汽车变速器设计及其换挡规律研究

河南理工大学河南理工大学 万方科技学院本科毕业论文万方科技学院本科毕业论文 I 摘要 我国汽车工业正处于发展和提高时期 近年来 随着人民生活水平 的提高 汽车开始进入家庭 由于受成本制约 目前我国自主生产的汽 车基本都为手动变速 手动变速一方面会增加驾驶员的劳动强度 另一 方面不利于行车安全 装载自动变速器的车辆不仅操作方便 换档平顺 安全舒适 而且能按最佳的换档时机进行自动换档 有助于提高汽车动 力性和经济性 因而特别适合非职业驾驶 为满足非职业驾驶员对方便 舒适的要求 国内各汽车厂商已把开发装备自动变速器的汽车确定为自 己的发展方向 电控机械式自动变速器 AMT 具有传动率高 结构简 单和成本低等优点 特别适合大型汽车和载货汽车的开发应用 在自动 变速器家族中占有重要位置 从 八五 到现在的 十一五 期间 一 直是我国汽车工业发展的一个重要方向 随着汽车工业的发展 轿车变速器的设计趋势为增大变速器传递功 率与重量之比 并要求变速器具有较小的尺寸和良好的性能 在给定发 动机输出转矩 转速及最高车速 最大爬坡度等条件下 着重对变速器 齿轮的结构参数 轴的结构尺寸等进行设计计算 该型结构紧凑工艺性 能好 适配性强 传动平稳噪声低 节油且成本低 关键词 变速器 齿轮 同步器 设计 河南理工大学河南理工大学 万方科技学院本科毕业论文万方科技学院本科毕业论文 II Abstract Automobile industry in our country is in development and improving period in recent years with the improvement of people s living standard Automobile began to enter family because be cost restrict at present our country independent production car basic for manual Variable speed manual shift will increase to labor intensity of the driver on the other hand against driving safety he vehicles carrying automatic transmission is not only convenient operation and shift smooth safe and comfortable And according to the best Shift opportunity for automatic shift and improve the performance and fuel economy cars and especially suitable for the job Industry driving In order to satisfy the pilot of non league convenient and comfortable requirement every domestic auto manufacturers have to develop equipment determine the car for automatic transmission for their own development direction AMT Automated mechanical transmission is the most suitable of applying in the passenger car and motor truck because of its outstanding advantages of high efficiency low cost and simple structure AMT holds an important place in the automatic transmission family and has been listed as key projects starting from the national Eighth Five Year Plan to the national Eleventh Five Year Plan in China 河南理工大学河南理工大学 万方科技学院本科毕业论文万方科技学院本科毕业论文 III Along with the development of the automobile industry the trend of car transmission designing is to increase its transmission power and decrese its weight and hope have smaller size and excellent performance In conditions that knowing the engine output torque speed of engine and maximum speed of vehicles maximum degree focuson the designing of transmission gear structural parameters axis geometry design computation as well as the transmission and drive program structure design Structure by the process performance together and fit and strong smooth transmission and low noise fuel efficient and low cost KeyKey words words transmission gear synchrotron design 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 i 目目 录录 1 绪论 1 1 1 汽车变速器的种类 3 1 2 汽车变速器的功用 5 1 3 汽车变速器的基本结构 6 2 设计内容及研究参数 16 2 1 变速器设计的基本要求 17 2 1 1 变速器功用与要求 17 2 2 变速器的传动布置方面确定 18 2 2 1 倒档传动方案 20 2 3 变速器主要零件结构的方案分析 21 2 3 1 齿轮形式 21 2 3 2 轴的结构 21 2 3 3 轴承形式 22 2 3 4 换挡结构形式 22 3 变速器主要参数的选择与主要零件的设计 25 3 1 变速器的主要参数的选择 25 3 1 1 档数和传动比 25 3 1 2 中心距 27 3 1 3 轴向尺寸 27 3 1 4 齿轮参数 28 3 2 各档传动比及其齿轮齿数的确定 29 3 2 1 确定一档齿轮的齿数 29 3 2 2 确定其他档位的齿数 30 3 3 齿轮变为系数的选择 31 4 变速器齿轮的强度计算与材料的选择 33 4 1 变速器齿轮的几何尺寸计算 33 4 2 齿轮的强度计算与校核 37 5 变速器轴与轴承 43 5 1 变速器轴的结构和尺寸 43 5 2 轴的校核 43 5 3 轴承的校核 45 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 ii 6 变速器同步器的设计 48 6 1 同步器的结构类型 48 6 2 锁环式同步器的工作原理 48 6 3 锁环式同步器的主要参数的确定 51 7 仿真与分析 55 7 1 带 AMT 控制策略的仿真模型 59 7 2 不带 AMT 控制策略仿真的模型 61 7 3 不带控制策略的结果仿真 62 7 3 1 爬坡性能 动力性的分析 62 7 3 2 最高车速 动力性的分析 63 7 3 3 最大加速度分析 动力性的分析 64 7 3 4 超车性能分析 动力性的分析 64 7 4 带控制策略的轿车性能分析 64 7 5 结论 67 8 总结及展望 68 1 总结 68 2 展望 69 致 谢 71 参考文献 72 附 录 73 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 1 1 绪论 随着汽车与电子急速的不断发展 在现代汽车上 电气化的程度越 来越高 电子控制装置的种类也越来越多 如发动机管理与控制系统 电子控制自动变速器 车辆稳定性控制系统 防抱死制动系统 牵引控 制系统 电控悬架 安全气囊 动力转向系统 车身智能网络 车辆导 航及安全预警系统等 从第一辆汽车诞生至今 车辆传动技术取得了飞 速发展 从最初档位固定的减速器 到有多个档位可变换的齿轮变速器 直到现在应用计算机控制实现换档的自动变速器 都有力地推动了汽车 技术和汽车工业向前发展 自动变速技术无疑是车辆传动领域一项十分 重要的技术 其中 电子控制自动变速器 从 八五 到现在的 十一五 期间 一直是我国汽车工业发展的一个重要发展方向 使用传统机械式手动变 速箱的汽车 离合器踏板力的范围是 轿车 80 180N 货车 150 200N 在交通负荷大的市区内 汽车每行驶100km 驾驶员须换挡400 600次 踏离合器600 700次 平均每分钟要连续完成20 30次手脚协作 因此人工操纵离合器踏板的工作强度是相当大的 如此繁重的操纵 会 造成驾驶疲劳 影响驾驶员注意力 引发大量的城市交通事故 另外 车辆手动操纵需要较高的驾驶技术和经验 初学驾驶者由于缺乏相应的 驾驶经验与技术 使得车辆的动力性与燃油经济性难以提高 据统计在 城市运行工况行驶时 熟练驾驶员与非熟练驾驶员的油耗可相差10 以 上 离合器摩擦片的更换频率相差20 以上 因此 自动变速器对于提 高车辆的动力性与经济性 提高行驶安全 降低排放污染 及延长零部 件的使用寿命具有举足轻重的意义 随着我国经济发展水平的不断进步和综合国力的曰益增强 目前 我国汽车工业正处于快速发展期 但是 由于受成本制约 目前我国所 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 2 生产的汽车绝大多数都是手动变速 驾驶员必须根据路面行驶条件和交 通情况的变化随时交换档位以保证汽车正常行驶 这一方面提高了驾驶 员操作的复杂性 另一方面容易使驾驶员产生疲劳 分散驾驶员的注意 力 不利于行车安全 此外 不同的驾驶技术会对车辆的燃油经济性 动力性和乘坐舒适性造成较大影响 而自动变速器由于技术上的优势 这些困难可以迎刃而解 因此 汽车自动变速一直是人们追求的目标 也是目前汽车技术发展到高级阶段的重要标志 人们对车辆操纵方便性和舒服性提出了越来越高的要求 车辆实 现自动变速会带来以下优点 1 操纵简单轻便 装备自动变速器的汽车 采用液压操纵或电子控制 使换档实现 自动化 在变换变速杆位置时 只需操纵液压控制的滑阀 这比普通机 械变速器用拨叉拨动滑动齿轮实现换档要简单轻松得多 而且 其换档 齿轮组一般都采用行星齿轮组 是常啮合齿轮组 这就降低或消除了换 档时的齿轮冲击 大大减轻了驾驶员的劳动强度 因而特别适合于非职 业驾驶 2 具有良好的自适应性 目前 液力传动的汽车都采用液力变矩器 它能自动适应汽车驱 动轮负荷的变化 当行驶阻力增大时 汽车自动降低速度 使驱动轮动 力矩增加 当行驶阻力减小时 减小驱动力矩 增加车速 这说明 变 矩器能在一定范围内实现无级变速 大大减少行驶过程中的换档次数 有利于提高汽车的动力性和平均车速 3 提高汽车通过性 采用液力自动变速器的汽车在起步时 驱动轮上的驱动转矩是逐 渐加的 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 3 4 提高发动机和传动系的使用寿命 采取液力自动变速器的汽车与采用机械变速器的汽车对比试验表 明 前者发动机的寿命可提高85 传动轴和驱动半轴的寿命可提高 75 100 液力传动汽车的发动机与传动系 由液体工作介质 柔 性 性连接 液力传动起一定的吸收 衰减和缓冲的作用 大大减少冲 击和动载荷 例如 当负荷突然增大时 可防止发动机过载和突然熄火 汽车在起步 换档或制动时 能减少发动机和传动系所承受的冲击及动 载荷 因而提高了有关零部件的使用寿命 5 提高行车安全性 在汽车行驶过程中 驾驶员必须随时根据道路条件 交通情况的 变仡 对车辆的行驶方向和速度进行相应调节 这种连续不断的频繁操 作使驾驶员的注意力分散 容易产生驾驶疲劳 造成交通事故增加 而 自动变速的车辆 由于取消了离合器踏板和变速操纵杆 只需控制油门 踏板 就能实现自动变速 因而极大地改善了驾驶员的劳动强度 提高 了行车安全性 6 降低废气排放 由于装载自动变速器车辆的传动比能根据负荷和车速在一定范围内 实现自动调节 可使发动机经常处于经济转速区域内运转 即在较小污 染排放的转速范围内工作 大大降低了尾气污染 1 1 汽车自动变速器的种类 汽车自动变速器的种类很多 按变速控制方式分为液控液压式 电 控液压式 按传动比变化分为有级式自动变速器 无极式自动变速器 综合式自动变速器 目前主要有液力自动变速器 AT Automatic Transmission 电控机械式自动变速器 AMT Automated Mechanical Transmission 无级自动变速器 CVT Continuously Variable 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 4 Transmission 3种类型 自动变速器在发展过程中出现了多种不同的形 式 各种不同的自动变速器在结构 形式上往往有很大差别 液力式自动变速器 AT Automatic Transmission 是目前应用最 广泛 技术最成熟的自动变速器 其发展经历了近七十年的历史 按照 控制方式的不同 液力自动变速器可以分为液控液力自动变速器和电控 液力自动变速器 目前轿车上都是采用电控液力自动变速器 按照变速 机构 机械变速器 的不同 液力自动变速器又可以分为行星齿轮自动 变速器和非行星自动齿轮变速器 行星齿轮自动变速器应用最广泛 非 行星齿轮自动变速器只在本田等个别车系中应用 行星齿轮自动变速器 又可以分为辛普森式 拉威诺式和串联式 AT是最早在汽车上使用的自 动换挡装置 自1940年美国通用公司首次将AT装车以来 各主要工业国 家均在这方面投入大量的人力和物力 使今日的AT生产已经系列化和专 业化 AT能够在不切断动力的情况选实现自动换挡 将发动机机械能平 稳的传给车轮 因此起步 换挡平稳无冲击 具有良好的乘车舒适性 行车安全性以及优越的动力性 但结构复杂 价格昂贵 效率较低时AT 的主要缺点 因而在国内的推广受到一定的限制 少数装备AT的国产轿 车如红旗 捷达 富康 别克等 均依靠引进国外的AT技术和产品 目 前国产轿车中完全自主知识产权的AT占有率很低 电控机械式自动变速器 简称AMT 是英文Automated Mechanical Transmission的缩写 它是在原有手动 有级 普通齿轮 变速器的基础上增加了电子控制系统 对供油调节装置 离合器 变速 箱的控制采用了电机驱动的执行机构 实现起步 选档 换挡的自动化 控制 使汽车变成为自动变速的汽车 其生产继承性好 改造投资费用 低 机械式自动变速器由于原有的机械传动结构基本不变 所以齿转传 动固有的传动效率高 机构紧凑 工作可靠等优点被很好地继承了下来 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 5 在重型车的应用上具有很好的发展前景 AMT不仅在我国 日本及韩国 成为研发热点 在欧洲也得到了大力发展 并相继有产品投放市场 无级自动变速器简称CVT 是英文Continuously Variable Transmission的缩写 克服了传统的齿轮变速器只能搭配有限档位的缺 陷 能够实现一定速比范围内连续的无级变速 它是采用传动带和工作 直径可变的主 从动轮相配合来传递动力 可以实现传动比的连续改变 CVT能较好的协调外界行驶条件与发动机负载 更大限度地利用发动机 特性 提高汽车的动力性和燃油经济性 并且其重量轻 体积小 零件 少 与AT其驾驶舒适性和行驶平顺性与液力变矩器相当 而传动效率要 远远高于液力变矩器 但是 CVT的缺点也是很明显的 就是传动带很 容易损坏 不能承受较大的载荷 一般只能用于一升排量左右的低功率 和低扭矩汽车 另外也存在启动性差 制动困难 维修成本过高等不足 且由于传动带 链 制造工艺复杂 技术垄断 所以国内出现的少量 CVT产品也全部采用国外技术 1 2 汽车变速器的功用 改变传动比 扩大驱动轮和转速的变化范围 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情况下 能倒退行驶 利用空 挡 中断动力传递 以发动机能够起动 怠速 并便于变速器换档或 进行动力输出 变速器是由变速传动机构和操纵机构组成 需要时 还可以加装动力输出器 在分类上有两种方式 按传动比变化方式和 按操纵方式的不同来分 按传动比变化来分 有级式变速器 是目前使用最广的一种 它采用 齿轮传动 具有 若干个定值传动比 按所用 轮系型式不同 有轴线固定式变速器 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 6 普通变速器 和轴线旋转式变速器 行星齿轮变速器 两种 目前 轿车和轻 中型货车变速器的传动比通常有 3 5个前进档和一个倒档 在 重型货车用的组合式变速器中 则有更多档位 所谓变速器档数即指 其前进档位数 无级式变速器 其的传动比在一定的数值范围内可按 无限多级变化 常见的有电力式和液力式 动液式 两种 电力式 无 级变速器的变速传动部件为直流串激电动机 除在无轨电车上应用外 在超重型自卸车 传动系中也有广泛采用的趋势 动液式无级变速器 的传动部件为液力变矩器 综合式变速器 是指由液力变矩器和 齿 轮式有级变速器组成的液力 机械式变速器 其传动比可在最大指与 最小值之间的几个间断的范围内作无级变化 目前应用较多 按操作方式来分 强制操纵式变速器是靠驾驶员直接操纵变速杆换档 自动操纵 式变速器其传动比选择和换档是自动进行的 所谓 自动 是指 机械变速器每个档位的变换是借助反映发动机负荷和车速的信号系统 来控制换档系统的执行元件而实现的 驾驶员只需操纵加速踏板以控 制车速 半自动操纵式变速器 有两种型式 一种是常用的几个档位 自动操纵 其余档位则由驾驶员操纵 另一种是预选式 即驾驶员预 先用按钮选定档位 在踩下 离合器踏板或松开加速踏板时 接通一 个电磁装置或液压装置来进行换档 1 3 汽车变速器的基本结构 简单式变速器的基本结构 由壳体 传动部分和操纵部分组成 1 壳体 壳体是基础件 用以安装支承变速器全部零件及存放 润滑油 其上有安装 轴承的精 确镗孔 变速器承受变载荷 所以壳体应有足够的刚度 内壁有加强 形状复杂 多为铸件 材料为灰铸铁 常用 HT200 为便于安装 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 7 传动部分和操纵部分常做成剖分式 箱盖与壳体用螺栓联接并可靠定 位 壳体上有加油 放油口 油面检查尺口 还应考虑散热 2 传动部分 是指齿轮 轴 轴承等传动件 轴的几何尺寸通过强度 刚度计算确定 因主要决定于刚度 而碳钢与合金钢弹性模量近乎相 等 所以一般用碳钢 常用45钢 只有齿轮与轴制成一体或轴载荷 严重才用合金钢 轴与齿轮多为花键联接 对中性好 能可靠传递动 力 挤压应力小等 轴的花键部分和放轴承处经 表面淬火处理 轴多用滚动轴承支承 润滑简单 效率高 径向间隙小 轴向定位应 可靠 润滑方式多用飞溅 25m s 只要粘度适宜可甩到壁上 3 操纵部分 主要零件位于变速器盖内 组成式变速器结构特点 简单式变速器有效率高 构造简单使用方便钧优点矿但档数少 i 变化范围小 牵引力 速度范围小 只宜在档数不多的某些车工 采用 若增加 i 的范围 则使变速器尺寸加大 轴跨度增加 为了 既增加档数又不使轴跨度过大 可采用组成式变速器 所谓组成式变 速器 通常由两个简单式变速器组合而成 其中档数较多的称为主变 速器 较少的称为副变速器 组成式变速器的优点 1 可以减少齿轮个数 而且档数越多减少齿轮个数的优点愈明 显 同简单式变速器相比 它可缩短轴的长度 减少整个变速器的外 部尺寸和重量 并且能方便地得到不止一个倒档 所以当前进档数超 过六个档时 几乎都用组成式变速器 2 传动 比变化率 大 若主变速器传动比变化率 zu 3 副变速器 fu 4则 12 若使 简单式变速器 12 结构往往很难合理 组成式变速器的缺点 1 档组间传动比有对应关系 不易使每档的 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 8 2 速度及牵引力 都很理想 2 换档操纵麻烦 有时要操纵两 个变速部分 若为插花换档还不便记忆 为了减少操纵动作 最好能 顺序换档 为此要求重视档次编排十使第灭档组传动比全部大于第 11档组 达到多数相领排档的变换只需操纵主变速的目的 这样才最 为方便 手动固定轴式齿轮变速器是有极拍档的传动结构 因其具有效率 高 成本低 生产工艺成熟的特点而获得广泛的应用 它从滑动齿轮变 速开始 经多齿的齿套啮合 进而发展到广泛采用的同步器变速 但这 种手动变速器 Mechanical Transmission M T 存在换挡困难 动力 中断以及驾驶员水平对汽车行驶性能有较大的影响等缺陷 人们总是希 望在同步变速的基础上实现自动化 当代电子技术的发展 提供了合理 控制车辆变速这样复杂过程的可能性 AMT在国外的发展可分为半自动阶段 全自动阶段和智能阶段 半 自动AMT SMAT 只实现选档 换挡操纵的部分或全部自动化 但车辆 起步时仍然需要驾驶员操纵离合器踏板 该类型的变速器有瑞典斯堪尼 亚公司 SCANIA 的CAG 系统 1986 德国戴姆勒奔驰 Daimler Benz 的EPS系统 1990 CAG EPS 系统由电子控制的启动系统实现 换挡 但换挡时刻由驾驶员踩离合器板决定 美国伊顿 Eaton 公司 的SMAT系统对换挡时刻的离合器和发动机进行适当的控制 驾驶员只需 要通过开关向电子控制单元 EGU 发出升档或降挡信号 系统就能自 动完成所有的换挡动作 在同一时期 自俄罗斯工学院研制的SMAT系统 更加先进 实现了按二参数换挡规律进行换挡决策的自动换挡的功能 1904 美国Sturt vant兄弟发明了自动变速器 其原理是根据发 动机转速变化 利用离心力的作用使齿轮啮合或脱丌来实现传动比的变 化 但由于部件之间容易产生啮合弹跳而失败 1926年别克小轿车开始 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 9 使用液力机械传动的变速器 1938年出现的GMC液力自动变速器 开始 了以车速和油门两个参数信号 用液压逻辑油路控制的液力自动变速时 代 1939年 美国克莱斯勒汽车公司首先成功地研制了由液力耦合器和 行星齿轮变速器组成的四档液力变速器 并装于该公司生产的轿车 Oldsmobile上 该变速器被认为是自动变速器的代表 是当今自动变速 器的原始形式 1942年美国又成功地研制出一种两档液力机械变速器 该变速器的 液力传动部分是一种双导轮 可闭锁的综合式变矩器 1948年 别克汽 车上装载的DYNAFLOW变速器是带液力变矩器的自动变速器 A1 的发展 先驱 1948年到1950年期恻 汽车液力传动进入了一个新阶段 出现了 可根据车速和油门位置进行自动换档的自动变速器 1950年美国福特公 司成功地研制了装有液力变矩器的三档液力自动变速器 从此轿车用的 液力自动变速器进入了成熟期 1989年日产汽车公司开发出了五档液力 自动变速器 这两种变速器都在原来的三档和四档变速器的基础上 加 装一组行星变速齿轮机构而形成的 随后 日本丰田汽车公司首先成功研制了具有超速档的液力自动变 速器 该自动变速器采用三元件液力变速器和多档行星齿轮相结合的结 构 液力变矩器可以降低传动系的冲击 并可缓和发动机曲轴的扭振作 用 1969年 法国霄诺汽车公司首先采用了电控液力自动变速器 其控 制方法是由计算机依据检测到的车辆速度和油门开度的电信号来判断变 速的时机 并确定变速程序 进入20世纪80年代 随着电子技术的发展 和计算机的进一步微型化 变速器的控制功能和可靠性得到提高 而且 成本也大为降低 1983年日本五十铃公司在世界上率先研制成功电子控 制全机械式有级自动变速器 NAVI 5 New Advanced Vehicle with Intelligence 5 speeds 并装于飞鸟 ASKA 轿车上 在车速为 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 10 60km h时 可比液力自动变速器节油10 30 左右 同年 美国伊 顿公司也宣布成功将重型货车的手动变速器实现了自动化 1988年 德 国ZF公司研制电子控制机械自动变速器 并将其装备在Geneva货车上 与此同时 世界上其他各大汽车公司 如德国大众公司 意大利菲亚特 公司 法国雷诺公司和日本丰田公司 也相继开展了电控机械式自动变 速器 AMT 的研究和开发 1995年本田的部分Civic 轿车装用了 AMT 1996年宝马M3轿车所采用的 M序列式变速器 就是在原来的M3型 6档手动机械变速器的基础上做了大幅度的改进 以全新的电液控制系 统取代了传统的机械式变速器的操纵系统 并有自动变速器和手动变速 两种可供选择的模式 ZF公司也推出了其电控机械式自动变速器新产品 ASTRONIC 系列 在此阶段 研究的重点是自动离合器 换挡控制 和换挡决策 各个公司都致力于发展自己的AMT 但整体结构都采用了 NAVI 5的控制思想 系统组成原理大致相同 全自动的AMT逐步步入实 用阶段 无级变速 CVT 传动技术作为电控阶段的一项先进技术 在20世纪 末期得到了飞速的发展 早在1886年 德国奔驰公司就将V型橡胶带式 CVT安装在该公司生产的汽车上 1958年 荷兰的DAF公司H Van Doomc 博士研制成功了名为Variomatic的双v型橡胶带式CVT 并装备于DAF公 司制造的Daffodil轿车上 由于橡胶带式CVT存在一系列的缺陷而没有 被汽车行业普遍接受 而提高传动带性能和CVT传递功率极限的研究一 直在进行 将液力变矩器集成到CV系统中 主 从动轮的夹紧力实现电 子化控制 在CVT中采用节能泵 传动带用金属带代替传统的橡胶带 导致了传递转矩容量更大 性能更优良的第二代CVT的面世 进入20世 纪90年代 汽车界对CVT技术的研究开发日益重视 1997年上半年 日 本日产公司开发了使用在2 0L汽车上的CVT 1999年上半年 美国的福 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 11 特公司和德国zF公司合作为福特公司的轿车和轻型载货车生产CVT 近 年来CVT的设计取得了长足的进步 尤其在动力传输的即时性取得了巨 大的成就 现代无级变速器开发技术水平最高的是采用金属链带机械式 无级变速器 自动变器在国内的研究状况 车辆自动变速技术的研究在我国起步较晚 直到20世纪60年代 在 一汽大众上生产了1产的CA770轿车上使用了具有2个前进档的液力自动 变速器 但累计只生283台 尚不具有工业化生产的意义 1998年上海 通用公司生产的用于剐克轿车上4的T65E型电子控制自动变速器正式下 线 1999年开始批量生产并投放市场 率先在国内将AT作为标准配置装 于轿车 1999年中日合资生产的本田雅阁轿车也正式投产 其AT弃用行 星齿轮 而选择常啮合平行轴式结构 零件少 易制造是其长处 它采 用了全电子直控式变速装置 能使变速 燃油喷射以及巡航等控制相结 合 与此同时 上海大众的帕萨特B5 一汽大众的捷达都市先锋上装备 了自动变速器AG4 95 神龙公司也向市场投放了袈备进口的Au智能型 自动变速器的富康988 领导者 及富康1 6L轿车 它采用了模糊控制 理论和动力传动综合控制技术 实现了智能化控制 电子控制单元中有 10种换档规律 按需要分剐调用几种换档规律或同时或交替工作 共同 控制变速器的状态 一汽大众的奥迪A6高级轿车上作为选装件的AT为Tiptronic型 在 自动变速的基础上可提供手动换档功能 在自动模式下可直接转到手动 操作模式 以此来领略驾车的多种乐趣 北京吉普公司在切诺基越野车 上小批量装备了AW4自动变速器 现已达到1000多台 至于城市客车 即 公共汽车 由于其频繁起步换档 变速器 离合器和制动器的使用频 率是一般车辆的lO倍左右 劳动强度极大 即使是职业驾驶员也因受心 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 12 理与生理所限 迫切要求使用自动变速器 1995年我国首次在国产公共 汽车上装备了Allison自动变速器 现已遍及深圳 上海 广州 南京 等城市 其中深圳已占有40 综上所述 国内自动变速器尚处于起步阶段 我国已经加入了 WTO 国内市场与国际市场的界限越来越模糊 我国的汽车工业将直接 面临幽际竞争 只有充分提高自身的核心竞争力 具有自主知识产权 的技术和产品 才能在国际化的竞争中立于不败之地 近年来 我国汽车工业获得了飞速发展 为了提高我国汽车行业的 核心竞争力 目前我国有关高校和科研机构也正在进行汽车核心技术的 研究 自动变速就是其中一项关键技术 吉林大学的葛安林教授长期从 事自动变速器的研究 其研究表明 在较大油门开度加速行驶时 以稳 定工况决定的最佳换档规律与实际有较大偏差 应以非稳定工况下相邻 两档换档前后加速度相等的条件确定动力性换档规律 为此 应以三参 数 车速 油门与加速度 控制换档 三参数换档规律进一步反映了车辆 的实际操纵规律 与两参数换档规律相比 提高了车辆的动力性和经济 性 清华大学的张俊智博士对换档规律的制定进行了研究 提出了边界 点换档规律 克服了原有换档规律在实际运用过程中出现的缺陷 提高 了车辆的动力性和经济性 提出了动力性换档规律确定的动态驱动力法 和经济性换档规律的油门法和车速法 这些方法的综合应用简化了动态 三参数换档规律的制定过程 在此基础上制定了桑塔纳2000机械式自动 变速器 AMT 的换档规律 并在实际跑车中得到检验 目前 我国在AMT上不仅拥有自主知识产权 而且在 自适应控制 技术 动态闭环换档控制 模糊控制技术 等自动变速理论方面 处于世界领先水平 进入九十年代以来 我国的自动变速技术有了极大 的发展 自动变速器技术已经取得突破 在CVT技术研究领域 我国也 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 13 正在加紧研究 努力赶超世界先进水平 九 五 期间轿车金属带式 无级自动变速器的开发和研制已经被列入国家的重大科技攻关计划 以 跟踪世界技术的发展和开发适合我国国情的汽车 同前 湖南容大汽车 电子技术有限公司自主开发成功RD CVT 150型无级变速器 完成了与南 京菲亚特 西耶那型 轿车匹配 整车通过了国家汽车质量监督检测中心 襄樊 的测试 基本性能已经达到国外同类产品的技术水平 并通过湖 南省科学技术厅缀织的产品鉴定 数十名汽车行业专家 学者和行业领 头人对RD CVT 150型无级自动变速器 CVT 鉴定后一致认为 RD CVT 150型无级自动变速器技术基本成熟 达到了国内领先 国际先进水平 并建议尽快结合国产轿车建立CVT生产基地组织生产 以提高我国国产 汽车的技术水平和国际竞争力 尽管电控机械式自动变速器产业化的进程不会一帆风顺 但前景是 广阔的 在满足重型车的动力传递要求方面 电控机械式自动变速器更 具有发展优势 随着电子技术的不断发展和进步 特别是微机控制功能的进一步增 强 各种传感器和执行机构性能的改善 以及用户对汽车的操纵性能 舒适性 安全性能等方面的苛刻要求 世界上许多汽车生产厂家不断投 入人力和财力 大力加强自动变速器技术的研究 促进其不断向以下几 个方向发展 1 高效化 为了提高传动效率 改善经济性能 轿车用自动变速器普遍采用了 变矩器锁止离合器 并进行电子控制以保持其换档的平顺性 带锁止离 合器的液力变矩器 克服了液力变矩器输出轴与输入轴之间存在滑动而 使液力交矩器传动效率降低的缺点 这种锁止装置实际上是全自动离合 器 锁止离合器时 变矩器将不起作用 这对改善汽车的燃油经济性大 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 14 有益处 2 智能化 智能型的电子控制自动变速器的电子系统可以在汽车行驶过程中 对汽车的运行参数进行控制 合理地选择换档点 而且在换档过程中对 恶化的参数进行修正 同时具有自动诊断系统 可以将汽车运行中的故 障记录下来 便于维护 现代电子控制自动变速器的主要特点是一机多 参数 多规律性的控制 多参数指输入微机的控制参数多元化 即控制 参数不仅有发动机转速 车速 节气门开度等信号 而且又反映发动机 变速器工作环境和行驶等信号 控制参数多元化更能全面的反映发动机 和变速器的实际工况 多规律是指控制微机中间时存储多种不同的换档 规律 如最佳经济性 动力性 各种加速行驶时的最佳经济性 最佳排 放等 驾驶员可按需要调用相应的规律实现最佳控制 智能控制系统的 另一个特征是具有对司机驾驶意愿的识别能力 它能够理解和领会 人的意图 从而给自动变速器赋予了灵性 通过检测出司机的驾驶 操作动作 油门 制动和转向操作等 识别司机的性格爱好和驾驶习惯 以及司机此时此刻的驾驶情绪 自动变速器能够因人 因时而异地进行 换档控制 3 多档化 为了提高燃料经济性 要求尽可能地由变矩器机械部分多承担变速 变矩功能 而随着汽车行驶速度的不断高速化 又要求变速器的变速范 围不断提高 由于以上原因 AT变速器机械部分的变速范围不断提高 另一方面为了提高换档过渡的平顺性 要求降低相邻档位速比间隔 降 低相邻档位速比间隔也有利于发动机运行在最佳状态 从而提高车辆燃 料经济性和动力性 因此 AT增加档位数是技术上的发展趋势 最初AT 只有两档 50至60年代以三档为主 到了70年代发展到四档 最初四档 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 15 AT往往是在三档AT基础上加一行星排来实现 结构不紧凑 零件较多 80年代初丌始 各主要厂家都开发了专为四档变速箱设计的双排四档行 星变速机构 结构简单紧凑 1989年日产公司开发了世界上首台液力机 械式五档AT接着丰田 三菱 宝马及奔驰公司也相继推出了五档AT 但 是 档位数越多制造成本就越大 而性能改善却越小 当档位数增加至 血档时变速箱行星排数必须增加至三排 尺寸重量和制造成本都会增加 产公司专门分析研究了档位数对汽车动力性和经济性的影响 指出 AT最大档位数可以发展为六档 目前四档为主流型式 而五档多用于高 级轿车 4 无级化 自动变速器多档化虽能扩大自动变速的范围 但其传动比只介于有 级变速与无级变速之间 理想的无级变速器是在整个传动范围内能连续 地改变传动比 故能进行理想的变速控制 比多档位齿轮传动机构更优 越 使变速器始终按最佳换档规律自动变速 采用无级变速器可以节约 燃油 提高汽车的经济性和舒适性 无级化是对自动变速器的理想追求 5 小型化 减轻重量 缩短动力传递路线 能使汽车节油 自动变速器的小型 化正起着这种作用 70年代以来 微型车急剧增多 从而为自动变速器 小型化提供了前提条件 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 16 2 变速器设计参数及研究内容 机械式变速器的特点 机械式变速器结构简单 维修维护方便 造价低廉 传动效率较高 工作可靠性强 机械式变速器分为两轴式和中间轴式 两轴式变速器多 用于发动机前置前轮驱动乘用车 中间轴式发动机前置后轮驱动和发动 机后置后轮驱动的中轻型货车 中间轴式机械效率低 噪声大 而两轴 式轴和轴承数少 所以有结构简单 轮廓尺寸小和容易布置等优点 表 1 1 变速器设计参数 项 目参 数 最大扭矩 140Nm 3500 最大功率 68kw 5600 最高转速 6000r min 主减速比 4 529 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 17 2 1 变速器设计的基本要求 变速器的设计应满足如下基本要求 1 保证汽车有必要的的动力性 和经济性 2 设置不同挡位 满足用来调整与切断发动机动力向驱 动轮的传输并使汽车能倒退行驶 3 工作可靠 汽车行驶过程中 变速器不得有跳挡 乱挡 以及换挡冲击等现象出现 4 工作效率高 噪声小 结构简单 方案合理 5 在满载及冲击载荷条件下 使用 寿命长 2 1 1 变速器的功用和要求 变速器的结构对汽车的动力性 燃油经济性 换挡操纵的可靠性与 轻便性 传动的平稳性与效率等都有直接的影响 采用优化设计方法对 变速器与主减速器 以及变速器的参数做优化匹配 可得到良好的动力 性与燃油经济性 采用自锁及互锁装置 倒档安全装置 对接合齿采取 倒锥齿侧 或越程接合 错位接合 齿厚减薄 台阶齿侧 等措施 以 及其他结构措施 可使操纵可靠 不跳档 乱档 自行脱档和误挂倒档 采用同步器可使换挡轻便 无冲击及噪声 采用高齿 修形及参数优化 等措施可使齿轮传动平稳 噪声低 降低噪声水平已成为提高变速器质 量和设计 工艺水平的关键 随着汽车技术的发展 以及电子控制的自 动换挡机构等新结构也相继问世 变速器多采用飞溅润滑 重型汽车有时强制润滑第一 二轴轴承等 变速器都装有单向的通气阀 以防壳内空气热胀而漏油及润滑油氧 化 壳底的放油塞多置磁铁 以吸附油中铁屑 涉水车需有防水措施 为保证变速器具有良好的工作性能 对变速器提出如下的设计要求 1 正确的选择变速器的档位数和传动比 并使之与发动机参数及 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 18 主减速比做优化匹配 以保证汽车具有良好的动力性与燃料经济性 2 设置空挡 以保证汽车在必要时能将发动机与传动系长时间分 离 设置倒档 使汽车可以倒退行驶 3 操作简单 准确 轻便 迅捷 4 传动效率高 工作平稳 无噪声或低噪声 5 制造工艺性好 造价低廉 维修方便 6 贯彻零件标准化 部件通用化和变速器总成系列化等设计要求 遵守有关标准和法规 7 需要时应设置动力输出装置 8 体积小 质量小 承载能力强 使用寿命长 工作可靠 2 2 变速器的传动布置方案 有级变速器与无级变速器相比 其结构简单 制造低廉 具有高的 传动效率 因此在各类汽车上均得到广泛的应用 设计时首先应根据汽车的使用条件及要求确定变速器的传动比范围 档位数及各档的传动比 因为它们对汽车的动力性与燃料经济性都有重 要的直接影响 传动比范围是变速器低档传动比与高档传动比的比值 汽车行驶的 道路状况愈多样 发动机的功率与汽车质量之比愈小 则变速器的传动 比范围应愈大 目前 轿车变速器的传动比范围为 3 0 4 5 一般用途 的货车和轻型以上的客车为 5 0 8 0 越野车与牵引车为 10 0 20 0 通常 有级变速器具有 3 4 5 个前进档 重型载货汽车和重型越野汽 车则采用多档变速器 其前进挡位数多达 6 16 个甚至 20 个 变速器挡位数的增多可提高发动机的功率利用效率 汽车的燃料经 济性及平均车速 从而可提高汽车的运输效率 降低运输成本 但采用 手动的机械式操纵机构时 要实现迅速 无声换档 对于多于 5 个前进 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 19 档的变速器来说是困难的 因此 直接操纵式变速器挡位数的上限为 5 档 多于 5 个前进挡将使操纵机构复杂化 或者需要加装具有独立操纵 机构的副变速器 后者仅用于一定行驶工况 某些轿车和货车的变速器 采用仅在好路和空载行驶时才使用的超 速档 采用传动比小于 1 0 7 0 8 的超速档 可以更充分地利用发 动机功率 降低单位行驶里程的发动机曲轴总转数 因而会减少发动机 的磨损 降低燃料消耗 但与传动比为 1 的直接档比较 采用超速挡会 降低传动效率 有级变速器的传动效率与所选用的传动方案有关 包括传递动力的 齿轮副数目 转速 传递的功率 润滑系统的有效性 齿轮及轴以及壳 体等零件的制造精度 刚度等 三轴式和两轴式变速器得到的最广泛的应用 两轴式变速器如图 2 1 所示 与三轴式变速器相比 其结构简单 紧凑且除最到挡外其他各档的传动效率高 噪声低 轿车多采用前置发 动机前轮驱动的布置 因为这种布置使汽车的动力 传动系统紧凑 操 纵性好且可使汽车质量降低 6 10 两轴式变速器则方便于这种布置 且传动系的结构简单 如图所示 两轴式变速器的第二轴 即输出轴 与主减速器主动齿轮做成一体 当发动机纵置时 主减速器可用螺旋锥 齿轮或双面齿轮 当发动机横置时则可用圆柱齿轮 从而简化了制造工 艺 降低了成本 除倒挡常用滑动齿轮 直齿圆柱齿轮 外 其他档均 采用常啮合斜齿轮传动 各档的同步器多装在第二轴上 这是因为一档 的主动齿轮尺寸小 装同步器有困难 而高档的同步器也可以装在第一 轴的后端 如图示 两轴式变速器没有直接档 因此在高档工作时 齿轮和轴承均承载 因而噪声比较大 也增加了磨损 这是它的缺点 另外 低档传动比取 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 20 值的上限 ig 4 0 4 5 也受到较大限制 但这一缺点可通过减小各档 传动比同时增大主减速比来取消 1 两轴式变速器结构的发展趋势是增多常啮合齿轮副的数目 从而可 采用斜齿轮 斜齿比直齿轮有更长的寿命 更低的噪声 虽然其制造稍 复杂些且在工作中有轴向力 因此 在变速器中 除低档及倒档外 直 齿圆柱齿轮已经被斜齿圆柱齿轮所代替 但是在本设计中 由于倒档齿 轮采用的是常啮合式 因此也采用斜齿轮 由于所设计的汽车是发动机前置 前轮驱动 因此采用两轴式变速 器 图 2 1 两轴式变速器 1 第一轴 2 第二轴 3 同步器 2 2 1 倒档传动方案 变速器在一挡和倒挡工作时有较大的力 工作时在齿轮上作用的力 也增大 并导致变速器轴产生较大的扰度和转角 使工作齿轮啮合状态 变坏 最终表现出轮齿磨损加快和工作噪声大 所以无论是两轴式变速 器还是中间轴式变速器的低档与倒挡 都应当布置在靠近轴的支承处 以减少轴的变形 保证齿轮重合度下降不多 然后按照从低档到高挡顺 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 21 序布置各挡齿轮 这样做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 从这点出发有些方案将一挡布置在靠近轴的支承处 1 本设计采用图 2 2 所示的传动方案 图 2 2 变速器