轿车机械式变速器设计.doc

摘 要变速器用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，目的是在原地起步，爬坡，转弯，加速等各种行驶工况下，使汽车获得不同的牵引力和速度，同时使发动机在最有利工况范围内工作变速器设有空挡和倒挡需要时变速器还有动力输出功能因为变速箱在低档工作时作用有较大的力，所以一般变速箱的低档都布置靠近轴的后支承处，然后按照从低档到高档顺序布置各档位齿轮这样做既能使轴有足够大的刚性，又能保证装配容易变速箱整体结构刚性与轴和壳体的结构有关系一般通过控制轴的长度即控制档数，来保证变速箱有足够的刚性本文设计研究了三轴式五挡手动变速器，对变速器的工作原理做了阐述，变速器的各挡齿轮和轴做了详细的设计计算，并进行了强度校核，对一些标准件进行了选型变速器的传动方案设计简单讲述了变速器中各部件材料的选择关键词：变速器；传动比；机械式；齿距；I目 录1 绪论 11.1 选题背景及意义 11.2 汽车参数的选择 11.3 变速器设计应满足的基本要求 22 变速器传动机构布置方案 32.1 传动机构布置方案分析 32.1.1 固定轴式变速器 32.1.2 倒挡布置方案 33 零部件结构方案分析 53.1 齿轮形式 53.2 换挡机构形式 53.3 变速器轴承 64 变速器设计和计算 84.1 挡数 84.2 传动比范围 84.3 中心距A 84.4 外形尺寸 94.5 轴的直径 94.6 齿轮参数 94.6.1 模数的选取 94.6.2 压力角 104.6.3 螺旋角 104.6.4 齿宽b 114.7 各挡齿轮齿数的分配 124.7.1 确定一挡齿轮的齿数 124.7.2 对中心距进行修正 134.7.3 确定常啮合传动齿轮副的齿数 134.7.4 确定其他各挡的齿数 144.7.5 确定倒挡齿轮齿数 145 变速器的校核 165.1 齿轮的损坏形式 165.2 齿轮弯曲强度计算 165.3 轮齿接触应力计算 185.4 轴的强度计算 196 同步器的选型 226.1 锁销式同步器 236.1.1 锁销式同步器结构 236.1.2 锁销式同步器工作原理 236.2 锁环式同步器 246.2.1 锁环式同步器结构 246.2.2 锁环式同步器工作原理 256.2.3 锁环式同步器主要尺寸的确定 25结论 28参考文献 29致 谢 30II轿车机械式变速器设计1 绪论1.1 选题背景及意义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[1]，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，现代汽车的使用条件极为复杂，在不同场合下有不同的要求往往要受到如载运量、道路坡度、路面好坏及交通是否通畅等条件的影响这就要求汽车的牵引力和车速能在较大范围内变化，以适应使用的要求在条件良好的平直路面上要能以高速行驶，而在路面不平和有较大坡度时能提供较大的扭矩变速箱的多挡位选择就能满足这些需求此外，发动机在不同工况下，燃油的消耗量也是不一样的驾驶员可以根据具体情况，选择变速箱的某一挡位，来减少燃油的消耗在某些情况下，汽车还需要能倒向行驶发动机本身是不可能倒转的，只有靠变速箱的倒挡齿轮来实现变速箱是由变速传动机构和操纵机构组成。

根据前进挡数的不同，变速箱有三、四、五和多挡几种根据轴的不同类型，分为固定轴式和旋转轴式两大类而前者又分为两轴式、中间轴式和多中间轴式变速箱在此次设计中对变速器作了总体设计，对变速器的传动方案进行了选择，变速器的齿轮和轴做了详细的设计计算，对同步器和一些标准件做了选型设计 1.2 汽车参数的选择 根据变速器设计所选择的汽车基本参数如下表1-1所示 项目参数值发动机：2.5L V6挡数:5最大功率(kW/n)：1526最大扭矩(N·m/n)：245/3500表1-1 设计基本参数表T1.3 变速器设计应满足的基本要求对变速器如下基本要求：1）保证汽车有必要的动力性和经济性2）设置空挡，用来切断发动机动力向驱动轮的传输3）设置倒档，使汽车能倒退行驶4）设置动力输出装置，需要时能进行功率输出5）换挡迅速，省力，方便6）工作可靠汽车行驶过程中，变速器不得有跳挡，乱挡以及换挡冲击等现象发生7）变速器应当有高的工作效率除此以外，变速器还应当满足轮廓尺寸和质量小，制造成本低，维修方便等要求[2]满足汽车有必要的动力性和经济性指标，这与变速器的档数，传动比范围和各挡传动比有关汽车工作的道路条件越复杂，比功率越小，变速器的传动比范围越大。

2 变速器传动机构布置方案2.1 传动机构布置方案分析2.1.1 固定轴式变速器固定轴式又分为两轴式，中间轴式，双中间轴式变速器固定轴式应用广泛，其中两轴式变速器多用于发动机前置前轮驱动的汽车上，中间轴式变速器多用于发动机前置后轮驱动的汽车上与中间轴式变速器比较，两轴式变速器有结构简单，轮廓尺寸小，布置方便，中间挡位传动效率高和噪声低等优点因两轴式变速器不能设置直接挡，所以在高挡工作时齿轮和轴承均承载，不仅工作噪声增大，且易损坏[3]此外，受结构限制，两轴式变速器的一挡速比不可能设计得很大所以我选择的是中间轴式的变速器凡采用常啮合齿轮传动的挡位，其换挡方式可以用同步器或啮合套来实现同一变速器中，有的挡位用同步器换挡，有的挡位用啮合套换挡，那么一定是挡位高的用同步器换挡，挡位低的用啮合套换挡发动机前置后轮驱动的轿车采用中间轴式变速器，为缩短传动轴长度，可将变速器后端加长伸长后的第二轴有时装在三个支承上，其最后一个支承位于加长的附加壳体上如果在附加壳体内，布置倒挡传动齿轮和换挡机构，还能减少变速器主体部分的外形尺寸综上所述选择第2种传动方案，前进挡，均用常啮合齿轮传动2.1.2 倒挡布置方案与前进挡位比较，倒挡使用率不高，而且都是在停车状态下实现换倒挡，故多数方案采用直齿滑动齿轮方式换倒挡。

为实现倒挡传动，有些方案利用在中间轴和第二轴上的齿轮传动路线中，加入一个中间传动齿轮的方案[4]前者虽然结构简单，但是中间传动齿轮的轮齿，是在最不利的正，负交替对称变化的弯曲应力状态下工作，而后者是在较为有利的单向循环弯曲应力状态下工作，并使倒挡传动比略有增加图2-1为常见的倒挡布置方案图2-1b所示方案的优点是换倒挡时利用了中间轴上的一挡齿轮，因而缩短了中间轴的长度但换挡时有两对齿轮同时进入啮合，使换挡困难图2-1c所示方案能获得较大的倒挡传动比，缺点是换挡程序不合理图2-1d所示方案针对前者的缺点做了修改，因而取代了图2-1c所示方案图2-1e所示方案是将中间轴上的一，倒挡齿轮做成一体，将其齿宽加长图2-1f所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合齿轮，换挡更为轻便为了充分利用空间，缩短变速器轴向长度，有的货车倒挡传动采用图2-2所示方案其缺点是一，倒挡须各用一根变速器拨叉轴，致使变速器上盖中的操纵机构复杂一些 图2-1 倒挡布置方案综上所述选择第四种倒挡布置方案因为变速器在一挡和倒挡工作时有较大的力，所以无论是两轴式变速器还是中间轴式变速器的低档与倒挡，都应当布置在在靠近轴的支承处，以减少轴的变形，保证齿轮重合度下降不多，然后按照从低挡到高挡顺序布置各挡齿轮，这样做既能使轴有足够大的刚性，又能保证容易装配。

倒挡的传动比虽然与一挡的传动比接近，但因为使用倒挡的时间非常短，从这点出发有些方案将一挡布置在靠近轴的支承处，然后再布置倒挡此时在倒挡工作时，齿轮磨损与噪声在短时间内略有增加，与此同时在一挡工作时齿轮的磨损与噪声有所减少图2-2 倒挡轴位置与受力分析3 零部件结构方案分析3.1 齿轮形式与直齿圆柱齿轮比较，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长，工作时噪声低等优点；缺点是制造时稍复杂，工作时有轴向力变速器中的常啮合齿轮均采用斜齿圆柱齿轮，尽管这样会使常啮合齿轮数增加，并导致变速器的转动惯量增大[5]直齿圆柱齿轮仅用于低档和倒挡我的设计中一挡和倒挡用的是直齿轮，其他挡都是斜齿轮3.2 换挡机构形式变速器换挡机构有直齿滑动齿轮，啮合套和同步器换挡三种形式汽车行驶时各挡齿轮有不同的角速度，因此用轴向滑动直齿齿轮的方式换挡，会在轮齿端面产生冲击，并伴随有噪声这使齿轮端部磨损加剧并过早损坏，同时使驾驶员精神紧张，而换挡产生的噪声又使乘坐舒适性降低只有驾驶员用熟练的操作技术（如两脚离合器），时齿轮换挡时无冲击，才能克服上述缺点但是该瞬间驾驶员注意力被分散，会影响行驶安全性因此，尽管这种换挡方式结构简单，但除一挡，倒挡外已很少使用。

由于变速器第二轴齿轮与中间轴齿轮处于常啮合状态，所以可用移动啮合套换挡这时，因同时承受换挡冲击载荷的接合齿齿数多而轮齿又不参与换挡，它们都不会过早损坏，但不能消除换挡冲击，所以仍要求驾驶员有熟练的操作技术此外，因增设了啮合套和常啮合齿轮，使变速器旋转部分的总惯性矩增大因此，目前这种换挡方法只在某些要求不高的挡位及重型货车变速器上应用这是因为重型货车挡位间的公比较小，则换挡机构连件之间的角速度差也小，因此采用啮合套换挡，并且还能降低制造成本及减小变速器长度自动脱挡是变速器的主要故障之一为解决这个问题，除工艺上采取措施外，目前在结构上采取措施比较有效的方案有以下几种：1）将两接合齿的啮合位置错开，见图3-1这样在啮合时，使接合齿端部超过被接合齿约1~3mm使用中接触部分挤压和磨损，因而在接合齿端部形成凸肩，用来阻止接合齿自动脱挡2）将啮合套齿座上前齿圈的齿厚切薄（切下0.3~0.6mm），这样，换挡后啮合套的后端面被后齿圈的前端面顶住，从而减少自动脱挡，见图3-23）将接合齿的工作面加工成斜面，形成倒锥角（一般倾斜2°~3°），使接合齿面产生阻止自动脱挡的轴向力，见图3-3这种方案比较有效，应用较多。

图3-1 防止自动脱挡的机构措施图3-2 防止自动脱挡的机构措施图3-3 防止自动脱挡的机构措施3.3 变速器轴承变速器轴承常采用圆柱滚子轴承，球轴承，滚针轴承，圆锥滚子轴承，滑动轴套等至于何处应当采用何种轴承，是受结构限制并随所承受的载荷特点不同而不同汽车变速器结构紧凑，尺寸小，采用尺寸大些的轴承结构受限制，常在布置上有困难如变速器的第二轴前端支承在第一轴常啮合齿轮的内腔中，内腔尺寸足够时可布置圆柱滚子轴承，若空间不足则采用滚针轴承变速器第一轴前端支承在飞轮的内腔里，因有足够大的空间长采用球轴承来承受向力作用在第一轴常啮合齿轮上的轴向力，经第一轴后部轴承传给变速器壳体，此处常用轴承外圈有挡圈的球轴承第二轴后端常采用球轴承，以轴向力和径向力中间轴上齿轮工作时产生的轴向力，原则上由前或后轴承来承受都可以。