汽车用三轴五速变速箱的设计【5张CAD图纸】【优秀】

汽车用三轴五速变速箱的设计

50页 24000字数+说明书+任务书+外文翻译+5张CAD图纸【详情如下】

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轿车变速箱的设计

摘要1

符号表4

第一章    绪论6

1.1  变速箱的工作原理6

1.2  变速箱的功用和要求7

1.3  变速箱的分类7

1.3.1  手动变速箱（MT）8

1.3.2  自动变速箱（AT）8

1.3.3  手动自动变速箱（AMT）8

1.3.4  无级变速箱（CVT）9

1.3.5  其它分类方法9

1.4  汽车变速箱的发展现状及其技术趋势10

1.5  了解、认知手动变速箱的必要性11

第二章    变速箱传动机构布置方案的确定12

2.1  传动机构布置方案分析12

2.1.1  固定轴式变速箱13

2.1.2  倒挡方案布置方案16

2.2  部件结构方案分析17

2.2.1  齿轮型式18

2.2.2  换挡机构型式18

2.2.3  自动脱挡18

2.2.4  变速箱轴承20

第三章    变速箱主要参数的选择22

3.1  挡数22

3.2  传动比范围22

3.3  中心距A22

3.4  外形尺寸23

3.5  齿轮参数23

3.5.1  模数23

3.5.2  齿形、压力角α、螺旋角β和齿宽b24

3.5.3  齿轮变位系数的选择25

3.5.4  齿顶高系数25

3.6  各挡齿轮齿数的分配25

3.6.1  确定一挡齿轮的齿数26

3.6.2  确定常啮合齿轮副的齿数26

3.6.3  确定其他挡位的齿数27

3.6.4  确定倒挡齿轮的齿数27

第四章  变速箱齿轮的强度计算和材料选择29

4.1  齿轮的损坏形式29

4.2  轮齿强度计算29

4.2.1  轮齿弯曲强度计算29

4.2.2  齿轮接触应力31

第五章 变速箱轴的强度计算与校核33

5.1  变速箱轴的结构和尺寸33

5.1.1  轴的结构33

5.1.2  确定轴的尺寸33

5.1.3  初选轴的直径34

5.2  轴的强度验算34

5.2.1  第一轴的强度与刚度校核34

5.2.2  第二轴的校核计算35

第六章  变速箱同步器的设计37

6.1  同步器的结构37

6.2  同步环主要参数的确定38

6.2.1  同步环锥面上的螺纹槽38

6.2.2  锥面半锥角39

6.2.3  摩擦锥面平均半径R39

6.2.4  锥面工作长度b39

6.2.5  同步环径向厚度39

6.2.6  锁止角β39

6.2.7  同步时间t40

第七章  变速箱的操纵机构41

7.1  操纵式41

7.1.1  直接操纵式41

7.1.2  远距离操纵式41

7.2  换挡锁装置41

7.2.2  互锁装置42

7.2.3  倒挡锁装置42

参考文献44

结论46

致谢47

Appendix48

摘要

　　据中国汽车工业协会统计分析，2013年，汽车产销双超2000万辆，增速大幅提升，高于年初预计，并且再次刷新全球纪录，目前为止，已连续五年蝉联全球第一。

　　汽车变速箱作为汽车传动系统重要组成部分，随着计算机科学技术的发展，它历经了手动变速、自动变速、自动/手动变速时代。

　　本设计的任务是关于前置后驱（Front engine Rear wheel drive, 简称FR）式小轿车用手动变速箱的设计。FR在轴荷分配上，可以达到50:50的最佳比例，因此它具有较好的操控性、稳定性、动力性和制动性等优点。这也是高性能汽车设计至今依然喜欢采用FR的主要原因。三轴式变速箱具有体积小、原理简单、工作可靠和操纵方便等优点，故在大多数汽车中得到应用。

　　本文是在认真了解和学习了汽车相关理论和设计知识的基础上，首先确定FR轿车手动变速箱的设计方案，包括变速箱传动机构布置、主要参数的选择、设计与计算、同步器设计、操纵机构、结构元件等；其次，根据所给定参数和条件，完成齿轮、轴和轴承等主要零件的理论分析，结合CAD中的AutoCAD、Pro/E、SolidWorks、UG和CAE中的ANSYS软件，对所建立的三维模型进行动力学与有限元分析，继而优化，将优化后的模型再进行模拟仿真得到优化后结果。

　　三轴式五速变速箱包括五个前进挡和一个倒挡，并通过锁环式同步器来实现换挡。它有3根主要的传动轴：第一轴（输入轴）、第二轴（输出轴）、中间轴（主动轴），所以称三轴式变速箱，另外还有倒挡轴。它的功用是：1.改变传动比，在较大范围内改变汽车的行驶速度和汽车驱动轮上转矩的数值，以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利的（功率较高而油耗率较低）工况下工作；2.在发动机旋转方向不变的前提下，利用倒挡实现汽车倒向行驶；3.在发动机不熄火的情况下，利用空挡中断动力传递，可以使驾驶员松开离合器踏板离开驾驶位置，且便于汽车启动、怠速、换挡和动力输出。

关键词：变速箱，传动比，中间轴，第二轴，齿轮，锁环式同步器

THE DESIGN OF SALOON GEARBOX

ABSTRACT

　　　According to China Association of Automobile Manufacturers, the number of   automobiles sales has rapidly increased to 20 million, which is higher than that estimated at the start of the year. The result has set a new record again, and won five consecutive first.

　　　With the development of computers, auto gearbox, as an important part of automotive transmission system, has experienced three periods: manual transmission, automatic transmission, and automatic / manual transmission.

　　　The paper is aimed at the manual gearbox design of the cars with Front engine Rear wheel drive(FR).On the axle load distribution, FR can reach the optimum ratio of 50:50,for it has extraordinary handling, stability and braking power. Therefore, high-performance cars prefer to use FR. Besides, three-shaft gearbox is widely used in most cars due to its small size, simple principle, reliability and easy operation.

　　　The paper is based on a good learning of automotive-related theories and design knowledge. Firstly, I make an FR car manual gearbox design including gearbox transmission layout, choice of the main parameters and calculation, synchronous design, operation mechanism, structural elements, etc. Secondly, according to the parameters and requirements, I have worked out the theoretical analysis about gears, shafts and bearings and other major parts. With CAD in AutoCAD, Pro / E, SolidWorks, UG and ANSYS software in CAE, I analyze the three-dimensional model of established dynamics and finite elements and the model is optimized further to get the simulation results.

　　　Three five-speed gearbox shaft includes five forward gears and one reverse gear. It shifts by locking ring synchronizer. It has three main transmission shafts. It is called three-shaft gearbox, owing to the three shafts---the first shaft (input shaft), the second shaft (output shaft) and intermediate shaft (drive shaft). Besides, it has reverse gear shaft. Firstly, it can adjust the transmission ratio to change the speed of the drive wheels and the torque value in a wide range to adapt to frequent changes in driving conditions, in order that the vehicle can work in an advantageous condition where there is higher power and lower fuel consumption rate. Secondly, under the premise of engineer rotation without changing, it’s a good idea to use reverse gear to achieve backward driving car. Thirdly, in case the engine does not stall, neutral gear can interrupt power transmission, allowing the driver to release the clutch pedal to leave the driving position and it’s easy to start, idle, shift and output power.

　　　Key words: transmission, transmission ration, intermediate shaft, second shaft, gear, locking ring synchronizer

　　　相信看过《速度与激情》系列影片的人都会被赛车手们那种高超的、娴熟的驾驶技术所折服；与此同时，在现实生活中，我们的视野中也无不时刻闪现出汽车的影子。一定程度上来说，它似乎已经成了我们往后生活的必需品了。    随着我国汽车产销量的不断攀升，人们对于汽车基本理论的认识与了解，也显现得越来越重要。汽车变速箱，作为汽车传动系统的一个重要组成，也是评价衡量汽车性能的一个重要参考依据。汽车发动机就像人的心脏一样，是动力的缔造者。但是，在它身后的变速箱确是其速度控制的阀门。为了悉知其原理，于是，基于对汽车变速箱的研究也就应运而生。

　　　汽车没有变速箱会怎样？

　　　没有变速箱，汽车也能走，但只能以一个速度前进，不能减速和加速，甚至一个小坡就能让汽车望而却步。

　　　变速箱发展至今，种类繁多，手动、自动、无极、手自一体、自动离合、双离合，但他们的变速原理，大同小异。

1.1  变速箱的工作原理

　　一旦发动机制造出来后，其排量大小是不变的，可燃混合气体的成分也基本不变，因此，发动机输出的转矩变化范围小，但汽车在起步和上坡时，需要较大的转矩；而在平坦路面上高速行驶时，则只需要较小的转矩。假如将发动机与驱动轮直接作用，那就是对应发动机的最高转速，很高且不变的车速十分不现实，而且有可能因为相应的牵引力小，就无法起步、上坡或高速行驶。

　　　利用齿轮原理（如图1-1所示），可以用较轻的物体提升较重的物体。汽车发动机输出的转矩较小，但通过变速箱后却能推动较大的汽车。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1-1  变速箱工作原理示意图

　　　利用齿轮原理，可以将较大的转速转变为较小的转速，也可以将较小的转速转变为较大的转速。

　　　变速箱的作用就是扩大汽车驱动转矩和转速的变化范围，当起步、上坡需要较大汽车驱动转矩时，使用低速挡，可以实现大转矩、低车速；当需要提高汽车速度时，使用高速挡，可以实现小转矩、高车速。

1.2  变速箱的功用和要求

　　　变速箱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。变速箱设有空挡，可在起动发动机、汽车滑行或停车时使发动机的动力停止向驱动轮传输。变速箱设有倒挡，使汽车获得倒退行驶能力。需要时，变速箱还有动力输出动能。

　　　对变速箱提出如下基本要求：

保证汽车有必要的动力性和经济型。在汽车整体设计时，根据汽车载重量、发动机参数及汽车使用要求，选择合理的变速箱挡数及传动比，来满足这一要求。

设置空挡，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；

设置动力输出装置，需要时能进行功率输出；

工作可靠，操纵轻便。汽车行驶过程中，变速箱不得有跳挡、乱挡、换挡冲击等现象发生。为减轻驾驶员疲劳强度，提高行驶安全性，操纵机构可通过采用同步器和预选气动换挡或自动、半自动换挡来实现。

变速箱应当有高的工作效率。为减小齿轮的啮合损失，应当有直接挡。提高零件的制造精度和装配精度，采用适当的润滑油都可以提高传动效率。

变速箱的工作噪声低。采用斜齿轮传动及选择合理的变位系数，提高制造精度和安装刚性可减小齿轮的噪声。

变速箱还应当满足轮廓尺寸和质量小。影响这一指标的主要参数是变速箱的中心距。选用优质钢材，采用合理的热处理工艺技术，设计适合的齿形，提高齿轮设计和制造精度以及选用圆锥滚柱或滚针轴承可以减小中心距。

除此之外，变速箱还应该考虑制造成本、拆装、维修等方面问题。　　

1.3  变速箱的分类

　　　从市场上不同车型所配置的变速箱来看，主要分为：手动变速箱（MT）、自动变速箱（AT）、手动/自动变速箱（AMT）、无极变速箱（CVT）。

　　　1.3.1  手动变速箱（MT）

　　手动变速箱（Manual Transmission）。顾名思义，它是通过驾驶员用手操纵变速杆来选定挡位，并直接操纵变速箱的换挡机构进行挡位变化。齿轮式有级变速箱大多采用这种换挡方式。手动变速箱的工作原理就是更换不同大小的被动齿轮来与动力输出轴接合，当将挡时，实际上是将被动齿轮换成了更大的齿轮，根据杠杠原理，此时变速箱输出的转速就会相对降低，但转矩增大；反之，如果是升挡，则实际上是被动齿轮转换为小齿轮，此时变速箱输出转速就会提高，但转矩会减小。

　　　轿车手动变速箱通常带同步器，这样可使换挡方便、动力传递直接、动力响应迅速、比较省油、噪声也小。（如图1-2）最常见的手动变速箱多为5挡位（5个前进挡、1个倒挡），运动型轿车上也有6挡位变速箱。手动变速箱的缺点是换挡比较麻烦，手脚并用，容易产生驾驶疲劳。        图1-2  手动变速箱工作原理示意图

　　　1.3.2  自动变速箱（AT）

　　　自动变速箱（Automatic Transmission）。这种变速箱的自动控制系统根据发动机的负荷和车速的变化情况自动地选定挡位，并进行挡位变换，即自动地改变传动比。驾驶员只需要操纵加速踏板即可控制车速。现在的自动变速箱一般都是液力变矩器式自动变速箱，它主要由两大部分组成。

　　　一是和发动机飞轮连接的夜里变矩器，它和手动变速箱车上的离合器位置差不多，其作用也和离合器差不多，它负责将发动机输出的动力传递给后面的变速机构。

　　　二是紧跟在液力变矩器后面的变速机构，它主要由多片离合器、控制机构和变速齿轮组成。控制机构按照设计师们的设定，可以根据行驶情况对多片式离合器发出指令，驱动各个挡位上多片离合器进行接合或分离。

　　　由于第二部分的不同，自动变速箱可分出好多类，如控制机构有液压阀和电磁阀，则分别称为液压自动变速箱和电动控制变速箱；如果最后的变速机构不是采用齿轮，二是采用钢带和滑轮，那就是无极变速箱了。

　　　1.3.3  手动自动变速箱（AMT）

　　　手动自动变速箱（Automatic Manual Transmission）。这种变速箱可以自动换挡，也可以手动换挡。实际上它是由普通手动变速箱派生出的一种形式。将它称之为非离和手动变速箱更为确切。AMT没有行星齿轮和变矩器，和普通手动变速箱结构一样，它有中间轴、输出轴、离合器和变速拨叉等。这种变速箱通常有三种换挡方式，其中两种采用拨片式换挡，第三种则采用传统换挡杆的形式。比较典型的如奥迪A6的Tiptronic，上海帕萨特1.8L也装有手动自动变速箱。

　　　1.3.4  无级变速箱（CVT）

　　　无级变速箱（Continuously Variable Transmission）。其传动比在一定数值范围内可连续无限多级变化，常见的有流体式和机械式两种。

　　图1-3  无级变速箱工作原理示意图

　　　CVT不是通过齿轮组合变速，而是利用一对可以改变直径的工作轮组合来实现变速的，如图1-3所示。工作轮组合中的主动轮相当于手动变速箱中的主动齿轮；另一个是从动轮，相当于手动变速箱中的从动齿轮。手动变速箱要想改变传动比，只能更换不同挡位的齿轮组合，而无极变速箱中的工作轮直径是可以变化的，无需更换其它工作轮组。当主动轮的直径变大而同时从动轮的直径变小时，或将主动轮的直径变小，从动轮的直径变大时，传动比就会随着改变。

　　　每个工作轮都是由两个锥形盘对扣组成的，传动钢带的边缘时隔斜坡，正好和工作轮的锥面磨合在一起。当工作轮的两个锥形盘之间的距离变化时，钢带就会沿锥面上下移动，这就相当于改变了工作轮的直径。

　　　1.3.5  其它分类方法

　　　由于变速箱由变速传动机构和操纵机构组成，根据其传动机构的前进挡位数和轴的形式，又有如下两种分类方法(如表1-1所示)。　　　2.1.2  倒挡方案布置方案

　　　与前进挡比较，倒挡使用率不高，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方案，如图2-2a、b、c和图2-3a、b所示；也有利用两个连体齿轮方案的，如图2-3c和图2-4a、b所示。前者虽然结构简单，但是中间传动的齿轮式在最不利的正、负交变弯曲应力状态下工作的；而后者是在较为有利的单向循环弯曲应力状态下工作，并使倒挡传动比略有增加。也有少数变速箱采用结构复杂和是成本增加的啮合套或同步器方案换入倒挡，如图2-2f所示。图2-6为常见的倒挡布置挡案。图2-6b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；但换挡时要求有两对齿轮同时进入啮合，使换挡困难。图2-6c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2-6d所示方案针对前者的缺点进行了修改，取代了图2-6c所示方案。图3-6e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2-6f所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合的齿轮，换挡更为轻便。为了充分利用，缩短变速箱的轴向长度，有的货车倒挡传动采用图2-6g所示方案；其缺点是一、倒挡须各用一根变速箱拨叉轴，致使变速箱上盖中的操纵机构复杂一些。 【本设计采用图3-6f所示方案，具体结构见相关图纸】噪声增加。为此，无论是两轴式变速箱还是中间轴式变速箱的一挡与倒挡，都应当布置在靠近轴的支承处，一边改善上述不良状况。然后按照从低挡到高挡的顺序布置各挡齿轮，这样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，考虑到这点，有些方案将一挡布置在靠近轴的支承处，如图2-3b、图2-3b、图2-5a等所示，然后在布置倒挡。此时在倒挡工作时，轮齿磨损与噪声在短时间内略有增加，而在一挡工作时轮齿的磨损与噪声有所减少。图2-2c将倒挡齿轮布置在附加壳体内，并紧靠轴的支承处，而一挡布置在变速箱壳体右侧紧靠支撑处，这个方案能很好得解决两个传动比大的挡位都布置在靠近支承的地方的这一问题。

　　　倒挡设置在变速箱的左侧和右侧，在结构上均能实现，不同之处是挂倒挡是驾驶员移动变速杆的方向改变了。为了防止意外挂入倒挡，一般在挂倒挡是设有一个挂倒挡时需要克服弹簧所产生的力，用来提醒驾驶员注意。从这一点考虑，图2-7a、b的换挡方案比图2-7c的方案更合理。图2-7c所示方案在挂一挡时也需要克服用来防止误挂倒挡所产生的力，这对换挡技术不熟练的驾驶员是不利的。

　　　除此之外，倒挡的中间齿轮位于变速箱的左侧或右侧对倒挡轴的受力状况有影响，如图2-8所示。　　　变速箱结构方案时，也要考虑齿轮型式、换挡结构型式、轴承型式、润滑和密封等因素。

   2.2.1  齿轮型式

　　　与直齿圆柱齿轮比较，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长，运转平稳、工作时噪声低等优点；缺点是制造时稍复杂，工作时有轴向力，这对轴承不利。变速箱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，并导致变速箱的转动惯量增大。直齿圆柱齿轮仅用于低挡和倒挡。【本设计中由于倒挡采用常啮合方案，故倒挡采用斜齿轮传动方式，即除一挡外，均采用斜齿轮传动】

   2.2.2  换挡机构型式

变速箱换挡机构有直齿滑动齿轮、啮合套和同步器三种形式。

　　　直齿滑动齿轮换挡的特点是结构简单、紧凑，但由于换挡不轻便、换挡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挡、噪声大等原因，除一挡、倒挡外很少采用。

　　　啮合套换挡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。结合套换挡结构简单，但还不能完全消除换挡冲击，目前在要求不高的挡位上常被使用。

　　　同步器能保证迅速、无冲击、无噪声换挡，而与操作技术的熟练程度无关，提高了汽车的加速性、燃油经济性和行驶安全性。同上述两种换挡方法比较，虽然它有结构复杂、制造精度高、轴向尺寸大等缺点，但仍然得到广泛应用。【本设计采用同步器换挡】

　　　2.2.3  自动脱挡

　　　自动脱挡是变速箱的主要障碍之一。为解决这个问题，除工艺上采取措施外，在结构上，目前比较有效的方案有以下几种：

　　　1）将接合齿的工作面设计加工成斜齿面，形成倒锥角（一般倾斜20～30），使接合齿面产生阻止自动脱挡的轴向力（图2-9）。这种结构方案比较有效，采用较多。

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