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qc373 三轴五速 变速箱 设计

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湘潭大学兴湘学院 毕业设计说明书 题 目： 汽车用 三轴五速变速箱的设计 专 业： 机械设计制造 及其自动化 学 号： 2010962932 姓 名： 汪 凯 指导教师： 周后明 副教授 完成日期： 2014 年 5 月 28 日 湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）任务书 论文（设计）题目： 汽车 用 三轴五速变速箱的设计 学号： 2010962932 姓名： 汪凯 专业： 机械设计 制造及其自动化 指导教师： 周后明 系主任： 刘柏希 一、主要内容及基本要求 变速箱是 工程机械、汽车 等 运行机械的关键部件之一 。本设计 为汽车用三轴五速变速箱的设计，其主要技术指标与要求 如下 ： 1、 最大总质量： 9000 2、 最大功率： 85 3、 最大转矩： 4、 最高车速： 120km/h； 5、 变速箱类型：平面 3 轴 5 速 式 ； 6、 挡位速比： 挡 ) 设计要求 ： 1、 完成三轴五速变速箱传动方案的选型论证 2、 三轴五速变速箱的结构设计，绘制部件装配图和主要零件图，图纸总量折合成 少于两张 3、 撰写设计说明说，关键零件应进行强度和刚度计算，说明说不少于 1 5 万字 4、 完成资料查阅和 3000 字 文献翻译 二、重点研究的问题 明确三轴 五速变速箱的结构设计和相关强度校核 。 三、进度安排 序号 各阶段完成的内容 完成时间 1 查阅资料、调研 第 1， 2 周 2 制订设计方案 第 3， 4 周 3 分析与计算 第 5， 6 周 4 绘部件装配图 第 7， 8、 9 周 5 绘零件图 第 10， 11 周 6 撰写设计说明书 第 12， 13 周 7 准备答辩材料 第 14 周 8 毕业答辩 第 15 周 四、应收集的资料及主要参考文献 1 机械设计手册 2 机械传动设计手册 3 陈帅江，顾锋 . 基于 的牛头刨床变速箱的虚拟装配和运动仿真 2012,17:56 4 芦信，肖强，王海洋 . 基于 车变速箱斜齿轮接触应力分析 . 仪器仪表与分析监测， 2012,2： 68 5 王仲康 . 汽车变速箱壳体的压铸过程模拟及工艺优化 . 特种铸造及有色合金，2011， 4: 314 6 田惠兰，刘文平 . 唇齿相依 汽车变速箱原理全解析（ 上， 下 ） . 当代汽车，2008， 5： 9697. 7 李伟等 . 图解汽车自动变速器、无级变速器构造与检修 . 北京：机械工业出版社，2011 8 网络相关资信 湘潭大学 兴湘学院 毕业论文（设计）评阅表 学号 2010962932 姓名 汪 凯 专业 机械 设计制造及其自动化 毕业 论文（设计）题目： 汽车 用三轴五速变速箱的设计 评价项目 评 价 内 容 选题 现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的； 量是否适当 ； 生产、科研、 社会 等实际 相 结合 。 能力 合归纳资料的能力； 究方法和手段的运用能力； 论文 （设计）质量 述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸 是否完备、整洁、正确，引文是否规范； 无观点提炼，综合概括能力如何； 无创新之处。 综 合 评 价 作者的毕业设计为 汽车用 三轴五速变速箱 的设计 ，论文选题符合培养目标要求，能体现学科专业特点，达到了综合训练的目的。该生具有较强的文献查阅、资料综合归纳整理的能力，能在设计工作中较熟练运用所学知识，毕业设计技术方案可行，工作量适当， 设计思路较清晰， 研究内容具有一定的实际应用价值，论文质量较好，同意参加答辩 评阅人： 2014年 5月 日 湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 2010962932 姓名： 汪 凯 专业： 机械 设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 47 页 图 表 5 张 论文（设计）题目： 汽车 用三轴五速变速箱的设计 内容提要：本设计 是针对 于 前置 后 驱式轿车 机械式 三轴五速变速箱的设计。 该 设计过程中，从 变速箱 的工作原理、功用 ，结合给定 条件 出发 ，对不同类型的变 速 箱进行 简单 介绍、分析和比较。结合 实际 ，阐述了 了解 、认 知手动式 变速箱的必要性。 通过 对 变速箱传动机构布置方案的综合分析，确定了选取本设计题目 的 客观 原因 。 设计中采用中间轴式五挡变速 箱 传动 方案，倒挡采用两对常啮合齿轮传动 实现 换向。根 据直齿轮、斜齿轮特点，结合设计要求，一挡采用直 齿轮 传动，其 余 挡位 均 采用 斜齿轮 传动。 并设计了 自动脱挡的方案。 采用锁环式 同步器进行 换挡 ， 通过自锁钢球、 互锁钢 球、互锁销对拨叉 进行 轴向定位锁止， 和 倒挡锁 装置 一起，保证了变速箱在任何情况下 都准确、安全、可靠的工作。 根据变速箱工作情况下的简单力学分析和轴承的性能和特性，选取对应的轴承。本 设计中， 第一轴 上 与 箱体支承处选 用 深沟球轴承，变速箱第 一轴 后端 内腔 中选用滚针轴 承对第二轴前端进行支承，第二轴 后端 与 轴承盖直径采用深沟球轴承，第二轴后端与箱 体后盖间用外圈无挡边的圆柱滚子轴承 ， 中间轴前 、 后端 采用 圆锥滚子轴承 支承 在箱体 内。轴承直径根据变速箱中心距选定，初选中径系列。 齿轮、轴 的 强度校核根据已知条件和计算汽车变速箱齿轮强度用的简化公式，参考 汽车设计一书相关部分。 根据 设计任务和要求，采用 直接 操纵手动换挡操纵机构。 指导教师评语 汪 凯 同学在毕业设计期间态度比较认真，其毕业设计的内容为 汽车 用三轴五速变速箱的设计 的设计，在认真阅读国内外相关参考文献基础上， 基本了解相关领域的研究现状。在毕业设计期间，对 汽车三轴五速变速箱 的机械部分进行了结构设计及相关的设计计算。通过毕业设计 汪 凯 同学对机械设计的相关技巧、以及机械设制造相关领域的基础知识的掌握有了较大的进步，初步掌握了相关制图软件在机械设计中的应用。论文达到毕业设计要求，同意参加答辩，推荐毕业设计成绩为“ ”。 指导教师： 年 月 日 答辩简要情况及评语 根据答辩情况，答辩小组同意其成绩评定为 答辩小组组长： 年 月 日 答辩委员会意见 经答辩委员会讨论，同意该毕业论文（设计）成绩评定为 答辩委员会主任： 年 月 日 目 录 摘要 . 错误 !未定义书签。 符号表 . 错误 !未定义书签。 第一章 绪论 . 错误 !未定义书签。 变速箱的工作原理 . 错误 !未定义书签。 变速箱的功用和要求 . 错误 !未定义书签。 变速箱的分类 . 错误 !未定义书签。 手动变速箱（ . 错误 !未定义书签。 自动变速箱（ . 错误 !未定义书签。 手动自动变速箱（ . 错误 !未定义书签。 无级变速箱（ . 错误 !未定义书签。 其它分类方法 . 错误 !未定义书签。 汽车变速箱的发展现状及 其技术趋势 . 错误 !未定义书签。 了解、认知手动变速箱的必要性 . 错误 !未定义书签。 第二章 变 速箱传动机构布置方案的确定 . 错误 !未定义书签。 传动机构布置方案分析 . 错误 !未定义书签。 固定轴式变 速箱 . 错误 !未定义书签。 倒挡方案布置方案 . 错误 !未定义书签。 部件结构方案分 析 . 错误 !未定义书签。 齿轮型式 . 错误 !未定义书签。 换挡机构型式 . 错误 !未定义书签。 自动脱挡 . 错误 !未定义书签。 变速箱轴承 . 错误 !未定义书签。 第三章 变速箱主要参数的选 择 . 错误 !未定义书签。 挡数 . 错误 !未定义书签。 传动比范围 . 错误 !未定义书签。 中心距 A . 错误 !未定义书签。 外形尺寸 . 错误 !未定义书签。 齿轮参数 . 错误 !未定义书签。 模数 . 错误 !未定义书签。 齿形、压力角 、螺旋角 和齿宽 b . 错误 !未定义书签。 齿轮变位系数的选择 . 错误 !未定义书签。 齿顶高系数 . 错误 !未定义书签。 各挡齿轮齿数的分配 . 错误 !未定义书签。 确定一挡齿轮的齿数 . 错误 !未定义书签。 确定常啮合齿轮副的齿数 . 错误 !未定义书签。 确定其他挡位的齿数 . 错误 !未定义书签。 确定倒挡齿轮的齿数 . 错误 !未定义书签。 第四章 变速箱齿轮的强度计算和材料选择 . 错误 !未定义书签。 齿轮的损坏形式 . 错误 !未定义书签。 轮齿强度计算 . 错误 !未定义书签。 轮齿弯曲强度计算 . 错误 !未定义书签。 齿轮接触应力 . 错误 !未定义书签。 第五章 变速箱轴的强度计算与校核 . 错误 !未定义书签。 变速箱轴的结构和尺寸 . 错误 !未定义书签。 轴的结构 . 错误 !未定义书签。 确定轴的尺寸 . 错误 !未定义书签。 初选轴的直径 . 错误 !未定义书签。 轴的强度验算 . 错误 !未定义书签。 第一轴的强度与刚度校核 . 错误 !未定义书签。 第二轴 的校核计算 . 错误 !未定义书签。 第六章 变速箱同步器的设计 . 错误 !未定义书签。 同步器的结构 . 错误 !未定义书签。 同步环主要参数的确定 . 错误 !未定义书签。 同步环锥面上的螺纹槽 . 错误 !未定义书签。 锥面半锥角 . 错误 !未定义书签。 摩擦锥面平均半径 R . 错误 !未定义书签。 锥面工作长度 b . 错误 !未定义书签。 同步环径向厚度 . 错误 !未定义书签。 锁止角 . 错误 !未定义书签。 同步时间 t . 错误 !未定义书签。 第七章 变速箱的操纵机构 . 错误 !未定义书签。 操纵式 . 错误 !未定义书签。 直接操纵式 . 错误 !未定义书签。 远距离操纵式 . 错误 !未定义书签。 换挡锁装置 . 错误 !未定义书签。 互锁装置 . 错误 !未定义书签。 倒挡锁装置 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 结论 . 错误 !未定义书签。 致谢 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 1 轿车 变速箱的设计 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（ 简称 小轿车用手动变速 箱的 设计。 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 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 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 、 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： 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； 转方向不变的前提下，利用 倒挡 实现 汽车倒向 行驶； 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 2 F 0 is at of a of as an of is at of R)FR 0:50,it to R. is in to is on a of I R of to I AD E, UG I of is to It by It It is to it it to of in a to to in in in an is of its a to to in 3 to to its to 4 符号表 量 的名称 量的 符号 单位 符号 汽车总质量 m 力加速度 g N/动轮的滚动半径 r 动机最大扭矩 m 汽车传动系的传动效率 一 挡传动比 1A 间轴与倒挡轴的中心距 A 二轴与中间轴的中心距 A 心距系数 直齿轮模数 m 斜齿轮法向模数 斜齿轮螺旋角 齿轮宽度 b 轮齿数 齿轮弯曲应力 W轮接触应力 j轮所受圆周力 向力 向力 算载荷 m 应力集中系数 E 合度影响系数 K主动齿轮节圆半径 5 从动齿轮节圆半径 动齿轮节圆处的曲率半径 z 动齿轮节圆处的曲率半径 b转切应力 T 的抗扭截面系数 轴的材料的剪切弹性模量 G 轴截面的极惯性矩 垂直面内的挠度 平面内的挠度 6 第一章 绪论 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。 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变速箱 工作原理 示意图 7 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。 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： 1) 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。 2) 设置 空挡，用来切断发动机动力向驱动轮的传输 ； 3) 设置 倒挡，使汽车能倒退行驶； 4) 设置动力 输出装置，需 要时能 进行 功率输出； 5) 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。 6) 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。 7) 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。 8) 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 。 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 （ 、 自动变速箱 （ 、 手动 /自动变速 箱 （ 、无极变速箱 （ 。 8 手动变速箱 （ 手动 变速箱 （ 。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手动 变速箱 工作原理示意图 自动变速箱 （ 自动变速箱（ 。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。 手动自动 变速 箱（ 手动 自动变速箱 （ 。 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 9 手动变速箱 更为 确切。 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 海帕萨特 有手动自动变速 箱 。 无级变速箱（ 无级变速箱 （ 。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无级 变速箱 工作原理示意图 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。 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。 10 固定 轴式应用广泛，其中两轴式变速箱多用于前置前驱（ 称 的 汽车上，中 间轴式变速 箱 多用于 车上。 表 1变速箱基本 分类 分类依据 名 称 前进挡数 3挡 变速箱 4挡 变速箱 5挡 变速箱 多挡 变速箱 轴的 形式 固定轴式 旋转 轴式 固定轴 式 两轴式 变速 箱 中间轴式 变速 箱 双 中间轴式变速箱 多 中间轴式上变速箱 在 原有 变速传动 机构基础上，再附加一个副箱体，这就在结构变化不大的基础上，达到增加变速箱挡数的目的。近年来 ， 变速箱操纵机构有向自动操纵方向发展的趋势。 汽车 变速箱的发展现状及其技术趋势 我国在 手动变速 箱 领域，国产品 牌已占主导地位， 为 适应 当代 汽车节能、环保、舒适、廉价要求这一新趋势，更高的传动效率，更舒适的驾乘感觉，更小的体积和更加简易可靠的控制模式 已经 成为当今新型变速箱技术的追求目标。目前 ，无论 是商用车还是其他形式的汽车，自动变速箱 越来 越成为标配。 汽车用 自动变速箱 目前 主要分为 速箱。 由于 它们 各自 的结构特点和工作原理各不相同，技术成熟程度也 不尽 相同，因此 从目前 发展现状上 看 ， 在 制造成本、燃油经济性 、 换挡舒适性以及使用寿命 等 多个方面 也存在 差异，各具优劣 。 在众多形式 的自动变速 箱 中，不能 说哪类好哪类不好，任何变速箱 都有 自身的 优点 和缺点，不同变速箱适用于不同车型， 要适 具体情况而论。然而 ，衡量 一台汽车的好坏，很大程度上决定于变速箱的质量 ， 而变速箱的质量取决于齿轮的设计与制造。变速箱 的 技术核心在于变速箱内部的控制机构 ， 变速箱和发动机动力的配合如果紧密与协调，那么汽车发动机的性能就能够得到良好的发挥。 在 变速箱的设计 和 制造中， 计算机 技术的优势 ， 体现 得淋漓尽致。 虚拟设计 技术 是 利用 计算机 技术对 所要 进行的生产和制造活动的建模和仿真 。 它 通过 并行工作的方式缩短设计周期，也通过仿真 的方式降低试验成本 。 11 由于 汽车变速箱 壳体 尺寸大、形状复杂，进行压铸生产具有比较大的困难， 通过 对压铸充型和凝固过程的仿真分析， 能够 模拟压铸过程 的速度 和 温度场 ，可以 预测 铸件可能出现的缺陷，根据 模拟 结果 优化压铸 工艺 。 同样 ，对于变速箱的 齿轮 零部件，可以通过 联合模拟， 进行 有限元分析，得出极速工况下的变形规律和应力分布规律， 进而 对齿轮的寿命校核和优化设计提供 可靠依据。 汽车 变速箱的发展 ，在设计 方面将越 趋于高度 数字 一体 化， 其制造 也将追求高 稳度 、高 精度 、高清洁度 ，更加经济化 ， 以保证 整车 性能得到最大优化。 了解 、认知 手动变速箱 的必要性 看过 一些言论，说 手动变速箱 繁琐的驾驶操作 等 不足，阻碍了汽车高速发展的脚步。手动变速箱 会在不久的将来 “下课 ” 。但是 ，手动变速箱轿车从目前的市场需求和适用角度来说，还不会过早的离开我们的 视野 。 首先，从商用车的特性上来说，手动变速箱的功用是其他变速箱所不能替代的。以卡车为例，卡车用来运输，通常要装载数吨的货品，面对如此高的“压力”，除了发动机需要强劲的动力之外，还需要变速箱的全力协助。我们都知道一 挡 有“劲”，这样在起步的时候有足够的牵引力量将车带动。特别是面对爬坡路段 ，它的特点显露的非常明显。而对于其他新型的变速箱，虽然具有操作简便等特性，但这些特点尚不具备。 其次，从我国的具体情况来看，手动变速箱几乎贯穿了整个中国的汽车发展历史，资历较深的司机都是“手动”驾车的，他们对手动变速箱的认识程度是非常深刻的，如果让他们改变常规的做法，这是不现实的。虽然自动变速箱以及无级变速箱已非常的普遍，但是大多数年轻的司机还是崇尚手动，尤其是喜欢超车时手动变速带来的那种快感，所以一些中高 挡 的汽车（尤其是轿车）也不敢轻易放弃手动变速箱。另外， 目前在 我国的 汽车驾驶学校中，教练车都是手动变速箱 的，除了经济适用之外，关键是能够让学员打好扎实的基本功以及锻炼驾驶协调性。 第三 ， 随着生活水平的不断提高现在轿车已经进入了家庭，对于普通工薪阶级的老百姓来说，经济型轿车最为合适，手动变速 箱 其自身的性价比，配套于经济型轿车厂家，而且经济适用型轿车的销量一直在车市名列前茅。 继而 ，开展 对 手动变速 箱 的 了解 、学习与研究 和 分析有一定必要 。本 设计的相关 任务 已于上文给出。 12 第二 章 变速箱 传动机构布置方案的确定 机械式 变速箱因具有结构简单、传动效率高、制造成本低和工作可靠等优点，故在不同形式的汽车上得 到广泛应用。 传动机构布置方案分析 设计 时首先 应根据汽车 的使用条件及要求确定变速 箱 的传动比范围、挡位数及各 个挡 位 的传动比，它们对汽车的动力性与燃料经济 性 有重要的 直接 影响。 挡位 越多，油耗越低，无级变速箱 最 理 想 。 目前很多轿车采用的是带液力变矩器的自动换挡 变速箱 ，挡位一定时可依靠液力变矩器实现无级变速，其效率仍需进一步提高才能做到真正省油。 变速箱传动比与最小燃油消耗特性曲线的关系： i = n车速（ 定时，燃油消耗率最低（ 对应的发动机转速。 （图 2 传动比范围是变速箱低挡传动比与高挡传动比的比值。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也愈小，则变速箱的传动比范围应愈大。目前，轿车变速箱的传动比范围为 般用途的货车和轻型之上的客车为 野车与牵引车为 【 本 设计传动比范围约为 图 2特性和最小燃油消耗特性 曲 线 通常，有级变速箱具有 3、 4、 5个 前进 挡 ；重型载货汽车和重型越野汽车则采用多挡变速箱，其前进挡位数多达 6 16个甚至 20个。 变速箱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、无声换挡，对于多于 5个前进挡的变速箱来说是困难的。因此，直接操纵式变速箱挡位数的上限为 5挡 。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箱，后者仅用于一定行驶工况。 某些轿车和货车的变速箱，采用仅在好路和空载行驶时才使用的超速挡（最高挡 13 位 ） 。采用传动比小于 1（ 超速挡，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的直接挡比较，采用超速挡，会降低传动效率。 有级 变速箱 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、轴，以及壳体等零件的制造精度、刚度等。 固定 轴式变速 箱 1） 两轴式 变速箱 图 2用在 用车 上的两轴式变速箱传动方案 。 其 特点是 ：变速 箱 输出轴与主减速器主动齿轮做成一体 ，发动机纵置时 图 2轴式 变速箱传动方案主减速器采用弧齿锥齿轮或准双曲面齿轮，发动机横置时则采用斜齿圆柱齿轮；多数方案的倒挡传动常用滑动齿轮，其它挡位均采用常啮合齿轮传动 。 图 2两轴式变速箱 传动方案 2） 中间轴 式变速箱 中间 轴式变速 箱 多用于 动机 后置后轮驱动， 称为 汽车和客车上。 变速箱第一轴 的前端经 轴承支承 在发动机飞轮上，第一轴的花键用来装设离合器的从动盘，而第二轴的末端经花键与万向节连接。 图 2中间轴 式四挡变速箱传动方案示例的区别为图 2案有四对常啮合齿轮，倒挡 用 直齿 滑动 齿轮变挡 。 第二轴 为 三点支承，前端支承在第一轴的末端孔 内，轴的中部 和 后端分别支承在变速箱壳体和附加壳体上。图 2示 传动方案又能达到提高中间轴和第二轴刚度的目的；图 2示 传动 方案 的 二 、三、四挡用常啮 14 合齿轮传动，而一 、 倒挡用直齿 滑动 齿轮换挡，第二轴为两点 支承 。 图 2中间轴式五 挡 变速箱传动方案示例。 图 2示方案中，除一、倒挡用直齿 滑动齿轮 换挡外，其余各挡为常啮合齿轮传动。图 2c、 d 所示 方案 的各 前进 挡 ，均用常啮合齿轮传动。图 2示 方案中的 倒挡 和超速挡 安装 在位于变速 箱 后 部 的副箱体内，这样 布置 可以提高轴的刚度、减少齿轮磨损和降低工作噪声外，还可以 在 不需要超速挡的条件下，很容易形成一个只有四个前进挡的变速箱。图 2示 方案中的一 挡 、倒挡和图 2示方案中的倒挡用直齿 滑动 齿轮换挡，其 余各挡均为常啮合齿轮。 图 2 2图 2种 中间轴式四 、 五 、 六 挡变速箱传动 方案。 各 传动方案 的共同特点是：变速箱的第一轴后端与常啮合齿轮做成一 体 。 绝大多数 方案的 第二轴前端经轴承支撑 在 第一轴后端的孔内，且保持两 轴 轴线在同一直线上，经啮合套将它们连接后 可 得到 直接 挡 。使用 直接挡 ，变速箱的齿轮 和轴承及中间轴 均不 图 2中间轴式 四挡变速 箱 传动方案 承载 ， 发动机转矩经变速箱 第一轴 和第二轴直接输出，此时变速箱的传动效率高，可达90%以上，噪声低、齿轮和轴承的磨损减 少 。 因为 直接挡的利用率要高于其他挡位，因而提高了变速箱的使用 寿命； 在其他前进挡位工作 时 ，变速箱 传递 的动力需要经过第一轴、中间轴和第二轴上的 两对 啮合齿轮 传递 ， 因此 在变速箱中间轴与第 二轴之间的距离（ 中心距 ） 不大 的情况下 ， 一 挡 仍有较大的传动比；挡位高的齿轮采用或不采用常啮合齿轮传动；多数传动方案中除一 挡 以外的其 它 挡位 的 换挡机构 ， 均采用同步器或啮合套 15 换挡，少数结构 的 一 挡 也采用 同步器 或啮合套换挡，还有各挡同步器或啮合套多数情况下装置第二轴上。 【本设计 采用中间轴式 五 挡 传动方案 ， 具体 结构 见 相关 图纸 】 图 2中间轴式 五 挡 变速箱传动方案 图 2中间轴式 六挡变速箱传动方案 以上各 方案中 ， 凡采用常啮合齿轮传动的挡位，其它换挡方式可以用同步器或啮合套来实现。同一 变速箱 中，有的挡位用同步器换 挡，有的挡位用啮合套换挡，那么一定是挡位高的用同步器换挡，挡位低的用啮合套换挡。 用中间轴式变速箱，为缩短传动轴长度，将第二轴加长， 如图 2如果 在 附加壳体 内 布置倒挡传动齿轮和换挡机构，还能减小变速箱主体部分的外形尺寸及提高中间轴和输出轴的刚度，如图 2 变速箱 用如图 2示的多 支承 结构方案，能提高轴的刚度。这时 ， 如果在轴平面上可分开的壳体，就能较好地解决轴荷齿轮等零部件装配困难的问题。图 2示 16 方案的高 挡 从动齿轮处于悬臂状态，同时一挡和倒挡齿轮布置在变速 箱 壳体的中 间跨距里 ， 而中间 挡 的同步器布置在中间轴上是这个方案的特点。 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 2b、 c 和图 2b 所示；也有利用两个连体齿轮方案的，如图 2图 2b 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示。 图 2 常见的倒挡布置 挡 案 。 图 2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案能获得 较大 的倒挡传动比，缺点是 换挡 程序不合理。图 2案 针对 前者的缺点进行了修改，取代了图 2 3 挡 齿轮做成一体，将其齿宽加长 。图 2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示方案 ， 具体结构见相关图纸】 图 2倒挡布置 方案 变速箱 的一 挡 或倒挡因传动比大，工作时在齿轮上作用得 力 也增大，并导致变速箱轴产生较大 的 扰度和转角，使 工作齿轮啮合 状态破坏，最终表现出轮齿磨损加快和工作 17 图 2变速杆 换挡位置与顺序 图 2换挡 轴位置与受力分析 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 2 2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 2 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 部件 结构 方案 分析 变速箱的设计方案必需满足使用性能、制造条件、维护方便及三化等要求。在确定 18 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。 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】 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 】 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这种结构方案比较有效，采用较多。 图 2止自动脱 挡 的结构措施 19 2） 将啮合套做得长一些（如图 2者两接合齿的啮合位置错开（图 2这样在啮合时使接合齿端部超过被接合齿约 1 3用中因接触部分挤压和磨损，因而在接合齿端部形成凸肩，以阻止自动脱 挡 。 3）将啮合套齿座上前齿圈的 齿厚切薄（ 这样，换 挡 后啮合套的后端面便被后齿圈的前端面顶住，从而减少自动脱 挡 （图 2 此段 切薄 a b 图 2止自动脱 挡 的结构措施 图 2止自动脱 挡 的结构措施 在本设计中所采用的是锁环式同步器，如 图 2示。 花键毂 7 用内 花键套装在二轴外花键上，用垫圈、卡环轴向定位。花键毂 7两端 与齿轮 1和 4 之间 各有一个青铜制成 的锁环 （即同步环 ） 5 和 9。锁环 上有短花键齿圈 ，其花键的尺寸和 齿数 与花键毂齿轮 1和 4的 外花键齿 相同 。 两个齿轮 和锁环上的花键齿 ， 靠近 接 合套 8的 一 端 都有倒角（ 锁止角 ） ，且 与结合套齿端的倒角相同。锁环 有 内锥面，与齿轮 1、 4的 外锥面倒角相同。在锁环 内锥面 上有细密的螺纹（ 或 直槽） ，当 锥面接触后，它能及时破坏油膜，增加锥面间的摩擦力。锁环内 锥面 摩擦副成为摩擦件，外沿带倒角的齿圈是锁止件，锁环上还有 3个 均布的缺口 12。 3个 滑块 2分别 装在花键毂 7上 3个 均布的轴向槽 11内 ，沿槽可以轴向移动。滑块 被 两个弹簧 6的 径向力压 向接 合套，滑块中部的凸起部位压嵌在接合套 中部 的 环槽 10内 。滑块 和 弹簧是推动 件 。滑块两端伸入锁环 5的 缺口 12中 ，滑块窄而缺口宽，两者只差等于锁环的花键齿宽。锁环 相对于 滑块顺转和逆转都只能转 20 动半个齿宽，且只有当滑块位于锁环缺口的中央 时， 接合套与锁环才能接合。 图 2 锁环式 惯性同步器 12 345、 9 同步环 ） ； 6 781011向槽； 12变速箱 轴承 做旋转 运动的变速 箱 轴支承在壳体或其他部位的地方以及 齿轮与轴不做固定连接处应安置轴承。 变速箱 轴承常采用圆柱滚子轴承 、 球轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、滑动轴套等。 汽车 变速箱结构紧凑、尺寸较小的特点，采用尺寸大 些 的轴承 受 结构限制 。 如 变速箱 的第二轴前端支承在第一轴常啮合齿轮的内腔中，内腔尺寸足够时可 布置 圆锥滚子轴承，若空间不足则采用滚针轴承。第二轴 后端 常采用球轴承，用来承受轴向力和径向力。变速箱 第一轴 前端支承在飞轮的内腔里，因有足够大的空间， 常 采用一端有密封圈的球轴承 来承受径向力。作用在第一轴 常啮合 齿轮上的轴向力， 经 第一轴后部轴承传给变速箱壳体，此处常用轴承外圈 有挡圈的球轴承。由于 变速箱向轻量化 方向发展的需要，要 21 求减小变速 箱 中心距，这就 影响 到轴承外径的尺寸。为了 保证 轴承 有足够 的寿命，可选用能承受一定轴向力的无保持架的圆柱滚子轴承。中间轴 上 齿轮工作时产生的轴向力，原则上 由前 或 后轴承 来 承受都可以，但当在壳体前端面布置轴承盖有困难时，必须由后端轴承 承受 轴向力，前端采用圆柱滚子轴承来承受径向力，而后端采用外圈有挡圈的球轴承或圆柱滚子轴承。 圆锥滚子轴承 因有直径较小、宽度较宽， 因而 容量大，可承受高负荷和通过对轴承预紧能消除轴向间隙及轴向窜动等优点，故在一些变速箱上得到应用。 圆锥滚子轴承 也有 装配后需要调整 预紧 ，使 装配 麻烦且磨损后轴易歪斜，从而影响齿轮正确啮合等一些缺点。当采用 锥轴承时 ，要注意轴承的预紧，以免壳体受热膨胀后轴承出现间隙而使中间轴歪斜，导致齿轮不能正确啮合而损坏。因此 ， 锥轴承不适合用在线胀系数较大的铝合金壳体上。 变速箱 第一轴、第二轴的后部轴承，以及中间轴前、后轴承，按直径系列一般选用中系列球轴承或圆柱棍子轴承。轴承 的 直径根据变速箱中心距确定，并要保证壳体后壁两轴承孔之间的距离不小于 6 20 滚针 轴承、滑动轴套主要用在齿轮与轴不是固定连接，并要求两者有相对运动 的地方 。滚针 轴承 有 滚动摩擦损失小、传动效率高、径向配合间隙小、定位及运转精度高、有利于齿轮 啮合 等优点。滑动 轴套 的径向配合间隙大、易磨损、间隙增大后影响齿轮的定位和运转精度并使工作造成增加。 其 优点是制造容易、成本低。 综上 ， 本设计中第一轴 上 与 箱体支承处选 用 深沟球轴承，变速箱第 一轴 后端 内腔 中选用滚针轴承对第二轴前端进行支承，第二轴后端 与 轴承盖直径采用深沟球轴承，第二轴后端与箱体后盖间用外圈无挡边的圆柱滚子轴承 ， 中间轴前 、 后端 采用 圆锥滚子轴承支承 在箱体内。 22 第三 章 变速箱主要参数 的选择 根据 变速箱运用的实际场合， 结合 同类变速箱的设计 数据和 经验 ，来进行本设计的