机械毕业设计（论文）-汽车用三轴五速变速箱的设计【全套图纸】 .doc

1 轿车变速箱的设计轿车变速箱的设计 摘要摘要 据中国汽车工业协会统计分析，2013 年，汽车产销双超 2000 万辆，增速大幅提升，高于年初 预计，并且再次刷新全球纪录，目前为止，已连续五年蝉联全球第一。 汽车变速箱作为汽车传动系统重要组成部分，随着计算机科学技术的发展，它历经了手动变速、 自动变速、自动/手动变速时代。 本设计的任务是关于前置后驱（front engine rear wheel drive, 简称 fr）式小轿车用手动 变速箱的设计。fr 在轴荷分配上，可以达到 50:50 的最佳比例，因此它具有较好的操控性、稳定 性、动力性和制动性等优点。这也是高性能汽车设计至今依然喜欢采用 fr 的主要原因。三轴式变 速箱具有体积小、原理简单、工作可靠和操纵方便等优点，故在大多数汽车中得到应用。 本文是在认真了解和学习了汽车相关理论和设计知识的基础上，首先确定 fr 轿车手动变速箱 的设计方案，包括变速箱传动机构布置、主要参数的选择、设计与计算、同步器设计、操纵机构、 结构元件等；其次，根据所给定参数和条件，完成齿轮、轴和轴承等主要零件的理论分析，结合 cad 中的 autocad、pro/e、solidworks、ug 和 cae 中的 ansys 软件，对所建立的三维模型进行动 力学与有限元分析，继而优化，将优化后的模型再进行模拟仿真得到优化后结果。 三轴式五速变速箱包括五个前进挡和一个倒挡，并通过锁环式同步器来实现换挡。它有 3 根主 要的传动轴：第一轴（输入轴） 、第二轴（输出轴） 、中间轴（主动轴） ，所以称三轴式变速箱，另 外还有倒挡轴。它的功用是：1.改变传动比，在较大范围内改变汽车的行驶速度和汽车驱动轮上转 矩的数值，以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利的（功率较高而油耗率较低）工况下 工作；2.在发动机旋转方向不变的前提下，利用倒挡实现汽车倒向行驶；3.在发动机不熄火的情况 下，利用空挡中断动力传递，可以使驾驶员松开离合器踏板离开驾驶位置，且便于汽车启动、怠速、 换挡和动力输出。 关键词关键词：变速箱，传动比，中间轴，第二轴，齿轮，锁环式同步器 2 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 the design of saloon gearbox abstract according to china association of automobile manufacturers, the number of automobiles sales has rapidly increased to 20 million, which is higher than that estimated at the start of the year. the result has set a new record again, and won five consecutive first. with the development of computers, auto gearbox, as an important part of automotive transmission system, has experienced three periods: manual transmission, automatic transmission, and automatic / manual transmission. the paper is aimed at the manual gearbox design of the cars with front engine rear wheel drive(fr).on the axle load distribution, fr can reach the optimum ratio of 50:50,for it has extraordinary handling, stability and braking power. therefore, high-performance cars prefer to use fr. besides, three-shaft gearbox is widely used in most cars due to its small size, simple principle, reliability and easy operation. the paper is based on a good learning of automotive-related theories and design knowledge. firstly, i make an fr car manual gearbox design including gearbox transmission 3 layout, choice of the main parameters and calculation, synchronous design, operation mechanism, structural elements, etc. secondly, according to the parameters and requirements, i have worked out the theoretical analysis about gears, shafts and bearings and other major parts. with cad in autocad, pro / e, solidworks, ug and ansys software in cae, i analyze the three-dimensional model of established dynamics and finite elements and the model is optimized further to get the simulation results. three five-speed gearbox shaft includes five forward gears and one reverse gear. it shifts by locking ring synchronizer. it has three main transmission shafts. it is called three-shaft gearbox, owing to the three shafts-the first shaft (input shaft), the second shaft (output shaft) and intermediate shaft (drive shaft). besides, it has reverse gear shaft. firstly, it can adjust the transmission ratio to change the speed of the drive wheels and the torque value in a wide range to adapt to frequent changes in driving conditions, in order that the vehicle can work in an advantageous condition where there is higher power and lower fuel consumption rate. secondly, under the premise of engineer rotation without changing, its a good idea to use reverse gear to achieve backward driving car. thirdly, in case the engine does not stall, neutral gear can interrupt power transmission, allowing the driver to release the clutch pedal to leave the driving position and its easy to start, idle, shift and output power. key words: transmission, transmission ration, intermediate shaft, second shaft, gear, locking ring synchronizer 4 符号表符号表 量的名称量的名称量的符号量的符号单位符号单位符号 汽车总质量mkg 重力加速度gn/kg 驱动轮的滚动半径 r rmm 发动机最大扭矩 maxe tnm 汽车传动系的传动效率 一挡传动比 1 i 第一轴与中间轴的中心距amm 中间轴与倒挡轴的中心距 a mm 第二轴与中间轴的中心距 a mm 中心距系数 a k 直齿轮模数m 斜齿轮法向模数 n m 齿轮压力角 5 斜齿轮螺旋角 齿轮宽度bmm 齿轮齿数 x z 齿轮变位系数 齿轮弯曲应力 w mpa 齿轮接触应力 j mpa 齿轮所受圆周力 t fn 轴向力 a fn 径向力 r fn 计算载荷 g tnm 应力集中系数 k 摩擦力影响系数 f k 齿轮材料的弹性模量empa 重合度影响系数k 主动齿轮节圆半径 z rmm 从动齿轮节圆半径 b rmm 主动齿轮节圆处的曲率半径 z mm 从动齿轮节圆处的曲率半径 b mm 扭转切应力 t mpa 轴的抗扭截面系数 t w 3 mm 轴的材料的剪切弹性模量g 轴截面的极惯性矩 p i 4 mm 垂直面内的挠度 c fmm 水平面内的挠度 s fmm 6 第一章第一章 绪论绪论 相信看过速度与激情系列影片的人都会被赛车手们那种高超的、娴熟的驾驶 技术所折服；与此同时，在现实生活中，我们的视野中也无不时刻闪现出汽车的影子。 一定程度上来说，它似乎已经成了我们往后生活的必需品了。 随着我国汽车产销量的不断攀升，人们对于汽车基本理论的认识与了解，也显现 得越来越重要。汽车变速箱，作为汽车传动系统的一个重要组成，也是评价衡量汽车 性能的一个重要参考依据。汽车发动机就像人的心脏一样，是动力的缔造者。但是， 在它身后的变速箱确是其速度控制的阀门。为了悉知其原理，于是，基于对汽车变速 箱的研究也就应运而生。 汽车没有变速箱会怎样？ 没有变速箱，汽车也能走，但只能以一个速度前进，不能减速和加速，甚至一个 小坡就能让汽车望而却步。 变速箱发展至今，种类繁多，手动、自动、无极、手自一体、自动离合、双离合， 但他们的变速原理，大同小异。 7 1.11.1 变速箱的工作原理变速箱的工作原理 一旦发动机制造出来后，其排量大小是不变的，可燃混合气体的成分也基本不变， 因此，发动机输出的转矩变化范围小，但汽车在起步和上坡时，需要较大的转矩；而 在平坦路面上高速行驶时，则只需要较小的转矩。假如将发动机与驱动轮直接作用， 那就是对应发动机的最高转速，很高且不变的车速十分不现实，而且有可能因为相应 的牵引力小，就无法起步、上坡或高速行驶。 利用齿轮原理（如图 1-1 所示） ，可以用较轻的物体提升较重的物体。汽车发动机 输出的转矩较小，但通过变速箱后却能推动较大的汽车。 图 1-1 变速箱工作原理示意图 利用齿轮原理，可以将较大的转速转变为较小的转速，也可以将较小的转速转变 为较大的转速。 变速箱的作用就是扩大汽车驱动转矩和转速的变化范围，当起步、上坡需要较大 汽车驱动转矩时，使用低速挡，可以实现大转矩、低车速；当需要提高汽车速度时， 使用高速挡，可以实现小转矩、高车速。 1.21.2 变速箱的功用和要求变速箱的功用和要求 变速箱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 有利的工况范围内工作。变速箱设有空挡，可在起动发动机、汽车滑行或停车时使发 动机的动力停止向驱动轮传输。变速箱设有倒挡，使汽车获得倒退行驶能力。需要时， 变速箱还有动力输出动能。 对变速箱提出如下基本要求： 1) 保证汽车有必要的动力性和经济型。在汽车整体设计时，根据汽车载重量、发 动机参数及 汽车使用要 求，选择合 理的变速箱 挡数及传动 比，来满足 这一要求。 2) 设置空挡， 用来切断发 动机动力向 驱动轮的传输； 8 3) 设置倒挡，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) 工作可靠，操纵轻便。汽车行驶过程中，变速箱不得有跳挡、乱挡、换挡冲击 等现象发生。为减轻驾驶员疲 劳强度，提高行驶安全性，操 纵机构可通过采用同步器和预 选气动换挡或自动、半自动换 挡来实现。 6) 变速箱应当有高的工作效率。为 减小齿轮的啮合损失，应当有 直接挡。提高零件的制造精度 和装配精度，采用适当的润滑 油都可以提高传动效率。 7) 变速箱的工作噪声低。采用斜齿 轮传动及选择合理的变位系数， 提高制造精度和安装刚性可减 小齿轮的噪声。 8) 变速箱还应当满足轮廓尺寸和质量小。影响这一指标的主要参数是变速箱的中 心距。选用优质钢材，采用合理的热处理工艺技术，设计适合的齿形，提高齿 轮设计和制造精度以及选用圆锥滚柱或滚针轴承可以减小中心距。 除此之外，变速箱还应该考虑制造成本、拆装、维修等方面问题。 1.31.3 变速箱的分类变速箱的分类 从市场上不同车型所配置的变速箱来看，主要分为：手动变速箱（mt） 、自动变速 箱（at） 、手动/自动变速箱（amt） 、无极变速箱（cvt） 。 1.3.11.3.1 手动变速箱（手动变速箱（mtmt） 手动变速箱（manual transmission） 。顾名思义，它是通过驾驶员用手操纵变速 杆来选定挡位，并直接操纵变速箱的换挡机构进行挡位变化。齿轮式有级变速箱大多 采用这种换挡方式。手动变速箱的工作原理就是更换不同大小的被动齿轮来与动力输 出轴接合，当将挡时，实际上是将被动齿轮换成了更大的齿轮，根据杠杠原理，此时 变速箱输出的转速就会相对降低，但转矩增大；反之，如果是升挡，则实际上是被动 齿轮转换为小齿轮，此时变速箱输出转速就会提高，但转矩会减小。 轿车手动变速箱通常带同步器，这样可使换挡方便、动力传递直接、动力响应迅 9 速、比较省油、噪声也小。 （如图 1-2）最常见的手动变速箱多为 5 挡位（5 个前进挡、 1 个倒挡） ，运动型轿车上也有 6 挡位变速箱。手动变速箱的缺点是换挡比较麻烦，手 脚并用，容易产生驾驶疲劳。 图 1-2 手动变速箱工作原理示意图 1.3.21.3.2 自动变速箱（自动变速箱（atat） 自动变速箱（automatic transmission） 。这种变速箱的自动控制系统根据发动机 的负荷和车速的变化情况自动地选定挡位，并进行挡位变换，即自动地改变传动比。 驾驶员只需要操纵加速踏板即可控制车速。现在的自动变速箱一般都是液力变矩器式 自动变速箱，它主要由两大部分组成。 一是和发动机飞轮连接的夜里变矩器，它和手动变速箱车上的离合器位置差不多， 其作用也和离合器差不多，它负责将发动机输出的动力传递给后面的变速机构。 二是紧跟在液力变矩器后面的变速机构，它主要由多片离合器、控制机构和变速 齿轮组成。控制机构按照设计师们的设定，可以根据行驶情况对多片式离合器发出指 令，驱动各个挡位上多片离合器进行接合或分离。 由于第二部分的不同，自动变速箱可分出好多类，如控制机构有液压阀和电磁阀， 则分别称为液压自动变速箱和电动控制变速箱；如果最后的变速机构不是采用齿轮， 二是采用钢带和滑轮，那就是无极变速箱了。 1.3.31.3.3 手动自动变速箱（手动自动变速箱（amtamt） 手动自动变速箱（automatic manual transmission） 。这种变速箱可以自动换挡， 也可以手动换挡。实际上它是由普通手动变速箱派生出的一种形式。将它称之为非离 和手动变速箱更为确切。amt 没有行星齿轮和变矩器，和普通手动变速箱结构一样，它 有中间轴、输出轴、离合器和变速拨叉等。这种变速箱通常有三种换挡方式，其中两 种采用拨片式换挡，第三种则采用传统换挡杆的形式。比较典型的如奥迪 a6 的 tiptronic，上海帕萨特 1.8l 也装有手动自动变速箱。 1.3.41.3.4 无级变速箱（无级变速箱（cvtcvt） 无级变速箱（continuously variable transmission） 。其传动比在一定数值范围 内可连续无限多级变化，常见的有流体式和机械式两种。 10 图 1-3 无级变速箱工作原理示意图 cvt 不是通过齿轮组合变速，而是利用一对可以改变直径的工作轮组合来实现变速 的，如图 1-3 所示。工作轮组合中的主动轮相当于手动变速箱中的主动齿轮；另一个 是从动轮，相当于手动变速箱中的从动齿轮。手动变速箱要想改变传动比，只能更换 不同挡位的齿轮组合，而无极变速箱中的工作轮直径是可以变化的，无需更换其它工 作轮组。当主动轮的直径变大而同时从动轮的直径变小时，或将主动轮的直径变小， 从动轮的直径变大时，传动比就会随着改变。 每个工作轮都是由两个锥形盘对扣组成的，传动钢带的边缘时隔斜坡，正好和工 作轮的锥面磨合在一起。当工作轮的两个锥形盘之间的距离变化时，钢带就会沿锥面 上下移动，这就相当于改变了工作轮的直径。 1.3.51.3.5 其它分类方法其它分类方法 由于变速箱由变速传动机构和操纵机构组成，根据其传动机构的前进挡位数和轴 的形式，又有如下两种分类方法(如表 1-1 所示)。 固定轴式应用广泛，其中两轴式变速箱多用于前置前驱（front engine front wheel drive，简称 ff）的汽车上，中间轴式变速箱多用于 fr 的汽车上。 表 1-1 变速箱基本分类 分类依据分类依据名名 称称 3 挡变速箱 前进挡数前进挡数 4 挡变速箱 11 5 挡变速箱 多挡变速箱 固定轴式 轴的形式轴的形式 旋转轴式 两轴式变速箱 中间轴式变速箱 双中间轴式变速箱 固定轴式固定轴式 多中间轴式上变速箱 在原有变速传动机构基础上，再附加一个副箱体，这就在结构变化不大的基础上， 达到增加变速箱挡数的目的。近年来，变速箱操纵机构有向自动操纵方向发展的趋势。 1.41.4 汽车变速箱的发展现状及其技术趋势汽车变速箱的发展现状及其技术趋势 我国在手动变速箱领域，国产品牌已占主导地位，为适应当代汽车节能、环保、 舒适、廉价要求这一新趋势，更高的传动效率，更舒适的驾乘感觉，更小的体积和更 加简易可靠的控制模式已经成为当今新型变速箱技术的追求目标。目前，无论是商用 车还是其他形式的汽车，自动变速箱越来越成为标配。 汽车用自动变速箱目前主要分为 at、amt、cvt、dct 四种变速箱。由于它们各自 的结构特点和工作原理各不相同，技术成熟程度也不尽相同，因此从目前发展现状上 看， 在制造成本、燃油经济性、换挡舒适性以及使用寿命等多个方面也存在差异，各具优 劣。 在众多形式的自动变速箱中，不能说哪类好哪类不好，任何变速箱都有自身的 优 点和缺点，不同变速箱适用于不同车型，要适具体情况而论。然而，衡量一台汽车的 好坏，很大程度上决定于变速箱的质量，而变速箱的质量取决于齿轮的设计与制造。 变速箱的技术核心在于变速箱内部的控制机构，变速箱和发动机动力的配合如果紧密 与协调，那么汽车发动机的性能就能够得到良好的发挥。 在变速箱的设计和制造中，cad、cam、cae 等计算机技术的优势，体现得淋漓尽致。 虚拟设计技术是利用计算机技术对所要进行的生产和制造活动的建模和仿真。它 通过并行工作的方式缩短设计周期，也通过仿真的方式降低试验成本。 由于汽车变速箱壳体尺寸大、形状复杂，进行压铸生产具有比较大的困难，通过 对压铸充型和凝固过程的仿真分析，能够模拟压铸过程的速度和温度场，可以预测铸 12 件可能出现的缺陷，根据模拟结果优化压铸工艺。 同样，对于变速箱的齿轮零部件，可以通过 ug 与 ansys 的联合模拟，进行有限元 分析，得出极速工况下的变形规律和应力分布规律，进而对齿轮的寿命校核和优化设 计提供可靠依据。 汽车变速箱的发展，在设计方面将越趋于高度数字一体化，其制造也将追求高稳 度、高精度、高清洁度，更加经济化，以保证整车性能得到最大优化。 1.51.5 了解、认知手动变速箱的必要性了解、认知手动变速箱的必要性 看过一些言论，说手动变速箱繁琐的驾驶操作等不足，阻碍了汽车高速发展的脚 步。手动变速箱会在不久的将来“下课” 。但是，手动变速箱轿车从目前的市场需求和 适用角度来说，还不会过早的离开我们的视野。 首先，从商用车的特性上来说，手动变速箱的功用是其他变速箱所不能替代的。 以卡车为例，卡车用来运输，通常要装载数吨的货品，面对如此高的“压力” ，除了发 动机需要强劲的动力之外，还需要变速箱的全力协助。我们都知道一挡有“劲” ，这样 在起步的时候有足够的牵引力量将车带动。特别是面对爬坡路段，它的特点显露的非 常明显。而对于其他新型的变速箱，虽然具有操作简便等特性，但这些特点尚不具备。 其次，从我国的具体情况来看，手动变速箱几乎贯穿了整个中国的汽车发展历史， 资历较深的司机都是“手动”驾车的，他们对手动变速箱的认识程度是非常深刻的， 如果让他们改变常规的做法，这是不现实的。虽然自动变速箱以及无级变速箱已非常 的普遍，但是大多数年轻的司机还是崇尚手动，尤其是喜欢超车时手动变速带来的那 种快感，所以一些中高挡的汽车（尤其是轿车）也不敢轻易放弃手动变速箱。另外， 目前在我国的汽车驾驶学校中，教练车都是手动变速箱的，除了经济适用之外，关键 是能够让学员打好扎实的基本功以及锻炼驾驶协调性。 第三，随着生活水平的不断提高现在轿车已经进入了家庭，对于普通工薪阶级的 老百姓来说，经济型轿车最为合适，手动变速箱其自身的性价比，配套于经济型轿车 厂家，而且经济适用型轿车的销量一直在车市名列前茅。 继而，开展对手动变速箱的了解、学习与研究和分析有一定必要。本设计的相关 任务已于上文给出。 13 第二章第二章 变速箱传动机构布置方案的确定变速箱传动机构布置方案的确定 机械式变速箱因具有结构简单、传动效率高、制造成本低和工作可靠等优点，故 在不同形式的汽车上得到广泛应用。 2.12.1 传动机构布置方案分析传动机构布置方案分析 设计时首先应根据汽车的使用条件及要求确定变速箱的传动比范围、挡位数及各 个挡位的传动比，它们对汽车的动力性与燃料经济性有重要的直接影响。 挡位越多，油耗越低，无级变速箱最理想。目前很多轿车采用的是带液力变矩器 的自动换挡变速箱，挡位一定时可依靠液力变矩器实现无级变速，其效率仍需进一步 提高才能做到真正省油。 变速箱传动比与最小燃油消耗特性曲线的关系： =0.377nr/ =an/ ，ni a0u i a u 车速（ua）一定时，燃油消耗率最低（bmin）时对应的发动机转速。 （图 2-1 所示） 传动比范围是变速箱低挡传动比与高挡 传动比的比值。汽车行驶的道路状况愈多样， 发动机的功率与汽车质量之比也愈小，则变 速箱的传动比范围应愈大。目前，轿车变速 箱的传动比范围为 3.04.5；一般用途的 货车和轻型之上的客车为 5.08.0；越野 车与牵引车为 10.020.0。 【本设计传动比 范围约为 3.7】 图 2-1 发动机外特性和最小燃油消耗特性曲线 通常，有级变速箱具有 3、4、5 个前进 挡；重型载货汽车和重型越野汽车则采用多挡变速箱，其前进挡位数多达 616 个甚 至 20 个。 变速箱挡位数的增多可提高发动机的功率利用效率、汽车的燃料经济性及平均车 速，从而可提高汽车的运输效率，降低运输成本。但采用手动的机械式操纵机构时， 要实现迅速、无声换挡，对于多于 5 个前进挡的变速箱来说是困难的。因此，直接操 纵式变速箱挡位数的上限为 5 挡。多于 5 个前进挡，将使操纵机构复杂化，或者需要 加装具有独立操纵机构的副变速箱，后者仅用于一定行驶工况。 某些轿车和货车的变速箱，采用仅在好路和空载行驶时才使用的超速挡（最高挡 位） 。采用传动比小于 1（0.70.8）的超速挡，可以更充分地利用发动机功率，降低 14 单位行驶里程的发动机曲轴总转数，因而会减少发动机的磨损，降低燃料消耗。但与 传动比为 1 的直接挡比较，采用超速挡，会降低传动效率。 有级变速箱的传动效率与所选用的传动方案有关，包括传递动力的齿轮副数目、 转速、传递的功率、润滑系统的有效性、齿轮、轴，以及壳体等零件的制造精度、刚 度等。 2.1.12.1.1 固定轴式变速箱固定轴式变速箱 1）两轴式变速箱 图 2-2 示出用在 ff 乘用车上的两轴式变速箱传动方案。其特 点是：变速箱输出轴与主减速器主动齿轮做成一体，发动机纵置时图 2-2 两轴式变速 箱传动方案主减速器采用弧齿锥齿轮或准双曲面齿轮，发动机横置时则采用斜齿圆柱 齿轮；多数方案的倒挡传动常用滑动齿轮，其它挡位均采用常啮合齿轮传动。 图 2-2 两轴式变速箱传动方案 2）中间轴式变速箱 中间轴式变速箱多用于 fr 和 rr(发动机后置后轮驱动，rear engine rear wheel drive，简称为 rr)的汽车和客车上。 变速箱第一轴的前端经轴承支承在发动机飞轮上，第一轴的花键用来装设离合器 的从动盘，而第二轴的末端经花键与万向节连接。 图 2-3 中的中间轴式四挡变速箱传动方案示例的区别为图 2-3a、b 所示方案有四 对常啮合齿轮，倒挡用直齿滑动齿轮变挡。第二轴为三点支承，前端支承在第一轴的 末端孔内，轴的中部和后端分别支承在变速箱壳体和附加壳体上。图 2-3a 所示传动方 案又能达到提高中间轴和第二轴刚度的目的；图 2-3c 所示传动方案的二、三、四挡用 15 常啮合齿轮传动，而一、倒挡用 直齿滑动齿轮换挡，第二轴为两 点支承。 图 2-4 所示为中间轴式五挡 变速箱传动方案示例。图 2-4a 所 示方案中，除一、倒挡用直齿滑 动齿轮换挡外，其余各挡为常啮 合齿轮传动。图 2-4b、c、d 所示 方案的各前进挡，均用常啮合齿 轮传动。图 2-4d 所示方案中的倒 挡和超速挡安装在位于变速箱后 部的副箱体内，这样布置可以提 高轴的刚度、减少齿轮磨损和降 低工作噪声外，还可以在不需要 超速挡的条件下，很容易形成一 个只有四个前进挡的变速箱。图 2-5a 所示方案中的一挡、倒挡和 图 2-5b 所示方案中的倒挡用直齿 滑动齿轮换挡，其 余各挡均为常 啮合齿轮。 图 2-3、图 2-4、图 2-5 分别 示出了几种中间轴式四、五、六 挡变速箱传动方案。各传动方案 的共同特点是：变速箱的第一轴 后端与常啮合齿轮做成一体。绝 大多数方案的第二轴前端经轴承 支撑在第一轴后端的孔内，且保 持两轴轴线在同一直线上，经啮合套将它们连接后可得到直接挡。使用直接挡，变速 箱的齿轮和轴承及中间轴均不 图 2-3 中间轴式四挡变速箱传动方案 承载，发动机转矩经变速箱第一轴和第二轴直接输出，此时变速箱的传动效率高，可 达 90%以上，噪声低、齿轮和轴承的磨损减少。因为直接挡的利用率要高于其他挡位， 因而提高了变速箱的使用寿命；在其他前进挡位工作时，变速箱传递的动力需要经过 第一轴、中间轴和第二轴上的两对啮合齿轮传递，因此在变速箱中间轴与第二轴之间 的距离（中心距）不大的情况下，一挡仍有较大的传动比；挡位高的齿轮采用或不采 16 用常啮合齿轮传动；多数传动方案中除一挡以外的其它挡位的换挡机构，均采用同步 器或啮合套换挡，少数结构的一挡也采用同步器或啮合套换挡，还有各挡同步器或啮 合套多数情况下装置第二轴上。 【本设计采用中间轴式五挡传动方案，具体结构见相关 图纸】 图 2-4 中间轴式五挡变速箱传动方案 图 2-5 中间轴式六挡变速箱传动方案 以上各方案中，凡采用常啮合齿轮传动的挡位，其它换挡方式可以用同步器或啮 合套来实现。同一变速箱中，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。 fr 乘用车采用中间轴式变速箱，为缩短传动轴长度，将第二轴加长，如图 2- 3a、b 所示。如果在附加壳体内布置倒挡传动齿轮和换挡机构，还能减小变速箱主体部 分的外形尺寸及提高中间轴和输出轴的刚度，如图 2-4c 所示。 17 变速箱用如图 2-4c 所示的多支承结构方案，能提高轴的刚度。这时，如果在轴平 面上可分开的壳体，就能较好地解决轴荷齿轮等零部件装配困难的问题。图 2-4c 所示 方案的高挡从动齿轮处于悬臂状态，同时一挡和倒挡齿轮布置在变速箱壳体的中间跨 距里，而中间挡的同步器布置在中间轴上是这个方案的特点。 2.1.22.1.2 倒挡方案布置方案倒挡方案布置方案 与前进挡比较，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 案均采用直齿滑动齿轮方式倒挡。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方案，如图 2-2a、b、c 和图 2-3a、b 所示； 也有利用两个连体齿轮方案的，如图 2-3c 和图 2-4a、b 所示。前者虽然结构简单，但 是中间传动的齿轮式在最不利的正、负交变弯曲应力状态下工作的；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。也有少数变速箱采 用结构复杂和是成本增加的啮合套或同步器方案换入倒挡，如图 2-2f 所示。图 2-6 为 常见的倒挡布置挡案。图 2-6b 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；但换挡时要求有两对齿轮同时进入啮合，使换挡困难。图 2-6c 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 2-6d 所示方案 针对前者的缺点进行了修改，取代了图 2-6c 所示方案。图 3-6e 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 2-6f 所示方案适用于全部齿轮副均为 常啮合的齿轮，换挡更为轻便。为了充分利用，缩短变速箱的轴向长度，有的货车倒 挡传动采用图 2-6g 所示方案；其缺点是一、倒挡须各用一根变速箱拨叉轴，致使变速 箱上盖中的操纵机构复杂一些。 【本设计采用图 3-6f 所示方案，具体结构见相关图 纸】 图 2-6 倒挡布置方案 18 变速箱的一挡或倒挡因传动比大，工作时在齿轮上作用得力也增大，并导致变速 箱轴产生较大的扰度和转角，使工作齿轮啮合状态破坏，最终表现出轮齿磨损加快和 工作 图 2-7 变速杆换挡位置与顺序 图 2-8 换挡轴位置与受力分析 19 噪声增加。为 此，无论是两 轴式变速箱还 是中间轴式变 速箱的一挡与 倒挡，都应当 布置在靠近轴 的支承处，一 边改善上述不 良状况。然后 按照从低挡到 高挡的顺序布 置各挡齿轮， 这样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，考虑到这点，有些方案将一挡布置在靠近轴 的支承处，如图 2-3b、图 2-3b、图 2-5a 等所示，然后在布置倒挡。此时在倒挡工作 时，轮齿磨损与噪声在短时间内略有增加，而在一挡工作时轮齿的磨损与噪声有所减 少。图 2-2c 将倒挡齿轮布置在附加壳体内，并紧靠轴的支承处，而一挡布置在变速箱 壳体右侧紧靠支撑处，这个方案能很好得解决两个传动比大的挡位都布置在靠近支承 的地方的这一问题。 倒挡设置在变速箱的左侧和右侧，在结构上均能实现，不同之处是挂倒挡是驾驶 员移动变速杆的方向改变了。为了防止意外挂入倒挡，一般在挂倒挡是设有一个挂倒 挡时需要克服弹簧所产生的力，用来提醒驾驶员注意。从这一点考虑，图 2-7a、b 的 换挡方案比图 2-7c 的方案更合理。图 2-7c 所示方案在挂一挡时也需要克服用来防止 误挂倒挡所产生的力，这对换挡技术不熟练的驾驶员是不利的。 除此之外，倒挡的中间齿轮位于变速箱的左侧或右侧对倒挡轴的受力状况有影响， 如图 2-8 所示。 2.22.2 部件结构方案分析部件结构方案分析 变速箱的设计方案必需满足使用性能、制造条件、维护方便及三化等要求。在确 定变速箱结构方案时，也要考虑齿轮型式、换挡结构型式、轴承型式、润滑和密封等 因素。 2.2.12.2.1 齿轮型式齿轮型式 与直齿圆柱齿轮比较，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长，运转平稳、工作时噪声低等 20 优点；缺点是制造时稍复杂，工作时有轴向力，这对轴承不利。变速箱中的常啮合齿 轮均采用斜齿圆柱齿轮，尽管这样会使常啮合齿轮数增加，并导致变速箱的转动惯量 增大。直齿圆柱齿轮仅用于低挡和倒挡。 【本设计中由于倒挡采用常啮合方案，故倒挡 采用斜齿轮传动方式，即除一挡外，均采用斜齿轮传动】 2.2.22.2.2 换挡机构型式换挡机构型式 变速箱换挡机构有直齿滑动齿轮、啮合套和同步器三种形式。 直齿滑动齿轮换挡的特点是结构简单、紧凑，但由于换挡不轻便、换挡时齿端面 受到很大冲击、导致齿轮早期损坏、滑动花键磨损后易造成脱挡、噪声大等原因，除 一挡、倒挡外很少采用。 啮合套换挡型式一般是配合斜齿轮传动使用的。由于齿轮常啮合，因而减少了噪 声和动载荷，提高了齿轮的强度和寿命。啮合套有分为内齿啮合套和外齿啮合套，视 结构布置而选定，若齿轮副内空间允许，采用内齿结合式，以减小轴向尺寸。结合套 换挡结构简单，但还不能完全消除换挡冲击，目前在要求不高的挡位上常被使用。 同步器能保证迅速、无冲击、无噪声换挡，而与操作技术的熟练程度无关，提高 了汽车的加速性、燃油经济性和行驶安全性。同上述两种换挡方法比较，虽然它有结 构复杂、制造精度高、轴向尺寸大等缺点，但仍然得到广泛应用。 【本设计采用同步器 换挡】 2.2.32.2.3 自动脱挡自动脱挡 自动脱挡是变速箱的主要障碍之一。为解决这个问题，除工艺上采取措施外，在 结构上，目前比较有效的方案有以下几种： 1）将接合齿的工作面设计加工成斜齿面，形成倒锥角（一般倾斜 2030） ，使接 合齿面产生阻止自动脱挡的轴向力（图 2-9） 。这种结构方案比较有效，采用较多。 图 2-9 防止自动脱挡的结构措施 2） 将啮合套做得长一些（如图 2-10a）或者两接合齿的啮合位置错开（图 2- 10b） ，这样在啮合时使接合齿端部超过被接合齿约 13mm。使用中因接触部分挤压和 21 磨损，因而在接合齿端部形成凸肩，以阻止自动脱挡。 3）将啮合套齿座上前齿圈的齿厚切薄（0.30.6mm） ，这样，换挡后啮合套的后 端面便被后齿圈的前端面顶住，从而减少自动脱挡（图 2-11） 。 此段切薄 a b 图 2-10 防止自动脱挡的结构措施 图 2-11 防止自动脱挡的结构措施 在本设计中所采用的是锁环式同步器，如图 2-12 所示。花键毂 7 用内花键套装在 二轴外花键上，用垫圈、卡环轴向定位。花键毂 7 两端与齿轮 1 和 4 之间各有一个青 铜制成的锁环（即同步环）5 和 9。锁环上有短花键齿圈，其花键的尺寸和齿数与花键 毂齿轮 1 和 4 的外花键齿相同。两个齿轮和锁环上的花键齿，靠近接合套 8 的一端都 有倒角（锁止角） ，且与结合套齿端的倒角相同。锁环有内锥面，与齿轮 1、4 的外锥 面倒角相同。在锁环内锥面上有细密的螺纹（或直槽） ，当锥面接触后，它能及时破坏 油膜，增加锥面间的摩擦力。锁环内锥面摩擦副成为摩擦件，外沿带倒角的齿圈是锁 止件，锁环上还有 3 个均布的缺口 12。3 个滑块 2 分别装在花键毂 7 上 3 个均布的轴 向槽 11 内，沿槽可以轴向移动。滑块被两个弹簧 6 的径向力压向接合套，滑块中部的 凸起部位压嵌在接合套中部的环槽 10 内。滑块和弹簧是推动件。滑块两端伸入锁环 5 的缺口 12 中，滑块窄而缺口宽，两者只差等于锁环的花键齿宽。锁环相对于滑块顺转 和逆转都只能转动半个齿宽，且只有当滑块位于锁环缺口的中央时，接合套与锁环才 能接合。 22 图 2-12 锁环式惯性 同步器 1-一轴常啮合齿轮；2-滑块；3-拨叉；4-二轴齿轮；5、9-锁环（同步环） ； 6-弹簧圈；7-花键毂；8-接合套；10-环槽；11-3 个轴向槽；12-缺口 2.2.42.2.4 变速箱轴承变速箱轴承 做旋转运动的变速箱轴支承在壳体或其他部位的地方以及齿轮与轴不做固定连接 处应安置轴承。变速箱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。 汽车变速箱结构紧凑、尺寸较小的特点，采用尺寸大些的轴承受结构限制。如变 速箱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锥滚 子轴承，若空间不足则采用滚针轴承。第二轴后端常采用球轴承，用来承受轴向力和 径向力。变速箱第一轴前端支承在飞轮的内腔里，因有足够大的空间，常采用一端有 密封圈的球轴承来承受径向力。作用在第一轴常啮合齿轮上的轴向力，经第一轴后部 轴承传给变速箱壳体，此处常用轴承外圈有挡圈的球轴承。由于变速箱向轻量化方向 23 发展的需要，要求减小变速箱中心距，这就影响到轴承外径的尺寸。为了保证轴承有 足够的寿命，可选用能承受一定轴向力的无保持架的圆柱滚子轴承。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，但当在壳体前端面布置轴承 盖有困难时，必须由后端轴承承受轴向力，前端采用圆柱滚子轴承来承受径向力，而 后端采用外圈有挡圈的球轴承或圆柱滚子轴承。 圆锥滚子轴承因有直径较小、宽度较宽，因而容量大，可承受高负荷和通过对轴 承预紧能消除轴向间隙及轴向窜动等优点，故在一些变速箱上得到应用。圆锥滚子轴 承也有装配后需要调整预紧，使装配麻烦且磨损后轴易歪斜，从而影响齿轮正确啮合 等一些缺点。当采用锥轴承时，要注意轴承的预紧，以免壳体受热膨胀后轴承出现间 隙而使中间轴歪斜，导致齿轮不能正确啮合而损坏。因此，锥轴承不适合用在线胀系 数较大的铝合金壳体上。 变速箱第一轴、第二轴的后部轴承，以及中间轴前、后轴承，按直径系列一般选 用中系列球轴承或圆柱棍子轴承。轴承的直径根据变速箱中心距确定，并要保证壳体 后壁两轴承孔之间的距离不小于 620cm。 滚针轴承、滑动轴套主要用在齿轮与轴不是固定连接，并要求两者有相对运动的 地方。滚针轴承有滚动摩擦损失小、传动效率高、径向配合间隙小、定位及运转精度 高、有利于齿轮啮合等优点。滑动轴套的径向配合间隙大、易磨损、间隙增大后影响 齿轮的定位和运转精度并使工作造成增加。其优点是制造容易、成本低。 综上，本设计中第一轴上与箱体支承处选用深沟球轴承，变速箱第一轴后端内腔 中选用滚针轴承对第二轴前端进行支承，第二轴后端与轴承盖直径采用深沟球轴承， 第二轴后端与箱体后盖间用外圈无挡边的圆柱滚子轴承，中间轴前、后端采用圆锥滚 子轴承支承在箱体内。 24 第三章第三章 变速箱主要参数的选择变速箱主要参数的选择 根据变速箱运用的实际场合，结合同类变速箱的设计数据和经验，来进行本设计 的主要参数的选择，包括：挡数、传动比范围、中心距、外形尺寸、齿轮参数等。 3.13.1 挡数挡数 变速箱的挡数可在 320 个挡位范围内变化。通常变速箱的挡数在 6 挡以下，当 挡数超过六挡以后，可在 6 挡以下的主变速箱基础上，再配置副变速箱，通过两者的 组合获得多挡位变速箱。 传动系的挡位增多后，增加了选用合适挡位使发动机处于工作状况的机会，有利 于提高燃油经济性。因此，轿车手动变速箱已基本采用 5 挡，也有 6 挡的。近年来， 为了降低油耗，变速箱的挡位也有增加的趋势。发动机排量大的乘用车多用 5 个挡。 【本设计采用 5 个挡位】 3.23.2 传动比范围传动比范围 变速箱传动比的范围是指变速箱最低挡传动比与最高挡传动比的比值。高挡通常 是直接挡，传动比为 1.0；有的变速箱最高挡是超速挡，传动比为 0.70.8。影响最 低挡传动比选取的因素有：发动机的最大转矩和最低稳定转速所要求的汽车最大爬坡 能力、驱动轮与路面间的附着力、主减速比和驱动轮的滚动半径以及所要求达到最低 稳定性是车速等。目前乘用车的传动比范围在 3.05.4 之间，总质量轻些的商用车在 5.08.0 之间，其他商用车则更大。 本设计根据已给条件，最高挡挡选用超速挡，传动比为 i1=3.5，i2=2.5，i3=2.0，i4=1.5，i5=0.95，ir=3.5(倒挡) 所给相邻挡位间的传动比比值在 1.8 以下，利于换挡。 3.33.3 中心距中心距 a a 对中间轴式变速箱，变速箱中心距是指中间轴与第二轴轴线之间的距离。它是一 个基本参数，其大小不仅对变速箱的外形尺寸、体积和质量大小有影响，而且对齿轮 的接触有轻度有影响。中心距越小，齿轮的接触应力越大，齿轮寿命越短；变速箱的 中心距取的越小，会使变速箱长度增加，并因此而使轴的刚度被削弱和使齿轮的啮合 状态破坏。 25 3 iamax akt 中间轴式变速箱中心距 a（mm）的确定，可根据对已有变速箱的统计而得出的经验 公式初定： （3-1） 式中：ka中心距系数。对轿车，k a =8.99.3；对货车，k a =8.69.6；对多 挡主变速箱，k a =9.511； 变速箱处于一挡时的输出扭矩（此处意为最大转矩） 。 imax t 故可得出初始中心距：a=66.86mm，圆整取 a 为 67mm。 3.43.4 外形尺寸外形尺寸 变速箱的横向外形尺寸，可根据齿轮直径以及倒挡中间齿轮和换挡机构的布置初 步确定。 乘用车四挡变速箱壳体的轴向尺寸 3.03.4a。商用车变速箱壳体的轴向尺寸与挡 数有关： 四挡(2.22.7)a 五挡(2.73.0)a 六挡(3.23.5)a 当变速箱选用的挡数和同步器多时，中心距系数ka 应取给出系数的上限。为检测 方便，a取整。 本设计为五速手动变速箱，其壳体的轴向尺寸是 3x67=201mm。 3.53.5 齿轮参数齿轮参数 3.5.13.5.1 模数模数 齿轮模数是一个重要参数，影响它选取的因素很多，如齿轮的强度、质量、噪声、 工艺等。 选取齿轮模数一般遵守的原则有： 在变速箱中心距相同的情况下，选取较小的模数，就可以增加齿轮的齿数，同时 增加齿宽可使齿轮啮合的重合度增加，并减少齿轮噪声；为使质量小些，应该增加模 数，同时减小齿宽；从工艺方面考虑，各挡齿轮应该选用一种模数，而从强度方面考 虑，各挡齿轮应有不同的模数；减少乘用车齿轮工作噪声有较为重要的意义，因此齿 轮的模数应选的小些；对货车，减小质量比减小噪声更重要，此时齿轮应该选用大些 的模数；变速箱低挡齿轮应选用较大些的模数，其他挡位选用另一种模数。所选模数 应符合 gb/