長安杰勛汽車機械式變速器設計

摘 要變速器由傳動機構和操縱機構組成，其基本功用是改變傳動比，擴大驅動輪轉矩和轉速的變化范圍，以適應經(jīng)常變化的行駛條件，同時使發(fā)動機在有利的工況下工作；在發(fā)動機曲軸旋轉方向不變的前提下使汽車能倒退行駛；利用空檔中斷動力傳遞，以使發(fā)動機能夠起動、怠速，并便于變速器換檔或進行動力輸出。變速器的結構要求對汽車的動力性、燃料經(jīng)濟性、換檔操縱的可靠性與輕便性、傳動平穩(wěn)性與效率等都有直接的影響。本設計研究了中間軸式五檔手動變速器，其目的主要是基于對機械原理、機械設計、時運用汽車構造、汽車設計、材料力學等學科知識，對中間軸式變速器的各部件進行設計，并利用先，本文介紹了變速器的現(xiàn)狀和設計的主要內容。其次，對工作原理做了闡述，對不同的變速器傳動方案進行比較，選擇合理的結構方案進行設計。最后，對變速器的各檔齒輪和軸以及軸承做了詳細的設計計算，并進行了受力分析、強度和剛度校核計算。本文將對變速器換檔過程中的重要部件同步器以及操縱機構進行闡述，講述同步器的類型、工作原理、選擇方法及變速器殼體的設計。關鍵詞：變速器；傳動比；軸；齒輪；設計計算；校核摘要.論.汽車變速器選題目的及意義.汽車變速器研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.汽車變速器設計內容.速器傳動機構布置方案.變速器傳動機構布置方案分析.變速器零、部件結構方案分析.本章小結.速器主要參數(shù)的選擇.變速器檔位數(shù)和傳動比.速器各檔傳動比的確定.變速器中心距的確定.變速器的外形尺寸.變速器的齒輪參數(shù)的確定.力角及螺旋角.變速器各檔齒輪齒數(shù)的分配.變速器齒輪的設計及校核.輪的壞損形式.計算各軸的轉矩.各檔齒輪的強度計算.計算各檔齒輪的受力.0變速器軸的設計及校核.1軸的強度計算.2軸承的選擇及校核.3本章小結.步器和變速器操縱機構.慣性式同步器.變速器操縱機構的分類.鎖止裝置.變速器殼體.本章小結.文文獻原文.文文獻中文翻譯.的是在原地起步、爬坡、轉彎、加速等各種行駛工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時使發(fā)動機在最有利的工況范圍內工作。變速器設有空檔，可在起動發(fā)動機、汽車滑行或停車時使發(fā)動機的動力停止向驅動輪傳輸。變速器設有空檔，使汽車獲得倒退行駛能力。需要時，變速器還有動力輸出功能1。汽車的使用條件頗為復雜，變化很大。如汽車的載貨量、道路坡度、路面好壞以及交通情況等。這就要求汽車的牽引力和車速具有較大的變化范圍，以及適應使用的需要。當汽車在平坦的道路上，以高速行駛時，可掛入變速器的高速檔；而在不平的路上或爬較大的坡道時，則應掛入變速器的低速檔。根據(jù)汽車的使用條件，選擇合適的變速器檔位，不僅是汽車動力性的要求，而且也是汽車燃料經(jīng)濟性的要求。例如，汽車在同樣的載貨量、道路、車速等條件下行時，往往可掛入較高的變速器檔位，也可掛入較低的檔位工作。此時只是發(fā)動機的節(jié)氣門開度和轉速或大或小而已，可是發(fā)動機在不同的工況下，燃料的消耗量是不一樣的。一般變速器具有四個或更多的檔位，駕駛員可根據(jù)情況選擇合適的檔位，使發(fā)動機燃料消耗量減小。變速器的檔位數(shù)和傳動比與發(fā)動機參數(shù)優(yōu)化匹配，可以保證汽車具有良好的動力性與經(jīng)濟性。因此現(xiàn)代汽車變速器向著節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適、高效、可靠方向不斷提高，結構更加簡單、緊湊，傳動效率更高。變速器的結構型式選擇、設計參數(shù)選取及設計計算對汽車的整車設計極其重要。斷出現(xiàn)嶄新的變速器裝置。變速器技術的每次跨越都和相關學科的發(fā)展密切相關。計算機技術、自動控制技術、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、先進制造技術、運動仿真等為變速器的進一步發(fā)展提供了有力的保障。變速器的發(fā)展也給相關學科提出更高的理論要求，使人類的認識邁向新的、更高的境界。汽車工業(yè)的飛速發(fā)展以及人們對汽車的要求不斷的變化，機械式變速器不能滿足人們的需要。從40年代初，美國成功研制出兩檔的液力動變速器技術得到了迅速發(fā)展。80年代，美國已將液力自動變速器作為轎車的標準裝備。1983年時，美國通用汽車公司的自動變速器裝車率已經(jīng)達到了94%。近些年來，由于電子技術和電子計算機技術的發(fā)展，自動變速器技術已經(jīng)達到了相當高的水平。自動變速器與機械式變速器相比，具有許多不可比擬的優(yōu)勢：提高發(fā)動機和傳動系的使用壽命；提高汽車的通過性；具有良好的自適應性；操縱更加方便2。機械式變速器（用齒輪組，每檔的齒輪組的齒數(shù)是固定的，所以各檔的變速比是個定值(也就是所謂的“級”)。比如，這些數(shù)字再乘上主減速比就是總的傳動比，總共只有5個值(即有5級)，所以說它是有級變速器。曾有人斷言，繁瑣的駕駛操作等缺點，阻礙了汽車高速發(fā)展的步伐，機械式變速器會在不久“下課”，從事物發(fā)展的角度來說，這話確實有道理。但是從目前市場的需求和適用角度來看，機械式變速器不會過早的離開。首先，從商用車的特性上來說，機械式變速器的功用是其他變速器所不能替代的。以卡車為例，卡車用來運輸，通常要裝載數(shù)噸的貨品，面對如此高的“壓力”，除了發(fā)動機需要強勁的動力之外，還需要變速器的全力協(xié)助。我們都知道一檔有“勁”，這樣在起步的時候有足夠的牽引力量將車帶動。特別是面對爬坡路段，它的特點顯露的非常明顯。而對于其他新型的變速器，雖然具有操作簡便等特性，但這些特點尚不具備。其次，對于老司機和大部分男士司機來說，他們的最愛還是機械式變速器。從我國的具體情況來看，機械式變速器幾乎貫穿了整個中國的汽車發(fā)展歷史，資歷較深的司機都是用機械式變速器的，他們對機械式變速器的認識程度是非常深刻的，如果讓他們改變常規(guī)的做法，這是不現(xiàn)實的。雖然自動變速器以及無級變速器已非常的普遍，但是大多數(shù)年輕的司機還是崇尚手動，尤其是喜歡超車時機械式變速器帶來的那種快感，所以一些中高檔的汽車（尤其是轎車）也不敢輕易放棄機械式變速器。另外，現(xiàn)在在我國的汽車駕駛學校中，教練車都是機械式變速器的，除了經(jīng)濟適用之外，關鍵是能夠讓學員打好扎實的基本功以及鍛煉駕駛協(xié)調性。第三，隨著生活水平的不斷提高現(xiàn)在轎車已經(jīng)進入了家庭，對于普通工薪階級的老百姓來說，經(jīng)濟型轎車最為合適，機械式變速器以其自身的性價比配套于經(jīng)濟型轎車廠家，而且經(jīng)濟適用型轎車的銷量一直在車市名列前茅。例如，夏利、奇瑞、吉利等國內廠家的經(jīng)濟型轎車都是機械式變速器的車，它們的各款車型基本上都是5檔機械式變速器。早期的汽車傳動系，從發(fā)動機到車輪之間的動力傳動形式是很簡單的。1892年法國制造出第一輛帶有變速器的汽車。1921年英國人赫伯特福魯特采用耐用的摩擦材料進一步完善了變速器的性能。現(xiàn)代汽車變速器是1894年由法國人路易斯雷納本哈特和艾米爾拉瓦索爾推廣使用的。目前為止，變速器經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段，主要為：1手動變速器手動變速器主要采用齒輪傳動的降速原理。變速器內有多組傳動比不同的齒輪副，而汽車行駛時的換檔工作，也就是通過操縱機構使變速器內的不同的齒輪副工作。手動變速器又稱手動齒輪式變速器，含有可以在軸向滑動的齒輪，通過不同齒輪的嚙合達到變速變矩的目的。手動變速器的換檔操作可以完全遵從駕駛者的意志，且結構簡單、故障率相對較低、價廉物美。2自動變速器自動變速器是根據(jù)車速和負荷（油門踏板的行程）來進行雙參數(shù)控制，檔位根據(jù)上面的兩個參數(shù)來自動升降。自動變速器與手動變速器的共同點，就是二者都屬于有級式變速器，只不過自動變速器可以根據(jù)車速的快慢來自動實現(xiàn)換檔，可以消除手動變速器“頓挫”的換擋感覺。自動變速器是由液力變矩器、行星齒輪和液壓操縱機構組成，通過液力傳遞和齒輪組合的方式來達到變速變矩的目的。3無級變速器無級變速器又稱為連續(xù)變速式無級變速器。這種變速器與一般齒輪式自動變速器的最大區(qū)別，是它省去了復雜而又笨重的齒輪組合變速傳動，而只用了兩組帶輪進行變速傳動。無級變速器結構比傳統(tǒng)變速器簡單，體積更小，它既沒有手動變速器的眾多齒輪副，也沒有自動變速器復雜的行星齒輪組，主要靠主動輪、從動輪和傳動帶來實現(xiàn)速比的無級變化。4無限變速式機械無級變速器（限變速式機械無級變速器與其它自動變速器的差別之一是不使用變矩器。變矩器的作用是通過油液介質將發(fā)動機動力傳遞給變速器，它的傳遞效率通常只有80%。其它變矩器比較，易打滑、油耗低、不需要工藝復雜造價高昂的金屬傳送帶、結構簡單、成本低等一系列優(yōu)點，加上傳遞扭矩大，長時間使用也不會過度發(fā)熱，不但使用于轎車，也使用于越野車，是一種新型變速器。汽車變速器的發(fā)展可以清楚的知道，變速器作為汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其技術的發(fā)展，是衡量汽車技術水平的一個重要依據(jù)?，F(xiàn)代汽車變速器的發(fā)展趨勢，是向著可調自動變速器或無級變速器的方向發(fā)展。自動變速器多檔化雖能擴大自動變速的范圍，但它并非安全迅速。理想的無級變速器是在整個傳動范圍內能連續(xù)的、無檔比的切換變速比，是變速器始終按最佳換檔規(guī)律自動變速。無級化是對自動變速器的理想追求?，F(xiàn)代無級變速器傳動效率提高，變速反應快、油耗低。隨著電子技術的發(fā)展，變速器的自動控制進一步完善，在各種使用工況下能實現(xiàn)發(fā)動機與傳動系的最佳匹配，控制更加精確、有效，性能價格比大大提高。無級變速器裝有自動控制裝置，行車中可以根據(jù)車速自動調整檔位，無需人工操作，省去了換檔及踩踏離合器踏板的操作。其不足之處在于價格昂貴、維修費用很高，而且使用起來比手動檔車費油，尤其是低速行駛或堵車中走走停停時，更會增大油耗。當今世界各大汽車公司對無級變速器的研究都十分活躍。不久的將來，隨著電子控制技術的進一步完善，電子控制式的無級變速器可望得到廣泛的發(fā)展和應用。過對變速器各部分參數(shù)的選擇和計算，設計出一種基本符合要求的手動5檔變速器。本設計主要完成下面一些主要工作：1參數(shù)計算。包括變速器傳動比、中心距、齒輪參數(shù)、各檔齒輪齒數(shù)的分配計算；2變速器齒輪設計計算。齒輪的強度計算及材料選擇、齒輪強度計算及檢驗；3變速器軸設計計算。包括各軸直徑及長度計算、軸的結構設計、軸的強度計算；4變速器軸承的選擇及校核；5同步器的設計選用；6變速器操縱機構的設計選用；7變速器箱體的結構設計。動效率高、制造成本低和工作可靠等優(yōu)點，故在不同形式的汽車上得到廣泛應用。通常，有級變速器具有三個、四個、五個前進檔；重型載貨汽車和重型越野車則采用多檔變速器，其前進檔位數(shù)多大616個甚至20個。變速器檔位的增多可提高發(fā)動機的功率利用率、汽車的燃料經(jīng)濟性和平均車速，從而可提高汽車的運輸效率，降低運輸成本。但檔位數(shù)的增多也使變速器的尺寸及質量增大，結構復雜，制造成本提高，操縱也復雜。當采用手動的機械式操縱時，要實現(xiàn)迅速、無聲換檔，對于多于5個前進檔得變速器來說是困難的。因此，直接操縱式變速器檔位數(shù)上限為5檔。多于5個前進檔將使操縱機構復雜化，或者需加裝具有獨立操縱機構的副變速器，后者僅用于一定的行駛工況3。某些轎車和貨車的變速器，采用僅在良好的路面和空載行駛時才使用的超速檔。采用傳動比小于1（超速檔，可充分地利用發(fā)動機功率，降低單位行駛里程的發(fā)動機曲軸總轉數(shù)，因而會減少發(fā)動機的磨損，降低燃料消耗。但與傳動比為1的直接檔比較，采用超速檔會降低傳動效率。有級變速器的傳動效率與所選用的傳動方案有關，包括齒輪副的數(shù)目、齒輪的轉速、傳遞的功率、潤滑系統(tǒng)的有效性、齒輪及軸以及殼體等零件的制造精度、剛度等。中間軸式變速器相比，兩軸式變速器因軸和軸承數(shù)少，所以結構簡單、輪廓尺寸小和容易布置等優(yōu)點，此外，各中間檔因只經(jīng)一對齒輪傳遞動力，故傳動效率高同時噪聲低。因兩軸式變速器不能設置直接檔，所以在高檔工作時齒輪和軸承均承載，不僅工作噪聲增大，且易損壞。還有，受結構限制，其一檔速比不能設計的很大。對于前進檔，兩軸式變速器輸入軸的傳動方向與輸出軸的傳動方向相反。2中間軸式變速器中間軸式變速器多用于發(fā)動機前置后輪驅動汽車和發(fā)動機后置后輪驅動的客車上。變速器第一軸的前端經(jīng)軸承支承在發(fā)動機飛輪上，第一軸上的花鍵用來裝設有離合器的從動盤上，而第二軸的末端經(jīng)花鍵與萬向節(jié)連接。變速器一軸的常嚙合齒輪與第二軸的各檔齒輪分別與中間軸的相應齒輪相嚙合，且第一、二軸同心。將第一、二軸直接連接起來傳遞轉矩則稱為直接檔。此時，齒輪、軸承及中間軸均不承載，而第一、二軸也僅傳遞轉矩。因此，直接檔的傳動效率高，磨損及噪聲也最小，這是三軸變速器的主要優(yōu)點。其他前進檔需依次經(jīng)過兩對齒輪傳遞轉矩。因此，在齒輪中心距較小的情況下仍然可以獲得大的一檔傳動比，這是三軸變速器的另一個優(yōu)點。其缺點是：除直接檔外其他各檔的傳動效率有所降低3。作時在齒輪上的作用力也增大，并導致變速器軸產(chǎn)生較大的撓度和轉角，使工作齒輪嚙合狀態(tài)變壞，最終表現(xiàn)出齒輪磨損加快和工作噪聲增加。為此無論是兩軸式變速器還是中間軸式變速器的一檔與倒檔，都應該布置在靠軸的支承處，然后按照從低檔到高檔的順序布置各檔齒輪，這樣既能使軸有足夠大的剛性，又能保證容易裝配3。倒檔設計在變速器的左側或右側在機構上均能實現(xiàn)，不同之處是掛倒檔時駕駛員移動變速桿的方向改變了。為了防止意外掛入倒檔，一般在掛倒檔時設有一個掛倒檔時需克服彈簧所產(chǎn)生的力，用來提醒駕駛員注意。高檔布置在靠近軸的兩端支承中部區(qū)域較為合理，在該區(qū)域因軸的變形而引起的齒輪偏轉角較小，齒輪可保持較好的嚙合狀態(tài)，以減少偏載并提高齒輪壽命3。直齒圓柱齒輪比較，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長、運轉平穩(wěn)、作時噪聲低等優(yōu)點；缺點是制造時工藝復雜，工作時有軸向力。變速器中的常嚙合齒輪均采用斜齒圓柱齒輪，盡管這樣會使常嚙合齒輪數(shù)增加，并導致變速器的轉動慣量增大。直齒圓柱齒輪僅用于低檔和倒檔。變速器齒輪可以與軸設計為一體或與軸分開，然后用花鍵、過盈配合或者滑動支承等方式之一與軸連接。齒輪尺寸小又與軸分開，其內徑直徑到齒根圓處的厚度b（響齒輪強度。要求尺寸了使齒輪裝在軸上以后，保持足夠大的穩(wěn)定性，齒輪輪轂部分的寬度尺寸C，在結構允許條件下應盡可能取大些，至少滿足尺寸要求 2) ， 2d 為花鍵內徑。速器齒輪尺寸控制圖齒輪表面粗糙度數(shù)值降低，則噪聲減少，齒面磨損速度減慢，提高了齒輪壽命。變速器齒輪齒面的表面粗糙度應在 Ra m 范圍內選用。要求齒輪制造精度不低于7級1。于接合齒磨損、變速器剛度不足以及振動等原因，都會導致自動脫檔。為解決這個問題，除工藝上采取措施以外，目前在結構上采取措施且行之有效的方案有以下幾種1：1將兩接合齒的嚙合位置錯開，樣在嚙合時，使接合齒端部超過被接合齒的13用中兩齒接觸部分受到擠壓同時磨損，并在接合齒端部形成凸肩，可用來阻止接合齒自動脫檔。2將嚙合齒套齒座上前齒圈的齒厚切薄（這樣，換檔后嚙合套的后端面被后齒圈的前端面頂住，從而阻止自動脫檔，將接合齒的工作面設計并加工成斜面，形成倒錐角（一般傾斜23），使接合齒面產(chǎn)生阻止自動脫檔的軸向力，種方案比較有效，應用較多。將接合齒的齒側設計并加工成臺階形狀，也具有相同的阻止自動脫檔的效果。a） b) c)檔的布置方案。對變速器零、部件的結構進行分析，對傳動機構的齒輪進行布置，介紹了變速器的自動脫檔，為下面的設計過程作鋪墊。檔位數(shù)也不盡相同。增加變速器的檔數(shù)，能夠改善汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性以及平均車速。檔數(shù)越多，變速器的結構越復雜，并且使輪廓尺寸和質量加大，同時操縱機構復雜，而且在使用時換檔頻率增高并增加了換檔難度。近年來，為了降低油耗，變速器的檔數(shù)有增加的趨勢。目前，乘用車一般用45個檔位的變速器。發(fā)動機排量大的乘用車變速器多用5個檔。商用車變速器采用45個檔或多檔。檔變速器多用于總質量大些的貨車和越野汽車上3。安杰勛汽車的主要技術參數(shù)發(fā)動機最大功率 112輪型號 195/6592 最大功率時轉速 55006000r/0004500r/高車速 195km/中： 汽車行駛速度（ h/；n發(fā)動機轉速（ r ）；r 車輪滾動半徑（m）；變速器傳動比；0i 主減速器傳動比。 (中： 發(fā)動機最大扭矩（ ）；發(fā)動機最大功率（0377.0 550發(fā)動機最大功率轉速（ r ）；轉矩適應系數(shù)=中： 發(fā)動機最大扭矩轉速已知：最高車速 h/最高檔為直接檔，傳動比 51；車輪滾動半徑由所選用的輪胎規(guī)格r=m)；發(fā)動機最大扭矩轉速 4000( r )；發(fā)動機最大功率轉速5500( r )；由公式（到主減速器傳動比：速器各檔傳動比的確定在選擇最低檔傳動比時，應根據(jù)汽車最大爬坡度、驅動車輪和地面的附著力、汽車的最低穩(wěn)定車速以及主減速比和驅動車輪的滾動半徑等綜合考慮來確定。汽車爬坡時車速不高，空氣阻力可忽略，則最大驅動力用于克服輪胎與路面間的滾動阻力及爬坡阻力。故有：(般貨車的最大爬坡度約為30%，即 =則由最大爬坡度要求的變速器1擋傳動比為： (中：m汽車總質量， 1485m kg；g重力加速度， 8.9g 2s/m ；f 滾動阻力系數(shù)， 015.0f ； r Te rg iT 0 驅動車輪的滾動半徑， 317.0rr m；發(fā)動機最大轉矩， 192eT ；0i 主減速比， i ；T 汽車傳動系的傳動效率， 。將各數(shù)據(jù)代入式(得：根據(jù)驅動車輪與路面的附著條件： (求得變速器一檔傳動比為： (中： 2G 汽車滿載靜止與水平路面時驅動橋給地面的載荷，因為乘用車發(fā)動機前置前驅動的軸荷分配范圍為47%60%，所以 2G =14855=道路的附著系數(shù)，計算時取 1產(chǎn)汽車中，轎車變速器傳動比變化范圍是34，中、輕型貨車約為56，其他貨車在7以上。所以，取 0 Te rg iT 201r r Te rg iT 0 Te rg iT 相鄰檔位傳動比比值就是幾何級數(shù)的公比；但是實際上與理論值略有出入，因齒數(shù)為整數(shù)且常用檔位間的公比宜小些，另外還要考慮與發(fā)動機參數(shù)的合理匹配。此變速器的最高檔為直接檔，間各檔的傳動比按理論公式 1 1 n 其中得公比。因為 1 n 所以：將中間軸與第二軸之間的距離稱為變速器中心距A；對兩軸式變速器，將變速器輸入軸與輸出軸線之間的距離稱之為變速器中心距A。它是一個基本參數(shù)，其大小不僅對變速器的外形尺寸、體積和質量大小有影響，而且對輪齒的接觸強度有影響。中心距越小，輪齒的接觸應力越大，齒輪壽命越短。因此，最小允許中心距應當由保證輪齒有必要的接觸強度來確定。變速器軸經(jīng)軸承安裝在殼體上，從布置變速器的可能與方便和不因同一垂直面上的兩軸承孔之間的距離過小而影響殼體的強度考慮，要求中心距取大些。此外，受一檔小齒輪齒數(shù)不能過少的限制，要求中心距也要取大些。還有，變速器中心距取得過小，會使變速器長度增加，并因此使軸的剛度被削弱和使齒輪的嚙合狀態(tài)變壞3。中間軸式變速器的中心距A（確定初選中心距A，可根據(jù)下述經(jīng)驗公式計算 (中： 中心距系數(shù)，乘用車： ，商用車：發(fā)動機的最大轉矩( )；1變速器一擋傳動比；g 變速器的傳動效率，取96%；3 32 gg gg gg 將各數(shù)代入式(得初選中心距A=78用車變速器的中心距在6080商用車變速器的中心距在80170根據(jù)齒輪直徑以及倒檔中間（過渡）齒輪和換檔機構的布置初步確定。影響變速器殼體軸向尺寸的因素有檔數(shù)、換檔機構形式以及齒輪形式。乘用車四檔變速器殼體的軸向尺寸為（。商用車變速器殼體的軸向尺寸可參考下列數(shù)據(jù)選用：四檔 （五檔 （六檔 （此變速器為五檔，故外形尺寸為（=34考慮：1盡量符合動力性、經(jīng)濟性等對各檔傳動比的要求；2最少齒數(shù)不應產(chǎn)生根切。通常，變速器中間軸一檔齒輪是齒數(shù)最少的齒輪，此齒輪不應產(chǎn)生根切，而且齒根圓直徑應大于中間軸直徑；3互相嚙合的齒輪，齒數(shù)間不應有公因數(shù)，速度高的齒輪更應注意這點；4齒數(shù)多，可降低齒輪傳動的躁聲。擇模數(shù)時應考慮到當增大齒寬而減小模數(shù)時將降低變速器的噪聲，而為了減小變速器的質量，則應增大模數(shù)并減小齒寬和中心距。降低噪聲水平對轎車很重要，而對載貨汽車則應重視減小質量。3 1 根據(jù)圓柱齒輪強度的簡化計算方法，可列出齒輪模數(shù)w 之間有如下關系：直齒輪模數(shù) (中： 計算載荷， ；K 應力集中系數(shù)，摩擦力影響系數(shù)，