江淮宾悦汽车变速器设计

摘 要变速器用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，目的是在原地起步、爬坡、转弯、加速等各种行驶工况下，使汽车获得不同的牵引力和速度，同时使发动机在最有利的工况范围内工作。是汽车总成部件中的重要组成部分，是主要的传动系统总成之一。变速器的结构对汽车的动力性、经济性、操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率等都有直接影响。本设计研究了二轴五挡手动变速器，其目的是熟练运用和掌握机械原理、机械设计、利用变速器的工作原理做了阐述，变速器的各挡齿轮和轴做了详细的设计计算，并进行了强度校核，对一些标准件进行了选型。变速器的传动方案设计并讲述了变速器中各部件材料的选择。本文将概述变速器的现状和发展趋势，介绍变速器领域的最新发展状况。对工作原理做了阐述，对不同的变速器传动方案进行比较，选择合理的结构方案进行设计。对变速器的各挡齿轮和轴以及轴承做了详细的设计计算，并进行了强度和刚度校核计算,并为这些元件选择合适的工程材料及热处理方法。对一些标准件进行了选型以及变速器的传动方案的比较与选择。最后，本文将对变速器换档过程中的重要部件同步器以及操纵机构进行阐述，讲述同步器的类型、工作原理、设计方法以及重要参数。关键词：变速器；齿轮；同步器；设计；参数to to on is in at at is is of of of to to is so on of of to do a of of of of is of of of of of a of of of - 摘要第1章 绪论述3第2章 变速器传动机构布置方案件结构方案分析10第3章 变速器主要参数的选择及齿数的分配35第4章 变速器轴和轴承的设计与选择51第5章 变速器同步器及操纵机构的设计56结论57参考文献58致谢60附录A61附录B64第1章绪 动机产生的动力经过传动系统才能驱动车轮转动。传动系统的心脏是变速器。由于发动机的转速和转矩的变化范围小，而汽车行驶速度的变化范围广，所以一开始传动系统就设置了变速器。汽车变速器作为汽车传动系统中的主要变速机构，它的发展经历了100多年，随着汽车技术日新月异的发展，汽车变速器技术的发展也发生了很大的变化。它通过改变转速比，从而改变传动扭矩比，与发动机配合工作。鉴于变速器重要的变速功能，其结构对汽车的动力性、燃油经济性、换挡操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率等都有直接的影响，所以它也是影响整车性能的重要因素之一。因此变速器的质量一直也是汽车行业竞争的焦点，对变速器的研究开发也越来越显得举足轻重11。要分为3：手动变速器（自动变速器（手动/自动变速器（无级变速器（变速器用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，目的是在原地起步、爬坡、转弯、加速等各种行驶工况下，使汽车获得不同的牵引力和速度，同时使发动机在最有利的工况范围内工作。变速器设有空档，可在起动发动机、汽车滑行或停车时使发动机的动力停止向驱动轮传输。变速器设有倒挡，使汽车获得倒退行驶能力。需要时，变速器还有动力输出功能。变速器输入轴从变速器的前端伸出它的外花键与离合器从动盘的内花键相连，主要的主动齿轮与轴做成一体，输出轴上的齿轮空套在输出轴上，与主动齿轮常啮合，它们的旋转与输出轴无关。输出轴齿轮的一边都有带花键的外齿圈，分别与有内花键的接合套相连，接合套可以轴向滑动，与相应的齿轮外齿圈结合，通过接合套将齿轮锁在主轴上，在他们啮合之前，接合套和齿轮中间的同步器使他们同步，常啮合齿轮的轮齿与齿轮的轴线成一定的角度，在任何时候都有几个齿接触，这可以较小齿轮的噪声，平稳的传递扭矩，倒挡惰轮的轮齿通常是直尺，它将动力从一根轴传递到另一根轴2。轿车手动变速器大多为四挡或五挡有级式齿轮传动变速器，并且通常带同步器，换挡方便，噪音小。手动变速在操纵时必须踩下离合，方可拨得动变速杆，本次设计题目为江淮宾悦汽车变速器，本车变速器采用了二轴五档的结构方式，其传动效率高、换挡迅速省力、方便，工作可靠，噪声低。设计过程中要注重设计的合理性，变速器的实用性，保证汽车有必要的动力性和经济性。界上诞生的第一辆汽车并未安装变速器，直到1902年才由法国人造出了第一部装有变速器的汽车，目前，绝大多数汽车仍采用机械式变速器、分动器、主减速器、构成整车的传动系，其结构简单、操纵方便、造价低廉仍不失为汽车传动系中需要的主要总成。由于汽车上广泛应采用活塞式内燃机，其转矩和转速变化范围较小，而复杂的使用条件则要求汽车的牵引力和车速能在相当大的范围内变化。为此在传动系中设置了变速器。机械式手动汽车变速器应结构简单，传动效率高，制造成本低和工作可靠等优点，在不同形式的汽车上得到广泛的应用。机械式手动变速器在今后相当长的时间里依然会在我国轻中型货车传动系统中占据主导地位。与外国相比我国变速器设计手段相对落后，在一些发达国家他们利用计算机辅助设计技术，将现代设计方法，如有限元分析、优化设计、国现也采用前，国内外已经有很多学者专家对汽车变速器作了结构方面的分析研究。从90年代开始，欧美国家就通过有限元法对汽车变速器进行结构分析，并与传统数值方法作比较，通常都取得比较一致的结果。随着多国家和部门都对其进行了大量的研究和试验，随之开发并形成了一些成套硬件和软件系统。在美国、日本及其欧洲发达国家中，利用成了以图形系统为基础、以数据库为核心、以工具系统为支撑和以分析计算机为应用的集成化系统12。输出的转矩和转速变化范围很小，而汽车在行驶时所遇到的复杂的道路条件和使用条件要求汽车的驱动力和车速能在相当大的范围内变化。为此，在汽车的传动系统中设置了变速器。1、变速器的主要功用是3：（1）变速器传动比在较大的范围内告便汽车的行驶速度和汽车驱动轮上转矩的数值，以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利的工况下工作。（2）在汽车发动机旋转方向不变的前提下，利用倒档实现汽车倒向行驶。（3）在发动机不熄火的情况下，利用空挡中断动力传递，可以使驾驶员松开离合器踏板离开驾驶位置，且便于汽车起动、怠速、换挡和动力输出。2、变速器的分类3：（1）按传动比变化 变速器可分为有级式、无级式和综合式三种。（2）按操纵方式 变速器可分为强制操纵式变速器、自动操纵式变速器和半自动操纵式变速器三种。过对变速器各部分参数的选择和计算，设计出一种基本符合要求的手动5档变速器。本文主要完成下面一些主要工作：1、掌握汽车变速器结构及工作原理，绘出结构原理简图。2、确定主要零部件（齿轮、轴等）主要设计参数，并对关键部位进行校核。3、确定零部件结构尺寸。4、使用、编写设计说明书。动效率高、制造成本低和工作可靠等优点，故在不同的汽车上得到广泛应用1。：两轴式变速器和中间轴式变速器。1、两轴式变速器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。因两轴式变速器不能设置直接挡，所以在高档工作时齿轮和轴承均承载，不仅工作噪声增大，且易损坏。此外，受结构限制，两轴式变速器的一挡速比不可能设计得很大。 对于前进挡，两轴式变速器输入轴的转动方向与输出轴的转动方向相反；而中间轴式变速器的第一轴与输出轴的转动方向相同。特点是：变速器输出轴与主减速器主动齿轮做成一体，发动机纵置时，主减速器采用弧齿锥齿轮或双曲面齿轮，发动机横置时则采用圆柱齿轮；多数方案的倒档传动常用滑动齿轮，其他挡位均用常啮合齿轮传动。同步器多数装在输出轴上，这是因为一挡主动齿轮尺寸小，同步器装在输入轴上有困难，而高档同步器可以装在输入轴的后端，用同步器换挡；来提高轴的刚度，减少齿轮磨损和降低工作噪声。此为基础，只要将五挡齿轮用尺寸相当的隔套替代，即可改变为四挡变速器，从而形成一个系列产品。2、中间轴式变速器中间轴式变速器多用于发动机前置后轮驱动汽车和发动机后置后轮驱动的客车上。变速器第一轴的前端经轴承支撑在发动机飞轮上，第一轴上的花键用来装设离合器的从动盘，而第二轴的末端经花键与万向节相连。间轴式六档变速器传动方案其共同特点是1：变速器第一轴和第二轴的轴线在同一直线上，经啮合套将它们连接得到直接挡。使用直接挡，变速器的齿轮和轴承及中间轴均不承载，发动机转矩经变速器第一轴和第二轴直接输出，此时变速器的传动效率可达90%以上，噪声低，齿轮和轴承的磨损减少。直接挡的利用率高于其它挡位，提高了变速器的使用寿命；在变速器中间轴与第二轴之间的距离（中心距）不大的条件下，一挡仍然有较大的传动比；挡位高的齿轮采用常啮合齿轮传动，一挡可以采用或不采用常啮合齿轮传动；多数传动方案中除一挡以外，均采用同步器或啮合套换挡，少数结构的一挡也采用同步器或啮合套换挡，还有各挡同步器或啮合套多数情况下装在第二轴上。在除直接挡以外的其他挡位工作时，传动效率略有降低，这是它的缺点。3、分析并选定方案固定轴式变速器中的两轴式和中间轴式变速器应用广泛。其中两轴式变速器多用于发动机前置前轮驱动汽车上。与中间轴式变速器比较，两轴式变速器因轴和轴承数少，其结构简单、紧凑且除最到档外其他各档的传动效率高、噪声低。轿车多采用前置发动机前轮驱动的布置，因为这种布置使汽车的动力纵性好且可使汽车质量降低6%10%。两轴式变速器则方便于这种布置且传动系的结构简单。两轴式变速器的第二轴（即输出轴）与主减速器主动齿轮做成一体，当发动机纵置时，主减速器可用螺旋锥齿轮或双面齿轮；当发动机横置时则可用圆柱齿轮，从而简化了制造工艺，降低了成本。此外，各中间挡位因只经一对齿轮传递动力，故传动效率高同时噪声也低。中间轴式变速器多用于发动机前置后轮驱动汽车和发动机后置后轮驱动的客车上。变速器第一轴的前端经轴承支撑在发动机飞轮上，第一轴上的花键用来装设离合器的从动盘，而第二轴末端经花键与万向节链接。本次设计题目为江淮宾悦汽车变速器的设计，经查找资料可知江淮宾悦汽车为轿车类型，发动机前置前驱，并结合两轴式变速器与中间轴式变速器的优点与缺点的比较，最终选定为二轴五挡变速器，倒挡传动方案因为变速器在一挡和倒挡工作时有较大的力，所以无论是两轴式变速器还是中间轴式变速器的低档与倒挡，都应当布置在在靠近轴的支承处，以减少轴的变形，保证齿轮重合度下降不多，然后按照从低档到高挡顺序布置各挡齿轮。倒挡的传动比虽然与一挡的传动比接近，但因为使用倒挡的时间非常短，从这点出发有些方案将一挡布置在靠近轴的支承处，然后再布置倒挡。此时在倒挡工作时，齿轮磨损与噪声在短时间内略有增加，与此同时在一挡工作时齿轮的磨损与噪声有所减少。倒挡设置在变速器的左侧或右侧在结构上均能实现，不同之处是挂倒挡时驾驶员移动变速杆的方向改变了。而缩短了中间轴的长度。但换挡时有两对齿轮同时进入啮合，使换挡困难。点是换挡程序不合理。挡齿轮做成一体，将其齿宽加长。挡更为轻便。为了充分利用空间，缩短变速器轴向长度，缺点是一，倒挡须各用一根变速器拨叉轴，致使变速器上盖中的操纵机构复杂一些。由于全部齿轮副均为常啮合齿轮，换挡更为轻便。级变速器结构的发展趋势是增多常啮合齿轮副的数目，从而可采用斜齿轮。与直齿圆柱齿轮比较，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长，工作时噪声低等优点；缺点是制造时稍复杂，工作时有轴向力。变速器中的常啮合齿轮均采用斜齿圆柱齿轮，尽管这样会使常啮合齿轮数增加，并导致变速器的转动惯量增大。直齿圆柱齿轮仅用于低档和倒挡。在本设计中由于倒档采用的是常啮合方案，因此倒档也采用斜齿轮传动方案，即除一档外，均采用斜齿轮传动。轴承，滚针轴承，圆锥滚子轴承，滑动轴套等。至于何处应当采用何种轴承，是受结构限制并随所承受的载荷特点不同而不同。由于本设计的变速器为两轴式变速器，具有较大的轴向力，所以设计中变速器输入轴、输出轴的前、后轴承按直径系列均选用圆锥滚子轴承。）直接操纵手动换挡变速器当变速器布置在驾驶员座椅附近，可将变速杆直接安装在变速器上，并依靠驾驶员手力和通过变速杆直接完成换挡功能的手动换挡变速器，称为直接操纵变速器。（2）远距离操纵手动换挡变速器平头式汽车或发动机后置后轮驱动汽车的变速器，受总体布置限制变速器距驾驶员座位较远，这时需要在变速杆与拨叉之间布置若干传动件，换挡手力经过这些转换机构才能完成换挡功能。这种手动换挡变速器称为远距离操纵手动换挡变速器。（3）电控自动换挡变速器80年代以后，在固定轴式机械变速器基础上，通过应用计算机和电子控制技术，使之实现自动换挡，并取消了变速杆和离合器踏板。驾驶员只需控制油门踏板，汽车在行驶过程中就能自动完成换挡时刻的判断，接着自动实现收油门、离合器分离、选挡、换挡、离合器接合和回油门等一系列动作，使汽车动力性、经济性有所提高，简化操纵并减轻了驾驶员的劳动强度。由于变速器离驾驶员座椅较近，所以采用直接操纵式手动换挡变速器。合套和同步器换挡三种形式。现在大多数汽车的变速器都采用同步器换档。采用同步器换档可保证齿轮在换档时不受冲击，使齿轮强度得以充分发挥，同时操纵轻便，缩短了换档时间，从而提高了汽车的加速性、经济性和行驶安全性，此外，该种型式还有利于实现操纵自动化。其缺点是结构复杂，制造精度要求高，轴向尺寸有所增加，铜质同步环的使用寿命较短。目前，同步器广泛应用于各式变速器中。表2在1档、倒档使用） 啮合套（要求不高的档位和重型车上使用） 同步器（广泛使用）优点 结构简单、紧凑。 主要是配合斜齿轮传动使用。由于常啮合，减少了噪音动载荷强度和寿命都得到提高。 保证换挡时不受冲击，使齿轮强度得以充分发挥，同时操纵轻便，缩短换挡时间。缺点 换挡不方便、换挡时冲击大，导致齿轮早期损坏，易脱档，噪音大，采用较少。 仍有冲击，但较前者小些。 结构复杂，制造精度要求高，轴向尺寸有所 增加。同步器分为锁销式同步器和锁环式同步器，考虑结构布置的合理性、紧凑性及锥面间摩擦力矩大小等因素，锁环式惯性同步器多用在小型汽车上，有的中型汽车变速器中、高速挡也采用这种同步器，故本次设计选择锁环式同步器换挡方式。有锁止装置，包括自锁、互锁和倒档锁。（1）互锁装置是保证移动某一变速叉轴时，其他变速杆叉轴互被锁止，互锁装置的结构主要有以下几种：互锁销式、摆动锁块式、转动锁止式、三向锁销式，此次设计中互锁装置选择第一种，其结构型式如图22）自锁装置的作用是定位，防止因汽车振动或有小的轴向力作用而致脱档，保证啮合齿轮以全齿长进行啮合，并使驾驶员有换档的感觉。定位作用是通过自锁装置中的弹簧将钢球（或锁销）推入叉轴的凹臼中实现的。变速叉轴的凹臼间距是由挂档齿轮移动的距离来决定的，其结构型式如图23）在汽车行驶过程中，为了防止误挂倒档，以致造成安全事故和损坏传动系，在操纵机构中都设有倒档锁或倒档安全装置。倒档锁能在驾驶员挂倒档时给驾驶员明显手感，以起到提醒作用，防止误挂倒档，其结构见总装配图。2、要使换档动作轻便、省力，以减轻驾驶员的疲劳强度。3、应使驾驶员得到必要的手感。图2两轴式变速器和三轴式变速器的优点和缺点进行了对比，最终本次设计选择了二轴五挡变速器，然后对倒挡机构进行了设计，确定了倒挡的布置方案，最后对零件的结构方案进行了分析，本章对变速器的结构及主要零件的形式做出了初步的分析和选择，为后期设计工作打下了基础。与变速器的挡数、传动比范围和各挡传动比有关。 009款江淮宾悦轿车参数发动机最大功率 95高车速 185Km/000r/质量 147072轮 205/55200r/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，而且在使用时换挡频率也增高。近年来，为了降低油耗，变速器的挡数有增加的趋势。目前，乘用车一般用45个挡位的变速器，发动机排量大的乘用车变速器多用5个挡。商用车变速器采用45个挡或更多的挡位。挡变速器多用于总质量大些的货车和越野汽车上。故本次设计选用五挡手动变速器。g （中 最高车速， 185km/轮半径，r=率转速，n=6000r/主减速器传动比最高挡传动比本次设计为二轴变速器，二轴变速器无直接挡，最小传动比为最高挡传动比即五挡传动比。 0i =u =i 20忽略空气阻力 （中 G车辆总重量（N）；f滚动阻力系数，对良好路面=发动机最大扭矩（Nm）；0i 主减速器传动比；变速器传动比；t 为传动效率；（车轮滚动半径；最大爬坡度本设计为能爬30%的坡，大约 由公式（3： 0 （知：m=1430 ； ；r=72 Nm；0 ；g= ，把以上数据代入（3： 1 (1430 430 9.8 满足不产生滑转条件。即用一档发出最大驱动力时，驱动轮不产生滑转现象。公式表示如下： 10te ng iT 0 （中 驱动轮的地面法向反力， ； 驱动轮与地面间的附着系数；对干燥良好的路面数据代入（3得：1 1470 所以，一档转动比的选择范围是： 则 1中：q常数，也就是各挡之间的公比；因此，各挡的传动比为：1 1ng gn ng gi iq i i （其中（3.5） 54433221 1 44 5 iq i 4 5 gi i q 3 4 gi i q 2 3 gi i q 1 2 gi i q 根据下述经验公式计算：3 A Te i （中： 中心距系数，乘用车： 9.3；发动机最大转矩，172Nm；1i 变速器一挡传动比，2.4；g 变速器传动效率，取96%。由公式（：A=用车变速器的中心距在6080整后得变速器中心距A=68外形尺寸变速器的轴向尺寸与挡位数、齿轮型式、换挡机构的结构型式等都有直接关系，设计初可根据中心距用车变速器壳体的轴向尺寸为（，取（204237.2）取较小的模数，就可以增加齿轮的齿数，同时增加齿宽可使齿轮啮合的重合度增加，并减少齿轮噪声，所以为减少噪声应减小模数，同时增加齿宽；为使质量小些，应该增加模数同时减小齿宽；从工艺方面考虑，各挡齿轮应该选用同一种模数，而从强度方面考虑，各挡齿轮应有不同的模数；减少乘用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些。车变速器齿轮的法向模数 乘用车的发动机排量V/L 货车的最大总质量 14.0 L，则一挡 挡 挡 挡 挡 15、16、小些的压力角；对商用车，25等大些的压力角。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。齿轮啮合的重合度增加，因而工作平稳、噪声降低。实验还证明：随着螺旋角的增大，齿的强度也相应提高。不过当螺旋角大于时，其抗弯强度骤然下降，而接触强度仍继续上升。乘用车变速器：两轴式变速器为2025中间轴式变速器为2234本次设计为两轴式变速器即在2025中取；=25量、齿轮工作平稳性、齿轮强度和齿轮工作时的受力均匀程度等均有影响。考虑到尽可能缩短变速器的轴向尺寸和减小质量，应该选用较小的齿宽。另一方面，齿宽减小使斜齿轮传动平稳的优点被削弱，此时虽然可以用增加齿轮螺旋角的方法给予补偿，但这时轴承承受的轴向力增大，使其寿命降低。齿宽较小又会使齿轮的工作应力增加。选用较大的齿宽，工作中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造成偏载，导致承载能力降低，并在齿宽方向磨损不均匀。直齿 c ， 齿宽系数，齿 ， 档齿宽为b= 21档齿宽为b= 21档齿宽为b= 档齿宽为b= 齿强度、工作噪声、轮齿相对滑动速度、轮齿根切和齿顶厚度等有影响。若齿顶高系数小，则齿轮重合度小，工作噪声大；但因轮齿受到的弯矩减小，轮齿的弯曲应力也减少。因此，从前因齿轮加工精度不高，并认为轮齿上受到的载荷集中齿顶上，国规定，动比、中心距、轴向尺寸及齿轮模数和螺旋角并绘出变速器的结构方案简图后，即可对各挡齿轮的齿数进行分配。斜齿齿数和： 2 m （齿齿数和： 2h m （一挡齿数及传动比的确定 12 68 m 取 41轿车7中取，1921 1 29 z 1 20 2 = 41 3 修正后的标准中心距取 0A =2 3zi z (430 n 其中： 0A =682i =3.， 25 ；将数据代入上两式，齿数取整得：3 15z ， 4 26z 42 3 26 z 63 (650 n 已知： 0A =683i =25 ；将数据代入上两式，齿数取整得： 5 19z ， 6 26z 63 5 26 z 84 ( 870 n 已知： 0A =684i =25 ；将数据代入上两式，齿数取整得： 7 22z ， 8 23z 84 7 23 z 105 ( 1090 n 已知： 0A =68i =25 ；将数据代入上两式，齿数取整得：9 25z ， 10 20z 105 9 20 z 挡齿轮 12Z 的齿数一般在2123之间，初选12Z =22，可计算出输入轴与倒挡轴的中心距 ，A 及输出轴与倒挡轴的中心距A。11 13 011( )+2 +nm z z m A已知： 11z =12 11 25