轎車7級自動變速器的設(shè)計與優(yōu)化

緒論1.1課題背景我國是以平行軸式變速器生產(chǎn)為主的國家，生產(chǎn)雙離合器自動變速器可以利用原有手動變速器的生產(chǎn)設(shè)備，只需增加少量生產(chǎn)設(shè)備就可以了，生產(chǎn)繼承性好，發(fā)展自動變速器有助于我國汽車行業(yè)的發(fā)展。近年隨著世界各國對能源的日益重視，石油成為重要的競爭資源之一，根據(jù)現(xiàn)在社會和能源的需要，設(shè)計出能夠既環(huán)保而且耗能少的轎車，設(shè)計變速器就是一個好的方法之一。近年來，隨著世界各國家對能源的日益重視，石油已經(jīng)成為重要的競爭資源之一，在這種大環(huán)境下，我國也十分重視石油的開采問題，尤其是這些年在石油行業(yè)上已經(jīng)由過去的粗放型向集約型開始轉(zhuǎn)變，石油的勘探，開采，提純都得到相當(dāng)程度地重視。篩管正是保證整個石油開采純度的關(guān)鍵部位，這就直接要求生產(chǎn)篩管的機(jī)械要有相當(dāng)?shù)募庸ぞ群捅ＷC產(chǎn)品的質(zhì)量，現(xiàn)在我國篩管纏繞機(jī)的加工精度還停留在一個比較低的水平，機(jī)床還完全是全機(jī)械傳動的情況，生產(chǎn)出的篩管精度并不能達(dá)到要求，這在生產(chǎn)石油篩管方面體現(xiàn)得還并不明顯，在其他各類需要精密過濾的行業(yè)我們的產(chǎn)品就不能達(dá)到要求，所以提高纏繞機(jī)的加工精度，和對纏繞機(jī)的再次優(yōu)化顯得尤為的重要。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀汽車自動變速器早在1940年已經(jīng)應(yīng)用在美國通用的奧茲莫比爾汽車上，這是一臺串聯(lián)式行星齒輪結(jié)構(gòu)的液控變速器。時距60多年的今天，汽車自動變速器已經(jīng)發(fā)生了重大的變化。這種變化主要體現(xiàn)在以下幾個方面。（一）汽車自動變速器早在1940年已經(jīng)應(yīng)用在美國通用的奧茲莫比爾汽車上，這是一臺串聯(lián)式行星齒輪結(jié)構(gòu)的液控變速器。時距60多年的今天，汽車自動變速器已經(jīng)發(fā)生了重大的變化。這種變化主要體現(xiàn)在以下幾個方面（二）是通過改造油泵、優(yōu)化液壓控制系統(tǒng)提高變速器傳動效率。自動變速器在結(jié)構(gòu)上主要由液力變矩器、油泵和機(jī)械齒輪傳動機(jī)構(gòu)組成。由于液力變矩器通過液力使泵輪、渦輪和導(dǎo)輪工作，油泵運轉(zhuǎn)會消耗能量，加之換檔執(zhí)行元件的摩擦又會消耗能量，使得自動變速器的傳動效率低于手動變速器，因此耗油也會高于手動變速器。采用現(xiàn)代控制理論的電控技術(shù)，自動變速器的機(jī)械效率已經(jīng)大大提高。通過降低油泵的軸向和徑向泄漏來提高油泵效率，同時對整個油泵系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，可以進(jìn)一步提高油泵高轉(zhuǎn)速時的傳動效率。1.3變速器介紹發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速非常高，最大功率及最大扭矩在一定的轉(zhuǎn)速區(qū)出現(xiàn)。為了發(fā)揮發(fā)動機(jī)的最佳性能，就必須有一套變速裝置，來協(xié)調(diào)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和車輪的實際行駛速度。變速器可以在汽車行駛過程中，在發(fā)動機(jī)和車輪之間產(chǎn)生不同的變速比，通過換擋可以使發(fā)動機(jī)工作在其最佳的動力性能狀態(tài)下。變速器的發(fā)展趨勢是越來越復(fù)雜，自動化程度也越來越高，自動變速器將是未來的主流。在汽車變速箱100多年的歷史中，主要經(jīng)歷了從手動到自動的發(fā)展過程。目前世界上使用最多的汽車變速器為手動變速器（MT）、自動變速器（AT）、手自一體變速器（AMT）、無級變速器（CVT）、雙離合變速器（DCT）五種型式。目前，隨著其理論與設(shè)計制造技術(shù)的不斷完善，其應(yīng)用范圍越來越廣泛。近十幾年來，自動變速器的多段化、電控化，液力變矩器自鎖區(qū)域的低車速化和傳動部件的小型化、大容量化和高強度技術(shù)有了很大的發(fā)展和提高。無級自動變速器技術(shù)在輕量小型化、大容量化和最佳控制化方面也有了較快的發(fā)展。汽車是高新技術(shù)的最具價值的商業(yè)載體，隨著我國已正式加入WTO，追趕世界汽車技術(shù)的步伐將進(jìn)一步加快，自動變速器作為汽車傳動系統(tǒng)計一個十分重要的總成，其發(fā)展無疑反映了當(dāng)今該項技術(shù)的潮流。作為汽車關(guān)鍵總成之一，變速器技術(shù)在汽車誕生的百年歷史中在不斷地與時俱進(jìn)。手動變速器由于其傳遞動力的直接與高效性，加上制作技術(shù)的成熟與低成本，現(xiàn)代汽車中裝備手動變速器的汽車仍然占有很大比例。但隨著人們對汽車舒適性要求越來越高，現(xiàn)代汽車自動變速器裝備率越來越高卻是一個不爭的事實，尤其是當(dāng)自動變速器也逐漸能夠兼顧操控性的時候。但，傳統(tǒng)自動變速器技術(shù)卻由于其效率的低下而在等待一場革命。我們想要知道的是，自動變速器的未來究竟將走向何方？在當(dāng)前多種技術(shù)的研發(fā)中，自動變速器技術(shù)逐漸呈現(xiàn)出了比較明顯的三大發(fā)展趨勢，一是以德國大眾汽車公司為代表的雙離合技術(shù)，二是無級變速技術(shù)即CVT技術(shù)，三是多家公司已然推出的多檔位技術(shù)。自動變速器根據(jù)汽車速度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、動力負(fù)荷等因素自動進(jìn)行升降檔位，不需由駕駛者操作離合器換檔，使用很方便。特別在交通比較擁擠的城區(qū)馬路行駛，自動變速器體現(xiàn)出很好的便利性。自動變速器比手動變速器復(fù)雜得多，有很多方面不相同，但最大的區(qū)別在于控制方面。手動變速器由駕駛員操縱檔位，加檔或減檔由人工操作，而自動變速器是由機(jī)器自動控制檔位，變換檔位是由液壓控制裝置進(jìn)行的。以一個典型的自動變速器為例，液壓控制裝置根據(jù)節(jié)氣門（油門）開度和變速器輸出軸上輸送來的信號控制升降檔。根據(jù)節(jié)氣門開度變化，液壓控制裝置中的調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生與加速踏板踏下量成正比的液壓，該液壓作為節(jié)氣門開度“信號”加到液壓控制裝置；另外有裝配在輸出軸上的速控液壓閥，可產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速（車速）成正比的液壓，作為車速“信號”加到液壓控制裝置。因此，就有節(jié)氣門開度“信號”和車速“信號”，液壓控制裝置根據(jù)這兩個“信號”自動調(diào)節(jié)變速器油量，從而控制換檔時機(jī)。也就是說在汽車駕駛中，駕駛員踏下加速踏板（油門踏板），控制節(jié)氣門開度和汽車的行駛速度（變速器輸出軸轉(zhuǎn)速），就能自動控制變速器內(nèi)的液壓控制裝置，液壓控制裝置會利用液力去控制行星齒輪系統(tǒng)的離合器和制動器，以改變行星齒輪的傳動狀態(tài)。自動變速器的廠牌型號很多，外部形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有所不同，但它們的組成基本相同，都是由液力變矩器和齒輪式自動變速器組合起來的。常見的組成部分有液力變矩器、行星齒輪機(jī)構(gòu)、離合器、制動器、油泵、濾清器、管道、控制閥體、速度調(diào)壓器等，按照這些部件的功能，可將它們分成液力變矩器、變速齒輪機(jī)構(gòu)、供油系統(tǒng)、自動換擋控制系統(tǒng)和換擋操縱機(jī)構(gòu)等五大部分。2變速器的總體方案設(shè)計2.1變速器的功用及設(shè)計要求隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，人們越來越最求汽車的舒適性和操作穩(wěn)定性。而變速器設(shè)計是汽車設(shè)計中重要的環(huán)節(jié)之一。它是用來改變發(fā)動機(jī)傳到驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，保證在各種行駛工況下都能獲得良好的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，因此變速器如果設(shè)計不合理，將會使汽車的舒適性下降，使汽車的運行噪聲增大，影響汽車的整體性。變速器是完成傳動系任務(wù)的重要部件，也是決定整車性能的主要部件之一。變速器的設(shè)計水平對汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、換擋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。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，轎車變速器的設(shè)計趨勢為增大變速器傳遞功率與重量之比，并要求變速器具有較小的尺寸和良好性能。本文闡述了發(fā)動機(jī)的選擇、變速器方案的確定、變速器設(shè)計、變速器同步器設(shè)計、變速器箱體設(shè)計。在給定發(fā)動機(jī)排量、最高車速、最大扭矩等條件下，著重對變速器齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)、軸的結(jié)構(gòu)尺寸等進(jìn)行設(shè)計計算。變速器用來改變發(fā)動機(jī)傳到驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目是在原地起步、爬坡、轉(zhuǎn)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(jī)在最有利的范圍內(nèi)工作。變速器設(shè)有空擋，可在啟動發(fā)動機(jī)、汽車滑行或停車時使發(fā)動機(jī)的動力停止向驅(qū)動輪傳輸。變速器設(shè)有空擋，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。為保證變速器具有良好的工作性能，對變速器應(yīng)提出如下設(shè)計要求1）保證汽車有必要的動力性和經(jīng)濟(jì)性。2）設(shè)置空擋，用來切斷發(fā)動機(jī)動力向驅(qū)動輪的傳輸。3）設(shè)置倒檔，使汽車能倒退行駛。4）設(shè)置動力輸出裝置，需要時能進(jìn)行功率輸出。5）換擋迅速，省力，方便。6）工作可靠。汽車行駛過程中，變速器不得有跳擋，亂擋以及換擋沖擊等現(xiàn)象發(fā)生。7）變速器應(yīng)當(dāng)有高的工作效率。8）變速器的工作噪聲低除此以外，變速器還應(yīng)當(dāng)滿足輪廓尺寸和質(zhì)量小，制造成本低，維修方便等要求。滿足汽車有必要的動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，這與變速器的檔數(shù)，傳動比范圍和各擋傳動比有關(guān)。汽車工作的道路條件越復(fù)雜，比功率越小，變速器的傳動比范圍越大。2.2變速器傳動機(jī)構(gòu)布置方案機(jī)械式變速器因具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、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(yīng)用。2.2.1三軸式變速器與兩軸式變速器現(xiàn)代汽車變速器中兩軸式和中間軸式變速器應(yīng)用廣泛。以下是三軸式和兩軸式變速器的傳動方案。三軸式變速器其第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(yīng)齒輪相嚙合，且第一、第二軸同心。將第一、第二軸直接連接起來傳遞扭矩則稱為直接檔。此時，齒輪、軸承及中間軸均不承載，而第一、第二軸也傳遞轉(zhuǎn)矩。因此，直接檔的傳遞效率高，磨損及噪音也最小，這是三軸式變速器的主要優(yōu)點。其他前進(jìn)檔需依次經(jīng)過兩對齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩。因此。在齒輪中心距（影響變速器尺寸的重要參數(shù)）較小的情況下仍然可以獲得大的一檔傳動比，這是三軸式變速器的另一優(yōu)點。其缺點是：除直接檔外其他各檔的傳動效率有所下降。兩軸式變速器與三軸式變速器相比，其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊且除最高檔外其他各檔的傳動效率高、噪聲低。轎車多采用發(fā)動機(jī)前置前輪驅(qū)動，因為這種布置使汽車的動力-傳動系統(tǒng)緊湊、操縱性好且可使汽車質(zhì)量降低6%~10%。兩軸式變速器則方便于這種布置且傳動系的結(jié)構(gòu)簡單。兩軸式變速器的第二軸（即輸出軸）與主減速器主動齒輪做成一體，當(dāng)發(fā)動機(jī)縱置時，主減速器可用螺旋錐齒輪或雙面齒輪；當(dāng)發(fā)動機(jī)橫置時則可用圓柱齒輪，從而簡化了制造工藝，降低了成本。兩軸式變速器沒有直接檔，因此在高檔工作時，齒輪和軸承均承載，因而噪聲比較大，也增加了磨損，這是它的缺點。另外，低檔傳動比取值的上限（igⅠ=4.0~4.5）也受到較大限制，但這一缺點可通過減小各檔傳動比同時增大主減速比來取消。綜上所述，由于此次設(shè)計的是家庭經(jīng)濟(jì)型變速器，驅(qū)動形式屬于發(fā)動機(jī)前置前輪驅(qū)動，且可布置變速器的空間較小，對變速器的要求較高，要求運行噪聲小，設(shè)計車速高，故選用二軸式變速器作為傳動方案。選擇7檔變速器，并且五檔為超速檔。2.2.2倒檔的布置方案常見的倒檔結(jié)構(gòu)方案有以下幾種：圖2-1a為常見的倒擋布置方案。在前進(jìn)檔的傳動路線中，加入一個傳動，使結(jié)構(gòu)簡單，但齒輪處于正負(fù)交替對稱變化的彎曲應(yīng)力狀態(tài)下工作。此方案廣泛用于轎車和輕型貨車的四檔全同步器式變速器中。圖2-1b所示方案的優(yōu)點是換倒擋時利用了中間軸上的一擋齒輪，因而縮短了中間軸的長度。但換擋時有兩對齒輪同時進(jìn)入嚙合，使換擋困難。某些輕型貨車四檔變速器采用此方案。圖2-1c所示方案能獲得較大的倒擋傳動比，缺點是換擋程序不合理。圖2-1d所示方案針對前者的缺點做了修改，因而經(jīng)常在貨車變速器中使用。圖2-1e所示方案是將中間軸上的一，倒擋齒輪做成一體，將其齒寬加長。圖2-1f所示方案適用于全部齒輪副均為常嚙合齒輪，換擋更為輕便。為了充分利用空間，縮短變速器軸向長度，有的貨車倒擋傳動采用圖2-1g所示方案。其缺點是一、倒擋須各用一根變速器撥叉軸，致使變速器上蓋中的操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜一些。綜合考慮，本次設(shè)計采用圖2-1f所示方案的倒檔換檔方式。2.3變速器主要零件的結(jié)構(gòu)方案分析變速器的設(shè)計方案必需滿足使用性能、制造條件、維護(hù)方便及三化等要求。在確定變速器結(jié)構(gòu)方案時，也要考慮齒輪型式、換檔結(jié)構(gòu)型式、軸承型式等因素。2.3.1齒輪型式齒輪形式有直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪。與直齒圓柱齒輪比較，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長，工作時噪聲低等優(yōu)點；缺點是制造時稍復(fù)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(dǎo)致變速器的轉(zhuǎn)動慣量增大。直齒圓柱齒輪僅用于低檔和倒擋。但是，在本設(shè)計中由于各檔采用的是常嚙合方案，因此全部采用斜齒輪傳動方案。2.3.2換檔結(jié)構(gòu)型式變速器換檔機(jī)構(gòu)有直齒滑動齒輪、嚙合套和同步器換檔三種形式。采用軸向滑動直齒齒輪換檔，會在輪齒端面產(chǎn)生沖擊，齒輪端部磨損加劇并過早損壞，并伴隨著噪聲。因此，除一檔、倒檔外已很少使用。常嚙合齒輪可用移動嚙合套換檔。因承受換檔沖擊載荷的接合齒齒數(shù)多，嚙合套不會過早被損壞，但不能消除換檔沖擊。目前這種換檔方法只在某些要求不高的檔位及重型貨車變速器上應(yīng)用。使用同步器能保證換檔迅速、無沖擊、無噪聲，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、燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性。同上述兩種換檔方法比較，雖然它有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度要求高、軸向尺寸大等缺點，但仍然得到廣泛應(yīng)用。通過比較，考慮汽車的操縱性能，本設(shè)計全部檔位均選用同步器換檔。2.3.3自動脫檔自動脫檔是變速器的主要障礙之一。為解決這個問題，除工藝上采取措施以外，目前在結(jié)構(gòu)上采取措施且行之有效的方案有以下幾種1）將嚙合套做得長一些或者兩接合齒的嚙合位置錯開，這樣在嚙合時使接合齒端部超過被接合齒約1-3mm。使用中因接觸部分?jǐn)D壓和磨損，因而在接合齒端部形成凸肩，以阻止自動脫檔。2）將嚙合套齒座上前齒圈的齒厚切?。?.3-0.6mm），這樣，換檔后嚙合套的后端面便被后齒圈的前端面頂住，從而減少自動脫檔。3）將接合齒的工作面設(shè)計并加工成斜面，形成倒錐角（一般傾斜20-30），使接合齒面產(chǎn)生阻止自動脫檔的軸向力。這種結(jié)構(gòu)方案比較有效，采用較多。2.3.4軸承型式變速器軸承常采用圓柱滾子軸承、球軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承、滑動軸套等。滾針軸承、滑動軸承套主要用在齒輪與軸不是固定連接，并要求兩者有相對運動的地方。變速器中采用圓錐滾子軸承雖然有直徑較小、寬度較大因而容量大、可承受高負(fù)荷等優(yōu)點，但也有需要調(diào)整預(yù)緊、裝配麻煩、磨損后軸易歪斜而影響齒輪正確嚙合的缺點。由于本設(shè)計的變速器為兩軸變速器，具有較大的軸向力，所以設(shè)計中變速器輸入軸、輸出軸的前、后軸承按直徑系列均選用圓錐滾子軸承。2.3.5變速器操縱機(jī)構(gòu)布置方案根據(jù)汽車使用條件的需要，駕駛員利用操縱機(jī)構(gòu)完成選檔和實現(xiàn)換檔或退到空檔。變速器操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足如下主要要求：換檔時只能掛入一個檔位，換檔后應(yīng)使齒輪在全齒長上嚙合，防止自動脫檔或自動掛檔，防止誤掛倒檔，換檔輕便。變速器操縱機(jī)構(gòu)通常裝在頂蓋或側(cè)蓋內(nèi)，也有少數(shù)是分開的。變速器操縱機(jī)構(gòu)操縱第二軸上的滑動齒輪、嚙合套或同步器得到所需不同檔位。用于機(jī)械式變速器的操縱機(jī)構(gòu)，常見的是由變速桿、撥塊、撥叉、變速叉軸及互鎖、自鎖和倒檔裝置等主要零件組成，并依靠駕駛員手力完成選檔、換檔或推到空檔工作，稱為手動換檔變速器。1、直接操縱式手動換檔變速器當(dāng)變速器布置在駕駛員座椅附近時，可將變速桿直接安裝在變速器上，并依靠駕駛員手力和通過變速桿直接完成換檔功能的手動換檔變速器，稱為直接操縱變速器。這種操縱方案結(jié)構(gòu)最簡單，已得到廣泛應(yīng)用。近年來，單軌式操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)用較多，其優(yōu)點是減少了變速叉軸，各檔同用一組自鎖裝置，因而使操縱機(jī)構(gòu)簡化，但它要求各檔換檔行程相等。2、遠(yuǎn)距離操縱手動換檔變速器平頭式汽車或發(fā)動機(jī)后置后輪驅(qū)動汽車的變速器，受總體布置限制，變速器距駕駛員座位較遠(yuǎn)，這時需要在變速桿與撥叉之間布置若干傳動件，換檔手力經(jīng)過這些轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)才能完成換檔功能。這種手動換檔變速器，稱為遠(yuǎn)距離操縱手動換檔變速器。3、電動自動換檔變速器20世紀(jì)80年代以后，在固定軸式機(jī)械變速器基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用計算機(jī)和電子控制技術(shù)，使之實現(xiàn)自動換檔，并取消了變速桿和離合器踏板。駕駛員只需控制油門踏板，汽車在行駛過程中就能自動完成換檔，這種變速器成為電動自動換檔變速器。由于所設(shè)計的變速器為兩軸變速器，采用發(fā)動機(jī)前置前輪驅(qū)動，變速器離駕駛員座椅較近，所以采用直接操縱式手動換檔變速器。2.4傳動方案的最終設(shè)計通過對變速器型式、傳動機(jī)構(gòu)方案及主要零件結(jié)構(gòu)方案的分析與選擇，并根據(jù)設(shè)計任務(wù)與要求，最終確定的傳動方案如圖所示。其傳動路線：1-一檔主動齒輪2-一檔從動齒輪3-二檔主動齒輪4-二檔從動齒輪5-三檔主動齒輪6-三檔從動齒輪7-四檔主動齒輪8-四檔從動齒輪9-五檔主動齒輪10-五檔從動齒輪11-倒檔主動齒輪12-倒檔中間軸齒輪13-倒檔輸出軸齒輪3變速器主要參數(shù)的選擇與齒輪設(shè)計本設(shè)計是根據(jù)帝豪EC7手動進(jìn)取型而開展的，設(shè)計中所采用的相關(guān)參數(shù)均來源于此種車型：主減速比：5.7最高時速：165km/h輪胎型號：205/65R15最大扭矩：140Nm/4400rpm最大功率：80kw/6000rpm 最高轉(zhuǎn)速：6250r/min整備質(zhì)量：1258kg3.1檔數(shù)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4～5個檔位的變速器。發(fā)動機(jī)排量大的乘用車變速器多用5個檔。商用車變速器采用4～5個檔或多檔。載質(zhì)量在2.0～3.5t的貨車采用五檔變速器，載質(zhì)量在4.0～8.0t的貨車采用六檔變速器。多檔變速器多用于總質(zhì)量大些的貨車和越野汽車上。檔數(shù)選擇的要求：1、相鄰檔位之間的傳動比比值在1.8以下。2、高檔區(qū)相鄰檔位之間的傳動比比值要比低檔區(qū)相鄰檔位之間的比值小。因此，本次設(shè)計的轎車變速器為7檔變速器。3.2傳動比范圍變速器傳動比范圍是指變速器最高檔與最低檔傳動比的比值。最高檔通常是直接檔，傳動比為1.0；有的變速器最高檔是超速檔，傳動比為0.7～0.8。影響最低檔傳動比選取的因素有：發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速所要求的汽車最大爬坡能力、驅(qū)動輪與路面間的附著力、主減速比和驅(qū)動輪的滾動半徑以及所要求達(dá)到的最低穩(wěn)定行駛車速等。目前乘用車的傳動比范圍在3.0～4.5之間，總質(zhì)量輕些的商用車在5.0～8.0之間，其它商用車則更大。本設(shè)計最高檔傳動比為0.77。3.3變速器各檔傳動比的確定1、主減速器傳動比的確定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車行駛速度之間的關(guān)系式為：（3-1）式中：——汽車行駛速度（km/h）；——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；——車輪滾動半徑（m）；——變速器傳動比；——主減速器傳動比。已知：最高車速==165km/h；最高檔為超速檔，傳動比=0.77；車輪滾動半徑由所選用的輪胎規(guī)格205/65R15得到取r=0.323m,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速==6000（r/min）；由公式（3-1）得到主減速器傳動比2、最抵檔傳動比計算按最大爬坡度設(shè)計，滿足最大通過能力條件，即用一檔通過要求的最大坡道角坡道時，驅(qū)動力應(yīng)大于或等于此時的滾動阻力和上坡阻力（加速阻力為零，空氣阻力忽略不計）。用公式表示如下：（3-2）式中：G——車輛總重量（N）；Ft——驅(qū)動力——坡道面滾動阻力系數(shù)（對瀝青路面μ=0.01~0.02）；——發(fā)動機(jī)最大扭矩（N·m）；——主減速器傳動比；——變速器傳動比；——為傳動效率（0.85~0.9）；R——車輪滾動半徑；——最大爬坡度（一般轎車要求能爬上30%的坡，大約）由公式（3-2）得：（3-3）已知：m=1625kg（總質(zhì)量m由整備質(zhì)量m0、乘員和駕駛員質(zhì)量以及行李三部分構(gòu)成）；；r=0.323m；=140N·m；=5.7；g=9.8m/s2；，把以上數(shù)據(jù)代入（3-3）式：滿足不產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)條件。即用一檔發(fā)出最大驅(qū)動力時，驅(qū)動輪不產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。公式表示如下：（3-4）式中：——驅(qū)動輪的地面法向反力，；——驅(qū)動輪與地面間的附著系數(shù)；對混凝土或瀝青路面可取0.5~0.6之間。已知：kg；取0.6，把數(shù)據(jù)代入（3-4）式得：所以，一檔轉(zhuǎn)動比的選擇范圍是：初選一檔傳動比為3.4。3、變速器各檔速比的配置按等比級數(shù)分配其它各檔傳動比，即：3.4中心距的選擇轎車變速器的中心距在60～80mm范圍內(nèi)變化。初取A=75mm。3.5變速器的外形尺寸變速器的橫向外形尺寸，可以根據(jù)齒輪直徑以及倒檔中間齒輪和換檔機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)形式以及齒輪形式。乘用車變速器殼體的軸向尺寸可參考下列公式選用：mm初選長度為240mm。3.6齒輪參數(shù)的選擇1、模數(shù)選取齒輪模數(shù)時一般要遵守的原則是：為了減少噪聲應(yīng)合理減小模數(shù)，同時增加齒寬；為使質(zhì)量小些，應(yīng)該增加模數(shù)，同時減少齒寬；從工藝方面考慮，各檔齒輪應(yīng)該選用一種模數(shù)；從強度方面考慮，各檔齒輪應(yīng)有不同的模數(shù)。對于轎車，減少工作噪聲較為重要，因此模數(shù)應(yīng)選得小些；對于貨車，減小質(zhì)量比減小噪聲更重要，因此模數(shù)應(yīng)選得大些。表3-1汽車變速器齒輪的法向模數(shù)車型乘用車的發(fā)動機(jī)排量V/L貨車的最大總質(zhì)量/t1.0<V<1.61.6<V<2.56.0<<14>14模數(shù)/mm2.25~2.752.75~3.003.50~4.504.50~6.00轎車模數(shù)的選取以發(fā)動機(jī)排量作為依據(jù)，由表3-1選取各檔模數(shù)為，由于轎車對降低噪聲和振動的水平要求較高，所以各檔均采用斜齒輪。2、壓力角壓力角較小時，重合度較大，傳動平穩(wěn)，噪聲較低；壓力角較大時，可提高輪齒的抗彎強度和表面接觸強度。對于轎車，為了降低噪聲，應(yīng)選用14.5°、15°、16°、16.5°等小些的壓力角。對貨車，為提高齒輪強度，應(yīng)選用22.5°或25°等大些的壓力角。國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為20°，所以普遍采用的壓力角為20°。嚙合套或同步器的壓力角有20°、25°、30°等，普遍采用30°壓力角。本變速器為了加工方便，故全部選用標(biāo)準(zhǔn)壓力角20°。3、螺旋角齒輪的螺旋角對齒輪工作噪聲、輪齒的強度和軸向力有影響。選用大些的螺旋角時，使齒輪嚙合的重合度增加，因而工作平穩(wěn)、噪聲降低。試驗證明：隨著螺旋角的增大，齒的強度相應(yīng)提高，但當(dāng)螺旋角大于30°時，其抗彎強度驟然下降，而接觸強度仍繼續(xù)上升。因此，從提高低檔齒輪的抗彎強度出發(fā)，并不希望用過大的螺旋角；而從提高高檔齒輪的接觸強度著眼，應(yīng)當(dāng)選用較大的螺旋角。本設(shè)計初選螺旋角全部為21°。4、齒寬齒寬對變速器的軸向尺寸、質(zhì)量、齒輪工作平穩(wěn)性、齒輪強度和齒輪工作時的受力均勻程度等均有影響?？紤]到盡可能縮短變速器的軸向尺寸和減小質(zhì)量，應(yīng)該選用較小的齒寬。另一方面，齒寬減小使斜齒輪傳動平穩(wěn)的優(yōu)點被削弱，此時雖然可以用增加齒輪螺旋角的方法給予補償，但這時軸承承受的軸向力增大，使其壽命降低。齒寬較小又會使齒輪的工作應(yīng)力增加。選用較大的齒寬，工作中會因軸的變形導(dǎo)致齒輪傾斜，使齒輪沿齒寬方向受力不均勻造成偏載，導(dǎo)致承載能力降低，并在齒寬方向磨損不均勻。通常根據(jù)齒輪模數(shù)的大小來選定齒寬：斜齒，取為6.0～8.5，取6.05、齒頂高系數(shù)齒頂高系數(shù)對重合度、輪齒強度、工作噪聲、輪齒相對滑動速度、輪齒根切和齒頂厚度等有影響。若齒頂高系數(shù)小，則齒輪重合度小，工作噪聲大；但因輪齒受到的彎矩減小，輪齒的彎曲應(yīng)力也減少。因此，從前因齒輪加工精度不高，并認(rèn)為輪齒上受到的載荷集中齒頂上，所以曾采用過齒頂高系數(shù)為0.75～0.80的短齒制齒輪。在齒輪加工精度提高以后，包括我國在內(nèi)，規(guī)定齒頂高系數(shù)取為1.00。為了增加齒輪嚙合的重合度，降低噪聲和提高齒根強度，有些變速器采用齒頂高系數(shù)大與1.00的細(xì)高齒。本設(shè)計取為1.00。3.7各檔齒輪齒數(shù)的分配及傳動比的計算在初選中心距、齒輪模數(shù)和螺旋角以后，可根據(jù)變速器的檔數(shù)、傳動比和傳動方案來分配各檔齒輪的齒數(shù)。應(yīng)該注意的是，各檔齒輪的齒數(shù)比應(yīng)該盡可能不是整數(shù)，以使齒面磨損均勻。根據(jù)圖3-1確定各檔齒輪齒數(shù)和傳動比。1、一檔齒數(shù)及傳動比的確定一檔傳動比為：（3-5）取整得56。轎車可在12～17之間選取，取13，則。則一檔傳動比為：1-一檔主動齒輪2-一檔從動齒輪3-二檔主動齒輪4-二檔從動齒輪5-三檔主動齒輪6-三檔從動齒輪7-四檔主動齒輪8-四檔從動齒輪9-五檔主動齒輪10-五檔從動齒輪11-倒檔主動齒輪12-倒檔中間軸齒輪13-倒檔輸出軸齒輪圖3-1五檔變速器傳動方案簡圖2、對中心距A進(jìn)行修正取整得mm，為標(biāo)準(zhǔn)中心矩。3、二檔齒數(shù)及傳動比的確定（3-6）（3-7）已知：=76mm，=2.345，=2.50，；將數(shù)據(jù)代入（3-6）、（3-7）兩式，齒數(shù)取整得：，，所以二檔傳動比為：4、計算三檔齒輪齒數(shù)及傳動比（3-8）（3-9）已知：=76mm，=1.618，=2.50，；將數(shù)據(jù)代入（3-8）、（3-9）兩式，齒數(shù)取整得：，，所以三檔傳動比為：5、計算四檔齒輪齒數(shù)及傳動比（3-10）（3-11）已知：=76mm，=1.116，=2.50，；將數(shù)據(jù)代入（3-10）、（3-11）兩式，齒數(shù)取整得：，，所以四檔傳動比為：6、計算五檔齒輪齒數(shù)及傳動比（3-12）（3-13）已知：=76mm，=0.77，=2.50，；將數(shù)據(jù)代入（3-12）、（3-13）兩式，齒數(shù)取整得：，，所以五檔傳動比為：7、計算倒檔齒輪齒數(shù)及傳動比初選倒檔軸上齒輪齒數(shù)為=25，輸入軸齒輪齒數(shù)=13，為保證倒檔齒輪的嚙合不產(chǎn)生運動干涉齒輪11和齒輪13的齒頂圓之間應(yīng)保持有0.5mm以上的間隙，即滿足以下公式：（3-14）已知：，，，把數(shù)據(jù)代入（3-14）式，齒數(shù)取整，解得：，則倒檔傳動比為：輸入軸與倒檔軸之間的距離： mm取=51輸出軸與倒檔軸之間的距離：mm取=863.8變速器齒輪的變位及齒輪螺旋角的調(diào)整采用變位齒輪的原因：配湊中心距；提高齒輪的強度和使用壽命；降低齒輪的嚙合噪聲。為了降低噪聲，對于變速器中除去一、二檔以外的其它各檔齒輪的總變位系數(shù)要選用較小一些的數(shù)值。一般情況下，隨著檔位的降低，總變位系數(shù)應(yīng)該逐檔增大。一、二檔和倒檔齒輪，應(yīng)該選用較大的值。4變速器的設(shè)計與計算4.1齒輪材料的選擇原則（1）滿足工作條件的要求。不同的工作條件，對齒輪傳動有不同的要求，故對齒輪材料亦有不同的要求。但是對于一般動力傳輸齒輪，要求其材料具有足夠的強度和耐磨性，而且齒面硬，齒芯軟。（2）合理選擇材料配對。如對硬度≤350HBS的軟齒面齒輪，為使兩輪壽命接近，小齒輪材料硬度應(yīng)略高于大齒輪，且使兩輪硬度差在30～50HBS左右。為提高抗膠合性能，大、小輪應(yīng)采用不同鋼號材料。（3）考慮加工工藝及熱處理工藝。大尺寸的齒輪一般采用鑄造毛坯，可選用鑄鋼或鑄鐵；中等或中等以下尺寸要求較高的齒輪常采用鍛造毛坯，可選擇鍛鋼制作。尺寸較小而又要求不高時，可選用圓鋼作毛坯。軟齒面齒輪常用中碳鋼或中碳合金鋼，經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理后，再進(jìn)行切削加工即可；硬齒面齒輪（硬度>350HBS）常采用低碳合金鋼切齒后再表面滲碳淬火或中碳鋼（或中碳合金鋼）切齒后表面淬火，以獲得齒面、齒芯韌的金相組織，為消除熱處理對已切輪齒造成的齒面變形需進(jìn)行磨齒。但若采用滲氮處理，其齒面變形小，可不磨齒，故可適用于內(nèi)齒輪等無法磨齒的齒輪。由于一對齒輪一直參與傳動，磨損較大，齒輪所受沖擊載荷作用也大，抗彎強度要求比較高。應(yīng)選用硬齒面齒輪組合，所有齒輪均選用20CrMnTi滲碳后表面淬火處理，硬度為58～62HRC。4.2變速器齒輪強度校核4.2.1齒輪彎曲強度校核（斜齒輪）（4-1）式中：——圓周力（N），；——計算載荷（N·mm）；——節(jié)圓直徑（mm），，為法向模數(shù)（mm）；——斜齒輪螺旋角；——應(yīng)力集中系數(shù)，=1.50；——齒面寬（mm）；——法向齒距，；——齒形系數(shù)，可按當(dāng)量齒數(shù)在齒形系數(shù)圖4-1中查得；——重合度影響系數(shù)，=2.0。圖4-1齒形系數(shù)圖將上述有關(guān)參數(shù)據(jù)代入公式（4-1），整理得到（4-2）4.2.2輪齒接觸應(yīng)力校核（4-3）式中：——輪齒接觸應(yīng)力（MPa）；——齒面上的法向力（N），；——圓周力（N），；——計算載荷（N·mm）；為節(jié)圓直徑（mm）；——節(jié)點處壓力角，為齒輪螺旋角；——齒輪材料的彈性模量（MPa）；——齒輪接觸的實際寬度（mm）；，——主從動齒輪節(jié)點處的曲率半徑（mm），直齒輪，斜齒輪，；、——主從動齒輪節(jié)圓半徑（mm）。表4.3變速器齒輪許用接觸應(yīng)力齒輪/MPa滲碳齒輪液體碳氮共滲齒輪一檔和倒檔1900-2000950-1000常嚙合齒輪和高檔齒輪1300-1400650-700將作用在變速器第一軸上的載荷作為計算載荷時，變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力[]見表4.3：4.4軸的強度驗算4.4.1軸的剛度計算對齒輪工作影響最大的是軸在垂直面內(nèi)產(chǎn)生的撓度和軸在水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角。前者使齒輪中心距發(fā)生變化，破壞了齒輪的正確嚙合；后者使齒輪相互歪斜，致使沿齒長方向的壓力分布不均勻。初步確定軸的尺寸以后，可對軸進(jìn)行剛度和強度驗算。圖4.2變速器軸的撓度和轉(zhuǎn)角軸的撓度和轉(zhuǎn)角如圖4.2所示，若軸在垂直面內(nèi)撓度為，在水平面內(nèi)撓度為和轉(zhuǎn)角為δ，可分別用下式計算：（4-5）（4-6）（4-7）式中：——齒輪齒寬中間平面上的徑向力（N）；——齒輪齒寬中間平面上的圓周力（N）；——彈性模量（MPa），=2.1×105MPa；——慣性矩（mm4），對于實心軸，；——軸的直徑（mm），花鍵處按平均直徑計算；、——齒輪上的作用力距支座、的距離（mm）；——支座間的距離（mm）。軸的全撓度為mm。軸在垂直面和水平面內(nèi)撓度的允許值為=0.05～0.10mm，=0.10～0.15mm。齒輪所在平面的轉(zhuǎn)角不應(yīng)超過0.002rad。1、變速器輸入軸和輸出軸的剛度校核（1）軸上受力分析一檔工作時：NNN輸入軸的撓度和轉(zhuǎn)角的計算：已知：a=23mm；b=231.24mm；L=254.24mm；d=35.5mm，把有關(guān)數(shù)據(jù)代入（4-5）、（4-6）、（4-7）得到：mmmmmmrad輸出軸的撓度和轉(zhuǎn)角的計算：輸出軸上作用力與輸入軸上作用力大小相等，方向相反。已知：a=25.25mm；b=231.24mm；L=256.49mm；d=43mm，把有關(guān)數(shù)據(jù)代入（4-5）、（4-6）、（4-7）得到：mmmmmmrad，變速器在各檔工作時均滿足剛度要求。4.4.2軸的強度計算變速器在一檔工作時：對輸入軸校核：計算輸入軸的支反力：NNN已知：a=23mm；b=231.24mm；L=254.24mm；d=35.5mm，1、垂直面內(nèi)支反力對B點取距：FAY（a+b）+Fa1*r1-Fr1*b=0代入得：FAY=2623.567N對A點取距：FBY（a+b）-Fa1*r1-Fr1*a=0代入得：FBY=512.173N2、水平面內(nèi)的支反力對B點取距：FAX（a+b）-Ft1*b=0代入得：FAX=7265.402N對A點取距：FBX（a+b）-Ft1*b=0代入得：FBX=722.644N3、計算垂直面內(nèi)的彎矩作用在齒輪上的徑向力和軸向力，使軸在垂直面內(nèi)彎曲變形，而圓周力使軸在水平面內(nèi)彎曲變形。在求取支點的垂直面和水平面內(nèi)的支反力之后，計算相應(yīng)的彎矩、。軸在轉(zhuǎn)矩和彎矩的同時作用下，其應(yīng)力為（4-8）式中：（N.m）；——軸的直徑（mm），花鍵處取內(nèi)徑；——抗彎截面系數(shù)（mm3）。將數(shù)據(jù)代入（3.29）式，得：MPa在低檔工作時，400MPa，符合要求。對輸出軸校核：計算輸出軸的支反力：齒輪受力如下：NNN已知：a= 25.25mm；b=231.24mm；L=256.49mm；d=43mm1、垂直面內(nèi)支反力對B點取距：FAY（a+b）+Fa2*r2-Fr2*b=0代入得：FAY=3097.58N對A點取距：FBY（a+b）-Fa2*r2-Fr2*a=0代入得：FBY=38.16N2、水平面內(nèi)的支反力對B點取距：FAX（a+b）-Ft2*b=0代入得：FAX=786.69N對A點取距：FBX（a+b）-Ft2*b=0代入得：FBX=7357.39N把以上數(shù)據(jù)代入（4-8），得：MPa在低檔工作時，400MPa，符合要求。參考文獻(xiàn)[1]王洪欣，李木，劉秉忠.機(jī)械設(shè)計工程學(xué)（Ⅰ）[M].第一版.江蘇：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.[2]唐大放，馮曉寧，楊現(xiàn)卿.機(jī)械設(shè)計工程學(xué)（Ⅱ）[M].第一版.江蘇：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.[3]張樹森.機(jī)械制造工程學(xué)[M].第一版.遼寧：東北大學(xué)出版社，2001.[4]王東梅.變速器與取力器連接螺栓斷裂原因及改進(jìn)措施[J].萬淳才.專用汽車，2006，01期：46-47.[5]甘永立.幾何量公差與檢測[M].第五版.上海：上?？萍技夹g(shù)出版社，2001.[6]趙琳，魏慶主.汽車概論[M].第一版.遼寧：人民交通出版社出版，2003.[7]吳際璋.汽車構(gòu)造（下）[M].第一版.遼寧：安徽科學(xué)技術(shù)出版社出版，2001.[8]劉維信.汽車設(shè)計[M].第一版.北京：清華大學(xué)出版社出版，2003.[9]鄧亞東等主編[M]汽車設(shè)計遼寧：人民交通出版社出版，2003.[10]高維山主編[M]變速器北京：人民交通出版社出版，2001.[11]于長明.豐田車系維修筆記匯總（29）[J].汽車與駕駛維修（維修版），2018（03）：54-55.[12]王光宏.運用數(shù)據(jù)流分析一汽-大眾車系故障案例（3）[J].汽車與駕駛維修（維修版），2018（03）：56-58.[13]王核成，魯東琴，周泯非.企業(yè)網(wǎng)絡(luò)權(quán)力配置與創(chuàng)新能力的提升——吉利汽車縱向案例研究[J].科學(xué)學(xué)與科學(xué)技術(shù)管理，2018（03）：61-76.[14]汪學(xué)慧.汪學(xué)慧專家門診[J].汽車維修與保養(yǎng)，2018（03）：26+28.[15].世界十佳變速器亮點解析[J].汽車維修與保養(yǎng)，2018（03）：34+36.[16]徐占富.2009年帕薩特自動變速器偶發(fā)性強制降擋故障[J].汽車維修技師，2018（03）：80-82.[17]薛慶文.2013年一汽奧迪A6L為何只有起步加速聳車[J].汽車維修技師，2018（03）：83-85.[18].新風(fēng)尚實力三廂轎車領(lǐng)先價值定義“敢為座駕”——廣汽豐田YARiSL致享[J].世界汽車，2018（03）：124-125.[19]陳順強.速騰轎車雙離合自動變速器擋位缺失故障的分析[J].汽車維修，2018（03）：8-9.[20]郭振杰.寶馬