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中型货车变速器设计〔三轴式〕摘要三轴式变速器由于具有体积小、原理简单、工作可靠、操纵方便等优点，故在大多数汽车中广泛应用。
本次设计的目的主要是基于对机械原理、机械设计、AutoCAD等知识的熟练运用和掌握，同时运用汽车构造、汽车设计、材料力学、互换性测量等学科知识，对三轴式变速器的各部件进行设计。
首先，本文将概述汽车变速器的现状和发展趋势，介绍变速器领域的最新发展状况。
其次，本文将对不同的变速器传动方案进行比较，选择合理的结构方案进行设计。
再次，本文重点对变速器的两种重要部件—轴和齿轮进行受力分析,强度、刚度的校核计算，以及为这些元件选择合适的工程材料及热处理方法。
最后，本文将对变速器换档过程中的重要部件—同步器以及操纵机构进行阐述，讲述同步器的类型、工作原理、设计方法以及重要参数。
在附录中，本文还将给出进行计算的必要公式、表格及图形，供参考之用。
关键词：变速器，同步器，轴，齿轮Design Three-shaft Transmission forMedium-duty TruckAuthor: Li BijunTutor:Lei ZhengbaoAbstractThree-shaft transmission is widely used most vehicle for its particular advantages ,such as small dimension ,simply theory ,good stability, conveniently operation .The purpose of my paper is based on the skillful of using mechanic theory ,mechanic design, AutoCAD. Meanwhile, my paper is incorporated structure of vehicle, design of vehicle, mechanic of materials, and survey of interchangeability. I will design the parts of three-shaft transmission.At first, I will give a summary of the current situation and the tendency of development of the vehicle transmission, and introduce the latest development state in the field of the transmission.The second, I will compare the transmitting scheme of different transmission, and choose a better structure scheme.Next, I will do some mechanic analyses, strength, stiffness check of the shafts and gears, which are the important parts of the transmission, and choose appropriate materials and heat treatment.At last, I will introduce the operation mechanism and the synchronizer, which plays an important role in changing gear. I will give an account of the type, operation, design procedure and major parameter of the synchronizer.At the supplement, I will write some thing like formula, tableau graph and so on. It may be helpful for the future design.Key words: Transmission, Synchronizer, Shaft, Gear目录1 绪论 (1)1.1变速器的设计意义及背景 (1)1.2变速器的现状及发展趋势 (2)1.3变速器的设计方法和研究内容 (5)2 变速器结构方案的设计 (6)2.1两轴式和三轴式变速器 (6)2.2齿轮安排 (7)2.3换档结构方式 (8)2.4倒档的结构方案及倒档轴的位置 (8)3 变速器轴的设计 (10)3.1轴的设计 (10)3.2轴的受力分析与校核计算 (13)4 变速器齿轮的设计 (21)4.1齿轮传动的失效形式 (21)4.2 变速器齿轮设计步骤 (22)4.3各档齿轮齿数的分配 (26)4.4 齿轮的材料及其选择原则 (31)4.5圆柱齿轮强度的简化计算方法 (33)5 同步器设计 (39)5.1惯性式同步器 (39)5.2同步器工作原理 (42)5.3同步器的主要参数确实定 (42)6 变速器操纵机构 (46)6.1操纵机构的功用 (46)6.2 换档位置图 (46)6.3变速杆的布置 (46)6.4锁止装置 (47)结论 (51)致谢 (52)参考文献 (53)附录 (54)1 绪论1.1变速器的设计背景及目的现代汽车的动力设置，几乎都采用往复活塞式内燃机。
摘要变速器是汽车的主要组成部分,其功能是改变传动比、改变驱动轮的扭矩和转动方向。
变速器能在发动机旋转方向不变的前提下，使汽车倒退行驶，而且利用挡位可以中断动力的传递。
所以变速器的结构设计的合理性直接影响到汽车动力性和经济性。
设计要求达到换挡迅速、省力、方便、有较高的工作效率、工作噪声低。
因此变速器在汽车中得到广泛应用。
本次设计的是东风EQ1090载货型汽车变速器。
它的布置方案采用三轴式5+1挡和锁销式同步器换挡，并对倒挡齿轮和拨叉进行合理布置，其中一轴和第二轴的轴线在同一直线上。
这种布置形式缩短了变速器轴向尺寸，在保证挡数不变的情况下，减少齿轮数目，从而使变速器结构更加紧凑。
首先利用已知参数确定各挡传动比，然后确定齿轮的模数、压力角、齿宽等参数。
由中心矩确定箱体的长度、高度和中间轴及二轴的轴径，然后对中间轴和各挡齿轮进行校核，并利用MATLAB软件对中间轴的校核进行编程，验证各部件选取的可靠性。
最后绘制装配图及零件图。
设计结论表明，变速器齿轮及各轴尺寸确定，各轴强度的校核满足设计要求，设计结构合理。
关键词：货车；变速器；设计；同步器Abstract.Gearbox is the key part of the automobile. It is used to change the transmission ratio, torque and running direction of the driving wheel. It can change the vehicle speed and tyre torque in a big scope, cut off the power transfer from the engine, and also provides a reverse traveling direction for the vehicle. Therefore, the reasonability of the structure design of a transmission gearbox directly affects the vehicle's dynamic performance. It is usually required shifting gears rapidly and conveniently, saving force, and having a higher working efficiency and low working noises.This thesis designed a manual transmission gearbox of theEQ1090ruck. A scheme of structure with three shafts, 5+1shifts and synchronizer adopted here, Combine to pour to block wheel gear and stir fork to carry on a reasonable decoration .where the first and second shafts were arranged in line. This kind of structure reduces the gearbox dimension in the axis direction, In assurance block to count under the constant circumstance, decrease wheel gear number. therefore makes the designed transmission gearbox more compact.Using the given basic parameters, it was firstly determined the transmission ratio of each shift, the shaft center distances, the gear modulus, the gear pressing angles and widths, and so on. And then the general dimension of the gearbox, including its length, width and height. The stresses of the intermediate shaft and the gears were validated by using both the calculator and a self-made MATLAB program. Finally,some engineering drawings were carried out.The calculated results show: the determined dimensions and stresses of the designed gears and shafts satisfied the design requirements; the adopted structure is reasonable.Key words: automobile；gearbox；design；synchronizer目录第1章绪论 (1)1.1变速器的简介 (1)1.2变速器的功用 (1)第2章变速器设计方案及论证 (3)2.1变速器的要求 (3)2.2变速器的设计方法论证 (3)第3章变速器设计方案论证 (5)3.1变速器基本参数的确定 (5)3.1.1轴的直径的初步确定 (5)3.2齿轮参数的设计 (6)第4章变速器各档齿轮的校核 (13)4.1齿轮弯曲应力的计算 (13)4.1.1二轴一倒挡直齿轮Z5校核 (13)4.1.2二轴二挡斜齿轮Z4校核 (14)4.1.4二轴三挡斜齿轮Z校核 (14)34.2齿轮接触应力计算 (15)4.2.1 二轴一挡直齿轮Z7校核 (16)4.2.2 二轴倒挡直齿轮Z校核 (16)104.2.3 二轴二挡斜齿轮Z校核 (16)54.2.4 二轴三挡斜齿轮Z校核 (17)3第五章变速器第二轴的校核 (18)5.1轴的直径的初步确定 (18)5.2变速器轴的校核 (18)5.2.1第二轴的刚度校核 (19)5.2.2第二轴的强度校核 (21)第6章同步器的设计 (23)6.1同步器的功用 (23)6.2同步器的种类 (23)6.3同步器的参数的确定 (24)6.3.1摩擦因数 (24)6.3.2同步环主要尺寸确定 (24)第7章变速器操纵机构 (26)7.1对变速器操纵机构的要求 (26)7.2直接操纵手动换挡变速器 (26)7.3远距离操纵手动换挡变速器 (27)7.4变速器自锁、互锁、倒挡锁装置 (27)7.4.1自锁装置 (27)7.4.2互锁锁装置 (28)7.4.3倒挡锁装置 (28)结论 ............................................................................................................... .29参考文献 . (30)致谢 (31)附录一程序编程 (32)1齿轮校核程序 (32)2轴的校核程序 (33)附录二专业外文及翻译 (36)第1章绪论1.1变速器的简介变速器是安装在汽车的发动机驱动车轮之间的速力变化装置. 它是用来改变发动机转速与驱动轮的转速的比例关系,以尽量满足各种特定驾驶条件. 目前，汽车上广泛采用活塞式内燃机，其转矩和转速变化范围小，而复杂的使用条件则要求汽车的牵引力和车速能在相当大的范围内变化。
汽车设计课程设计说明书题目：重型载货汽车变速器设计姓名：xxxx学号：2009xxxx同组者：xx、xx、xx、xxx、xxx专业班级：车辆工程指导教师：xxx、xxx设计时间：2012. 9.17-2012. 9.231绪论1.1 前言变速器用于转变发动机曲轴的转矩及转速，以适应汽车在起步、加速、行驶以及克服各种道路障碍等不同条件下对驱动车轮牵引力及车速的不同要求的需要。
变速器在汽车中起着重要的作用，它能使汽车以非常低且稳定的车速行驶，而这种低的车速只靠内燃机的最低稳定转速是难以达到的。
随着汽车工业的不断壮大，以及汽车行业持续快速的发展，如何设计出更经济实惠，工作可靠，性能优良，且符合中国国情的汽车已经是当前汽车设计者的紧迫问题，也是我们作为汽车工程本科毕业生，必须肩负的重任。
在面临着前所未有的机遇的同时，我们要努力为我们的汽车工业做出应有的贡献。
经过四年的刻苦学习，我掌握了四十多门基础知识和专业知识，阅读了大量的专业书籍，为从事汽车行业的工作打下了坚实的基础。
在大学毕业，即将走向工作岗位之际，按国家教委的要求，进行了这次设计。
毕业设计是对我们在大学期间所学知识的一次检阅，充分体现了一个设计者的知识掌握程度和创新思想。
毕业设计总体质量的好坏也直接体现了毕业生的独立创造设计能力。
由于毕业设计具有特殊的重要意义，在两个多月的毕业设计时间里我们到单位实习，并阅读了大量的汽车资料，虚心向老师请教，且在老师的指导下，将老师传授的设计方法运用到自己的设计中，使本次毕业设计得以顺利完成。
1.2 汽车变速器的功用和要求变速器的功用：1改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，如起步、加速、上坡等，同时使发动机在有利的工况下工作；2在发动机旋转方向不变的前提下，使汽车能倒退行驶；3利用空挡，中断动力传递，以使发动机能够起动、怠速，并便于变速器换档或进行动力输出。
因此变速器通常还设有倒档，在不改变发动机旋转方向的情况下汽车能倒退行驶；设有空挡，在滑行或停车时发动机和传动系能保持分离。
摘要本次毕业设计的任务是设计一台用于中型货车上的六档机械式变速器。
变速器是汽车传动系统中比较关键的一个部件，合理的设计和布置变速器能使发动机功率得到最合理的利用，从而提高汽车动力性和经济性。
本次毕业设计的设计过程主要包括两大部分：设计部分和利用Unigraphics 软件进行虚拟建模与装配部分。
设计过程中首先根据所给参数确定六档机械式变速器布置方案。
其次，确定变速器各档的传动比，变速器各零部件的参数。
接着进行齿轮的强度计算、强度校核，轴的设计及强度校核。
然后，采用UG软件对变速器进行三维实体建模、虚拟装配，再导出为二维工程图原型。
最后使用CAD对变速器的主要零部件及装配图进行工程图的制作。
关键词：机械式变速器；三维建模；虚拟装配；Unigraphics；强度校核ABSTRACTThis graduation design is mainly about the design of six-shift mechanical transmission using in the medium truck.Transmission is a key component in the drive line of an automobile, so rational design and layout of the transmission can increase engine’s power performance and fuel economy.This paper, which mainly consists of two parts：the part of design and the three dimensional model and virtual assembly in UG. First，according to the data given, determine the layout scheme of the six-speed mechanical transmission. Then the transmission ratio of each shift of the transmission, the gear parameter and so on can be made sure. Next, count and analyze the strength of gears, analyze and verify the strength of each shaft. Then, the three-dimensional solid models of the transmission’s parts were established and virtual assembly based on UG software. At last, CAD was used to draw the two dimensional pictures of transmission’s each part and the general assembly.Keywords：Manual transmission；Three dimensional model；Virtual assembly；Unigraphics；Intension verified前言随着科学技术的日益发展，汽车的各项性能也日臻完善。
汽车设计课程设计说明书题目：重型载货汽车变速器设计姓名：xxxx学号：2009xxxx同组者：xx、xx、xx、xxx、xxx专业班级：车辆工程指导教师：xxx、xxx设计时间：2012. 9.17-2012. 9.231绪论1.1 前言变速器用于转变发动机曲轴的转矩及转速，以适应汽车在起步、加速、行驶以及克服各种道路障碍等不同条件下对驱动车轮牵引力及车速的不同要求的需要。
变速器在汽车中起着重要的作用，它能使汽车以非常低且稳定的车速行驶，而这种低的车速只靠内燃机的最低稳定转速是难以达到的。
随着汽车工业的不断壮大，以及汽车行业持续快速的发展，如何设计出更经济实惠，工作可靠，性能优良，且符合中国国情的汽车已经是当前汽车设计者的紧迫问题，也是我们作为汽车工程本科毕业生，必须肩负的重任。
在面临着前所未有的机遇的同时，我们要努力为我们的汽车工业做出应有的贡献。
经过四年的刻苦学习，我掌握了四十多门基础知识和专业知识，阅读了大量的专业书籍，为从事汽车行业的工作打下了坚实的基础。
在大学毕业，即将走向工作岗位之际，按国家教委的要求，进行了这次设计。
毕业设计是对我们在大学期间所学知识的一次检阅，充分体现了一个设计者的知识掌握程度和创新思想。
毕业设计总体质量的好坏也直接体现了毕业生的独立创造设计能力。
由于毕业设计具有特殊的重要意义，在两个多月的毕业设计时间里我们到单位实习，并阅读了大量的汽车资料，虚心向老师请教，且在老师的指导下，将老师传授的设计方法运用到自己的设计中，使本次毕业设计得以顺利完成。
1.2 汽车变速器的功用和要求变速器的功用：1改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，如起步、加速、上坡等，同时使发动机在有利的工况下工作；2在发动机旋转方向不变的前提下，使汽车能倒退行驶；3利用空挡，中断动力传递，以使发动机能够起动、怠速，并便于变速器换档或进行动力输出。
因此变速器通常还设有倒档，在不改变发动机旋转方向的情况下汽车能倒退行驶；设有空挡，在滑行或停车时发动机和传动系能保持分离。
文章编号:1004-2539(2010)09-0056-03中型载货汽车变速器结构优化设计潘玉清(广西机电职业技术学院机械工程系, 广西南宁 530007)摘要 以中型载货汽车变速器为例,以减重为目标,变速器的基本设计参数为设计变量,并且根据变速器结构特点和设计要求建立约束条件,从而建立变速器优化的数学模型。
然后,利用MATLAB 的优化工具箱,结合序列二次规划法(SQP),通过调用fmincon 函数,对变速器作结构优化,并取得良好的优化效果,提高了设计效率,降低了企业的生产成本。
关键词 变速器 MATLAB 数学模型 优化设计 SQPStructural Optimization Design of the Gearbox of Medium TruchPan Yuqing(Department of Mechanical Engi neering,Guangxi Techonlogical College of Machinery and Elec trici ty,Nanning 530007,Chi na)Abstract Taking the gearbox of medium truck for e xample,according the structure and design characteristics of the gearbox,the mathe matical model of optimization is established which take the basic design parameters of gearbox as the design variable and take losing weight as the target.Then,using MATLAB optimization tool box and the SQP method,the gearbox is optimized by calling fmincon function,and good optimization results is achieved.So the eff-i ciency of the design is enhanced and the production cost of enterprises is reduced.Key words Gearbox MATLAB Mathematical model Optimization design SQP0 引言机械工程的优化设计特点为约束性、多解性和相对性,即要求在一定的技术与物质条件下,取得一个技术经济指标的最佳方案。
随着计算机技术的发展,优化设计方法已经广泛地应用于汽车设计中[1-2]。
目前,汽车行业高速发展,汽车零部件制造商面临着严格的技术法规约束以及降低产品成本等压力,而汽车变速器作为汽车的重要组成部分,在达到一定性能的前提下,其质量最轻、体积最小等轻量化指标已经成为考核变速器生产企业竞争力的重要依据。
目前,国内外对汽车变速器的优化设计研究比较多。
例如,为了得到强度高而重量轻的齿轮,国外对齿轮结构参数的选择及优化的研究很多,美国的很多杂志均有介绍[3-4]。
在国内,北京科技大学以齿轮部分结构参数为设计变量,以变速器最小中心距为优化目标,对SGA3722矿用汽车变速器进行结构优化[5];同济大学汽车学院在保证变速器齿轮强度的条件下,以齿轮组水平面最大宽度最小为优化目标对一款电动汽车变速器进行优化[6]。
我们以一款中型货车机械式变速器为例,以MAT -LAB 优化工具箱为优化设计的平台,运用拟牛顿法、序列二次规划法[7]221-224等现代优化设计方法,对该变速器进行结构优化设计研究,从而降低企业的生产成本,提高企业的竞争力。
1 变速器优化的数学模型1.1 设计变量该变速器是一款三轴式的变速器,其传动示意图如图1所示。
各挡齿轮动力传递关系如下:Ñ挡:第一轴y 1y 2y 9y 10y 输出;Ò挡:第一轴y 1y 2y 7y 8y 输出;Ó挡:第一轴y 1y 2y 5y 6y 输出;Ô挡:第一轴y 1y 2y 3y 4y 输出;直接挡:第一轴y 1y 4y 输出。
影响变速器设计的因素很多,我们设计时考虑的参数主要为齿轮的齿数、模数、宽度以及螺旋角,所以设计变量为X =x 1,x 2,x 3,x 4,x 5,x 6,x 7,x 8,x 9,x 10,x 11,x 12,x 13,x 14,x 15,x 16,x 17,x 18,x 19,x 20,x 21,x 22,x 23,x 24,x 25,x 26,x 27,x 28,x 29T56 机械传动 2010年=m1,m2,m3,m4,m5,b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7,b8,b9,b10,B1,B2,B3,B4,z1,z2,z3,z4,z5,z6,z7,z8,z9,z10T式中,m为齿轮模数;b为齿轮宽度;B为齿轮螺旋角; z为齿轮齿数。
图1变速器传动示意图1.2目标函数根据设计要求,变速器传动可以采用多种优化目标,例如中心距最小、强度富裕、承载能力最高、质量最轻等。
为了满足企业降低成本的需要,我们以降低变速器的重量为目标。
由于该变速器的材料均为结构钢20CrMnTi,优化的目标函数可以用体积表示为V=P4610i=1b i d i2=P4[610i=1b i(m i z icos B i)2]1.3约束条件为了达到轻量化的要求,根据变速器的结构特点以及企业要求,变速器优化的约束条件可以分为设计准则约束和性能条件约束,前者用以满足设计变量的基本要求,后者用于限制变速器的强度性能,以满足该变速器的使用条件。
1.3.1设计准则的约束(1)模数的限制该变速器属于中型货车,模数的取值范围为3.5~4.5。
g1(X)=3.5-m i[0g2(X)=m i-4.5[0式中,i取1,2,3,4,5。
(2)齿宽设计准则齿轮宽度一般取b=k c m n,其中,k c为齿宽系数,斜齿轮取7.0~8.6,直齿轮取4.4~7.0。
g3(X)=7.0m i-b j[0g4(X)=b j-8.6m i[0g5(X)=4.4m i-b10[0g6(X)=b10-7.0m5[0g7(X)=b9-b10-24[0g8(X)=23.5-b9+b10[0式中,i取1,2,3,4,5;j取1,2,3,4,5,6,7,8。
(3)螺旋角的限制齿轮螺旋角设计准则要求螺旋角足够大,以保证齿轮的工作平稳性以及齿轮强度,同时又要足够小,以保证轴向力不太大,提高齿轮的承载能力。
对于一般货车而言螺旋角的取值范围为20b~30b,同时要保证中间轴传动时其轴向力要趋于平衡,即tan B1tan B2=r1r2(1、2分别指处在工作状态的两个齿轮)[8]。
g9(X)=20-B i[0(i=1,2,3,4,5)g10(X)=B i-20[0(i=1,2,3,4,5)g11(X)=m1z2sin B4-m4z7sin B1=0g12(X)=m1z2sin B3-m3z5sin B1=0g13(X)=m1z2sin B2-m2z3sin B1=0(4)齿数的限制为了避免根切,同时为了增强小齿轮的强度,必须采用变位齿轮。
中间轴上一挡及倒挡齿轮的齿数最小,一般范围要求12~17。
g14(X)=12-z9[0g15(X)=z9-17[0(5)中心距的限制根据变速器的装配要求,每对齿轮中心距相等且为货车三轴式变速器的中心距,则有173T e max[A[ 19.53T e max[9]。
g16(X)=m1(z1+z2)cos B1-m j(z i+z i+1)cos B j=0g17(X)=218.38cos B j-m1(z1+z2)[0g18(X)=m1(z1+z2)-250.504cos B j[0式中,i为3,5,7,9;j取2,3,4,5;B5为0。
1.3.2性能条件的约束(1)强度条件的限制为了保证变速器齿轮强度,必须考虑齿轮的齿根弯曲强度和接触强度,同时为了保证优化设计的结果不降低该变速器原有的性能,所以以原有的强度值作为优化的限制条件。
g19(X)=F t K RBP tn yK E-[R W斜][0g20(X)=F t K R K fbP t y-[R W直][0g21(X)=0.418FEB(1Q1+1Q2)-[R j][0式中,[R W斜]、[R W直]分别为斜齿轮与直齿轮许用齿根弯曲强度;[R j]分别为每对啮合齿轮许用接触强度,其取值以及其它各个符号意义可以查看参考文献[10]。
(2)传动比的限制根据企业要求的传动比不变,则有相应的约束关系。
g22(X)=z2z10-7.311z1z9=0g23(X)=z2z8-4.311z1z7=057第34卷第9期中型载货汽车变速器结构优化设计g 24(X )=z 2z 4-2.447z 1z 5=0g 25(X )=z 2z 4-1.535z 1z 3=0综合上述各式,得到变速器优化设计的数学模型为min f (X )=Vs.t. g j (X )[0 (j =1,2,,,25)2 优化方法该变速器优化问题属于有约束的非线性优化问题,而K-T 方程的解形成了许多非线性规划算法的基础,这些算法直接计算拉格朗日乘子[7]221-224。
通过用拟牛顿法更新过程,给K-T 方程积累二阶信息,可以保证有约束拟牛顿法的超线性收敛。
在每一次主要的迭代中都求解一次二次规划问题,所以这些方法统称序列二次规划法(SQP )。
SQP 法的基本思想是:在每个迭代点构造一个二次规划子问题,以该问题的解作为迭代的搜索方向,并沿该方向进行以为搜索,逼近约束优化问题的解。
在迭代过程中,SQP 法不仅利用了目标函数和约束函数的函数值信息及一阶导数信息,还利用目标函数和约束函数的二阶导数信息,因此收敛速度快,效率高,是公认的最有效的非线性约束优化算法之一[11]。
在MATLAB 中SQP 法的实现分为3个步骤,即Hessian 矩阵的更新、二次规划问题的求解,以及一维搜索和目标函数的计算[12]。
Hessian 矩阵的更新:在每一次迭代中,用BFGS 方法计算Lagrange 函数的Hessian 矩阵的正定拟牛顿近似矩阵。
更新公式为H k +1=H k +q k q kT q k T s k-H k H k Ts k T H k s k其中,s k =x k +1-x kq k =¨f (x k +1)+6mi =1K i ¨g i (x k +1)-[¨f (x k )+6mi =1]K i ¨g i (x k )]式中,K i 为拉格朗日乘子的估计。
