張斌斌 李繼良
摘 要:目前在世界汽車行業(yè)內(nèi),自動(dòng)變速器的發(fā)展越來(lái)越快,但是在國(guó)內(nèi)和全球汽車當(dāng)中,傳統(tǒng)手動(dòng)變速器仍占有相當(dāng)大的保有量。手動(dòng)變速器具有許多自動(dòng)變速器無(wú)法取代的優(yōu)點(diǎn),如成熟的技術(shù)、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、高效率的傳動(dòng)和駕車的娛樂(lè)性。本文設(shè)計(jì)了一款某轎車三軸五擋變速器,給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟,目標(biāo)是使這款變速器滿足變速變扭、倒車和空擋停車。
關(guān)鍵詞:手動(dòng)變速器;齒輪;軸;校核;同步器
1 前言
在國(guó)內(nèi),手動(dòng)變速器的應(yīng)用仍是現(xiàn)在汽車行業(yè)的主流。手動(dòng)變速器獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和其帶來(lái)的駕駛娛樂(lè)性是自動(dòng)變速器不能代替的。從現(xiàn)在國(guó)內(nèi)手動(dòng)變速器的保有量、作用和優(yōu)勢(shì)來(lái)說(shuō),設(shè)計(jì)手動(dòng)變速器還是有很大意義的。
本次研究的目的是通過(guò)對(duì)某款車上的三軸五擋手動(dòng)變速器設(shè)計(jì),掌握手動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)和工作原理;給出設(shè)計(jì)手動(dòng)變速器的基本方法,使設(shè)計(jì)出的這款三軸五擋手動(dòng)變速器能滿足變速變扭、實(shí)現(xiàn)倒車和空擋停車。
2 選擇總傳動(dòng)布置方案
變速器主要分為2部分,一是傳動(dòng)機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)變速變扭,改變動(dòng)力傳遞方向和大小。主要包括齒輪、軸、軸承和同步器各個(gè)零件;二是操縱機(jī)構(gòu),駕駛?cè)藛T利用它來(lái)進(jìn)行換擋,獲得需要的動(dòng)力和速度。
2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案
本設(shè)計(jì)采用的是齒輪都處于常嚙合狀態(tài)的布置方案。所有齒輪處于常嚙合狀態(tài),這樣可以保證換擋的輕便。設(shè)計(jì)直接擋傳動(dòng),提高了傳動(dòng)效率。直接擋傳動(dòng)時(shí),齒輪、軸承及中間軸均不承載。所以,相對(duì)其他擋位數(shù)來(lái)說(shuō),直接擋具有傳遞效率高,磨損和噪音小的優(yōu)點(diǎn);而且總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝、制造和維修方便。由于本次設(shè)計(jì)的是三軸手動(dòng)變速器,對(duì)換擋輕便性要求較高,倒擋布置方案也選用常嚙合的方案。
2.2 主要零件結(jié)構(gòu)的選擇
在變速器當(dāng)中,各個(gè)零件有著舉足輕重的作用。各個(gè)零部件是否合適,是否能實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的功能,對(duì)變速器影響很大。
(1)齒輪形式:在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中,一擋、倒擋選擇直齒輪傳動(dòng),其他擋位選擇斜齒輪傳動(dòng)。
(2)換擋結(jié)構(gòu)形式:在本次設(shè)計(jì)中,換擋結(jié)構(gòu)形式選擇鎖環(huán)式同步器。這種同步器的工作原理是,靠同步環(huán)和結(jié)合齒圈摩擦,嚙合套逐漸結(jié)合齒圈嚙合,最后實(shí)現(xiàn)同步作用。
(3)變速器軸承:本設(shè)計(jì)當(dāng)中,變速器的三根軸都選擇后軸承固定形式。第一軸采用深溝球軸承固定形式。第二軸齒輪選用滾針軸承。中間軸前軸承采用圓錐滾子軸承,中間軸后軸承也采用圓錐滾子軸承。
3 變速器主要參數(shù)的確定
本設(shè)計(jì)中所采用的相關(guān)參數(shù):最高時(shí)速為155km/h,輪胎型號(hào)為215/65R16,r?=342.09mm,最大扭矩為168Nm/4500,最大功率為89kW/5500,最高轉(zhuǎn)速為6000r/min,汽車質(zhì)量為1900kg。
3.1 擋位數(shù)和傳動(dòng)比
現(xiàn)在,為了充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率和使汽車經(jīng)常在經(jīng)濟(jì)車速下行駛,理論上擋位數(shù)越多越好。但是在設(shè)計(jì)時(shí)要聯(lián)系實(shí)際情況,不能一味增加擋位數(shù)。如果綜合考慮換擋帶來(lái)的疲勞和駕車的舒適性,小型車輛以4~5個(gè)前進(jìn)擋為宜。本設(shè)計(jì)采用5個(gè)
3.2 中心距
變速器中心距是指中間軸與三軸軸線之間的距離,它是變速器設(shè)計(jì)當(dāng)中非常重要的一個(gè)參數(shù),直接影響變速器尺寸、體積和質(zhì)量。根據(jù)如下公式初定:
式中,為變速器中心距(mm);為中心距系數(shù),=8.9~9.3;為發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩;為變速器傳動(dòng)比;為變速器傳動(dòng)效率,取0.96。將各參數(shù)代入式(1)可得
3.3 軸向尺寸
本次設(shè)計(jì)選取的是五個(gè)前進(jìn)擋的三軸式手動(dòng)變速器。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,初選變速器整體的軸向尺寸為
3.4 齒輪參數(shù)
綜合考慮汽車使用要求、模數(shù)選取原則,從自己所設(shè)計(jì)內(nèi)容的實(shí)際出發(fā)。除三擋、五擋齒輪模數(shù)為2.5mm外,其余各個(gè)擋位齒輪模數(shù)均為3.0mm。同步器、嚙合套接合齒模數(shù)為2.5 mm。由于我國(guó)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為20°,所以本設(shè)計(jì)也按照規(guī)定選擇20°的壓力角,同步器選擇30°的壓力角。螺旋角初定范圍為β=17°~25°,初選為18°和25°兩種。根據(jù)以上參數(shù)可以計(jì)算得到各個(gè)擋位齒輪的齒數(shù)。一擋齒輪副主從動(dòng)齒輪的齒數(shù)分別分15和36;二擋齒輪副主從動(dòng)齒輪的齒數(shù)分別分19和30;三擋齒輪副主從動(dòng)齒輪的齒數(shù)分別分28和29;第一軸常嚙合齒輪副主從動(dòng)齒輪的齒數(shù)分別分17和28;五擋齒輪副主從動(dòng)齒輪的齒數(shù)分別分36和17。
4 齒輪的材料選擇與校核
4.1 材料的選擇
本設(shè)計(jì)所選擇的齒輪材料為20CrMnTi。
4.2 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算與校核
接下來(lái)對(duì)齒輪的強(qiáng)度和接觸應(yīng)力進(jìn)行校核。如果不滿足設(shè)計(jì)要求,則要重新確定齒輪參數(shù),直到滿足要求為止。
在計(jì)算直齒輪彎曲應(yīng)力時(shí),可根據(jù)下式計(jì)算,即
式中,為彎曲應(yīng)力;為圓周力(N),;為應(yīng)力集中系數(shù),為1.65;為計(jì)算載荷(N·mm);為節(jié)圓直徑,直齒,斜齒;為摩擦力影響系數(shù),主動(dòng)齒輪=1.1,從動(dòng)齒輪=0.9;為齒寬(mm);為端面齒數(shù)(mm),,為模數(shù);為齒形系數(shù)。
在計(jì)算斜齒輪彎曲應(yīng)力時(shí),可根據(jù)下式計(jì)算,即
式中,為計(jì)算載荷(N·mm);mn為法向模數(shù)(mm);為齒數(shù);為斜齒輪螺旋角(°);為應(yīng)力集中系數(shù),=1.50;為齒形系數(shù);為齒寬系數(shù),=6.0;為重合度影響系數(shù),=2.0。
對(duì)于乘用車來(lái)說(shuō),當(dāng)計(jì)算載荷為的時(shí)候,常嚙合齒輪和各擋齒輪,許用應(yīng)力在之間。所以分別對(duì)各個(gè)齒輪進(jìn)行彎曲應(yīng)力的計(jì)算,在這個(gè)范圍內(nèi),則符合設(shè)計(jì)要求。
5 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
齒輪設(shè)計(jì)完成后,接下來(lái)進(jìn)行軸的設(shè)計(jì)計(jì)算。軸的設(shè)計(jì)思路如下:選擇材料→估算直徑→結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)→驗(yàn)算工作能力→繪畫。如果工作能力不合格,則重新開(kāi)始進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
5.1 材料的選擇
綜合考慮各個(gè)因素和所設(shè)計(jì)變速器的實(shí)際情況,由于合金鋼具有很好的性能,故本設(shè)計(jì)選擇軸材料為20CrMnTi。
5.2 初選軸的直徑
設(shè)計(jì)來(lái)到這里,中心距A前面已經(jīng)確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),在變速器設(shè)計(jì)當(dāng)中,第二軸和中間軸中部直徑d為。利用經(jīng)驗(yàn)公式,初選第一軸直徑,即
式中,K 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K=4.0~4.6;為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)距(N·mm)。
第一軸直徑初選,取mm;取第二軸最大軸徑為46 mm;取中間軸最大軸徑為43 mm。
5.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)經(jīng)驗(yàn),軸直徑與支承間距離的比值,對(duì)中間軸來(lái)說(shuō),d / l ≈(0.15~0.18);對(duì)第二軸來(lái)說(shuō)d / l ≈(0.18~0.21)。所以,中間軸長(zhǎng)度取mm;第二軸長(zhǎng)度取mm;第一軸長(zhǎng)度取mm。
5.4 驗(yàn)算工作能力
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后,軸的各部分有了合理的形狀和尺寸,下一步進(jìn)行軸工作能力的驗(yàn)算。工作能力的驗(yàn)算分為強(qiáng)度驗(yàn)算和剛度驗(yàn)算。
根據(jù)《材料力學(xué)》知識(shí),所設(shè)計(jì)的軸在驗(yàn)算強(qiáng)度時(shí),要看作簡(jiǎn)支梁。利用平衡條件和某點(diǎn)合力矩為零,求出支點(diǎn)反力。確定外載荷和支點(diǎn)反力后,做出軸的受力分析及繪制彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖,就可以確定危險(xiǎn)截面。對(duì)于危險(xiǎn)截面,根據(jù)強(qiáng)度校核公式和已知條件進(jìn)行校核。作用在第一軸上的轉(zhuǎn)矩應(yīng)取。經(jīng)校核,滿足設(shè)計(jì)要求。
軸受載后會(huì)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形,變形的大小與軸的剛度有關(guān),如果剛度不夠,變形過(guò)大,往往會(huì)帶來(lái)不良后果。軸的剛度驗(yàn)算,一般是通過(guò)計(jì)算軸受載后的變形量,與允許值比較。如果小于允許值,則滿足要求;反之,不滿足。
根據(jù)《材料力學(xué)》可以知道,簡(jiǎn)支梁在受載后,用撓度和轉(zhuǎn)角來(lái)表示軸的變形量。所以在校核軸的剛度時(shí),只需要計(jì)算軸的變形后的撓度和轉(zhuǎn)角,并把它們控制在許用的范圍內(nèi),就可以符合設(shè)計(jì)要求了。經(jīng)計(jì)算,符合設(shè)計(jì)要求。
6 操縱機(jī)構(gòu)
對(duì)于本次設(shè)計(jì)手動(dòng)三軸式五擋變速器,操縱機(jī)構(gòu)選擇直接操縱式。為了滿足設(shè)計(jì)操縱的要求,使用互鎖裝置來(lái)保證換擋時(shí)只能掛入一個(gè)擋;使用自鎖裝置,來(lái)保證換擋后不會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)脫擋和自動(dòng)掛擋的現(xiàn)象;在向前行駛時(shí)誤換入倒擋中,不僅容易發(fā)生危險(xiǎn),而且齒輪間將會(huì)發(fā)生很大的沖擊,為了防止這情況發(fā)生,設(shè)置了倒擋鎖。
7 結(jié)論
從我國(guó)國(guó)情和市場(chǎng)保有量以及駕車樂(lè)趣來(lái)說(shuō),研究手動(dòng)變速器,進(jìn)而優(yōu)化手動(dòng)變速器對(duì)我國(guó)汽車行業(yè)的發(fā)展還是有很大意義的。本文設(shè)計(jì)出來(lái)的變速器,主要作用是變速變扭,實(shí)現(xiàn)倒車和空擋停車。除了滿足變速器的基本要求外,本次設(shè)計(jì)的變速器還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)、維修價(jià)格低,直接擋傳動(dòng)效率高,噪音低等特點(diǎn)。本著實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的原則,設(shè)計(jì)當(dāng)中在選擇參數(shù)時(shí),都采用比較開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn),這會(huì)導(dǎo)致安全系數(shù)不高。由于能力有限,筆者在設(shè)計(jì)時(shí)仍然采用傳統(tǒng)手工計(jì)算,參數(shù)也沒(méi)有辦法優(yōu)化到最佳組合,設(shè)計(jì)出的變速器沒(méi)有使人眼前一亮的創(chuàng)新點(diǎn)。所以,今后要利用現(xiàn)代新技術(shù)、新材料來(lái)逐漸優(yōu)化手動(dòng)變速器,使變速器性能越來(lái)越好,質(zhì)量越來(lái)越輕。
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(作者單位:內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院)