产品结构原理课程设计

课程设计说明书

课程名称:产品结构原理课程设计

课程代码: 8202941 题目:微型汽车变速箱反求设计

学院(直属系) :机械工程与自动化学院

年级/专业/班:2009级机械设计制造及其自动化3班学生姓名:

学号:

指导教师:陈守强

开题时间: 2012年 12 月 17 日

完成时间: 2013 年 1 月 4 日

目录

摘要 (3)

任务分析 (4)

一、发动机主要性能参数 (4)

二、整车主要参数 (4)

三、微型汽车变速箱功能分析 (4)

3．1 微型汽车变速器的功能 (4)

3．2 微型汽车变速器的位置 (4)

3．3发动机动力和运动的传递 (5)

3．4 变速和保证变速的顺利进行的实现 (5)

3．5 各个档位的换档 (5)

3．6 功能结构图 (5)

四、微型汽车变速箱运动分析 (6)

4．1 测量微型汽车车轮直径 (6)

4．2 最高车速为120KM时变速箱的传动比 (6)

4．3 四档的传动比的分配 (7)

4．4 变速箱的最大和最小载状态 (7)

4．5 行驶速度分别为10、20、40、60km/h时应该使用档位的分析 (7)

五、微型汽车变速箱结构受力分析 (12)

5．1 受力最大的时候各轴的扭矩 (12)

5．2 各轴的最小直径 (13)

5．3 各个档位齿轮强度 (13)

六、变速箱的拆装 (9)

七、微型汽车变速箱的外观功能分析 (8)

八、微型汽车变速箱结构原理方案反求分析 (15)

8.1 微型汽车变速箱整体结构及布置方案 (15)

8.2 微型汽车变速箱具体结构及布置方案反求 (15)

8.2.2 减速器操纵机构的设计 (16)

8.2.3锁止装置 (16)

8.3 变速器操纵机构装配工艺流程反求分析 (17)

九 .微型汽车变速箱关键零部件反求分析 (18)

9.1 零件公差反求 (18)

9.2 零件材料、热处理反求分析 (18)

9.3 变速器主要零部件的结构、功能原理的反求分析 (19)

9.4 典型零件中间长轴的加工 (19)

十、变速器总成装配 (20)

结论 (20)

参考文献 (21)

摘要

本课程是通过对微型汽车变速器的分析，了解它的变速原理、各轴的布局、自锁与互锁原理、装配工艺过程、润滑方式、同步器的作用和工作原理以及组成、主要零件的热处理要求、形位公差、表面粗糙度等。通过分析、利用反求的方法创造出新的微型汽车变速器，具体内容有：其轴的布置，同步器的位置，差速器的位置;同步器的作用，组成，工作原理和变速器操纵机构的组成及变位挡的自锁和互锁机构的结构原理和结构；通过拆装变速器了解并编写操纵的装配工艺过程，确定各零件的装配方法；通过观察变速箱的机构形状，分析其从提高刚度和刚性要求并满足功能要求和工艺要求而设计的结构；对变速箱各轴的结构形状、结构要素作用进行分析，并对其结构尺寸与轴的功能强度刚度装配关系等进行了反求；分析变速箱的主要零件材料及热处理要求、形位公差及箱体和轴的技术要求等。反求设计是创新的重要方法，所以我们通过本课程的学习，可以了解和基本掌握这种技术。反求设计就是从有到新，借助已有的产品、图样、音响等已存在的可感观的实物，创新出更先进、更完美的产品。

关键词：分析、反求设计、创新、原理

引言

在发达国家的技术遏制与垄断下，我们必须想尽一切办法好好的学习先进技术，最大程度降低成本，减小必要的人力与物力。在竞争激烈的今天很多国家都采用反求工程来实行快速追赶其他国家的先进技术。所谓反求工程是针对消化吸收先进技术的一系列工作方法和技术的综合工程，通过反求工程，在掌握先进技术中创新，是机械创新设计的总要途径之一。其中，反求设计就是最主要的内容，反求设计是针对已有的产品或技术进行分析研究，掌握其功能原理、零部件的设计参数、材料、结构、尺寸、关键技术等指标，在根据现代设计理论与方法，对原产品进行仿造设计、改进设计或创新设计。反求设计（也称逆向设计），是指设计师对产品实物样件表面进行数字化处理(数据采集、数据处理)，并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的曲面模型重构，并进一用CAD/CAE／CAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。世界进入知识经济的时代，只有科学技术才能兴国。由于一些发达国家在计算机技术、微电子技术、人工智能技术、材料科学技术、空间科学技术、制造工业技术、等领域处于领先地位，引进发达国家的先进技术为我所用，

是发展本国经济的最佳途径。我国是一个发展中国家，科学技术相对落后，投入大量资金去研究发达国家已推向市场的产品或技术是完全没有必要的。这不仅浪费资金，也拖延发展经济的时间。而且涉及到发展经济的科学技术领域非常广泛，我国也缺少巨额资金去进行大面积的科学研究。因此，引进发达国家先进的科学技术或先进的产品，然后进行反求设计，仿照或创新设计更新的产品，是发展中国家发展国民经济的必由之路。特别是在知识经济的时代，反求工程反求工程在科技发展中的地位更为重要。因此，我们要学习这门课程，进而对微型汽车进行车的变速器进行反求分析设计。

任务分析

本次课程设计的目的在于进一步加强学生应用所学的专业理论、知识以及专业技能，进行独立解决工程实际问题的能力。机械产品功能原理、机构课程设计的重点在于掌握典型机械的功能原理分析方法及分析机械机构的组成要素和机构功能，掌握结构设计要求及特点，丰富学生的机械结构设计知识，启发设计思维，通过实践是学生的机构设计理论得以巩固、加深，为今后进行机械产品设计打下良好基础。

一、微型汽车变速器所配置的发动机参数

1.1 型号 JL368Q3电喷发动机

1.2工作形式直立四冲程水冷顶置凸轮轴多点电喷

1.3气缸数量 3

1.4 气缸直径 68.5mm

1.5 行程 72mm

1.6 排量 796ml

1.7 额定功率 26.5KW（5500r/min）

1.8最大扭矩 60.5N.m(3000~4000r/min)

二、微型汽车整车性能参数

2.1最高车速≥120KM/h

2.2 最大爬坡度tgθ≥30%

2.3起步换挡加速到100KM/h所需时间≤37s

2.4第四档最小稳定速度≤25KM/h

2.5微型汽车在60KM/h时100KM的耗油量为4.5L

2.6整车质量645Kg 全部载重后质量为950Kg左右

三、微型汽车变速箱功能分析

3．1 微型汽车变速器的功能

变速器是改变汽车力矩和转速的机构，其主要功能有：

1. 改变传动比，满足不同行驶条件对牵引力的需要，使发动机尽量工作在有利的工况下，满足可能的行驶速度要求。

2. 实现倒车行驶，用来满足汽车倒退行驶的需要。

3. 中断动力传递，在发动机起动，怠速运转，汽车换档或需要停车进行动力输出时，中断向驱动轮的动力传递。

4.使汽车完成对其他机械输出动力。

3．2 微型汽车变速器的位置

变速器一般是和发动机固连在一起的，在发动机的输出轴一侧。变速器的输出连接差速器。

3．3 发动机动力和运动的传递

发动机的曲轴输出功率到离合器再由离合器传递给变速器输入轴，通过变速器改变驱动力矩和转速再传递到差速器，受力不同的时候两个车轮所获得不同的速度，再通过差速器把动力通过半轴把动力传递到驱动车轮上。

3．4 变速和保证变速的顺利进行的实现

发动机的曲轴输出功率到变速器，，变速器的中间轴上有二个同步器，而每个同步器都与变速器输出轴连在一起，并且可以左右滑动。每个同步器共有左、中、右三个位置，中间不与任何齿轮同步，而左右都可以和齿轮同步，通过拨叉拨动来控制同步器的左右运动，与不同的齿轮同步，而四结齿轮处于常啮合状态，但可以相对于II 轴转动，一旦与同步器同步就可带动II 轴转动，从而通过拨叉控制同步器与不同的齿轮啮合，实现变速。而拨叉机构具有自锁与互锁功能，每次变速换挡都会经过中间位置，即空挡，这样就保证了变速的顺利进行。

3．5 各个挡位的换挡

变速器的换挡操纵机构，其中变速器内部一共有三根控制换挡杆，其中每一根杆都有左、中、右三个位置可供控制，可实现六个挡位控制。换挡是通过换挡杆实现的，换挡杆

纵向有三个位置，旋转有两个位置，从而实现六个位置的控制。但是任何挡位之间要切换时都必须先回到中间位置，即空挡位置。而且每个挡位之间都具有自锁和互锁功能，从而实现不跳挡和脱挡的现象。变速箱的控制操纵方式如下图：

图3-1变速箱档位

3．6 功能结构图

图3-2变速箱黑箱

通过人工控制操纵手柄将发动机输出的转速和力矩转变为不同等级的输出转速和力矩，以此来实现汽车的不同工况的需求，同时因摩擦，碰撞等产生热，噪音等。

倒挡 3挡

1挡 2挡 4挡

空挡

转矩、转速 不同的转矩、转速 挡位 噪音、热

噪音 热

I 挡转速 II 挡转速 III 挡转速 IV 挡转速 倒挡 转速

图3-3变速箱功能结构

四、微型汽车变速箱运动分析

4．1 测量微型汽车车轮直径

经测量微型汽车的车轮直径为D=450mm

4．2 最高车速为120KM 时变速箱的传动比

V=120Km/h=(120/3.6)m/s =33.33m/s

13总n n i =

由车轮的线速度公式v=r ω可以求出总的传动比i 总，则有：

V=rw=r ×3260

n π =1总

60D n i π

I 2v=60

60D n 4.3260v

II

I n r r D n i i πωππ=?===总总 4.3 四挡的传动比的分配

首先应该保证汽车在全部载重后能够平稳的起步，然后是汽车在高速行驶的时候能够达到需要的最高速度。发动机的功率一定、转速一定的情况下只有通过减速器的减速作用来实现汽车的平稳行驶，根据资料查的各个挡位的传动比分配如下表：

表4-1各个挡位的传动比分配表

4.4 变速箱的最大和最小载状态

微型汽车的额定功率时一定的，则有：

P=T*V

(功率=扭矩×速度)

根据上式可知，当发动机的额定功率达到最大且速度最低时，即变速箱的挡位最低，该轴受到的载荷是最大的；同样当发动机的功率达到了额定功率，速度最高时，即变速箱挡位最大，该轴的载荷就是最小。根据传动比可以分析出变速箱中受载荷最大的时候再是汽车处于一挡的时候的差速器从动轴上；变速箱中受载荷最小的轴是汽车处于四挡的时候中间轴上。

4.5 行驶速度分别为10、20、40、60km/h 时应该使用挡位的分析

变速箱主减速器的传动比为i ：

4.35i =

根据速度计算公式V=

1n 60i

D n i π可以计算出在额定功率下各个挡位所能够达到的最大速度。则有： 1V =29.9Km/h

2V =49.5Km/h

3V =80.4Km/h

4V =119.1Km/h

再通过最大速度与所要求的速度进行比较，由于汽车的第四挡稳定速25/V km h ≤。以汽车在行驶的过程中能够省油为标准选取合适的挡位行使，则最后选定：

10km/h 用1挡，20km/h 用2挡，40km/h 用3挡，60km/s 用4挡。

五、微型汽车变速箱结构受力分析

5.1 受力最大的时候各轴的扭矩

发动机输出扭矩最大是60.5N/m ，由于发动机直接输出到变速器的输入轴，所以变速

器的输入轴受到的最大扭矩I T ，则有：

60.5I T N =

根据公式P=T*V=T*1总

60D n i π可以计算出中间轴的最大扭矩II T ，中间轴的转速是第一根轴的传动比转换过来的，则有： max

60.5 3.585216.89II I II T T i T N =?=?=

同样可以求出差速器所受到的最大扭矩为III T ，则有：

max 60.5 3.585 4.35943.48N III I T T i i =??=??=主

5.2 各轴的最小直径

根据公式P=T*V=T*1总

60D n i π，可以计算出在最大扭矩的前提下轴的功率p, 也就是说在发动机输出最大扭矩的时候发动机没有达到额定功率，那么可以计算发动机在额定转速下的扭矩e T ,则有：

46e T =

远比最大扭矩小，这样在最大扭矩下求得轴的最小直径就是该轴的最小直径，则有各个轴的最小直径为：

012311221.0832.2652.66d A A d mm d mm

d mm

===== 5.3 各个挡位齿轮强度

变速箱各挡齿轮材料为:合金钢(20CrMnTi)。材料强度极限为：[]1100F MPa σ=。取7级精度。齿轮的弯邮疲劳强度为：

[]1100t Fa Sa F A V F F F n a KFY Y Y K K K K K MPa bm β

αβσσε===

齿轮的接触疲劳强度为：

[]1100H H E H Z Z MPa σσ=

= 各齿轮参数如下表：

表5-1 齿轮参数表

所以，各挡齿轮的弯曲疲劳强度为：

1234 2.9753134 2.4 1.6760.8791.2[]122 1.58

2.9752947 2.41 1.6650.7723[]12 1.75 1.482.9752418 2.5 1.6350.7660[]12 1.75 1.48

2.9752040 2.57 1.600.757211 1.75 1.5F F F F F F F MPa MPa MPa M σσσσσσσ????=

=≤??????==≤??????==≤??????==??[]F Pa σ≤

齿面接触疲劳强度为：

1234 2.33189.8858.5[]2.33189.8798.6[]2.33189.8542[]

H H H H H H H MPa MPa MPa σσσσσσσ=

?=≤=

?=≤=

?=≤= 2.33189.8360.1[]H MPa σ?=≤

可见，齿轮的强度满足要求。

六、微型汽车变速箱的外观功能分析

图4-1离合器分离轴承

1是离合器的分离轴承，它的作用是连接和断开发动机与变速箱之间运动和动务，是整个汽车启动、停止、倒车变速换挡的关键。

图4-2启动电机安装孔

2 是发动机启动电机的安装孔，这个孔是变速箱上一个很关键的孔。由于启动电机是通过齿轮啮合启动发动机，这就要求这个孔端面与发动机曲轴的垂直度要求高，同时孔的中心与发动机曲轴之间距离的精度要其很高。孔的大小由启动电机的形状所决定。

3 是上端盖的起盖机构，这个结构没有什么特别要求,只是要求能够方便的把上端盖起开即可。

4 是汽车行驶速度的一个测试装置。

5 是一根通气管，变速箱本身是密闭空间，齿轮在里面高速旋转的时候会发热升温，体积会膨胀，如果不排气减压，会破坏变速箱的密封性能。

6 是油标，同时也是加油口。

7 是离合器的分离操纵手柄。要求能够进行调整能够很方便的进行离合器的分离，使换挡顺利进行。

8 观测和调整发动机点火时间的孔，这个孔没有什么特别的要求，要求能够看得见连接在发动机曲轴上的那个大齿轮，并且能够方便的对其进行调整。使发动机在修理过后能够顺利点火。

七、变速箱的拆装

图5-1分离轴承拆装

1)拆下离合器的分离轴承，用手直接拆下。

2)用钳子拆下离合器摆杆回位弹簧，使摆杆处于自由状态。

3)用十字螺丝刀将变速箱输入轴前端盖十字沉头螺钉拆下（4颗）并拆下端盖。并记录型号M6x15。(如图)

图5-2轴承前端盖拆装

注：先用十字螺丝刀预松1号2号螺钉，再预松3号4号螺钉，后在分别松开1、2和3、4螺钉。最后用已取下的螺钉2颗分别插入a ，b 两处用作起盖螺钉，两处应缓慢、均匀受力，使端盖受力均匀，以不致端盖在起盖过程中受损变形。

变速箱盖拆卸

图5-3变速箱盖螺栓位置分布图

注：先用十字螺丝刀预松1号2号螺钉，再预松3号4号螺钉，后在分别松开1、2和3、4螺钉。最后用已取下的螺钉2颗分别插入a ，b 两处用作起盖螺钉，两处应缓慢、均匀受力，使端盖受力均匀，以不致端盖在起盖过程中受损变形。

变速箱盖拆卸

由于变速箱具有良好的密封性，所以拆卸的时候一定要均匀合理卸力，保证机盖不变形而影响密封性能。

首先，按照顺序对连接螺钉进行预松,标准为将螺杆旋转半圈，预松顺序为：

1832

##6104#

7951)182)171615123)111413A A A A A A A A A A

注：无#号的用梅花扳手预松，有符号的用套筒预松

其次，完全松开螺钉，其顺序为：

1832

##6104#

7951)182)171615123)111413A A A A A A A A A A

注：除了16号螺钉要用到小零件拾取器外，其余在完全松开的情况下可以直接取下。 然后，将取下来的螺钉都做好记录

所有的螺钉除了17号是M6的螺钉外，其他的都是M8螺钉，则统一只记录螺钉的长度。

1832610#479#55050501870505050

16705015135127011705050

1490501370

17640A A A A A A A A A A m ================?

最后，取下变速器上盖

在变速器上下端盖连接的地方有三个地方要突出一点。在此处同时用一字螺丝刀用力撬，则可以把上端盖松掉，现在就可以取下上端盖。

八、 微型汽车变速箱结构原理方案反求分析

8.1微型汽车变速箱整体结构及布置方案反求

图8-1变速箱原理图

变速箱在汽车中的位置：一般安装于发动机和驱动桥之前。

三轴式变速器的结构方案：第一轴与齿轮做成一体，其前端轴承支承在发动机内腔的轴承上，轴颈根据其与壳体之间轴承内径而定，长度根据离合器总成轴向尺寸来定。轴与壳体

之间轴承的外径最好大于第一轴常啮合齿轮的外径，以便于装拆第一轴。

第二轴前端通过轴承安装在第一轴的常啮合齿轮内腔，其轴径受齿轮径向尺寸限制。安装同步器齿毂的花键多采用渐开线花键，其定位性能好，承载能力大，花键齿短，其小径相应增大，可一提高轴的刚度。此轴上各挡齿轮与轴之间有相对旋转运动，因此，轴的表面加工精度要求很高。一般情况下，轴上开螺旋油槽，以保证充分润滑。第二轴制成阶梯轴，便于安装齿轮。从受力和合理利用材料来看，这也是需要的。各截面尺寸要避免相差悬殊。轴上供磨削用的砂轮越程槽产生应力集中，易造成轴的折断。轻型汽车变速器各挡齿轮常用弹性挡圈轴向定位，简单，但拆装不方便。

8.2微型汽车变速箱具体结构及布置方案反求

8.2.1同步器工作过程与原理：

当离合器接合时，发动机转矩作用在变速器输入轴（第一轴）上，第一轴伸入变速器箱内，由一大型球轴承支承并有一个与第一轴一体的齿轮。输出轴（第二轴）轴前端插入第一轴轴端孔中，但可独立旋转。第二轴由第一轴端孔中轴承和变速箱后部一轴承支承。各种速度的齿轮在第二轴上旋转，第一轴和第二轴组件的下部或侧面固定一中间轴，其上装有几种尺寸的齿轮，这些齿轮除了一个齿轮外，均与第二轴上齿轮保持常啮合，还有一个齿轮与第一齿轮保持常啮合。

当驾驶员选定一齿轮，该齿轮被锁定或连与第二轴，则出现齿轮换挡。这是通过一个将齿轮与轴相连的接合套的运动来实现的，仅当齿轮和轴以同速旋转时，换挡才可能很平稳无噪音，这就是同步器的主要功能。

滑块式同步器由花键毂，接合套，锁环（同步环）和滑块或弹簧-钢球定位装置而组成。

滑块式惯性同步器工作原理：当接合套刚从二挡退到空挡时，齿轮和接合套都在其本身及所联系的一系列运动件的惯性作用下，继续沿原方向旋转，此时，锁环在轴向是自由的，故其内锥面与齿轮外齿锥面并不接触，其锁止作用是齿轮的惯性力矩造成的。

8.2.2 锁止装置

(1)互锁装置：

图8-1 互锁装置

互锁装置是保证移动某一变速拨叉轴时，其他变速拨叉轴被锁住。

互锁装置的结构主要有以下几种：1.互锁销式2.摆动锁块式3.转动钳口式4.三向锁销式

(2)自锁装置：

图8-3 自锁装置

自锁装置的作用是防止因汽车振动或有小的轴向力作用而导致脱挡，保证啮合齿轮在全齿长上进行啮合，并使驾驶员有换入挡位的感觉。自锁作用通常是由刚球和弹簧组成的自锁装置来保证的，自锁装置可以装在变速器盖内，也可以装在变速叉内。

(3)倒挡锁：在汽车行驶过程中，为了防止误挂倒挡而造成安全事故和损坏传动系，在操纵机构中而设置的。

8．3装配工艺流程反求分析

变速器操纵机构总成的装配：

拆装之前，首先要分析整个变速箱的结构形式，各个部件的装配要求，拆装步骤，怎样保证不变形，不改变其原有密封效果，要注意到使箱体，箱盖的变形最小，所以应该先拆俩边，再拆中间，拆的同时记录下每个零件的名称，拆装顺序，每个零件的位置，包括安装方向，角度以及遇到的问题。这里我们主要研究同步器的装配工艺。

工具箱中工具名称及规格如下：

游标卡尺

平口虎钳，普通扳手

六角扳手（四个）

小零件拾取器（利用磁性吸力）

三爪起步器

改刀头组（10个一组）

双头扳手：规格17，14，12，10,8

图8-4 从动轴三维装配图

拆装步骤如下：

1.用平口虎钳夹紧从动轴一端。

2.用六头扳手松开螺母，拧下里程器，倒置在桌面上。

3.用三爪起步器卡主一档齿轮，拧紧起步器螺杆将一档齿轮、轴承和垫圈取下，用带磁性的工具将

滚珠吸出，依次倒置在桌面上。

4.用手将套筒，滚针轴承和锥型环取下，依次倒置在桌面上。

5.用手将倒档齿和同步器取下，倒置在桌面上。

6.用手将套筒，滚针轴承和锥型环取下，依次倒置在桌面上。

7.用手将二档齿轮取下，倒置在桌面上。

8.用手将套筒，滚针轴承和锥型环取下，依次倒置在桌面上

9.用手将三档齿轮取下，倒置在桌面上。

10.用手将套筒，滚针轴承和锥型环取下，依次倒置在桌面上

11.用手将四档齿轮取下，倒置在桌面上

12.用手将套筒，滚针轴承和锥型环取下，依次倒置在桌面上

13.用手将垫片取下，倒置在桌面上。

14.用手将轴承取下，倒置在桌面上。整个过程要注意按先后顺序放置。

其装配过程反之进行。

九、汽车变速箱关键零部件反求分析

9.1零件公差反求分析

实测尺寸不等于原设计尺寸，需要从实测尺寸推论出原设计尺寸。假设所测的零件尺寸均为合格，实测值一定是图样上规定的公差范围内一数值，即

实测值=基本尺寸±制造误差±测量误差

采用基孔制：孔的实测值- 基本尺寸≤1/2 孔公差（ITII级）

采用基轴制：基本尺寸- 轴的实测值≤1/2 轴公差（ITII级

9.2件材料、热处理反求分析

机械零件的材料选择与热处理方法直接影响到零件的强度，刚度，周，寿命，可靠性等指标，材料的选择是机械设计中的重要问题。

材料的成分分析：对材料的整体，局部，表面进行定性分析或定量分析时，可通过以下手段：火花鉴别法，音质判别法，原子发射光谱分析法，化学成分分析法，微探针分析法。材料的组织结构分析：可以用放大镜观察材料的晶体大小，淬火硬层的分布，缩孔的缺陷等情况。通过对材料的分析，结合我国国产材料的具体性能，选择合适的代用品。

9.3零件结构、功能原理的反求分析

（1）变速器轴的反求：变速器轴在工作时承受转矩和弯矩，因此应具备足够的强度和刚度。轴的刚度不足，会产生过大的变形，影响齿轮的正常啮合，产生过大的噪音，并会降低齿轮的使用寿命。轴的长度对刚度影响很大。轴的刚度比强度更重要。对齿轮工作影响最大的是轴在垂直面内产生挠度和轴在水平面内的转角，前者使齿轮中心距发生变化，并破坏了齿轮的正常啮合。

（2）同步器参数的反求：摩擦系数随摩擦副材料，工作表面粗糙度，润滑油种类和温度等因素的不同而改变。摩擦系数大，则换挡省力或缩短同步时间，反之，甚至会失去同步作用。因此保持较大的摩擦系数对同步器工作有利。为此在同步环的锥面上制