1、第 I 页 目录 摘要.V关键词.V前言.第一章 变速箱的功用、要求和类型.11.1 变速箱的功用.11.2 对变速箱的要求.11.3 变速箱的类型.1第二章 变速箱的传动方案.22.1 变速箱类型选择及传动方案设计.32.1.1 类型选择.32.1.2 倒档的形式及布置方案.32.2 传动简图方案设计的一般原则.52.3 变速箱操纵机构方案分析.52.3.1 变速箱操纵机构的功用.52.3.2 变速箱操纵机构应该满足如下要求.62.3.3 操纵机构组成.62.4 变速箱传动方案的设计.62.4.1 整体总布置.62.4.2 驾驶员的使用习惯.62.4.3 提高平均传动效率.72.4.4 改善
2、齿轮受载状况.72.4.5 传动方案.7第三章 变速箱设计计算.103.1 变速箱主要参数的选择.10第 II 页 3.1.1 发动机参数选择.103.1.2 档位数的确定.103.1.3 各档位传动比的确定.103.1.4 轴的直径.113.1.5 中心矩 A.123.1.6 齿轮参数选择.123.1.7 齿轮的强度校核.193.2变速箱轴的设计计算.243.2.1 轴的功用及设计要求.243.2.2 轴尺寸初选.243.2.3 轴的结构形状.253.2.4 轴的受力分析.263.2.5 轴的校核.263.2.6 第一轴的强度与刚度校核.273.2.7 第二轴的强度与刚度校核.283.2.8
3、 轴上花键的设计计算.303.3变速箱轴承的选择.313.3.1 几种轴承的特点.313.3.2 类型的选择.323.4啮合套的设计.33第四章 变速箱的拆装顺序.354.1 变速箱的装配顺序.354.2 变速箱的拆卸.364.3 变速箱总成装配应注意的问题.36第五章 离合器分析.375.1 离合器的基本组成和分类.37第 III 页 5.2 离合器的功用.375.3 汽车离合器设计的基本要求.37第六章 摩擦离合器基本结构尺寸、参数的选择.386.1 摩擦片外径及其它尺寸的确定.386.1.1摩擦片外径 D.386.1.2摩擦片内径 d.396.1.3摩擦片厚度 h.406.1.4 校核离
4、合器所选尺寸.40第七章 离合器零件的结构选型及设计计算.417.1 从动盘总成.417.1.1 从动片.427.1.2 从动盘毂.427.2 压盘和离合器盖.447.2.1压盘设计.447.2.2离合器盖设计.467.3 离合器分离装置的设计.477.3.1分离杆.477.3.2分离轴承及分离套筒.497.4 圆柱螺旋弹簧设计.507.4.1结构设计要点.507.4.2弹簧的材料及许用应力.507.4.3弹簧的计算.517.4.4离合器的操纵机构.54结论.56参考文献.56第 IV 页 致 谢.57第 V 页 轮式挖掘机离合器及变速箱设计 摘要：本次设计是在对轮式挖掘机的离合器及变速箱进行
5、分析与研究的基础上，通过对离合器及变速箱的工作原理、性能参数、构造及制造工艺进行分析与对比，设计出更好更能满足现今工程生产需要的轮式挖掘机的离合器及变速箱。根据轮 式挖掘机的使用特点及要求本次设计采用了和普通汽车类似的离合器及变速箱，目的是借用标准汽车的零部件，降低制造成本，维修也更方便。然后在设计的过 程中对变速箱的档位数与传动比、档位的布置、换档方式以及离合器的从动盘、压盘、分离装置等进行了结构的优化设计，在满足使用要求的前提下尽量地简化 了机械结构，从而在降低了成本的同时，降低了挖掘机操纵员的工作强度，还满 足了对轮式挖掘机工作效率、安全性、稳定性及成本等的要求。关键词：轮式挖掘机 变速
6、箱 离合器 从动盘 。Abstract:This design is on the clutch and gearbox wheeled excavator research and analysis on the basis of clutch,through the working principle,and the gearbox performance parameters,structure and the manufacturing process analysis and comparison,more can satisfy the design better producti
7、on need now engineering wheeled excavator clutch and transmission.According to the use of wheeled excavator characteristics and requirements of this design USES a and ordinary cars similar clutch and transmission,the purpose is to borrow standard components,reduce automobile manufacturing costs,repa
8、ir more convenient also.Then in design process on the number and transmission ratio of gear transmission,gear arrangement,shift way and clutch platen,pressure plate,separation device etc optimization design of the structure in the precondition of contented use simplified mechanical structure as poss
9、ible,in order to reduce the costs at the same time,reduced the excavator working strength,manipulating member of still satisfied wheeled excavator working efficiency,safety,stability and cost requirements.Keywords:wheeled excavator Gearbox clutch platen.前言 轮式挖掘机是以轮胎作为行走部件的挖掘机械，简称轮挖。轮挖行走速度快，第 VI 页 不损
10、坏路面，能远距离自行转场及可快速更换多种作业装置。国外轮挖的最高行 走速度大多为 2540km/h，国产的大多为 2540km/h，贵州詹阳动力生产的高 速轮挖 JYL200C 行走速度甚至达到了 51km/h，而履带式的行走速度仅为 3 5km/h。虽然轮挖工作效率不如同等级的履挖，但与履挖昂贵的转移费相比，频 繁转场时轮挖更具经济优势。正是以其机动、灵活、高效的鲜明特点，轮挖在市 政维护工程、公路交通建设及快速抢修等物料挖掘、搬运等方面得到了广泛运用。据统计，在西方发达国家轮挖需求量约占挖掘机需求总量的 12强，有的 甚至达到 7080，应用十分广泛。而我国的轮挖仅为 3左右，故从世界范围
11、 看，轮挖在我国的应用有待挖掘。可以说，在未来几年继续扩大内需，扩大基础 建设发展战略，城市及小城镇建设发展战略的大环境决定了我国轮挖市场的广阔 前景。国外轮挖生产企业较多且品种齐全，如日立、小松、利勃海尔、卡特彼勒、沃尔沃、JCB、现代等。这些公司的产品基本体现了当今世界轮式挖掘机技术发 展的最高水平，且很多著名公司都拥有其专有关键技术及元器件，国产轮挖在品 牌、品种上可选择性都较少，这与国外“百家争鸣”的现象形成鲜明对比。近年 来，虽然国产轮挖在产量、品种和技术水平等方面都有了一定的发展，比如詹阳 动力重工开发生产的高速轮挖填补了国产空白、实现了行驶速度的重大突破甚至 比国外同类机型还要略
12、高一筹，但发展规模仍然很小，技术性能和工作可靠性还 不能满足国内市场的需要，严重缺乏关键技术。总之国产轮挖与国外的相比相差 较远，其发展任重而道远。正是因为如此，对轮式挖掘机的离合器及变速箱等关键部件的研究与分析对 提高我国轮挖整体水平是有很大意义的。第 1 页 第一章 变速箱的功用、要求和类型 现代轮式挖掘机采用的动力装置主要是活塞式内燃机，其转矩和转速变化范 围较小，不能适应挖掘机在各种条件下阻力变化的要求，因此在传动系中，采用 了可以改变转速比和传动转矩比的装置，即变速箱1。变速箱不但可以扩大发动 机传到驱动车轮上的转矩和转速的变化范围，以适应挖掘机在各种条件下行走的 需要，而且能在保持
13、发动机转动方向不变的情况下，实现倒退，还能利用空挡暂 时地切断发动机与传动系统的动力传递，使发动机处于怠速运转状态。1.1 变速箱的功用（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，使挖掘机能倒退行驶；（3）可切断传给行走装置的动力（即所谓挂空档），能使发动机动力不传给 行走装置，在发动机运转的情况下，机械能长期停车、便于发动机起动好有利于 停车的安全。1.2 对变速箱的要求（1）具有足够的档位和合适的传动比，以满足使用要求，使机械能在合适的 牵引力和速度下工作，具有良好的
14、牵引性和燃油经济性以及高的生产率。（2）变速箱应工作可靠、使用寿命长、传动效率高、结构和制造简单、拆修 方便。（3）换档应轻便，不许出现同时挂两个档，自动脱档和跳档等现象。1.3 变速箱的类型：（1）按操纵方式分 1.人力换档 第 2 页 2.动力换档(2)按轮系型式来分 1.定轴式变速箱 变速箱中所有齿轮都有固定的回转轴线。定轴式变速箱换档方式可能有两种 型式：人力换档和动力换档。2.行星式变速箱 变速箱中有些齿轮的轴线在空间旋转。有旋转轴线的齿轮叫做行星轮，它在 空间有两个运动：自转和公转。因此我们叫这类变速箱为行星齿轮变速箱。行星 变速箱只有动力换档一种方式。第二章 变速箱的传动方案 设
15、计一个新的变速箱，大致要经历下述程序。1.明确设计要求。由机械类型，使用要求以及制造厂的情况，确定所设计变 速箱的结构型式。由机械的使用要求，经总体计算后确定其档位数和各档传动比。由机械总体布置的要求，确定所设计变速箱的外形尺寸允许范围，其输入轴 和输出轴的相对位置和两轴之间的距离。2.草拟变速箱传动简图方案。3.确定变速箱的主要参数和配齿计算。参考同类型变速箱和经验统计资料，确定变速箱主要参数，包括中心距 A，齿轮模数 M，齿宽 b 和斜齿轮的螺旋角；根据变速箱的传动比选配齿轮，确定各档齿轮的齿数。4.主要零部件强度和寿命计算，确定其参数和尺寸大小。包括传动零件 齿轮、轴和轴承的计算；操纵元
16、件内核桃、换档离合器和制动器的计算。5.进行整体机构设计，绘总装配图。6.进行各零件结构设计，绘零件图。第 3 页 2.1 变速箱类型选择及传动方案设计 2.1.1 类型选择（1）换档方式 换档方式可分为，滑动齿轮换档和啮合套换档。1）滑动齿轮换档，优点是结构简单，零件少、制造方便、传动效率高。缺 点是不能采用斜齿、换档困难、拨动齿轮换档所需操纵力大，且移动距离较长（齿宽），进入啮合只是一、两个齿，换档时冲击只是一、两个齿来承受，齿轮既 是传动齿轮又是接合齿，齿轮易损坏，不能采用斜齿。2）啮合套换档，优点是拨动啮合套省力且移动距离小，换档操作轻便；接 合时整圈齿进入啮合，且接合齿在直径小、圆周
17、速度低处结合，可减少冲击；可 采用斜齿，以提高变速箱工作的平稳性和使其结构紧凑。确定是结构复杂些；齿 轮常啮合，未挂上档的齿轮有相对空转损失，故传动效率稍低。由于轮式挖掘机只是在行走时用到变速箱，对传动效率没有要求，所以选用 啮合套换档。（2）按传动简图方案分 1）非组成式变速箱（或称单级变速箱），这种变速箱为两个自由度，只要结 合一个接合元件（啮合套），就能得到一个档位。2）组成式变速箱（或称串联变速箱）。需要结合两个（或两个以上）接合元 件，才能得到一个档位。按组成方法又可以分：1）轴向串联。2）横向串联。2.1.2 倒档的形式及布置方案 倒档使用率不高，常采用直齿滑动齿轮方案换入倒档。为
18、实现传动有些利用 在前进档的传动路线中，加入一个中间传动齿轮的方案，也有利用两个联体齿轮 的方案。第 4 页 图 2.1 常见的倒档结构方案有以下几种2：方案 1（如图 2.1a）所示）在前进档的传动路线中，加入一个传动，使结构简单，但齿轮处于正负交替 对称变化的弯曲应力状态下工作。此方案广泛用于轿车和轻型货车的四档全同步 器式变速箱中。方案 2（如图 2.1b）所示）此方案的优点是可以利用中间轴上一档齿轮，因而缩短了中间轴的长度，但 换档时两对齿轮必须同时啮合，致使换档困难。某些轻型货车四档变速箱采用此 方案。方案 3（如图 2.1c）所示）此方案能获得较大的倒档传动比，突出的缺点是换档程序
19、不合理。方案 4（如图 2.1d）所示）此方案针对前者的缺点作了修改，因而经常在货车变速箱中使用。方案 5（如图 2.1e）所示）第 5 页 此方案中，将中间轴上一档和倒档齿轮做成一体其齿体、宽加大，因而缩短 了一些长度。方案 6（如图 2.1f）所示）此方案中，采用了全部齿轮副均为常啮合齿轮，换档方便。方案 7（如图 2.1g）所示）为了充分利用空间，缩短变速箱轴向长度，有些货车采用此方案，其缺点是 一档和倒档得各用一根变速箱拨叉轴，使变速箱上盖中的操纵机构复杂一些，一 般 3、4、5、6、7 五种方案用于五档变速箱。考虑到设计的是轮式挖掘机的变速箱的设计，变速箱的换档并不像货车或轿 车那样
20、频繁对换档接合元件的要求也就不会太高，本次设计采用啮合套换入倒档 换档方式。其优点是：结构简单，直齿轮加工要求不太高，无轴向力，成本低。但换档时容易发生冲击，产生噪声大寿命短。2.2 传动简图方案设计的一般原则 1.尽量缩短传动路线，即减少从输入轴至输出轴传动齿轮啮合对数，提高传 动效率。2.采用公用轴减少轴数。3.采用公用齿轮，减少齿轮数目，使齿轮即作为前进档传动齿轮，又作为后 退档传动齿轮。4.轴的位置，输入轴和输出轴的位置往往有总体布置确定。5.齿轮在轴上的布置，为减少州的变形，用应将受力大的齿轮布置在靠近轴 承处。6.重复利用结构空间，为了减少变速箱的轴向长度，常常采用重叠轴向空间 的
21、方法。2.3 变速箱操纵机构方案分析 2.3.1 变速箱操纵机构的功用 根据使用条件的需要，驾驶员利用变速箱的操纵机构完成选档和实现换档或 第 6 页 退到空档的工作。2.3.2 变速箱操纵机构应该满足如下要求：（1）换档时只能挂入一个档位；（2）换档后应使齿轮在全齿长上啮合；（3）防止自动脱档或自动挂档；（4）防止误挂倒档；（5）换档轻便。2.3.3 操纵机构组成 机械式变速箱的操纵机构一般是由变速杆、拨快、拨叉、变速轴及互锁、自锁和倒档锁装置等主要件组成。依靠驾驶员手力完成选档、换档或退档到空档工作，称为手动换档变速箱。本次设计采用的是直接操纵手动换档变速箱。2.4 变速箱传动方案的设计
22、各齿轮副的相对安排位置，对于整个变速箱的结构布置有很大的影响。各档 位置的安排，应考虑以下四个方面的要求：2.4.1 整体总布置 根据整机的总布置，对变速箱输入轴与输出轴的相对位置和变速箱的轮廓形 状以及换档机构提出要求。2.4.2 驾驶员的使用习惯 人们习惯于按档的高低顺序，由左到右或由右到左排列来换档，如下图 a 和 c。值得注意的是倒档，虽然它是平常换档序列之外的一个特殊档位，然而却 是决定序列组合方案的重要环节。例如在四档变速箱中采用的基本序列组合方案 有三种，见图 2.2。其中 b 和 c 是倒档与序列不结合的方案，即挂档时，需先换 第 7 页 位再挂倒档。倒档与序列结合与不结合两者
23、比较，前者在结构上可省去一个拨叉 和一根变速滑杆，后者如布置适当，则可使变速箱的轴向长度缩短。图2.2根据以上的要求，本次设计的档位布置方案采用方案 C。2.4.3 提高平均传动效率 为提高平均传动效率，在三轴式变速箱中，普遍采用具有直接档的传动方案，并尽可能地将使用时间最多的档位实际成直接档。2.4.4 改善齿轮受载状况 各档齿轮在变速箱中的位置安排，应考虑齿轮的受载状况。承受载荷大的低 档齿轮，一般安置在离轴承较近的地方，以减小轴的变形，使齿轮的重叠系数不 致下降过多。变速箱齿轮主要是因接触应力过高而造成表面点蚀损坏，因此将高 档齿轮安排在离两支承较远处较好。该处因轴的变形而引起齿轮的偏转
24、角较小，故齿轮的偏载也小。2.4.5 传动方案 方案一：第 8 页 方案二：第 9 页 方案三：方案一：该方案为两轴式变速箱，输入轴和输出轴在同一直线，两轴式变速器有 结构简单、轮廓尺寸小、布置方便、中间挡位传动效率高和噪声低等优点。两轴 式变速器不能设置直接挡，一挡速比不可能设计得很大。此方案适用于发动机 前置的轿车，虽然径向尺寸会比较大但是能很大程度地缩小轴向尺寸，所以适合 轿车这样底盘比较低的车型。方案二：该方案是中间轴式变速箱发动机动力经中间轴传递到输出轴，且倒档轴 和前进档轴共轴，所以适用于倒档档位数和前进档档位数相近的机械。但是由于 采用了啮合套换档，如果档位数过多的时候会使得轴向
25、尺寸较大。方案三：此方案也属于中间轴式变速箱，与方案二不同的是前进档直接经一对齿 轮传动输出，倒档齿轮和前进档的齿轮可以共用所以可以省掉很多成本。综合以上分析，本次设计采用方案三的设计方式，因为轮式挖掘机的档位数不多，传动比也较小，并采用的是啮合套换档，所以方案三的方案是最优的既可以减小 第 10 页 整体尺寸而且还减少了制造成本。其传动路线：1 档：输入轴啮合套910输出 2 档：输入轴啮合套78输出 3 档：输入轴啮合套56输出 4 档：输入轴啮合套34输出 倒档：输入轴1211啮合套128输出 第三章 变速箱设计计算 3.1 变速箱主要参数的选择 3.1.1 发动机参数选择 考虑到设计的
26、需要，由于设计的轮式挖掘机参考其他挖掘机公司产品，挖掘 机的吨位数为 6 吨，所以发动机功率选择 60kW、转速为 2200r/min、最大扭矩为 214N.m。3.1.2 档位数的确定 根据请进档数的不同，变速箱有三、四、五档几种，就动力而言档位数多，增加了发动机发挥最大功率的机会，档位数多少还影响到档与档之间的传动比比 值，比值过大会造成换档困难。一般认为比值不宜大于 1.71.8，因此如最大 传动比与最小传动比之比值愈大档位数也应愈多。本次设计的是轮式挖掘机对档 位的要求并不高，且行驶速度不高，参考市面上轮式挖掘机，决定采用四个前进 档和一个倒档的设计。3.1.3 各档位传动比的确定（1
27、）首先确定轮式挖掘机的最高行走速度和最低行走速度，轮式挖掘机的行/min第 11 页 走速度一般都不高，大多在 2040kW/h 之间，有些可以达到 60kW/h。鉴于本次 设计的需要选择轮式挖掘机的最高行走速度为 32kW/h，最低行走速度为 6kW/h。既满足了公路档时的较高行走速度又能保证在路面情况不好时行走的稳定性。（2）轮胎直径的选择，直径大时能使挖掘机的地盘增高且行走速度增加，但 是由于地盘增高后挖掘机的行走及工作时的稳定性必然会降低。轮胎直径小时又 恰恰相反，此时通过性有不会太好。综合这些因素以及国家标准轮胎的规格决定 选择轮胎的半径为 0.42m。（3）各档传动比的确定 i=0
28、 377r n/v（31）maxminr 轮胎半径=0.42mn 发动机转速 2200r/minv 挖掘机行走速度imax=0 3770 422200 6=58058i=0 377r n/vminmaximin=0 3770 422200 32=108858传动比比值=imaxi=58 05810 8858=533传动比比值在 56 之间，设计值合理。41=q=53362q=1747q 值在 1.71.8 之间满足要求。根据设计经验选择轮边减速速比为 20，因此各档传动比为:i1i=i/20=58 058 20=2 9029max=i/20=10 8858 20=0 544 4mini=i/q
29、=2 9029 1 747=1 661621i=i/q=1 66161 747=0 9511323.1.4 轴的直径 第一轴花键部分直径 d(mm)初选 1 3第 12 页 d=K 3Temax（32）式中：K 经验系数，K 4.04.6，取 K 4.6；T max e 发动机最大转矩（Nm）；3 d=4 6214=27 5mmd=27.5mm ，取 d30mm。3.1.5 中心矩 A 对于中间轴式变速器，是将中间轴与第二轴之间的距离称为变速器中心距 A 初选中心矩 A 时，可根据经验公式计算 A=K 3Ti(33)aKae max1 中心距系数：gK=8.69.6,取 9.6；ai1g 变速
30、器一档传动比；变速器传动效率：取 96；g Temax 发动机的最大输出转矩，单位为（Nm）；3 A=9 6214 2 90 96=80 78mm3.1.6 齿轮参数选择（1）模数的选择 影响齿轮模数选取的因素很多，如齿轮强度、质量、噪声、工艺要求等。选 取齿轮模数时一般遵循的原则是：合理减少模数，增加齿宽会使噪声降低；为了 减轻变速器的质量，应增加模数，同时减小齿宽；从工艺方面考虑，各档齿轮应 选用同一种模数，而从齿轮强度方面考虑，各档齿轮应该有不同的模数3。对轮 式挖掘机，减轻质量比减小噪声更重要，故齿轮应选用大些的模数。初选模数时，可参考同类型汽车的齿轮模数确定；也可以根据经验公式确 定
31、，即：m=K3 T/10=214/10=2 78高档齿轮 K=1（34）nemax第 13 页m=0 7 3 Ti /10=0 7 3214 2 9 0 96/10=2 73 一档齿轮 （35）emax1g式中：mn为斜齿轮法向模数；m 为直齿轮模数；T发动机最大扭矩；T=214 N me maxe maxi 1变速器一档传动比；变速器传动效率：取 gg96；该设计选用同一模数进行，故斜齿轮法向模数取mn=3；直齿轮模数取 m=3（2）压力角的选择 压力角较小时，重合度较大，传动平稳，噪声较低；压力角较大时，可提 高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。对于轿车，为提高重合度以降低噪声，应采 用 14
32、.5,15，16，16.5等小些的压力角；对轮式挖掘机（与货车相同），为提高齿轮的承载能力，应选用 22.5或 25等大些的压力。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的压力角为 20。（3）螺旋角 选取斜齿轮的螺旋角，应注意到它对齿轮工作噪声，轮齿的强度和轴向力 有影响。在齿轮选取大的螺旋角时，齿轮啮合重合度增加，工作平稳，噪声降低。随着增大，齿的强度也相应提高，不过，当螺旋角大于 30时，抗弯强度急 剧下降，会使轴向力及轴承载荷过大。轮式挖掘机的与货车变速箱斜齿螺旋角的选择范围相同：1826。初选 =0=20。1,23,45,67,89,10（4）齿宽 b齿宽的选
33、择，应注意到齿宽对变速器的轴向尺寸、齿轮工作平稳行、齿强度和齿轮工作时受力的均匀程度4。通常根据模数 m（直齿：b=K m,Km n）来选择齿宽：为齿宽系数，取 4.58.0c斜齿：b=Km，cK取为 6.08.5；cnc小齿轮的齿宽在计算上认为加宽约 510，所以有 第 14 页 1、直齿 b=(4.47.0)3=13.221.0(mm)2、斜齿b=(6.09.5)3=18.028.5(mm)本次设计采用直齿和斜齿均为 20mm。（5）各档齿数 Z齿数确定原则：各档齿轮齿数比应尽可能不是整数,且各档齿数无公约数。1、一档齿轮齿数 （取 斜齿 Z=2 A cos 9,10 20）m（36）hn选取 9,10 20，Z h=280.78cos20/3=50.6取 Z h由 Zk=Z+Z=51=51 进行大小齿轮齿数分配，为使Z/Z=2 9 的传动比更大些，910109取Z=13,Z=38；9
