乘用车机械式变速器设计

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。机械式手动变速器是传统的汽车传动系统，由于其结构简单、体积小、制造成本低、便于装配和修理，传动效率高等优点，一直沿用至今。变速器的性能直接体现出整车性能的高低，特别是燃油经济性的好坏。所以变速器的设计质量的高低一直是汽车行业竞争的焦点。随着汽车工业的发展,轿车变速器的设计趋势为增大变速器传递功率与重量之比,并要求变速器具有较小的尺寸和良好性能。在给定发动机输出转矩、转速及最高车速、最大爬坡度等条件下,着重对变速器齿轮的结构参数、轴的结构尺寸等进行设计计算。关键词：变速器;齿轮;同步器;设计on is an to at is of of of is to it In 摘 要. 论.选题的目的和意义.变速器发展和国内外研究现状.变速器设计的要求.研究的基本内容.速器传动机构布置方案.传动机构布置方案分析.零、部件布置方案分析.本章小结.速器齿轮的设计与校核.变速器各档传动比的确定.齿轮参数的确定.各档齿轮齿数的分配.变位系数的确定.齿轮尺寸的确定.齿轮的校核.变速器壳体材料的选用.本章小结.速器轴及轴承的设计与校核.变速器轴的设计.变速器轴的校核.轴承的校核.本章小结.同步器设计.操纵机构的设计.本章小结. 题的目的和意义汽车变速器是汽车传动系的重要组成部分。由于汽油机额定转矩对应的速度范围很小,而复杂的使用条件则要求汽车的驱动力和车速能在相当大的范围内变化，因此要用齿轮传动来适应驾驶时车速的变化。变速器是传动系的主要部件,它的性能对整车的动力性、燃油经济性以及乘坐舒适性等方面都有十分重要的影响。手动机械变速器可以完全遵从驾驶者的意志，且结构简单、传动效率高、故障率相对较低、经济性好、环保性强、物美价廉,因此在市场上仍占有一席之地，开发手动机械变速器也适应当代世界经济的发展和需要。随着科技的高速发展，节能与环境保护、应用新型材料、高性能及低成本都可将作为汽车新型变速器的研究方向。速器发展和国内外研究现状在汽车变速箱100多年的历史中，主要经历了从手动到自动的发展过程。目前世界上使用最多的汽车变速器为手动变速器（自动变速器（手自一体变速器（无级变速器（双离合变速器（种型式。它们各有优缺点：济性娱乐性强，但对驾驶技术要求高；是操作简单、舒适性好、元器件可靠性高；在换挡时会有短暂的中断，舒适性差一些；率高、功率大、车速变化平稳，但它的传动带容易损坏，无法承受较大的载荷；是从传统的手动变速器演变而来，目前代表变速器的最高技术。在我国，据调查2007年手动变速器的市场比重为74%，占据较大的市场份额。从2002到2007年间自动档变速器市场占有率从9%增长到26%，份额，而乘用车市场自动档所占的比例可能达到44%。从2002而自动档变速器使用方便特点深受女性用户群的喜爱。另外在消费者调查中最受关注的汽车配件中，第一名是安全气囊，第二就是自动档的变速器。在中国，自动档变速器的市场是十分乐观的。同时手动档变速器的节能型，经济性以及驾驶娱乐性也决定了其不可替代性。世界最大的手动变速器制造商德国2012年北美市场出售的汽车中将只有6%是手动挡，欧洲与美国的情况不同，有机构预测，到2013年欧洲有52%的汽车还是手动挡，配备自动手动的变速器将只有10%,配备无级变速器的将占2%,配备双离合变速器的将占16%，欧洲人崇尚节能环保，喜欢开小型车，更青睐手动变速器的经济燃油性。而在日本变速器市场，置不同档位,满足用来调整与切断发动机动力向驱动轮的传输并使汽车能倒退行驶;工作可靠,汽车行驶过程中,变速器不得有跳档、乱档,以及换档冲击等现象出现;工作效率高,噪声小;结构简单、方案合理;在满载及冲击载荷条件下,使用寿命长。保证汽车有必要的动力性和经济性的前提下，利用所选定的发动机参数，完成变速器结构布置和设计。需要解决的主要问题包括：使变速器能有效的防止脱档，跳档，乱挡并方便挂档；减小噪音并尽量能达到轻量化、高承载、低噪声、换档操纵性好和经济实用性；使变速器具有良好的动力性与经济性，换挡迅速、省力、方便；变速器还应当满足轮廓尺寸和质量小、制造成本低、拆装容易、维修方便等要求。第二章 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，中间轴式和多轴式变速器4。发动机前置前轮驱动的轿车，若变速器传动比小，则常用两轴式变速器。在设计时，究竟采用哪一种方案，除了汽车总布置的要求外，主要考虑以下四个方面：1、结构工艺性两轴式变速器输出轴与主减速器主动齿轮做成一体。当发动机纵置时，主减速器可用螺旋圆锥齿轮或双曲面齿轮；而发动机横置时用圆柱齿轮，因而简化了制造工艺。2、变速器的径向尺寸两轴式变速器输出轴的前进挡均为一对齿轮副，而中间轴式变速器则有两对齿轮副。因此，对于相同的传动比要求，中间轴式变速器的径向尺寸可以比两轴式变速器小得多。3、变速器齿轮的寿命两轴式变速器的低档齿轮副，大小相差悬殊，小齿轮工作循环次数比大齿轮要高得多。因此，小齿轮的寿命比大齿轮的短。中间轴式变速器的各前进挡均为常啮合斜齿轮传动，大小齿轮的径向尺寸相差较小，因而寿命较接近。在直接挡时，齿轮只空转，不影响齿轮寿命。4、变速器的传动效率两轴式变速器虽然有等于1的传动比，但仍要有一对齿轮传动，因而有功率损失。而中间轴式变速器可将输入轴和输出轴直接相连，得到直接挡，因而传动效率较高，磨损小，噪声也较小。轿车尤其是微型汽车，采用两轴式变速器比较多，而中、重型载重汽车则采用中间轴式变速器。300N齿轮轴和轴承都要承受很大的载荷。为防止过早被破坏，所以才采用多中间轴式5。2.4（b）所示方案的优点是换倒挡时利用了中间轴上的一挡齿轮，因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。图2.1（c）所示方案能获得较大的倒挡传动比，缺点是换挡程序不合理。图2.1（d）所示方案针对前者的缺点做了修改，因而取代了图2.1（c）所示方案。图2.1（e）所示方案是将中间轴上的一，倒挡齿轮做成一体，将其齿宽加长。图2.4(f)所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合齿轮，换挡更为轻便。为了充分利用空间，缩短变速器轴向长度，有的货车倒挡传动采用图2.1(g)所示方案。其缺点是一，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。本设计采用图2.1(f)所示的传动方案。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，这样做既能使轴有足够大的刚性，又能保证容易装配。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 2处 。直齿圆柱齿轮比较，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长、运转平稳、工作噪声低等优点；缺点是制造时稍复杂，工作时有轴向力，这对轴承不利。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，并导致变速器的质量和转动惯量增大。直齿圆柱齿轮仅用于低档和倒挡6。速器换挡机构形式分为直齿滑动齿轮、啮合套和同步器换挡三种。（a）滑动齿轮换挡 （b）啮合套换挡 （c）挡机构形式1、滑动齿轮换挡通常采用滑动直齿轮换挡，也有采用斜齿轮换挡的。滑动直齿轮换挡的优点是结构简单、紧凑、容易制造。缺点是换挡时齿面承受很大的冲击，会导致齿轮过早损坏，并且直齿轮工作噪声大，所以这种换挡方式一般仅用于一挡和倒挡。2、啮合套换挡用啮合套换挡，可将构成某传动比的一对齿轮，制成常啮合的斜齿轮。用啮合套换挡，因同时承受换挡冲击载荷的接合齿齿数多，而轮齿又不参与换挡，它们都不会过早损坏，但不能消除换挡冲击，所以仍要求驾驶员有熟练的操纵技术。此外，因增设了啮合套和常啮合齿轮，使变速器的轴向尺寸和旋转部分的总惯性力矩增大。因此，这种换挡方法目前只在某些要求不高的挡位及重型货车变速器上应用。3、同步器换挡现代大多数汽车的变速器都采用同步器能保证迅速，无冲击，无噪声换挡，而与操纵技术熟练程度无关，从而提高了汽车的加速性、经济性和行车安全性。同上述两种换挡方法相比，虽然它有结构复杂，制造精度要求高，轴向尺寸大。同步环使用寿命短缺等缺点，但仍然得到广泛应用。由于同步器的广泛应用，寿命问题已得到基本解决。如瑞典的萨伯司，用球墨铸铁制造同步器的关键部件，并在其工作表面上镀上一层钼，不仅提高了耐磨性，而且提高了工作表面的摩擦系数，这种同步器试验表明，它的寿命不低于齿轮寿命，法国的贝利埃（德国择孚（公司的同步器均采用了这种工艺。上述三种换挡方案，可同时用在一变速器中的不同挡位上，一般倒挡和一挡采用结构较简单的滑动直齿轮或啮合套的形式；对于常用的高挡位则采用同步器或啮合套。轿车要求轻便性和缩短换挡时间，因此采用全同步器变速器。于接合齿磨损、变速器刚度不足以及振动等原因，都会导致自动脱挡。为解决这个问题，除工艺上采取措施以外，目前在结构上采取措施且行之有效的方案有以下几种：1、将两接合齿的啮合位置错开，样在啮合时，使接合齿端部超过被接合齿的13用中两齿接触部分受到挤压同时磨损，并在接合齿端部形成凸肩，可用来阻止接合齿自动脱挡。2、将啮合齿套齿座上前齿圈的齿厚切薄（这样，换挡后啮合套的后端面被后齿圈的前端面顶住，从而阻止自动脱挡，、将接合齿的工作面设计并加工成斜面，形成倒锥角（一般倾斜23），使接合齿面产生阻止自动脱挡的轴向力，种方案比较有效，应用较多。将接合齿的齿侧设计并加工成台阶形状，也具有相同的阻止自动脱挡的效果。止倒挡的措施 止倒挡的措施 止倒挡的措施速器轴的支承广泛采用滚珠轴承、滚柱轴承和滚针轴承，近年来，变速器的设计趋势是增大其传递功率与质量之比，并要求它有更多的容量和更好的性能。而上述轴承形式已不能满足对变速器可靠性和寿命提出的要求，故使用圆锥滚柱轴承的增多。其主要优点如下：滚锥轴承的接触线长，如果锥角和配合选择合适，可提高轴和齿轮沿纵向平面分开或沿中心线所在平面分开，这样可使装拆和调整轴承方便。由于上述特点，滚锥轴承已在欧洲一些轿车、货车和重型货车变速器上得到应用。加汽车变速器的挡位，是一个重要的发展趋势，这与许多因素有关，如载货汽车上更多地使用柴油发动机，平均车速和汽车总质量增加，以及要求降低燃料耗量等。本次设计初步选择的齿轮形式是前进挡皆为斜齿圆柱齿轮，倒挡为直齿圆柱齿轮，采用全同步器式换挡形式，轴承选取深沟球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承。件结构方案进行了系统的分析，并给出了此次设计的具体方案，即设计两轴式变速器，倒挡布置方案如图2.1（a）所示，前进挡皆为斜齿圆柱齿轮，倒挡为直齿圆柱齿轮，采用全同步器式换挡形式，轴承选取深沟球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承。第三章 变速器齿轮的设计与校核设计要求：采用两轴式机械式变速器。0据要求，两轴式机械式变速器四档的车多为发动机前置的轿车。本设计选的乘用车为轿车。轿车汽油机的000r/矩适应系数a=p，而油耗也可降低。近年来汽油机高速化结果使其转矩适应系数校正器时）带校正器时）当发动机的最大功率按下式求发动机的最大转矩位019发动机的转矩适应系数；最大功率时的转矩，N最大功率，最大功率的相应转速，r/使为会使直接档最低稳定车速偏高，导致在通过繁忙的交叉路口时换档次数变多，甚至需要增多变速器的档位数。因此，常np/由发动机设计保证。发动机适应性系数 上述的转矩适应系数表明发动机适应汽车行驶工况的程度，称为发动机适应性系数，并表达=anp/pnp/发动机的适应性愈好。采用值大的发动机可减少换档次数，减轻司机的疲劳，减小传动系的磨损和降低油耗。现代发动机的适应性系数值对汽油机=柴油机=据查找资料，备质量1据以上内容，自行选择设计参数为依据，所选参数全部符合要求。某车参数如下：发动机最大功率7动机最大转矩70N200r/大转矩时转速200r/60km/h 汽车总质量820动四档 汽车整备质量350轮半径数的确定近年来，为了降低油耗，变速器的档位有增加的趋势。目前，乘用车一般用45个档位的变速器。发动机排量大的乘用车变速器多用5个档，发动机排量小的可选用4个档。本设计采用4个档。2、传动比范围的确定选择最低档传动比时，应根据汽车最大爬坡度、驱动轮与路面的附着力、汽车的最低稳定车速以及主减速比和驱动轮的滚动半径等来综合考虑、确定。他商用车更大。速器各档传动比的确定1、变速器最高传动比的确定汽车爬陡坡时车速不高，空气阻力可忽略，则最大驱动力用于克服轮胎与路面间的滚动阻力及爬坡阻力。故有 （由最大爬坡度要求的变速器档传动比为iT 0 （知：m=1820014.0f ； ；r=170m； i ；g=95.0t ，把以上数据代入（： e TG i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： r 012G （得的变速器（知：350170m， i ，g=95.0t ，g=取0.6，据公式（得：上所述，已知式中：m汽车总质量；汽车整备质量g重力加速度；驱动轮的滚动半径；发动机最大转矩；主减速比；t汽车传动系的传动效率。 道路的附着系数，计算时2汽车满载静止于水平路面时驱动桥给路面的载荷，G2=最大爬坡度（一般轿车要求能爬上30%的坡，大约 2、变速器各档传动比的确定发动机转速与汽车行驶速度之间的关系为0/377.0 g （中： 汽车行驶速度， 160km/h;n 发动机转速，n=5200r/变速器传动比，最高档传动比为 4最低档传动比为 10i 主减速器传动比。 （3.6）i计算得 中间档的传动比理论上按公比为（际上与理论上略有出入，因齿数为整数且常用档位间的公比宜小些，另外还要考虑与发动机参数的合理匹配。根据上式可的出：q=算的各档传动比为：心距选的中心距、应能保证齿轮的强度。初选中心距根据下述经验公式计算3 1 （中： 中心距系数。对轿车， 货车， .6。发动机最大转矩 。1i变速器一档传动比。g 变速器的传动效率，算得： A=77向尺寸的确定变速器的横向外形尺寸，可根据齿轮直径以及倒档中间齿轮和换档机构的布置初步确定。轿车四档变速器壳体的轴向尺寸(。货车变速器壳体的轴向尺寸与档数有关： 四档(五档(六档(当变速器选用常啮合齿轮对数和同步器多时，中心距系数检测方便，次设计为轿车四档变速器，其壳体的轴向尺寸为（=213档采用直齿圆柱齿轮。1、模数的选取齿轮模数是一个重要参数，影响它的选取因素有很多，如齿轮的强度、质量、噪音、工艺要求等。啮合套和同步器的接合齿多数采用渐近线。由于工艺上的原因同一变速器中的接合齿模数相同。其取值范围是：乘用车和总质量 车变速器齿轮的法向模数 用车的发动机排量V/L 货车的最大总质量 14.0 汽车变速器常用的齿轮模数 （系列 、压力角的选取压力角较小时，重合度大，传动平稳，噪声低；较大时可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。对轿车，为加大重合度已降低噪声，取小些；对货车，为提高齿轮承载力，取大些。实际上，因国家规定的标准压力角为200，所以在本设计中变速器齿轮压力角定为 3、螺旋角的确定斜齿轮在变速器中得到广泛的应用。从提高低档齿轮的抗弯强度出发，并不希望用过大的螺旋角，以 515 为宜；而从提高高档齿轮的接触强度和增加重合度着眼，应选用较大的螺旋角。斜齿轮传递转矩时，为使工艺简便，可将螺旋角设计成一样的，中间轴上全部齿轮的螺旋方向应一律取为右旋。两轴式变速器为200250中间轴式变速器为 422 ；货车变速器： 618 ；所以初选斜齿轮螺旋角 。4、齿宽的确定齿轮宽度的承载能力增高。但试验表明，在齿宽增大到一定数值后，由于载荷分配不均匀，反而使齿轮的承载能力降低。所以，在保证齿轮的强度条件下，尽量选取较小的齿宽，以有利于减轻变速器的重量和缩短其轴向尺寸。通常根据齿轮模数的大小来选定齿宽：直齿 b=(.0)m，b=(.5)m，顶高系数齿顶高系数对重合度、齿轮强度、工作噪音、轮齿相对滑动速度、轮齿根切和齿顶厚度等有影响。、齿轮材料的选择变速器齿轮可以与轴设计成一体或与轴分开，然后用花键、过盈配合或者滑动支撑等方式之一与轴连接。齿轮尺寸小又与轴分开，其内径直径到齿顶圆处的厚求尺寸了使齿轮装在轴上以后，保持足够大的稳定性，齿轮轮毂部分的宽度尺寸C，在结构允许条件下应尽可能大一些，至少满足尺寸 2)， 2d 为花键内径。为了减小质量，轮辐处厚度应满足强度条件下设计得薄些。齿轮表面粗糙度数值降低，则噪音减小，齿面磨损速度减慢，提高了齿轮寿命。变速器齿轮齿面的表面粗糙度应在 围内选用。要求齿轮制造精度不低于7级。国内汽车变速器齿轮材料主要采用 515 520525 528渗碳齿轮表面硬度为 8 。心部硬度为 3 。值得指出的是，采用喷丸处理、磨齿、加大齿根圆弧半径和压力角等措施能使齿轮得到强 2化 。轮的模数和螺旋角后，可根据预先确定的变速器档数、传动比和结构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。下面结合本设计来说明分配各档齿数的方法。1、2一档齿轮，3、4二档齿轮，5、6三档齿轮7、8四档齿轮，9、10、11倒档齿轮。动方案本设计变速器四个前进挡采用斜齿圆柱轮，倒档采用直齿圆柱齿轮。（1）直齿 ）斜齿 定一档齿轮的齿数和传动比一档传动比为： 2 取整58，轿车 1Z 可在 1712 之间取，取 131Z ，则 452Z 。对中心距 00 ， 0A 为标准中心距。 00 ，带入上公式得： 2、 2 取整 59取 40,19 43 i 带入公式得： 。3、 2 取整 59取 34,25 65 4、 2 取整 59取 28,31 87 5、确定倒档齿轮的齿数和传动比倒档采用直齿圆柱齿轮，且传动比与一档相近，4110z ， 139 齿数一般在 2321 之间，取 2311z 。则二轴与倒档轴的中心距有：80)2341(21 1110 用变位齿轮，除为了避免齿轮产生根切和配凑中心距以外，它还影响齿轮的强度，使用平稳性，耐磨损、抗胶合能力及齿轮的啮合噪声。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相接近的程度。高度变位齿轮副的缺点是不能同时增加一对齿轮的强度，也很难降低噪声。角度变位齿轮副的变位系数之和不等于零。角度变位既具有高度变位的优点，又避免了其缺点。由几对齿轮安装在中间轴和第二轴上组合并构成的变速器，会因保证各挡传动比的需要，使各相互啮合齿轮副的齿数和不同。为保证各对齿轮有相同的中心距，此时应对齿轮进行变位。当齿数和多的齿数副采用标准齿轮传动或高度变位时，对齿数和少些的齿轮副应采用正角度变位。由于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。对斜齿轮传动，还可以通过选择合适的螺旋角来达到中心距相同的要求。变速器齿轮是在承受循环负荷的条件下工作，有时还承受冲击负荷。对于高挡齿轮，其主要损坏形式是齿面疲劳剥落，因此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。为提高接触强度，应使总变位系数尽可能取大些，这样两齿轮的齿廓渐开线离基圆较远，以增大齿廓曲率半径，减小接触应力。对于低档齿轮，由于小齿轮的齿根强度较低，加之传递载荷较大，小齿轮可能出现齿根弯曲、断裂的现象。为提高小齿轮的抗弯强度，应根据危险断面齿厚相等的条件来选择来选择大小齿轮的变位系数，此时小齿轮的变位系数，此时小齿轮的变位系数大雨零。由于工作需要，有时齿轮齿数取得少（如一挡主动齿轮）会造成轮齿根切。这不仅削弱了轮齿的抗弯强度，而且使重合度减少。此时应对齿轮进行正变位，以消除根切现象。总变位系数 21 c 减少，一对齿轮齿根总的厚度越薄，齿根越弱，抗弯强度越低。但是由于轮齿的刚度减小，易于吸收冲击振动故噪声要小一些。另外， c 值越小，齿轮的齿形重合度越大，这不但对降噪有利，而且由于齿形重合度增大，单齿承受最大载荷时的着力点距齿根近，弯曲力矩减小，相当于齿根强度提高，对由于齿根减薄而产生的削弱强度的因素有所抵消。根据上述理由，为了降低噪声，对于变速器中除去一、二挡和倒挡以外的其他各挡齿轮的总变位系数要选用较小一些的数值，以便获得低噪声传动。一般情况下，最高挡和一轴齿轮副的 c 可以选为着挡位的降低， c 值应该逐挡增大。一、二挡和倒挡齿轮，应该选用较大的 c 值，以便获得高强度齿轮副。一挡齿轮的 c 12 计算得： 查图得： ， ， 同理计算得： ， ， ， z 10z 113 41 23模数 3 103 58齿顶高 z 2z 3z 4z 5z 6z 7z 83 45 19 40 25 34 31 27模数 0 0 0螺旋角 250 250 00 200 200 200 200 200 200 200端面模数 5 120 51 117 68 92 86 74齿顶高 轮的损坏原因及形式齿轮的损坏形式分三种：轮齿折断、齿面疲劳剥落和移动换档齿轮端部破坏。轮齿折断分两种：轮齿受足够大的