（车辆工程专业论文）变速器换档性能研究与优化.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：到皇! 塑日期：丝! ! ：至：三2 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：别? 固拥导师 ( 签名) ：弛日期2 翌! ! ：蔓塑 摘要 近年来，我国汽车工业正经历着飞速的发展，汽车的保有量不断上升，人 们对汽车的认识和性能要求也不断提高。我们都知道，变速器在汽车中起着不 可替代的重要作用，变速器是汽车传动系的重要组成部分，变速器的运动学特 性和动力学特性关系到它本身的性能，甚至对整车性能也有很大的影响。而变 速器对汽车的影响又包括了很多的方面，其中对汽车动力性、经济性、操纵的 可靠性与轻便性、传动的平稳性及其效率这些都有着直接影响。而同步时间的 长短、换档的冲击力大小，也即换挡的平顺性，也直接体现了变速器的性能好 与坏。 u n i g r a p h i c sn x6 是美国u g s 公司最新发布的数字化产品开发综合软件解 决方案。u gn x6 融入了行业内最广泛的集成应用程序，涵盖了产品设计、工程 和制造中的全部开发流程，u g 软件在汽车行业内也一直都得到广泛应用。其简 单快捷的3 维建模方式，使得用户在使用过程中可以提高建模效率，而这次对 变速器的建模也取得良好效果。 本文主要是根据五菱微型车其中一款的变速器来进行换档性能的研究与优 化；随着汽车工业近百年的快速发展，变速器也出现了很多类型，我通过认真 学习后对各种变速器的基本工作原理已有了深刻的理解。而每一款变速器的开 发都要涉及很多的方面，不但要考虑自身的换档性能，即平顺性和换档时间的 长短，变速器的布置方式也很重要，这其中也包括了齿轮的布置方式，这些都 与车辆的动力性和燃油经济性息息相关。同步器是汽车变速箱的主要部件，由 于同步器换档具有换档平顺的特性，所以目前绝大多数汽车上都采用同步器换 档，这对减轻驾驶员的劳动强度、致使操纵轻便、提高齿轮及传动系统的平均 使用寿命，提高汽车行驶安全性和乘客舒适性，并改善汽车起步时的加速性和 燃料消耗的经济性起着极其重要的作用。对同步器工作性能的评价指标主要有 两个，一个是换档同步时间，另一个就是换档的平顺性，因为变速器换档时的 齿轮冲击主要是换档时同步锥环与结合套之间的冲击。本次论文也通过变速器 的实际参数来计算了换档同步时间，从而对变速器换档性能进行评价与优化。 关键词：变速器，同步器，换档性能，优化设计 a b s t r a c t o u rc o u n t r y sa u t o m o t i v ei n d u s t r yi sd e v e l o p i n ga tah i g h l ys p e e di nt h er e c e n t y e a r s t h en u m b e ro fa u t o m o b i l ei si n c r e a s i n gr a p i d l y , t o o a n da st h ei m p r o m e n to f u n d e r s t a n da b o u ta u t o m o b i l ep e o p l eh a v ep a i dm o r ea t t e n t i o n st ot h ep e r f o r m a n c eo f t h ev e h i c l e a sw ek n o w n ，t h et r a n s m i s s i o ni si r r e p l a c e a b l ei nt h ev i h e c l e i tp l a y sa e s s e n t i a lr o l ei nt h ed r i v et r a i no ft h ea u t o m o t i v e t h ek i n e m a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s m i s s i o nn o to n l yr e l a t e dt oi t so w np e r f o r m a n c e b u ta l s oh a v es i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ev e h i c l e sp e r f o r m a n c e t h ei n f l u e n c e so nt h e v e h i c l ei n c l u d em a n ya s p e c t ，e s p e c i a l l yh a v ed i r e c ti m p a c t so nt h ev e h i c l ed y n a m i c q u a l i t y , t h ef u e le c o n o m ya n dt h ec o n t r o ls t a b i l i t yo ft h ev e h i c l e h o w e v e r , t h et i m e o ft h es h i f to p e r a t i o na n dt h el e v e lo fs m o o t hs h i f ti n s t a n d st h ep e r f o r m a n c eo ft h e t r a n s m i s s i o n t h eu n i g r a p h i c sn x6i sad i g i t a lp r o d u c td e v e l o p m e n ta n dc o m p r e h e n s i v e s o f t w a r es o l u t i o n sr e l e a s e dr e c e n t l yb ya m e r i c a nu g sc o m p a n y t h eu g sh a st h e m o s te x t e n s i v ei n t e g r a t e da p p l i c a t i o n so ft h ei n d u s t r y i n c l u d i n gt h ep r o c e s so f p r o d u c td e s i g n ，e n g i n e e ra n dm a n u f a c t u r e u g ss o f t w a r eh a sb e e na l w a y aw i d e l y u s e di nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y t h ep a p e ri sm a i n l ya c c o r d i n gt ot h em i n ic a l st r a n s m i s s i o no fs g m w ih a d l e a m d e dal o ta b o u tt h ea u t o m o b i l e st r a n s m i s s i o nb e f o rt h i sp r o g r a m w i t ht h e a u t o m o t i v ei n d u s t r ys o a r l yd e v e l o p e df o rn e a r l y10 0y e a r s ，t h e r ea r ed i v e r s i t yo f t r a n s m i s s i o n s ih a dag o o dc o m m a n do ft h ew o r kp r i n c i p l eo fa l lt h et r a n s m i s s i o n s t h ed e v e l o p m e n to fe a c ht y p eo ft h et r a n s m i s s i o ni n v o l v e sm a n ya s p e c t s i ti n c l u d e s s h i f tp e r f o r m a n c e ，a n dt h ed e c o r a t ew a y sa l s om a t t e r s f o re x a m p l e ，t h ed e c o r a t e w a y so fg e a r sh a v ed i r e c ti n f l u e n c eo nt h ed y n a m i cp r o p e r t ya n dt h ef u e le c o n o m y t h es y n c h r o m e s hi se s s e n t i a lt ot h et r a n s m i s s i o n ，t h em a j o r i t ys y n c h r o m e s h sh a v et h e s m o o t hs h i f tp r o p e r t y , h e n c ea l m o s ta l lt h ev e h i c l e sh a v et h e s y n c h r o m e s h i t s h e l p f u lt oa l l e v i a t ew o r k e rl a b o rs t r e n g t h ，t om a k et h ep r o c e s s i n gc o n v e n i e n ta n dl o n g t h el i f eo fg e a r s t h i sa l s oc a nm a k et h ev e h i c l es a f ea n db ec o m f o r t a b l et ot a k e a n d l e a dt ob o t hg o o df u e le c o n o m ya n da c c e l e r a t i o n t h e r ea r et w oi n d e x e st oa s s e s st h e s y n c h r o m e s hp e r f o r m a n c e ，o n ei st h et i m eo fs h i f to p e r a t i o n ，a n o t h e ri ss m o o t hs h i f t p e r f o r m a n c e t h ep a p e rh a sc a l c u l a t e dt h et i m eo fs h i f to p e r a t i o na n do p t i m i z e dt h e t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o n ，s y n c h r o m e s h ，s h i f tp e r f o r m a n c e ，o p t i m i z i n g 目录 第1 章绪论1 1 。1 研究背景1 1 2 研究的目的与意义2 1 3 变速器的国内外现状3 1 3 1 国内现状3 1 3 2 国外现状4 1 4 本文研究内容5 第2 章变速器及其结构原理6 2 1 变速器的种类6 2 2 手动变速器基本结构与原理7 2 2 1 手动变速器的工作原理9 2 3 手动变速器的结构分析。1 0 2 3 1 手动变速器的结构特点1 0 2 3 2 手动变速器的齿轮及换档机构形式1 1 2 4 本章小结1 3 第3 章变速器参数设计1 4 3 1 变速器档位数与传动比的确定。1 4 3 1 1 最大传动比、最小传动比的确定1 4 3 1 2 各档传动比的选择1 5 3 2 变速器齿轮参数的确定1 6 3 2 1 齿轮参数计算1 8 3 2 2 斜齿轮传动几何尺寸计算1 9 3 2 3 各档齿数分配2 1 3 3 齿轮修正2 6 3 3 1 变位齿轮2 6 3 3 2 改变原始齿廓参数及修形齿轮2 7 3 4 变速器轴、轴承的设计2 7 3 4 1 轴的尺寸与结构选择2 7 3 。4 2 轴承的设计2 8 3 5 同步器的设计3 0 3 5 1 同步器的类型3 0 3 6 本章小结。3 5 第4 章变速器零部件建模3 7 4 1u g 软件介绍3 7 4 1 1 技术背景3 7 4 1 2 关于u g 3 8 4 2 变速器零部件建模3 9 4 2 1 各档齿轮的建模4 0 4 2 2 同步器建模4 4 4 3 本章小结4 5 第5 章理论同步时间的计算4 6 5 1 手动变速器试验台4 6 5 2 同步时间的计算。4 9 5 2 1 转动惯量计算5 0 5 2 2 同步时间与摩擦力矩的关系5 3 5 2 3 理论同步时间计算5 7 5 3 本章小结6 0 第6 章全文总结和研究展望6 1 6 1 全文总结6 1 6 2 后期展望6 1 参考文献6 3 致谢6 6 i v 武汉理工大学硕士论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 自从上个世纪汽车诞生以来，汽车工业已经走过了风风雨掰的一个多世纪。 在这期间，汽车工业飞速发展，不仅直接带动了世界经济的发展，更造就了很 多汽车工业的巨头。汽车虽然诞生在欧洲，但是美国依靠优越的资源和自然条 件以及宽松的政策，又利用欧洲遭受第一次世界大战破坏的时机，使汽车工业 迅速崛起，并且超过了欧洲，从2 0 世纪初至7 0 年代的几十年间，汽车产量一 直遥遥领先。日本汽车工业在第二次世界大战前规模较小，但在2 0 世纪6 0 、7 0 年代，依靠引进国外先进技术和科学的经营管理方法，使汽车工业迅猛发展， 后来居上，先后逐个超过意大利、英国、法国、德国等一些老牌的汽车工业国 家，并曾于1 9 8 0 , - - - 1 9 9 3 年期间，汽车产量超过美国而跃居世界第一位。汽车技 术在以欧美以及日本为代表的企业领导下，已经取得了十分了不起的成就，在 以前我们甚至很难想像一辆汽车最高时速可以达到4 0 0 k m h ，更想不到一辆超级 跑车从0 l o o k m h 竟然可以在3 秒之内。 汽车的总体构造通常由发动机、底盘、车身和电子电器设备组成。我们都 知道发动机是汽车的心脏，是汽车的动力装置，而底盘是接受发动机的动力， 使汽车运动并且按照驾驶员的操纵而正常行驶的部件。底盘又包括了传动系统、 行驶系统、转向系统、制动系统四个部分i 。变速器是传动系统的心脏，在最早 的汽车传动系统中就设置了变速器，这时因为汽车的行驶速度变化不定，范围 图1 侧链汽车传动原理图 武汉理工大学硕士论文 非常广，但是发动机的转速和转矩变化范围却十分有限。早期的汽车侧链传动 系统原理如图l 所示。在最早期的汽车中，汽车的传动系统设置非常简单，由 发动机产生动力并驱动一组锥齿减速齿轮，由齿轮带动皮带轮，由于驱动桥与 皮带轮通过齿轮相啮合，所以皮带轮便使驱动轮开始转动，从而使汽车行驶2 1 。 1 2 研究的目的与意义 在上一节中我们已经介绍了汽车的历史背景，现代汽车广泛采用的是活塞 式内燃机来作为动力源，它有着质量轻、体积小、工作可靠和使用方便的优点， 但是其性能和汽车的动力性与经济性有着交大的矛盾；此外，汽车的使用条件 也颇为复杂，如道路的好坏，坡度的大小，车辆是否有装载，这些都对汽车的 性能有很高的要求，当在平坦的道路上行驶时，需要较小的传动比，而当汽车 爬坡时则需要很高的转矩，这时传动比很大，所以这些复杂的路况要求汽车能 以不同的车速行驶，并且发动机的驱动能力也要在很大的范围内变化。在不同 的行驶状况下，改变传动比也是必要的，因为这不仅满足汽车的动力性要求， 也是满足汽车经济性所必须的；在某些状况下，汽车还要实现倒退，而发动机 的旋转方向显然是不能改变的，这就必须依靠变速器来实现；因此，这就必须 在传动系中设置变速器来达到这些要求。变速器在汽车中的作用可以分为以下 几点： ( 1 ) 改变传动比；驱动轮在不同的路况下我们应该提供以不同的转矩和转 速，例如上坡时应该是高转矩低转速，而平坦的路面应该有较高的车速，所以 需要低转矩高转速，所以这些就需要变速器提供不同的传动比。 ( 2 ) 倒车，可以确定的是，发动机的转向并不能改变，这就要变速器来将 发动机传递出的转矩方向改变，实现倒车。 ( 3 ) 中断动力传递；当汽车停止或者不需要动力时，应该能切断发动机与 传动系统之间的联系，而空档实现了这一目的。 在现代汽车中，变速器对于汽车的重要意义已经不言而喻，所以对变速器 自身的性能要求也越来越高；这就需要我们对变速器有彻底的了解和掌握，例 如齿轮的刚度、不同档位齿轮的使用寿命、变速器组装后的齿轮啮合精度等等 这些也直接体现了变速器换档时的平顺性，都是影响变速器性能的关键因素； 而变速器的另一个很重要的评价指标就是换档时间，这就需要我们对变速器的 武汉理工大学硕士论文 心脏同步器进行良好的设计；同步器是汽车变速箱的主要部件，由于同步 器换档具有换档平顺，所以目前绝大多数汽车上都采用同步器换档，对减轻驾 驶员的操作强度、致使操纵轻便、提高齿轮及传动系统的平均使用寿命，提高 汽车行驶安全性和乘客舒适性，并改善汽车起步时的加速性和燃料消耗的经济 性起着极其重要的作用。 本文主要就是从平顺性与换档时f b j 两个方面来对变速器进行研究，影响平 顺性的主要是齿轮的布置与材质，而同步时间则与同步器的性能直接相关。 1 3 变速器的国内外现状 随着电子控制技术的快速发展，使得自动变速器也得到了很快的进步。目 前的趋势来看，在未来自动变速器取代现在的手动变速器已成为必然的趋势。 各个国家都大力发展自己的自动变速器技术，大体都是朝着兼顾舒适性、动力 性和经济性这三个方向来发展的。目前汽车变速器分为手动变速器( m t ) 和自动 变速器( a t ) 两大类，手动变速器应用最为广泛，也就是我们平时常见的变速器： 自动变速箱又分为有级的无级变速器，c v t 档数没有限制，档位是连续变化的， 它是a t 的先端技术；a t 的档位可以从3 档到7 档，档数越多，要求的技术水平 也就越高。自动变速器的发展四分迅速，以后必将在汽车领域中占重要地位， 但是垄断现象却十分严重，全世界的变速器基本都被三家大型企业垄断l jj 。 1 3 1 国内现状 由于我幽的汽车工业发展相对于欧洲、美国以及我们的邻居同本较缓慢， 所以汽车技术也比较落后，但是这几年来也取得了长足的进步；在变速器领域 我国还是以传统手动变速器( m t ) 为主，但是在原有的基础上又有了进一步的 发展，例如6 m t 将会逐渐的代替5 m t 等。近年来自动变速器发展迅速，在未来 这也会成为一个主要发展的趋势。目前已经有自主的a t ，但是c v t 的发展就相 对缓慢了很多，不过a m t 和d c t 的前景不容小视，将来必定成为主流。 在乘用车中，目前自主品牌的变速器较少，仅有奇瑞、吉利等几家在做， 并且在自主品牌轿车中的应用率还不到1 0 ；但是在商用车领域，情况则有所不 同，国产品牌已经占到了主导地位，一些重型货车的变速器基本上是由陕西法 士特齿轮有限责任公司、綦江齿轮传动有限公司、山西大同齿轮集团有限责任 武汉理工大学硕士论文 公司、一汽哈尔滨变速器厂等来生产。不过这并不意味着国内的自主变速器在 技术上已经超过或者达到了国外水平，在一些高档的重型货车上仍然是国外生 产的变速器，因为国外企业依然坚持对中国保留了核心技术的战略。 中国企业在应对市场竞争同时也拟定了自己的战略方针，那就是合资企业 主攻自动变速器，自主品牌企业则主攻手动变速器，这两大集团的业务之间会 有交叉，相互之间会是一种优势互补的关系。总之，这些要求我们必须自己在 技术上取得突破，才能改变目前中国变速器市场的格局，甚至是整个汽车行业 的结构布局。 1 3 2 国外现状 在世界上，国外的汽车技术已经达到了一个相对较高的水平，但是不同地 域的汽车市场技术分布也不大相同，例如在北美市场中，占主导地位的是a t ， 但是在同本市场中c v t 的应用却十分广泛，只有在欧洲市场中目前仍是以传统 手动变速器( m t ) 为主导地位。但是，近年来出现的d c t ，也即通常所说的双离 合变速器异军突起，发展迅猛，这很有可能在不久的将来改变这一格局。 绝大部分c v t 变速器仍匹配在小排量车型上，通过由许多薄钢片组成的钢 环，在不同半径上与两个分别担任输入和输出锥轮的槽“咬合来改变速比； c v t 与a t 的最大区别是不用液力变矩器【4 j 。 图2 舣离合变速器上作原理 4 武汉理工大学硕士论文 近年来d c t 也发展十分迅速，例如大众的d s g 双离合变速器，以及今年福 特全面推广的p o w e r s h i f t 技术，其实都是双离合变速器。大众d s g 的原理其实 就是将档位分为两套齿轮系统来使用，例如将2 速变速器的1 、3 、和r 倒档分 为一套系统，其余分为一套系统用，其原理图如图2 所示，由于双离合变速器 中存在空心轴，这给制造增加了很多难点，所以它的成本相对较高，目前多数 应用在中高档轿车为主。 1 4 本文研究内容 通过阅读学习了大量与变速器相关的文献资料，本文主要是对手动变速器 的结构原理进行了仔细的阐述，对变速器设计要求的结构参数和工作性能参数 进行详细的分析研究，最后得出结果，对变速器的各个方面进行评价优化。 武汉理工大学硕士论文 第2 章变速器及其结构原理 汽车需要变速器，这是由发动机的物理特性决定的。首先，任何发动机都 有物理极限，转速超过这个最大值，发动机就会损坏。其次，在马力和扭矩达 到最大值时，发动机的转速变化范围很小。在汽车加速或者减速时，变速器的 存在使得发动机与驱动轮之间的传动比能够发生变化，使发动机接近最佳性能 转速区。 2 1 变速器的种类 变速器由两部分组成，一部分变速传动机构另一部分是操纵机构，设计人 员还可以根据需要决定是否加装动力输出器。变速器的形式有很多，按传动比 不同，可以分为有级式变速器、无级式变速器和综合式变速器。 ( 1 ) 有级式变速器。最大的特点是有固定的传动比，传动效率高并且采用 齿轮传动。一般可以分为普通齿轮变速器和行星齿轮变速器。一般的普通手动 变速器通常有3 - 一5 个前进档和一个倒档；在少数重型货车用中由于采用了组合 式变速器，所以会有更多的档位。我们应该注意的是平时所谓变速器档数不包 含倒档，均指前进档档数。 ( 2 ) 无级变速器分为电力式和液力式两种。与有级式的相比，它的传动比 在一定的范围内可按无限多级变化。电力式变速器在传动系统中的应用已经越 来越多，将来肯定会有很大的市场。电力式变速的传动部件为直流串励电动机 而液力式变速器的传动部件是液力变矩器。 ( 3 ) 综合式变速器目自订目前应用较多，它是指由齿轮式有级变速器和液力 变矩器组成的液力机械式变速器，这种变速器的最大特点是其传动比可无级变 化，但是变化的范围是有限制的，这与变速器传动比的最大值和最小值有关。 如果按照操纵方式的不同，变速器又可以分为强制操纵式、自动操纵式和 半自动操纵式三种： ( 1 ) 在大多数的普通汽车中，换档的方式都是驾驶员直接操纵变速器操纵 杆来换档，这个就是所谓的强制操纵式。 6 武汉理工大学硕士论文 ( 2 ) 自动操纵式变速器的传动比选择是自动进行的。驾驶员只需操纵加速 踏板，即可控制车速。 ( 3 ) 半自动操纵杆式变速器换档形式有两种，一种是在几个固定的档位之 间实现自动操纵，但是其它的档位需要驾驶员操纵；还有一种是预选式，即驾 驶员通过电子装置预先设置好要用的档位，当汽车行驶中踩下离合器踏板或松 开加速踏板时，电子系统会自动进行换档。 但是人们通常按照习惯还将变速器按照功能来分类，即可分为手动变速器 和自动变速器，手动变速器即m t ，而自动变速器又包括a t 、a m t 、c v t 和d c t 。 这些变速器都各自有自己的优缺点，m t 是现在应用最多的，它的优势是传动效 率高、成本低，但是换档操作复杂；传统a t 是由液力变矩器、行星齿轮和液压 操作系统，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变矩的效果。现在大多数的 自动档乘用车都是采用此种a t ，它有很多优点，换档平稳、操作方便、市场成 熟度高等是传统a t 变速器的优点，但是燃油消耗率比m t 要高，这也是制约其 自身发展的主要因素；a m t 是近年来力在家用乘用车上开始应用，它最早出现在 f l 赛车上，a m t 的实质是在传统m t 上进行改动，通过液压系统和电子控制系统 来控制换档和离合器的分离。这种变速器有很大的优势，因为它不仅继承了m t 的高传动效率、结构紧凑和工作可靠性强，并且还可以有手动换档和自动换档 两种操作模式，而它的制造成本比较低，这也足现在各国都在大力发展a m t 的 原因。但是目前我国发展a m t 仍有几大难点，主要是在控制系统和执行机构， 对换档的精确性和平顺性以及离合器的分离点的掌握这些方面。 2 2 手动变速器基本结构与原理 手动变速器的类型有很多种，这个在上一节中我们已经有所了解。在小车 中一般采用的变速器为两轴式变速器，这种变速器有利于前置前驱的轿车，能 减小变速器的尺寸缩小所占空间，但是在货车和客车上三轴是变速器则占了大 多数，虽然两轴式变速器与三轴式变速器有一定的区别，但是它们的工作原理 实质是一样的，我们以图3 的捷达轿车0 2 k a 型变速器为例，来对变速器有更深 一步的了解。 在图3 中我们可以清楚的看到，变速器有两根轴，输入轴1 3 和输出轴2 4 ； 7 武汉理工大学硕士论文 就是常说的2 轴式变速器，此变速器有五个前进档和一个倒档，第一轴的输入 端由轴承1 2 支撑在发动机瞄轴凸缘的滑套中。从输入轴前端开始，依次是输入 轴一档齿轮1 0 、输入轴倒档齿轮9 、输入轴二档齿轮8 、输入轴三档齿轮7 、输 入轴四档齿轮3 和输入轴五档齿轮1 ；其中，输入轴一挡齿轮l o 、输入轴二档 端由轴承1 2 支撑在发动机曲轴凸缘的滑套中。从输入轴前端开始，依次是输入 轴一档齿轮1 0 、输入轴倒档齿轮9 、输入轴二档齿轮8 、输入轴三档齿轮7 、输 图3 捷达轿车0 2 k a 型变速器结构 4 卜输入轴五档齿轮；2 、1 2 、1 4 、1 5 、2 7 一轴承：3 一输入轴四档齿轮；4 、2 9 一结合套；5 一变 速器壳体：6 一通气器；7 一输入轴二挡齿轮；8 一输入轴_ 二档齿轮：9 一输入轴倒档齿轮；1 0 一输 入轴一档齿轮；l l 一离合器壳体；1 3 一输入轴；1 6 一土减速器主动齿轮；1 7 一主减速器从动齿 轮；1 8 - 输出轴一档齿轮；1 9 一输出轴倒档齿轮：2 0 一输出轴_ 二档齿轮；2 卜输出轴二档齿轮； 2 2 一车速里程表传动齿轮；2 3 一输出轴四档齿轮；2 4 一输出轴：2 5 一输出轴五档齿轮；2 6 - 放油 塞；2 8 一后壳体 8 武汉理工大学硕士论文 入轴四档齿轮3 和输入轴五档齿轮l ；其中，输入轴一档齿轮l o 、输入轴二档 齿轮8 、输入轴倒挡齿轮9 是与输入轴做成一体的；在输出轴上，由右向左依次 是主减速器主动齿轮1 6 、输出轴一档齿轮1 8 、输出轴而当齿轮2 0 、输出轴三档 齿轮2 l 、输出轴四档齿轮2 3 、输出轴五档齿轮2 5 ，其中，输出轴三档齿轮2 1 、 车速里程表传动齿轮2 2 、输出轴四档齿轮2 3 、输出轴五档齿轮2 5 与输出轴做 成一体：其余齿轮全部空套在各自轴上，可以任意旋转，但是由于它们都有花 键毂和内花键相结合，所以并不能轴向移动。在输入轴上还有两个结合套4 、2 9 ， 输出轴上有一个结合套是与输出轴倒挡齿轮1 9 连为一体的。 2 2 1 手动变速器的工作原理 下面我们分析变速器工作时的各档传递路线。 当变速器工作在一档时，动力传递路线如图4 所示；此时结合套与输出轴 一档齿轮接合，动力从输入端传到输入轴一档齿轮1 0 ，又经过与之常啮合的输 出轴一档齿轮1 8 ，最后把动力通过结合套的的花键毂传到输出轴，又由输出轴 传递到传动系统上从而驱动驱动轮。 a 一档传动路线示意图b 二档传动路线示意图 图4 捷达轿车0 2 k a 型变速器传动示意图 当与倒档齿轮一体的结合套与左边的输出轴二档齿轮啮合时，此时变速器 在二档，动力由输入轴端输入，由于处输入轴二档齿轮与输入轴为体，所以 动力直接传到输出轴二档齿轮上，此时的输出轴二档齿轮通过结合套的花键毂 与输出轴一起旋转，所以动力又经过结合套传递到输出轴上，并传向驱动轮。 9 武汉理工大学硕士论文 若要使变速器工作在三档，驾驶员移动变速器操纵杆后使接合套4 右移与 输入轴三档齿轮接合；当接合套4 左移与输入轴四档齿轮接合时，变速器工作 在四档；接合套2 9 只有当需要挂入四档的时候右移才工作。只有倒档比较特殊， 当需要挂入倒档时，输出轴倒档齿轮1 9 右移，这时输入轴倒档齿轮与倒档齿轮 组啮合在一起，由于有三个外齿轮啮合传递动力，所以传到输出轴上的动力方 向与输入轴反向，从而反方向驱动驱动轮，达到倒车的目的。这些档位耳朵动 力传动路线均与一档和二档相同原理，可参考图4 。 2 3 手动变速器的结构分析 2 3 1 手动变速器的结构特点 汽车上变速器的结构形式是多种多样的，由于各国汽车的制造方式和行驶 条件不同，并且各种汽车的类型和规格不同，所以使用要求也不同，这也导致 变速器的类型各不相同，但是各种变速器都有自己的优缺点，根据不同的条件 下发挥出自己的优势。一般来说，大部分的变速器还是有很多的共同点。 变速器一般可以分为两轴式和三轴式，以三轴式的最为常见。两轴式变速 器主要用于发动机前置前驱或者发动机后置后驱的汽车上面。具体选择哪个形 式的变速器，可以根据以下几点来判断： ( 1 ) 两轴式的变速器由于它的前进档都只由一对齿轮来传递力矩，而三轴 第一轴 第二轴 - u 广 j ，中问轴 l 一上j 倒工档l ( a ) 硒轴变速器结构简图( b ) 三轴变速器结构简图 图5 两轴与三轴变速器结构简图 式变速器的动力是通过两对齿轮副来传递的，所以相对来说三轴式变速器齿轮 承受的力矩也较小，一般两轴式变速器的径向尺寸要比三轴式的大。两轴变速 1 0 武汉理工大学硕士论文 器结构简图如图5 的a 所示。 ( 2 ) 在工作条件相同的情况下，两轴式变速器的工作寿命较三轴式变速器 要短，这是因为两轴是变速器只由一对齿轮来传递动力，若要获得较大的传动 比就必须用一个较小的齿轮来搭配一个较大的齿轮，但是这样在工作时，较小 的齿轮的循环次数就比较多，磨损自然会比大齿轮要快，这样就会导致变速器 的使用寿命缩短，影响工作质量。 ( 3 ) 三轴式变速器有它自己的有点，就是可以得到直接档，这个档位的动 力传动效率高，两轴式的变速器因为必须经过齿轮传递，所以即便是传动比为 一比一的档位，也会有动力损失，这是齿轮传动特性决定的。三轴变速器结构 简图如图5 的b 所示。 在有些大型货车当中，由于行驶路况和工作条件都非常复杂，要保证货车 有良好的动力性、经济性，还可以采用组合式变速器。组合式变速器可以通俗 的理解为将两个或两个以上的传统变速器串联起来。它一般是以两个变速器为 主体，通过更换齿轮副和配置不同的副变速器，得到一组具有不同的传动比范 围的变速器。但是为了不让其尺寸过大，主变速器的输出轴并不直接把动力输 出到传动轴上，而是输入到副变速器中，即主变速器的输出轴为副变速器的输 入轴，这样就可以得到更大的传动比并且不会使变速器的尺寸过大不便于生产 和使用1 5 j 。 2 3 2 手动变速器的齿轮及换档机构形式 变速器中的主要工作部件是轴和齿轮，一般在每个轴的两端会有轴承支撑。 齿轮的安装位置也对变速器的性能以及使用寿命有着很大的影响。因为变速器 在工作的时候，各个轴的传动力矩是非常大的，应该把载荷较大的齿轮，例如 一档齿轮安在离支撑轴承较近的地方，这样能够减小轴的受力变形。而那些高 档齿轮则应该安装在离轴承较远处，因为在距轴承较远处由轴受力变形引起的 齿轮偏转角也小，这样也可以起到减小齿轮磨损的作用，因为齿轮表面受力过 大会引起点蚀现象，从而缩短齿轮寿命。 变速器中的齿轮又分为两种，一种是直齿轮，另一种是斜齿轮。我们都知 道不光是在汽车行业，在整个机械行业中斜齿轮有它自己的优势，因为斜齿轮 不仅运行平稳且噪声低，在同等的工作条件下它的寿命也较之直齿轮要长。同 武汉理工大学硕士论文 时它也有加工复杂的缺点，并且在工作时轴向有一个分力，不过它的这些优点 非常有利于变速器的使用条件，所以使得大部分变速器中的齿轮都是斜齿轮。 机械式变速器的换档形式目前一般常见的有三种形式，分别是滑动齿轮换 档、啮合套换档和同步器换档。 ( 1 ) 滑动齿轮换档 这种形式是最建档直观的换档形式，通过推动齿轮使之相互啮合，可以足 直齿轮滑动换档也可以采用斜齿轮滑动换档；二者各有优缺点。前者的结构简 单紧凑所以制造工艺也简单，但是换档振动噪声大，齿轮寿命也短，而斜齿轮 恰好相反，它运行平稳，振动噪声小并承载能力强，但是制造工艺相对复杂。 总体来说，采取这种换档方式在换档时不论是采用斜齿轮滑动换档还是直 齿轮滑动换档，它的换档冲击力都比较大，这也使得齿轮的寿命降低从而影响 变速器的寿命；更直接降低的汽车的乘坐舒适性，所以在汽车工业高速发展的 现代，这种变速器己渐渐退出舞台，取代它的是啮合套换档。 ( 2 ) 啮合套换档 所谓的啮合套换档是指变速器采用斜齿轮，并且使构成每个传动比的齿轮 常啮合，但是这种斜齿轮和普通的有一些区别，就是斜齿轮的另一部分要做成 直齿轮并与啮合套相啮合。这样做的优点非常明显，因为它既有斜齿轮啮合运 行平稳，寿命长的特点，同时又减小了换档冲击，使得换档平顺性得以大大提 高。但是这样也加大了变速器的轴向尺寸，因为每个齿轮的径向距离加大。 ( 3 ) 同步器换档 说到同步器换档，大家都已经很熟悉了，因为目前绝大多数汽车的变速器 都是采用了同步器换档这一技术。同步器换档是在啮合套换档的基础上加以改 进，但比啮合套换档的冲击力更小，将对零部件的损伤降到了最低。而且操作 非常轻便，但是同步器的构造比较复杂，很多细小的零件不易加工，并且由于 工作条件恶劣，磨损较快，但是它使得变速器齿轮的寿命得以延长，并对变速 器性能的提高起到了很大的作用。关于同步器的原理及构造，在后面章节会详 细介绍。 武汉理工大学硕士论文 2 4 本章小结 本章节着重介绍了传统手动变速器的结构特点以及工作原理。主要通过对 几个实际中典型的变速器进；行详细介绍，更直接和清晰的叙述了变速器的结 构原理，通过对变速器的详细了解，也对一些主要参数对变速器性能的影响有 了初步掌握，为下一步对变速器参数设计和优化打下了基础。 武汉理工大学硕士论文 第3 章变速器参数设计 汽车的心脏是发动机，也就是说汽车行驶的驱动力是由发动机提供的，但 是在不同的路况下，我们需要发动机的牵引力和行驶车速在大范围内不断变化， 所以，这就必须依靠变速器来实现。关于变速器的结构原理，我们在上一章中 已经讲得很清楚，这章主要是对变速器的主要参数进行合理设计。 3 1 变速器档位数与传动比的确定 3 1 1 最大传动比、最小传动比的确定 对于普通的汽车，传动系的最大传动比应该等于变速器一档传动比i 。与主 减速器传动比i o 的乘积，即f f 一= f g 。f o 。但是一般情况下，汽车的主减速比i 。都 已经确定，所以传动系的最大传动比由变速器的最大传动比来确定。确定最大 传动比时，要考虑到汽车的最大爬坡度、附着率以及汽车的最低稳定车速这三 个方面的因素。 当汽车爬大坡时由于车速是非常缓慢的，所以可以将空气阻力忽略，所以 汽车的最大驱动力为： e 一= f ，+ f m 默 ( 3 1 ) 或 即 t m m a x i g l i o r r = 可c 。s 口m 戡+ g s m 口眦 ( 3 2 ) ， 铲塑专等堂 净3 ， 在普通使用的车辆中，大货车的最大爬坡度一般取3 0 ，即口1 6 7 0 。而小 轿车的最大爬坡度则不低于这个数字，所以小轿车的最大爬坡度应该主要根据 其加速性能来确定。 1 4 也就是 不同类 数也不 位数应 。同时 就燃油经济型而言，同样由于档位数很多，发动机在低燃油消耗率区工作的几 率也降低了，这样就使得燃油经济性也得到了很大的提高。所以，汽车变速器 的变速器档位数在理论上应该是越多越有利于汽车的动力性和燃油经济性。 但是档位数的多少还与传动比有着密切的联系，这是因为如果两个相邻档 位的传动比过大的话就会造成换档困难，改善的方法就是在这两个档位之间加 入一个或者两个档位。所以这也是为什么动力性足的汽车档位数也会相对较多， 根据经验，一般认为相邻传动比值应该不大于1 7 1 8 。在实际当中，其实变 速器各档的传动比确定并没有十分严格的规定，但是一般来说，各相邻档位之 间的传动比比值是按等级分配的。例如，i 。，、i 。：、i 。，、i 。4 、i 。，分别为一档至 五档的传动比，那么就有i g l i 9 2 l 9 2 i 9 3 i 9 3 i 9 4 i 9 4 i 9 5 ， 但是它们之间 的差距并不大，所以在一些轿车中，有的还将传动比的比值全部按等比分配。 即 i g l i 9 2 2 i 9 2 i 9 32 2 q 在上式中，q 为常数，就是设计人员在设计时确定的各档之间的传动比的公比。 在汽车理论书中已经证明了传动比按等比分配的好处，这样可以更加充分的利 用发动机提供的功率，提高汽车的动力性。 此次论文采用分析的变速器是有上汽通用五菱公司研制的s c 6 3 手动变速 器，它各档的传动比如表1 ： 表1s c 6 3 手动变速器传动比 档位 一档二档三档四档 五档倒档 传动比 3 7 6 91 9 151 3 3 9 10 8 8 94 1 2 8 武汉理工大学硕士论文 3 2 变速器齿轮参数的确定 ( 1 ) 原始齿廓参数 齿形角 齿形角也即平时我们所说的压力角，它的大小有几个常用的经验数值，一 般采用最多的是2 0 0 ，此外还有1 4 0 3 07 、1 6 0 3 0 、2 2 0 3 0 这些常见的角度。 当齿形角增大时，齿轮的弯曲强度和接触强度都会相应得到提高，这是因 为根圆齿厚和节圆处的渐开线曲率半径都增大了所致。但是齿形角增大的同时 也带来了很多的劣势，例如当扭矩相同时，齿面的载荷增大，重合度减小，齿 轮刚度增大的同时噪声也随之增大。轿车由于载荷一般都不大，并且强调舒适 性，所以齿形角都选择的较小，并且不同档位齿轮的齿形角也都不相通，往往 低速档的齿形角较大，而高速档的齿形角较小。