两轴式五挡手动变速器设计说课材料.doc
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1、两轴式五挡手动变速器设计本科毕业设计说明书某型乘用车五挡手动变速器设计PASSENGER CAR MANUAL TRANSMISSION DESIGN学院(部): 机械工程 专业班级: 车辆工程11-1 学生姓名: 王怀远 指导教师: 张国荣 2015 年 06 月 02 日某型乘用车五挡手动变速器设计摘要本次设计针对小型前置前驱乘用车,综合考虑乘用车对乘坐舒适性、操作简便性、动力性以及燃油经济性等方面需求,进行五挡机械式变速器设计。变速器结构采用两轴式,同时采用锁环式同步器换挡机构,使换挡更及时、更准确、更平稳。设计过程包括动力参数分析、传动比分配、变速器结构设计以及各个零部件强度的校核。在
2、结构设计中,运用CATIA软件进行三维建模和结构分析,最后根据确定的参数完成工程图纸的绘制。关键词:乘用车,机械式变速器,结构分析,强度校核PASSENGER CAR MANUAL TRANSMISSION DESIGNABSTRACT The design is directed at small front precursor passenger cars. It takes various requirements into comprehensive consideration, such as comfort, ease operation, power performance an
3、d fuel economy.With two shaft type transmission structure, and using the lock ring synchronizer shifting mechanism at the same time, makes the shifting more timely, more accurate, more stable.Design process including analysis, dynamic parameters distribution of transmission ratio, the transmission s
4、tructure design and strength check every parts and components.In structure design, using CATIA software for 3 d modeling and structure analysis, according to the determined parameters to complete drawing engineering drawings.KEYWORDS: passenger vehicles, mechanical transmission, structure analysis a
5、nd strength check目录摘要IABSTRACTII1 机械式变速器设计概述2 变速器传动机构布置方案2.1传动机构布置方案分析2.2 零、部件结构方案分析2.2.1 齿轮形式2.2.2换挡机构形式2.2.3 变速器轴承3 变速器主要参数的选择3.1 变速器挡数的确定和各挡传动比分配3.1.1确定最大和最小传动比63.1.2 确定中间各挡传动比3.2中心距A3.3 齿轮参数3.4 各挡齿轮齿数分配3.5 各挡齿轮参数计算3.5.1变位前齿轮参数见表3.53.5.2 变位齿轮参数计算4 轮齿强度校核4.1齿轮材料的选择原则24.2各轴转矩计算4.3轮齿强度校核计算4.3.1轮齿弯曲应
6、力计算与校核4.3.2轮齿接触应力计算与校核5 轴的结构设计及强度校核5.1轴的结构设计5.2轴的载荷计算及危险截面分析5.3轴的强度校核5.3.1轴的刚度校核5.3.2轴的强度校核6 同步器设计6.1锁环式同步器结构及其工作原理16.2锁环式同步器主要尺寸的确定6.3同步环主要参数确定6.4同步器花键参数确定与计算7 汽车环境保护7.1我国环境保护的原则和政策7.2汽车及内燃机污染与危害7.2.1汽车及内燃机污染的主要表现7.2.2汽车及内燃机污染的危害7.3汽车与内燃机污染防治措施结论参考文献附录A 乘用车五挡变速器装配效果图附录B 锁环式同步器装配图谢辞1 机械式变速器设计概述变速器通过
7、不同传动比的切换使汽车能够很好地适应各种复杂工况。使转速及扭矩范围很小的内燃机在汽车上得到很好地利用。变速器设有空挡、倒挡、前进挡,从而满足汽车在不同工况下对扭矩及转速的需求。空挡位置使发动机能够顺利启动,并且可以在不需要动力的时候及时可靠切断发动机动力输出;倒挡使汽车能够倒退行驶,满足汽车对停车以及在狭小空间行驶的性能需求;而前进挡是汽车正常行驶挡位,使汽车能够获得各种不同的车速和扭矩,同时使发动机的动力得到充分利用,使汽车的动力性和燃油经济性得到均衡。变速器的设计,归根结底就是为了是发动机的转速和扭矩范围扩大,并且使之得到很好地控制。通常变速器的设计需要满足以下基本设计要求:1) 使汽车得
8、到良好的动力性的同时,力求确保获得最佳的燃油经济性;2) 使汽车动力能够随时可靠中断和传输,因此须要设置空挡;3) 确保汽车能够在狭小空间倒退行驶,因此变速器必须设置倒挡;4) 汽车换挡过程要平稳,齿轮产生的冲击和噪声要尽可能小,因此需要采取齿轮转速同步措施,如使用同步器;5) 变速器工作要可靠,不可出现脱挡、同时挂入两个以上挡位等危险工况;6) 变速器各个挡位传动比分配要合理,此外应该设置动力输出装置,使发动机的动力能够在需要的时候对外输出;7) 变速器的工作效率要足够高,以确保发动机的动力能够可靠驱动质量很大汽车。8) 变速器在满足基本功能的同时,应尽可能使其轻量化,并且尽量减小其体积,从
9、而降低生产和使用维护成本随着汽车工业的不断发展,现代汽车使用的变速器结构形式很多,但是它们的基本结构原理大体相同。对于很多大型货运汽车为了获得更连续的传动比变化,要求变速器具有更多挡位,因此有些变速器在常用的变速器基础上增设一个副变速箱,以获取更多的挡位,从而满足重型汽车的使用需求。对于这种变速器,拆除副变速箱后,同样可以将其使用在对挡位数要求不多的场合。变速器一般均由动力传输机构和操纵机构两部分组成。近几年电控、以及液压控制系统的应用使驾驶员可以通过对变速器的操纵控制,使汽车发动机得到更加精确的控制和利用。其中变速器的传动机构,根据其传动轴的数目以及变速器前进挡位的数目具体分类如下:本次手动
10、五挡变速器设计参数参考桑塔纳2015款1.6L手动舒适版官方公布数据,如表1.1表1.1 五挡变速器设计参数最高车速(km/h)185最大马力(Ps)110最大功率(kW)81最大功率转速(rpm)5800最大扭矩(Nm)155最大扭矩转速(rpm)3800轮胎规格185/60 R15满载质量(kg)1600驱动形式前置前驱2 变速器传动机构布置方案机械式变速器不仅结构简单、制造以及使用维护成本低而且工作可靠、传动效率也很高。因此目前在很多汽车上得到广泛应用。2.1传动机构布置方案分析1. 固定轴式变速器(1) 两轴式变速器 目前,实用型私人轿车为了使汽车动力传动路径减短,同时避免因传动轴布置
11、而导致车厢地板凸包,从而有效增大人员乘坐空间,提高乘坐舒适性。而对于两轴式变速器,通常使用在发动机前置前驱的汽车上。两轴式变速器,与中间轴式比较,结构更简单,其轴和轴承的使用数量比中间轴式少,因此两轴式变速器体积更小,制造成本也比较低。此外,两轴式变速器动力传输只经过一对啮合齿轮副,因此传动效率高,但是由于结构的限制,两轴式变速器不能设置直接挡,因此在高速挡位工作时,齿轮传动噪声很大。而且两轴式变速器,在输入和输出轴中心距不大的条件下,无法使一挡获取较大的传动比。两轴式变速器器输入轴和输出轴转速相反,而中间轴式变速器其第一轴与输出轴转向相同,且可以设置直接挡,从而降低了高速挡位的工作噪声。(2
12、) 中间轴式变速器 中间轴式变速由三根传动轴组成,其动力输入轴为第一轴,输出轴为第二轴,还有一根轴即中间轴。第二轴一端通过轴承支撑在第一轴输入齿轮中心孔上,这种结构特点使其可以设置直接挡。在直接挡位时,变速器第一轴和第二轴直接连接,不仅动力传输可靠,而且传动效率高、噪声小、齿轮及轴承的磨损量也得到减少。因为直接挡使用时间比较长,所以变速器的使用寿命得到了一定程度的提高。第一轴将动力传输给中间轴,再经由中间轴将动力最终通过第二轴对外输出。因此,第一轴转动方向与第二轴转动方向相同。此外,由于中间轴式变速器通过两对齿轮副啮合传动,所以在中心距不大的情况下,一挡更容易获取较大的传动比,使汽车可以应对更
13、苛刻的行驶条件。中间轴式变速器适用于发动机前置后轮驱动和发动机后置后轮驱动的汽车,多见于客车。因为中间轴式变速器的输出轴支承在输入轴上的座孔内,所以除直接挡外,其他挡位啮合传动不是很平稳,噪声比较大且传动效率较低。常见中间轴式变速器,结构差别不是很大,主要体现在,常啮合齿轮对数、换挡方式、轴的支承方式、倒挡布置方案以及挡位布置顺序的差别上。变速器中常啮合齿轮传动的挡位,必须通过同步器或者用啮合套实现换挡。而且高挡位一般使用同步器进行换挡,低挡位可以用选用啮合套换挡。本次五挡手动变速器传动布置方案如图2-1所示。图2-1 五挡变速器传动布置方案2. 倒挡布置方案倒挡是为了满足汽车在停车以及保证汽
14、车在狭小空间能够正常行驶的需要而设置的。因为倒挡一般都是在汽车停车状态下进入使用的,因此对换挡机构的要求不高,大多均采用直齿滑动齿轮换挡。换挡是通过在输入轴或者中间轴与输出轴之间增加一个中间传动齿轮而实现的。也有的使用两个联体齿轮共用一挡输入齿轮从而实现倒挡的,这个倒挡布置方案减少了齿轮的使用数量,不仅降低生产成本,而且变速器的质量和体积均得到适量的减少。但是这种倒挡布置方案的缺点是,两个联体齿轮要求同时进入啮合,这使倒挡的换挡操作不是很轻便。但是这种倒挡布置方案,中间齿轮实在单向循环应力下工作的,并且还可以是倒挡传动比适当增加。而前者的工作状态则是在较为不利的双向交变应力状态下。有些汽车倒挡
15、也采用同步器进行换挡,这使变速器成本增加,但是使换挡操作进行的更容易。倒挡布置方案常见的如图2-2。图2-2b方案倒挡和一挡共用输入齿轮,是变速器结构简单化,但是由于要求两对齿轮副同时进入啮合,所以该方案换挡操作不易进行;图2-2c和图2-2d所示方案,可以使其倒挡传动比比一般倒挡方案稍大,但是方案2-2c倒挡机构不合理,换挡过程中倒挡齿轮会出现运动干涉,而方案2-2d则解决了这一问题;图2-2e所示方案中,一、倒挡齿轮做成一体,使其总齿长增加;图2-2 f所示方案采用同步器换挡,使换挡操作更轻便。图2-2 g所示方案换挡操作机构比较复杂,但是可以缩短变速器的轴向尺寸。图2-2 变速器倒挡布置
16、方案倒挡和一挡得得传动比都比较大,变速器在一挡和倒挡齿轮工作时其相应齿轮和轴需要承受的载荷也比较大。因此,一般将倒挡和一挡的支承布置在靠近轴端处。因为倒挡的使用频率比一挡更低,所以优先安排一挡布置在更靠近轴端处。倒挡和一挡的轴在较大的工作载荷下产生不同程度的挠度和转角,导致齿轮啮合传动不平稳,同时加剧了齿轮和轴承的磨损,使变速器的工作噪声变大,传动效率变差。此外考虑到变速器维修时的拆装方便应在轴上从小到大依次布置各挡齿轮。从结构上来说,倒挡既可以布置在变速器的左侧也可以布置在变速器的右侧,但是两者的差异在于,驾驶员进行换挡操作时,控制杆的操作方向发生了改变,如图2-3所示。倒挡布置在变速箱左侧
17、时,换挡操作程序如图2-3a所示,倒挡齿轮在变速箱右侧时,换挡操作程序如图2-3b。为了防止行驶途中误挂倒挡,一般会在变速器倒挡操作机构中布置弹簧,使挂入倒挡时产生一定的阻力,从而确保驾驶员不会误挂入倒挡。图2-4中对倒挡齿轮布置在变速器左右两侧的布置方案中的受力情况分析,由图可知,不同的布置方案对倒挡轴的受力情况影响很大。 图2-3 变速杆换挡位置与顺序 图2-4 倒挡轴位置与受力分析3. 其他问题常用挡位齿轮齿面会由于应力存在导致齿面点蚀损坏。而变速器传动轴中部由于轴的变形而引起的齿轮中心面偏转量很小,所以传动轴中部适宜于安装高挡位齿轮,从而保证轮齿处于比较好的啮合状态,减少轮齿表面的偏载
18、现象,延长齿轮寿命。变速器的布置方案影响其传动效率,其中传递动力时处于工作状态的齿轮对数、传递的功率、每分钟转速、润滑系统的有效性、齿轮和壳体的制造精度等都对变速器传动效率有影响。2.2 零、部件结构方案分析2.2.1 齿轮形式为了使变速器啮合传动更平稳、传动噪声更小,变速器的常啮合齿轮一般均采用斜齿圆柱齿轮。此外,斜齿圆柱齿轮还有比圆柱齿轮使用寿命更长的优点。但是斜齿圆柱齿轮的采用,要求齿轮常啮合,因此齿轮的对数增加,使变速器质量和转动惯量增加。变速器的低挡和倒挡一般采用直齿圆柱齿轮。本次设计,一挡和倒挡采用直齿圆柱齿轮,其他各挡均采用斜齿圆柱齿轮。2.2.2换挡机构形式高速挡位一般采用同步
19、器进行换挡,而低速挡位使用啮合套和直齿滑移齿轮换挡。目前,同步器换挡机构应用很普遍。采用同步器换挡,可以确保换挡过程迅速且齿轮无冲击,因此降低了变速器的换挡噪声,同时使汽车的加速性、经济性和安全舒适性均得到提高。此外,同步器换挡机构还有操作轻便、换挡行程短等优点。这使变速器更容易实现自动控制。但是同步器换挡机构结构复杂,制作精度要求比较高,轴向尺寸比较大,铜质同步环容易被磨损而失效。啮合套换挡机构相对于同步器而言,结构简单、轴向尺寸比较小、制造精度要求也相对较低,因此啮合套的生产制造成本相对较低。但是啮合套换挡机构不能消除换挡冲击,因此其换挡噪声以及转动惯量都比较大。该换挡机构一般应用于重型汽
20、车变速器和对使用要求不高的汽车变速器上。轴向滑动直齿齿轮换挡机构,不能消除换挡冲击,因此会导致齿轮端部磨损过快,并且由于换挡噪声比较大、换挡行程长,其换挡操作安全性也相对降低。但是这种换挡机构结构简单、体积和转动惯量小、便于拆装和维修。但目前除一挡和倒挡外很少使用这种换挡机构。自动脱挡是变速器使用过程中最容易出现的故障之一。为了应对这个问题,可以同时从工艺和结构上采取措施。目前常见的相对有效的措施如下: 图2-5防止自动脱挡的结构措施 图2-6防止自动脱挡的结构措施1) 增加啮合套的长度(如图2-5),或者错开接合齿的啮合位置(如图2-5),使接合齿在工作中由于挤压和磨损而产生凸肩,以此有效防
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