机械式变速器设计电子说明书.docx

一、课程设计任务书
1题目
商用车总体设计及各总成选型设计——变速器的设计。
2要求
为给定基本设计参数的汽车进行总体设计，计算并匹配合适功率的发动机，轴荷分配和轴
数，选择并匹配各总成部件的结构形式，计算确定各总成部件的主要参数，详细计算指定总成
的设计参数，绘出指定总成的装配图和部分零件图。
其具体参数如下
额定装载质量3000kg
最大总质最6750kg
最大车速75km/h
比功率10kw/t
比转矩33N . m/t
3设计计算要求
(1)根据已知数据，确定轴数、驱动形式、布置形式，注意国家道路交通法规规定和汽车设计规范。
(2)确定汽车主要参数。
1)主要尺寸，可从参考资料中获取。
2)进行汽车轴荷分配。
3)百公里油耗。
4)最小转弯直径。
5)通过性几何参数。
6)制动性参数。
(3)选定发动机功率、转速、扭矩，可参考已有车型。
(4)离合器的结构形式选择、主要参数计算。
(5)确定传动系最小传动比，即主减速器传动比。
(6)确定传动系最大传动比，从而计算出变速器最大传动比。
(7)机械式变速器形式选择，主要参数计算，设置合理的挡位数，计算出各挡的速比
(8)驱动桥结构形式，根据主减速器的速比，确定采用单级或双级主减速器。
(9)悬架导向机构结构形式。
(10)转向器结构形式选择、主要参数计算。
(11)前后轴制动器形式选择、制动管路系统形式、主要参数计算。
4完成内容
(l)总成装配图1张（1号图）。
(2)零件图l张（3号图）。
(3)零件图l张（3号图）。
(4设计计算说明书1份
二、汽车主要参数确定
1根据已知数据，确定轴数、驱动形式，布置形式
(1)确定轴数。
由单轴最大允许轴载质最为10t，双轴汽车结构简单，制造成本低，故采用双轴方案
(2)驱动形式。
采用4x2形式，后轮双胎驱动。
(3)布置形式。
驾驶室采用平头形式，发动机前置，直列四缸柴油发动机。
2汽车主要尺寸
(1)外廓尺寸。
总长：6050mm
总宽2076mm
总高：2190mm
驾驶室后围至车箱尾部尺寸：4354mm
(2)轴距和轮距。
由表2-13可以确定轴距和轮距。
轴距：3308mm
轮距：前轮1584mm
后轮（取胎中心线间距离）1485mm
3质量参数确定
由表2-15确定轴荷分配比例。
守车质量：3750kg
前轴(53%)：2000kg
后轴(47%)：1750kg
满载最大总质量：6750kg
前轴(42%)：2825kg
后轴(58%)：3925kg
4性能参数选择
(1)动力性参数。
1)根据表2-16和该车用选拟定。
最高车速：75km/h
最低稳定车速：20kmfh
经济车速：40km/h
2)最大爬坡度：16° 40’(30%)。
3)比功率取15kw/t
(2)燃油经济性。由表2一17货车单位质量百公里燃油消耗量可知总质量m产(6～14)t的柴
油机单位质量百公里油耗量(155-1.86)L.则汽车百公里消耗量(1.55-1.86)x6.75L即：10.46-
1255L.取：11.5L。
(3)最小转弯直径Dmin。由表2-18货车最小转弯直径查取Dmin=14m。
(4)通过性的几何参数。由表2-19确定通过性几何参数。
最小离地间隙（满载）：
前轴下270mm
后轴下240mm
纵向通过半径：3200mm
汽车通过角度
接近角：34°
离去角：17°
(5)操纵稳定性参数。
前、后轮侧偏角绝对值之差(δ1-δ2)=2°
车身侧倾角：3°
制动前俯角：1.2°
(6)制动性参数。由表2-20货车路试检验行车制动和应急制动性能要求确定：满载30km/h
初速度紧急制动，最大制动距离小于8m，平均制动减速度大于5.2m/s2。

三.发动机的选择
1.发动机形式的选择
对于在中型以及以下的货车上一般采用直列式柴油机,在此选用直列式水冷柴油机。
2.发动机主要性能指标的选择
（1）发动机最大功率Pemax和相应转速np。
最大功率由下式进行计算
Pemax=1ηT(magfr3600vamax+CDA76140vamax3)
单级主减速器4×2型汽车ηT=90%
滚动阻力系数fr=0.02
空气阻力系数CD=0.9
迎风面积由汽车总宽和总高计算得A≈4.55m2
代入公式(10-1)计算可得
Pemax=(6750*9.8*0.02*75/3600+0.9*4.55*753/76140)*90%=55.8(kw)
最大功率转速ηT=2800r/min
(2)最大转矩Temax.
Temax=9549αPemaxnp=9549*1.2*55.82800≈228(N*m)
最大扭矩转速ηT=2000r/min
根据以上计算可以选定:南京汽车制造厂生产的NJP433A型柴油发动机。
形式：水冷四行程涡流室式
燃油类型：柴油
外形尺寸：长780mm，宽651mm
起动方式：电起动
最高转速：3000r/min

四.离合器的确定
1.形式
双盘拉式弹簧离合器
2.主要参数
主要性能参数有后备系数β,单位压力p0，尺寸参数D，d和摩擦片厚度b以及结构参数
摩擦面数Z和离合器间隙Δt及摩擦因素f。
（1） 后备系数β=1.50~2.25，取β=1.6
（2） 单位压力p0=0.3MPa
（3） 摩擦片外径D，内径d和厚度b
摩擦片外径
D=KDTemax （10-2）
式中：KD为直径参数，KD为16.0~18.5取KD=17.0。
则D=17.0 x228≈256.7mm,取257mm。
摩擦片内外径比值d/D=0.53~070。取d/D=0.6。
则d=0.6D=0.6x257≈154(mm)
摩擦片厚度取b=3.5mm。
(4)摩擦因数f摩擦面数Z和离合间隙Δt。
取 Z=2x2=4，Δt=3~4mm.
五、主减速器的传动比
传动系最小传动比由下式进行计算

式中:r为轮胎半径
该中型商用车轮胎可选用普通断面子午线无内胎轮胎，型号为245/75R16，即轮胎名义断面宽度为245mm.轮辋直径为16inch，名义高宽比为75%．则轮胎半径计算为

则u amax=75 km/h,n=2800r/min代^式(10-3)计算可得itmin=5.44，若直接挡ign=1．则i0=5.44，即主减速器传动比≤7，可以来用单级主减速器。

六、传动系最大传动比
传动系最大传动比，需要满足满载最大爬坡度

变速器l挡时最大爬坡度为30%．即α≈16.7°，代入式(10-4)，计算可得ig1≥7.02．取
191-7 1，变速器的速比范围是1～71。
变速器最大传动比imw＝5.44x7.1＝38624。
七、机械式变速器的设计
（一）变速器传动机构布置方案确定
采用中间轴式变速器传动方案，其特点是：①设有直接挡：②1挡有较大的传动比；③挡
位高的齿轮采用常啮合齿轮传动，挡位低的齿轮（1挡）可以采用或不采用常啮台齿轮传动；
④除1挡以外，其他挡位采用同步器或啮合套换挡；⑤除直接挡以外，其他挡位工作时的传动效率略低：⑥适用于前置后驱汽车。
传动方案采用的2、3、4挡用常啮合齿轮传动，5挡为直接挡，而1、倒挡用直齿滑动齿轮换挡。
（二）零部件结构形式
(1)齿轮形式。常啮合齿轮均采用斜齿圆柱齿轮，1挡和倒挡采用直齿圆柱齿轮。
(2)换挡机构形式。使用同步器能保证迅速、无冲击、无噪声换挡，而与操作技术的熟练程度无关，从而提高了汽车的加速性，燃油经济性和行驶安全性。但它的结构原理，制造精度要求高，轴间尺寸大等缺点，所以1挡和倒挡采用结构简单的直齿滑动齿轮换挡，使用率高的其他挡位采用同步器换挡。
(3)变速器轴承。变速器结构紧凑，尺寸小，所以齿轮与轴之间的轴承采用滚针轴承，变
速器第一轴后端和第二轴后端采用圆柱滚于轴承，中间轴使用深沟球轴承。
（三）变速器主要参数的选择
1经计算各挡变速比确定
大致按照等比级数分配，对4挡、5挡间速比根据情况调整。
公比q=m-1ig1=47.02≈1.632<1.8
各档数比为:
1挡 ig1=7.1
2挡 ig2=4.3
3挡 ig3=2.6
4挡 ig4=1.6
5挡 ig5=1
倒挡 iR=7.0

以上分配考虑了高挡区相邻挡位之间的速比间距要比抵挡区相邻挡位之间的小。
2.初选中心距A
A=KA3Temaxig1ηg (10-5)

KA为中心距系数,商用车KA=8.6~9.6，取9.0。
Temax=228 N . m/t, ig1=7.1, ηg=96%代入式(10-5),得A=104.2mm。
3.外形尺寸
商用车变速器壳体的轴向尺寸，五挡为(2.2-2.7)A，取2.8A。
轴向尺寸Lk为291.89mm，取整数为292mm。
4齿轮参数
(l)模数。
一般同一变速器齿轮模数不相等，对于货车减小质量比减小噪声更重要，故齿轮应选
用大些的模数，变速器低挡齿轮应选用大些的模数，其他挡位选用另一种模数。根据国家
规定，GB/T 1357-1987《渐开线圆柱齿轮模数》的规定，考虑货车的最大总质量为ma=6.7t>6t，
而小于14t。因此l挡直齿齿轮m=3.5mm，其他挡位为3mm（mn=3 mm）。啮合套和同步器的接合齿多数采用渐开线齿形，由于工艺上的原因，同变速器中的接合齿数，模数相同，总质量ma在(1.8-14)t的货车为2 0～3.5mm.取m=2.5mm
(2)压力角α
因国家规定的标准压力角20°，所以变速器齿轮普遍采用压力角为20°，同步器普遍采用30°压力角。

(3)齿宽b。
l挡第一轴常啮合斜齿轮宽度取b1=8.Ox3.0=24 (mm)，第二轴常啮合斜齿轮宽度取62=7.Ox3=21( mm)，其余挡位斜齿齿轮宽度取
bn=7.Ox3.0=21 (mm)，l挡滑动直齿齿轮与倒挡
滑动直齿齿轮宽度取b=8.Ox3.5=28 (mm)。
(4)各挡齿轮齿数的分配。
5挡变速器传动方案如图10-1所示。
1)确定l挡齿轮的齿数。
1挡传动比

ig1=z2z9z1z10 (10-6)
l挡采用滑动直齿齿轮传动，模数m为3 5，中心距A=104.2mm，计算后得zh=2A/m=59.54，
取zh为整数60，然后进行大、小齿轮齿数的分配。中间轴上的1挡齿轮z10。一般可取为12~17，z10齿数尽量少些，以便使z9/z10的传动比大些，因此z10，。取12，1挡大齿轮齿数为z9=zh- z10= 48。
2)对中心矩A进行修正

A=mzh2=105mm
3)确定常啮合齿轮副的齿数。
由公式（10-6）求出常啮合传动齿轮的传动比
z1z2=ig1z10z9=1.775 (10-7)
而常啮合传动齿轮中心距和1挡齿轮的中心距相等。
中型、重型货车螺旋角的初选范围是18°~26°，初选螺旋角β2=26°，由式(10-7)、式(4-16)求得z1=22.7，取整为z1=23，z2=39.9取整为z2=40。
验证l挡传动比ig1=z2z9z1z10 = 6.95< 7.1，齿数分配不合理。进行齿数调整，令z1=23，z2=41，则根据传动比ig1=7.13满足要求。
根据所确定的齿数，按公式（4-16）算出精确出螺旋角值β2为24°。
4）确定其他各挡齿数。
先进行2挡齿轮齿数z7、z8的分配， z7、z8有如下关系

z7z8=ig2z1z2=2.41 （10-8）
由

得从抵消或减少中间轴上的轴向力出发，还应尽量满足下列关系式

取β8=22°进行试凑

相差较多，为尽量缩小差距，取β8=18。，已是极限值。
将数据代入式( 10-8) ~式(10-13)求得，z8=19.5取整为19，z7=46.6取整为47，验证传动比为ig2=4.4，齿数分配合适。根据所确定的齿数，按式（4-16）算出精确的螺旋角β2值
为19.5°。
同样方法求得β6=18。，z6=27，z5=39，验证传动比为ig3=2.57，满足要求，精确的螺旋角β2值为19.5°；β4=20°，z4=35，z3=31，验证传动比为ig4=1.58，满足要求；根据所确定的齿数，按式（4-16）算出精确的螺旋角值β4为20°。
5)确定倒挡齿轮齿数及中心距。
图10-1中所示的倒挡齿轮有常啮合齿轮副z12和z11。一般z11取值21 ~23，取z11=23，z12=21，mn=3.0，β12=26°，可计算倒挡轴与中间轴的中心距A´。

数值代入公式（10-14）求得A´=75.1mm，取整为75mm。
由iR=z2z9z11z1z13z12可求出z13=13.1，取整为13，则最终确定倒挡传动比为7.06。
直齿齿轮z13的模数与1挡齿轮相同，确定倒挡轴与第二轴的中心距A＂
A＂=m（z9+z13）2 （10-15）
由公式（10-15）求得A＂=105mm。
5.齿轮弯曲强度计算
（1）直齿齿轮弯曲强度计算

符合弯曲强度要求。
（2）斜齿齿轮弯曲强度计算

满足弯曲强度要求。
6.齿轮接触强度计算
利用公式（4-30）计算齿轮接触强度

代入公式（4-30）得σj=806.7MPa，采用渗碳处理齿轮满足设计要求。
（2）1挡和倒挡直齿齿轮接触应力计算

代入式（4-30）得σj=1430MPa, ，采用渗碳处理齿轮满足设计要求。
7.轴的强度计算
第一轴花键部分直径d可按下式初选
d=K3Temax （10-16）
式中：K=4.0 ~4.6，取4.4。
由公式（10-16）计算得第一轴花键部分直径为
d=4.43228=26.88≈27mm
第二轴和中间轴中部直径d≈0.45A=47.3mm≈48mm
中间轴的最大直径d和支承间距离L（近似等于变速器壳的轴向长度）的比值d/L=48/292≈0.16，满足设计要求。
第二轴支承间的距离通常由经验公式确定Lzh=Lk-2b1=292-2×24=244mm
第二轴d/L=48/244≈0.20,满足设计要求。

式中：d为轴的直径，mm，花键处取内径；W为压弯截面系数。经计算σ≤[σ]，符合强度要求。
8.变速器操纵机构
采用直接操纵手动换挡。

八、驱动桥结构
采用非断开式驱动桥，单级螺旋圆锥齿轮减速器。
减速比：5.44
桥壳形式：整体式
半轴形式：全浮式
差速器形式：直齿圆锥齿轮式
前轴形式：工字形断面锻件
九、悬架导向机构结构形式
前悬架：采用纵向对称长截面钢板弹簧，双向作用筒式减振器
后悬架：采用纵向对称渐变刚性钢板弹簧，无减振器
十、转向机构
转向形式：循环球式
传动比：21.4
十一、制动系
前后采用独立双回路液压制动系统，制动阀为双腔串联活塞式
行车制动器：前后均为鼓式，制动鼓内径Φ320mm
驻车制动器：中央鼓式制动鼓由机械式软轴操作
空气压缩机：单缸风冷式
储气筒：整体双腔式
十二、车架与轮胎
车架采用冲压铆接梯形结构。
前轮：单胎
后轮：双胎，选用245/75R16轮胎
备用轮胎升降器为悬链式。