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機(jī)電工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)方案
論證報(bào)告
設(shè)計(jì)題目:JD1041型載貨汽車變速器及傳動軸設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：
學(xué) 號：
專業(yè)班級：
指導(dǎo)教師：
20xx年4月10日
目 次
1 變速器結(jié)構(gòu)分析………………………………………………………………3
1.1 變速器的功用和組成………………………………………………………3
1.2 變速器類型的選擇…………………………………………………………3
2 變速器傳動機(jī)構(gòu)布置方案……………………………………………………4
2.1 變速器的設(shè)計(jì)要求…………………………………………………………4
2.2 傳動機(jī)構(gòu)布置方案分析……………………………………………………4
2.3 倒檔布置方案………………………………………………………………7
2.4 零、部件結(jié)構(gòu)方案分析……………………………………………………7
3 變速器主要參數(shù)的選擇………………………………………………………9
3.1 檔數(shù)…………………………………………………………………………9
3.2 傳動比范圍…………………………………………………………………9
4 萬向傳動軸設(shè)計(jì)的基本要求…………………………………………………9
4.1 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析………………………………………………………9
論證結(jié)果 ………………………………………………………………………11
參考資料 ………………………………………………………………………12
13
1 變速器結(jié)構(gòu)分析
1.1 變速器的功用和組成
現(xiàn)代汽車上廣泛采用往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)作為動力源，其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化范圍較小，而復(fù)雜的使用條件則要求汽車的驅(qū)動力和車速能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。為解決這一矛盾，在傳動系統(tǒng)中設(shè)置了變速器。它的功用是：（1）改變傳動比，擴(kuò)大驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，以適應(yīng)經(jīng)常變化的行駛條件，同時(shí)使發(fā)動機(jī)在有利的工況下工作；（2）在發(fā)動機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)方向不變的前提下，使汽車能倒退行駛；（3）利用空擋中斷動力傳遞，以使發(fā)動機(jī)能夠起動、怠速，并便于變速器換擋或進(jìn)行動力輸出。
變速器由變速傳動機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成，根據(jù)需要，還可以加裝動力輸出器。
1.2 變速器類型的選擇
現(xiàn)在市場上適合汽車用的主流變速器可以細(xì)分為5類：手動變速器(MT)、手動自動一體變速器(AMT)、無級變速器(CVT)、雙離合器變速器 (DCT)和自動變速器(AT)，它們各自都有不同的特點(diǎn)和優(yōu)勢。
手動變速器（MT），也稱手動擋，即用手撥動變速桿才能改變變速器內(nèi)的齒輪嚙合位置，改變傳動比，從而達(dá)到變速的目的。
手動自動一體變速器(AMT)，此型變速器在其擋位上設(shè)有“＋”、“－”選擇擋位。在D擋時(shí)，可自由變換降擋（－）或加擋（＋），如同手動擋一樣。駕駛者可以在入彎前像手動擋般的強(qiáng)迫降擋減速，出彎時(shí)可以低中擋加油出彎?，F(xiàn)在的自動擋車的方向盤上又增加了“＋”、“－”換擋按鈕，駕駛者就能手不離開方向盤加減擋。AMT具有自動換擋的功能，能大幅提高離合器、同步器壽命(先進(jìn)的AMT技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)無離合器和無同步器下的自動換擋)和行車安全性，且保留了傳統(tǒng)有級機(jī)械變速器傳動效率高、體積小、機(jī)構(gòu)簡單、使用可靠、易于制造、成本低、燃油消耗少和維護(hù)與使用費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。
無級變速器（CVT）是由兩組變速輪盤和一條傳動帶組成的。因此，其比傳統(tǒng)自動變速器結(jié)構(gòu)簡單，體積更小。另外，它可以自由改變傳動比，從而實(shí)現(xiàn)全程無級變速，使汽車的車速變化平穩(wěn)，沒有傳統(tǒng)變速器換擋時(shí)那種“頓”的感覺。 雙離合變速器有別于一般的自動變速器系統(tǒng)，它基于手動變速器而又不是自動變速器，除了擁有手動變速器的靈活性及自動變速器的舒適性外，還能提供無間斷的動力輸出。
自動變速器利用行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行變速，它能根據(jù)油門踏板程度和車速變化，自動地進(jìn)行變速。而駕駛者只需操縱加速踏板控制車速即可。
隨著高科技在自動變速器的設(shè)計(jì)和制造上的不斷應(yīng)用，自動變速器的啟動迅速，換檔方便，動力性和經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)將更能體現(xiàn)出來，而起傳動效率低，油耗量大的缺點(diǎn)正逐漸改良?？梢灶A(yù)見，帶有自動功能變速器的汽車是未來市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。可以預(yù)見自動變速器將成為變速器的最終發(fā)展趨勢。
但是本次設(shè)計(jì)的JD1041 輕型載貨汽車考慮到其設(shè)計(jì)制造成本較低，且主要在郊區(qū)和鄉(xiāng)村道路上行駛，車速和轉(zhuǎn)彎半徑均較小，并且行駛條件比較惡劣，由于自動變速器傳遞效率遠(yuǎn)低于機(jī)械變速器，因此在綜合考慮到本車的經(jīng)濟(jì)性和動力性的基礎(chǔ)上決定選用機(jī)械式變速器為宜。
2 變速器傳動機(jī)構(gòu)布置方案
2.1 變速器的設(shè)計(jì)要求
根據(jù)前進(jìn)檔數(shù)的不同，變速器有三、四、五和多檔幾種。根據(jù)軸的不同類型，又分為固定軸式和旋轉(zhuǎn)軸式兩大類。而前者又分為兩軸式、中間軸式和多中間軸式變速箱。設(shè)計(jì)變速器時(shí)應(yīng)滿足以下需求：
1）保證汽車有必要的動力性和經(jīng)濟(jì)性。
2）設(shè)置空擋，用來切斷發(fā)動機(jī)動力向驅(qū)動輪的傳輸。
3）設(shè)置倒檔，使汽車能倒退行駛。
4）設(shè)置動力輸出裝置，需要時(shí)能進(jìn)行功率輸出。
5）換擋迅速，省力，方便。
6）工作可靠。汽車行駛過程中，變速器不得有跳擋，亂擋以及換擋沖擊等現(xiàn)象發(fā)生。
7）變速器應(yīng)當(dāng)有高的工作效率。
8）變速器的工作噪聲低。
除此以外，變速器還應(yīng)當(dāng)滿足輪廓尺寸和質(zhì)量小，制造成本低，維修方便等要求。
2.2 傳動機(jī)構(gòu)布置方案分析
如前所述，機(jī)械式變速器因結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、制造成本低和工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，在不同形式的汽車上得到廣泛應(yīng)用，綜合考慮所設(shè)計(jì)的內(nèi)容，本次設(shè)計(jì)所選變速器為機(jī)械式變速器。另外有級變速器與無級變速器相比具有傳動效率高（0.96～0.98），造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此在各類汽車中均得到廣泛采用，此次設(shè)計(jì)也采用有級變速器。有級變速器傳動機(jī)構(gòu)分為固定軸式和旋轉(zhuǎn)軸式兩類。固定軸式又分為兩軸式和中間軸式變速器。
與中間軸式變速器比較，兩軸式變速器因軸和軸數(shù)少，所以有結(jié)構(gòu)簡單，輪廓尺寸小和容易布置等優(yōu)點(diǎn)。如圖所示，兩軸式變速器的第二軸（即輸出軸）與主減速器主動齒輪做成一體，當(dāng)發(fā)動機(jī)縱置時(shí)，主減速器可用螺旋錐齒輪或雙面齒輪；當(dāng)發(fā)動機(jī)橫置時(shí)則可用圓柱齒輪，從而簡化了制造工藝，降低了成本。除倒檔常用滑動齒輪（直齒圓柱齒輪）外，其他檔均采用常嚙合斜齒輪傳動；高檔的同步器多裝在第二軸上，這是因?yàn)橐粰n的主動齒輪尺寸小，裝同步器有困難；而高檔的同步器也可以裝在第一軸的后端。
兩軸式變速器沒有直接檔，因此在高檔工作時(shí)，齒輪和軸承均承載，因而噪聲比較大，也增加了磨損，降低了傳動效率。當(dāng)?shù)謸鮽鲃颖容^大時(shí)，會使結(jié)構(gòu)尺寸增大，因而只在傳動比較小的情況下選用這種方案。
圖1 兩軸式變速器傳動方案
中間軸式變速器傳動方案如圖2所示。變速器第一軸的前端經(jīng)軸承支承在發(fā)動機(jī)飛輪上，第一軸上的花鍵用來裝設(shè)離合器的從動盤，而第二軸的末端經(jīng)花鍵與萬向節(jié)連接。中間軸式變速器的特點(diǎn)是第一軸和第二軸的軸線在同一直線上，把它們固定起來就得到直接檔，其傳動效率高、磨損小噪聲較小；除直接檔外，其余各檔都是通過兩對齒輪副傳遞動力，此時(shí)傳動效率較低。
各種中間軸式變速器，主要是在常嚙合齒輪副數(shù)量、換擋方式和倒檔傳動方案上有差別。下面分析幾種變速器。
圖2 中間軸式變速器傳動方案
四檔變速器傳動方案一般有四對常嚙合齒輪，可用同步器或嚙合套換擋；倒檔用直齒滑動齒輪換擋。部分是有三對常嚙合齒輪，一檔和倒檔用直齒滑動齒輪換擋。
五檔變速器傳動方案的倒檔用直除少量采用齒滑動齒輪換擋外，其余均為常嚙合齒輪。
六檔變速器傳動方案中的一檔、倒檔用直齒滑動齒輪換擋外，其余均為常嚙合齒輪，其中超速檔后支撐軸承的后端，有利于系列化。
發(fā)動機(jī)前置后輪驅(qū)動的轎車采用中間軸式變速器，為縮短傳動軸長度，可將變速器后端加長。伸長后的第二軸有時(shí)裝在三個(gè)支承上，其最后一個(gè)支承位于加長的附加殼體上。如果在附加殼體內(nèi)，布置倒檔傳動齒輪和換檔機(jī)構(gòu)，還能減少變速器主體部分的外形尺寸。
變速器用多支承結(jié)構(gòu)方案，能提高軸的剛度。這時(shí)，如用在軸平面上可分開的殼體，就能較好地解決軸和齒輪等零部件裝配困難的問題。也有方案的高檔從動齒輪處于懸臂狀態(tài)，同時(shí)一檔和倒檔齒輪布置在變速器殼體的中間跨距里，而中間檔的同步器布置在中間軸上是這個(gè)方案的特點(diǎn)。 中間軸式變速器廣泛應(yīng)用于前置后驅(qū)的各類汽車上，結(jié)合市場上同類汽車，綜合分析，本次JD1041型載貨汽車的變速器采用五檔中間軸式機(jī)械變速器。
2.3 倒檔布置方案
與前進(jìn)檔相比,倒檔使用率不高，而且都是在停車狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)換倒擋，故多數(shù)方案均采用直齒滑動齒輪方式換倒擋。為實(shí)現(xiàn)倒檔傳動，有些方案利用中間軸和第二軸上的齒輪傳動路線中加入一個(gè)中間傳動齒輪的方案。
變速器的一擋和倒擋因傳動比大，工作時(shí)在齒輪上作用的力也增大，最終表現(xiàn)出齒輪磨損加快和工作噪聲的增大。所以無論是兩軸式變速器還是中間軸式變速器的低檔與倒擋，都應(yīng)當(dāng)布置在在靠近軸的支承處，以減少軸的變形，保證齒輪重合度下降不多，然后按照從低檔到高擋順序布置各擋齒輪，這樣做既能使軸有足夠大的剛性，又能保證容易裝配。
倒檔設(shè)置在變速器的左側(cè)或右側(cè)，在結(jié)構(gòu)上均能實(shí)現(xiàn)，不同之處在于掛倒檔時(shí)駕駛員移動變速桿的方向改變了。為了防止意外掛入倒檔，一般在掛倒檔時(shí)設(shè)有一個(gè)掛倒擋時(shí)需克服彈簧所產(chǎn)生的力，用來提醒駕駛員注意。結(jié)合市場上的現(xiàn)有車型采用下圖所示方案。
圖3 變速桿換擋位置與順序
2.4 零、部件結(jié)構(gòu)方案分析
1）齒輪形式
與直齒圓柱齒輪比較，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長，工作時(shí)噪聲低等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是制造時(shí)稍復(fù)雜，工作時(shí)有軸向力。變速器中的常嚙合齒輪均采用斜齒圓柱齒輪，盡管這樣會使常嚙合齒輪數(shù)增加，并導(dǎo)致變速器的轉(zhuǎn)動慣量增大。直齒圓柱齒輪僅用于低檔和倒擋。但是，在本設(shè)計(jì)中由于所有檔位均為常嚙合方案，因此倒檔也采用斜齒圓柱齒輪傳動方案，即所有檔位均采用斜齒圓柱齒輪傳動。
2）換擋機(jī)構(gòu)形式
變速器換擋機(jī)構(gòu)有直齒滑動齒輪、嚙合套和同步器換擋三種形式。
直齒滑動齒輪換檔的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但由于換檔不輕便、換檔時(shí)齒端面受到很大沖擊、導(dǎo)致齒輪早期損壞、滑動花鍵磨損后易造成脫檔、噪聲大等原因，除一檔、倒檔外很少采用。
嚙合套換檔型式一般是配合斜齒輪傳動使用的。由于齒輪常嚙合，因而減少了噪聲和動載荷，提高了齒輪的強(qiáng)度和壽命。嚙合套有分為內(nèi)齒嚙合套和外齒嚙合套，視結(jié)構(gòu)布置而選定，若齒輪副內(nèi)空間允許，采用內(nèi)齒結(jié)合式，以減小軸向尺寸。結(jié)合套換檔結(jié)構(gòu)簡單，但還不能完全消除換檔沖擊，目前在要求不高的檔位上常被使用。采用同步器換檔可保證齒輪在換檔時(shí)不受沖擊，使齒輪強(qiáng)度得以充分發(fā)揮，同時(shí)操縱輕便，縮短了換檔時(shí)間，從而提高了汽車的加速性、經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性，此外，該種型式還有利于實(shí)現(xiàn)操縱自動化。
通過對上述三種方案的對比，因?yàn)镴D1041汽車的最高車速和轉(zhuǎn)彎半徑均較小，在保證JD1041汽車的經(jīng)濟(jì)性和操縱方便性前提下，本次設(shè)計(jì)初定選擇同步器換檔。
3）變速器軸承
作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的變速器軸支承在殼體或其他部位的地方以及齒輪與軸不做固定連接處應(yīng)安置軸承。變速器軸承常采用圓柱滾子軸承、球軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承、滑動軸套等。
汽車變速器應(yīng)結(jié)構(gòu)緊湊，大尺寸的軸承布置困難。如變速器的第二軸前端支撐在第一軸常嚙合齒輪的內(nèi)腔中，內(nèi)腔尺寸足夠時(shí)可布置圓柱滾子軸承，否則采用滾針軸承。第二軸后端常采用球軸承來承受軸向力和徑向力。變速器第一軸前端支承在飛輪的內(nèi)腔里，因有足夠大的空間，常采用一端有密封圈的球軸承來承受徑向力，作用在第一軸常嚙合齒輪上的軸向力，經(jīng)第一軸后部軸承傳給變速器殼體。中間軸采用前、后軸承固定均可。
變速器第一軸、第二軸的后部軸承，以及中間軸前、后軸承，一般按直徑系列選用中系列球軸承或圓柱滾子軸承。軸承的直徑根據(jù)變速器中心距確定，并要保證殼體后壁兩軸承孔之間的距離不小于6～20mm。近年來采用圓錐滾子軸承的變速器增多，這是因?yàn)閳A錐滾子軸承有如下優(yōu)點(diǎn)：直徑較小，寬度較大，可承受較高負(fù)荷；結(jié)構(gòu)上保證滾子能正確對中，使用壽命長；圓錐滾子軸承的接觸線長，如果錐角和配合選擇合適，可提高軸的剛度，使齒輪能正常嚙合，降低噪聲，減少自動脫檔的可能性等。
本設(shè)計(jì)中，第一軸和二軸由于轉(zhuǎn)速較高，承受載荷中等，第一軸后端和第二軸后端選用圓柱滾子軸承。第二軸前端通過滾針軸承支撐在一軸后端的內(nèi)腔內(nèi)。中間軸由于跨度大，直徑大，質(zhì)量大，軸向力大，故采用圓錐滾子軸承。
3 變速器主要參數(shù)的選擇
3.1 檔數(shù)
通常變速器的檔數(shù)在6擋以下，增加變速器的檔數(shù)，能夠改善汽車的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性以及平均速度。擋數(shù)越多，變速器的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，并且使輪廓尺寸和質(zhì)量加大，同時(shí)操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜，而且在使用時(shí)換擋頻率增高并增加了換擋難度。目前乘用車一般采用4～5個(gè)擋位的變速器，多于5個(gè)前進(jìn)檔將使操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜化，或者需要加裝具有獨(dú)立操縱機(jī)構(gòu)的副變速器，后者僅用于一定行駛工況。前以述及，綜合分析采用5個(gè)前進(jìn)檔加1個(gè)倒檔的檔位布置形式。
3.2 傳動比范圍
變速器的傳動比范圍是指變速器最低檔傳動比與最高檔傳動比的比值。最高檔通常是直接擋，傳動比為1.0；有的變速器最高檔是超速檔，傳動比為0.7～0.8。影響最低擋傳動比選取的因素有：發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速所要求的汽車最大爬坡能力、驅(qū)動輪與路面間的附著力、主減速比和驅(qū)動輪的滾動半徑以及所要求達(dá)到的最低穩(wěn)定行駛車速等。目前商用車的傳動比范圍在5.0～8.0之間，JD1041主要定位于路況一般的條件下長期行駛，傳動比范圍可以選擇5.0。
4 萬向傳動軸設(shè)計(jì)的基本要求
（1）保證所連接的兩軸相對位置在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)變動時(shí)，能可靠地傳遞動力。
（2）保證所連接兩軸盡可能等速運(yùn)轉(zhuǎn)。由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動和噪聲應(yīng)在允許范圍內(nèi)。
（3）傳動效率高，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，維修容易等。
4.1 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析 十字軸式剛性萬向節(jié)因其結(jié)構(gòu)簡單，強(qiáng)度高，耐久性好，工作可靠，傳動效率高，生產(chǎn)成本低，且允許相鄰兩傳動軸之間有較大的交角（一般為15°～20°）。故普遍采用與各類汽車的傳動系統(tǒng)中。典型的十字軸萬向節(jié)主要由主動叉、從動叉、十字軸、滾針軸承及其軸向定位件和橡膠密封件等組成。
目前常見的滾針軸承軸向定位方式有蓋板式、卡環(huán)式、瓦蓋固定式和塑料環(huán)定位式等?？ōh(huán)式又可分為外卡式和內(nèi)卡式兩種，它們具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、零件少和質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)的JD1041汽車為輕型載貨汽車，購買量大，成本較小，從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性考慮，本次設(shè)計(jì)采用十字軸式剛性萬向節(jié)，滾針軸承軸向定位方式為內(nèi)卡環(huán)式。
論證結(jié)果
1）傳動機(jī)構(gòu)布置方案
中間軸式有級變速器，采用5個(gè)前進(jìn)擋加1個(gè)倒檔的布置形式：
2）操縱機(jī)構(gòu)布置方案：直接操縱機(jī)構(gòu)
3）齒輪形式：均采用斜齒圓柱齒輪傳動
4）換擋形式：同步器換擋
5）萬向節(jié)結(jié)構(gòu)：十字軸式剛性萬向節(jié)。
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