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同步器
变速箱
三维
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计算
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变速箱同步器设计,同步器,变速箱,三维,二维,计算
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毕业设计（毕业论文）说明书学院汽车工程学院专业班级学号学生指导教师题目乘用车变速器同步器设计乘用车变速器同步器设计0摘要变速器是车辆动力传动的主要组成部分，直接关系车辆的动力性能和总体性能。而手动变速器换挡过程的平顺性直接由欢换挡机构尤其是同步器决定。本次设计充分考虑变速箱的结构特点，紧密结合所学，通过SOLIDWORKS三维造型的方法，对同步器结构进行设计计算和三维造型。设计过程中，充分了解变速箱的机构特点，并对变速箱使用条件、工况等进行了详细的了解，掌握第一手资料，并为设计打下坚定的基础。本设计采用首先对手动变速器结构形式等进行了分析，主要是对变速器的工作原理做了阐述，并分析了同步器的主要类型，再次基础上对同步器结构进行了设计计算和分析。对同步器的主要结构进行设计分析，主要对换挡股、同步齿圈等进行了设计计算，并对同步器使用三维软件进行了三维造型设计。关键词同步器；换挡股；同步齿圈；三维造型；分析乘用车变速器同步器设计1ABSTRACTTHETRANSMISSIONISTHEMAINCOMPONENTOFTHEVEHICLEPOWERTRANSMISSIONANDDIRECTLYRELATESTOTHEPOWERPERFORMANCEANDOVERALLPERFORMANCEOFTHEVEHICLETHESMOOTHNESSOFTHEMANUALTRANSMISSIONSHIFTPROCESSISDIRECTLYDETERMINEDBYTHEJOYSHIFTMECHANISM，ESPECIALLYTHESYNCHRONIZERTHISDESIGNFULLYCONSIDERSTHESTRUCTURALCHARACTERISTICSOFTHEGEARBOXANDCLOSELYINTEGRATESITWITHTHELEARNINGTHROUGHSOLIDWORKSTHREEDIMENSIONALMODELINGMETHOD，THESYNCHRONIZERSTRUCTUREISDESIGNEDANDCALCULATEDANDTHREEDIMENSIONALMODELINGISPERFORMEDDURINGTHEDESIGNPROCESS，WEFULLYUNDERSTANDTHECHARACTERISTICSOFTHEGEARBOX，UNDERSTANDTHEGEARBOXOPERATINGCONDITIONS，WORKINGCONDITIONS，ANDOTHERDETAILS，GRASPFIRSTHANDINFORMATION，ANDLAYAFIRMFOUNDATIONFORDESIGNTHISDESIGNADOPTSTHEANALYSISOFTHESTRUCTUREOFTHEMANUALTRANSMISSIONFIRSTLYITMAINLYEXPLAINSTHEWORKINGPRINCIPLEOFTHETRANSMISSION，ANDANALYZESTHEMAINTYPESOFTHESYNCHRONIZERBASEDONTHIS，THEDESIGNANDCALCULATIONOFTHESYNCHRONIZERSTRUCTUREAREAGAINPERFORMEDTHEMAINSTRUCTUREOFTHESYNCHRONIZERWASDESIGNEDANDANALYZEDTHESHIFTGEARSANDTHESYNCHRONOUSGEARRINGWEREMAINLYDESIGNEDANDCALCULATEDTHREEDIMENSIONALMODELINGOFTHESYNCHRONIZERWASPERFORMEDUSINGTHREEDIMENSIONALSOFTWAREKEYWORDSSYNCHRONIZER；SHIFTINGSTOCK；SYNCHRONOUSGEARRING；THREEDIMENSIONALMODELING；ANALYSIS乘用车变速器同步器设计2目录摘要1ABSTRACT2目录3第1章绪论1111课题背景1112同步器的分类1213国内外研究现状1314设计的主要内容1514本章小结16第2章变速器总体设计1721总体方案设计17211汽车参数的选择17212变速器设计应满足的基本要求1722各档传动比的确定1823齿轮参数的选择2224各档齿轮齿数的分配以及传动比的计算24第3章同步器设计3031同步器类型3032同步器主要参数的确定32321摩擦因数32322同步环主要尺寸的确定33323锁止角3433三、四档同步器参数确定34第4章同步器性能性能分析校核3541转动惯量及其转换35411转动惯量计算方法35412转动惯量的计算36乘用车变速器同步器设计342同步力矩TC3743同步时间3844拨环力矩39第5章同步器三维造型4151SOLIDWORKS三维造型简介41511软件简介41512造型方法及步骤4152典型零件的建模过程4253其他零件的三维造型4954变速器同步器装配图5055本章小结52结论53参考文献54致谢55乘用车变速器同步器设计4第1章绪论11课题背景变速器的作用表现位改变汽车的传动比，扩大驱动车轮转矩和转速的范围，是车辆适应各种变化的工况，同时使发动机在最理想的工况（动力性教高且经济性较好）下工作；在发动机转矩方向不变的情况下，实现汽车的倒退行驶；实现空挡，中断发动机传递给车轮的动力，以便发动机能够启动，怠速。由此可见，变速器的存在具有必然性，随着科技的告诉发展，人们对汽车的性能要求越来越高，汽车的性能，使用寿命，能源消耗，震动噪声等在很大程度上取决于变速器的性能，因此必须重视对变速器的研究。按传动比的变化方式划分，变速器可分为有级式，无级式，综合式3种；按操纵方式划分，可分为强制操纵式，自动操纵式和半自动操纵式3种。近年来，随着车辆技术的进步和车辆密度的加大，对变速的性能要求也越来越高。众多的汽车工程师在改进汽车变速器的性能的研究中倾注了大量的心血，使变速器得到飞速的发展。随着城市车辆密度的加大，自动变速器已逐渐成为汽车的必备装备，而不仅仅是豪华的标志。因为有了自动变速器，改变车速变得轻松自如，角度变化而实现传动比的连续而且不必频繁地踩踏板。如今，几乎所有的现代汽车厂家都生产配备自动变速器的汽车，原因之一是自动变速器可以帮助发动机降低对环境的污染。自动变速器可实现最佳转速比，即使发动机低速运转，也能保障车辆随驾驶者的意愿正常行驶，油耗降低了，污染也就受到控制。虽然自动变速器不断地演变进步，但始终有缺点，即车速的反应与踏板的动作之间总有一定的差距，驾驶中缺乏直觉的印象。近年，保时捷公司又发明了一种“手控自动变速器”，凭靠一组复杂的电子装置，可以使驾车者在自动与手动变速之间任意选择。例如，在市内行驶时，由于需要频繁地变换速度，使用自动变速器便显得非常方便；而一旦来到高速公路或其它开阔的地方，则又可将自动变速的功能关掉，转为由手控制，以此来领略驾车中的多种乐趣。这一点已逐渐成为高档车的特性。目前手动变速器依然在汽车界应用非常广泛，自动变速器是个趋势，但手动变速器确是驾驶乐趣的极大体现者。而本设计的目的就是以我国现今汽车的发展情况探讨开发一种适合我国国情、满足家庭使用的中小型、经济实用、发动机前置前驱动的一种变速器。要求设计方法简单、可靠、实用，设计出的变速器具有较高的安全性、可靠性、实用性、经济性，满足当前经济性家庭用车的消费群体，并在方案实施上具有一定的可行性。乘用车变速器同步器设计5手动变速器靠驾驶员用手操纵变速杆换档，为大多数汽车所采用。虽然由于手动变速器难以保证发动机始终在最佳工况下运转，经济性较差，但其换挡操作可以完全遵从驾驶者的意志，且结构简单、传递功率较大，故障率相对较低、价廉物美。现代人对于汽车舒适性的追求，要求换挡平稳迅速，省力无冲击。而这反应到变速器上就是换挡时变速器内部同步器冲击反馈到变速杆上。因此对手动变速器同步器进行研究是很有必要也是很有意义的。同步器是汽车变速器的重要部件，它使同步器输入、输出部分同步以后再结合，从而减小了换档时的冲击和噪声，减轻换档力，使得换档平顺，轻便，减轻驾驶员的疲劳，延长变速器的寿命，提高汽车行驶安全性和乘坐舒适性、并改善汽车起步时的加速性和经济性起着极其重要的作用。然而随着对汽车节能环保和轻量化要求的提高，同时受变速器的尺寸和质量的限制，希望同步器仍能够快速可靠地进行同步啮合、平顺换档，同时具有更大的同步容量，这些都对同步器的设计提出了更高的要求。为了保证变速器能换档平顺、轻便，减小驾驶者所能感受到的冲击和噪声，减轻换档力，同步器的设计一般有以下要求选择合适的摩擦半径和摩擦锥面角，使之满足变速器同步时间的要求；操纵迅速而省力；同步容量足够大，工作平稳，低噪声；体积小、质量轻，工作可靠；使用寿命长等。近年来，随着科学技术的飞速发展和城市车辆越来越多，对同步器的性能要求也越来越高，设计研究中对同步器相关要素的计算和选择的意义十分重大。12同步器的分类同步器都是利用摩擦原理实现同步的，目前汽车上采用的同步器具有多种结构形式，主要有常压式、惯性式、自增力式等形式，常压式同步器工作不是很可靠，目前已基本被淘汰。现代汽车上广泛采用的是惯性式同步器，它可以有效的避免齿间冲击和噪声。根据摩擦锁止元件的不同，惯性式同步器又分为锁环式和锁销式两种。锁环式同步器，顾名思义就是靠齿环来完成同步作用，因此又称为齿环式同步器。锁环式同步器工作性能稳定，使用寿命长，可靠性高。然而受到变速器尺寸及同步器布置形式的影响，同步器的摩擦锥面半径不能太大，这制约了锁环式同步器的同步容乘用车变速器同步器设计6量。由于锁环式同步器的同步容量不会太大，因此锁环式同步器主要应用于轻型车中，如轿车、轻型客车、轻型货车等。锁环式同步器的花键毅上开有三个凹槽，其中放有可以沿凹槽移动的滑块。滑块由两个弹簧圈压向接合套，滑块输出的凸起正好抵在接合套的内环槽内。锁环上相应有三个缺口，三个滑块的两端伸入锁环的缺口中。锁环的缺口比滑块的宽度大一个花键齿宽。换档时接合套在换档力的推动下带动滑块将锁环压向接合齿圈摩擦锥面。由于同步器输入端输出端存在转速差，因此摩擦锥面间产生的同步摩擦力矩会使锁环相对于接合套转过一个角度，直到滑块的一端与锁环缺口的一边接触定位。此时接合套花键齿锁止面与锁环花键齿锁止面相互压紧产生拨环力矩。此时拨环力矩小于同步摩擦力矩，当同步器输入端输出端转速一致时同步摩擦力矩消失，锁环在拨环力矩的作用下相对于接合套转过一个角度，接合套在换档力的作用下越过锁环和接合齿圈完成同步过程。锁销式同步器的工作过程与锁环式同步器类似，但其锁止元件是三个锁销及相配的锁销孔倒角，另有三个以弹簧及钢球定位的定位销。三个弹簧和定位钢球是锁销式同步器的弹性元件，它们安在接合套的孔中，从而在空档时使接合套处于输出位置。与锁销铆接在一起的锥环和与之对应的待接合齿轮上的锥面为锁销式同步器的摩擦元件。锁销式同步器的摩擦锥面半径较大，因此其同步容量较锁环式同步器大得多，故广泛应用于中型及重型汽车上。13国内外研究现状随着对变速器研究的逐渐深入，作为手动变速器重要组成部分的同步器也受到国内外众多汽车工程师的关注，对同步器性能的研究逐渐增多。国外同步器的研究概况同步器最早起源于国外，在二十世纪二十年代后半期就开始应用于汽车变速器中，然而对同步器进行系统地研究只是从近三十年来开始的，特别是从计算机技术在工程中广泛应用以来，工程师将计算机仿真技术引入到同步器研究中，结合传统的设计计算方法，对同步器的性能进行仿真优化设计。日本柴油机公司的等人通过研究一款用于重型货车的变速器同步器，将该同步器的工作过程分解为六个步骤接合套开始运动、接合套滑过定位销、花键毅靠滑块带动锁环、花键毅和接合齿圈同步旋转、接合套与锁环接合以及接合套与接合齿圈接合。他们依据该同步器的工作步骤运用虚拟样机分析软件建立动力学模型，分析同步器在不同换档速度和摩擦系数时同步器接合套所受到的反力，而这很难通过实验的方法得到。法国的切等人对叭式同步器的工作过程研乘用车变速器同步器设计7究后，将其工作过程分解为八个阶段，分别为第一次自转阶段、角速度同步开始阶段、角速度同步阶段、拨动锁环阶段、第二次自转阶段、二次冲击阶段、拨动接合齿圈阶段和最后自转阶段，并运用经典力学、摩擦学和热力学理论对这八个阶段分别进行描述分析，并建立同步器的数值仿真模型，并将仿真结果与实验数据进行对比，最后还对二次冲击现象进行了研究。国内同步器的研究概况我国国内的同步器技术大部分来自于对国外同步器技术的消化吸收，虽然有天海汽车同步器公司等一批专门生产同步器的专业企业，但对同步器的研究相比国外仍然比较滞后。目前，国内对同步器的研究主要集中在搭建变速器和同步器的试验台间接或直接对同步器的性能进行研究，而对影响同步器工作性能的深层次生成机理缺乏研究。在全球信息化的今天探究设计同步器的现代化新方法具有比较实际的意义，因此对同步器进行深入细致的研究，掌握同步器设计制造的核心技术迫在眉睫。同步器发展仅有数十年的历史。自1912年奥地利的HUMOHRIES提出了采用摩擦式同步器之后，直到1926年才装到美国凯迪莱克汽车上。从此之后使用范围不断扩大，到目前为止凡是手动机械式汽车变速器都使用了同步器。同步器自问世以来，结构在不断变化，工作性能也在日趋完善。近些年来国外在同步器研究、设计、制造方面发展很快。我们在自主研发、制造与国外相比还存在很大差距，同步器的性能和可靠性还不能满足使用要求。因此我们要加强同步器方面的研究，缩小差距，力争赶超和超过国外先进水平。在同步器产品的研发过程中，国外企业往往己经积累了大量的试验数据和经验，并充分应用现代计算机辅助设计工具和方法，如利用计算机辅助设计软件UG，PRONE，CATIA等、有限元分析软件ANSYS，NASTRA等和多体动力学分析软件ADAMS等。一些公司还结合试验数据和经验，根据实际研发需要对软件进行二次开发，大大提高了产品研发设计水平，缩短了产品开发周期，节省了研发成本。美国EATON公司研发出自增力式同步器，提高了换挡效率，并延长了零部件的使用寿命。德国采埃孚公司为重型商用车配套的ECOMID和ECOSPLIT系列变速器均使用新型同步器。ZF公司生产的同步器以锁环式为主，采用钢基喷铝同步环，具有稳定的摩擦性能。德国GETARG开发出四锥面同步器，该同步器己进行装配和试验。日本生产商也有类似的研发工作。同步器性能仍然是研究的一个焦点。OTTMARBACK乘用车变速器同步器设计8探讨了同步器效率改进的潜在可能性和途径。DANDGE的研究关注于同步器的可靠性，研究了影响同步器可靠性各种因素，包括驾驶员的不当操作，其目的是在保证同步器结构不变的情况下，通过优化结构参数使同步器的性能到达最佳。同步器新产品研发是研究的另一个焦点，包括新结构和新原理的构思。AMITSANDOOJA和ROHITKUNAL介绍了不对称齿同步器，通用汽车公司开发出一种新型同步器组件，KENICHI等人开发了一种新型杠杆同步器。这方面的研究非常具有创新性，但是可能消耗的人力和财力都比较大，开发周期也较长。理论研究是国外高等院校擅长的研究方法，运用各种数学、力学、摩擦学和热力学等理论，对同步器工作过程进行数学描述，建立同步器的数值仿真模型，并将仿真结果与实验数据进行对比。JKIM等人建立了一个换挡操纵时驾驶员感受的轴向力数值仿真器，通过将同步器运动过程分解为7个步骤，假设接合套与接合齿圈之间为线性弹簧作用，并假定驾驶员操作模式，得到换挡操纵过程的动力学模型。14设计的主要内容变速器的作用表现位改变汽车的传动比，扩大驱动车轮转矩和转速的范围，是车辆适应各种变化的工况，同时使发动机在最理想的工况（动力性教高且经济性较好）下工作；在发动机转矩方向不变的情况下，实现汽车的倒退行驶；实现空挡，中断发动机传递给车轮的动力，以便发动机能够启动，怠速。由此可见，变速器的存在具有必然性，随着科技的告诉发展，人们对汽车的性能要求越来越高，汽车的性能，使用寿命，能源消耗，震动噪声等在很大程度上取决于变速器的性能，因此必须重视对变速器的研究。按传动比的变化方式划分，变速器可分为有级式，无级式，综合式3种；按操纵方式划分，可分为强制操纵式，自动操纵式和半自动操纵式3种。近年来，随着车辆技术的进步和车辆密度的加大，对变速的性能要求也越来越高。众多的汽车工程师在改进汽车变速器的性能的研究中倾注了大量的心血，使变速器得到飞速的发展。随着城市车辆密度的加大，自动变速器已逐渐成为汽车的必备装备，而不仅仅是豪华的标志。因为有了自动变速器，改变车速变得轻松自如，角度变化而实现传动比的连续而且不必频繁地踩踏板。如今，几乎所有的现代汽车厂家都生产配备自动变速器的汽车，原因之一是自动变速器可以帮助发动机降低对环境的污染。自动变速器可实现最佳转速比，即使发动机低速运转，也能保障车辆随驾驶者的意愿正常行驶，油耗降低了，污染也就受到控制。虽然自动变速器不断地演变进步，但始终有缺点，即车速乘用车变速器同步器设计9的反应与踏板的动作之间总有一定的差距，驾驶中缺乏直觉的印象。近年，保时捷公司又发明了一种“手控自动变速器”，凭靠一组复杂的电子装置，可以使驾车者在自动与手动变速之间任意选择。例如，在市内行驶时，由于需要频繁地变换速度，使用自动变速器便显得非常方便；而一旦来到高速公路或其它开阔的地方，则又可将自动变速的功能关掉，转为由手控制，以此来领略驾车中的多种乐趣。这一点已逐渐成为高档车的特性。设计过程中，充分了解变速箱的机构特点，并对变速箱使用条件、工况等进行了详细的了解，掌握第一手资料，并为设计打下坚定的基础。本设计采用首先对手动变速器结构形式等进行了分析，主要是对变速器的工作原理做了阐述，并分析了同步器的主要类型，再次基础上对同步器结构进行了设计计算和分析。对同步器的主要结构进行设计分析，主要对换挡股、同步齿圈等进行了设计计算，并对同步器使用三维软件进行了三维造型设计。具体要完成的内容包括（1）检索查阅文献资料，市场调研，了解同步器的研究开发与使用情况。（2）进行同步器的结构方案分析，确定该型汽车变速器同步器的结构型式。（3）根据功能要求，进行同步器的总体布置设计；根据性能要求，分析确定同步环的锁止角、摩擦锥角、作用力的平均作用半径等性能结构参数，并进行相关的性能分析计算。（4）根据同步器总体布置设计的结果及零件的功能与性能要求，进行同步器零件的图纸设计。（5）根据同步器零件图，绘制同步器装配图。（6）编写设计计算说明书，完成毕业设计（论文）。14本章小结本章重点对同步器的研究背景、目前的研究现状以及设计的主要内容等进行了分析了解。乘用车变速器同步器设计10第2章变速器总体设计21总体方案设计211汽车参数的选择前置前驱布置方式；L416L汽油发动机，发动机最大功率78KW；最大功率转速6000RPM；最大扭矩146NM；最大扭矩转速3600RPM；5档手动变速箱；整备质量1300KG；轮胎规格185/60R14；轴距2400MM；轮距1400MM；最高车速172KM/H0100KM/H加速时间128S；综合油耗72L；制动距离40M（100KM/H）；换挡方式所有前进挡均为同步器换挡；212变速器设计应满足的基本要求对变速器如下基本要求1保证汽车有必要的动力性和经济性。2设置空挡，用来切断发动机动力向驱动轮的传输。3设置倒档，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换挡迅速，省力，方便。6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发生。7变速器应当有高的工作效率。除此以外，变速器还应当满足轮廓尺寸和质量小，制造成本低，维修方便等要求。满足汽车有必要的动力性和经济性指标，这与变速器的档数，传动比范围和各挡传动比有关。汽车工作的道路条件越复杂，比功率越小，变速器的传动比范围越大。此次设计变速器是驱动形式属于发动机前置前轮驱动，且可布置变速器的空间较小，对变速器的要求较高，要求运行噪声小，设计车速高，故选用二轴式变速器作为传动方案。选择5档变速器，并且五档为超速档。大体结构可参考如图21所示的结构。乘用车变速器同步器设计11图21发动机前置前轮驱动布置示意图常见的倒档布置方案如图22所示。图22B方案的优点是倒档利用了一档齿轮，缩短了输出轴的长度。但换档时有两对齿轮同时进入啮合，使换档困难；图22C方案能获得较大的倒档传动比，缺点是换档程序不合理；图22D方案对22C的缺点做了修改；图22E所示方案是将一、倒档齿轮做成一体，将其齿宽加长；图22F所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合的齿轮，换档换更为轻便。图22倒档的布置方案综合考虑以上因素，为了换档轻便，减小噪声，倒档传动采用图22F所示方案。22各档传动比的确定（1）主减速器传动比的确定发动机转速与汽车行驶速度之间的关系式为乘用车变速器同步器设计12（21）037IRNUGA式中汽车行驶速度（KM/H）；AU发动机转速（R/MIN）；N车轮滚动半径（M）；R变速器传动比；GI主减速器传动比。0由上文可知最高车速172KM/H；最高档为超速档，传动比085；MAXUV5GI车轮滚动半径由所选用的轮胎规格185/60R14，得到2888（MM）；发动机转速RN6000（R/MIN）；由公式（21）得到主减速器传动比计算公式PN45370AGUINRI（2）最低档传动比计算按最大爬坡度设计，满足最大通过能力条件，即用一档通过要求的最大坡道角坡道时，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MAX阻力忽略不计）。用公式表示如下（22）MAXMAX0MAXSINCOGFRITTGE式中G车辆总重量（N）；坡道面滚动阻力系数（对沥青路面001002）；F发动机最大扭矩（NM）；MAXET主减速器传动比；0I变速器传动比；G为传动效率（08509）；TR车轮滚动半径；最大爬坡度（一般轿车要求能爬上30的坡，大约）MAX716乘用车变速器同步器设计13由公式（22）得（23）TEGITRGI0MAXAX1SNCO已知M1712KG；R02888M；NM；02F716146MAXET；G98M/S2；，把以上数据代入（43）式450I8T1328045168076SIN92COS917GI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NTGEFRIT10MAX（24）TENGII0MAX1式中驱动轮的地面法向反力，；NFGFN1驱动轮与地面间的附着系数；对混凝土或沥青路面可取0506之间。已知KG；取06，把数据代入（24）式得NM2489012938045169GI同时也应该满足汽车最低稳定车速的要求，则有1GIMINAU（25）I1IN0137REGAFIMI1IN0143REGAFIU所以，一档转动比的选择范围是871GI初选一档传动比为38。（3）各档传动比的选定乘用车变速器同步器设计14变速器的档传动比应根据上述条件确定。变速器的最高档一般为直接档，有时用超速挡，在本设计中最高档即为超速挡。输出档的传动比理论上按公比为（其中N为档位数）的几何级数排列，实际上与理论值略有出入，MAX11INNGGIQ因齿数为整数且常用档位间的公比宜小些，另外还要考虑与发动机参数的合理匹配，初步确定的传动比分别为38，2147，1512，1065，085。（4）中心距的选择初选中心距可根据经验公式计算1（26）31MAXGEAITK式中变速器中心距（MM）；A中心距系数，乘用车8998；KA发动机最大输出转距为146（NM）；MAXET变速器一档传动比为38；1I变速器传动效率，取96。G（8993）（8998）81017183794MMA3960814轿车变速器的中心距在6080MM范围内变化。初取A78MM。（5）变速器的外形尺寸变速器壳体的尺寸要尽可能小，同时质量也要小，并具有足够的刚度，用来保证轴和轴承工作时不会歪斜。变速器横向断面尺寸应保证能布置下齿轮，而且设计时还应当注意到壳体侧面的内壁与转动齿轮齿顶之间留有58MM的间隙，否则由于增加了润滑油的液压阻力，会导致产生噪声和使变速器过热。齿轮齿顶到变速器底部之间要留有不小于15MM的间隙。为了加强变速器壳体的刚度，在壳体上应设计有加强肋。加强肋的方向与轴支承处的作用力方向有关。变速器壳壁不应该有不利于吸收齿轮振动和噪声的大平面。采用压铸铝合金壳体时，可以设计一些三角形的交叉肋条，用来增加壳体刚度和降低总成噪声。为了注油和放油，在变速器壳体上设计有注油孔和放油孔。注油孔位置应设计在润滑油所在平面处，同时利用它作为检查油面高度的检查孔。放油孔应设计在壳体的最低处。放油镙塞采用永久磁性镙塞，可以吸住存留于润滑油内的金属颗粒。为了使乘用车变速器同步器设计15从第一轴或第二轴后支承的轴承间隙处流出的润滑油再流回变速器壳体内，常在变速器壳体前或后端面的两轴承孔之间开设回油孔。为了保持变速器内部为大气压力，在变速器顶部装有通气塞。为了减小质量，变速器壳体采用压铸铝合金铸造时，壁后取354MM。采用铸铁壳体时，壁厚取56MM。增加变速器壳体壁厚，虽然能提高壳体的刚度和强度，但会使质量加大，并使消耗的材料增加，提高了成本。变速器的横向外形尺寸，可以根据齿轮直径以及倒档输出齿轮和换档机构的布置初步确定。影响变速器壳体轴向尺寸的因素有档数、换档机构形式以及齿轮形式。乘用车变速器壳体的轴向尺寸可参考下列公式选用26578430430ALMM初选长度为255MM。23齿轮参数的选择（1）模数选取齿轮模数时一般要遵守的原则是为了减少噪声应合理减小模数，同时增加齿宽；为使质量小些，应该增加模数，同时减少齿宽；从工艺方面考虑，各档齿轮应该选用一种模数；从强度方面考虑，各档齿轮应有不同的模数。对于轿车，减少工作噪声较为重要，因此模数应选得小些；对于货车，减小质量比减小噪声更重要，因此模数应选得大些；变速器抵挡齿轮应该选用大些的模数，其它档位的齿轮选用另一种模数。在少数情况下，汽车变速器的各档齿轮均选用相同模数。表21汽车变速器齿轮的法向模数乘用车的发动机排量V/L货车的最大总质量/TAM车型1014模数/MMNM225275275300350450450600轿车模数的选取以发动机排量作为依据，由表22选取各档模数为左右，752NM由于轿车对降低噪声和振动的水平要求较高，所以各档均采用斜齿轮。（2）压力角压力角较小时，重合度较大，传动平稳，噪声较低；压力角较大时，可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。乘用车变速器同步器设计16对于轿车，为了降低噪声，应选用145、15、16、165等小些的压力角。对货车，为提高齿轮强度，应选用225或25等大些的压力角。国家规定的标准压力角为20，所以普遍采用的压力角为20。啮合套或同步器的压力角有20、25、30等，普遍采用30压力角。另外还应该指出，国外有些企业生产的乘用车变速器齿轮采用的压力角不一致，即高档齿轮采用小些的压力角以减少噪声；而低档和倒档齿轮采用较大的压力角，以增加强度。必须指出的是齿轮采用小压力角和小模数时，除必须采用较大的齿顶高系数外，还应该采用大圆弧齿根，这样可以提高弯曲强度在30以上。（3）螺旋角齿轮的螺旋角对齿轮工作噪声、轮齿的强度和轴向力有影响。选用大些的螺旋角时，使齿轮啮合的重合度增加，因而工作平稳、噪声降低。试验证明，随着螺旋角的增大，齿的强度相应提高，但当螺旋角大于30时，其抗弯强度骤然下降，而接触强度仍继续上升。因此，从提高低档齿轮的抗弯强度出发，并不希望用过大的螺旋角；而从提高高档齿轮的接触强度着眼，应当选用较大的螺旋角。（4）齿宽B齿宽对变速器的轴向尺寸、质量、齿轮工作平稳性、齿轮强度和齿轮工作时的受力均匀程度等均有影响。考虑到尽可能缩短变速器的轴向尺寸和减小质量，应该选用较小的齿宽。另一方面，齿宽减小使斜齿轮传动平稳的优点被削弱，此时虽然可以用增加齿轮螺旋角的方法给予补偿，但这时轴承承受的轴向力增大，使其寿命降低。齿宽较小又会使齿轮的工作应力增加。选用较大的齿宽，工作中会因轴的变形导致齿轮倾斜，使齿轮沿齿宽方向受力不均匀造成偏载，导致承载能力降低，并在齿宽方向磨损不均匀。通常根据齿轮模数的大小来选定齿宽NM斜齿，取为6085。NCKBC（5）齿顶高系数齿顶高系数对重合度、轮齿强度、工作噪声、轮齿相对滑动速度、轮齿根切和齿顶厚度等有影响。若齿顶高系数小，则齿轮重合度小，工作噪声大；但因轮齿受到的弯矩减小，轮齿的弯曲应力也减少。因此，从前因齿轮加工精度不高，并认为轮齿上受到的载荷集中齿顶上，所以曾采用过齿顶高系数为075080的短齿制齿轮。在齿轮加工精度提高以后，包括我国在内，规定齿顶高系数取为100。为了增加乘用车变速器同步器设计17齿轮啮合的重合度，降低噪声和提高齿根强度，有些变速器采用齿顶高系数大与100的细高齿。24各档齿轮齿数的分配以及传动比的计算在初选中心距、齿轮模数和螺旋角以后，可根据变速器的档数、传动比和传动方案来分配各档齿轮的齿数。应该注意的是，各档齿轮的齿数比应该尽可能不是整数，以使齿面磨损均匀。（1）一档齿数及传动比的确定一档传动比为43253COS782COS2HNNHZMAZ取整得43。轿车取9，则。则一档传动比为1Z427891ZI（2）对中心距A进行修正（27）COS2HNZMA08543取整得MM，为标准中心矩。80A0941802COS21AZMHN4（3）二档齿数及传动比的确定342ZICOS40MAN乘用车变速器同步器设计18已知80MM，2147，275，；将数据代入上两式，齿数取0A2INM2整得，所以二档传动比为173Z364Z18273642ZI9405COS43AMHN243（4）计算三档齿轮齿数及传动比563ZICOS260MAN已知80MM，1512，25，；将数据代入上两式，齿数取整0A3IN4得，所以三档传动比为25Z46Z3612563ZI9208COS65AMHN52365（5）计算四档齿轮齿数及传动比784ZICOS280ZMAN已知80MM，1065，2，；将数据代入上两式，齿数取整0A4IN47得，所以四档传动比为357Z8Z乘用车变速器同步器设计190291345784ZI6COS87AMHN3278（6）计算五档齿轮齿数及传动比9105ZICOS2100MAN已知80MM，075，175，；将数据代入上两式，齿数取整0A5IN得，所以五档传动比为439Z61Z8370649105ZI9125COS109AMHN6109（7）计算倒档齿轮齿数及传动比则倒档传动比713RI输入轴与倒档轴之间的距离MM0654COS21ZMAN输出轴与倒档轴之间的距离MM79123ZN（8）计算各档齿轮变位系数一档法面模数乘用车变速器同步器设计2035NM端面模数383TCOSN12453法面压力角25N端面压力角ARCTG274TCOSNTG124COS5TGAR理论中心距A3838234MM21ZTM39中心距变动系数06109TYT/834200610900284ZA/T21Z4则总变位系数06670X根据齿数比3777，按线图分配变位系数得02，则1U9341X0667002086702X1二档法面模数275NM端面模数303MMTCOSN257法面压力角20N乘用车变速器同步器设计21端面压力角ARCTG2152TCOSNTG25COS0TGAR理论中心距A30380295MM243ZTM3617中心距变动系数00973TYT/03295800973000367ZA/T43Z总变位系数01462X根据齿数比2118，按线图分配变位系数得02134，则2U17363X0146202134035964X3按上述方法同理可算出三档00198，02984；四档56X05902，06013；7X8X五档09325，10282910X表22斜齿圆柱齿轮的几何尺寸MM1Z23Z45Z67Z89Z10端面模数384383303303274274225225195195端面压力角271271218218217217223218220220螺旋角24112411252523582358273027302626乘用车变速器同步器设计22分度圆直径34513045161092684930766772701837齿顶高4045031133301754252917333008378930423209齿根高3675741028514427307538711319017905560388齿全高77277261816181560456044327396835983598齿顶圆直径42613115821127734965827848761901中心距8080808080基圆直径30711614791013635864709716649776变位系数02086700213403596001980298405902060130932510282乘用车变速器同步器设计23第3章同步器设计同步器是车辆换挡的重要部分，保证在换挡过程中平顺，不会出现冲击，提高了车辆操控感受。31同步器类型同步器有常压式、惯性式和惯性增力式三种。常压式同步器结构虽然简单，但有不能保证啮合件在同步状态下（即角速度相等）换档的缺点，现已不用。得到广泛应用的是惯性式同步器。按结构分，惯性式同步器有锁销式、滑块式、锁环式、多片式和多锥式几种。虽然它们结构不同，但是它们都有摩擦元件、锁止元件和弹性元件。考虑到本设计为轿车变速器，故选用锁环式同步器。1、惯性式同步器惯性式同步器能做到换档时，在两换档元件之间的角速度达到完全相等之前不允许换档，因而能很好地完成同步器的功能和实现对同步器的基本要求。A、锁环式同步器结构如图31所示，锁环式同步器的结构特点是同步器的摩擦元件位于锁环1或4和齿轮5或8凸肩部分的锥形斜面上。作为锁止元件是在锁环1或4上的齿和做在啮合套7上齿的端部，且端部均为斜面称为锁止面。在不换档的输出位置，滑块凸起部分嵌入啮合套中部的内环槽中，使同步器用来换档的零件保持在中立位置上。滑块两端伸入锁环缺口内，而缺口的尺寸要比滑块宽一个接合齿。1、4锁环（同步环）；2滑块；3弹簧圈5、8齿轮；6啮合套座；7啮合套图31锁环式同步器乘用车变速器同步器设计24B、锁环式同步器工作原理（A）同步器锁止位置（B）同步器换档位置1、锁环；2、啮合套；3、啮合套上的接合套；4、滑块图32锁环式同步器的工作原理换档时，沿轴向作用在啮合套上的换档力，推啮合套并带动滑块和锁环移动，直至锁环面与被接合齿轮上的锥面接触为止。之后，因作用在锥面上的法向力与两锥面之间存在速度差，致使在锥面上作用有摩擦力矩，它使锁环相对啮合套和滑块转W过一个角度，并由滑块予以确定。接下来，啮合套的齿端与锁环齿端的锁止面接触（图32A），使啮合套的移动受阻，同步器处于锁止状态。换档力将锁环继续压靠在锥面上，并使摩擦力矩增大，与此同时在锁止面处作用有与之方向相反的拨环力矩。齿轮与锁环的角速度逐渐接近，在角速度相等的瞬间，同步过程结束。之后，摩擦力矩随之消失，而拨环力矩使锁环回位，两锁止面分开，同步器解除锁止状态，啮合套上的接合齿在换档力作用下通过锁环去与齿轮上的接合齿啮合（图32B），完成同步换档。锁环式同步器有工作可靠、零件耐用等优点，但因结构布置上的限制，转矩容量不大，而且由于锁止面在锁环的接合齿上，会因齿端磨损而失效，因而主要用于乘用车和总质量不大的货车变速器中。C、锁环式同步器主要尺寸的确定1、接近尺寸B同步器换档第一阶段输出，在摩擦锥环侧面压在摩擦锥盘侧边的同时，且啮合套相对锁销作轴向移动前，滑动齿套接合齿与锥环接合齿倒角之间的轴向距离，称为B接近尺寸。尺寸应大于零，取0203MM。本设计取为02。BB2、分度尺寸A锁销中部倒角与销孔的倒角互相抵触时，滑动齿套接合齿与摩擦锥环接合齿中心乘用车变速器同步器设计25线间的距离，称为分度尺寸。尺寸应等于1/4接合齿齿距。尺寸和是保证同AAAB步器处于正确啮合锁止位置的重要尺寸，应予以控制。3、锁销端隙1锁销端隙系指锁销端面与摩擦锥环端面之间的间隙，同时，滑动齿套端面与摩擦锥环端面之间的间隙为，要求。若，则换档时，在摩擦锥面尚未22121接触时，滑动齿套接合齿的锁止面已位于接触位置，即接近尺寸0，此刻因摩擦B锥环浮动，摩擦面处无摩擦力矩作用，致使同步器失去锁止作用。为保证0，应使，通常取05MM左右，本次取05MM。2111摩擦锥环端面与齿轮接合齿端面应留有间隙，并可称之为后备行程。3预留后备行程的原因是摩擦锥环的摩擦锥面会因摩擦而磨损，在换档时，摩擦3锥环要向齿轮方向增加少量移动。随着磨损的增加，这种移动量也逐渐增多，导致间隙逐渐减少，直至为零；此后，两摩擦锥面间会在这种状态下出现间隙和失去摩擦3力矩。而此刻，若摩擦锥环上的摩擦锥面还未达到许用磨损的范围，同步器也会因失去摩擦力矩而不能实现摩擦锥环等零件与齿轮同步后换档，故属于因设计不当而影响同步器寿命。一般应取1220MM，取为16MM。在空档位置，摩擦锥环锥面的3轴向间隙应保持在0205MM。32同步器主要参数的确定321摩擦因数F汽车在行驶过程中换档，特别是在高档区换档次数较多，意味着同步器工作频繁。同步器是在同步环与连接齿轮之间存在角速度差的条件下工作，要求同步环有足够的使用寿命，应当选用耐磨性能良好的材料。为了获得较大的摩擦力矩，又要求用摩擦因数大而且性能稳定的材料制作同步环。另一方面，同步器在油中工作，使摩擦因数减小，这就为设计工作带来困难。摩擦因数除与选用的材料有关外，还与工作面的表面粗糙度、润滑油种类和温度等因数有关。作为与同步环锥面接触的齿轮上的锥面部分与齿轮做成一体，用低碳合金钢制成。对锥面的表面粗糙度要求较高，用来保证在使用过程中摩擦因数变化小。若锥面的表面粗糙度值大，则在使用初期容易损害同步环锥面。乘用车变速器同步器设计26同步环常选用能保证具有足够高的强度和硬度、耐磨性能良好的黄铜合金制造，如锰黄铜、铝黄铜和锡黄铜等。由黄铜合金与钢材构成的摩擦副，在油中工作的摩擦因数取为01。F摩擦因数对换档齿轮和轴的角速度能迅速达到相同有重要作用。摩擦因数大，F则换档省力或缩短同步时间；摩擦因数小则反之，甚至失去同步作用。为此，在同步环锥面处制有破坏油膜的细牙螺纹槽及与螺纹槽垂直的泄油槽，用来保证摩擦面之间有足够的摩擦因数。322同步环主要尺寸的确定（1）锥面半锥角摩擦锥面半锥角越小，摩擦力矩越大。但过小则摩擦锥面将产生自锁现象，避免自锁的条件是。一般取68。6时，摩擦力矩较大，但在锥面FTAN的表面粗糙度控制不严时，则有粘着和咬住的倾向；在7市就很少出现咬住现象。本设计取7。（2）摩擦锥面平均半径R设计得越大，则摩擦力矩越大。往往受结构限制，包括变速器中心距及相关R零件的尺寸和布置的限制，以及取大以后还会影响同步器径向厚度尺寸要取小的约束，故不能取大。原则上是在可能的条件下，尽可能将取大些。R（3）锥面工作长度B缩短锥面长度，可使变速器的轴向长度缩短，但同时也减小了锥面的工作面积，增加了单位压力并使磨损加速。（4）同步环径向厚度与摩擦锥面平均半径一样，同步环的径向厚度受结构布置上的限制，包括变速器中心距及相关零件特别是锥面平均半径和布置上的限制，不易取得很厚，但必须保R证同步环有足够的强度。乘用车同步环厚度比货车小些，应选用锻件或精密锻造工艺加工制成，这能提高材料的屈服强度和疲劳寿命。锻造时选用锰黄铜等材料，铸造时选用铝黄铜等材料。有的变速器用高强度、高耐磨性的钢与钼配合的摩擦副，即在钢质或球墨铸铁同步环的锥面上喷镀一层钼（厚约0305），使其摩擦因数在钢与铜合金的摩擦副范围内，而耐磨性和强度有显著提高。也有的同步环是在铜环基体的锥孔表面喷上厚007012MM的钼制成。喷钼环的寿命是铜环的23倍。以钢质为基体的同步环不仅可以节约铜，还可以提高同步环的强度。乘用车变速器同步器设计27323锁止角锁止角选取得正确，可以保证只有在换档的两个部分之间角速度差达到零值才能进行换档。影响锁止角选取的因素，主要有摩擦因数、摩擦锥面平均半径、FR锁止面平均半径和锥面半锥角。已有结构的锁止角在2642。33三、四档同步器参数确定本次设计的变速器的结构形式如图所示，三、四档同步器连接的是齿轮6、齿轮8，具体结构参数已经在第二章进行了计算，同步器的相关参数根据轴的直径和齿轮的齿轮等选定，最终确定的同步器的相关参数如表31所示。（B）结构原理图图33变速器结构图表31三、四档参数主要参数三档四档传动比15121065摩擦锥面角77锥面摩擦半径60MM60MM锥面摩擦系数0101同步环宽度62MM62MM锁止角4242乘用车变速器同步器设计28第4章同步器性能性能分析校核同步器性能的好坏完全取决于F和T这两个参数。设计要求换档轻便，同步时间在05秒以内，而换档力又不宜过大，从同步器基本方程不难看TRFJCA1SIN出，在其他参数一定时F和T成反比。所以需要系统分析同步器的主要转动惯量、转速等相关特性参数41转动惯量及其转换411转动惯量计算方法变速器内每一个转动零件的物理特征是转动惯量，它通常是用扭摆法求得，具体计算公式如下所示24TJ式中T摆动周期（S）金属丝常数（扭角按扭矩给定）假如零件还未制成，通常是把零件分解成标准的几何体，并用数学法合成求出转动惯量。对于圆柱体盘式零件的转动惯量公式为实心LDGGDQJ4232/8/空心LDDD22式中Q零件重量（KG）L零件厚度（M）D零件外径（M）材料比重（钢KG/M3）10785D零件内径（M）G重力加速度（98M/S2）以前提及，换档过程中依靠同步器改变转速的零件统称为同步器的输入端零件，在定轴式变速器结构中，它包括离合器从动片、一轴、输出轴、与输出轴齿轮啮合的二轴上的齿轮。它的转动惯量计算是先求得相关零件的转动惯量，然后再按不同的档位转换到被同步的零件上去。转换公式为2IJJR式中转换转动惯量（）RJ2SMKGF乘用车变速器同步器设计29各零件的转动惯量（）JJ2SMKGF被动齿轮齿数主动齿轮齿数I总转动惯量RJJJ412转动惯量的计算由于齿轮等零件是非圆柱形状的零件，计算转动惯量很困难，本次设计借助三维制图软件得到各个齿轮的转动惯量如下离合器盘125000输入轴127532MKG2MKG主一齿10
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