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机械式汽车变速器的速比配置分析 3 蔡炳炎 徐 勇 林 宁 武汉理工大学 汽车学院 湖北 武汉 430070 摘 要 汽车变速器是汽车上的重要部件 为保证汽车必要的动力性和经济性指标 必须合理选择和配置变速器档位及各档速比 通 过对变速器等比级数速比配置 偏置等比级数速比配置的理论分析 从经济性和加速性两方面分析对比两种速比配置 在总 档位数和一档速比确定后 合理的分配变速器各档速比 关键词 变速器 总档数 等比级数 偏置等比级数 中图分类号 TH123 文献标识码 A 文章编号 1007 4414 2005 02 0019 03 1886年 世界上诞生的第1辆汽车的并未装有变速器 直 到1902年才由法国人造出了第1部装有变速器的汽车 目 前 绝大多数汽车仍采用机械式变速器 分动器 主减速器 构 成整车的传动系 其结构简单 操纵方便 造价低廉仍不失为 汽车传动系中的主要部件 在传动系中设置变速器是由于汽 车上广泛采用的活塞式内燃机 其转矩和转速变化范围较小 而复杂的使用条件则要求汽车的牵引力和车速能在相当大的 范围内变化 1 为此在传动系中设置了变速器 它的功用 是 改变传动比 扩大驱动轮转矩和转速的变化范围 以适 应经常变化的行驶条件 同时使发动机在有利 功率较高而油 耗较低 的工况下工作 在发动机旋转方向不变的前提下 使汽车能倒退行驶 利用空挡 中断动力传递 以使发动机 能够起动 怠速 便于变速器换档 使汽车滑行和停车 需 要时 还可以加装动力输出器 进行动力输出 设计变速器时要用到资料有 汽车的种类及用途 发动机 的参数 功率 转速和扭矩 转速 最大车速 最高档传动 比 最大爬坡度 最低档传动比 最大牵引力 最低档的输 出扭矩 汽车行驶的工况各不相同 各档的利用率也不一 样 为保证汽车必要的动力性和经济性指标 必须合理选择和 配置变速器档位及各档速比 1 总档数及壹档传动比的选择 不同类型的汽车 具有不同的传动系档位数 其原因在 于它们的使用条件不同 对整车性能要求不同 汽车本身的比 功率不同 而传动系的档位数与汽车的动力性 燃油经济性 有着密切的联系 就动力性而言 档位数多 增加了发动机发挥最大功率附 近高功率的机会 提高了汽车的加速和爬坡能力 就燃油经 济性而言 档位数多 增加了发动机在低燃油消耗率区工作的 能力 降低了油耗 因而能提高汽车生产率 降低运输成本 不过 增加档数会使变速器机构复杂和质量增加 轴向尺寸增 大 成本提高 操纵复杂 2 变速器的档数及其传动比由总体 布置设计确定 可以根据壹档速比来确定档数 其计算公式 为 I1 1 45 N 1 式中 I1为一档传动比 N为总档数 可采用对数进行计算 确定一档传动比 即一档传动比I1时 要考虑汽车的最大 爬坡度及驱动车轮产生的最大附着力 1 满足最大通过能力条件 即用一档通过要求的最大 坡道角 max坡道时 驱动力应大于或等于此时的滚动阻力和 上坡阻力 加速阻力为零 空气阻力忽略不计 用公式表示 如下 F G cos max G sin max 式中 G为车辆总重量 为坡道面滚动阻力系数 对沥青路 面 0 01 0 02 根据发动机最大扭矩 Memax 要使汽车产 生上述驱动力 变速器一档传动比I1应为 I1 F R Memax I0 式中 I0为驱动桥主减速比 为传动系效率 一般 0 85 0 90 R为车轮滚动半径 2 满足不产生滑转条件 即用一档发出最大驱动力 时 驱动轮不产生滑转现象 公式表示如下 Memax I0 I1 R Fn I1 Fn R Memax I0 式中 Fn为驱动轮的地面法向反力 为驱动轮与地面间的附 着系数 对混凝土或沥青路面 可取0 5 0 6 变速器的最高档传动比常取为1 这时动力由变速器输 入轴直接传给输出轴 中间不需经过齿轮传动 故亦称直接 档 此档传动效率高 汽车在行驶过程中 多数时间用最高档 工作 有的汽车为了减小高速行驶时发动机的效率 变速器 的最高档传动比取为0 7 0 8 称为超速档 超速档最适用 于空载高速行驶 比功率 即发动机额定功率与汽车总重之 比 大的汽车 满载时也可用超速档行驶 超速档可装在变速 器内 也可另装1超速档传器 3 确定完最低与最高档传动 比后 即可分配中间各档传动比 2 变速器各档速比的配置 一般认为传动比宜按几何级数分配 确定传动比的方法 很多 下面仅比较 分析常用的2种方法 第1种方法是按等公比原则分配传动比 利用对数来确 定公比值 核心内容是认为各挡都是等比级数的排列 各挡 的速比阶都一样 即 91 第18卷 第2期 2005年4月 机械研究与应用 MECHAN I CAL RESEARCH 且汽车多在高档位置工作 换档频次也大大多于低档 因 此 高档的速比阶应比低档小 一般认为高档与低档速比阶 应该不一样 高档的公比较小 为1 3 1 45 低档的要比较大 一些 为1 7 1 8范围内 为适应上述情况 建立了偏置等 比级数速比分配方法 将各档的速比阶Q x按等比级数排列 核心内容是先把I1的对数平均分成N 1个台阶 阶数比档位 数少一 即 log Q log I1 N 1 再把它放到中间档 位的位置 作为中间档位的阶为Q1 直接档的阶为QN 1 这 样 高档的速比阶将小于低档的阶 Q x为等比级数 log Qx 就为等差级数 将高档的速比阶和直接档速比阶的差值 除以 高档和中间档之间的档位数后的商值 作为等差级数的公差 分配到各档 公差值为 log Q log Q N 1 2 N 2 1 而按速比阶的定义 任意档IX的速比阶为 QX 1 IX 1 IX 或 log QX 1 log IX 1 log IX 由 IN 1可推出 log QN 1 log IN 1 因此 各档的阶可表示为 log QN 2 log QN 1 由此可推出 各档速比阶的关系为 Q1 Q2 Q2 Q3 Q3 Q4 第N X档的阶 QN X 1为 log Q N X 1 log I N 1 X 相应的各档的速比就为 log I N 1 log Q N 1 log I N 2 log I N 1 log Q N 2 2 log I N X log I N X 1 log Q N X X log I 1 log I 2 log Q 1 N 1 2 联立式 1 2 又I1和N都为已知 方程只有1个未知 量 故可以算出 log QN 1 从而算出QN 1从而算出各档速 比 3 举例说明 例如 已知一中型货车6档变速器的总档数为 N 6 六 档速比为 I6 1 00 一档速比为 I1 9 01 则 1 按等比级数算各档速比 设各档之间的公比为q I1 9 01 I6 1 00 q 1 552 I5 1 552 I4 2 409 I3 3 739 I2 5 803 2 按变速器偏置等比级数计算各档速比 设中间档的 速比阶为Q log Q log I1 N 1 log 9 01 6 1 0 191 2 N 2 log Q log Q N 1 2 6 2 log Q log Q 5 log Q 6 1 log I6 1 log I 5 由于 log I1 log I 2 log Q 1 N 1 5 将 2 4 log Q log Q 5 log Q 6 1 log I 6 1 log Q 5 带入方程 得 log I 1 2 4 log 9 01 6 1 log Q 5 5 log Q 5 I1 9 01 解得 Q5 1 412 log I 5 log Q 5 I5 1 412 I4 2 2 09 I3 3 3 245 I2 3 5 28 I1 I2 1 706 I2 I3 1 627 I3 I4 1 552 I4 I5 1 48 I5 I6 1 412 3 两种方案比较分析 假设驾驶员用1档起步 随着发动机转速的提高 汽车的 行驶速度也随之增加 当发动机的转速达到n2时 驾驶员开 始换档 若设换档过程中车速没有降低 则换上第2档时 发 动机的转速为n1 离合器才能平顺的无冲击地结合 n2和n1 的关系如下 n2 n1 i1 i2 同理 当驾驶员从2档换上3档 时 为使离合器平顺的无冲击地结合 n2 n 1 速比阶 所以 当变速器的速比阶不同时 换档时发动机的转速也不相同 4 当i1 i2 i3 i4 n1 n 1 下面比较这两种速比配置对发动机功率发挥的影响 假 定为了充分利用发动机功率 加速过程中节流阀全开 各档均 用到发动机的最高转速nmax才换档 根据公式 ua 0 377 nr igi0 画出各档车速和发动机功率关 系如图1 图1 各档车速和发动机功率关系图 从图中我们可以分析出 在1档时 发动机的工作区域相 02 Vol 18 No 2 2005204 机械研究与应用 MECHAN ICAL RESEARCH 4档时 二者对发动机功率的利用是相同的 5档和6档恰 好相反 采用等比级数配置速比发动机功率的利用要大一些 从加速和爬坡能力来看 采用等比级数配置速比时 可以在汽 车需要大功率时 较好地利用发动机特性曲线功率比较大的 一段来增加汽车的后备功率 因此汽车的加速和爬坡能力比 采用偏置等比级数时要好 从燃油经济性来看 汽车的的加 速和爬坡能力越好 汽车油耗也越大 因此采用偏置等比级数 比较节油 在实际汽车使用中 各档的利用律差别很大 例中 的中型货车6档变速器中的1 2 3 4档的实际总利用律仅为 15 20 若采用等比级数速比配置 用高档行驶时 将燃 油消耗和操纵迟滞 高档和次高档的速比阶间隔应小些 4 齿轮设计说明 齿轮是汽车变速器的重要零件 齿轮的结构特点 精度要 求都应符合设计要求 5 在速比配置计算结束后 即可按计 算结果选择各档的齿数 选择齿轮及齿形参数 齿形的几何计 算 啮合质量的计算 在满足强度和中心距要求条件下 根据 选齿计算的实际速比应和理论计算结果非常接近 否则 应重 新选择齿数 倒档速比的选取 应考虑满足变速器整体结构 布置的需要 数值大致和一档速比相近 参考文献 1 刘海江 于信汇 沈 斌 汽车齿轮 M 上海 同济大学出版社 1997 2 张洪欣 汽车设计 M 北京 机械工业出版社 1999 3 余志生 汽车理论 M 北京 机械工业出版社 2000 4 陈家瑞 汽车构造 上 下册 M 北京 人民交通出版社 1994 5 龚桂义 渐开线圆柱齿轮强度计算与结构设计 M 北京 机械 工业出版社 1992 Analysis of rapid compare cllocate for the type of automobile trans m ission CaiBin yan Xu Yong Ling Ning The college of autom bile of W uhan engineering University HuBeiW uhan 430070 China Abstract The automotive transmission is a very important part for a automobile In order to ensure the necessary impetus and economy we must pick and configure the numbers of the trans mission s gears and the proportion of the speed reasonably The article contrasts the geometric progression and the partial geometric progression of the speed s proportion analyzes the two methods through thatwe can fig2 ure out all speed s proportions fast and exactly afterwe choose the numbers of the transmission s gears and the first gear Key words trans mission the numbers of the trans mission s gears geometric progression partial geometric progression 上接第18页 本试验将现代测试手段和模态分析技术相结合 采用相 关双输入相对激振的方法 分析了TH6350型加工中心的结构 和动态特性 并提供了重要的模态参数 通过分析前四阶模 态振型 可知整机工作频率在49Hz 150Hz附近时 主轴与工 作台有较明显的振动 是影响加工精度的主要因素 下一步 工作中 我们将根据已获得的系统模态参数模型 针对薄弱模 态进行结构动力修改 结构动力特性优化设计 以提高转速和 加工精度的目的 参考文献 1 廖伯瑜 周新民 尹志宏 现代机械动力学及其工程应用 建 模 分析 仿真 修改 控制 优化 M 北京 机械工业出版社 2004 2 曹树谦 张文德 萧龙翔 振动结构模态分析 M 天津 天津大 学出版社 2001 3 傅志方 振动模态分析与参数辨识 M 北京 机械工业出版社 1990 4 李德葆 振动模态分析及应用 M 北京 宇航出版社 1989 Testmodal analysis of TH6350 machin i ng center Yin Zeng zhen Yin Zhi hong FanWen chong The departm ent of M echanical and Electrical Engineering Kunm ing University of Science and Technology Kunm in