43汽車變速器設(shè)計(jì)及及理論與方法

1、 汽車變速箱設(shè)計(jì)理論與方法 現(xiàn)代汽車的動力裝置，幾乎都采用往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)。它具有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，如體積小，質(zhì)量輕，工作可靠，使用方便等。但其性能與汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性之間存在著較大的矛盾。如在坡道上行駛時，所需的牽引力往往是發(fā)動機(jī)所能提供的牽引力的數(shù)倍。而且一般發(fā)動機(jī)如果直接與車輪相連，其輸出轉(zhuǎn)速換算到對應(yīng)的汽車車速上，將達(dá)到現(xiàn)代汽車極限速度的數(shù)倍。上述發(fā)動機(jī)牽引力、轉(zhuǎn)速與汽車牽引力、車速要求之間的矛盾，單靠現(xiàn)代汽車內(nèi)燃機(jī)本身是無法解決的。因此就出現(xiàn)了車用變速箱和主減速器。它們的共同努力使驅(qū)動輪的扭矩增大到發(fā)動機(jī)扭矩的若干倍，同時又可使其轉(zhuǎn)速減小到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的幾分之一。 另外，現(xiàn)代汽車的使用條

2、件極為復(fù)雜，在不同場合下有不同的要求。往往要受到如載運(yùn)量、道路坡度、路面好壞及交通是否通暢等條件的影響。這就要求汽車的牽引力和車速能在較大范圍內(nèi)變化，以適應(yīng)使用的要求。在條件良好的平直路面上要能以高速行駛，而在路面不平和有較大坡度時能提供較大的扭矩。變速箱的多檔位選擇就能滿足這些需求。此外，發(fā)動機(jī)在不同工況下，燃油的消耗量也是不一樣的。駕駛員可以根據(jù)具體情況，選擇變速箱的某一檔位，來減少燃油的消耗。在某些情況下，汽車還需要能倒向行駛。發(fā)動機(jī)本身是不可能倒轉(zhuǎn)的，只有靠變速箱的倒檔齒輪來實(shí)現(xiàn)。在車輛中途暫停行駛或 變速箱是由變速傳動機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)前進(jìn)檔數(shù)的不同，變速箱有三、四、五和多檔幾

3、種。根據(jù)軸的不同類型，分為固定軸式和旋轉(zhuǎn)軸式兩大類。而前者又分為兩軸式、中間軸式和多中間軸式變速箱。 兩軸式和三軸式變速箱：現(xiàn)代汽車大多數(shù)都采用三軸式變速箱，而發(fā)動機(jī)前置前輪驅(qū)動的轎車，若變速箱傳動比小，則常采用兩軸式變速箱。在設(shè)計(jì)時，究竟采用哪一種方案，除了汽車總布置的要求外，主要考慮以下四個方面： 結(jié)構(gòu)工藝性：兩軸式變速箱輸出軸與主減速器主動齒輪做成一體且當(dāng)發(fā)動機(jī)縱置時，主減速器可用螺旋圓錐齒輪或準(zhǔn)雙曲面齒輪，而發(fā)動機(jī)橫置時用圓柱齒輪，因而簡化了制造工藝。 變速箱的徑向尺寸：兩軸式變速箱的前進(jìn)檔均為一對齒輪副，而三軸式變速箱則有兩對齒輪副。因此，對于相同的傳動比要求，三軸式變速箱的徑向尺寸

4、可以比兩軸式變速箱小得多。 變速箱齒輪的壽命：兩軸式變速箱的低檔齒輪副，大小相差懸殊，小齒輪工作循環(huán)次數(shù)比大齒輪要高得多，因此小齒輪壽命比大齒輪短。三軸式變速箱的各前進(jìn)檔，均為常嚙合斜齒輪傳動，大小齒輪徑向尺寸相差較小，因此壽命較接近。在直接檔時，齒輪只是空轉(zhuǎn)，不影響齒輪的壽命。 變速箱的傳動效率：兩軸式變速箱，雖然可以有等于1的傳動比，但仍要有一對齒輪進(jìn)行傳動，因而有功率損失。而三軸式變速箱，可將輸入軸和輸出軸直接相連，得到直接檔，因而傳動效率較高，磨損小，噪聲也較小。轎車，尤其是微型汽車，采用兩軸式變速箱比較多，而中、重型載貨汽車則多采用三軸式變速箱。 多中間軸結(jié)構(gòu)：在通常的三軸式變速箱中

5、，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩由第一軸傳至第二軸，只經(jīng)過一根中間軸。這種變速箱在裝上轉(zhuǎn)矩高于1200-1300Nm的大功率的柴油機(jī)時，其齒輪、軸和軸承都要承受很大的載荷，這會導(dǎo)致過早被損壞。所以對于一些重型汽車，一般采用多中間軸的結(jié)構(gòu)。這種變速箱具有2-3根中間軸，在傳遞同樣轉(zhuǎn)矩的情況下，變速箱齒輪的寬度和質(zhì)量可分別減少40%和20%，變速箱的整體質(zhì)量和軸向尺寸也減少很多。 倒檔型式：由于倒檔使用率不高，一般常采用直齒滑動齒輪方案換入倒檔。為實(shí)現(xiàn)倒檔傳動，有些利用在前進(jìn)檔的傳動路線中，加入一個中間傳動齒輪的方案，也有利用兩個聯(lián)體齒輪的方案。前者雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是中間傳動齒輪的輪齒，是在最不利的正、負(fù)交替對稱變

6、化的彎曲應(yīng)力狀態(tài)下工作，而后者是在較為有利的單向循環(huán)彎曲應(yīng)力狀態(tài)下工作，并且使倒檔傳動比略有增加。 齒輪型式：變速箱使用斜齒圓柱齒輪和直齒圓柱齒輪。斜齒圓柱齒輪雖然制造時稍為復(fù)雜，且工作時會有軸向力，但因其使用壽命長，傳動平穩(wěn)和噪聲小而得到廣泛使用，直齒圓柱齒輪多用于低檔和倒檔。 同步器換檔型式：目前大多數(shù)的變速箱都采用同步器換檔。使用同步器能保證迅速、無沖擊、無噪聲換檔，而與操作技術(shù)的熟練程度無關(guān)，從而提高了汽車的加速性、經(jīng)濟(jì)性和行車安全性。但是它也有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度要求高、軸向尺寸大、同步環(huán)使用壽命短等缺點(diǎn)。 軸承型式：以前變速箱的支承廣泛采用滾珠軸承、滾柱軸承和滾針軸承?，F(xiàn)在變速箱的設(shè)

7、計(jì)趨勢是增大其傳遞功率與質(zhì)量之比，并要求它有更大的容量和更好的性能，而上述軸承型式已不能滿足對變速箱可靠性和壽命所提出的要求，故使用圓錐滾柱軸承的在逐漸增多。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：圓錐滾柱軸承的直徑較小，寬度較大，因而容量大，可承受高負(fù)荷；其錐體、外圈和滾子間基本的幾何關(guān)系使?jié)L子能正確對中，確保軸承的可靠性，使用壽命長；圓錐滾柱軸承的接觸線長，如果錐角和配合選擇合適，可提高軸和齒輪的剛度，降低齒輪噪聲，減少自動脫檔的可能，并大幅度提高其壽命；采用圓錐滾柱軸承的變速箱，一般將變速箱殼體設(shè)計(jì)成沿縱向平面分開或沿中心線所在平面分開，這樣可使裝拆和調(diào)整軸承方便。 其它設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)：因?yàn)樽兯傧湓诘蜋n工作時作用有較

8、大的力，所以一般變速箱的低檔都布置在靠近軸的后支承處，然后按照從低檔到高檔順序布置各檔位齒輪。這樣做既能使軸有足夠大的剛性，又能保證裝配容易。變速箱整體結(jié)構(gòu)剛性與軸和殼體的結(jié)構(gòu)有關(guān)系。一般通過控制軸的長度即控制檔數(shù)，來保證變速箱有足夠的剛性。變速箱總體尺寸的確定：1 變速箱齒輪中心距的確定：變速箱齒輪的中心距是變速箱很重要的參數(shù)，它對變速箱的整體尺寸、體積和質(zhì)量有很大的影響。通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式初選中心距A(單位m)：式中：k 中心距系數(shù)，對轎車，k=，對貨車，k=； Miemax 變速箱在一檔時，第二軸輸出的轉(zhuǎn)矩，Miemax = Memaxi1g，單位Nm； Memax 發(fā)動機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，

9、單位Nm； i1 變速箱一檔傳動比； g 變速箱傳動效率，取。此外，變速箱的中心距還要受到齒輪接觸強(qiáng)度、幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)要求等的制約。2 變速箱軸向尺寸的確定：貨車變速箱殼體的軸向尺寸與其檔數(shù)有關(guān)，可參照下列數(shù)據(jù)選用：四檔 A 五檔 A 六檔 A轎車四檔變速箱殼體軸向尺寸為A。3 變速箱檔數(shù)的確定：不同類型的汽車，具有不同的傳動系檔位數(shù)，其原因在于它們的使用條件不同；對整車性能要求的不同；汽車本身的比功率不同。而傳動系的檔位數(shù)與汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性又有著密切的關(guān)系。就動力性而言，檔位數(shù)多，增加了發(fā)動機(jī)發(fā)揮最大功率附近高功率的機(jī)會，提高了汽車的加速與爬坡能力。就燃油經(jīng)濟(jì)性而言，檔位數(shù)多，增加了

10、發(fā)動機(jī)在低燃油消耗率區(qū)工作的可能性，降低了油耗。所以增加檔位數(shù)會改善汽車的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。檔數(shù)多少還影響到檔與檔之間的傳動比比值。比值過大會造成換檔困難。一般認(rèn)為比值不宜大于。因此如最大傳動比與最小傳動比之比值愈大，檔位數(shù)也應(yīng)愈多。對于轎車而言，由于其行駛車速高，比功率大，最高檔的后備功率也大，即最高檔的動力因素大，所以其最高檔與起動檔的動力因素間的變化范圍較小。因此在過去轎車常用三檔或四檔變速箱。近年來，為了進(jìn)一步節(jié)省燃油，裝有手動變速箱的轎車多已采用五檔變速箱。對于輕型貨車和中型貨車而言，由于比功率小，所以一般采用五檔變速箱。而重型貨車的比功率更小，使用條件也更復(fù)雜，所以一般采用六檔至

11、十幾個檔的變速箱，以適應(yīng)復(fù)雜的使用條件，從而使汽車具有足夠的動力性和良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。 各檔傳動比的確定：1 最高檔傳動比的選擇：汽車大多數(shù)時間是以最高檔行駛的，即用最小傳動比的檔位行駛的。因此最小傳動比的選定是很重要的。傳動系的總傳動比是傳動系中各部件傳動比的乘積，即it=igi0ic。式中ig變速箱的傳動比；i0主減速器的傳動比；ic分動器或副變速箱的傳動比；普通的汽車由于沒有分動器或副變速箱，而變速箱的最小傳動比通常為1，所以傳動系的最小傳動比就是i0。因此確定最高檔傳動比其實(shí)就是選擇主減速器的傳動比i0。主減速器的傳動比是從汽車功率平衡圖來選擇的，在功率平衡圖上將傳動比i0劃分為三個區(qū)

12、域：i01(大傳動比)是使得最高車速uamax大于發(fā)動機(jī)最大功率時的車速up，它的優(yōu)點(diǎn)在于汽車的后備功率最大，即動力性最好，但是燃油經(jīng)濟(jì)性最差；i02(中傳動比)是使得最高車速uamax等于發(fā)動機(jī)最大功率時的車速up，它的優(yōu)點(diǎn)是最高車速最大，且動力性和經(jīng)濟(jì)性均居中；i03(小傳動比)是使得最高車速uamax小于發(fā)動機(jī)最大功率時的車速up，它的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動機(jī)功率利用率最高，即燃油經(jīng)濟(jì)性最好，但是汽車的后備功率最小，即汽車動力性最差。 以前，多數(shù)汽車將主減速器傳動比選擇為大傳動比i01或中傳動比i02，但是隨著近年來不斷要求提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，使得主減速器的傳動比開始偏向于小傳動比i03。這里對主減

13、速器傳動比的選擇只是一個初步的選擇，計(jì)算汽車經(jīng)濟(jì)性和動力性來優(yōu)化主傳動比的方法，以精確地確定主減速器的傳動比。2 最低檔傳動比的選擇：確定最低檔傳動比時，要考慮下列因素：汽車最大爬坡度，驅(qū)動輪與路面附著力，汽車最低穩(wěn)定車速及主傳動比等。下面假設(shè)主傳動比已經(jīng)確定。(1) 根據(jù)最大爬坡度確定一檔傳動比：汽車在最大上坡路面行駛時，最大驅(qū)動力應(yīng)能克服輪胎與路面間滾動阻力及上坡阻力。由于汽車上坡行駛時，車速不高，故忽略空氣阻力。式中：Fkmax 最大驅(qū)動力；Ff 滾動阻力；Fimax 最大上坡阻力；又 (1-1)式中：Memax 發(fā)動機(jī)最大扭矩；i1 變速器一檔傳動比；i0(1-1) 汽車傳動系總效率；

14、m 汽車總質(zhì)量；g 重力加速度； 道路最大阻力系數(shù)；r 驅(qū)動輪滾動半徑；f 滾動阻力系數(shù)； max 道路最大上坡角。(2) 根據(jù)驅(qū)動輪與地面的附著力確定一檔傳動比：力。式中： 道路附著系數(shù)，取=；N 驅(qū)動力垂直反力，用下列公式計(jì)算： 其中：X、S 后輪驅(qū)動時，X = a，S = +1； 前輪驅(qū)動時，X = b，S = -1； 四輪驅(qū)動時，X = L，S = 0； 路面坡度角；a、b 重心至前后軸距離；L 軸距；hg 滿載時重心高度。(3) 根據(jù)最低穩(wěn)定車速確定一檔傳動比：(1-3)對于越野汽車，為了避免在松軟的路面上行駛，由于土壤受沖擊剪切破壞而損失地面附著力，imax應(yīng)保證汽車能在極低車速下穩(wěn)定行駛。設(shè)最低車速為(1-3)式中：r 車輪滾動半徑；nmin 發(fā)動機(jī)最低轉(zhuǎn)速；i 分動器低檔傳動比。(4) 最低檔傳動比的確定：根據(jù)以上三個條件(1-1)、(1-2)、(1-3)分別確定的一檔傳動比，最低檔傳動比。也可以用C曲線法(最佳動力性經(jīng)濟(jì)性曲線-加速時間油耗曲線)優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì). 其它各檔傳動比的確定： 五檔式變速器中第四檔為直接檔，傳動比為1。第五檔為超速檔一般取。一至四檔傳動比傳統(tǒng)