变速箱设计

第三章第三章机械式 变 速器 设计第三章第三章 机械式机械式 变变 速器速器 设计设计 本章主要学 习（ 1） 变 速器的基本 设计 要求；（ 2）各种形式 变 速器的特点；（ 3） 变 速器主要参数的 选择 ； （ 4） 齿轮变 位系数的 选择 原 则 ； （ 5）各 挡齿轮齿 数的分配 ； （ 6） 变 速器操 纵 机构 。 第三章第三章 机械式机械式 变变 速器速器 设计设计 第一 节 概述 第二 节 变 速器 传动 机构布置方案 第三 节 变 速器主要参数的 选择 第四 节 变 速器操 纵 机构第一第一 节节 概述概述变 速器用来改 变发动 机 传 到 驱轮 上的 转 矩和 转 速，目的是在各种行 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 速器由 变 速 传动 机构和操 纵 机构 组 成。变 速器的基本 设计 要求：1）保 证 汽 车 有必要的 动 力性和 经济 性。2） 设 置空 挡 ，用来切断 发动 机的 动 力 传输 。3） 设 置倒 挡 ，使汽 车 能倒退行 驶 。4） 设 置 动 力 输 出装置。5） 换挡 迅速、省力、方便。6）工作可靠。 变 速器不得有跳 挡 、乱 挡 及 换挡 冲 击 等 现 象 发 生。7） 变 速器 应 有高的工作效率。8） 变 速器的工作噪声低。除此之外， 变 速器 还应 当 满 足 轮 廓尺寸和 质 量小、制造成本低、维 修方便等要求。 第二第二 节节 变变 速器速器 传动传动 机构布置方案机构布置方案 变 速器 传动 机构有两种分 类 方法。根据前进挡 数三 挡变 速器四 挡变 速器五 挡变 速器多 挡变 速器根据 轴的形式固定 轴 式两 轴 式 变 速器中 间轴 式 变 速器双中 间轴 式 变 速器多中 间轴 式 变 速器固定 轴 式旋 转轴 式固定 轴 式 应 用广泛，其中两 轴 式 变 速器多用于发动 机前置前 轮驱动 的汽车 上，中 间轴 式 变 速器多用于 发动 机前置后 轮驱动的汽 车 上。旋 转轴 式主要用于液力机械式 变 速器。两两 轴轴 式式 变变 速器的特点速器的特点两 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。 图 3-1 两 轴 式 变 速器 传动 方案 图 3-1为发动 机前置前 轮驱动轿车 的两 轴 式 变 速器 传动 方案。其特点是： 变 速器 输出 轴 与主减速器主 动齿轮 做成一体；多数方案的倒 挡传动 常用滑 动齿轮 ，其它 挡 位均用常啮 合 齿轮传动 。 图 3-1f中的倒挡齿轮为 常 啮 合 齿轮 ，并用同步器 换挡 ； 图 3-1d所示方案的 变 速器有 辅 助支承，用来提高 轴 的 刚 度。 两 轴 式 变 速器 传动动 画演示中中 间轴间轴 式式 变变 速器的特点速器的特点中 间轴 式 变 速器 传动 方案的共同特点是： (1)设 有直接 挡 ； (2)一 挡 有 较 大的 传动 比； (3)挡 位高的 齿轮 采用常 啮 合 齿轮传动 ， 挡 位低的 齿轮 （一 挡 ）可以采用或不采用常 啮 合 齿轮传动 ； (4) 除一 挡 以外，其他 挡 位采用同步器或 啮合套 换挡 ； (5)除直接 挡 以外，其他 挡 位工作 时 的 传动 效率略低。图 3-2中的中 间轴 式四 挡变 速器 传动 方案示例的区 别为图 3-2a、 b所示方案有四 对 常 啮 合 齿轮 ，倒 挡 用直 齿 滑 动齿轮换挡 ， 图 3-2c所示 传动 方案的二、三、四 挡 用常 啮 合 齿轮传动 ，而一、倒 挡 用直 齿 滑 动齿轮换挡 。 图 3-2 中 间轴 式四 挡变 速器 传动 方案 中中 间轴间轴 式式 变变 速器的特点速器的特点图 3-3为 中 间轴 式五 挡变 速器 传动 方案 。 图 3-3a所示方案，除一、倒 挡 用直 齿 滑 动齿轮换挡 外，其余各 挡为 常 啮 合 齿轮传动 。图 3-3b、 c、 d所示方案的各前 进挡 ，均用常 啮 合 齿轮传动 ； 图 3-3d所示方案中的倒 挡 和超速 挡 安装在副箱体内，可以提高 轴 的 刚 度、减少 齿轮 磨 损 和降低工作噪声。图 3-3 中 间轴 式五 挡变 速器 传动 方案 凡采有常 啮 合 齿轮传动 的 挡 位，其 换挡 方式可以用同步器或 啮 合套来 实现 。同一 变 速器中， 挡 位高的用同步器 换挡 ， 挡 位低的用 啮 合套换挡 。中中 间轴间轴 式式 变变 速器的特点速器的特点图 3-4为 中 间轴 式六 挡变 速器 传动 方案。 图 3-4a所示方案中的一挡 、倒 挡 和 图 3-4b所示方案中的倒 挡 用直 齿 滑 动齿轮换挡 ，其余各 挡均匀常 啮 合 齿轮 。 常 啮 合 齿轮传动 的 挡 位，其 换挡 方式可以用同步器或 啮 合套来 实现 。同一 变 速器中，一定是 挡 位高的用同步器 换挡 ， 挡 位低的用 啮 合套 换挡 。 图 3-4 中 间轴 式六 挡变 速器 传动 方案 倒倒 挡挡 布置方案布置方案 图 3-5为 常 见 的倒 挡 布置方案。 图 3-5b方案的 优 点是倒 挡 利用了一挡齿轮 ， 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 。 图 3-5c方案能 获 得 较 大的倒 挡传动 比，缺点是 换挡 程序不合理。 图 3-5d方案 对 3-5c的缺点做了修改。 图 3-5e所示方案是将一、倒挡齿轮 做成一体，将其 齿宽 加 长 。 图 3-5f所示方案适用于全部 齿轮 副均为 常 啮 合的 齿轮 ， 挡换 更 为轻 便。图 3-5 倒 挡 布置方案 为 了 缩 短 变 速器轴 向 长 度，倒 挡传动 采用 图 3-5g所示方案。缺点是一、倒 挡各用一根 变 速器 拨叉 轴 ，使 变 速器上盖中的操 纵 机构复杂 一些。机械式 变 速器的 传动 效率与所 选 用的传动 方案有关，包括 传递动 力 时处 于工作状 态 的 齿轮对 数、每分 钟转 数、 传递的功率、 润 滑系 统 的有效性、 齿轮 和壳体等零件的制造精度等。 图 3-6为发动 机 纵 置时 两 轴 式 变 速器 结 构 图 。其特点是高 挡 同步器布置在输 入 轴 上，而低 挡 同步器布置在 输 出 轴 上。 为 提高 轴的 刚 度，增加了中 间 支承。高 挡 布置在靠近 轴 的支承中部区域 较为 合理，在 该区域因 轴 的 变 形而引起的 齿轮 偏 转 角 较 小， 齿轮 保持较 好的 啮 合状 态 ，能提高齿轮 寿命。 图 3-6 发动 机 纵 置 时 两 轴 式 变 速器 结 构 图 二、零、部件二、零、部件 结结 构方案分析构方案分析 1 齿轮 形式齿轮 形式：直 齿圆 柱 齿轮 、斜 齿圆 柱 齿轮两者相比 较 ，斜 齿圆 柱 齿轮 有使用寿命 长 、工作 时 噪声低的 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 。直 齿圆 柱 齿轮仅 用于低 挡 和倒 挡 。2 换挡 机构形式变 速器 换挡 机构有直 齿 滑 动齿轮 、 啮 合套和同步器 换挡 三种形式。采用 轴 向滑 动 直 齿齿轮换挡 ，会在 轮齿 端面 产 生冲 击 ， 齿轮 端部磨 损 加 剧 并 过 早 损 坏，并伴随着噪声。因此，除一 挡 、倒 挡 外已很少使用。常 啮 合 齿轮 可用移 动啮 合套 换挡 。因承受 换挡 冲 击载 荷的接合 齿齿 数多， 啮 合套不会 过 早被 损 坏，但不能消除 换挡 冲 击 。目前 这 种 换挡 方法只在某些要求不高的 挡 位及重型 货车变 速器上 应 用。使用同步器能保 证换挡 迅速、无冲 击 、无噪声，得到广泛 应 用。但结 构复 杂 、制造精度要求高、 轴 向尺寸大。 利用同步器或 啮 合套 换挡 ，其 换挡 行程要比滑 动齿轮换挡 行程小。3 变变 速器速器 轴轴 承承 变 速器 轴 承常采用 圆 柱 滚 子 轴 承、球 轴 承、 滚针轴 承、 圆锥滚子 轴 承、滑 动轴 套等。第一 轴 常 啮 合 齿轮 的内腔尺寸足 够时 ，可布置 圆 柱 滚 子 轴 承，若空 间 不足 则 采用 滚针轴 承。变 速器第一 轴 、第二 轴 的后部 轴 承以及中 间轴 前、后 轴 承，按直径系列一般 选 用中系列球 轴 承或 圆 柱 滚 子 轴 承。滚针轴 承、滑 动轴 承套主要用在 齿轮 与 轴 不是固定 连 接，并要求两者有相 对 运 动 的地方。 变 速器中采用 圆锥滚 子 轴 承 虽 然有直径 较 小、 宽 度 较宽 因而容量大、可承受高 负 荷等 优 点，但也有需要 调 整 预紧 、装配麻 烦 、磨损 后 轴 易歪斜而影响 齿轮 正确 啮 合的缺点。 第三第三 节节 变变 速器主要参数的速器主要参数的 选择选择 一、 挡 数增加 变 速器的 挡 数能 够 改善汽 车 的 动 力性和 经济 性。 挡 数越多， 变速器的 结 构越复 杂 ，使 轮 廓尺寸和 质 量加大，而且在使用 时换挡频 率也增高。在最低 挡传动 比不 变 的条件下，增加 变 速器的 挡 数会使 变 速器相 邻的低 挡 与高 挡 之 间 的 传动 比比 值 减小，使 换挡 工作容易 进 行。挡 数 选择 的要求：1.相 邻挡 位之 间 的 传动 比比 值 在 1.8以下。2.高 挡 区相 邻挡 位之 间 的 传动 比比 值 要比低 挡 区相 邻挡 位之 间 的比 值 小。 目前， 轿车 一般用 4 5个 挡 位 变 速器， 货车变 速器采用 4 5个 挡 或多 挡 ，多 挡变 速器多用于重型 货车 和越野汽 车 。 二、二、 传动传动 比范比范 围围 变 速器的 传动 比范 围 是指 变 速器最低 挡传动 比与最高 挡传动传动 比的比 值 。传动 比范 围 的确定与 选 定的 发动 机参数、汽 车 的最高 车 速和使用条件等因素有关。 目前 轿车 的 传动 比范 围 在 3 4之 间 ， 轻 型 货车 在 5 6之 间，其它 货车则 更大。 三、中心距三、中心距 A 对 中 间轴 式 变 速器，中 间轴 与第二 轴 之 间 的距离称 为变 速器中心距 A。 变 速器中心距是一个基本参数， 对变 速器的外形尺寸、体 积 和 质 量大小、 轮齿 的接触 强 度有影响。中心距越小， 轮齿 的接触 应 力越大， 齿轮 寿命越短。因此，最小允 许中心距 应 当由保 证轮齿 有必要的接触 强 度来确定。 初 选 中心距 A时 ，可根据下面的 经验 公式 计 算 式中， KA为 中心距系数， 轿车 ： KA=8.9 9.3， 货车 ： KA=8.6 9.6，多 挡变 速器： KA=9.5 11.0。轿车变 速器的中心距在 65 80mm范 围 内 变 化，而 货车 的 变 速器中心距在 80 170mm范 围 内 变 化。四、外形尺寸 轿车 四 挡变 速器壳体的 轴 向尺寸 为 （ 3.0 3.4） A。 货车变速器壳体的 轴 向尺寸与 挡 数有关，可参考下列数据 选 用： 四 挡 （ 2.2 2.7） A五 挡 （ 2.7 3.0） A 六 挡 （ 3.2 3.5） A 当 变 速器 选 用的常 啮 合 齿轮对 数和同步器多 时 ， 应 取 给 出范围 的上限。 五、 轴 的直径 中 间轴 式 变 速器的第二 轴 和中 间轴 中部直径 d0.45A， 轴 的最大直径 d和支承 间 距离 L的比 值， 对 中 间轴 ， d/L 0.16 0.18， 对 第二 轴 ， d/L 0.18 0.21。 第一 轴 花 键 直径 d（ mm） 可按下式初 选 式中： K为经验 系数， K=4.0 4.6；Temax为发动 机最大 转 矩（ Nm）。 六、六、 齿轮齿轮 参数参数 1模数的 选 取齿轮 模数 选 取的一般原 则 ：1） 为 了减少噪声 应 合理减小模数，同 时 增加 齿宽 ；2） 为 使 质 量小些， 应该 增加模数，同 时 减少 齿宽 ；3） 从工 艺 方面考 虑 ，各 挡齿轮应该选 用一种模数；4） 从 强 度方面考 虑 ，各 挡齿轮应 有不同的模数。 对 于 轿车 ，减少工作噪声 较为 重要，因此模数 应选 得小些；对 于 货车 ，减小 质 量比减小噪声更重要，因此模数 应选 得大些。所 选 模数 值应 符合国家 标 准的 规 定。 变 速器 齿轮 模数范 围 大致如下：微型、普通 级轿车 中 级轿车 中型 货车 重型 货车2.25 2.75 2.75 3.00 3.5 4.5 4.5 6.0 2 压 力角 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 了降低噪声， 应选 用 14.5、 15、 16、 16.5等小些的 压 力角。对货车 ， 为 提高 齿轮 强 度， 应选 用 22.5或 25等大些的 压 力角。 国家 规 定的 标 准 压 力角 为 20， 所以普遍采用的 压 力角 为 20。啮 合套或同步器的 压 力角有 20、 25、 30等，普遍采用 30压 力角。 3螺旋角 齿轮 的螺旋角 对齿轮 工作噪声、 轮齿 的 强 度和 轴 向力有影响。 选 用大些的螺旋角 时 ，使 齿轮啮 合的重合度增加，因而工作平 稳 、噪声降低。 试验证 明：随着螺旋角的增大， 齿 的 强 度相 应 提高，但当螺旋角大于 30时 ，其抗弯 强 度 骤 然下降，而接触 强 度仍 继续 上升。因此，从提高低 挡齿轮 的抗弯 强 度出 发 ，并不希望用 过 大的螺旋角；而从提高高 挡齿轮 的接触 强 度着眼， 应 当 选 用 较 大的螺旋角。 斜 齿轮传递转 矩 时 ，要 产 生 轴 向力并作用到 轴 承上。 设计时应 力求中 间轴 上同 时 工作的两 对齿轮产 生 轴 向力平衡。根据 图 3-7可知，欲使中 间轴 上两个斜 齿轮 的 轴 向力平衡， 须满 足下述条件：Fa1=Fn1tan1 Fa2=Fn2tan2 由于， 为 使两 轴 向力平衡，必 须满足 式中， Fa1、 Fa2为 作用在中 间轴 承 齿轮 1、 2上的轴 向力； Fn1、 Fn2为 作用在中 间轴 上 齿轮 1、 2上的 圆 周力； r1、 r2为齿轮 1、 2的 节圆 半径； T为中 间轴传递 的 转 矩。 图 3-7 中 间轴轴 向力的平衡 斜 齿轮 螺旋角 选 用范 围 ：轿车变 速器： 两 轴 式 为 20 25 中 间轴 式 为 22 34 货车变 速器： 18 26 4 齿宽齿宽 b齿宽对变 速器的 轴 向尺寸、 齿轮 工作平 稳 性、 齿轮 强 度和 齿轮 工作时 受力的均匀程度等均有影响。选 用 较 小的 齿宽 可以 缩 短 变 速器的 轴 向尺寸和减小 质 量。但 齿宽 减少使斜 齿轮传动 平 稳 的 优 点被削弱， 齿轮 的工作 应 力增加。选 用 较 大的 齿宽 ，工作 时 会因 轴 的 变 形 导 致 齿轮倾 斜，使 齿轮沿 齿宽 方向受力不均匀并在 齿宽 方向磨 损 不均匀。通常根据 齿轮 模数 m（ mn）的大小来 选 定 齿宽 b：直 齿 ： b=Kcm， Kc为齿宽 系数，取 为 4.5 8.0 斜 齿 ： b=Kcmn， K c取 为 6.0 8.5 啮 合套或同步器接合 齿 的工作 宽 度初 选时 可取 为 （ 2 4） m m。第一 轴 常 啮 合 齿轮 副的 齿宽 系数 Kc可取大些，使接触 线长 度增加、接触 应 力降低，以提高 传动 平 稳 性和 齿轮 寿命。 5 齿轮变齿轮变 位系数的位系数的 选择选择 原原 则则 采用 变 位 齿轮 的原因： 1） 配凑中心距； 2） 提高 齿轮 的 强 度和使用寿命； 3） 降低 齿轮 的 啮 合噪声。变 位 齿轮 主要有两 类 ：高度 变 位和角度 变 位。高度 变 位 齿轮 副的一对啮 合 齿轮 的 变 位系数之和等于零。高度 变 位可增加小 齿轮 的 齿 根 强 度，使它达到和大 齿轮 强 度接近的程度。角度 变 位系数之和不等于零。角度变 位可 获 得良好的 啮 合性能及 传动质 量指 标 ，故采用得 较 多。 变 位系数的 选择 原 则 ：1） 对 于高 挡齿轮 ， 应 按保 证 最大接触 强 度和抗胶合及耐磨 损 最有利的原 则选择变 位系数。2） 对 于低 挡齿轮 ， 为 提高小 齿轮 的 齿 根 强 度， 应 根据危 险 断面 齿 厚相等的条件来 选择 大、小 齿轮 的 变 位系数。 3） 总变 位系数越小， 齿轮齿 根抗弯 强 度越低。但易于吸收冲 击 振 动，噪声要小一些。为 了降低噪声， 对 于 变 速器中除去一、二 挡 以外的其它各 挡齿轮 的 总变 位系数要 选 用 较 小一些的数 值 。一般情况下，随着 挡 位的降低， 总变 位系数 应该 逐 挡 增大。一、二 挡 和倒 挡齿轮 ， 应该选 用 较 大的 值 。 七、各七、各 挡齿轮齿挡齿轮齿 数的分配数的分配 在初 选 中心距、 齿轮 模数和螺旋角以后，可根据 变 速器的 挡 数、 传动 比和 传动 方案来分配各 挡齿轮 的 齿 数。下面以图 3-8所示四 挡变 速器 为 例， 说 明分配 齿数的方法。 1确定一 挡齿轮 的 齿 数 一 挡传动 比 （ 3-1） 如果 z7和 z8的 齿 数确定了， 则 z2与 z1的 传动 比可求出。 为 了求 z7、 z8的 齿 数，先求其 齿 数和 zh（ 3-2）计 算后取 zh为 整数，然后 进 行大、小齿轮齿 数的分配。 图 3-8 四 挡变 速器 传动 方案 轿车 中 间轴 式 变 速器一 挡齿轮齿 数 z8可在 15 17之间选 取； 货车 z8可在 1217之 间选 取。一 挡 大 齿轮齿 数用 z7=zh-z8计 算求得。 2 对对 中心距中心距 A进进 行修正行修正 因 为计 算 齿 数和 zh后， 经过 取整数使中心距有了 变 化，所以 应 根据取定的 zh和 齿轮变 位系数重新 计 算中心距 A，再以修正后的中心距 A作 为 各 挡齿轮齿 数分配的依据。 3确定常 啮 合 传动齿轮 副的 齿 数 由式 （ 3-1） 求出常 啮 合 传动齿轮 的 传动 比（ 3-3）常 啮 合 传动齿轮 中心距和一 挡齿轮 的中心距相等，即（ 3-4）解方程式 （ 3-3） 和式 （ 3-4） 求 z1与 z2，求出的 z1、 z2都 应 取整数；然后核算一 挡传动 比与原 传动 比相差多少，如相差 较 大，只要 调 整一下 齿 数即可；最后根据所确定的 齿 数，按式 （ 3-4） 算出精确的螺旋角 值。4确定其它各确定其它各 挡挡 的的 齿齿 数数 若二 挡齿轮 是直 齿轮 ，模数与一 挡齿轮 相同 时 ， 则 得（ 3-5）解两方程式求出 z5、 z6。用取整数后的 z5、 z6计 算中心距，若与中心距 A有偏差，通 过齿轮变 位来 调 整。 （ 3-6）二 挡齿轮 是斜 齿轮 ，螺旋角与常 啮合 轮 的不同 时 ，由式 （ 3-5） 得 （ 3-7）（ 3-8）此外，从抵消或减少中 间轴 上的 轴 向力出 发 ， 还 必 须满 足下列关系式 （ 3-9）联联 解上述三个方程式，可解上述三个方程式，可求出求出 z5、 z6和和 三个参数。但三个参数。但解此方程解此方程 组组 比比 较较 麻麻 烦烦 ， 可采可采用比用比 较较 方便的方便的 试试 凑法凑法 。其它各其它各 挡齿轮挡齿轮 的的 齿齿 数用数用同一方法确定。同一方法确定。 5确定倒确定倒 挡齿轮齿挡齿轮齿 数数图 3-8所示的倒 挡齿轮 z10的 齿 数，一般在 21 23之 间 ，初 选 z10后，可 计 算出中 间轴 与倒 挡轴 的中心距 A为 保 证 倒 挡齿轮 的 啮 合和不 产 生运 动 干涉， 齿轮 8和 9的 齿顶圆 之间应 保持 0.5mm以上的 间 隙， 则齿轮 9的 齿顶圆 直径 De9应为 （ 3-10）根据求得的 De9 ，再 选择 适当的 齿 数及采用 变 位 齿轮 ，使 齿顶圆 De9符合式 （ 3-10） 。最后 计 算倒 挡轴 与第二 轴 的中心距。 第四第四 节节 变变 速器操速器操 纵纵 机构机构 根据汽 车 使用条件的需要， 驾驶员 利用 变 速器的操 纵 机构完成 选挡 和 实现换挡 或退到空 挡 的工作。变