43汽车变速器设计理论与方法

1、4.3 汽车变速箱设计理论与方法 现代汽车的动力装置，几乎都采用往复活塞式内燃机。它具有相当多的优点，如体积小，质量轻，工作可靠，使用方便等。但其性能与汽车的动力性和经济性之间存在着较大的矛盾。如在坡道上行驶时，所需的牵引力往往是发动机所能提供的牵引力的数倍。而且一般发动机如果直接与车轮相连，其输出转速换算到对应的汽车车速上，将达到现代汽车极限速度的数倍。上述发动机牵引力、转速与汽车牵引力、车速要求之间的矛盾，单靠现代汽车内燃机本身是无法解决的。因此就出现了车用变速箱和主减速器。它们的共同努力使驱动轮的扭矩增大到发动机扭矩的若干倍，同时又可使其转速减小到发动机转速的几分之一。 另外外，现代代汽

2、车的的使用条条件极为为复杂，在不同同场合下下有不同同的要求求。往往往要受到到如载运运量、道道路坡度度、路面面好坏及及交通是是否通畅畅等条件件的影响响。这就就要求汽汽车的牵牵引力和和车速能能在较大大范围内内变化，以适应应使用的的要求。在条件件良好的的平直路路面上要要能以高高速行驶驶，而在在路面不不平和有有较大坡坡度时能能提供较较大的扭扭矩。变变速箱的的多档位位选择就就能满足足这些需需求。此此外，发发动机在在不同工工况下，燃油的的消耗量量也是不不一样的的。驾驶驶员可以以根据具具体情况况，选择择变速箱箱的某一一档位，来减少少燃油的的消耗。在某些些情况下下，汽车车还需要要能倒向向行驶。发动机机本身是是

3、不可能能倒转的的，只有有靠变速速箱的倒倒档齿轮轮来实现现。在车车辆中途途暂停行行驶或 变速速箱是由由变速传传动机构构和操纵纵机构组组成。根根据前进进档数的的不同，变速箱箱有三、四、五五和多档档几种。根据轴轴的不同同类型，分为固固定轴式式和旋转转轴式两两大类。而前者者又分为为两轴式式、中间间轴式和和多中间间轴式变变速箱。4.3.1 两轴式式和三轴轴式变速速箱：现代汽车车大多数数都采用用三轴式式变速箱箱，而发发动机前前置前轮轮驱动的的轿车，若变速速箱传动动比小，则常采采用两轴轴式变速速箱。在在设计时时，究竟竟采用哪哪一种方方案，除除了汽车车总布置置的要求求外，主主要考虑虑以下四四个方面面： 结构工

4、工艺性：两轴式变变速箱输输出轴与与主减速速器主动动齿轮做做成一体体且当发发动机纵纵置时，主减速速器可用用螺旋圆圆锥齿轮轮或准双双曲面齿齿轮，而而发动机机横置时时用圆柱柱齿轮，因而简简化了制制造工艺艺。 变速箱箱的径向向尺寸：两轴式变变速箱的的前进档档均为一一对齿轮轮副，而而三轴式式变速箱箱则有两两对齿轮轮副。因因此，对对于相同同的传动动比要求求，三轴轴式变速速箱的径径向尺寸寸可以比比两轴式式变速箱箱小得多多。 变速箱箱齿轮的的寿命：两轴式变变速箱的的低档齿齿轮副，大小相相差悬殊殊，小齿齿轮工作作循环次次数比大大齿轮要要高得多多，因此此小齿轮轮寿命比比大齿轮轮短。三三轴式变变速箱的的各前进进档，

5、均均为常啮啮合斜齿齿轮传动动，大小小齿轮径径向尺寸寸相差较较小，因因此寿命命较接近近。在直直接档时时，齿轮轮只是空空转，不不影响齿齿轮的寿寿命。 变速箱箱的传动动效率：两轴式变变速箱，虽然可可以有等等于1的的传动比比，但仍仍要有一一对齿轮轮进行传传动，因因而有功功率损失失。而三三轴式变变速箱，可将输输入轴和和输出轴轴直接相相连，得得到直接接档，因因而传动动效率较较高，磨磨损小，噪声也也较小。轿车，尤尤其是微微型汽车车，采用用两轴式式变速箱箱比较多多，而中中、重型型载货汽汽车则多多采用三三轴式变变速箱。4.3.2 多中间间轴结构构：在通常的的三轴式式变速箱箱中，发发动机的的转矩由由第一轴轴传至第

6、第二轴，只经过过一根中中间轴。这种变变速箱在在装上转转矩高于于12000-113000Nm的的大功率率的柴油油机时，其齿轮轮、轴和和轴承都都要承受受很大的的载荷，这会导导致过早早被损坏坏。所以以对于一一些重型型汽车，一般采采用多中中间轴的的结构。这种变变速箱具具有2-3根中中间轴，在传递递同样转转矩的情情况下，变速箱箱齿轮的的宽度和和质量可可分别减减少400%和220%，变速箱箱的整体体质量和和轴向尺尺寸也减减少很多多。4.3.3 倒档型型式：由于倒档档使用率率不高，一般常常采用直直齿滑动动齿轮方方案换入入倒档。为实现现倒档传传动，有有些利用用在前进进档的传传动路线线中，加加入一个个中间传传动

7、齿轮轮的方案案，也有有利用两两个联体体齿轮的的方案。前者虽虽然结构构简单，但是中中间传动动齿轮的的轮齿，是在最最不利的的正、负负交替对对称变化化的弯曲曲应力状状态下工工作，而而后者是是在较为为有利的的单向循循环弯曲曲应力状状态下工工作，并并且使倒倒档传动动比略有有增加。4.3.4 齿轮型型式：变速箱使使用斜齿齿圆柱齿齿轮和直直齿圆柱柱齿轮。斜齿圆圆柱齿轮轮虽然制制造时稍稍为复杂杂，且工工作时会会有轴向向力，但但因其使使用寿命命长，传传动平稳稳和噪声声小而得得到广泛泛使用，直齿圆圆柱齿轮轮多用于于低档和和倒档。4.3.5 同步器器换档型型式：目前大多多数的变变速箱都都采用同同步器换换档。使使用同

8、步步器能保保证迅速速、无冲冲击、无无噪声换换档，而而与操作作技术的的熟练程程度无关关，从而而提高了了汽车的的加速性性、经济济性和行行车安全全性。但但是它也也有结构构复杂、制造精精度要求求高、轴轴向尺寸寸大、同同步环使使用寿命命短等缺缺点。4.3.6 轴承型型式：以前变速速箱的支支承广泛泛采用滚滚珠轴承承、滚柱柱轴承和和滚针轴轴承。现现在变速速箱的设设计趋势势是增大大其传递递功率与与质量之之比，并并要求它它有更大大的容量量和更好好的性能能，而上上述轴承承型式已已不能满满足对变变速箱可可靠性和和寿命所所提出的的要求，故使用用圆锥滚滚柱轴承承的在逐逐渐增多多。其主主要优点点如下：圆锥滚滚柱轴承承的直

9、径径较小，宽度较较大，因因而容量量大，可可承受高高负荷；其锥体体、外圈圈和滚子子间基本本的几何何关系使使滚子能能正确对对中，确确保轴承承的可靠靠性，使使用寿命命长；圆圆锥滚柱柱轴承的的接触线线长，如如果锥角角和配合合选择合合适，可可提高轴轴和齿轮轮的刚度度，降低低齿轮噪噪声，减减少自动动脱档的的可能，并大幅幅度提高高其寿命命；采用用圆锥滚滚柱轴承承的变速速箱，一一般将变变速箱壳壳体设计计成沿纵纵向平面面分开或或沿中心心线所在在平面分分开，这这样可使使装拆和和调整轴轴承方便便。4.3.7 其它设设计经验验：因为变速速箱在低低档工作作时作用用有较大大的力，所以一一般变速速箱的低低档都布布置在靠靠近

10、轴的的后支承承处，然然后按照照从低档档到高档档顺序布布置各档档位齿轮轮。这样样做既能能使轴有有足够大大的刚性性，又能能保证装装配容易易。变速箱整整体结构构刚性与与轴和壳壳体的结结构有关关系。一一般通过过控制轴轴的长度度即控制制档数，来保证证变速箱箱有足够够的刚性性。4.3.8变速速箱总体体尺寸的的确定：1 变速速箱齿轮轮中心距距的确定定：变速箱齿齿轮的中中心距是是变速箱箱很重要要的参数数，它对对变速箱箱的整体体尺寸、体积和和质量有有很大的的影响。通常根根据经验验公式初初选中心心距A(单位mm)：式中：kk 中心心距系数数，对轿轿车，kk=8.99.3，对对货车，k=88.699.6； MMie

11、mmax 变速速箱在一一档时，第二轴轴输出的的转矩，Mieemaxx = Memmaxi1g，单单位Nmm； MMemaax 发动动机的最最大输出出转矩，单位NNm； ii1 变速速箱一档档传动比比；g 变速箱箱传动效效率，取取0.996。此外，变变速箱的的中心距距还要受受到齿轮轮接触强强度、几几何参数数和结构构要求等等的制约约。2 变速速箱轴向向尺寸的的确定：货车变速速箱壳体体的轴向向尺寸与与其档数数有关，可参照照下列数数据选用用：四档 (2.22.7)AA 五五档 (2.73.0)AA 六六档 (3.23.5)AA轿车四档档变速箱箱壳体轴轴向尺寸寸为(33.033.4)A。3 变速速箱档数

12、数的确定定：不同类型型的汽车车，具有有不同的的传动系系档位数数，其原原因在于于它们的的使用条条件不同同；对整整车性能能要求的的不同；汽车本本身的比比功率不不同。而而传动系系的档位位数与汽汽车的动动力性、燃油经经济性又又有着密密切的关关系。就动力性性而言，档位数数多，增增加了发发动机发发挥最大大功率附附近高功功率的机机会，提提高了汽汽车的加加速与爬爬坡能力力。就燃燃油经济济性而言言，档位位数多，增加了了发动机机在低燃燃油消耗耗率区工工作的可可能性，降低了了油耗。所以增增加档位位数会改改善汽车车的动力力性和燃燃油经济济性。档数多少少还影响响到档与与档之间间的传动动比比值值。比值值过大会会造成换换档

13、困难难。一般般认为比比值不宜宜大于11.711.8。因此如如最大传传动比与与最小传传动比之之比值愈愈大，档档位数也也应愈多多。对于轿车车而言，由于其其行驶车车速高，比功率率大，最最高档的的后备功功率也大大，即最最高档的的动力因因素大，所以其其最高档档与起动动档的动动力因素素间的变变化范围围较小。因此在在过去轿轿车常用用三档或或四档变变速箱。近年来来，为了了进一步步节省燃燃油，装装有手动动变速箱箱的轿车车多已采采用五档档变速箱箱。对于轻型型货车和和中型货货车而言言，由于于比功率率小，所所以一般般采用五五档变速速箱。而而重型货货车的比比功率更更小，使使用条件件也更复复杂，所所以一般般采用六六档至十

14、十几个档档的变速速箱，以以适应复复杂的使使用条件件，从而而使汽车车具有足足够的动动力性和和良好的的燃油经经济性。4.3.9 各各档传动动比的确确定：1 最最高档传传动比的的选择：汽车大多多数时间间是以最最高档行行驶的，即用最最小传动动比的档档位行驶驶的。因因此最小小传动比比的选定定是很重重要的。传动系系的总传传动比是是传动系系中各部部件传动动比的乘乘积，即即it=igi0ic。式中igg变速箱箱的传动动比；ii0主减速速器的传传动比；ic分动器器或副变变速箱的的传动比比；普通通的汽车车由于没没有分动动器或副副变速箱箱，而变变速箱的的最小传传动比通通常为11，所以以传动系系的最小小传动比比就是i

15、i0。因因此确定定最高档档传动比比其实就就是选择择主减速速器的传传动比ii0。主减速器器的传动动比是从从汽车功功率平衡衡图来选选择的，在功率率平衡图图上将传传动比ii0划分分为三个个区域：i011(大传传动比)是使得得最高车车速uaamaxx大于发发动机最最大功率率时的车车速upp，它的的优点在在于汽车车的后备备功率最最大，即即动力性性最好，但是燃燃油经济济性最差差；i002(中中传动比比)是使使得最高高车速uuamaax等于于发动机机最大功功率时的的车速uup，它它的优点点是最高高车速最最大，且且动力性性和经济济性均居居中；ii03(小传动动比)是是使得最最高车速速uammax小小于发动动机

16、最大大功率时时的车速速up，它的优优点是发发动机功功率利用用率最高高，即燃燃油经济济性最好好，但是是汽车的的后备功功率最小小，即汽汽车动力力性最差差。 以前，多数汽汽车将主主减速器器传动比比选择为为大传动动比i001或中中传动比比i022，但是是随着近近年来不不断要求求提高汽汽车燃油油经济性性，使得得主减速速器的传传动比开开始偏向向于小传传动比ii03。这里对对主减速速器传动动比的选选择只是是一个初初步的选选择，计计算汽车车经济性性和动力力性来优优化主传传动比的的方法，以精确确地确定定主减速速器的传传动比。2 最最低档传传动比的的选择：确定最低低档传动动比时，要考虑虑下列因因素：汽汽车最大大爬

17、坡度度，驱动动轮与路路面附着着力，汽汽车最低低稳定车车速及主主传动比比等。下下面假设设主传动动比已经经确定。(1)根根据最大大爬坡度度确定一一档传动动比：汽车在最最大上坡坡路面行行驶时，最大驱驱动力应应能克服服轮胎与与路面间间滚动阻阻力及上上坡阻力力。由于于汽车上上坡行驶驶时，车车速不高高，故忽忽略空气气阻力。式中：FFkmaax 最大大驱动力力；Ff 滚动动阻力；Fimaax 最大大上坡阻阻力；又(1-1)式中：MMemaax 发动动机最大大扭矩；i1 变变速器一一档传动动比；ii0 主传传动比； 汽汽车传动动系总效效率；mm 汽车车总质量量；g 重力力加速度度； 道道路最大大阻力系系数；r

18、r 驱动动轮滚动动半径；f 滚动动阻力系系数；maxx 道路路最大上上坡角。(2)根根据驱动动轮与地地面的附附着力确确定一档档传动比比：汽车行驶驶时，为为了使驱驱动轮不不打滑，必须使使驱动力力等于或或小于驱驱动轮与与路面间间的附着着力。式中： 道路路附着系系数，取取=0.500.6；N 驱动动力垂直直反力，用下列列公式计计算： 其中：X、S 后后轮驱动动时，XX=a，S=+1； 前轮驱驱动时，X=b，S=-1； 四轮驱驱动时，X=L，S=0； 路面坡坡度角；a、b 重重心至前前后轴距距离；L 轴距距；hg 满载载时重心心高度。(3)根根据最低低稳定车车速确定定一档传传动比：(1-3)对于越野野汽车，为了避避免在松松软的路路面上行行驶，由由于土壤壤受冲击击剪