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摘 要
变速器用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速,是汽车总成部件中的重要组成部分,是主要的传动系统。变速器的结构要求对汽车的动力性、燃料经济性、换档操纵的可靠性与轻便性、传动平稳性与效率等都有直接的影响。
本文设计研究了三轴式五档手动变速器,其目的主要是基于对机械原理、机械设计、AutoCAD等知识的熟练运用和掌握,同时运用汽车构造、汽车设计、材料力学、互换性测量等学科知识,对三轴式变速器的各部件进行设计,并利用AutoCAD软件绘制装配图和零件图等六项内容。首先,本文将概述变速器的现状和发展趋势,介绍变速器领域的最新发展状况。其次,对工作原理做了阐述,对不同的变速器传动方案进行比较,选择合理的结构方案进行设计。再次,对变速器的各档齿轮和轴以及轴承做了详细的设计计算,并进行了受力分析、强度和刚度校核计算,并为为这些元件选择合适的工程材料及热处理方法。对一些标准件进行了选型以及变速器的传动方案设计。简单讲述了变速器中各部件材料的选择。最后,本文将对变速器换档过程中的重要部件—同步器以及操纵机构进行阐述,讲述同步器的类型、工作原理、选择方法以及重要参数。
关键词:变速器;传动比;轴;齿轮;花键;校核
ABSTRACT
Transmission to change the engine reached on the driving wheel torque and speed, Automotive transmission parts in the automobile assembly of an important part of the main drive system. Transmission of the power structure of the vehicle, economy, manipulation of the reliability and portability, the smooth drive and have a direct impact on efficiency.
This design study of the three-axis 5-speed manual transmission, the purpose is based on the skillful of using mechanic theory ,mechanic design, AutoCAD. Meanwhile, my paper is incorporated structure of vehicle, design of vehicle, mechanic of materials, and survey of interchangeability. I will design the parts of three-shaft transmission, and using Auto CAD software, drawing assembly drawings and parts diagrams of five elements. At the same time the use of vehicle construction, automotive design, material mechanics, interchangeability of measurement knowledge of the subjects on the three-axis gearbox design file 12.At first, I will give a summary of the current situation and the tendency of development of the vehicle transmission, and introduce the latest development state in the field of the transmission.The second, I will compare the transmitting scheme of different transmission, and choose a better structure scheme.Next, I will do some mechanic analyses, strength, stiffness check of the shafts and gears, which are the important parts of the transmission, and choose appropriate materials and heat treatment.At last, I will introduce the operation mechanism and the synchronizer, which plays an important role in changing gear. I will give an account of the type, operation, design procedure and major parameter of the synchronizer.At the supplement, I will write some thing like formula, tableau graph and so on. It may be helpful for the future design.
Key words: Transmission;Transmission Ratio;Shaft;Gear;spline; Checking
目 录
摘要I
AbstractII
第1章 绪论1
1.1汽车变速器的概述1
1.2汽车变速器研究状况、发展趋势及成果2
1.3汽车变速器设计的目的和意义4
1.4汽车变速器的设计方法和研究内容5
第2章 变速器的结构方案的确定6
2.1变速器传动机构分析和布置方案的设计6
2.1.1两轴式变速器和中间轴式变速器的特点分析6
2.1.2变速器倒挡布置方案分析确定7
2.1.3传动机构布置中齿轮安排的分析确定8
2.2变速器零、部件结构方案分析确定9
2.2.1齿轮形式9
2.2.2变速器自动脱档机构形式分析确定10
2.3本章小结11
第3章 变速器主要参数的选择12
3.1变速器档位数目及各档传动比12
3.1.1变速器档位数目的确定12
3.1.2主减速比的确定12
3.1.3 变速器Ⅰ档传动比的确定13
3.1.4变速器各档传动比的确定15
3.2变速器中心距的确定15
3.3变速器的外形尺寸16
3.4变速器的齿轮参数的确定17
3.4.1齿轮齿数17
3.4.2齿轮模数17
3.4.3齿形、压力角及螺旋角19
3.4.4齿宽21
3.4.5齿顶高系数21
3.4.6齿轮的修正21
3.5变速器各档齿轮齿数的分配23
3.5.1确定一挡齿轮的齿数23
3.5.2对中心距进行修正23
3.5.3确定常啮合传动齿轮副的齿数24
3.5.4确定其他各档的齿数26
3.5.5确定倒档齿轮齿数31
3.6本章小结33
第4章 变速器齿轮的设计及校核34
4.1 齿轮的材料选择34
4.1.1 齿轮坏损形式及避免错失34
4.1.2 齿轮的材料选择35
4.2计算各轴的转矩36
4.3齿轮的强度计算36
4.3.1轮齿的弯曲应力36
4.3.2轮齿接触应力39
4.3.3各档齿轮的强度计算校核40
4.4计算各档齿轮的受力48
4.5本章小结51
第5章 变速器轴和轴承的设计及校核52
5.1轴的设计52
5.1.1轴的功用及其设计要求52
5.1.2轴的结构设计52
5.1.3轴的尺寸53
5.2轴的强度验算54
5.2.1轴的刚度验算54
5.2.2轴的强度计算59
5.2.3轴承的选择及校核61
5.3本章小结65
第6章 同步器的确定66
6.1锁销式同步器66
6.2锁环式同步器67
6.3本章小结68
第7章 操纵机构和箱体的确定69
7.1操纵机构的功用69
7.2 换档位置69
7.3变速杆的布置69
7.3.1直接操纵手动换挡变速器69
7.3.2远距离操纵手动换挡变速器70
7.4锁止装置70
7.4.1互锁装置70
7.4.2自锁装置71
7.4.3倒档锁装置71
7.5变速器箱体的设计71
7.6本章小结72
结论73
参考文献74
致谢75
附录76
第1章 绪 论
1.1汽车变速器的概述
汽车是一种快速机动的道路交通工具。一般是指自带动力装置的可以独立行驶并完成运载任务的轮式车辆,具有四个或四个以上的车轮。按照国家标准中有关规定,汽车可分为载货汽车,越野汽车,自卸汽车,牵引汽车,专业汽车,客车,轿车等种类。汽车的基本组成是相同的,均由发动机,底盘,车身和电气设备四大部分组成,现代汽车将以往复活塞式内燃机为主要动力源,而发动机的扭矩、转速与汽车的牵引力、车速要求之间的矛盾,靠现代汽车的内燃机本身是无法解决的。为此,在汽车传动系中设置了变速器和主减速器。既可使驱动车轮的扭矩增大为发动机扭矩的若干倍,同时又可使其转速减小到发动机转速的若干分之一。
变速器用于改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速,以适应汽车在起步、加速、行驶以及克服各种道路障碍等不同行驶条件下,满足驱动车轮牵引力及车速不同要求的需要。随着汽车工业的不断发展,今后要求汽车车型的多样化、个性化、智能化已成为汽车的发展趋势。但变速器设计一直是汽车设计中最重要的环节之一,它是用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速,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。变速器能使汽车以非常低的稳定车速行驶,而这种低的车速只靠内燃机的最低稳定车速是难以达到的。变速器的倒档使汽车能倒退行驶;其空档使汽车在启动发动机、停车和滑行时能长时间将发动机和传动系分离[1]。
变速器的结构除了对汽车的动力性、经济性有影响同时对汽车操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率等都有直接影响。变速器与主减速器及发动机的参数做优化匹配,可得到良好的动力性与经济性;采用自锁及互锁装置,倒档安全装置,其他结构措施,可使操纵可靠,不产生跳档、乱档、自动脱档和误挂倒档;采用同步器可使换档轻便,无冲击及噪声;采用斜齿轮、修形及参数优化等措施可使齿轮传动平稳、噪声低,不同的传动比还可以使在其不同路面提高汽车的动力性和经济性,使汽车和发动机有良好的匹配性。
1.2汽车变速器研究状况、发展趋势及成果
现代汽车工业的飞速发展以及人们对汽车的要求不断的变化,机械式变速器不能满足人们的需要。从40年代初,美国成功研制出两档的液力-机械变速器以来,自动变速器技术得到了迅速发展。80年代,美国已将液力自动变速器作为轿车的标准装备。1983年时,美国通用汽车公司的自动变速器装车率已经达到了94%。近些年来,由于电子技术和电子计算机技术的发展,自动变速器技术已经达到了相当高的水平。自动变速器与机械式变速器相比,具有许多不可比拟的优势:提高发动机和传动系的使用寿命;提高汽车的通过性;具有良好的自适应性;操纵更加方便。
目前,国内变速器厂商都朝无级变速器和自动变速器方向发展,国内现已有好几款轿车已经应用上无级变速器,而重型汽车则采用多中间轴的形式,将低速档和高速档区分开。
汽车行驶的速度是不断变化的,这就要求汽车的变速器的变速比要尽量多,这就是无级变速(Continuously Variable Transmission简称"CVT") 。尽管传统的齿轮变速箱并不理想,但其以结构简单、效率高、功率大三大显着优点依然占领着汽车变速箱的主流地位[2]。
在跨越了三个世纪的一百多年后的今天,汽车还没有使用上满意的无级变速箱。这是汽车的无奈和缺憾。但是,人们始终没有放弃寻找实现理想汽车变速器的努力,各大汽车厂商对无级变速器(CVT)表现了极大的热情,极度重视CVT在汽车领域的实用化进程。这是世界范围尚未根本解决的难题,也是汽车变速器的研究的终极目标。
围绕汽车变速箱四个研究方向,各国汽车变速器专家展开了激烈的角逐。
1.摩擦传动CVT
金属带式无级变速箱[3] (VDT-CVT)的传动功率已能达到轿车实用的要求,装备金属带式无级变速箱的轿车已达100多万辆。据报道:大排量6缸内燃机(2.8L)的奥迪A6轿车上装备的金属带式无级变速箱Multitronic CVT ,能传动142kw(193bhp)功率,280 N·m扭矩。这是真正意义的无级变速器[4]。
另一种摩擦传动CVT(名为Extroid CVT)是滚轮转盘式。日产把它装在概念车XVL上首次于去年东京车展展示,新款公爵(Cedric)车也装用这种CVT。可与3L以上排量的大马力内燃机(XVL的引擎输出为330 N·m /194kw)搭配使用,可谓汽车变速箱发展史上又一重要进步。从V形橡胶带CVT到V型金属带CVT再到滚轮转盘式CVT,摩擦传动CVT的研究已持续了整整一个世纪,尽管摩擦传动无级变速器的发展已经达到很高的水平,也已经装备上汽车达到了实用的水平[5]。但齿轮变速箱依然占据着半壁河山,这至少说明了四个问题:
(1)无级变速(CVT)是汽车变速箱始终追逐的目标。
(2)摩擦传动CVT实现大功率的无级变速传动是极为困难的。
(3)摩擦传动CVT传动效率低是必然的。
(4)摩擦传动CVT的效率,功率无法与齿轮变速相比。
2.液力传动[6]
人们经常把液力自动变速器(AT)和无级变速器(CVT)两个概念混为一谈。实际上这两种变速器工作原理完全不同。液力自动变速器免除了手动变速器繁杂的换档和脚踩离合器踏板的频繁操作,使开车变得简单、省力。但是, 液力自动变速器(AT)不是无级变速,是有级变速的自动控制,没有从根本上满足汽车对变速器的要求。从原始橡胶带无级变速箱到现代金属链无级变速箱、滚轮转盘式CVT,百年大回转说明:无级变速箱是汽车变速箱的最终归属,液力自动变速器只不过是一种过渡产品。
3.电控机械式自动变速器
电控机械式自动变速器(Automated Mechanical Transmission简称"AMT")和液力自动变速器(AT)一样,不是无级变速器,是有级变速器的自动换档控制。其特点是机械传动部分沿用了传统的有级变速箱,但控制参量太多,实现自动控制相当困难。
4.齿轮无级变速器
齿轮无级变速器(Gear Continuously Variable Transmission)这是一种全新的设计思想,是利用齿轮传动实现高效率、大功率的无级变速传动。
据最新消息:一种"齿轮无级变速装置"(Gear Continuously Variable Transmission简称"G-CVT")已经试制成功,并已经进行了多次样机试验。"齿轮无级变速装置"结构相当简单,只有不足20种非标零件,51个零件,生产成本甚至低于手动变速箱。预计今年进行装车试验[7]。
齿轮无级变速器的优势表现为:
(1)传动功率大,200KW的传动功率是很容易达到的;
(2)传动效率高,90%以上的传动效率是很容易达到的;
(3)结构简单,大幅度降低生产成本,相当于自动变速箱的1/10;
(4)对汽车而言,提高传动效率,节油20%;
(5)发动机在理想状态下工作,燃料燃烧完全,排放干净,极大的减少了对环境的污染。
1.3汽车变速器设计的目的和意义
现代汽车的动力设置,几乎都采用往复活塞式内燃机。它具有体积小,质量轻,工作可靠,使用方便等优点。但其性能与汽车的动力性和经济性之间存在着较大的矛盾。
大家知道,汽车需要克服作用在它上面的阻力,才能起步和正常的行驶。即使在平坦的柏油路上,汽车以低速等速直线行驶,也需要克服约占汽车总质量1.5%的滚动阻力。 例如,NJ130汽车,满载时总质量为5360kg,其滚动阻力为800N左右。若需要满载汽车在坡度为9%的道路上等速上坡行驶,仅上坡阻力就达4824N。如果用发动机直接带动汽车驱动轮,则发动机需要发出2050 N·m的扭矩。而NJ130汽车发










