变速器的计算

档数增加变速器的档数能改善汽车的动力性和经济性。档数越多，变速器的结构越复杂，并且是尺寸轮廓和质量加大。同时操纵机构复杂，而且在使用时换档频率也增高。在最低档传动比不变的条件下，增加变速器的当数会使变速器相邻的低档与高档之间传动比比值减小，是换档工作容易进行。要求相邻档位之间的传动比比值在1.8以下,该制约小换档工作越容易进行。要求高档区相邻档位之间的传动比比值要比低档区相邻档位之间的传动比比值小。近年来为了降低油耗，变速器的档数有增加的趋势。目前轿车一般用4~~5个档位，级别高的轿车变速器多用5个档，货车变速器采用4~~5个档位或多档。装载质量在2~3.5T的货车采用5档变速器，装载质量在4~8T的货车采用6档变速器。多档变速器多用于重型货车和越野车。一．转动比范围变速器的传动比范围是指变速器最低档传动比与最高档转动比的比值。转动比范围的确定与选定的发动机参数，汽车的最高车速和使用条件等因素有关。目前轿车的传动比范围在3~4之间，轻型货车在5~6之间，其他货车则更大。二．中心距A对中间轴式变速器,是将中间轴与第二轴之间的距离成为变速器中心距.其大小不仅对变速器的外形尺寸,体积和质量大小,而且对轮齿的接触强度有影响。中心距越小，齿轮的接触应力大，齿轮寿命短。最小允许中心距当有保证齿轮有必要的接触强度来确定。变速器轴经轴承安装在壳体上，从布置轴承的可能与方便和不影响壳体的强度考虑，要求中心距取大些。此外受一档小齿轮齿数不能过少的限制，要求中心距也要大些。A=KA3Temaxi1ηg式中，A为中心距（MM）;KA为中心距系数,轿车:KA=8.9~9.3,货车:8.6~9.6,多档变速器:9.5~11.0;TEMAX为发动机最大转矩（N.M）;I1为变速器一档传动比；ng为变速器传动效率0.96。轿车变速器的中心距在65~80mm变化范围，货车的变速器中心距在80~170mm范围内变化。原则上总质量小的汽车中心距小。三．外形尺寸变速器的横向外形尺寸，可根据齿轮直径以及倒档中间齿轮和换档机构的布置初步确定。轿车四档变速器壳体的轴向尺寸3.0~3.4A。货车变速器壳体的轴向尺寸与档数有关：四档2.2~2.7A五档2.7~3.0A六档3.2~3.5A当变速器选用常啮合齿轮对数和同步器多时，中心距系数K应取给出系数的上限。为检测方便，A取整。四．轴的直径变速器工作时轴除传递转矩外，还承受来自齿轮作用的径向力，如果是斜齿轮还有轴向力。在这些力的作用下，变速器的轴必须有足够的刚度和强度。轴的刚度不足会产生弯曲变形，破坏齿轮的正确啮合，对齿轮的强度和耐磨性产生影响，增加工作噪声。中间轴式变速器的第二轴和中间轴中部直径D=0.45A，轴的最大直径D和支撑间距离L的比值，对中间轴，D/L=0.16~0.18,对第二轴，D/L=0.18~0.21。第一轴花健部分直径D（MM）可按下式初选d=K3Temax式中K为经验系数，K=4.0~4.6,Temax为发动机最大转矩（N.m）五．齿轮参数1.模数的选取遵循的一般原则：为了减少噪声应合理减少模数，增加尺宽；为使质量小，增加数，同时减少尺宽；从工艺方面考虑，各档齿轮应选用同一种模数，而从强度方面考虑，各档齿数应有不同的模数。减少轿车齿轮工作噪声有较为重要的意义，因此齿轮的模数应选小；对货车，减小质量比噪声更重要，故齿轮应选大些的模数。低档齿轮应选大些的模数，其他档位选另一种模数。少数情况下汽车变速器各档齿轮均选用相同的模数。啮合套和同步器的接合齿多数采用渐开线齿轮。由于工艺上的原应，同一变速器的接合齿模数相同。选取较小的模数值可使齿数增多，有利换档。2.压力角压力角较小时，重合度大，传动平稳，噪声低；较大时可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。对轿车，为加大重合度已降低噪声，取小些；对货车，为提高齿轮承载力，取大些。变速器齿轮用20°,啮合套或同步器的接合齿压力角用30°。3.螺旋角斜齿轮在变速器中得到广泛的应用。选斜齿轮的螺旋角，要注意他对齿轮工作噪声齿轮的强度和轴向力的影响。从提高低档齿轮的抗弯强度出发，不希望用过大的螺旋角；而从提高高档齿轮的接触强度着眼，应选用较大螺旋角。斜齿轮传递转矩时，要产生轴向力并作用到轴承上。设计时应力求中间轴上同时工作的两对齿轮产生轴向力平衡，以减少轴承负荷，提高轴承寿命。因此，中间轴上的不同挡位齿轮的螺旋角应该是不一样的。为使工艺简便，在中间轴轴向力不大时，可将螺旋角设计成一样的，或者仅取为两种螺旋角。中间轴上全部齿轮的螺旋方向应一律取为右旋，则第一、第二轴上的斜齿轮应取为左旋。轴向力经轴承盖作用到壳体上。一挡和倒挡设计为直齿时，在这些挡位上工作，中间轴上的轴向力不能抵消(但因为这些挡位使用得少，所以也是允许的)，而此时第二轴则没有轴向力作用。根据图3—12可知，欲使中间轴上两个斜齿轮的轴向力平衡，须满足下述条件111tanβnaFF=222tanβnaFF=由于T=，为使两轴向力平衡，必须满足2211rFrFnn=2121tantanrr=ββ式中，Fa1，Fa2为轴向力，Fn1，Fn2为圆周力r1，r2为节圆半径；T为中间轴传递的转矩。最后可用调整螺旋角的方法，使各对啮合齿轮因模数或齿数和不同等原因而造成的中心距不等现象得以消除。斜齿轮螺旋角可在下面提供的范围内选用：轿车变速器：两轴式变速器为20°~30°中间轴式变速器为22°~34°货车变速器：18°~34°4．齿宽b应注意齿宽对变速器的轴向尺寸，齿轮工作平稳性，齿轮强度和齿轮工作时受力的均匀程度均有影响。考虑到尽可能的减少质量和缩短变速器的轴向尺寸，应该选用较小的齿宽。减少齿宽会使斜齿轮传动平稳的优点被削弱，还会使工作应力增加。使用宽些的齿宽，工作时会因轴的变形导致齿轮倾斜，使齿轮沿齿宽方向受力不均匀并在齿宽方向磨损不均匀。通常更据齿轮模数m的大小来选定齿宽。直齿：b=KCm,KC为齿宽系数，取为4.5~8.0斜齿：b=KCmn，KC取6.0~8.5第一轴常啮合齿轮副的齿宽系数，KC可取大些，使接触线长度增加、接触应力降低，以提高传动平稳性和齿轮寿命。5．变位系数的选择原则齿轮的变位是齿轮设计中一个非常重要的环节。采用变位齿轮，除为了避免齿轮产生根切和配凑中心距以外，它还影响齿轮的强度，使用平稳性，耐磨性、抗胶合能力及齿轮的啮合噪声。变位齿轮主要有两类：高度变位和角度变位。高度变位齿轮副的一对啮合齿轮的变位系数的和为零。高度变位可增加小齿轮的齿根强度，使它达到和大齿轮强度想接近的程度。高度变位齿轮副的缺点是不能同时增加一对齿轮的强度，也很难降低噪声。角度变位齿轮副的变位系数之和不等于零。角度变位既具有高度变位的优点，有避免了其缺点。有几对齿轮安装在中间轴和第二轴上组合并构成的变速器，会因保证各档传动比的需要，使各相互啮合齿轮副的齿数和不同。为保证各对齿轮有相同的中心距，此时应对齿轮进行变位。当齿数和多的齿轮副采用标准齿轮传动或高度变位时，则对齿数和少些的齿轮副应采用正角度变位。由于角度变位可获得良好的啮合性能及传动质量指标，故采用的较多。对斜齿轮传动，还可通过选择合适的螺旋角来达到中心距相同的要求。变速器齿轮是在承受循环负荷的条件下工作，有时还承受冲击负荷。对于高档齿轮，其主要损坏形势是齿面疲劳剥落，因此应按保证最大接触强度和抗胶合剂耐磨损最有利的原则选择变位系数。为提高接触强度，应使总变位系数尽可能取大一些，这样两齿轮的齿轮渐开线离基圆较远，以增大齿廓曲率半径，减小接触应力。对于低档齿轮，由于小齿轮的齿根强度较低，加之传递载荷较大，小齿轮可能出现齿根弯曲断裂的现象。总变位系数越小，一对齿轮齿更总厚度越薄，齿根越弱，抗弯强度越低。但是由于轮齿的刚度较小，易于吸收冲击振动，故噪声要小些。更据上述理由，为降低噪声，对于变速器中除去一，二档和倒档以外的其他各档齿轮的总变位系数要选用较小的一些数值，以便获得低噪声传动。七．各档齿轮齿数的分配在初选中心距，齿轮模数和螺旋角以后，可更据变速器的档数，传动比和传动方案来分配各档齿轮的齿数。四档变速器为例，说明分配齿数的方法。尽可能使各档齿轮的齿数比应该不是整数。1．确定一档齿轮的齿数一档传动比i1=(z2z7)/(z1z如果z7z8齿数确定了，则z2与z1的传动比可求出。为了求z7z8的齿数，先求其齿数和Zh直齿Zh=2A/m斜齿Zh=2Acosb/Mn计算后取整，然后进行大小齿轮齿数的分配。中间轴上的一档小齿轮的齿数尽可能取小些，以便使z7/z8的传动比大些，在i1已定的情况下，z2/z1的传动比可分配小些，使第一轴常啮合齿轮的齿数多些，以便在其内腔设置第二轴的前轴承并保证轮轴有足够的厚度。考虑到壳体上的第一轴轴孔尺寸的限制和装配的可能性，该齿轮齿数又不宜取多。中间轴上小齿轮的最少齿数，还受中间轴轴经尺寸的限制，即受刚度的限制。在选定时，对轴的尺寸及齿轮齿数都要统一考虑。轿车中间轴式变速器一档传动比i1=3.5~3.8时，中间轴上一档齿轮数可在15~17间取，货车灾2~17间取。2．对中心距进行修正因为计算齿数和zh后，经过取整数使中心距有了变化，所以应根据zh和齿轮变位系数新计算中心距，在以修正后的中心距作为各档齿轮齿数分配的依据。3．确定常啮合传动齿轮副的齿数求出传动比z2/z1=i1z8/z7而常啮合传动齿轮中心距和一档齿轮的中心距相等，即A=mn(z1+z2)/2cosb解方程式（3-3）和式（3-4）求z1与z2,求出的z1，z2都应取整数；然后核算一档传动比与原传动比相差多少，如相差较大，只要调整一下齿数即可；最后根据所确定的齿数，按式（3-4）算出精确的螺旋角值。确定其他各档的齿数若二档齿轮是直齿轮，模数与一档齿轮相同时，则得：i2=z2z5/z1z6A=m(z5+z6)/2解两方程式求出z5,z6。用取整后z5,z6的计算中心距，若与中心距A有偏差，通过齿轮变位来调整。二档齿轮是斜齿轮，螺旋角b6与常啮合齿轮的b6不同时，由式(3-5)得z5/z6=i2z1/z2而A=Mn(z5+z6)/2cosb6此外，从抵消或减少中间轴上的轴向力出发，还必须满足下列关系式tanb2/tanb6=z2(1+z5/z6)/(z1+z2)联解上述三个方程式，可求出z5,z6和b6三个参数。但借此方程组比较麻烦，可采用比较方便的试凑法，即先选定螺旋角b6，解式(3-7)和(3-式，求出z5,z6，再把z5,z6及b6代入式(3-9)中，检查是否满足或近似满足轴向力平衡的关系。如相差太大，则要调整螺旋角b6，重复上述过程，直至符合设计要求为止。其他各档齿轮的齿数用同一方法确定。5,确定倒档齿轮齿数倒档齿轮选用的模数往往与一档相同。图3-13所是倒档齿轮z10的齿数，一般在21-22之间，初选z10后，可计算出中间轴与倒档州的中心距A’A’=m(z8+z10)/2为保证倒档齿轮的啮合和不产生运动干涉，齿轮8和9的齿顶圆之间应保持在以上的间隙，则齿轮9的齿顶圆直径应为De8/2+0.5+De9/2=A’De9=2A’-De8-1根据求得的De9，再选择适当的齿数及采用变位齿轮，使齿顶圆De9符合式(3-10)。最后计算倒档轴与第二轴的中心距A’’.