小型汽车机械式变速器的设计与仿真分析-动力机械工程硕士论文

（申请工学硕士学位申请工学硕士学位论文论文） 小型汽车机械小型汽车机械式式变速器的设计与仿变速器的设计与仿 真分析真分析 培养单位培养单位 ：汽车工程学院：汽车工程学院 学科专业学科专业 ：动力机械及工程：动力机械及工程 研研 究究 生生 ：靖阳靖阳 指导教师指导教师 ：田韶鹏田韶鹏 教授教授 2014 年年 5 月月 小 型 汽 车 机 械 变 速 器 的 设 计 与 仿 真 分 析 小 型 汽 车 机 械 变 速 器 的 设 计 与 仿 真 分 析 靖 阳 靖 阳 武武 汉 理 工 大 学 汉 理 工 大 学 万方数据 分类号分类号 密密 级级 UDCUDC 学校代码学校代码 10497 学学 位位 论论 文文 题 目 小型汽车机械式变速器的设计与仿真分析 英 文 The Design and Optimization of small car 题 目 Mechanical transmission 研究生姓名 靖 阳 姓名 田韶鹏 职称 教 授 学位 博士 单位名称 武汉理工大学 邮编 430070 申请学位级别 工学硕士 学科专业名称 动力机械及工程 论文提交日期 2014.05 论文答辩日期 2014.05 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予时间 答辩委员会主席 吴森 评阅人 钟绍华 韩星会 2014 年 4 月 指导教师 万方数据 独创性声明独创性声明 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 日期 学位论文使用授权学位论文使用授权书书 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、索隐或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授予经武汉理工大学认 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） ： 导师（签名） ： 日期： 万方数据 I 摘摘 要要 变速器作为汽车上重要的一个部件，直接影响到汽车的动力性和经济性， 操作的轻便性与可靠性，运行的平稳性，以及乘坐的舒适性。传统的机械式变 速器虽然有很多缺点，例如换档冲击大，操作不便，占用空间大等，但是由于 其成本低、效率高、工艺简单等优点，仍然在现代的汽车上被广泛使用。 科学技术的发展带动了计算机技术的发展，变速器从以前靠经验设计，到 现在使用专业的软件设计。在变速器的研究领域，世界上应用最广泛的两个专 用软件是 Romax 和 MASTA，这两个软件都可以对变速器进行选配、设计开发 以及制造。本文主要使用 Romax 软件对小型汽车机械式变速器进行建模、仿真 分析及优化，同时查阅相关的书籍、文献，并借鉴他人的思路、方法以及研究 成果，探索使用 Romax 软件对机械是变速器进行建模和仿真分析，对今后设计 开发机械式变速器，缩短了开发周期，提高了工作效率，具有较大的工程价值。 论文以小型汽车机械式变速器为研究对象，在具备变速器开发相关的理论 知识与实践能力的前提下，对变速器进行设计、建模、仿真分析及优化。 本论文对变速器的设计开发工作主要包括以下几个方面： （1）确定机械变速器的总体设计方案，其中包括齿轮的布置、轴的布置、 档位的布置等； （2）根据所配发动机的基本参数，在考虑满足汽车整车的动力 性和经济性的前提下，确定齿轮的传动比； （3）查阅大量的相关资料，根据前 人总结的一些经验公式，确定变速器零件的相关参数； （4）通过 Romax 软件对 机械式变速器进行建模，并且模拟变速器的实际负载，完成齿轮、轴和轴承等 主要零件分析，确保零件的安全可靠； （5）使用 Romax 中的齿轮修形模块对齿 轮进行微观修形，减轻齿轮的偏载，使变速器平稳运转，延长变速器的使用寿 命。 目前专业软件在变速器设计上应用越来越广泛，怎样使用软件分析每个参 数对变速器性能的影响，将是以后研究工作的重心。本文使用 Romax 软件对变 速器进行建模，模拟实际工况对变速器进行仿真分析，根据分析结果对零件进 行优化，这种方法为将来变速器的开发提供了理论上的指导。 关键词：机械式变速器，Romax，建模，仿真分析，优化 万方数据 II Abstract As an important part of automobile, transmission directly affects the automotive power and economy, operating portability and reliability, smooth running, riding comfort. Though traditional mechanical transmission exists lots of shortcomings, such as big shifting shock, operation inconvenience, and large occupation space, it is still widely used in modern vehicle due to low cost, high efficiency, simple process advantage. Science and technology promote the development of computer technology. Previously transmission design depends on experience of forefathers, now some professional software is used to design transmission. Two type of special software Romax and MASTA is widely used in the world in the transmission field. Transmissions can be optional, designed, developed and manufactured in two software. In this paper, use software Romax to make modeling, simulation and optimization on mechanical transmission of small cars. Consult relevant books and literature, based on the experience, ideas and research achievement of the predecessors. Find out how to make modeling and simulation analysis of transmission in software Romax. This way has great engineering value for the future design of mechanical transmission, shorten the development cycle, and greatly improve the work efficiency. This paper sees mechanical transmission of small cars as research object. With relevant theoretical knowledge and practical ability of transmission development, make design, modeling, simulation analysis and optimization on transmission. In this paper, the design and development work of transmission mainly includes the following aspects. (1) Determine the overall design of mechanical transmission, including the arrangement of gears, arrangement of shafts and shift operation mechanism. (2) According to the basic parameters of the vehicle, determine the transmission ratio of the gear in consideration of the premise to meet the power and economy of the automobile (3) Consult large amounts of relevant data, according to some previous 万方数据 III empirical formula to determine the basic parameters of the transmission main parts. (4) Make modeling and simulation on mechanical transmission in software Romax. Analog actual working condition of transmission, and ensure the safety of the main parts during its working period. (5) Use gear optimization module in Romax to optimize gear, and make simulation analysis after gear optimization. Compared with the result of the optimization before, examine the optimizing effects. Currently professional software is used in transmission design more and more widely. Learn how to analyze the influence of each parameter on the transmission performance in software. This is the focus of research in future. Use the professional software Romax to make modeling of transmission. Simulated analysis is carried out on the transmission in the actual working condition. Make structural optimization based on the result. This method will guide the design and development of transmission Key words: mechanical transmission, Romax, modeling, simulated analysis, optimization 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 . I Abstract . II 目目 录录 . IV 第第 1 章章 绪论绪论 . 1 1.1 论文研究的目的和意义 . 1 1.2 常见变速器的优缺点分析 . 2 1.3 国内外变速器的发展状况 . 3 1.4 论文的主要内容 . 4 第第 2 2 章章 机械式变速器的结构型式与方案选择机械式变速器的结构型式与方案选择 . 6 2.1 变速器的功用 . 6 2.2 机械式变速器的结构型式 . 6 2.2.1 三轴式变速器 . 7 2.2.2 两轴式变速器 . 9 2.3 机械式变速器结构方案选择 . 12 2.3.1 三轴式与两轴式的优缺点 . 12 2.3.2 变速器各档位的布置. 13 2.3.3 换档结构型式选择 . 14 2.4 本章小结 . 15 第第 3 3 章章 机械式变速器主要零件参数的设计计算机械式变速器主要零件参数的设计计算 . 16 3.1 变速器的档位数 . 16 3.2 变速器的传动比 . 17 3.2.1 传动比范围 . 17 3.2.2 各档传动比计算 . 17 3.3 齿轮相关参数的选取和计算 . 20 3.3.1 齿轮的设计要求 . 20 3.3.2 齿轮基本参数确定 . 20 3.3.3 各档齿轮齿数 . 25 3.4 齿轮的设计计算 . 29 3.4.1 齿的的几何尺寸计算. 29 3.4.2 齿轮的主要失效形式. 30 3.4.3 变速器齿轮材料及热处理方式的选择 . 31 3.4.4 变速器齿轮的强度校核. 31 3.5 轴的设计计算 . 33 3.5.1 初选轴尺寸 . 33 3.5.2 轴的强度和刚度计算. 34 3.6 轴承寿命模型参数计算 . 37 3.7 本章小结 . 40 第第 4 4 章章 同步器的设计计算同步器的设计计算 . 41 万方数据 V 4.1 锁环式惯性同步器的结构及工作原理 . 41 4.1.1 同步器的结构 . 41 4.1.2 同步器的工作原理 . 42 4.2 锁环式惯性同步器的设计 . 43 4.2.1 同步环主要参数的选取. 43 4.2.2 同步器主要参数确定. 44 4.3 同步器的计算 . 45 4.4 本章小结 . 47 第第 5 5 章章 基于基于 RomaxRomax 机械式变速器建模与仿真分析机械式变速器建模与仿真分析 . 48 5.1 Romax 软件介绍 . 48 5.2 基于 Romax 变速器的建模过程 . 49 5.2.1 轴的建模 . 49 5.2.2 轴承选择与定位 . 52 5.2.3 齿轮的建模 . 52 5.2.4 同步器的建模 . 55 5.3 基于 Romax 变速器的仿真分析 . 58 5.3.1 齿轮的分析 . 58 5.3.2 轴的分析 . 60 5.3.3 轴承分析 . 60 5.4 齿轮的优化 . 61 5.5 本章小结 . 63 第第 6 6 章章 总结与展望总结与展望 . 65 6.1 工作总结 . 65 6.2 研究展望 . 65 致致 谢谢 . 67 参考文献参考文献 . 68 附录附录 攻读硕士学位期间发表的论文攻读硕士学位期间发表的论文 . 71 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 论文研究的目的和意义 1885年，德国工程师卡尔本茨发明了世界上第一辆汽车，汽车经历了一百 多年的发展，特别是从福特公司推出面向大众的汽车T型车以后，汽车开始进入 了大众的生活，并且在人们生活中占据的位置变越来越重要 1。我国的汽车的起 步比较晚，建国后，国家建立了中国一汽汽车公司，制造出了第一辆解放牌汽 车，到后来随着改革开放的深入，我国的汽车得到了飞速的发展，近些年，我 国汽车的保有量逐年增加，汽车工业已经成为我国国民经济的重要产业，为社 会的发展作出了巨大的贡献。变速器作为汽车上非常重要的一个部件，直接影 响到汽车的燃油经济性和乘坐舒适性 2。随着人们生活质量的提高，人们越来越 关注汽车的乘坐舒适性和燃油经济性，而变速器性能优劣直接影响到汽车的整 体性能，然而在过去很长一段时间里，我国的科研重心放在了对发动机的研究， 对变速器的研究较少，近年来研究人员意识到变速器的重要性，将重心放在对 变速器的研究上。近些年研发出来了几种变速器：液力自动变速器、无级变速 器、电控机械式自动变速器和双离合变速器，上述变速器在性能方面各有优缺 点，用途也有不同。而机械式变速器以其结构简单、传动效率高、制造成本低、 寿命长等优势，在市场中占很大比重，据调查2012年机械式变速器在市场中占 有的份额为75%，国内大多数经济型轿车和商用车都安装使用机械式变速器，因 此在以后很长一段时间汽车生产厂家仍然会在汽车上装配机械式变速器。但是 机械式变速器也有很多的缺点，比如换档冲击大、体积大、操作麻烦、噪声大 和振动大等，严重影响了汽车的整体性能，因此在以后的研究过程中，对机械 式变速器做一定的改善和优化，将成为研究人员关注的重点，是非常必要的， 也是非常有意义的。 近年来，随着汽车技术的发展，对变速器的性能要求也在不断地提高，变 速器中关键零件的性能直接影响到变速器性能的好坏。齿轮是变速器中最关键 的零件，发动机产生的动力直接通过齿轮的啮合传递，工作状态非常复杂，工 作环境也非常恶劣。如果齿轮的性能无法满足要求，将会大大降低变速器的工 作性能。几十年里，无数的汽车工程师致力于提升变速器的工作性能，使变速 器的性能得到了很大的提高。然而，目前对齿轮齿根弯曲强度计算依旧使用传 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 2 统方法，将轮齿简化成“悬臂梁”，将斜齿圆柱齿轮转化成当量直齿轮，然后 进行分析计算。传统的设计方法主要依靠工程师的经验，误差比较大，很容易 造成浪费，不利于达到将来对变速器轻量化、高速化要求 3。随着现代计算机技 术的快速发展，研究变速器的专业软件也越来越多，而Romax和MASTA是其中 应用最普遍的两个软件，集设计、计算、建模、仿真和优化于一体。本文使用 Romax对机械式变速器进行建模、仿真分析以及优化，设计出来一款和整车匹配 的机械式变速器。 1.2 常见变速器的优缺点分析 （1）机械式变速器 机械式变速器又称手动变速器，驾驶员通过拨动变速杆，使换档拨叉改变 变速器内齿轮的啮合位置，改变传动比，达到变速变扭的目的。 手动变速器与自动变速器相比，手动变速器可以给汽车驾驶爱好者带来更 多的操控快感，传输效率比自动变速器要高，维修保养也比自动变速器便宜。 如果驾驶者换档熟练，在汽车起步和加速过程中，配有手动变速器的汽车，反 应更快更省油。 驾驶者操作配有手动变速器的汽车，在换档时，必须要先踩下离合器，使 离合器分离，然后换档。在换档过程中，存在换档冲击，动力中断现象，乘坐 舒适感降低。 （2）液力自动变速器 液力自动变速器是由行星齿轮变速器和液力变扭器组合而成的变速器。液 力自动变速器能改变所传递扭矩的液力传动，具有离合器的作用。由于发动机 产生的动力通过液力变矩器传递给行星齿轮变速器，因此减小了换档冲击。配 有液力自动变速器的汽车，没有离合器踏板，操作比较简单，减轻了驾驶者的 疲劳，适合市区这样经常换档环境。 与手动变速器相比，液力自动变速器仍然存在一些缺点，首先，制造维护 成本高，目前仅装配在中高级汽车上，配备液力自动变速器的汽车要比配备手 动变速器的同类型汽车在价格上高将近一万元；其次，传动效率低，手动变速 器的传动效率在 95%以上， 而液力自动变矩器的传动效率只有 82%86%； 再次， 加速时间长，配备液力自动变速器的汽车在起步和加速时，速度增加比较慢； 最后，结构复杂，维修困难，需要具有专业技术的维修人员。 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 3 （3）无级变速器 无极变速器是由传动带和工作直径可变的主、从动轮组成，主、从动轮的 工作直径可以连续变化，配合传动带，连续改变传动比，使发动机工作在最佳 区域。 与手动变速器相比，无级变速器不用离合器换档，档位少变化大，连接平 稳，操作容易，既给驾驶者带来方便，减少疲劳，也给乘坐者带来舒适。 无级变速器的缺点在于，第一在对速度变化反应上没有机械式灵敏；第二 传动效率低，传动比小，变矩范围有限；第三结构复杂，修理困难；第四无法 承受较大载荷，只能配备低功率小排量汽车上。 （4）电控机械式自动变速器 电控机械式自动变速器是在传统的手动变速器的基础上改进而来的，通过 在手动变速器上增加电控装置，实现自动选档和换档的变速器。 电控机械式自动变速器揉合了手动变速器和液力自动变速器两者优点，既 具有手动变速器的优点，同时也具有液力自动变速器的优点。 与手动变速器相比，汽车在起步的时候，离合器很难达到理想半联动状态， 必须要延长结合时间来保证汽车顺利起步，这样增加了离合器的磨损，降低了 离合器的寿命。 （5）双离合变速器 双离合变速器在手动变速器的上加入双离合和电控组件的变速器。 双离合变速器的优点：第一双离合变速器可以在很短的时间内实现换档， 换档速度比机械式变速器还要快；第二双离合变速器可以消除动力中断，始终 可以利用发动机输出的动力，并且使发动机始终工作在最佳的区域，经济性好； 第三双离合变速器换档速度快，换档平顺，人体很难察觉顿挫感，乘坐舒适性 好。 双离合变速器也有缺点：第一双离合变速器的结构复杂，制造工艺高，成 本高；第二由于电控系统和液压系统的存在，双离合器变速箱的效率仍然不及 传统手动变速器，特别是用于传递大扭矩的湿式双离合器变速器更是如此；第 三双离合变速器必须按照顺序来换档，不能跳跃式换档。 1.3 国内外变速器的发展状况 根据变速器在全球的使用情况，将全球市场分为北美市场、欧洲市场和日 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 4 本市场。自动变速器在北美市场使用比较广泛，手动变速器在欧洲市场占据较 大的比重，而无级变速器却受到日本人的青睐。 在过去的几年里，欧洲企业在手动变速器的基础上，开发出来了双离合变 速器，并且依据已有的生产设备和条件，大批量生产双离合变速器。在节能减 排方面，比传统的手动变速器要节约 10%的燃油，排放更少，逐渐占据原有手 动变速器的市场。大众汽车公司已经在中高级轿车上配备双离合变速器，而且 其他车企也逐步为生产的汽车配备双离合变速器。在不久的未来，我们将会看 到越来越多的汽车配备双离合变速器，占有的市场份额越来越大。 在北美，美国人对自动变速器情有独钟，美国车企依然致力于研究自动变 速器，提高其综合性能。在四速自动变速器的基础上，发明了更加先进，燃油 经济性更好的六速变速器。面对日益攀升的油价，美国人在关心乘坐舒适性的 同时，开始致力于研究降低燃油消耗的方法，双离合技术进入了美国企业的眼 睛。在不远的将来，手动变速器的占有率将会越来越低，6 速自动变速器将逐 渐取代 4 速自动变速器，而双离合变速器也会在北美市场占有一席之地。 日本由于国土面积狭小，交通拥挤，资源比较匮乏，节油一直以来是日企 的目标，配备无级变速器和液力自动变速器的汽车以其在节油方面的优势，受 到日本消费者的欢迎。在我国，虽然机械式变速器近些年的市场份额有点下降， 但仍然占据较大的市场， 据调查 2012 年机械式变速器的市场份额为 74%。 自动 档变速器近些年的市场占有率有所增加，从 2009 年的 9%到 2012 年的 26%， Global Insight 公司预计到 2014 年自动档变速器的市场份额要达到 33%， 其中乘 用车市场最大， 将达到 44%。 自动档汽车深受女性用户的青睐， 近些年从 20.3% 增长到 30.9%。从消费者调查知道，消费者最关注的两个汽车配件，第一是安 全气囊，第二就是自动档变速器，在中国自动档变速器的前景是十分乐观的。 同时手动档变速器的经济性以及驾驶娱乐性也决定了其不可替代。国内企业对 CVT 和 AMT 加速产业化的同时，开始研发双离合变速器，但是双离合变速器 的关键技术都掌握在博格华纳公司和舍弗勒公司， 国内企业研发 DCT 之路任重 道远。 1.4 论文的主要内容 本文主要为小型汽车设计出相匹配的机械式变速器，在设计过程中，要首 先对机械式变速器的构造、原理及工作的过程做深入的研究，然后设计变速器 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 5 主要零部件，最后对变速器进行建模、仿真分析以及优化。 （1）确定小型汽车机械变速器的设计方案，包括机械变速器齿轮和轴的布 置和档位布置方案； （2）根据汽车和发动机的基本参数，同时考虑整车的动力性和经济性，确 定变速器的传动比； （3）结合理论和经验，设计出变速器主要零件的主要参数； （4）运用专业软件 Romax，对机械式变速器进行建模与仿真，根据仿真 结果对齿轮进行优化。 这种使用专业软件对变速器进行建模和仿真分析的方法，可以完成变速器 齿轮、轴以及轴承等主要零件的分析，这种方法可以大大提高变速器的开发效 率，降低变速器的开发周期， ，将为今后新变速器的开发提供指导作用。 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 6 第第 2 2 章章 机械式变速器的结构机械式变速器的结构型式型式与方案选择与方案选择 2.1 变速器的功用 （1）汽车的行驶工况很复杂，要经常起步、加速、减速，上坡和倒车，而 发动机的运行区域很小，无法满足汽车复杂的行驶工况，使用变速器通过改变 传动比，来改变传递到驱动轮上的转矩和转速，使汽车适应复杂的行驶状况， 同时也可以保持发动机在最有利的转速区间内工作。 （2）由于发动机不能倒转，使用变速器可以实现汽车倒退行驶。 （3）汽车在启动、换档、怠速和滑行状态下，可以使发动机传递的动力中 断。 2.2 机械式变速器的结构型式 普通的齿轮式变速器也称轴线固定式变速器，主要由变速器壳体、变速传 动机构、变速操纵机构和换档装置等四大部分组成。变速器壳体是变速器内部 零件安装的基础；传动机构是变速器的核心，通过改变齿轮的啮合位置来实现 传动比变化，来改变传递的转矩以及旋转方向；操纵机构和换档装置用来实现 换档。通常可以按照工作轴的数量（不包括倒档轴） ，可以将机械式变速器分为 三轴式变速器和两轴式变速器。 万方数据 武汉理工大学硕士学位论文 7 2.2.1 三轴式变速器 1输入轴；2输入轴常啮合齿轮；3五档同步器锁环；4、9结合套；5四挡齿轮接 合齿圈；6输入轴四档齿轮；7输出轴三档齿轮；8三档齿轮接合齿圈；10二档齿轮 接合齿圈；11输出轴二档齿轮；12输出轴一档、倒档滑动齿轮；13变速器壳体；14 输出轴；15中间轴；16倒档轴；17、19倒档中间齿轮；18中间轴一档、倒档齿 轮；20中间轴二档齿轮；21中间轴三档齿轮；22中间轴四档齿轮；23中间轴常啮 合齿轮；24、25花键毂；26输出轴轴承盖；27轴承盖回油螺纹；28通气塞；29 速度里程表主动齿轮；30中央制动器底座 图 2-1 解放 CA1040 系列轻型载货汽车变速器 （1）变速器的基本结构 三轴式变速器有三根轴：输入轴、输出轴和中间轴。输入轴为动力输入轴， 输出轴为动力输出轴。输入轴与输出轴的轴线在同一条直线上，两根轴同心， 通过轴承联接在一起，中间轴的轴线与它们的轴线平行。输入轴与中间轴上的 齿轮啮合，形成一对齿轮副，中间轴与输出轴上的齿轮啮合，形成一对齿轮副。 每一个档位都要靠两对齿轮才能实现，并且输入轴和输出轴的转动方向是相同 的。图 2-1 是解放 CA1040 系列轻型载货汽车变速器结 4。 （3）三轴式变速器 图 2-2 为解放 CA1040 系列轻型载货汽车变速器传动示意图，以此图为例 分析机械变速器的工作过程。 万方数据 武汉理工大学