叉车变速箱手动变速器设计-郑家豪
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（2）应用新型材料。材料科学与技术是21世纪重点发展的科学技术领域。各种新型材料在变速器中的应用已经推动了叉车技术的发展和性能的提高。
（3）高性能、低成本、微型化。高性能、高效、精密、低噪声、长寿命、重量轻、体积小、低成本一直以来是变速器的发展方向。
2变速器机构方案的确定
2.1
本设计应用在现今使用广泛的发动机前置、后轮驱动的4×2总体布置方案，发动机发出的动力依次经过离合器、变速器、万向传动装置（万向节和传动轴）、主减速器、差速器、半轴，传到驱动轮，如图2.1所示
式中： —发动机最大转矩N·m；
—发动机额定功率时的转矩N·m；
—发动机额定功率时的转速r/min；
—发动机最大转矩时的转速r/min。
本设计选择的发动机是一汽解放生产的CA488-1型发动机，形式为四冲程、直列、四缸、单顶置凸轮轴化油器式汽油发动机，工作容积为2.2L，发动机在4500r/min时最大功率59kW，发动机在2600r/min时的最大扭矩为196N·m。由上式可得该型发动机的适应性系数Q：
1.2
变速器技术的发展动向如下：
（1）节能与环境保护。表示且的节能与环境保护既包括传动系统本身的节能与环境保护，也包括发动机本身的节能与环境保护。因此研究高效率的传动副来节约能源，采用零污染的工作介质或润滑油来避免环境污染，根据发动机的特性和形式工况来设计变速器，提高传动效率和最低污染物排放区运行等措施。
1.离合器；2.变速器；3.万向传动装置；4.驱动桥
图2.1发动机前置后轮驱动叉车传动系
变速器由变速传动机构和操纵机构组成。
根据前进档数的不同，变速器有三、四、五和多档几种。根据轴的不同类型，分为固定轴式和旋转轴式两大类。而前者又分为两轴式、三轴式和多中间轴式变速器。
3变速器主要参数的选择
选取叉车发动机主要是通过计算叉车的整备质量和动力特性来选取。由于发动机是生产成品，所以只要根据所设计叉车的性能选择合适的发动机即可。在选取发动机时，一般用适用性系数Q表示发动机的适应性，Q值越大，说明发动机的适应性越好。
1绪论
1.1
动力传动系统是指动力装置输出的动力，经过传动系统到达驱动车轮之间的一系列部件的总称，它使叉车实现起步、变速、减速、差速、变向等功能，为叉车提供良好的动力性与燃油经济性能。其基本功能是将发动机发出的动力传给驱动车轮。动力传递的方式按结构和传动介质可分为机械式、液力机械式、静液式（容积液压式）、电力式等。
因为齿轮节圆直径 ，式中 为齿数，所以将上述有关参数带入式（4.1）后得
（4.2）
当计算载荷 取作用到变速器第一轴上的最大转距 时，一、倒档直齿轮许用弯曲应力在400~800MPa, [ ]=600 MPa。
由公式（4.2）得：
=
=225.33MPa<[ ]
满足设计要求。
（2）二档斜齿轮弯曲应力 ：
=
=2.714
3.1
设计时首先应根据叉车的使用条件及要求确定变速器的传动比范围、档位数及各档传动比，因为它们对叉车的动力性与燃料经济性都有重要的直接影响。
3.2.
对三轴式变速器而言，其中心距系指第一、第二中心线与中间轴中心线之间的距离。变速器的中心距对其尺寸及质量的大小有直接影响，它也代表着变速器的承载能力。三轴式变速器的中心距A，可根据对已有变速器的统计数据而得出经验公式进行初选 （3.6）
（4.4）
当计算载荷 取作用到变速器第一轴上的最大转距 时，斜齿轮许用弯曲应力在180~350Baidu NhomakorabeaPa, [ ]=320 MPa。
由公式（4.4）得：
=
=299.62MPa<[ ]
满足设计要求。
4.1.2
（4.5）
式中：
—轮齿的接触应力（MPa）；
—齿面上的法向力（N）， ； 为圆周力；
—斜齿轮螺旋角(°)；
（MPa）（4.8）
式中：
—计算转矩，N·mm;
—轴在计算断面处的直径，花键处取内径，mm；
—弯曲截面系数，mm ；
—在计算断面处轴的水平弯矩，N·mm；
—在计算断面出轴的垂向弯矩，N·mm；
—许用应力，在低档工作时查文献[2，3-4]可知 MPa.
N·mm
由公式（4.8）得：
=139.32 MPa.
4变速器的设计计算
4.1
4.1.1
（1）一档直齿轮弯曲应力 ，
（4.1）
式中：
—弯曲应力（MPa）；
—圆周力（N）， ； 为计算载荷（N·mm）； 为节圆直径（mm）；
—应力集中系数， =1.65；
—摩擦力影响系数，主动齿轮 =1.1，从动齿轮 =0.9；
—齿宽(mm)；
—端面齿距， ；
—齿形系数， =0.46
在多轴驱动叉车上，变速器之后还装有分动器，以便把转矩分别输送给各驱动桥。
除此之外，变速器还应当满足拆装容易和维修方便等要求。变速器由变速器传动机构和操纵机构组成。变速传动机构可按前进档数或轴的形式不同分类。具体分类如下：
变速器的结构对叉车的动力性、燃油经济性、换档操纵的可靠性与轻便性，传动的平稳性与效率性等都有直的影响。采用优化设计方法对变速器与主减速器，以及发动机的参数作优化匹配，可得到良好的动力性与燃油经济性；采用自锁及互锁装置、倒档安全装置，对接合齿采取倒锥齿侧（或越程咬合、错位接合、齿厚减薄、台阶齿侧）等措施，以及其它结构措施，可使操纵可靠，不跳档、乱档、自行脱档和误挂倒档；采用同步器可使换档轻便、无冲击及噪声；采用高齿、修形及参数优化等措施可使齿轮传动平稳、噪声低。降低噪声水平已成为提高变速器质量和设计、工艺水平的关键。随着叉车技术的发展，增力式同步器，双及三中间轴变速器，后置常啮合传动齿轮、短第二轴的变速器，各种自动、半自动以及电子控制的自动换档机构等新结构也相继问世。
关键词：离合器变速器万向传动装置（万向节和传动轴）主减速器差速器半轴传到驱动轮
abstract:transmission as a forklift driving system is the important component of the technology development, the measure of the technical level of the forklift truck is an important basis. 21 century energy and the environment, advanced manufacturing technology and new materials technology, information and control technology is an important field of the science and technology development, these areas of the progress of science and technology to promote the development of the transmission technology.
实际上，因国家规定的标准压力角为20°，所以变速器齿轮普遍采用压力角为20°。本设计从实际出发，为满足各项技术要求和工艺性要求查文献[2，3-3]可知：压力角 。
3.5
在初选中心距、齿轮模数和螺旋角以后，可根据变速器的档数、传动比和传动方案来分配各档齿轮的齿数。应该注意的是，各档齿轮的齿数比应该尽可能不是整数，以使齿面磨损均匀。图3.2为本设计传动方案结构简图。
—齿轮材料的弹性模量（MPa）,
—齿轮接触的实际宽度(mm)；
—主动齿轮节点处的曲率半径(mm)，直齿轮 ，
斜齿轮 ；
—从动齿轮节点处的曲率半径(mm)，直齿轮 ，
斜齿轮 ；
将作用在变速器第一轴上的载荷 作为计算载荷时,变速器齿轮的许用接触应力 ，见表4.1
计算二轴一档直齿轮接触应力
N
N
mm
mm
由公式(4.5)得：
（4.3）
—弯曲应力（MPa）；
—圆周力（N）， ； 为计算载荷（N·mm）； 为节圆直径（mm）；
；
—斜齿轮螺旋角(°)， =20°；
—应力集中系数， =1.50；
—齿宽(mm)；
—法向齿距， ；
—齿形系数， =0.47
—重合度影响系数， =2.0。
将上述有关参数带入公式（4.3），整理后得到斜齿轮弯曲应力为：
（4.6）
（4.7）
（4.8）
式中： —至计算齿轮的传动比；
—计算齿轮的节圆直径，mm；
—节点处压力角；
—螺旋角。
因为二轴一档齿轮是直齿轮，所以 ，轴向力 。
由公式（4.6）计算二轴一档齿轮所受圆周力 为：
mm
=12958.06 N
由公式（4.7）计算二轴一档齿轮所受径向力 为：
=
=1235.3 N
Key words:the clutch, the transmission, universal transmission device (universal joint and the shaft), main reducer, differential and half axle, to the drive wheels.
mm
计算垂直面内挠度
由公式（4.9）得：
=
=0.00209 mm
计算水平面内挠度
由公式（4.10）得：
=
=0.0254 mm
计算轴的转角 ，由式（4.11）得：
垂直力计算：
= 176.47N
∴
水平力计算：
=1851.15N
∴ N
弯矩计算：
N·mm
N·mm
计算转矩： N·mm
作用在齿轮上的 和 使轴在铅垂面内弯曲变形并产生垂向挠度 ；而 使轴在水平面内弯曲变形并产生水平挠度 。在求得各支点的铅垂反力和水平反力后，计算相应的垂向弯矩 和水平弯矩 。则在弯矩和转矩联合作用下的轴向应力：
轴向尺寸处取 mm
3.4
3.4.1
齿轮模数是一个重要参数，并且影响它的选取因素又很多，如齿轮的强度、质量、噪声、工艺要求等。
低档齿轮应选用大些的模数，其它档位选用另一种模数。结合本设计的具体情况可知：一档齿轮初选 =2.75mm;其它档位初选 mm。
3.4.2
齿轮压力角较小时，重合度较大并降低了齿轮的刚度，为此能减少进入啮合和退出啮合的动载荷，使传动平稳，有利于降低噪声；压力角大时，可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。因此，理论上对于乘用车为加大重合度以降低噪声应取用14.5°、15°、16°16.5°等小些的压力角；对商用车为提高齿轮承载能力应选用22.5°或25°等大些的压力角。
=145.73 MPa<[ ]
满足设计要求。
4.2
（1）初选轴的直径
在已知中间轴式变速器的中心距 时，第二轴和中间轴中部直径 ，三轴式变速器的第二轴与中间轴的最大直径 可根据中心距 按下式初选。
（mm）
初选二轴中部直径 ，圆整至 。
（2）按弯扭合成强度条件计算
计算二轴一档齿轮啮合的圆周力 、径向力 和轴向力 。可知：
4.11）
式中：
—齿轮齿宽中间平面上的径向力（N）；
—齿轮齿宽中间平面上的圆周力（N；）
—弹性模量（MPa）, MPa;
—惯性矩(mm )，对于实心轴， ；
—轴的直径，花键处按平均直径计算；
、 —为齿轮上的作用力距支座 、 的距离（mm）；
—支座间的距离（mm）。
轴的合成挠度为：
mm（4.12）
计算惯性矩 ：
式中： —中心距系数，轿车取K=8.9~9.3，货车取K=8.6~9.6，多档变速器取K=9.5~11；
—发动机最大转矩，N·m；
—变速器一档传动比；
—变速器的传动效率，取 。
本设计变速器的中心距为：
=81mm
3.3
商用车变速器壳体的轴向尺寸可参考下列数据选用：
四档——
五档——
六档——
当变速器选用的档数和同步器时，上述中心距应取给出范围的上限。为了检测方便，中心距 最好为正数。
对齿轮工作影响最大的是轴的垂向挠度 和轴断面在水平面内的转角。前者改变了齿轮中心距并破坏了其正确啮合；后者使大、小齿轮相互歪斜，如图（4.3）所示，易导致沿齿长方向压力分布不均匀。
变速器齿轮在轴上的位置如图（4.4）所示时，若轴在垂直面内挠度为 ，在水平面内挠度为 和转角为 ：
（4.9）
（4.10）
新乡学院
2012届毕业设计
叉车变速箱手动变速器设计
论文作者姓名：郑佳豪
所在院系：机电工程学院
所学专业：机械制造与自动化
指导老师：张国智
论文完成时间：2012年5月1日
内容摘要：变速器作为叉车传动系统的重要组成部分，其技术的发展，是衡量叉车技术水平的一项重要依据。21世纪能源与环境、先进制造技术、新型材料技术、信息与控制技术等是科学技术发展的重要领域，这些领域的科技进步推动了变速器技术的发展。
（3）高性能、低成本、微型化。高性能、高效、精密、低噪声、长寿命、重量轻、体积小、低成本一直以来是变速器的发展方向。
2变速器机构方案的确定
2.1
本设计应用在现今使用广泛的发动机前置、后轮驱动的4×2总体布置方案，发动机发出的动力依次经过离合器、变速器、万向传动装置（万向节和传动轴）、主减速器、差速器、半轴，传到驱动轮，如图2.1所示
式中： —发动机最大转矩N·m；
—发动机额定功率时的转矩N·m；
—发动机额定功率时的转速r/min；
—发动机最大转矩时的转速r/min。
本设计选择的发动机是一汽解放生产的CA488-1型发动机，形式为四冲程、直列、四缸、单顶置凸轮轴化油器式汽油发动机，工作容积为2.2L，发动机在4500r/min时最大功率59kW，发动机在2600r/min时的最大扭矩为196N·m。由上式可得该型发动机的适应性系数Q：
1.2
变速器技术的发展动向如下：
（1）节能与环境保护。表示且的节能与环境保护既包括传动系统本身的节能与环境保护，也包括发动机本身的节能与环境保护。因此研究高效率的传动副来节约能源，采用零污染的工作介质或润滑油来避免环境污染，根据发动机的特性和形式工况来设计变速器，提高传动效率和最低污染物排放区运行等措施。
1.离合器；2.变速器；3.万向传动装置；4.驱动桥
图2.1发动机前置后轮驱动叉车传动系
变速器由变速传动机构和操纵机构组成。
根据前进档数的不同，变速器有三、四、五和多档几种。根据轴的不同类型，分为固定轴式和旋转轴式两大类。而前者又分为两轴式、三轴式和多中间轴式变速器。
3变速器主要参数的选择
选取叉车发动机主要是通过计算叉车的整备质量和动力特性来选取。由于发动机是生产成品，所以只要根据所设计叉车的性能选择合适的发动机即可。在选取发动机时，一般用适用性系数Q表示发动机的适应性，Q值越大，说明发动机的适应性越好。
1绪论
1.1
动力传动系统是指动力装置输出的动力，经过传动系统到达驱动车轮之间的一系列部件的总称，它使叉车实现起步、变速、减速、差速、变向等功能，为叉车提供良好的动力性与燃油经济性能。其基本功能是将发动机发出的动力传给驱动车轮。动力传递的方式按结构和传动介质可分为机械式、液力机械式、静液式（容积液压式）、电力式等。
因为齿轮节圆直径 ，式中 为齿数，所以将上述有关参数带入式（4.1）后得
（4.2）
当计算载荷 取作用到变速器第一轴上的最大转距 时，一、倒档直齿轮许用弯曲应力在400~800MPa, [ ]=600 MPa。
由公式（4.2）得：
=
=225.33MPa<[ ]
满足设计要求。
（2）二档斜齿轮弯曲应力 ：
=
=2.714
3.1
设计时首先应根据叉车的使用条件及要求确定变速器的传动比范围、档位数及各档传动比，因为它们对叉车的动力性与燃料经济性都有重要的直接影响。
3.2.
对三轴式变速器而言，其中心距系指第一、第二中心线与中间轴中心线之间的距离。变速器的中心距对其尺寸及质量的大小有直接影响，它也代表着变速器的承载能力。三轴式变速器的中心距A，可根据对已有变速器的统计数据而得出经验公式进行初选 （3.6）
（4.4）
当计算载荷 取作用到变速器第一轴上的最大转距 时，斜齿轮许用弯曲应力在180~350Baidu NhomakorabeaPa, [ ]=320 MPa。
由公式（4.4）得：
=
=299.62MPa<[ ]
满足设计要求。
4.1.2
（4.5）
式中：
—轮齿的接触应力（MPa）；
—齿面上的法向力（N）， ； 为圆周力；
—斜齿轮螺旋角(°)；
（MPa）（4.8）
式中：
—计算转矩，N·mm;
—轴在计算断面处的直径，花键处取内径，mm；
—弯曲截面系数，mm ；
—在计算断面处轴的水平弯矩，N·mm；
—在计算断面出轴的垂向弯矩，N·mm；
—许用应力，在低档工作时查文献[2，3-4]可知 MPa.
N·mm
由公式（4.8）得：
=139.32 MPa.
4变速器的设计计算
4.1
4.1.1
（1）一档直齿轮弯曲应力 ，
（4.1）
式中：
—弯曲应力（MPa）；
—圆周力（N）， ； 为计算载荷（N·mm）； 为节圆直径（mm）；
—应力集中系数， =1.65；
—摩擦力影响系数，主动齿轮 =1.1，从动齿轮 =0.9；
—齿宽(mm)；
—端面齿距， ；
—齿形系数， =0.46
在多轴驱动叉车上，变速器之后还装有分动器，以便把转矩分别输送给各驱动桥。
除此之外，变速器还应当满足拆装容易和维修方便等要求。变速器由变速器传动机构和操纵机构组成。变速传动机构可按前进档数或轴的形式不同分类。具体分类如下：
变速器的结构对叉车的动力性、燃油经济性、换档操纵的可靠性与轻便性，传动的平稳性与效率性等都有直的影响。采用优化设计方法对变速器与主减速器，以及发动机的参数作优化匹配，可得到良好的动力性与燃油经济性；采用自锁及互锁装置、倒档安全装置，对接合齿采取倒锥齿侧（或越程咬合、错位接合、齿厚减薄、台阶齿侧）等措施，以及其它结构措施，可使操纵可靠，不跳档、乱档、自行脱档和误挂倒档；采用同步器可使换档轻便、无冲击及噪声；采用高齿、修形及参数优化等措施可使齿轮传动平稳、噪声低。降低噪声水平已成为提高变速器质量和设计、工艺水平的关键。随着叉车技术的发展，增力式同步器，双及三中间轴变速器，后置常啮合传动齿轮、短第二轴的变速器，各种自动、半自动以及电子控制的自动换档机构等新结构也相继问世。
关键词：离合器变速器万向传动装置（万向节和传动轴）主减速器差速器半轴传到驱动轮
abstract:transmission as a forklift driving system is the important component of the technology development, the measure of the technical level of the forklift truck is an important basis. 21 century energy and the environment, advanced manufacturing technology and new materials technology, information and control technology is an important field of the science and technology development, these areas of the progress of science and technology to promote the development of the transmission technology.
实际上，因国家规定的标准压力角为20°，所以变速器齿轮普遍采用压力角为20°。本设计从实际出发，为满足各项技术要求和工艺性要求查文献[2，3-3]可知：压力角 。
3.5
在初选中心距、齿轮模数和螺旋角以后，可根据变速器的档数、传动比和传动方案来分配各档齿轮的齿数。应该注意的是，各档齿轮的齿数比应该尽可能不是整数，以使齿面磨损均匀。图3.2为本设计传动方案结构简图。
—齿轮材料的弹性模量（MPa）,
—齿轮接触的实际宽度(mm)；
—主动齿轮节点处的曲率半径(mm)，直齿轮 ，
斜齿轮 ；
—从动齿轮节点处的曲率半径(mm)，直齿轮 ，
斜齿轮 ；
将作用在变速器第一轴上的载荷 作为计算载荷时,变速器齿轮的许用接触应力 ，见表4.1
计算二轴一档直齿轮接触应力
N
N
mm
mm
由公式(4.5)得：
（4.3）
—弯曲应力（MPa）；
—圆周力（N）， ； 为计算载荷（N·mm）； 为节圆直径（mm）；
；
—斜齿轮螺旋角(°)， =20°；
—应力集中系数， =1.50；
—齿宽(mm)；
—法向齿距， ；
—齿形系数， =0.47
—重合度影响系数， =2.0。
将上述有关参数带入公式（4.3），整理后得到斜齿轮弯曲应力为：
（4.6）
（4.7）
（4.8）
式中： —至计算齿轮的传动比；
—计算齿轮的节圆直径，mm；
—节点处压力角；
—螺旋角。
因为二轴一档齿轮是直齿轮，所以 ，轴向力 。
由公式（4.6）计算二轴一档齿轮所受圆周力 为：
mm
=12958.06 N
由公式（4.7）计算二轴一档齿轮所受径向力 为：
=
=1235.3 N
Key words:the clutch, the transmission, universal transmission device (universal joint and the shaft), main reducer, differential and half axle, to the drive wheels.
mm
计算垂直面内挠度
由公式（4.9）得：
=
=0.00209 mm
计算水平面内挠度
由公式（4.10）得：
=
=0.0254 mm
计算轴的转角 ，由式（4.11）得：
垂直力计算：
= 176.47N
∴
水平力计算：
=1851.15N
∴ N
弯矩计算：
N·mm
N·mm
计算转矩： N·mm
作用在齿轮上的 和 使轴在铅垂面内弯曲变形并产生垂向挠度 ；而 使轴在水平面内弯曲变形并产生水平挠度 。在求得各支点的铅垂反力和水平反力后，计算相应的垂向弯矩 和水平弯矩 。则在弯矩和转矩联合作用下的轴向应力：
轴向尺寸处取 mm
3.4
3.4.1
齿轮模数是一个重要参数，并且影响它的选取因素又很多，如齿轮的强度、质量、噪声、工艺要求等。
低档齿轮应选用大些的模数，其它档位选用另一种模数。结合本设计的具体情况可知：一档齿轮初选 =2.75mm;其它档位初选 mm。
3.4.2
齿轮压力角较小时，重合度较大并降低了齿轮的刚度，为此能减少进入啮合和退出啮合的动载荷，使传动平稳，有利于降低噪声；压力角大时，可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。因此，理论上对于乘用车为加大重合度以降低噪声应取用14.5°、15°、16°16.5°等小些的压力角；对商用车为提高齿轮承载能力应选用22.5°或25°等大些的压力角。
=145.73 MPa<[ ]
满足设计要求。
4.2
（1）初选轴的直径
在已知中间轴式变速器的中心距 时，第二轴和中间轴中部直径 ，三轴式变速器的第二轴与中间轴的最大直径 可根据中心距 按下式初选。
（mm）
初选二轴中部直径 ，圆整至 。
（2）按弯扭合成强度条件计算
计算二轴一档齿轮啮合的圆周力 、径向力 和轴向力 。可知：
4.11）
式中：
—齿轮齿宽中间平面上的径向力（N）；
—齿轮齿宽中间平面上的圆周力（N；）
—弹性模量（MPa）, MPa;
—惯性矩(mm )，对于实心轴， ；
—轴的直径，花键处按平均直径计算；
、 —为齿轮上的作用力距支座 、 的距离（mm）；
—支座间的距离（mm）。
轴的合成挠度为：
mm（4.12）
计算惯性矩 ：
式中： —中心距系数，轿车取K=8.9~9.3，货车取K=8.6~9.6，多档变速器取K=9.5~11；
—发动机最大转矩，N·m；
—变速器一档传动比；
—变速器的传动效率，取 。
本设计变速器的中心距为：
=81mm
3.3
商用车变速器壳体的轴向尺寸可参考下列数据选用：
四档——
五档——
六档——
当变速器选用的档数和同步器时，上述中心距应取给出范围的上限。为了检测方便，中心距 最好为正数。
对齿轮工作影响最大的是轴的垂向挠度 和轴断面在水平面内的转角。前者改变了齿轮中心距并破坏了其正确啮合；后者使大、小齿轮相互歪斜，如图（4.3）所示，易导致沿齿长方向压力分布不均匀。
变速器齿轮在轴上的位置如图（4.4）所示时，若轴在垂直面内挠度为 ，在水平面内挠度为 和转角为 ：
（4.9）
（4.10）
新乡学院
2012届毕业设计
叉车变速箱手动变速器设计
论文作者姓名：郑佳豪
所在院系：机电工程学院
所学专业：机械制造与自动化
指导老师：张国智
论文完成时间：2012年5月1日
内容摘要：变速器作为叉车传动系统的重要组成部分，其技术的发展，是衡量叉车技术水平的一项重要依据。21世纪能源与环境、先进制造技术、新型材料技术、信息与控制技术等是科学技术发展的重要领域，这些领域的科技进步推动了变速器技术的发展。