜齒輪使用的加工方法為滾齒加工，這種方式加工效率較高，適應性好。如下為本次設計采用的滾齒機及其滾齒加工的工作原理：圖7-SEQ圖7-\*ARABIC2滾齒加工圖7-SEQ圖7-\*ARABIC3Y3150E型滾齒機三個直齒輪通過銑刀加工，其余各檔位和常嚙合的斜齒輪在滾齒機上加工在相對較短的時間內(nèi)就可以完成加工，然后對已加工的齒輪進行熱處理使其滿足相應的使用要求。7.2軸的加工核算本次設計中因為輸入軸上常嚙合齒輪與輸入軸為一體，加工相對較為復雜。中間軸上五檔與三檔的的齒輪通過鍵連接在軸上，故在進行中間軸的加工時需要在軸上銑出相應的鍵槽。輸入軸上裝配的零件較多，對輸入軸的加工要求較高。軸的材料可以選擇45鋼或40Cr合金鋼。結(jié)合上文齒輪材料的選擇及其變速器的設計要求。本次軸的材料同齒輪一樣為40Cr。這樣方便輸入的齒輪軸進行加工，雖然成本相較于45鋼略高一些，但使用性能更好。軸通過車床來進行加工，根據(jù)其表面粗糙度的要求，恰當?shù)倪x取加工方法，同時兼顧了經(jīng)濟性。軸上的鍵槽和齒輪上的鍵槽可以通過車刀或銑刀將鍵槽銑出來。對于輸出軸上的同步器的加工來說，嚙合齒圈可以由鑄造產(chǎn)生在對其表面進行磨削工序滿足其粗糙度要求，與之配合的撥叉可以在數(shù)控機床進行加工，精確性較高可以完美與套筒相配合。但成本相對來說略高，但好在撥叉的數(shù)量并不多。圖7-SEQ圖7-\*ARABIC440Cr價格7.3整體核算變速器的可以采用最廉價的方法制造，通過鑄造來進行大批量生產(chǎn)。成本相對較低，輸入輸出軸和中間軸的軸承根據(jù)標準和工作情況來選擇恰當?shù)妮S承，四個軸承成本大致在80元左右。鑄造過后的殼體對其需要進行裝配的表面進行進一步的加工，以保證可以完美的裝配。進行整體核算是要充分考慮是否滿足經(jīng)濟性的要求。對殼體的材料選擇，要滿足