双速变速箱的设计.doc

学 号
密 级

哈尔滨工程大学本科生毕业论文

双速变速箱的设计

院（系）名 称： 机电工程学院
专 业 名 称： 机械设计制造及其自动化
学 生 姓 名：
指 导 教 师：

哈尔滨工程大学
2013年6月

45 / 58

学 号
密 级 .

双速变速箱的设计

The design of Two-speed gearbox

学 生 姓 名 ：
所 在 学 院 ：机电工程学院
所 在 专 业 ：机械设计制造及其自动化
指 导 教 师 ：
职 称 ：
所 在 单 位 ：哈尔滨工程大学
论文提交日期：2013年6月13日
论文答辩日期：2013年6月22日
学位授予单位：哈尔滨工程大学

摘 要
双速变速箱是一种现代新型变速装置，综合了传统减速器和双离合器式变速箱(Double Clutch Transmission，DCT)的基本工作原理，它能够在不进行更换零部件的前提下，通过程序控制进行不同的传动比输出。它的的传动效率高、结构简单，克服了普通变速箱换挡动力中断的缺陷，使高速运动和低速运动之间的转换更加平稳、可靠。本文以双速变速箱的设计为任务展开设计，其在零件设计和部件组合上，采用现代科技方法，利用有限元分析和三维建模的方法，对设计的零部件件进行装配校核分析，使其在满足性能要求的基础上，力争总体质量最轻。在设计完成后进行三维运动仿真实验，并测绘其输出运动图线，验证该设计是否按照给定运动图线进行运动，并在此基础上进行优化设计，确保双速变速箱的设计满足设计要求，能够准确无误的完成传动动力的工作。

关键词：双速变速箱；有限元分析；三维仿真

ABSTRACT
The two-speed gearbox is a new modern speed shifting device, which works based on combination of the basic working principle of the traditional reducer and double clutch transmission (DCT). Using program control, it can transmit two different ratios of speed instead of changing its elements. It has advantage of high transmission efficiency, simple structure, and overcomes the defect of power interruption by the ordinary gearbox, therefore the conversion between the high-speed and low-speed movement is more stable and reliable. Using modern science and technology method, the two-speed gearbox parts was designed. With the method of finite element analysis and three-dimensional simulation modeling, the design of parts and components assembly was checked, which ensure to meet the performance requirement for the overall quality of the lightest. After completion of the design of 3-D movement simulation experiment, check the output movement of surveying and mapping graph line, verifying whether the design is carried out based on the given motion diagram line, to ensure that whether the two-speed gearbox design meets the design requirements, and to complete accurate work with the drive power .

Keywords: Two-speed gearbox；Finite Element Analysis；three dimensional simulation

目 录
第1章 绪 论 1
1.1概述 1
1.2国内外发展现状 1
1.2.1减速机 1
1.2.2双离合式变速箱 2
1.3课题背景 3
1.4本文主要研究内容 3
第2章 总体方案设计 4
2.1参数和运动图线 4
2.2设计参数 6
2.2.1传动装置布置 6
2.2.2设计承载能力参数 6
2.3传动方案的设计 7
2.4本章小结 8
第3章 零部件的设计及质量计算 9
3.1电动机的选择 9
3.1.1电动机类型选择 9
3.1.2机械效率计算 9
3.1.3电动机所需功率计算 10
3.1.4电动机所需转速选择 10
3.1.5电动机定型 11
3.2传动齿轮的设计计算 12
3.2.1各级传动比的设计计算及分配 12
3.2.2传动装置的运动动力参数计算 13
3.2.3齿轮设计及校核 16
3.2.4圆柱齿轮设计 16
3.2.5齿轮结构设计 20
3.2.6齿轮的加工 21
3.3 轴的设计计算 21
3.3.1高速运动轴的设计计算 21
3.3.2低速运动轴的设计 24
3.4 离合器的选择 24
3.4.1电磁离合器 24
3.4.2超越离合器 25
3.5轴承的选择与校核 27
3.5.1轴承选用 27
3.5.2轴承的校核 27
3.6箱体设计、润滑、密封及附件 29
3.6.1变速箱的结构形状设计 29
3.6.2附件的设计 31
3.6.3润滑和密封 31
3.7质量计算 31
3.7.1零部件质量计算 31
3.8本章小结 34
第4章 有限元分析 36
4.1圆柱齿轮的校核 36
4.1.1 分析环境 36
4.1.2 分析过程 36
4.1.3 分析结果 39
4.1.4 结果分析 41
4.2轴的校核 41
4.3本章小结 45
结 论 46
参考文献 47
致 谢 49

第1章 绪 论
机械工业是现代化过程的主要推动力量，在国民经济的发展过程中起着不可或缺的作用，它为国民经济建设各个部门提供技术装备和先进的技术服务。
随着科学技术的发展和人们对产品日益增加的新的需求，机械产品的设计不仅要实现产品的基本功能，更应该在满足此功能的基础上，优化产品性能，使设计的产品更能体现人性化、智能化，在环境保护和能源消耗上也应当体现其先进的绿色设计理念，促进社会、经济与自然的和谐发展
。
1.1概述
减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，主要用来降低原动机的转动速度同时增大其转矩，以满足工作机对转速和转矩的要求
。目前，各行各业在普遍使用的齿轮减速器主要分为：圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、蜗杆减速器、齿轮—蜗杆减速器和行星齿轮减速器，其作用场合和功用也千差万别，共同服务于人类社会。
减速器的发展使用贯穿于机械行业的始终，1894年法国工程师路易斯·雷纳·本哈特和埃米尔·拉瓦索尔经过研制首次在本哈特·拉瓦索尔牌汽车上装了变速器，使汽车变速箱走进了人们的生活
。现在汽车行业所用的变速箱只要有无级变速箱和手动变速箱，应不同的使用要求和经济情况而分别使用在不同的汽车上
。
1.2国内外发展现状
1.2.1减速机
减速器的发展经历了很长的历程，目前国内外动力齿轮传动正沿着小型化、高速化、标准化、小震动、低噪声的方向发展
。
减速机的使用可以降低设备的负载惯量，便于设备更好地调速。而且，减速机在降速的同时还可以提高输出扭矩，但是输出扭矩超出了减速器的额定扭矩，就会在一定程度上影响减速器的寿命
。目前世界上主要有积木式组合设计（良好的设置减速机的基本参数、规范的尺寸规格、良好的零件通用性和互换性）、水平与性能（将齿轮减速器的齿轮设计成圆柱形，采用渗碳淬火、磨齿以提高设备的承载能力，这样的减速器体积小、重量轻、噪音低）、样式多样化（一改多去单一的底座安装方式，在满足设备生产需要的同时，可以采用空心轴悬挂式、浮动支承底座、电机与减速器一体式连接等安装方法）
。
目前国内的减速机研究主要以换肚子的方法，在原有减速机的基础上更换核心零部件以制造出新型减速机，像DNK、DQJ系列减速器的生产就是将点线传动啮合技术应用到中硬齿面减速机领域 研制出的上规模、上档次、高技术附加值的标准系列产品。而国外减速器的设计在承载能力方面有着大幅度的提高，在模块化设计方面有着新的发现，降噪措施也有进一步的改进，产品密封和外观设计也比国内出众很多，此外国际机构也在着手开始制订减速机的技术条件标准。在此方面的代表减速机有德国sewR、S、K、F系列减速机，西门子弗兰德减速机和韩国的DKW减速机。
1.2.2双离合式变速箱
双离合式变速箱（DCT，英文全称为Dual Clutch Transmission）的出现主要是为了解决汽车换挡时动力传递中断的现象，至今为止有近70年的历史
。它优势明显，但是内部结构非常复杂，首先它内部的两组离合器分别由电子控制并由液压系统推动，这样传动轴也相应复杂的被分为两部分，中心的是新传动轴负责一组齿轮传动，而空心传动轴负责另外一组，其结构设计几乎颠覆了传统变速箱的设计
。
虽然现阶段他的制造成本相对较高，且制作复杂。但是其以传动效率高，动力传动无间断，传动平稳的优点，引起了机械行业的广泛关注。

图1.1双离合式变速箱内部结构
1.3课题背景
现代经济的快速发展，科技已经成为第一生产力，企业之间的竞争已经不仅仅限于资金、人力之间的竞争，如何在相同的能源消耗和人力劳动下获得最大的经济效益，已经成为一个企业在经济迅猛发展的今天获得生存的首要问题
。
现一运输类企业为了获得更大的经济效益，精减运载装置的质量，在变速机模块想更改原有传动模式模式，以减轻装置质量，改善传动平稳性，提高传动效率。要求设计一双速变速箱满足以上条件，又该双速变速箱的工作时间特别短，且处于真空工作状态，经计划协商可以在设计零件上取应力极限状态，以最大程度的减重。
1.4本文主要研究内容
毕业设计是围绕新型变速装置—双速变速箱的设计而展开的，所涉及的的主要内容是双速变速箱的方案设计和总体装配。根据课题需要、工作需求以及双速变速箱的工作环境的特殊性，在参阅国内外相关资料的基础上，对双速变速箱进行整体结构设计（机械零件部分），并以此为根据完成论文撰写、装配图、零件图。
即将在论文中做详尽阐述的包括以下几个方面：
1、 设计双速变速箱的传动路线；
2、 设计双速变速箱的总体结构，包括电动机的选型、齿轮的设计、轴的设计、轴承的选择与校核、箱体及其附件的设计以及双速变速箱的润滑和密封；
3、 所设计的零部件进行三维建模、质量计算；
4、 应用有限元分析的方法，对所设计的零部件进行初步的分析与校核。

第2章 总体方案设计
应厂商要求，根据运载装置的实际状况，可以确定双速变速箱的工作环境为真空微重力状态，高速运动，周围环境可能处于高温或低温状态，为了保证较好的经济效益，双速变速箱的质量应该尽量轻，以使在消耗相同燃料的基础上，运载质量尽量大的货物，根据上诉条件，可以做如下分析。
2.1参数和运动图线
要求设计一双速变速箱，能够把原动机（电动机）的运动，经过分路齿轮箱和转向齿轮箱的传动，变换成滚珠丝杠的外伸运动，同时还能够满足以下要求：
1、滚珠丝杠的运动能够按照既定的运动图线实现；
2、双速变速箱的工作环境为真空状态，要能够适应极端的工作环境（极寒和极热条件），无法进行油润滑；
3、在满足设计要求，保证装置安全可靠的基础上，尽量减轻装置的质量。
根据厂商要求和具体的运动环境可以得到如下图2.1所示的运动图线，综合分析可以得到各运动参数。

图2.1 运动图线
总行程：L=1400mm；
总时间：T=9.5s
高速段行程：Lh=1370mm
高速段速度：Vh=180mm/s
低速段行程：Ll=30mm
低速段速度：Vl=27mm/s
加速度：a=250mm/s2
位置锁止状态：Fc=20000N
高速段：Fh=1500N
低速段：Fl=10000N
根据运动图线可以知道双速变速箱在工作时，使丝杠由静止状态加速到外伸速度最大状态所需要的时间为：
（2-1）
此段时间滚珠丝杠的伸长距离为：
（2-2）
高速段运行时间为：
（2-3）
减速运动段时间为：
（2-4）
减速段滚珠丝杠外伸的长度为：
（2-5）

低速段运行时间为：
（2-6）
在这段时间中滚珠丝杠外伸距离比需求长度长了：
（2-7）
此段长度均按照高速运动阶段的运动速度来计算可知运动时间为：
（2-9）
即，双速变速箱在运载装置中总的工作时间约为：
（2-10）
2.2设计参数
2.2.1传动装置布置
该双速变速箱为运载装置的一部分，后接其他传动装置，已知的传动装置为：分路齿轮箱、转向齿轮箱、丝杠螺母运动副，且已知各传动装置的传动参数如下：
分路齿轮箱传动比为1:2；
转向齿轮箱传动比为2:1；
滚珠丝杠选型：BLK1616-2.8
直径：Φ16（中空内孔Φ8）
导程：Sb=16
材料：Ti合金TB2 GB/T3620.1-1994
滚珠丝杠采用一端固定一端支撑的安装方式，重点校核其抗拉强度、屈曲稳定性以及振动稳定性。
2.2.2设计承载能力参数
1、位置锁止状态时丝杠受力Fc为单根丝杠在运载装置启动时承受的最大惯性力，且
Fc=KW∙M∙Amax/3=2×70×5.5×9.8/3=2515N （2-11）
其中：
KW为工况系数，取2.0
M为延伸段质量，取70kg
Amax为运载装置启动时的最大加速度，取5.5g
2、高速段丝杠受力 Fh为单根丝杠在高速段外伸时承受的力
Fh=KO∙KS∙F/3=150%×200%×100×9.8/3=980N （2-12）
KO为超载系数，取150%
KS为载荷不均匀系数，取200%
F为要求负载，取100kg
3、锁片推压力 Ft为单根丝杠低速段外伸时的推压力
Ft=KTO∙FTA/3=300%×500/3=500N （2-13）
FTA为总的推压力，取500N
KTO为低速段运动结束时的超载系数，取300%
4、低速段丝杠最大受力 FL为单根丝杠低速段外伸时的最大力，由低速段外伸受力和锁片推压力两部分构成：
FL=Fh+Ft=1000+500=1500N （2-14）
2.3传动方案的设计
如图2.2传动原理图所示：电动机的运动由圆柱齿轮Z1通过1路（Z1—Z4—C1—Z5—Z6）传递给齿轮Z6实现输出轴的高速运动，其中C1为电磁离合器；通过2路（Z1—Z2—C2—Z3—Z6）传递给齿轮Z6实现输出轴的低速运动，C2为超越离合器。当C1电磁离合器闭合时，经传递路线1传递到Z6转速高于经路线2传递的转速，超越离合器C2处于分开状态（即不传递运动），此时Z6处于高速状态；当C1电磁离合器分开时，电动机M1的转速只能够通过路线2传递给齿轮Z6，此时Z6处于低速状态。

图2.2 传动原理图
电池离合器的控制主要靠传感器的识别，在双速变速箱启动时，电磁离合器处于闭合状态（工作状态），此时滚珠丝杠先加速到180mm/s。然后进行匀速运动，当运动距离到达1370mm时，传感器发出断开电源的信号，传递给控制中心，然后转化成电磁离合器的断开状态（非工作状态），此时电磁离合器和超越离合器均处于非工作状态，滚珠丝杠的外伸运动为减速运动。当速度减至27mm/s时，超越离合器开始工作，此时滚珠丝杠的外伸运动速度为27mm/s，即处于低速运动阶段，滚珠丝杠完成后续运动。在滚珠丝杠的外伸长度达到1400mm时，检测器再次向控制中心发出信号，转换成为控制中心发出的电动机终止工作的指令，至此，装速变速箱的工作任务完成。
2.4本章小结
本章在综合分析减速器和双离合式变速箱传动原理的基础上，充分的分析厂商给定的应用环境，提炼出了相关的技术参数。按照机械设计的一般步骤，设计出了双速变速箱的传动路线原理图，并对传动过程做了简要说明。

第3章 零部件的设计及质量计算
3.1电动机的选择
3.1.1电动机类型选择
由于工作场合为真空，为了避免电机的真空放电可以选择直流永磁无刷电机
。直流永磁无刷电机是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电动机，其性能与恒定励磁电流的他励直流电动机相似，可以由改变电枢电压来方便调速。与他励直流电动机相比具有体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点，是小功率电动机的主要类型
。
3.1.2机械效率计算
根据已经确定的传动方案，可以确定在电动机与滚珠丝杠之间的传动类型有：
圆柱齿轮传动2组
圆锥齿轮传动2组
滚阻丝杠传动1组
离合器传动 2组
滚动轴承 5组
由机械设计手册可查，各机械传动机构的传动效率如表3.1所示。
表3.1 各传动机构的传动效率
传动类型
传动结构特点
效率
圆柱齿轮传动
很好跑合的6级和7级精度齿轮传动
0.98～0.99
圆锥齿轮传动
很好跑合的6级和7级精度齿轮传动
0.97～0.98
丝杠传动
滚动丝杠
0.85～0.95
滚动轴承
球轴承
0.99
联轴器
固定式刚性联轴器
0.97～0.98
离合器
电磁离合器
0.98～0.99
超越离合器
0.98～0.99
但是当装置在真空状态下的极端条件工作时，由于工作条件的不同，双速变速箱内部各传动机构的的传动效率也不尽相同，根据某检测机构提供的数据，外界因素对传动效率的影响如表3.2所示：

表3.2 真空状态下各传动机构传动效率
名称
符号
效率
静态
动态
润滑
温度
总效率
齿轮（内）*

0.98
1
0.98
1
0.96
齿轮（外）

0.98
1
0.97
0.96
0.91
离合器

0.99
1
0.99
1
0.98
轴承（内）

0.99
1
0.98
1
0.97
轴承（外）*

0.99
1
0.97
0.96
0.92
丝杠螺母

0.95
1
0.98
0.96
0.90
联轴器

0.98
1
0.98
0.96
0.92
则电动机M1到分路齿轮箱主动齿轮Z7的传动效率为：
（3-1）
即

齿轮Z7以下的传动效率为：
（3-2）
即

系统的总效率为：
（3-3）
3.1.3电动机所需功率计算
以工作状态下工作载荷作的150%为计算载荷，则相应的各计算功率如下，高速运动时所需电动机提供的功率为：
（3-4）
低速运动时所需电动机提供的功率为：
（3-5）
其中为工况系数。
故：按照理想状态下高速运动阶段需要电动机提供的功率，来计算在工作条件下需要电动机所提供的最小功率为：
（3-6）
此功率也是电动机需要提供的最小电功率，以此对电动机的额定功率进行选型。
3.1.4电动机所需转速选择
由已知设计参数可知：
滚珠丝杠型号选择BLK1616-2.8
直径：Φ16（中空内孔Φ8）
导程：S
b=16
滚珠丝杠高速转速为：
（3-7）
滚珠丝杠低速转速为：
r/min （3-8）
根据机械设计手册可以查得推荐传动比为i=7.1~35.5，可以计算出电动机的转速范围为：
高速运动阶段电动机的转速范围：
（3-9）
低速运动阶段电动机的转速范围为：
（3-10）
由于两运动阶段电动机的转速范围内没有同一数值，为了保证电动机能够提供足够的转矩，所以按照低速运动阶段的转速范围来选择电动机的转速。即电动机的转速范围为718.875~3594.375r/min。
3.1.5电动机定型
按照上述计算结果发现在现有电动机中，满足上述条件电动机比较笨重，不能够起到很好的减重作用，这样就与双速变速箱的设计背道而驰，故与厂商协定选用特制电动机（按照设计需求，在电动机厂原用的型号上进行改造的电动机）。
电动机型号为：80WS24-600-3200
供电电压：24V直流
额定转速：3000r/min（3000-3200r/min根据电压可调）
额定功率：600W
重量约2.7kg（驱动器重量约1.5-1.8kg，总重量可以控制在4.5kg以内。）

图3.1直流永磁无刷电动机

3.2传动齿轮的设计计算
在此设计中，如何减轻装置的质量是贯穿于设计始终的一个关键问题，为了在大限度的减轻质量，传统的校核方法已经不能满足本次设计的需要。应用有限元分析的方法，可以在已完成设计部件的基础上，对零部件进行优化设计，以使零件的质量达到临界状态，最大限度的的减轻零部件的质量
。故设计计算的过程中不涉及校核的计算问题，在设计完各齿轮之后，统一用有限元分析的方法进行校核，生成有限元分析报告。
3.2.1各级传动比的设计计算及分配
考虑到变速箱结构的设计，参照减速器和变速箱的设计规范取：

其中：表示高速级传动比；
表示低速级传动比；
表示总传动比。
考虑到在双速变速箱中电动机输入齿轮和变速箱的输出齿轮在高速运动阶段和低速运动阶段是共用的，在后续设计计算中应当充分考虑这一具体情况，又双速变速箱的工作时间特别短，只用10s，每对齿轮啮合的次数也特别少，可以不考虑一对齿轮中的两齿轮齿数必须互为质数的这一要求，故可先初步设定各齿轮的齿数如表3.4：

表3.3 各级传动比分配
计算项目
计算及说明
计算结果
总传动比
高速运动

低速运动

高速级
传动比
高速运动

低速运动

低速级
传动比
高速运动

低速运动

表3.4 初步设定各齿轮齿数
齿轮
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Z6
齿数
18
100
15
50
50
80
则在此齿数设定的结果上可以对各对齿轮的传动比进行重新计算，计算后的传动比如表3.5所示：
表3.5 计算传动比
项目

数值
4.44
29.63
2.78
5.56
1.6
5.33
经验算设定的齿轮齿数所形成的传动比数值，与双速变速箱所需要满足的传动比数值一致，且传动各齿轮的转速为一确定的准确数值，在理论设计上能够避免不必要的误差，因此按照此齿数来设计双速变速箱。
3.2.2传动装置的运动动力参数计算
3.2.2.1各轴转速的计算
电机轴：
r/min （3-11）
高速运动轴：
r/min （3-12）
低速运动轴：
r/min （3-13）
高速运动阶段输出轴：
r/min （3-14）
低速运动阶段输出轴：
r/min （3-15）
表3.6 各轴转速计算结果 单位：r/min
项目

转速
3000
1080
540
675
101.25
3.2.2.2各轴功率计算
1 高速运动时：
输入轴功率：
（3-16）
高速运动轴功率：
（3-17）
输出轴功率
（3-18）
表3.7 高速轴功率计算结果 单位：W
项目

功率
518.92
483.22
454.61
2 低速运动时：
低速运动时所需电动机提供的电功率(位置锁止时最大)为：
（3-19）
（3-20）
故各轴功率计算如下
输入轴功率：

低速运动轴功率：

输出轴功率

表3.8 低速轴功率计算结果 单位：W
项目

功率
233.52
217.45
204.58
3.2.2.3各轴转矩计算
1 高速运动阶段：
电动机轴：

高速运动轴：

输出轴：

表3.9 高速运动轴转矩计算结果 单位：N∙m
项目

转矩
1.6519
4.2729
6.4319
2 低速运动阶段：
电动机轴：

低速运动轴：

输出轴：

表3.10 低速运动轴转矩计算结果 单位：N∙m
项目

转矩
0.7434
3.8456
19.2962
3.2.3齿轮设计及校核
参照下表3.11
，考虑到该双速变速箱的用途及工作场合，各齿轮均采用45#钢（中速、中载车床变速箱、钻床变速箱次要齿轮及高速、中载磨床砂轮齿轮，钢号选择40Cr，处理方式为：调质+高频淬火）
，而双速变速箱的工作时间有特别短故而大、小齿轮可以均进行淬火处理，齿轮表面硬度为346HBW。
平均硬度；

HBW
在72<350HWB之间，属于软齿面传动，传动精度选用8级。
3.2.4圆柱齿轮设计
圆柱齿轮的设计过程一般是相同的，针对双速变速箱中出现的多对齿轮的设计，现不妨以高速级圆柱齿轮的设计为例，设计双速变速箱中涉及到的齿轮。
因为是软齿面闭式传动，故按齿面接触疲劳强度进行设计。其设计公式为
（3-21）
3.2.4.1初步计算传动的主要尺寸
1. 小齿轮传递转矩为1651.9N∙mm
2. 因v值未知，Kv值不能确定，可初步选载荷系数Kt=1.1~1.8，初选Kt=1.4.
3. 由下表3.12可取齿宽系数

4. 由材料的弹性系数表可以查得

5. 对于标准直齿轮节点区域系数

表3.11 调质及表面淬火齿轮用钢的选择
齿轮种类
钢号选择
备注
汽车、拖拉机及机床中的不重要齿轮
45
调 质
中速、中载车床变速箱、钻床变速箱次要齿轮及高速、中载磨床砂轮齿轮
调质+高频淬火

中速、中载较大截面机床齿轮
40Cr 42SiMn
35SiMn 45MnB
调 质
中速、中载并带一定冲击的机床变速箱齿轮及高速、重载并要求齿面硬度高的机床齿轮
调质+高频淬火
起重机械、运输机械、建筑机械、水泥机械、冶金机械、矿山机械、工程机械、石油机械等设备中的低速重载大齿轮

一般载荷不大、截面尺寸也不大，要求不太高的齿轮
35、45、55
1．少数直径大、载荷小、转速不高的末级传动大齿轮可采用SiMn钢正火
2．根据齿轮截面尺寸大小及重要程度，分别选用各类钢材
3．根据设计，要求表面硬度大于40HRC者应采用调质+表面淬火
40Mn、50Mn2、40Cr、35SiMn、42SiMn
截面尺寸较大，承受较大载荷，要求比较高的齿轮
35CrMo 、42CrMo
40CrMnMo、35CrMnSi
40CrNi、40CrNiMo
45CrNiMoV
截面尺寸很大、承受载荷大、并要求有足够韧性的重要齿轮

35CrNi2Mo
40CrNi2Mo
30CrNi3
34CrNi3Mo
37SiMn2MoV
表3.12 齿宽系数
齿轮相对于轴承的位置
齿面硬度
软齿面
硬齿面
对称布置
0.8~1.4
0.4~0.9
非对称布置
0.6~1.2
0.3~0.6
悬臂布置
0.3~0.4
0.2~0.25
6. 齿数比

7. 按照初定的两齿轮的齿数
Z1=18;Z4=50
8. 重合度 端面重合度为
（3-22)
轴向重合度为
(3-23)
参照重合度系数的取值线图可查的

9. 许用接触应力
(3-24)
由齿面接触疲劳极限应力和齿根弯曲疲劳极限应力图查得接触疲劳极限应力，
小齿轮Z1的应力循环次数
(3-25)
大齿轮Z4的应力循环次数
(3-26)
由触强度寿命系数线图可以查得：

由最小安全系数参考值取安全系数

则：
(3-27)
(3-28)
取
10. 初算小齿轮分度圆直径，有：
（3-29）

考虑到齿轮制造的标准模数，选取
3.2.4.2确定传动尺寸
1. 计算载荷系数 由使用系数的数表可以查得使用系数，
又：
由动载荷系数的线图可以查得

由齿向载荷分布系数的线图可以查得

由齿间载荷分配系数的数值表可以查得

则：载荷系数
（3-30）
2. 对进行修正 因为K与Kt的差异较小，故无需对进行修正。
3. 确定模数m
(3-31)
4. 计算传动尺寸 中心距为
(3-32)
分度圆直径为
(3-33)

齿宽：
(3-34)
设两齿宽均取值10mm（后用有限元进行校核）
3.2.4.3同理可以设计计算其他齿轮
表3.13 双速变速箱相关齿轮计算结果
标号
名称
技术参数
高速状态
低速状态
转速rpm
转矩Nm
转速rpm
转矩Nm
Z1
电机齿轮
Z=18；m=1
3000
1.91
3000
1.91
Z2
高速输入轮
Z=50；m=1
1080
4.94
1080
0
Z3
低速输入轮
Z=100；m=1
540
0
540
9.89
Z4
高速输出轮
Z=50；m=1.25
1080
4.69
162*
0*
Z5
低速输出轮
Z=15；m=1.25
3600*
0*
540
9.39
Z6
输出齿轮
Z=80；m=1.25
675
7.21
101.25
48.12
注：带有“*”的为实际不存在转速和转矩。
3.2.5齿轮结构设计
齿轮传动的强度和几何尺寸只能确定出齿轮传动的主要尺寸，即分度圆的直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、齿轮宽度等
。而轮缘，轮辐和轮毂的结构形状和尺寸则需要通过齿轮的结构设计来确定

。现拿齿轮Z2、Z4、Z5来举例说明齿轮结构的设计。
3.2.5.1齿轮Z2结构设计
由于齿轮Z2的齿根圆直径：
（3-35）
又相应的轴的直径为10mm，则肯定满足齿根圆到键槽底面的径向距离e>2.5mm。故齿轮可以不做成齿轮轴，做成实心式齿轮或腹板式齿轮，为了减轻质量和节约材料，决定Z2齿轮的设计采用锻造式腹板结构。又Z2齿轮与离合器相连，故内空的尺寸与离合器相匹配后再进行设计。
3.2.5.2齿轮Z4结构设计
齿轮Z4为高速运动轴输出齿轮，齿轮内孔（轮毂）与轴相连，且由于齿轮Z4的齿根圆直径：

又相应的轴的直径为10mm，为了保证轴有足够的刚度与强度，齿轮与轴的连接采用薄型平键进行连接，则必然满足齿根圆到键槽底面的径向距离e>2.5mm。故齿轮不必做成齿轮轴，做成实心式齿轮或腹板式齿轮即可，为了减轻质量和节约材料，决定把Z4齿轮的设计成锻