【汽车设计过学迅】变速器设计.解读.ppt

,3.1概述3.2变速器结构方案的确定3.3变速器总体尺寸和参数的确定3.4变速器齿轮零件的设计计算3.5变速器轴、轴承等零件的设计计算3.6同步器设计3.7操纵机构设计习题,第3章变速器设计,主要内容本章介绍汽车传动系统中主要部件变速器的设计要求、主要结构形式以及设计计算方法。本章要求:1.了解变速器结构方案的确定；2.掌握变速器总体尺寸和参数的确定；3.掌握变速器齿轮零件的设计计算；4.掌握变速器轴、轴承等零件的设计计算；5.掌握同步器设计；6.了解操纵机构设计。,第3章变速器设计,3.1概述,变速器在发动机和驱动轮之间起着匹配作用通过改变变速器的传动比，可以使汽车在不同的使用条件下得到所需的驱动力和速度，同时使发动机在最有利的工况范围内工作。,()根据传动机构的传动比变化是有级还是无级。变速器分为有级式、无级式和分段无级式。()根据轴的不同类型，分为固定轴式和旋转轴式两大类。()根据操纵方式的不同，分为手动操纵式、自动操纵式和半自动操纵式三种。,3.1.1变速器的类型,变速器组成,3.1.2变速器的要求,()合理地选择变速器的挡数和传动比，使汽车具有良好的动力性和经济性。()设置空挡，使发动机和驱动轮之间的动力能暂时中断，如在滑行或停车时让发动机和传动系统能保持分离。()设置倒挡，在不改变发动机旋转方向的情况下使汽车能倒退行驶。()工作可靠，在使用过程中不应有自动跳挡、脱挡和换挡冲击现象发生。此外，还不允许出现误挂倒挡的现象。()操纵应轻便，以减轻驾驶人的劳动强度，这对重型汽车、公共汽车和长途汽车尤为重要。()传动效率高、噪声小，齿轮式变速器为减小齿轮的啮合损失。最好有直接挡。此外，合理地选择齿轮型式及结构参数，提高其制造和安装精度，都是提高效率和减小噪声的有效措施。()结构紧凑，尽量做到质量轻、体积小、制造成本低。()应设动力输出接口，能进行动力输出。,3.2.1概述,现代汽车大多数都采用三轴式变速器，对发动机前置前轮驱动的轿车，如变速器传动比小，则常采用两轴式变速器。,3.2变速器结构方案的确定,.结构工艺性,.变速器的径向尺寸,.变速器齿轮的寿命,.变速器的传动效率,3.2.2变速器的总体结构方案,1.两轴式方案,轿车，特别是中级以下的轿车多采用前置前驱，两轴式变速器被广泛使用。,两轴式五挡变速器,2.三轴式方案,三轴式变速器除有输入轴(第一轴)、输出轴(第二轴)外，还有中间轴。,三轴式六挡变速器,3.多中间轴方案,近年来，国内外一些重型汽车在装备转矩高于12001300Nm的大功率的柴油机时,采用多中间轴的结构变速器,这种变速器具有23根中间轴。,双中间轴变速器简图,4.组合式方案,由于商用汽车的发动机功率和吨位不断加大,用途也呈多样化,要求变速器的传动比加大,即增加挡位数,七挡、八挡、十挡甚至十六挡的变速器被越来越多地装备于各种重型商用汽车,以保证整车良好的动力性和经济性。,组合式变速器简图,3.2.3倒挡的型式及布置方案,倒挡布置方案,3.2.4齿轮型式,变速器用斜齿圆柱轮和直齿圆柱齿轮。斜齿圆柱齿轮虽然制造时稍复杂，工作时有轴向力，但因其使用寿命长，噪声小而仍得到广泛使用。直齿圆柱齿轮仅用于低挡和倒挡。,3.2.5换挡的结构型式,1.滑动齿轮换挡,.啮合套换挡,.同步器换挡,3.2.6轴承型式,过去，变速器轴的支撑广泛采用滚珠轴承、滚柱轴承和滚针轴承。近年来，变速器的设计趋势是增大其传递功率与质量之比，并要求它有更大的容量和更好的性能，而上述轴承型式已不能满足对变速器可靠性和寿命提出的要求，故使用圆锥滚柱轴承的增多。,3.3.1中心距,变速器齿轮的中心距是变速器的重要参数，它对变速器整体尺寸，体积及质量有很大影响。通常根据经验公式初选中心距:,3.3变速器总体尺寸和参数的确定,(3-1),式中:中心距系数。iemax变速器在一挡时,第二轴输出的转矩:,式中:1变速器一挡传动比。g变速器传动效率，取0.96。,3.3.2变速器的轴向尺寸,货车变速器壳体的轴向尺寸与挡数有关，可参照下列数据选用:四挡:(2.22.7)。五挡:(2.73.0)。六挡:(3.23.5)。轿车四挡变速器壳体轴向尺寸为(3.03.4)。,3.3.3挡数及各挡传动比,.根据最大爬坡度确定一挡传动比,汽车在最大上坡路面上行驶时，最大驱动力应能克服轮胎与路面间滚动阻力及上坡阻力，由于汽车上坡行驶时，车速不高，故忽略空气阻力，由汽车行驶方程得:,(3-2),式中:1变速器一挡传动比。0主减速器传动比。汽车传动系统总效率。a汽车总质量。重力加速度。道路最大阻力系数。驱动轮滚动半径。max道路最大坡度角。,2.根据驱动轮与路面的附着力确定一挡传动比,汽车行驶时，为了使驱动轮不打滑，必须使驱动力等于或小于驱动轮与路面间的附着力。由此得:,(3-3),式中:道路附着系数。驱动轮垂直反力。,式中：x、S的值，当后轮驱动时，=1，=+；前轮驱动时，=2，=-1；全轮驱动时=，=0。为路面坡度角，、分别为汽车质心距前后轴的距离，为汽车轴距，为汽车满载时质心高度。,3.根据最低稳定车速确定一挡传动比,对于越野汽车，为了避免在松软路面上行驶时，由于土壤受冲击剪切破坏而损失地面附着力，imax应保证汽车能在极低车速下稳定行驶。设最低稳定车速为vamin,则,(3-4),式中:nmin发动机最低转速。分动器低挡传动比。,3.4.1齿轮参数的确定,.模数,3.4变速器齿轮零件的设计计算,(3-5),直齿轮模数与弯曲应力之间有如下关系:,(3-6),斜齿轮法面模数mn与弯曲应力之间有如下关系:,式中:计算载荷；摩擦力影响系数；应力集中系数；齿轮齿数；齿形系数；弯曲应力；斜齿轮螺旋角；齿宽系数；s重合度系数。,2.压力角,国家规定的齿轮标准压力角为20。故变速器齿轮普遍采用的压力角为20。也有采用其他的压力角的。压力角增大，则根圆齿厚及节圆处渐开线曲率半径都增大，使弯曲强度及接触强度都提高，并且不根切的最少齿数也减小。压力角增大的缺点有:转矩相同时，齿面载荷增大，重合度减小，轮齿刚度增大，噪声随之增大。载货汽车因装载质量大，要求齿轮强度高，往往选用较大的压力角。而轿车要求噪声小，常选用较小的压力角。对同一变速器，往往低挡齿轮用大压力角，高挡齿轮用小压力角。,3.齿轮螺旋角,变速器斜齿轮螺旋角的大小对变速器工作噪声和轮齿强度有影响。螺旋角增大使齿轮啮合的重合系数增加、工作平稳、噪声降低，另外齿轮的强度也有所提高。在选取斜齿轮螺旋角时，应力求使中间轴上的轴向力平衡。,(3-7),式中:、齿轮1、2的轴向力。1、2齿轮1、2的节圆半径。中间轴传递的转矩。,中间轴轴向力平衡计算图,4.齿宽,齿宽应能满足既减轻变速器质量，同时又保证齿轮工作平稳的要求。通常根据齿轮模数m的大小来选定齿宽:,()直齿轮:(4.57.5)()斜齿轮:(6.58.5),.各挡齿轮齿数的分配,()尽量符合动力性、经济性等对各挡传动比的要求。()最少齿数不应产生根切。()互相啮合的齿轮，齿数间不应有公因数，速度高的齿轮更应注意这一点。()齿数多，可降低齿轮的传动噪声。,6.齿宽,齿宽应能满足既减轻变速器质量，同时又保证齿轮工作平稳的要求。通常根据齿轮模数m的大小来选定齿宽:,()直齿轮:(4.57.5)()斜齿轮:(6.58.5),3.4.2确定各挡齿轮的齿数,.确定一挡齿轮的齿数,一挡传动比为:,(3-8),四挡变速器传动方案,如果z7和z8的齿数确定了,则z2与z1的传动比可求出。为了求z7、z8的齿数,先求其齿数和zh:,()直齿:,()斜齿:,(3-10),(3-9),2.中心距的修正,在确定一挡齿轮齿数时，当计算出的zh不是整数时,要将其取为整数。,.确定常啮合传动齿轮副的齿数,常啮合传动齿轮的传动比:,而常啮合传动齿轮中心距和一挡齿轮的中心距相等，即:,(3-11),(3-12),4.确定其他各挡齿轮的齿数,若二挡齿轮是直齿轮,模数与一挡齿轮相同时,则有:,(3-13),(3-14),二挡齿轮是斜齿轮。螺旋角6与常啮合齿轮的2不同时，有:,(3-15),(3-16),从抵消或减少中间轴的轴向力出发，齿数还必须满足下列关系式:,(3-17),5.确定倒挡齿轮齿数,一挡、倒挡齿轮常选用相同的模数。倒挡齿轮z10的齿数，一般在2133，初选z10后可计算中间轴与倒挡轴的中心距:,为保证倒挡齿轮的啮合和不产生运动干涉，齿轮8和9的齿顶圆之间应保持0.5mm以上间隙,则齿轮9的齿顶圆直径e9应为:,(3-18),3.4.3圆柱齿轮强度的计算,()当计算转矩时,变速器齿轮接触强度的许用应力为:,常啮合齿轮:j13001400MPa。一挡及倒挡齿轮:j19002000MPa。,()弯曲强度的许用应力为:,直齿轮:400850MPa。轿车斜齿轮:180350MPa。货车斜齿轮:100250MPa。,3.5.1轴的设计,.轴尺寸初选,3.5变速器轴、轴承等零件的设计计算,第一轴及中间轴:,(3-19),轴直径与轴传递转矩有关，因而与变速器中心距有一定关系，可按以下式初选轴直径:,式中:变速器中心距。第一轴花键部分直径1可按下式初选:,第二轴:,(3-20),2.轴的结构形状,轴的结构形状应保证齿轮、同步器及轴承等的安装、固定，并与工艺要求有密切关系。除前置发动机前轮驱动、后置发动机后轮驱动的汽车变速器采用两轴式外，绝大多数汽车变速器都是三轴式。,变速器中间轴有旋转式和固定式两种。,3.轴的受力分析,计算轴的强度、刚度及选择轴承都要首先分析轴的受力和各支撑反力，这些力取决于齿轮轮齿上的作用力。,轴承反力作用点示意图,4.轴的强度计算,由变速器结构布置并考虑到加工和装配而确定的轴的尺寸，一般来说强度是足够的，仅对其危险断面进行验算。,.轴的刚度计算,变速器轴的刚度用轴的挠度和转角来评价，轴的刚度比其强度更重要。,(3-21),式中:fh轴在水平面内的挠度。fv轴在垂直面内的挠度。,.轴上花键的设计,变速器轴与齿轮及其他传递转矩的部件一般通过键和花键连接。普遍采用的是矩形花键和渐开线花键。,3.5.2轴承的选择与计算,.变速器轴承形式的选择,变速器轴承多采用滚动轴承向心球轴承、向心短圆柱滚子轴承、滚针轴承，变速器轴承通常根据结构选定，再验算其寿命。,.变速器轴承的寿命计算,在计算轴承寿命时，必须结合实际使用经验参考目前同类产品中同部位的轴承使用寿命加以调整。,3.6.1同步器的工作原理,目前所有的同步器均采用摩擦原理，即在工作表面产生摩擦力矩，克服被啮合件的惯性力矩，使之升速、降速以在最短的时间内达到同步状态。,3.6同步器设计,(3-22),(3-23),滑块式同步器工作过程,锁止面上的受力示意图,(3-25),(3-24),式中:锁止角。锁止倒角斜面间的静摩擦系数。,力F在摩擦锥面上形成正压力，进而在摩擦锥面上产生摩擦力矩Tm：,式中:工作锥面间的摩擦系数。锥面半锥角。锥面平均半径。设计上保证只有在同步后才能换挡的锁止条件是:,假定B=0，则可得:,(3-26),待同步的齿轮是靠同步环与之接触的锥面之间的摩擦力矩来升速或降速的,根据动量矩定理可列出同步器工作的基本方程式:,(3-27),式中:同步器输入端零件的转动惯量。同步器输入端零件的角速度。同步时间。,3.6.2同步器的结构型式及其特点,同步器可分为常压式、惯性式和惯性增力式三种类型。,多锥式同步器,锁环式同步器,波尔舍同步器,3.6.3主要参数的确定,.锥面半锥角和摩擦系数,同步环螺纹槽型式,.锥面平均半径和锥面工作长度,(3-28),式中:摩擦面上的许用压力。,3.锁止角,在确定了、和后，根据满足锁止条件的方程式式(3-26)，就可求出锁止角，通常=2642。,4.同步时间和轴向推力,从同步器的基本方程式式(3-27)可知，和是一对矛盾的可变参数。应从最短的时间内达到同步状态出发来考虑轴向推力的大小。,5.转动惯量的计算,(3-29),式中:zz转换轴上的齿轮齿数。zb被转换轴上的齿轮齿数。换直接挡时输入端总的转动惯量为:,式中:J1第一轴及离合器从动片的转动惯量。Jzn1转换到第一轴上的中间轴的转动惯量之和:,(3-30),换其他挡时输入端总的转动惯量为:,(3-31),式中:Jt第二轴上某挡齿轮的转动惯量,Jzn2转换到第二轴上的中间轴转动惯量和。,3.7.1换挡位置图,设计操纵机构首先要确定换挡位置图。()按换挡次序来排列。()将常用挡放在中间位置，其他挡放在两边。()为了避免误挂倒挡，往往将倒挡安排在最靠边的位置，有时与挡组成一排。,3.7操纵机构设计,换挡位置图,3.7.2直接操纵和远距离操纵,.直接操纵,多数汽车采用传统的直接操纵方案。即变速杆由驾驶室底板伸出，布置在驾驶室座位旁。,直接操纵机构,2.远距离操纵,某些轿车、大客车和具有平头、短头驾驶室的货车，由于总布置的关系，变速器布置在离驾驶室座椅较远的位置，因此需要采用远距离操纵方案，即通过一套换挡传动机构操纵变速器。这种机构应有足够的刚性，且各连接件间隙不能过大，否则换挡手感不明显。,远距离操纵机构,3.7.3锁止装置,.互锁装置,互锁装置是保证移动某一变速换挡拨叉轴时，其他拨叉轴被锁住，互锁装置的结构。)互锁销式)摆动锁块式)转动钳口式,转动钳口式互锁装置,摆动锁块式互锁装置图,互锁销式互锁装置,2.自锁装置,自锁装置的作用是防止正处于啮合的汽车变速器齿轮因