《变位齿轮变速器》PPT课件

教学要求,第十二章变位齿轮及变速器设计,了解变位齿轮的成形机理，变位齿轮传动的类型、特点及应用。掌握变位齿轮的基本参数和几何尺寸的计算方法。了解摩擦式无级变速传动的工作原理。熟悉机械式无级变速器的两个主要性能：调速范围和机械特性。了解汽车变速器的工作原理和结构组成。,知识链接,标准中心距安装两轮节圆与各自分度圆重合:d=d无齿侧间隙s1=e1=s2=e2=m/2=s=ei12=n1/n2=db2/db1=d2/d1=d2/d1=z2/z1a=a=标准中心距安装acos=acos标准中心距节圆直径(标准中心距时)重合度：,分度圆直径d=mz齿顶高ha=mha*;齿根高hf=(ha*+c*)m;齿全高h=ha+hf=(2ha*+c*)齿顶圆直径da=d+2ha=(2+z)m齿根圆直径df=d-2hf=(z-2ha*-2c*)m基圆直径db=dcosa周节p=pm顶隙c=m基(法)节pb=pcosa分度圆齿厚/齿槽宽s=e=m/2传动比i12=n1/n2=db2/db1=d2/d1=z2/z1标准中心距节圆直径(标准中心距时)d=d,第十二章变位齿轮及变速器设计,变位齿轮的功用,变位齿轮的加工,变位齿轮传动的几何计算,变位齿轮传动的类型,变速器及其分类,概述,机械式无级变速器,汽车变速器,12-1概述,随着生产的发展对齿轮传动性能的要求越来越高，标准齿轮传动往往不能满足某些特殊要求需要采用变位齿轮传动，在汽车变速器中多采用变位齿轮。变速器用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，目的是在各种行驶工况下，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。,12-2变位齿轮的功用,一、标准齿轮的局限性,(1)齿数不能少于最少齿数zmin；,(3)一对啮合齿轮中,小齿轮齿廓渐开线的曲率半径和齿根厚度较小,啮合次数较多,强度较低。,(2)不适用于中心距的场合；,二、变位齿轮的功用,配凑中心距,变位的目的：避免根切；凑中心距；提高传动质量。,例：下图为C-WJ620车床的走刀箱，要求轴I上的滑移齿轮与轴上的两个固定齿轮相啮合。已知：z1=18，z2=30，z3=27，m=3mm，压力角=20。若采用标准齿轮，则它们的中心距分别为：,a12a13，不能采用标准齿轮可用变位传动,12-3变位齿轮的加工,刀具的中线与被加工齿轮的分度圆,相切,相离,相交,标准齿轮,正变位齿轮,负变位齿轮,刀具的节线与中线不重合，加工出的齿轮在分度圆上的齿厚与齿槽宽不相等，这种齿轮称为变位齿轮。,一、变位齿轮的概念,x0正变位齿轮xy,齿全高h：,二变位齿轮的几何关系,1啮合角与实际中心距a的关系,当aa=m(z1+z2)时配凑中心距,2.总变位系数x=x1+x2与啮合角的关系,若x=0,则a=a,两齿轮节圆与分度圆重合若x0,则aa,两齿轮节圆和分度圆不重合,由无齿侧间隙啮合方程得:,3.中心距变动系数y,满足两轮无侧隙标准顶隙的要求,当aa时，y为正值；当aa时y为负值;当a=a时，y=0。,4.齿顶高变动系数,齿顶圆直径,5.变位直齿轮传动的基本尺寸计算,表12-1变位直齿轮传动的基本尺寸计算公式(外啮合),变位齿轮与同参数的标准齿轮几何尺寸比较,分度圆基圆齿距基圆齿距齿高,齿顶圆齿根圆齿顶高齿根高齿厚齿槽宽,不变,正大负小正大负小正小负大正大负小正小负大,1)标准齿轮传动,(1),(2)当两标准齿轮作无侧隙啮合传动时a=a=r1+r2=(y=0=0),12-5变位齿轮传动的类型,一、零传动,x=x1+x2=0的传动。零传动又可分为标准齿轮传动和高度变位齿轮传动两种。,(2)x1+x2=0a=a,=，y=0，=0,(3)等移距变位齿轮传动的优缺点：,优点：,可以减少尺寸。,可以改善齿轮的磨损情况。,可以相对地提高两轮的承载能力。,缺点：,必须成对设计、制造和使用，互换性差。,重合度略有减少。,(1)从强度观点出发，应对小齿轮应采用正变位，对大齿轮采用负变位，并保证大、小齿轮都不发生根切。,当采用等移距变位时，两轮齿数之和必须大于等于最少齿数的两倍。,2)等移距变位齿轮传动(又称高度变位传动）,二、正传动(又称正角度变位齿轮传动),齿数条件：,x1+x20（z1+z2）可以小于2zmin,x1+x20，y0，0,必须成对设计、制造和使用，互换性差。,优点：,可以减少尺寸。,可以改善齿轮的磨损情况。,弯曲强度和接触强度都相对地有所提高。,适当地选择变位系数可以凑配给定的中心距。,缺点：,重合度减少较多。,x1+x21时,n出M入,为降速增扭(低档位,减速档,i越大,档位越低),ik=1时,直接档,n出n入,M出M入,ik1时,n出n入,M出M入,为升速降扭(超速档),变速传动机构是变速器的主体。有级变速器与无级变速器相比,具有结构简单、制造低廉,效率高(0.960.98)等特点。其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。有级变速器按工作轴的数量(不包括倒档轴)可分为两轴式变速器和三轴式变速器;按前进挡数可分为三、四、五和多挡;按轴的运动形式分为固定轴式(两轴/中间轴/双中间轴/多中间轴式变速器)和旋转轴式。固定轴式应用广泛，其中两轴式变速器多用于发动机前置前轮驱动的汽车上，中间轴式变速器多用于发动机前置后轮驱动的汽车上。旋转轴式主要用于液力机械式变速器。,2)传动机构,特点：高挡同步器布置在输入轴上，而低挡同步器布置在输出轴上。为提高轴的刚度，增加了中间支承。高挡布置在靠近轴的支承中部区域较为合理，在该区域因轴的变形而引起的齿轮偏转角较小，齿轮保持较好的啮合状态，能提高齿轮寿命。,两轴式变速器,优点：结构简单、轮廓尺寸小、布置方便、中间挡位传动效率高和噪声低等。缺点：不能设置直接挡，一挡速比不可能设计得很大。,发动机前置前轮驱动轿车的两轴式变速器传动方案。其特点是：变速器输出轴与主减速器主动齿轮做成一体；多数方案的倒挡传动常用滑动齿轮，其它挡位均用常啮合齿轮传动。图f中的倒挡齿轮为常啮合齿轮，并用同步器换挡；图d所示方案的变速器有辅助支承，用来提高轴的刚度。,三轴式变速器,下图为中间轴式四挡变速器传动方案示例，图a、b所示方案有四对常啮合齿轮，倒挡用直齿滑动齿轮换挡，图c方案的二、三、四挡用常啮合齿轮传动，而一、倒挡用直齿滑动齿轮换挡。,特点：(1)设有直接挡;(2)一挡有较大传动比;(3)高挡位齿轮采用常啮合齿轮传动，低挡位的齿轮(一挡)可采用或不采用常啮合齿轮传动;(4)除一挡外,其他挡位采用同步器或啮合套换挡;(5)除直接挡外,其他挡位工作时传动效率略低。,换挡方式：凡采有常啮合齿轮传动的挡位，其换挡方式可以用同步器或啮合套来实现。同一变速器中，挡位高的用同步器换挡，挡位低的用啮合套换挡。,倒挡布置方案,下图为常见的倒挡布置方案。图b方案的优点是倒挡利用了一挡齿轮,缩短了中间轴的长度。但换挡时有两对齿轮同时进入啮合,使换挡困难。图c方案能获得较大的倒挡传动比,缺点是换挡程序不合理。图d方案对c的缺点做了修改。图e所示方案是将一、倒挡齿轮做成一体，将其齿宽加长。图f所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合的齿轮，挡换更为轻便。,为了缩短变速器轴向长度,倒挡传动采用图g所示方案。缺点是一、倒挡各用一根变速器拨叉轴,使变速器上盖中的操纵机构复杂一些。,3)操纵机构,根据汽车使用条件的需要，驾驶员利用变速器的操纵机构完成选挡和实现换挡或退到空挡的工作。变速器操纵机构应满足如下主要要求：换挡时只能挂入一个挡位;(2)换挡后应使齿轮在全齿长上啮合;(3)防止自动脱挡或自动挂挡;(4)防止误挂倒挡;(5)换挡轻便。机械式变速器的操纵机构一般是由变速杆、拨块、拨叉、变速叉轴及互锁、自锁和倒挡锁装置等主要件组成。,分类:,依靠驾驶员手力完成选挡、换挡或退到空挡工作，称为手动换挡变速器。(1)直接操纵手动换挡变速器当变速器布置在驾驶员座椅附近，可将变速杆直接安装在变速器上，并依靠驾驶员手力和通过变速杆直接完成换挡功能的手动换挡变速器，称为直接操纵变速器。这种操纵方案结构最简单，已得到广泛应用。,(2)远距离操纵手动换挡变速器,平头式汽车或发动机后置后轮驱动汽车的变速器距驾驶员座椅较远，这时需要在变速杆与拨叉之间布置若干传动件，换挡手力经过这些转换机构才能完成换挡功能。这种手动换挡变速器称为远距离操纵的动换挡变速器。,远距离操纵手动换挡变速器工作原理简图,右图3-9为远距离操纵手动换挡变速器的工作原理简图。要求整套系统有足够的刚性,且各连接件间间隙不能过大,否则换挡手感不明显,并增加了变速杆颤动的可能性。,(3)电控自动换挡变速器,在固定轴式机械变速器基础上，通过应用计算机和电子控制技术，使之实现自动换挡，并取消了变速杆和离合器踏板。驾驶员只需控制油门踏板，汽车在行驶过程中就能自动完成换挡时刻的判断，自动实现收油门、离合器分离、选挡、换挡、离合器接合和油门等一系列动作，使汽车动力性、经济性有所提高。,电控自动换挡变速器工作原理框图,应用实例:桑塔纳轿车变速器,4个前进档,1个倒档,1个空档位置,潘存云教授研制,前置前驱两轴式5+1档变速器，最高档是超速挡，同步器换挡,空档,第一档：i1=3.455,输出轴反向旋转,第二档：i2=1.944,第三档：i3=1.286,第四档：i3=0.909,倒档iR=3.167,A向,倒档齿轮,2.自动变速器(AT),AT由液力变矩器、变速齿轮机构、供油系统和换挡操纵机构组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。其中液力变矩器是AT最重要的部件，它由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，兼有传递扭矩和离合的作用。目前轿车普遍使用的是AT，AT几乎成为自动变速器的代名词。,自动变速器(AutomaticTransmission-AT)又称液力自动变速器,其传动比的选择和换档是自动进行的。驾驶者只需操纵加速踏板，变速器就可以根据发动机的负荷信号和车速信号来控制执行元件，实现档位的变换。,液力变矩器,液力变矩器是AT式变速箱最具特点的部件，其位置和作用相当于离合器，不同的是它是常接合、柔性连接，且可增大发动机输出扭矩。目前常采用的液力变矩器是由泵轮、涡轮和导轮组成的单极(一个涡轮)双相(变矩和偶合)三元件闭锁式(有锁合离合器功能)综合液力变矩器。,泵轮是主动件，涡轮悬浮在变矩器内，通过花键与输出轴联接，是从动件。导轮悬浮在泵轮与涡轮之间，通过单项离合器及导轮轴套固定在变矩器外壳上。为保证变矩器的性能和工作液的良好循环，导轮、泵轮、涡轮的叶片都弯成一定的弧度并沿径向倾斜排列。发动机起动后带动泵轮旋转，由于离心力的作用，工作液既有随泵轮一起转动的圆周运动，又有冲向涡轮的轴向分速度，推动涡轮与泵轮同向转动。当涡轮转速较小时，从涡轮流出的工作液向后流动，冲击导轮叶片的前面。因为导轮被单向离合器限定不能向后转动，所以导轮叶片将向后流动的工作液导向前推动泵轮叶片，促进泵轮旋转。这相当于导轮与泵轮都对液力变矩器内的工作液施加了正向力矩。当输入与输出转速稳定时，两正向力矩之和在大小上等于涡轮对工作液的反向力矩，从而使涡轮的输出转矩大于泵轮的输入转矩，起到增扭的作用。涡轮的转速越低，导轮改变工作液流动方向的作用越强，变矩器增大转矩的效果越明显。考虑到传动效率等因素，一般把变矩器的输出转矩与输入转矩之比的最大值设计为2-2.5。,汽车必须满足从停止到起步、从低速行驶到高速行驶和倒退行驶的使用要求。液力变矩器虽然能在一定范围内自动无级地改变输出扭矩和转速，但是其变矩系数较小（一般为2-3），难以满足使用要求。因此，汽车必须设置变速器，且应具有速比可变（即具有变速档）、转向可逆（即具有倒档）和切断动力（即具有空档）的功能。汽车上广泛采用由液力变矩器与齿轮变速器组合而成的液力机械式变速器。齿轮式变速器可以是行星齿轮式变速器（又称为旋转轴线式齿轮变速器），也可以是平行轴式齿轮变速器（又称为固定轴线式齿轮变速器）。,行星齿轮式变速器具有以下突出优点：（1）结构简单、体积小，不需要中间轴和中间齿轮；（2）操纵容易，各齿轮处于常啮合状态，不存在啮合冲击；（3）传动比（或速比）范围大（如丰田A340E型为0.705-2.804；A341E型为0.705-2.531、A342E型为0.753-2.531）。行星齿轮式变速器是由行星齿轮机构和换档执行机构组成的变速器。,变速齿轮机构,自动变速器的换档执行机构由离合器和制动器两部分组成。目前采用的离合器有单向离合器与片式离合器两种；制动器有片式制动器和带式制动器两种。单向离合器的类型以及结构原理与液力变矩器使用的完全相同。片式离合器(或制动器)是一种利用传动液ATF压力来推动活塞移动，从而使离合器片(或制动器片)接合的离合器(或制动器)，故又称为活塞式离合器(或制动器)。,换挡操纵机构,按变速方式分:,自动变速器的类型,按汽车驱动方式分:,按前进挡的挡位数分:,按齿轮变速器的类型分:,按变矩器类型分:,按控制方式分:,早期使用,无超速档,最高档为直接档,有超速档,虽构造复杂,但了汽车燃油经济性大大改善,定轴,体积大,最大传动比小,多用于前驱动汽车上，如本田雅阁,结构紧凑，能获得较大的传动比，大部分AT，如丰田.奥迪,锁止离合器,作用：在路况较好的情况下,为了避免不必要的动力传递损失(油液搅动等),故将泵轮和涡轮锁止,形成刚性连接。锁止条件:汽车处于50km/h以上的高速或三档以上的档位汽车行车制动系统处于非制动状态发动机的水温处于50-60C以上发动机节气门处于非怠速状态,液力控制自动变速器,通过机械的手段，将汽车行驶的车速及节气门开度这两个参数转变为液压控制信号；阀体中的各个控制阀根据这些液压控制信号的大小，按照设定的换档规律，通过控制换档执行机构的动作，实现自动换档。,ECT(ElectronicControlTransmission)通过传感器和开关监测汽车和发动机的运行状态，接受驾驶员的指令，并将发动机转速、节气门开度、车速、发动机冷却液温度、自动变速器液压油温度等参数转换成电信号输入到ECU。ECU根据这些信号，按照设定的换挡规律，向换挡电磁阀、油压电磁阀等发出控制信号；电磁阀控制液压换挡阀，使其打开或关闭通往换挡离合器和制动器的油路，从而控制换挡时刻和挡位的变换，以实现自动变速。,电子控制自动变速器,3.手动/自动变速器(AMT),电控机械式自动变速器(AutomatedMechanicalTransmissionAMT)由德国保时捷车厂在911车型上首先推出,称为Tiptronic。AMT是对传统干式离合器和手动齿轮变速器进行电子控制实现自动换档的新式变速器，其控制过程基本是模拟驾驶员的操作。根据驾驶者意图，AMT变速箱电子控制部分可以自动控制离合和换挡过程。AMT可分为两类，一类是部分档位自动换档，部分档位手动(强制)换档；另一类是预先用按钮选定档位，在采下离合器踏板或松开加速踏板时，由执行机构自行换档。特点：油耗小,性价比高。但换挡品质不高,易出现顿挫,如果不踩油门的话,即便挂入D挡,车也不会前进。AMT电控换挡或离合部分易坏，维修费用高。常见车型有：宝马.奔驰.奥迪等,4.无级变速器(CVT),无级变速器(ContinuouslyVariableTransmissionCVT)特点：(1)无自动挡变速箱的换挡过程(因无一般自动挡变速箱的传动齿轮)，即无换档顿挫感，因此CVT变速箱的动力输出是线性的，在实际驾驶中非常平顺。(2)理论上挡位无限多:挡位设定更自由，传统传动系统中的齿轮比、速比及性能、耗油、废气排放的平衡更易达到。(3)机械效率、省油性大大优于普通的自动挡变速箱，仅次于手动挡变速箱，燃油经济性要比自动挡好很多。(4)缺点:起步或加速时钢带或皮带易打滑,导致动力传递受影响,影响加速感受;且钢带或皮带材料要求较高。维修成本高。,整整一个世纪CVT发展史说明了：(1)无级变速（CVT）是汽车变速箱始终追逐的目标。(2)摩擦传动CVT实现大功率的无级变速传动是极为困难的。(3)摩擦传动CVT传动效率低是必然的。(4)摩擦传动CVT的效率，功率无法与齿轮变速(仍占据半壁河山)相比。,摩擦传动CVT类型,齿轮无级变速器(GearContinuouslyVariableTransmission)是一种全新的设计思想，是利用齿轮传动实现高效率、大功率的无级变速传动。“齿轮无级变速装置”结构相当简单，只有不足20种非标零件，51个零件，生产成本甚至低于手动变速箱。齿轮无级变速器的优势表现为：（1）传动功率大，200KW的传动功率是很容易达到的；(2)传动效率高，90%以上的传动效率是很容易达到的；（3）结构简单，大幅度降低生产成本，相当于自动变速箱的1/10；（4）对汽车而言，提高传动效率，节油20%；（5）发动机在理想状态下工作，燃料燃烧完全，排放干净，极大的减少了对环境的污染,比较：,液力传动(AT),免除了手动变速器繁杂的换档和脚踩离合器踏板的频繁操作，使开车变得简单、省力。但AT是有级变速的自动控制，只能是一种过渡产品，未从根本上满足汽车对变速器的要求。,电控机械式(AMT),有级变速器的自动换档控制。其特点是机械传动部分沿用了传统的有级变速箱，但控制参量太多，实现自动控制相当困难。,齿轮无级变速器G-CVT,已知m=3.5mm,=20,h*a=1.0,a=250mm,i12=4.5。试设计该对齿轮。,例1:,解:(1)计算齿轮的齿数z1、z2,取z1=25,若取z2=112,若取z2=113,可见应取z2=113,此时,a0.4,重合度,例2：用齿条插刀按展成法加工一渐开线齿轮，其基本参数为ha*=1,c*=0.25，=20，m=4mm，若刀具移动速度v刀=0.001ms。试求：1）切制z=12的标准齿轮时，刀具分度线与轮坯中心的距离L应为多少？被切齿轮的转速n应为多少？2）为避免根切，切制z=12的变位齿轮时，其最小变位系数xmin应为多少？此时的L应为多少？n是否需要改变？,解：1）切制z=12的标准齿轮时，齿轮分度圆半径：r=mz/2=412/2=24mm,n=60/2=60v刀/2r=600.001/2240.001=0.39r/min,则被切齿轮的转速：,刀具分度线与轮坯分度圆作滚动,有v刀=r=v刀/r,因刀具分度线应与轮坯分度圆相切,故刀具分度线与轮坯中心的距离：L=24mm,2）切制z=12的变位齿轮时,因ha*=1,c*=0.25,=20,故最小变位系数：,被切齿轮的转速n不变。,此时L=24+xminm=24+0.294=25.16mm,xmin=(17-z)/17=(17-12)/17=0.29,作业,1.图示轮系中二对齿轮中心距相等,斜齿轮法面模数mn=2mm,齿数z1=16，z2=59，直齿轮模数m=2mm，齿数z3=17，z4=60。试求：1)斜齿轮的分度圆柱螺旋角1，2；及齿轮1，2的分度圆直径d1，d2；齿轮1，2的齿顶圆直径da1，da22)若齿轮1，2为直齿圆柱齿轮，其总变位系数X为多少？