机械毕业设计（论文）-轿车自动变速器的设计（全套图纸）.pdf

哈尔滨工业大学华德学院毕业设计（论文） - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 自动变速器的特点及分类 首先自动变速器取消了传统的离合器片与离合器压盘， 取而代之的是液 力变矩器，它的优点是通过自动变速器的油液按传递发动机传出的动力，这 样即使在车辆怠速挂档后也不会熄火， 而且发动机的动力平缓地传递给变速 器。另外，它可以实现在前进档位下的自动变档，即根据车辆的负荷以及车 速的变化增减档，减少了人为换档的劳动量，使人们在城市拥挤的交通状况 下享受到轻松的驾车感受。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 汽车变速器是为解决发动机输出的转速和转矩与车辆驱动所需的转速 和转矩间的矛盾而设立的。车辆行驶性能的好坏，不仅取决于发动机，而且 在很大程度上还依赖于变速器以及变速器与发动机的匹配。 目前自动变速器技术的应用，主要有以下三种形式：液力自动变速器; 电控机械式自动变速器，简称;机械无级变速器。其中，液力自动变速器和 机械无级变速器一样，是有级变速器的自动换档控制，而非无级变速器。 液力自动变速器 液力自动变速器的基本结构是由液力变矩器与动力换档的辅助变速装置 组成。液力变矩器安装在发动机和变速器之间，以液压油为工作介质，起传 递转矩、变矩、变速及离合的作用。液力变矩器可在一定范围内自动无级地 哈尔滨工业大学华德学院毕业设计（论文） - 2 - 改变转矩比和传动比，以适应行驶阻力的变化。但是由于液力变矩器变矩系 数小， 不能完全满足汽车使用的要求， 所以， 它必须与齿轮变速器组合使用， 扩大传动比的变化范围。目前，绝大多数液力自动变速器都采用行星齿轮系 统作为辅助变速器。行星齿轮系统主要由行星齿轮机构和执行机构组成，通 过改变动力传递路线得到不同的传动比。由此可见，液力自动变速器实际上 是能实现局部无级变速的有级变速器。 液力自动变速器是目前使用最多的自 动变速器。采用此种类型的自动变速器，免除了手动变速器繁杂的操作，使 开车变得省力。同时，电子控制也使自动切换过程柔和、平顺，因此汽车具 有良好的乘坐舒适性和安全性、优越的动力性和方便的操纵性。但这种变速 器效率低，结构复杂，成本也较高。 电控机械式自动变速器 电控机械式自动变速器是在传统固定轴式变速器和干式离合器的基础上， 应用电子技术和自动变速理论来实现机电一体化协调控制的。车辆起步、换 档的自动操纵是以电控单元（ECU）为核心，通过液压或气压执行机构来控 制离合器的分离与接合、选换档操作以及发动机节气门的调节的。ECU 根 据车辆的运行状况（发动机转速、变速器输入轴转速、车速） 、驾驶员意图 （油门开度、制动踏板行程）和道路路面状况（坡道、弯道）等因素，按预 先设定的由模拟熟练驾驶员的驾驶规律（换档规律、离合器接合规律） ，借 助于相应的执行机构（发动机油门控制执行机构、离合器执行机构、变速器 换档执行机构） ，对发动机、离合器、变速器的协调动作进行自动操纵。 AMT 既具有液力自动变速器自动变速的优点， 又保留了原手动变速器齿 轮传动的效率高、成本低、结构简单、易制造的长处。它揉合了二者优点， 是非常适合我国国情的机电一体化高新技术产品。 它是在现生产的机械变速 器上进行改造的，保留了绝大部分原总成部件，只改变其中手动操作系统的 换档杆部分， 生产继承性好， 改造的投入费用少， 非常容易被生产厂家接受。 它的缺点是非动力换档，这可以通过电控软件方面来得到一定弥补。 在几种自动变速器中，AMT 的性能价格比最高。在中低档轿车、城市 客车、军用车辆、载货车等方面应用前景较广阔。 无级自动变速器 机械式无级变速器种类很多，有实用价值的仅有 V 形金属带式。金属 带式无级变速器属摩擦式无级变速器，其传动与变速的关键件是具有 V 型 槽的主动锥轮、从动锥轮和金属带，金属带安装在主动锥轮和从动锥轮的 V 形槽内。每个锥轮由一个固定锥盘和一个能沿轴向移动的可动锥盘组成，来 哈尔滨工业大学华德学院毕业设计（论文） - 3 - 自液压系统的压力分别作用到主、从动锥轮的可动锥盘上，通过改变作用到 主、从动锥轮可动锥盘上液压力的大小，便可使主、从动锥轮传递扭矩的节 圆半径连续发生变化，从而达到无级改变传动比的目的。机械式无级自动变 速器传动比连续，传递动力平稳，操纵方便，同时因加速时无需切断动力， 因此汽车乘坐舒适，超车加速性能好。特别值得一提的是，由于可使发动机 始终在其经济转速区域内运行，从而大大改善了燃油经济性。但与齿轮传动 相比， 效率并不高，且此种变速器起动性能差，需另加起动装置，制造困难， 价格也较高。 1.2 我国自动变速器的发展现状 （1）液力自动变速器的发展与现状 我国从 60 年代起，就在“红旗”770 轿车上使用了具有 2 个前进档的 液力自动变速器，1975 年又研制出具有 3 个前进档的 CA774 液力自动变速 器。 随着中国的改革开放，大量国外轿车进入我国市场，其中许多中高档轿车是 带有自动变速器的，而其类别几乎全部是液力自动变速器。这也使一大批汽 车修理企业对液力自动变速器的维修变得十分熟悉。 由于对自动变速器良好 性能的逐渐认识，用户的需求量越来越大，使国内汽车企业加快了自动变速 器的发展步伐。 1998 年上海通用汽车公司（SGM）生产的用于别克轿车上的 4T65E 电 子控制自动变速器正式下线，1999 年开始批量生产并投放市场，率先在国 内将 AT 作为标准配置装于轿车。 1999 年中日合资生产的本田雅阁轿车也正 式投产，其 AT 为本田技术 PAX 型，它弃用行星齿轮，而选择常啮合平行 轴式结构，零件少、易制造是其长处，它采用了全电子直控式变速装置，能 使变速、燃油喷射以及巡航等控制相结合。与此同时，上海大众的帕萨特 B5、一汽大众的捷达都市先锋都装备了自动变速器 AG4- 95。神龙公司也向 市场投放了装备进口的 AL4 智能型自动变速器的富康 988“领导者”以及 富康 1.6L 轿车。它采用了模糊控制理论和动力传动系统综合控制技术，实 现了智能化控制，电子控制单元中有 10 种换挡规律，按需分别调用几种换 挡规律或同时或交替工作，共同控制变速器的状态。一汽大众的 A6 高级轿 车上作为选装件的 AT 为 Tiptronic 型， 在自动变速的基础上可提供手动换挡 功能。北京吉普公司在切诺基越野汽车上小批量装备了 AW4 自动变速器， 现已达到 1000 多台。因此，在国产车上选装液力自动变速器已成为必然之 哈尔滨工业大学华德学院毕业设计（论文） - 4 - 势。 至于城市客车（即公共汽车）频繁起步换挡，变速器、离合器和制动 器的使用频率是一般车辆的 10 倍左右，劳动强度极大，即使是职业驾驶员 也因受心理与生理所限， 迫切要求使用自动变速器。 国外几乎是 100%装用， 我国 1995 年首次在国产公共汽车上装备了 Allison 自动变速器，遍及深圳、 上海、广州、南京等城市，其中深圳已占有 40%。 （2）电控机械式自动变速器的发展与现状 在电子控制机械式自动变速器方面，国内有关部门也正在进行研究。 国内对 AMT 技术的研究开展的比较晚，九五期间被列为”九五”科技攻关项 目。目前，开展这方面研究的有吉林工业大学、北京理工大学、上海交通大 学、深圳市欣源晟实业有限公司、哈尔滨埃姆特汽车电子有限公司、重庆东 方欧翔汽车电子有限公司等。 国内的研制水平基本上处于全自动 AMT 的发展 阶段，和国外相比还存在着相当大的差距，但在理论上的研究和国际水平相 当。 原吉林工业大学对 AMT 理论进行了广泛的研究， 先后提出了 2 参数最 佳换档规律、 动态 3 参数换档规律、 最佳同步换档规律、 动态闭环换档控制、 离合器模糊起步控制等理论，并在轻型车、重型车、轿车等不同的车型上进 行了装车实验。北京理工大学对 AMT 的研究主要在重型车辆上，该校所研 制的某装甲车 AMT 产品已经进行了 3000km 定型试验考核，通过了产品设 计定型。该产品采用电控液压执行机构，能够完全进行自动换档操作，也可 操作换档手柄进行人工换档，该产品还具有保持档功能、自学习功能。原车 的操纵机构仍然保留，在电控系统出现故障时，可以进行手动操纵。深圳市 欣源晟实业有限公司在轿车上实现了 AMT 自动换档，其执行机构为普通电 机，由 3 个电机分别实现油门、离合器、选档、换档的操作动作，通过对传 动机构的设计，选档和换档的操作只需一个电机就可完成，离合器的驱动机 构采用省力装置，减小了驱动电机的功率。目前部分车型如奇瑞 QQ 等已选 装 AMT 自动变速器。 （3）无级自动变速器的发展与现状 至于机械式无级变速器，早在十年前，国内就有高校购买过国外样机作 分析研究。重庆大学正在对 CVT 的结构、运动机理进行基础研究;东风汽车 公司和吉林大学、东北工业大学、湖北汽车工业学院合作，承担了国家科技 部九五重大攻关项目，对 CVT 技术进行实用化研究。目前，CVT 自动变速 器已应用于很多车型，如奥迪 A6、南京菲亚特的西耶那 Speedgear、奇瑞旗 哈尔滨工业大学华德学院毕业设计（论文） - 5 - 云等。 根据国外目前 CVT 应用的趋势和所做的预测， CVT 可能是小功率 （发 动机排量 2L 以下）液力自动变速器最有威胁的挑战者，国内市场前景不容 忽视。 1.3 设计目的 我国是汽车数量大国， 随着社会发展人们对汽车的舒适性能要求越来越 高，在我国广阔的汽车市场中，轻型车和微型车占有不小的比例，这两种车 型中自动变速器的使用率不高，技术也不先进。自动变速器具有操纵方便、 能提高发动机和传动系的使用寿命及汽车的动力性和适应性、 能减轻汽车对 环境的污染等多方面的优点，在汽车上被广泛应用。目前三速自动变速器主 要应用在韩国现代 A4AF,A4BF，日本马自达 FA3A- EL 和 GF4A- EL,德国大 众 096 和 097 等车型中。对自动变速器技术的研究，我们起步较晚，与发达 国家还有一定的差距。 1.4 三速自动变速器齿轮变速系统的设计要求 （1）为汽车提供三个前进档和一个倒档。 （2）结构简单，以降低加工难度和减小制造成本。 （3）操作方便，以减少驾驶员的工作疲劳度 小结：自动变速器主要有：液力自动变速器，电控机械式自动变速 器，无级自动变速器。 我国自动变速器的发展与国外发达国家还有一定的距离。 但国内市场前 景良好。 哈尔滨工业大学华德学院毕业设计（论文） - 6 - 哈尔滨工业大学华德学院毕业设计（论文） - 7 - 第 2 章 三速自动变速器齿轮结构设计 2.1 变速器齿轮机构图及工作原理 2.11 三速自动变速器齿轮的机构 为满足设计要求，变速器结构紧凑，适合轻型、微型车使用，本设计采 用拉维纳式，即两行星轮共用一个支架，它由双排的行星齿轮构成。具有大 小两个太阳轮、三个长行星齿轮和三个短行星齿轮并共用同一个行星架。仅 有一个齿圈并和输出轴连接。 拉维纳行星齿轮机构可以组成三个前进档和一 个倒档。它的前排是一个简单的行星齿轮机构。而后排则是一个双行星齿轮 机构。 （如图 2-1） 图 2-1 拉维纳式自动变速器 2.12 各执行元件的功能 该机构的变速执行元件共有五个。前多片离合器 C1，后多片离合器 C2， 前制动带 B1，后制动带 B2，单向离合器 F1。当多片离合器、制动带和单 向离合器起作用时，具有以下效果。 （1）多片离合器 C1作用来自于输入轴（涡轮轴）的输入动力接到后排小阳 轮。 （2）多片式离合器 C2作用，把来自涡轮轴的输入动力接到前排大太阳轮。 哈尔滨工业大学华德学院毕业设计（论文） - 8 - （3）制动器 B1的作用是固定前排大太阳轮不动，结果长行星齿轮围绕大太 阳轮外缘转动，行星齿轮机构作用。 （4）单向离合器的作用，固定行星架不动，单向离合器在逆时针转动时有 自锁功能。它具有后制动带作用的同样功能。 （5）制动器 B2的作用是，固定行星架不动，此时行星齿轮作为过渡轮。它 绕自己轴线转动。 2.1.3 三速自动变速器换挡原理 1）一档 操纵杆位于 D 档位置。C1 多片离合器作用，小太阳轮为驱动元件。F1 单 向离合器作用并将行星架制动。齿圈作为输出元件将动力传递给输出轴。 在这里行星齿轮只起过渡作用，为了改变输入动力的旋转方向。对机构的 速比影响忽略不计。因为多了一组过渡的行星齿轮，所以输出轴和和发动机 的旋转方向相同。 当小太阳轮顺时针方向旋转时，长行星轮最终带动齿圈也顺时针方向旋 转，此时，齿圈给行星架反作用的力矩。使行星架产生逆时针转动的趋势。 由于 F1 逆时针转动时自锁，所以行星架被制动。 汽车处于滑行状态时，由驱动轮逆向输入的动力带动齿圈顺时针高速旋 转。通过长行星轮对行星架产生顺时针转动的力矩，于此同时，太阳轮仍有 来自发动机的怠速动力带动时期顺时针低速转动。 但最终使行星架脱离单向 离合器的锁止，顺时针自由空转。这就是 1 档的汽车滑行。当驱动轮的转速 低于某一值时，行星架又被 F1 单向离合器锁止，汽车滑行状态结束，又从 新回复驱动状态。汽车下坡时，驱动轮可以通过行星齿轮机构，反向带动发 动机。利用发动机怠速运转阻力，实现发动机制动。 2）二档 C1 多片离合器和制动器 B2 同时作用。小太阳轮依然是驱动件，大太 阳轮被 B2 制动。由于大太阳轮被制动，长行星齿轮只能在行星架的顺时针 转动的基础上实现顺时针转动。最后带动齿圈旋转。齿圈带动输出轴旋转。 其转动方向与发动机方向一样，输出轴是减速运动。这是 2 档的输出轴转速 比一档高， 这是由于齿圈转动的同时由长行星齿轮的自转和行星架的公转共 同带动。 3）三档 C1 C2 C3 多片离合器共同工作，此时为直接档，传动比为 1 哈尔滨工业大学华德学院毕业设计（论文） - 9 - 4）倒档 此时多片离合器 C2 和制动器 B1 共同作用。大太阳轮作为驱动件，行 星架被 B1 制动。动力由输出轴传给大太阳轮顺时针旋转，并带动长行星齿 轮逆时针旋转， 由于此时行星架制动所以长行星齿轮只能带动齿圈逆时针旋 转，实现倒档。 2.1.4 变速器原理图 目前自动变速器所采用的行星齿轮机构主要有两种形式组成即辛普森式 和拉维纳式。拉维纳式行星齿轮机构由双排的行星齿轮构成。具有大小两个 太阳轮、三个长行星齿轮和三个短行星齿轮并共用同一个行星架。仅有一个 齿圈并和输出轴连接。 即两行星轮共用一个支架， 它由双排的行星齿轮构成。 具有大小两个太阳轮、 三个长行星齿轮和三个短行星齿轮并共用同一个行星 架。仅有一个齿圈并和输出轴连接。它与辛普森式自动变速器不同在于，辛 普森式自动变速器由两排行星架构成，两个行星齿轮公用一个太阳轮。其前 后齿圈链接为一个整体。前行星齿轮和后齿圈组件连接。为满足设计要求， 变速器结构紧凑，适合轻型、微型车使用，本设计采用拉维纳式。 拉维纳式原理气路原理如图 2- 2 所示。 图 2- 2 工作原理示意图 1.长行星齿轮 2齿圈 3.行星架 4.短行星齿轮 5.小太阳轮 6 大太阳轮. C1、C2、C3 为 1、2、3 号离合器其中 B1、B2 为 1、2 号制动器 F 为单向 2.1.5 各档位工作情况分析表 哈尔滨工业大学华德学院毕业设计（论文） - 10 - 表 2-1 档位 驱动件 制动件 输出件 工作元件 一档 小太阳轮 行星架 齿圈 C1、F 二档 小太阳轮 大太阳轮 齿圈 C1、B2 三档 大小太阳轮 无 齿圈 C1、C2、C3 R 档 大太阳轮 行星架 齿圈 C2、B1 2.2 三速自动变速器的设计 2.2.1 三速自动变速器设计参数 整备质量：1180Kg 发动机最大功率：62.5Kw 最大扭矩：108Nm 最低转速：2000rpm 发动机最高转速：6000rpm 高车速 140km/h 最大爬坡度： 20 轮胎型号：205/60/R15 主减速器传动比：5.03 2.2.2 各档位传动比计算 设定长行星轮齿数为 1 Z,齿圈齿数为 2 Z，短行星齿轮齿数为 4 Z，小太阳 轮齿数为 5 Z ，大太阳轮齿数为 6 Z 。 一档传动比的计算： 由于一档时行星架被固定，故该轮系为定轴轮系，动力由小太阳 轮传递给短行星轮。短行星齿轮传递给长行星轮。长行星齿轮传递给齿圈。 此时大太阳轮处于空转，因此得出： 2 54122 1 25415 ( 1) nZZZZ i nZZZZ = = （2- 1） 二档传动比计算：此时大太阳被制动，大太阳轮在自转的同时给小太阳 轮一个力矩。 因此 对于后排行星轮（短行星轮）得传动比得出： 哈尔滨工业大学华德学院毕业设计（论文） - 11 - () 2 3 534122 52 235415 1 nnZZZZ i nnZZZZ = = （2- 2） 在二档传动比的计算时长行星齿轮将来自短行星齿轮的转速传给齿圈。 对于前排行星轮（长行星轮） () 3 63212 62 23616 1 nnZZZ i nnZZZ = = （2- 3） 由于大太阳轮被制动 ,故0 6 =n（自转转速） 综合以上三式得出： 22 65 2 2 6 1 ZZ ZZ i Z Z + = + 三档（直接档）传动比的计算： 由于行星齿轮副被锁止，该系统成为一个整体在转动，因此1 3 =i 倒档传动比的计算： 行星架被制动，该轮系为定轴轮系，倒档工作时动力由大太阳轮传递给 长行星齿轮，此时传动比 122 616 1 R ZZZ i ZZZ = = （2- 4） 2.2.3 最高车速的验算 达到最高车速时，变速器处于最高档（即直接档）变速器的传动比为 1 75.141 1060 36002 3 0 max = = l p r n u p n 为发动机最高转速 6000rpm 0 主减速器传动比 5.03 l r 轮胎半径 0.3135m 最高车速为 140km/h 所以 max u140km/h 满足要求 哈尔滨工业大学华德学院毕业设计（论文） - 12 - 2.2.4 齿轮齿数的确定 传动系最大传动比确定： 综合汽车的最大爬坡度，最低车速，加速时间和附着条件等要求做出计 算设计： , 0= w F0= j F maxmaxift FFF+= () 73 . 2 sincos 00max 1 = + iT rfG ig (2-5) 式中：G整车重力 11800N f汽车频率取 0.02 汽车最大爬坡度 r轮胎半径 0.3135m 90 . 0 0 = 大传动比满足： max max 377 . 0 u nr i= (2-6) 汽车的最小传动比: 汽车的最小传动比影响汽车的驾驶性能最小传动比过小，汽车在重负荷 下工作加速性不好出现噪声振动。最小传动比过大，燃油经济型差，发动机 噪声大。 在汽车的最小传动比传动比不同的情况下汽车的功率如图所示： 图 2-3 不同最小传动比时汽车的功率图 哈尔滨工业大学华德学院毕业设计（论文） - 13 - 各档传动比的分配: 变速器中各档传动比按等比级数分配关系： gn gn g g g g i i i i i i 1 3 2 2 1 (2-6) 实际高档的利用率远大于低档， 因此等比级数关系到高档位的性能及变速器 的使用性能。等比级数传动比的分配对于发动机有很多优点，在发动机工作 范围都相同的时候，加速时便于操作；各档位工作所对应的发动机功率都比 较大，有利于汽车的动力性。 图 2-4 为一些常见的发动机传动比的比值，根据此图可以对传动比的比 值选取进行参考。 图 2-4 常见轿车传动比比值 如图所示上诉常见车型均为轿车类型其传动比应比乘用车小。 因而选取 时应选取较大值。 在爬坡度的选择时货车在各种路况下行驶一般最大传动比在30%即 7 . 16 。而越野车要在坏路或无路情况下行驶。爬坡度对于越野车是一个重 要指标，它的最大爬坡度可达到 60%即 31 左右。在爬坡度的选取时乘用车 在 7 . 16 31 之间选择。今年来由于道路环境的改善而且乘用车的应用广泛， 所以爬坡度的选取应接近货车。 考虑到汽车在平坦路面上行驶时的燃油经济性， 变速器最高档位选为直 接档（传动比为 1） ，此时汽车的动力性和燃油经济性由发动机及驱动桥主 哈尔滨工业大学华德学院毕业设计（论文） - 14 - 减速比决定。变速器低档（一档）的传动比决定了汽车的最大爬坡度。因此 选择最低档传动比时，应根据汽车的最大爬坡度、驱动轮与路面附着力、汽 车的最低稳定车速，以及主减速比和驱动车轮的滚动半径等综合考虑。为了 满足汽车的足够的爬坡度。良好的附着力及可靠的工作。 综合以上因素选定自动变速器各档传动比为：551. 2 1= i 510. 1 2 =i 000 . 1 3 =i 050. 2= R i 将所选择的传动比带入式子（2-1） 、 （2-2） 、 （2-3