汽车设计讲稿-第三章机械式变速器设计

1、第三章 机械式变速器设计3-1概述一、功用：1、改变发动机传递的转矩和转速，使汽车得到不同的牵引力和速度, 使发动机在最有利的工况范围工作2、(滑行或停车时使发动机和传动系)分离3、改变方向4、动力输出二、设计要求：1、保证汽车动力性和经济性-档数正确，传动比范围和各档传动比大小合理。2、有空档。用来切断发动机动力驱动轮的传输。3、有倒档。4、有动力输出装置。5、换档迅速轻便。6、工作可靠。标准：行驶中无跳档、乱档及换档冲击。7、高，应尽可能设直接档 (直接档i=1, 但i=1不一定是直接档。i=1，两轴，不是直接档；三轴，是直接档)8、噪声低三、分类： 1、按档数：三、四、五、多2、按轴：

2、1）固定轴式（应用广泛）：两、中间、双中间、多中间 2）旋转轴式（用于液力机械变速器，易实现换档自动化）3-2变速器传动机构布置方案一、传动机构布置方案分析1、固定轴式变速器 1）两轴式 (多用于前置前驱动乘用车，为什么？)A、图例讲解：就图3-1 a）为例a、符号表示：输入输出、 拨叉、常啮合齿轮、啮合套、同步器、配合方式（固定、滑动套）b、换档方式、各档传递路线（高速档和低速档）c、倒档实现：直齿滑动心轴，插入中间齿轮：B、特点：a、只有两个轴（倒档不算）, 输出轴与主减速器主动齿轮做成一体（乘用车发动机纵置用圆锥，横置用圆柱）b、无直接档c、各前进档均只经一对齿轮传动，一挡速比不可能很大

3、d、除倒档以外，共他档均用常啮合齿轮传动e、同步器多数装在输出轴上（同一档主动齿轮尺寸小）2）中间轴式：就图3-2a)分析特点：a、有三根轴（倒档不算）。 第一轴前经轴承支飞轮，后与主动齿轮成一体；第二轴前经轴承支第一轴后端孔内，后与万向节联；中间轴。b、第一、二轴在同一直线上，可布置直接档齿轮、轴承不受载，磨损，噪声；c、除直接档外，其他档均经两对齿轮传递。当中心距A不太大时，速比i可取大值d、除倒档以外，共他档不一定用常啮合齿轮传动e、同步器多数装在输出轴上（同一档主动齿轮尺寸小）3）比较：两轴式中间轴式轴数两三结构简单复杂中间档噪声小大中间档高低速比范围小大有无直接档无有高档噪声大（因齿

4、轮、轴承均承载）小2、倒档布置1）传动方案：直齿滑动 a）传动路线中加入中间传动齿轮；简单，但中间传动齿轮是在最不利的正、负交替对称变化的弯曲应力状态下工作。图32b） b）联体齿轮方案：在较为有利的单向循环弯曲应力状态下工作，使倒档传动比略为增加2）布置方案（图3-5）a）常见，在中间轴和第二轴中加入中间传动齿轮b）可利用中间轴一档齿轮，缩短中间轴尺度，但换档时两对齿轮须同时啮合，换档困难；联体齿轮是在较为有利的单向循环弯曲应力状态下工作c）可获得较大传动比，但换档程序不合理；d）对c）缺点进行修改，获较大传动比，但换档程序不合理；e）中间轴的一、倒档齿轮成一体，齿宽加大，缩短尺度；f）全部

5、齿轮副均为常啮合，换档轻便； g）缩短了变速器轴向长度；缺：一、倒档各用一根变速器拨叉轴操纵机构复杂3）低倒档的布置特点：一档、倒档工作时齿轮上有较大的力。a）两轴和中间轴变速器的低档，布置在靠近轴的后支承处，然后接照从低档到高档顺序布置各档位齿轮，（变速器低档工作作用较大的力，轴变形大，齿轮重合度下降，即使轴有足够大刚度，又容易装配）。b）倒档的传动比与一档接近，但作用时间短，常将一档布置后再布置倒档。c）图3-1 c将倒档布置在附加壳体内, 一档布置在壳体另一侧, 较好解决两传动比大的挡位都靠近支承。4）换档方案 为防止意外挂入倒档, 设一弹簧力来提醒, 图3-6 a）、b）的换档方案比c

6、）好3、超速档的选择：超速档: 传动比1,（0.7-0.8），使用: 好路或空车使用优: 有利于减少发动机磨损（等速度行驶时发动机曲轴转速下降），降低燃料消耗率缺: 但传动效率(比直接挡)二、零部件结构方案分析：1、齿轮型式：斜齿轮直齿轮轴向力有无接触应力小大寿命长短重合系数高低噪声低高应用广泛低档：倒档2、换档机构： 1）直齿滑动齿轮：优: 结构简单, 制造和维修容易缺:（行驶时各档齿轮角速度不同）有冲击，噪声, 易损坏，换档行程长用: 除一档、倒档外已很少用2）啮合套：优: 换档行程短;（第二轴齿轮与中间轴齿轮处于常啮合状态，可用移动啮合套换档，）因同时承受换档冲击的接合齿数多，且轮齿不参

7、与换档，轮齿不会过早损坏缺: 不能消除换档冲击用: 要求不高的档位, 重型货车变速器3）同步器：优：迅速、无冲击、无噪声地换档缺：结构复杂、制造精度要求高，轴向尺寸大用: 应用广泛3、防止自动脱档的措施：1) 将啮合齿的啮合位置错开, 两齿接触部分挤压和磨损, 端部形成凸肩，阻止脱开（图3-13）2) 将啮合齿座上前齿圈的齿厚切薄，换档后，啮合套的后端面被后齿圈的前端面顶住，减少了自动脱档（图3-14）3) 接合齿的工作面加工成斜面，形成倒锥角（一般倾斜23），使接合齿面产生阻止自动脱档的轴向力, 应用较多（图315）3、变速器轴承1）型式及布置圆柱滚子，球、滚针、圆锥滚子，滑动轴套等，按结构

8、和载荷而定。2) 布置第1轴前端支承在飞轮内，空间大，用球轴承第1轴后端支承在壳体上，用有档圈的球轴承或圆柱滚子轴承第2轴前端支承在第1轴齿轮内，空间小，常用滚针第2轴后端支承在变速器壳，空间大，用球轴承。中间轴产生轴向力，由前、后轴承承受均可，但当壳体前端面布置轴承盖有困难时，前端用圆柱滚子轴承承受径向力，后端轴承受轴向力、径向力, 用有档圈的球轴承或圆柱滚子轴承。3-3变速器主要参数的选择一、档数: 可在3-20个档数范围变化，通常在6档以下。1、影响: 增多：可改善汽车动力性、燃料经济性和平均车速且换档容易（相邻档位间传动比比值）缺：结构复杂、尺寸和质量，成本、操纵复杂 如太多,换档迅速

9、、准确困难。2、数目：乘: 4-5 (大排量乘: 5) 商: 4、5或多 (2-3.5t货:5; 4-8t货6)二、传动比范围: 指变速器最低挡传动比/最高挡传动比 1、最高挡传动比: 直接挡1.0或超速挡0.7-0.8 2、最低挡传动比: 根据如下选: 1)最大爬坡能力 2)附着力 3)主减速比 4)驱动轮滚动半径 5) 最低稳定转速 3、范围乘： 3.04.5 轻货： 5.06.0 货、大客：5.08.0 越野、牵引：1020 三、中心距A:为基本参数 对中间轴，指中间轴和第二轴之间距离 1、影响: 外形尺寸、体积、质量和轮齿接触强度1) 越小轮齿接触应力越大，齿轮寿命越短按轮齿接触应力取

10、最小允许中心距2) 从布置轴承和壳体强度应取大3) 从一档小齿轮齿数不能过小考虑取大4）如过小，变速器长度增加，轴刚度下降2、中间轴式变速器A的确定1) 按公式初选中心距： 式中: K中心距系数, 乘 K=8.9-9.3，A在60-80 mm内变化商 K=8.6-9.6，A在80-170mm内变化多档 K=9.5-11 Temax发动机最大转矩; i1 一变速器一挡传动比;g一变速器传动效率, 取96%A最好整数2) 也可按排量初选: 图3-16, 原则上，ma，A四、外形尺寸：横向：根据齿轮直径，换档机构定轴向L:（指变速器前端面和后端面间距离、长轴长度大，会共振）乘 四档 （3.03.4）

11、A商 四档 （2.22.7）A 五档 （2.73.0）A 六档 （3.23.5）A常啮合齿轮对数和同步器多时，K取上限。五、齿轮参数1、模数m1) 一般原则：A、为噪声，应模数，同时齿宽乘B、为质量应模数，齿宽货车C、工艺：各档齿数选一种模数D、强度：各档齿数有不同模数，低档应取大模。2) 范围：变速器接合齿模数（较小的模数值可使齿数增多，有利于换档）乘1.0V1.62.25-2.752-2.5乘1.6V2.52.75-3.0货6.0ma14.03.5-4.5货14.004)影响:c小, 缺:齿根厚抗弯强度优:刚度易于吸振，噪声小重合度强度、噪声5）参数c 最高档和一轴 0.20.2, 档数降

12、低 一、二档和倒档 增大 一档 可选1.0以上3-4 变速器的设计与计算（自学）3-5 同步器设计应用：近代汽车变速器，除轿车的倒档和货车的一、倒档外，其他各档都装用同步器类型：常压式：不能保证在同步状态下换档，仅在少数重型车上用惯性式：常用惯性增力式： 一、惯性式同步器 1、结构类型：锁销式、锁环式、多锥式、惯性增力式2、组成：摩擦元件：使花键齿达到并保持同步 锁止元件：保证同步换档 弹性元件：使有关部分保持中立位置（定位） （一）锁销式同步器1、结构 摩擦元件：同步环2、齿轮3凸肩 锁止元件：滑动齿套1锥形肩角、斜面锁销4 弹性元件：弹簧7 在空档位置，钢球在弹簧压力作用下处在销6的凹槽中

13、，使之保持滑动齿套与同步环之间没有相对运动，滑动齿套与同步环之间为弹性连接。2、工作原理：换挡三阶段：阶段滑动啮合，有无轴向移动摩擦力矩摩擦元件角速度差w锁止元件1有从0开始w0，而且最大从不起作用开始起作用2没有有由w0，经t后w0一直工作，直到w0为止3有消失w=0不起作用3、优缺点及应用优：零件数量少、转矩容量大 缺：轴向尺寸长、重量重 用：中、重货4、类型： 内锥式和外锥式（摩擦面不受齿轮尺寸的限制） （二）锁环式同步器 1、结构 摩擦元件：锁环1（或4）和齿轮5（或8）凸肩的锥面 锁止元件：锁环1（或4）的（外）齿和啮合套7的（内）齿，端部为斜锥面弹性元件：位于啮合套座两侧的弹簧圈在

14、不换档的中间位置，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。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。 2、工作原理 1）换档时，沿轴向作用在啮合套的换档力，推啮合套并带动滑块和锁环移动，直到锁环锥面与被接合齿轮上的锥面接触为止。由于锥面法向力的作用以及两锥面间存在角速度差，使得锥面上的作用摩擦力矩，使锁环相对啮合套和滑块转过一角度，并由滑块予以定位。接着，啮合套的齿端与锁环齿端的锁止面接触（图325a），使啮合套的移动受阻，同步器处于锁止状态。 2）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

15、。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。 3）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325b）完成同步换档。 3、优缺点及应用 优：工作可靠，零件耐用 缺：转矩容量不大，会因齿端磨损而失效 用：轿、轻货 （三）、多锥式同步器1、构造特点：锁止面仍在同步环的接合齿上，只是在原有的两个锥面之间再插入两个辅助同步锥。如图3202、优缺点及应用 优：增加两辅助同步锥，转矩容量大，热负荷低 缺：较前二者复杂 用：重型车 （四）、惯性增力式同步器：（Porshe同步器） 1、

16、构造：图331 2、原理：只要啮合套和换档齿轮间存在转速差，弹簧片的支承力就阻止同步环缩小，从而也就阻止了啮合套移动。 只有在转速差为0时，弹簧片才卸除载荷，于是对同步环直径的缩小失去阻力，这样才可能实现换档。 3、优缺点及应用 摩擦力矩大，结构简单，工作可靠，轴向尺寸短二、主要参数的确定 同步器工作频繁，应选用耐磨性能良好的材料。1、摩擦系数f1）影响因数：f随摩擦副材料，工作面粗糙度，润滑油种类和温度等有关。对锥面的表面粗糙度要求较高，以保证使用中f变化较小。若粗糙值大，初期易损害同步环锥面。2）材料：同步环材料：黄铜合金黄铜合金钢摩擦副，在油中工作时取f=0.13）作用：f大，换档省力，

17、或缩短同步时间见（3-19）f小，则相反，甚至会失去同步作用，保持较大的摩擦系数对同步器工作有利。因此在圆环的锥面上制有破坏油膜的细牙螺纹槽及与螺纹槽垂直的泄油槽。2、同步环主要尺寸1）锥面上螺纹槽：螺线顶部窄：刮油膜效果好（因过宽f随齿顶磨损降低，换档费力）；但过窄影响接触面压强磨损加快；螺纹槽可大些、用于存油；但太大螺距增大接触面磨损如图3-32尺寸2）锥面半锥角：摩擦力矩 （3-19）式中：F-作用在同步器摩擦锥面上的轴向力，R-摩擦锥面平均半径，摩擦力矩Mm2 但如tgF2 （3-21）式中，F1为由摩擦力矩Mm产生的，用来防止过早换档的力 （3-22）F2为因锁止面倾斜而产生的力F2

18、=Ftg （3-23）式中，为锁止面平均半径，为锁止面锁止角（3-22）、（3-23）代（3-21）得： 要保证锁止和滑动齿套不能继续移动，必须 （3-24） 3-6 变速器操纵机构 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：（1）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；（6）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。 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。 一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。二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。图334三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