东方之子1.8轿车5挡变速器设计

摘 要变速器是汽车传动系统中比较关键的部件，它的设计好坏将直接影响到汽车的实际使用性能。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工况范围内工作。变速器设有空挡和倒挡。需要时变速器还有动力输出功能。因为变速箱在低档工作时作用有较大的力，所以一般变速箱的低档都布置靠近轴的后支承处，然后按照从低档到高档顺序布置各档位齿轮。这样做既能使轴有足够大的刚性，又能保证装配容易。变速箱整体结构刚性与轴和壳体的结构有关系。一般通过控制轴的长度即控制档数，来保证变速箱有足够的刚性。本文设计研究了两轴式五挡手动变速器，对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。关键字：变速器；传动比；齿轮；轴；强度校核of a of a a of of 摘要 第1章绪 论 件结构方案分析10第3章变速器的设计与计算 38第四章轴的设计及轴的强度校核 53第五章变速器同步器及壳体的设计 58第6章变速器操纵机构60结 论 61参考文献 62致 谢 63附 录64附录1实体建模64附录2英文文献69附录3文献翻译71第1章绪 论随着科学技术的不断进步，汽车工业相应得到了迅速发展。特别是从汽车的大批量生产及汽车工业的大发展以来，汽车已为世界经济的发展、为人类进入现代生活，产生了无法估量的巨大影响，为人类社会的进步做出了不可磨灭的巨大贡献，掀起了一场划时代的革命速器就成为了汽车重要的组成部分，现代汽车上广泛采用的往复活塞式内燃机具有体积小、质量轻、工作可靠和使用方便等优点，但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，故其性能与汽车的动力性和经济性之间存在着较大的矛盾，这对矛盾靠现代汽车的内燃机本身是无法解决的。因此，在汽车传动系中设置了变速器和主减速器，以达到减速增矩的目的。变速器设有空挡和倒挡。需要时变速器还有动力输出功能。本次设计车型变速器可以在汽车行驶过程中在发动机和车轮之间产生不同的变速比，换档可以使得发动机工作在其最佳的动力性能状态下。变速器通过离合器与发动机相连，变速器的输入轴就可以和发动机达到同步转速。通过本次变速器的设计可以使我们更好的了解变速器的构造和设计方法，把我们大学所学的知识连成线，穿在一起，让我们运用的更加熟练；并根据所确定的参数设计出了变速器的结构，在设计的过程中注重了变速器的合理性与实用性，最后画出了变速器的工程图，同时也为我们以后的工作打下了良好的基础，锻炼了我们的动手和实践能力，让我们的学习生活变的更有意义。着微电子技术的飞速发展，电子控制自动变速器的问世，给汽车带来了更理想的传动系统。机电一体化技术进入汽车领域，推动汽车变速器装置的重大变革。自动变速器装置出现了电子化趋势，特别是大规模集成电路技术的发展，使由微机控制发动机和变速器换挡成为可能。目前，在汽车上所使用的自动变速器主要有以下几类：液力自动变速器、电子控制机械自动变速器和机械无级自动变速器。液力自动变速器（T）的基本形式是液力变矩器与动力换档的旋转轴式机械变速器串联。从50年代起，装备液力自动变速器的轿车开始增多，但由于其效率明显低于机械变速器，而且结构复杂，成本高，从而限制了它的发展。60年代的研究重点是采用多元件工作轮来提高液力变矩器的效率。70年代是使用闭锁离合器提高变速器在高速时的效率。80年代则采用增加行星齿轮变速器档位的方法及使用电子控制。90年代，大量电子技术的应用，使液力自动变速器的发展进入了一个新的时期，综合性能有了较大的提高。如今，液力自动变速器在汽车上的装备率，美国为90%，日本为80%11。电子控制机械自动变速器是一种由普通齿轮式机械变速器组成的有级机械自动变速器。作为汽车关键总成之一，变速器技术在汽车诞生的百年历史中在不断地与时俱进。手动变速器由于其传递动力的直接与高效性，加上制作技术的成熟与低成本，现代汽车中装备手动变速器的汽车仍然占有很大比例。但随着人们对汽车舒适性要求越来越高，现代汽车自动变速器装备率越来越高却是一个不争的事实，尤其是当自动变速器也逐渐能够兼顾操控性的时候。但，传统自动变速器技术却由于其效率的低下而在等待一场革命4。达国家再机械产品设计上早已进入了分析阶段，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、可靠性设计等应用到产品设计中，采用机械析、仿真、干涉检查、实现三维设计，大大地提高产品设计的一次成功率，减少了试验费用，缩短了产品更新周期。而我们的设计手段仍处于以经验设计为主的二维设计阶段，设计完成后在投产中往往要进行很大的改动，使得产品开发周期很长，性能质量低等。为改变我国的车辆零部件的生产和设计手段的落后状况，缩短新产品的开发周期，提高市场竞争力，有必要开发一些适合中国国情的汽车及零部件的已开发的国的主要目标就是建立完善的国汽车工业最早应用了国通用汽车公司、福特汽车公司等都已广泛应用们将结构、强度、刚度等计算、三维实体造型应用于汽车的设计开发中，将生产效率提高，产品质量得到保证，市场响应速度提高，从而大大地提高了他们的竞争力，为他们带来了巨大的经济效益。他们应用的、1。手动变速器的许多最近的发展集中在为降低成本和体积的新制造方法上。传统来说，变速器制造包含大量昂贵的机器，以及为机械加工和装配操作所需留出的空间限制的设计15。最新的技术包括，如在最新的替代前一代变速器的铸铁拨叉，这种精致而坚固的设计方案可以导致更少的对内部的损害。齿轮盘片的激光和摩擦焊接同时保证了所需机器设计空间的降低，这是一种由雷诺公司在5档副轴圆型变速器设计中发明的技术，命名为在2000年展出并因为它的简单和轻便仅22公斤却能提供140N一方面，设计人员也在其齿轮提供转矩输出的设计上进行了认真的研究，提高了耐久性和低噪声水平14。用汽车理论的知识进行设计。主要内容如下：数选择、零件设计强度计算轴的设计同步器的设计操纵机构、箱体设计完成工程图纸变速器的功用结构方案的确定变速器主要参数选择传动比及齿数确定 布置方案的确定 计系统（1）对变速器传动机构的分析与选择通过比较两轴和中间轴式变速器各自的优缺点，以及所涉及车辆的特点，确定传动机构的布置形式。（2）变速器主要参数的选择变速器主要参数的选择：挡数、传动比、中心距、齿轮参数等。（3）变速器齿轮强度的校核变速器齿轮强度的校核主要是针对变速器的齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度进行校核。（4）轴的基本尺寸的确定及强度计算对于轴的强度计算原则是对轴的刚度和强度分别进行校核。（5）轴承的选择和同步器的设计对变速器轴的支撑部分选用圆锥滚子轴承，根据车辆的载质量和使用要求选择锁销式同步器，并确定同步器的尺寸参数。（6）设计变速器的操纵机构参考多方资料，设计了典型的操纵机构及其互锁装置。（7）对变速器进行三维建模利用利用件图的绘制。证汽车有必要的动力性和经济性；设置空档，用来切断发动机动力向驱动轮的传输；设置倒挡，使汽车能倒退行驶；换挡迅速、省力、方便；工作可靠，汽车行驶过程中，变速器不得有跳挡、乱挡，以及换挡冲击等现象出现；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；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2章变速器总体方案设计21变速器传动机构布置方案分析按其轴中心线的位置又分为固定轴线式、螺旋轴线式和综合式的。其中固定轴式应用广泛，有两轴式和三轴式之分，前者多用于发动机前置前轮驱动的汽车上，而后者多用于发动机前置后轮驱动的汽车上。）两轴式变速器两轴式变速器如图2轴和轴承数少，所以有结构简单、轮廓尺寸小和容易布置等优点，此外，各中间档位因只经一对齿轮传递动力，故传动效率高同时工作噪声小。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，且易受损。对与前进挡，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。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。除倒挡常用滑动齿轮（直齿圆柱齿轮）外，其他挡均采用常啮合斜齿轮传动；各挡的同步器多装在第二轴上，这是因为一档的主动齿轮尺寸小，装同步器有困难；而高挡的同步器也可以装在第一轴的后端1。轴式变速器（2）第一轴的常啮合齿轮与第二轴的各挡齿轮分别与中间轴的相应齿轮相啮合，且第一、第二轴同心。将第一、第二轴直接连接起来传递扭矩则称为直接挡。此时，齿轮、轴承及中间轴均不承载，而第一、第二轴也传递转矩。因此，直接挡的传递效率高，磨损及噪音也最小，这是三轴式变速器的主要优点。其他前进档需依次经过两对齿轮传递转矩。因此。在齿轮中心距（影响变速器尺寸的重要参数）较小的情况下仍然可以获得大的一挡传动比，这是三轴式变速器的另一优点。其缺点是：处直接挡外其他各挡的传动效率有所下降3。车三轴式四档变速器由于本次设计的东方之子变速器是中档轿车变速器，驱动形式属于发动机前置前轮驱动，且设计车速高，要求运行噪声低，故选用二轴式变速器作为传动方案。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准双面齿轮，发动机横置时则采用斜齿圆柱齿轮；多数方案得倒挡传动常采用滑动齿轮，其他挡位均采用常啮合齿轮传动。图2的倒挡齿轮为常啮合齿轮，并采用同步器换挡；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又困难，而高挡的同步器可以装在输出轴后端，如图2e）所示；图2示方案的变速器有辅助支撑，用来提升轴的刚度，减少齿轮磨损和降低工作噪声3。轴式变速器传动方案综上所述，本次设计选择五挡变速器如图2示。2-4（a）为常见的倒挡布置方案。在前进挡的传动路线中，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挡全同步器式变速器中。图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。某些轻型货车四挡变速器采用此方案。图2-4(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2-4(d)所示方案针对前者的缺点做了修改，因而经常在货车变速器中使用。图2-4(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2-4(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。(a) 小客车常用 (b) 直齿滑动啮合四挡 (c) 多数五挡采用 (d)e) 前进挡常啮合 (f) 前进挡常啮合 (g) 一、挡布置方案综合以上因素，为了换挡轻便，减小噪声，倒挡传动采用图2-4（f）所示方案。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挡和倒挡。但是，在本设计中由于倒挡采用的是常啮合方案，因此倒挡也采用斜齿轮传动方案，各挡均采用斜齿轮传动3。轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、滑动轴套等。滚针轴承、滑动轴承套主要用在齿轮与轴不是固定链接，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、宽度较大因而容量大、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12。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。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。由于本设计的变速器为两轴式变速器，采用发动机前置前轮驱动，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。合套和同步器三种。直齿滑动齿轮换档的特点是结构简单、紧凑，但由于换档不轻便、换档时齿端面受到很大冲击、导致齿轮早期损坏、滑动花键磨损后易造成脱档、噪声大等原因，初一档、倒档外很少采用。啮合套换档型式一般是配合斜齿轮传动使用的。由于齿轮常啮合，因而减少了噪声和动载荷，提高了齿轮的强度和寿命。啮合套有分为内齿啮合套和外齿啮合套，视结构布置而选定，若齿轮副内空间允许，采用内齿结合式，以减小轴向尺寸。结合套换档结构简单，但还不能完全消除换档冲击，目前在要求不高的档位上常被使用。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1。在本设计中所采用的是锁环式同步器，该同步器是依靠摩擦作用实现同步的。但它可以从结构上保证结合套与待啮合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，以免齿间冲击和发生噪声。样在啮合时，使接合齿端部超过被接合齿约13用中接触部分挤压和磨损。这样，换挡后啮合套的后端面被后齿圈的前端面顶住，从而减少自动脱档。成倒锥角（一般倾斜23），使接合齿面产生阻止自动脱档的轴向力7。简要分析各类型机构的优缺点，针对本次设计变速器类型、特点及功用，对变速器的传动机构操纵机构的布置方案，主要零件的形式进行选择，为后期的设计工作打下基础。车主要技术参数发动机最大功率 97轮型号 205/6570Nm 最大功率转速 5750r/500r/高车速 190km/440轴载荷 他商用车则更大。1、变速器传动比的确定发动机转速与汽车行驶速度之间的关系式为：ga （中： km/h)；r/m）；i 轮半径由所选用的轮胎规格所得r=0 750=70 = e rT i i mg f e rT i 2、最低档、最高档传动比的确定选择最低档传动比，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2。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 （中 5 f=传动比为得的变速器 1440 =G rT i （中: 速器各挡传动比的确定按等比级数分配其它各挡传动比，即： 6554433221式中：q常数，也就是各挡之间的公比；因此，各挡的传动比为51 ， 42 ， 33 24 ， 511 5gn i =以各挡传动比与挡传动比的关系:25 4135 3145 215q= 3 1 （ =为中心距（ 中心距系数，轿车： .3；发动机最大转矩（ ）；1g 车变速器的中心距在6080取A=根据齿轮直径以及倒档中间齿轮和换挡机构的布置初步确定。影响变速器壳体的轴向尺寸的因素有挡数、换挡机构形式以及齿轮形式。L=（72=216轮模数选取的一般原则13：1）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；综上所述：一挡二挡倒挡模数为3，、压力角压力角较小时，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。在本设计中变速器齿轮压力角取20；3、螺旋角斜齿轮在变速器中得到广泛的应用。从提高低挡齿轮的抗弯强度出发，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，应选用较大螺旋角。乘用车变速器：两轴式变速器为 2025中间轴式变速器为 2234商用车车变速器：1826斜齿轮螺旋角取25；4、齿宽应注意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均有影响。通常根据齿轮模数齿：b=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。一挡b=21挡b=18挡b=挡b=21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挡齿轮的齿数。2z （整得43，轿车 1z 取12，则 2z =31。则一挡传动比为：211 31 z （中心距（ 43 取整得 0 72A 0A 为标准中心矩。42 (430 n 已知： 0A =72i =3， 25 ；将数据代入上（式，齿数取整得： 3 14z ， 4 29z ，所以二挡传动比为：42 3 29 z 63 ( 650 n 已知： 0A =723i =25 ；将数据代入上（式，齿数取整得：