变速箱设计专业知识

汽车变速器设计动力院变速箱部目录第一节：摩擦离合器的滑磨及其热工况 (2)第二节：变速器齿轮的强度计算与材料选择 (6)2.1齿轮损坏的原因及形式………………………..2.2圆柱齿轮强度的简化计算方法…………….2.3根据GB3480-83编制的汽车变速器圆柱齿轮强度的计算方法…………2.4变速器齿轮的材料及热处理…………第三节：变速器轴 (13)3.1变速器轴…………………………………………..3.2变速器轴承……………………………..…………第一节：摩擦离合器的滑磨及其热工况离合器除了要传递发动机的最大扭矩和变速器换档时通过它来切断动力传递外，还要保证汽车能平稳起步和防止传动系过载。

后两条功能是通过离合器主、从动部分的滑磨来实现的。

因此，滑磨是离合器工作中的一项重要的特征。

离合器滑磨的结果，不仅会使摩擦片磨损，而且会引起压盘、飞轮等零件升温。

而摩擦表面温度的过分升高将加剧摩擦片的磨损，降低摩擦系数及离合器的使用寿命。

试验证明，摩擦表面的温度由20℃升至100℃时，摩擦片的磨损将增加一倍。

离合器在起步过程中的滑磨过程长、比换档时严重的多。

而在汽车使用中，在交通频繁的城市内，起步次数相当频繁，如果再加上换档时对离合器的使用，则离合器的接合次数相当频繁，滑磨相当严重。

离合器滑磨的严重程度常用滑磨功来衡量。

离合器的滑磨功是指离合器在接合过程中有多少机械能转换成热能。

离合器的滑磨功愈大，则零件的温升和磨损也会愈严重。

滑磨功的大小表征了离合器摩擦表面磨损的严重程度。

而滑磨功的大小除与离合器本身的结构及参数有关外，还与其使用情况有关。

例如汽车起步时离合器的滑磨功较大，在坏路面起步时滑磨功则更大，而在行驶时滑磨功则较小。

在汽车起步前，首先要踩下离合器踏板使主、从动部分分离，再挂变速器低档。

这时，离合器主动部分的角速度与发动机一致，为0ω点，从动部分经传动系与车轮相连，其角速度为0，起步时司机逐渐放松离合器踏板并逐渐踩下油门踏板。

这时，可将离合器的接合过程分成两个阶段：第一阶段：由于作用在从动盘上的主动力矩c T 小于阻力矩ϕT ，所以从动部分的角速度仍然为0，汽车仍静止不动，但离合器开始滑磨。

第二阶段：由于离合器踏板继续放松，主从动盘之间的压力增大，从动盘的主动力矩大于阻力矩，而发动机的转度上升至一峰值后迅速下降，通过一段时间后主、从动盘的角速度达到一致。

所以整个时间就是第一、第二阶段的时间之和。

换算到离合器从动部分的汽车阻力矩为)/()(T T r t a i r g m m T ηϕϕ+=a m ——汽车总质量 t m ——挂车总质量r r ——车轮的滚动半径ϕ——汽车行驶阻力系数，取01.0=ϕT i ——传动系的传动比T η——传动系的传递效率 g ——重力加速度在离合器最开始接合的一段时间内，从动盘的主动力矩c T 与时间几乎成正比增长， 即kt T c =，系数k 表征离合器的结合速度。

研究汽车起步时离合器接合过程的力学模型。

其中e J 为发动机旋转部分（主要是飞轮）和离合器主动部分的总转动惯量，a J 为汽车及挂车的总平移质量换算动离合器从动轴上的转动惯量。

为了确定滑磨功，先建立力学模型的系统质量运动的微分方程：①e e e T dt d J T =-ω②ωωT dtd J T a c =其中，a J 可由下式确定：2)(222at a c a v m m J +=ω 而离合器从动部分的角速度c ω为T rac i r v =ω 所以得式E 22)(Tr t a a i r m m J +=滑磨功为： ⎰=da T L c a式中 a ——离合器滑磨角， 而dt da c e )(ωω-= 故有 dt T L ct e c s)(0⎰-=ωω相对于e ω和c ω求解这些方程的困难在于e T ，c T 和ϕT 都是随时间变化的、非线性的。

例如发动机转矩e T 与其转速有关，离合器摩擦力矩c T 与接合速度、摩擦系数、摩擦表面的温度等有关。

为了相对地评价离合器结构，先不考虑司机的驾驶技能的影响，并假设离合器为瞬间接合及起步时离合器的摩擦力矩c T 为常量。

为了简化问题并求解式①、②所组成的微分方程，也假设在离合器滑磨过程中e T 及ϕT 亦为常量。

则由式①、②得出系统的主、从动部分的角速度e ω及c ω随时间变化而变化的表达式。

即对于式①、②，先求主动部分（式A ）①⎰⎰=-te c e ed J dt T T 0)(ωωω②)()(0e e e c e J t T T ωω-=-③t J T T ece e e -+=0ωω 对于从动部分（式B ） ①⎰⎰=-ta c ed J dt T T 0)(ωωϕω②c a e J t T T ωϕ=-)( ③t J T T ac c ϕω-=当e ω与c ω的值达到完全一致时滑磨功过程完毕，因此，当式A 中的e ω等于式B 中c ω，则可求出滑磨时间为（式C ）)()(0c e a c e e e a s T T J T T J J J t ---=ϕω在上述假设条件下，系统主、从动部分角速度将与时间t 成线性关系。

依次滑磨功可表达为：2/0s e c t T L ω=式中：s t ——离合器的滑磨时间；0e ω——汽车开始起步时离合器主动部分的初始的初始角速度。

30/00e e n πω=。

其中0e n 为对应于0e ω的发动机转速，rain r /。

将0e ω的表达式及式C 代入上式，则得：)11()1(1800202---•=βπϕe a c ae J J T T J n L由上式及E ，在发动机的高转速0e n 及变速器的高档位下起步，滑磨功会急剧增大。

因为，通过上式计算的滑磨功是其最小可能值，它与接合是否平顺无关，可用于对各种型号的汽车的离合器工作状况的比较计算。

离合器的滑磨功L 与其从动盘摩擦面积∑fA 之比：∑=fA L q /当一档起步且1.0=ϕ时，单离合器[q]值为196~245J/cm 2，双离合器为147~167 J/cm 2。

热平衡方程式为 τmc rL = 压盘温升为 mc rL /=τ许用齿根弯曲应力的上限[σw ]max 及下限[σw ]min ： 对渗碳淬火表面硬化合金钢： [σw ]max =T Rre T re F NTST Y Y S Y Y 11min520δ， MPa(4-3-29) [σw ]min =T Rre T re F NTST Y Y S Y Y 11m in310δ， MPa式中：min F S ——弯曲强度计算的最小安全系数，取1.3； ST Y ——试验齿轮的英里修正系数，可取ST Y =2； NT Y ——弯曲强度计算恶毒寿命系数，货车I 档齿轮取NT Y =1.05，其他各档齿轮及轿车各档齿轮均取NT Y =1；T re Y 1δ——相对齿根圆角敏感系数，11T re Y δ=12102311.09434.0s q ++21T re Y δ=22102311.09434.0s q ++T Rre Y 1——相对齿根表面状况系数，T Rre Y 1=1.0)1(529.0674.1+-z R 若齿根表面粗糙度为2.3∇，则R z =20，这时，T Rre Y 1=0.957。

齿根弯曲强度的检验：按式（4-3-28）计算所得的齿根弯曲应力σw ，应在许用齿根弯曲应力的上限[σw ]max 与下限[σw ]min 之间，若高于上限，则齿根弯曲强度不够；若低于下限，在齿根过于安全。

与接触强度的检验相类似，齿根弯曲强度也可利用强度系数S TF 来检验。

弯曲强度系数S TF 可表达为： S TF =minmax max ][][][w w ww σσσσ-- （4-3-30）S TF =值应在0与1之间，其中，接近于1，说明齿根弯曲强度储备大；接近于0，说明齿根强度储备小；S TF >1则说明齿根过于安全；S TF <0则说明弯曲强度不够，必须修改设计。

4.变速器齿轮的材料及热处理现代汽车变速器轮齿大部分大都采用渗碳合金钢制造，使轮齿表层的高硬度与轮齿心部的高韧性相结合，以大大提高其接触强度、弯曲强度及耐磨性。

在选择齿轮的词阿廖及热处理时 也应考虑到其机械加工性能及制造成本。

国产汽车变速器齿轮的常用材料是20CrMnTi （过去的钢号是18CrMnTi ），也有采用20Mn2TiB ，20MnVB ，20MnMoB 的，对于大模数的重型汽车变速器齿轮，可采用25CrMnMo ，20CrNiMo ，12Cr3A 等钢材，这些低碳合金钢都需随后的渗碳、淬火处理，以提高表面硬度，细化材料晶粒。

为消除 内应力，还要进行回火。

变速器齿轮轮齿表面渗碳层深度的推荐范围如下：nm≤3.5 渗碳层深度0.8～1.2mm3.5<nm<5 渗碳层深度0.8～1.3mmnm≥5渗碳层深度1.0～1.6mm渗碳齿轮在淬火、回火后，要求轮齿表面硬度为HRC58～63，心部硬度为HRC33～48。

某些轻型以下的载货汽车和轿车等变速器的小模数（nm<3.0～3.75）齿轮，采用40Cr或35Cr钢并进行表面氰化处理。

这种中碳铬钢具有满意的锻造性能及良好的强度指标，氰化钢热处理后变形小也是其优点。

但由于氰化层较薄且钢的含碳量又高，故接触强度和承载能力均受到限制，但对于氰化齿轮，氰化层深度一般为0.2～0.4mm，不应小于0.2mm，表面硬度为HRC48～53。

第二节：变速器齿轮的强度计算与材料选择2.1、齿轮损坏的原因及形成齿轮在啮合过程中，轮齿根部产生弯曲应力，过渡圆角处又有应力集中，故当齿轮受到足够大的载荷作用，其根部的弯曲应力超过材料的许用应力时，轮齿就会断裂。

这种由于强度不够而产生的断裂，其断面为一次性断裂所呈现的粗粒状表面。

在汽车变速器中这种破坏情况很少发生。

而常见的断裂则是由于在重复载荷作用下使齿根受拉面的最大应力区出现疲劳裂缝而之间扩展到一定深度厚度后产生的折断，其破坏断面在疲劳裂缝部分呈光华表面，而突然断裂部分呈粗粒状表面。

变速器低档小齿轮由于载荷大而齿数少、齿根较弱，其主要破坏形式就是这种弯曲疲劳断裂。

齿面点蚀是常用的高档齿轮表面接触疲劳的破坏形式。

齿面长期在脉动的接触应力作用下，会逐渐产生大量与齿面成尖角的小裂缝。

啮合时由于齿面的相互挤压，使充满了润滑油的裂缝处油压增高，导致裂缝的扩展，最后产生剥落，使齿面上形成大量后的扇形小麻点，即所谓点蚀。

点蚀使齿形误差加大而产生动载荷，甚至可能引起轮齿折断。

通常是靠近节圆根部齿面处的点蚀较靠近节圆顶部齿面处的点蚀严重，主动小齿轮较被动大齿轮严重。

对于高速重载齿轮，由于齿面相对华东速度高、接触压力大且接触区产生高温而使新面间的润滑油膜破坏，使齿面直接接触。