现代SUV变速器设计

目 录摘要. 论. 目的意义. 国内外研究现状. 研究的基本内容. 本章小结. 变速器传动方案的确定. 倒挡布置方案.零部件结构方案分析.变速器操纵机构布置方案.本章小结.变速器各档传动比的确定.中心距的确定.齿轮参数.各挡齿轮齿数的分配.变速器轮齿强度计算.本章小结.速器轴设计计算与校核.变速器轴设计计算.变速器轴校核.轴承初选与校核.同步器的设计. 本章小结. 的意义21世纪，汽车工业成为中国经济发展的支柱产业之一，汽车企业对各系统部件的设计需求旺盛。随着汽车工业的迅猛发展，车型的多样化、个性化已经成为汽车发展的趋势。而变速器设计是汽车设计中重要的环节之一，变速器在汽车传动系中扮演着至关重要的角色。它是用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，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。因此它的性能影响到汽车的动力性和经济性指标。可以说，变速器是伴随着汽车工业出现的必然产物，是汽车上的必需品。在完成了最基本的传动功能之外，我们对变速器的要求也是越来越高，汽车的性能、使用寿命、能源消耗、振动噪声等在很大程度上取决于变速器的性能。由此可见，对汽车的变速器进行研究具有十分重要的意义。变速器在汽车传动系中扮演着至关重要的角色。它是用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，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。因此它的性能影响到汽车的动力性和经济性指标。在完成了最基本的传动功能之外，我们对变速器的要求也是越来越高，汽车的性能、使用寿命、能源消耗、振动噪声等在很大程度上取决于变速器的性能。由此可见，对汽车的变速器进行研究具有十分重要的意义。变速器由变速传动机构和操纵机构组成，对变速器设计的基本要求如下：1、车有必要的动力性和经济性。2、设置空挡，用来切断发动机动力向驱动轮的传输。3、设置倒挡，使汽车能倒退行驶。4、设置动力输出装置，需要时能进行功率输出。5、换挡迅速、省力、方便。6、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发生。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。满足汽车有必要的动力性和经济性指标，这与变速器的挡数、传动比范围和各挡传动比有关。汽车工作的道路条件越复杂、比功率越小，变速器的传动比范围越大。中一个重要原因就是设计手段落后，发达国家在机械产品设计上早已进入了分析设计阶段，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。目前，国内外普遍研究和采用电控自动变速器，这种变速器具有更好的驾驶性能、良好的行驶性能、以及更高的行车安全性3。但是驾驶员失去了驾驶乐趣，不能更好的体验驾驶所带来的乐趣。机械式手动变速器具有结构简单、传动效率高、制造成本底和工作可靠，具有良好的驾驶乐趣等优点，故在不同形式的汽车上得到广泛应用。在档位的设置方面，国外对其操纵的方便性和档位数等方面的要求愈来愈高2。解决的主要问题本设计的变速器是在北京现代变速器的参数基础上，在给定发动机输出转矩、转速及最高车速、主减速比等条件下，主要完成传动机构的设计，并绘制出变速器装配图及主要零件的零件图。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，以及所设计车辆的特点，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：档数、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与校核。5、轴承,同步器的选择。章小结本次设计主要是查阅机械式变速器设计的相关文件，结合书中关于变速器设计的相关知识，在指导老师的指导下进行自主设计。通过对相关资料的查阅对机械式变速器有一个整体的认识。第2章 速器传动方案的确定机械式变速器传动机构布置方案主要有两种：两轴式变速器和中间轴式变速器。与中间轴式变速器比较，两轴式变速器因轴和轴承数少，所以有结构简单、轮廓尺寸小和容易布置等优点，此外，各中间挡位因只经一对齿轮传动动力，故传动效率高同时噪声也低。因两轴式变速器不能设置直接挡，所以在高挡工作时齿轮和轴承均承载，不仅工作噪声增大，且易损坏。还有，受结构限制，两轴式变速器的一挡速比不可能设计的很大。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；而中间轴式变速器与输出轴的转动方向相同。由于此次设计的北京现代途胜变速器驱动形式属于发动机前置前轮驱动，所以选择两轴式变速器。两轴式变速器因轴与轴承数少，所以有结构简单、论过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，故传动效率高同时噪声也低。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准双曲面齿轮，发动机横置时则采用斜齿圆柱齿轮。变速器的一档或倒档因传动比大，工作时在齿轮上作用的力也增大，并导致变速器轴产生较大的挠度和转角，使工作齿轮啮合状态变坏，最终表现出轮齿磨损加快和工作噪声增加。为此，应该布置在靠近轴的支撑处，以便改善上述不良状况，然后按照从低档到高挡的顺序布置各档齿轮，这样做既能使轴有足够大的刚性，又能保证容易装配。常用档位的齿轮因接触应力过高而易造成表面点蚀损坏。将高挡布置在靠近轴的两端支撑中部区域较为合理，在该区域因轴的变形而引起的齿轮偏转较小，齿轮可保持较好的啮合状态，以减少偏载并提高齿轮寿命。挡布置方案与前进挡位比较，倒档使用流程不高，而且都是在停车状态下实现换倒挡，故多数方案均采用直齿滑动齿轮方式换倒挡。为实现倒挡传动，有些方案利用在中间轴和第二轴上的齿轮传动路线中加入一个中间传动齿轮的方案。短了中间轴的长度。但换档时有两对齿轮同时进入啮合，使换档困难；此前方案能获得较大的倒档传动比，缺点是换档程序不合理；档齿轮做成一体，将其齿宽加长；齿圆柱齿轮主要用于一档、倒档齿轮，与直齿圆柱齿轮相比，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长、运转平稳、工作噪声低等优点，所以本设计除了倒档其他选用斜齿轮。变速器齿轮可以与轴设计为一体或与轴分开，然后用花键、过盈配合或者滑动支承等方式之一与轴连接。齿轮尺寸小又与轴分开，其内径直径到齿根圆处的厚度b（响齿轮强度6。要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取大些，至少满足尺寸要求： 2) （d 花键内径。为了减小质量，轮辐处厚度应在满足强度条件下设计得薄些。噪声减少，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 求齿轮制造精度不低于7级。变速器中心距小，在壳体的同一端面布置两个滚动轴承有困难时，输出轴可以直接压入壳体孔中，并固定不动。用移动齿轮方式实现换档的齿轮与轴之间，应选用矩形花键连接，以保证良好的定心和滑动灵活，而且定心外径及矩形花键齿侧的磨削比渐开线花键要容易7。两轴式变速器输入轴和中间轴式变速器中间轴上的高档齿轮，通过轴与齿轮内孔之间的过盈配合和键固定在轴上。两轴式变速器的输出轴和中间轴式变速器的第二轴上的常啮合齿轮副的齿轮与轴之间，常设置有滚针轴承、滑动轴承，少数情况下齿轮直接装在轴上。此时，轴的表面粗糙度不应低与 m，硬度不低于5863渐开线花键定位性能良好，承载能力大且渐开线花键的齿短，小径相对增大能提高轴的刚度，所以轴与同步器上的轴套常用渐开线花键连接。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连接，并要求两者有相对运动的地方8。变速器中采用圆锥滚子轴承有直径较小、宽度较大因而容量大、可承受高负荷等优点。由于本设计的变速器为两轴变速器，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柱滚子轴承。驶员利用操纵机构完成选档和实现换档或退到空档。变速器操纵机构应当满足如下主要要求9：换档时只能挂入一个档位，换档后应使齿轮在全齿长上啮合，防止自动脱档或自动挂档，防止误挂倒档，换档轻便。变速器操纵机构通常装在顶盖或侧盖内，也有少数是分开的。变速器操纵机构操纵输入轴上的滑动齿轮、啮合套或同步器得到所需不同档位。用于机械式变速器的操纵机构，常见的是由变速杆、拨块、拨叉、变速叉轴及互锁、自锁和倒档装置等主要零件组成，并依靠驾驶员手力完成选档、换档或推到空档工作，称为手动换档变速器。1、直接操纵式手动换档变速器当变速器布置在驾驶员座椅附近时，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档功能的手动换档变速器，称为直接操纵变速器。这种操纵方案结构最简单，已得到广泛应用。近年来，单轨式操纵机构应用较多，其优点是减少了变速叉轴，各档同用一组自锁装置，因而使操纵机构简化，但它要求各档换档行程相等。2、换挡机构变速器换档机构有直齿滑动齿轮、啮合套和同步器换档三种形式。常啮合齿轮可用移动啮合套换档。因承受换档冲击载荷的接合齿齿数多，啮合套不会过早被损坏，但不能消除换档冲击。目前这种换档方法只在某些要求不高的档位及重型货车变速器上应用。使用同步器能保证换档迅速、无冲击、无噪声，而与操作技术的熟练程度无关，从而提高了汽车的加速性、燃油经济性和行驶安全性。同上述两种换档方法比较，虽然它有结构复杂、制造精度要求高、轴向尺寸大等缺点，但仍然得到广泛应用。利用同步器或啮合套换档，其换档行程要比滑动齿轮换档行程小。通过比较，考虑汽车的操纵性能，本设计除倒档外其他档位均选用同步器换档。3、防脱档设计互锁装置是保证移动某一变速叉轴时，其它变速叉轴互被锁住，该机构的作用是防止同时挂入两档，而使挂档出现重大故障。常见的互锁机构有：（1）锁销和顶销装在变速叉轴之间，用销子的长度和凹槽来保证互锁。如图2.3，时任一叉轴可自由移动。图2.3，b、c、其它叉轴被锁住。锁销式互锁机构（2）块用同心轴螺钉安装在壳体上，并可绕螺钉轴线自由转动，操纵杆的拨头置于锁块槽内，此时，锁块的一个或两个突起部分证换档时不能同时挂入两档。（3）纵杆拨头置于钳口中，钳形板可绕档时操纵杆转动钳形板选入某一变速叉轴槽内，此时钳形板的一个或两个钳爪抓住其它两个变速叉，保证互锁作用11。常是在倒档叉或叉头上装有弹簧机构，使司机在换档时因有弹簧力作用，产生明显的手感。锁止机构还包括自锁、倒档锁两个机构。倒档锁的作用是使驾驶员必须对变速杆施加更大的力，方能挂入倒档，起到提醒注意的作用，以防误挂倒档，造成安全事故。自锁机构的作用是将滑杆锁定在一定位置，保证齿轮全齿长参加啮合，并防止自动脱档和挂档。自锁机构有球形锁定机构与杆形锁定机构两种类型。析了它们的优缺点，并针对本次设计的车型以及性能要求选取一种最为适合的传动和操控方案。轴式）速器挡位选择增加变速器的挡数能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，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。在最低挡传动比不变的条件下，增加变速器的当属会是变速器相邻的低挡与高挡之间传动比比值减小，是换挡工作容易进行。制约小换挡工作越容易进行。要求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传动比比值小。近年来为了降低油耗，变速器的挡数有增加的趋势。目前轿车一般用4别高的轿车变速器多用5个挡，货车变速器采用4载质量在4挡变速器多用于重型货车和越野车。选用的是5挡变速器。2、传动比范围确定变速器的传动比范围是指变速器最低挡传动比与最高挡转动比的比值。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型货车在5他货车则更大。3、各挡传动比的确定项目 参数值发动机功率： 104173Km/188N21234000r/215/656000r/（3.1）最高车速， 173km/轮半径，r= 率转速 ，n=4000r/主减速器传动比 5最高挡传动比ui 低档传动比的计算按最大爬坡度设计，满足最大通过能力条件，即用一档通过要求最大坡角 坡道时，驱动力应大于或等于此时的滚动阻力和上坡阻力（加速阻力为零，空气阻力忽略不计）用公式表示为： （中：为），f 为坡道面滚动阻力系数（沥青路面中 f = 发动机最大扭矩（ r 为传动效率（ 为最大爬坡度（一般轿车要求爬上30%的坡，。由上式可得： iT = 0) x =用一档发出最大驱动力时，驱动轮不产生滑转现象。公式表示为： r ： ng i （中： 驱动轮的地面法向反力， 1 ； 中：q常数，也就是各挡之间的公比；因此，各挡的传动比为 5443322115 41 qi g 41.1 15 根据下述经验公式3 1 （中：A变速器中心距（中心距系数，乘用车： 用车： 8.9；发动机最大转矩（ 1i 变速器一挡传动比， 14；g 变速器传动效率，取96%； 发动机最大转矩， ， 3 1 = 3 % =中心距A=用车变速器的中心距在6580之间变化。数对货车，减小质量比减小噪声更重要，故齿轮应该选用大些的模数；从工艺方面考虑，各挡齿轮应该选用一种模数。啮合套和同步器的接合齿多数采用渐开线。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 质量 取较小的模数值可使齿数增多。车变速器齿轮法向模数车型 乘用车的发动机排量V/L 货车的最大总质量 14.0 轮的模数定为3合套和同步器的模数定为3、压力角 为20；螺旋角轿车变速器螺旋角：18263、齿宽c ， 齿宽系数，齿 ， 7。01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。一系列 定一挡齿轮的齿数取模数 3 螺旋角= 020 齿宽系数 112 （5 52、对中心距)3515( 21, 位系数的确定对一挡齿轮进行角度变位： 啮合角 A , = t =1 = n tt )( 21 = 20（ nn m nn 算分度圆直径分度圆直径 35 2 算分度圆直径齿根高 nf ( 0 =nn ( 0 =d =aa 11 22 af 11 22 定其它各挡的齿数1、二档齿轮 模数3， 取20， 齿宽 19,30 43 3019(3( 43 n A t查表得 3 nn nn m nn ( 0 =nf ( 0 =(2 23 aa 33 44 af 33 44 定三挡齿轮的齿数三档齿轮 模数3， 取20， 齿宽 246,275 2427(365( n A t65 =n tt )( 65 =5 nn nn m (5 分度圆直径 6 nn ( 0 =nf ( 0 =(2 35 aa 55 = 66 =af 55 = 66 =定四挡齿轮的齿数四档齿轮 模数3， 取20， 齿宽 298,227 87( n 啮合角 A , = t = =n tt )( 87 =8 nn m nn nn ( 0 =nf ( 0 =4/(27 d aa 77 = 88 af 77 88 =定五挡齿轮的齿数五档齿轮 模数3， 取20， 齿宽 3210,189 109( A , = t = = n tt )( 109 = nn m nn nn ( 0 =nf ( 0 =5/(29 d aa 99 = 1010 af 99 1010 =定倒挡齿轮齿数（直齿）倒挡齿轮选用的模数与一挡相同，倒挡齿轮 12Z 的齿数一般在2123之间，初选12Z =21 4111131211 1312 311 42,21,11 131211 ( 1211 (1312 1111 aa 1212 aa 1313 aa 2 *1111 2*1212 2 *1313 m，最高转速6000r/轮传动效率99%，离合器传动效率99%，轴承传动效率96%。输入轴 1T = 承离18899%96%=挡 1111 承 =1795/15=112 承 =1790/19=113 承 =1797/24=114 承 =1792/28=115 承 =1798/32s=齿承倒 =1792= w 形系数图 KT c 2 （中： w 弯曲应力（计算载荷（K 应力集中系数，可近似取 K =摩擦力影响系数，主、从动齿轮在啮合点上的摩擦力方向不同，对弯曲应力的影响也不同；主动齿轮 动齿轮 0.9；b齿宽（m模数；y齿形系数，计算载荷 作用到变速器第一轴上的最大转矩 ，一、倒挡直齿轮许用弯曲应力在400850车可取下限，承受双向交变载荷作用的倒挡齿轮的许用应力应取下限。2、斜齿轮弯曲应力 w T （中： 计算载荷（N法向模数（z齿数；斜齿轮螺旋角（）；K 应力集中系数， K =y齿形系数，可按当量齿数 3 在图中查得；齿宽系数 重合度影响系数， K =计算载荷作用到变速器第一轴上的最大转矩 ，对乘用车常啮合齿轮和高挡齿轮，许用应力在180350货车为100250、计算一挡齿轮1，2的弯曲应力1z =35， 2z =15， 6 T 31 1111 =80350 T 32 2112 =80350算二挡齿轮3，4的弯曲应力3z =30， 4z =19， 6 T 33 2123 =80350 T 34 2124 =80350算三挡齿轮5，6的弯曲应力5z =27， 6z =24， 6 T 35 3135 =80350 T 36 3136 =80350算四挡齿轮7，8的弯曲应力7z =22， 8z =28， 6 T 37 4147 =80350 T 38 4148 =80350算五挡齿轮9，10的弯曲应力9z =18， 10z =32， 6 T 39 5159 =80350 T 0310 51510 =80350算倒档齿轮11，12，13的弯曲应力校核11z =11， 12z =21， 13z =42， m=动