汽车变速器的设计与优化毕业论.doc

上海工程技术大学毕业设计（论文） SJ汽车变速器的设计与优化摘 要传统的汽车变速器设计是由经验丰富的设计人员按经验公式来确定变速器的关键尺寸,这样设计的变速器往往结构笨重、传动效率不高、且材料的运用过于保守。而现代汽车变速器的设计趋势之一却是小型轻量化，因此采用全新的设计方法来优化汽车变速器就成了本文研究的目标。本文以SJ汽车变速器为例，首先通过传统的设计方法对变速器的结构及具体参数进行初步设计，然后通过MATLAB优化工具箱中的最优化函数来重新校验变速器的设计。根据设计要求和特点，在满足变速器可靠性的前提下，建立了汽车变速器的优化设计数学模型，使变速器齿轮和轴系的配合最合理化，变速器壳体的利用率达到最大化，从而减小了变速器的整体体积，同时也降低了变速器整体的质量，达到了预期优化的目的。结果表明：采用优化设计方法，可以缩短设计周期、减轻质量和降低成本，这是传统设计方法所不具备的，因此这种优化设计的方法是具有可行性的。关键词： 变速器，优化，传动比Optimize Design for SJ Automobile GearboxABSTRACTThe traditional design of Automobile gearbox used empirical formula to make sure the key sizes of gearbox，these designs always outdated，have lower efficiency，and the usage of material was too conservative. Along with the development of modern automobile industry，the design trends of gearbox are to request smaller volume and better function. So a new method which can get a small and lightweight gearbox becomes our target.In this thesis，SJ automobile gearbox was taken as an example. Firstly, traditional design was used to get the key sizes of gearbox；and then CAD was used to design its structure，such as shell、shaft、selector mechanism and so on；at last the toolbox of MATLAB was used to optimize the parameters of gearbox. The result manifests that using new method can shorten the design period，lower the costs for design，and the weight of gearbox can be reduced too. In conclusion，a satisfactory result can be achieved through optimizing the parameters of gearboxKeyword： gearbox，optimization，transmitting ratioSJ汽车变速器的设计与优化卢国亮 0611032730 引言随着时间的流逝，昔日的辉煌渐渐落下了尘埃；当轻轻的掸去岁月留下的痕迹，闪露的就是历史的光华。卡尔奔驰和戈特利布戴姆勒就是尘封于汽车工业史上的两个伟大的名字。1886年，德国人奔驰自行设计了四行程发动机，并将其安装在一辆皮带传动的三轮车上，然后成功的驱动了它。同年，德国的戴姆勒将其自行发明的立式发动机安装在改装后的四轮马车上，也成功的驾驶了它。这两位同一国家，但素不相识的人，几乎同时发明了汽车，自此使人类跨入了汽车的时代。光阴似箭，时光如梭，在经历了100多年的变革和发展后，汽车已成为人类生活中必不可缺的元素，交通运输、代步工具、时尚娱乐等等都有其独特的优势。随着我国社会经济的发展和人民生活水平的提高，汽车保有量迅猛增长，同时也对汽车的性能和质量提出了更高的要求。汽车制造商不仅面临着用户对产品性能与质量越来越高的要求，而且面临着严格的技术法规约束以及降低产品成本等压力，这就迫使企业必须缩短产品开发周期。因此在汽车开发过程中，进一步使用各种先进的技术和理论方法，使设计过程自动化，以满足产品设计的需要就显得十分重要了。汽车变速器是完成传动系任务的重要部件，也是决定汽车整车性能的主要部件之一，开展汽车变速器的优化设计，对提高汽车的整车性能和设计质量无疑有着重要的意义。目前从国内来看，大部分的汽车采用的还是手动换档的机械式变速器，其设计和一些主要参数选择的方法却依然沿袭传统设计方法经验类比法。现代汽车技术的发展对传动装置的设计工作提出了更高的要求。在这种情况下，传动装置的设计，不但要满足动力性和经济性指标，而且要求结构紧凑、尺寸小、重量轻、传动效率高、工作可靠、寿命长、噪音低等等。而传统设计的方法不但缺乏严密的科学性，如为了强调零件的可靠性，往往选取较大的安全系数，结果增大了设计零件的重量，而且设计生产周期长，质量低，材料消耗大。因而采用传统设计法进行变速器设计已不能满足汽车发展的客观需要。采用优化设计的方法确定汽车变速器的结构参数，可减小变速器的体积，得到良好的汽车动力性和燃料经济性，使换档轻便、无冲击噪声。同时也使设计者从大量的、繁琐的、重复的计算工作中解脱出来，使之有更多的精力从事创造性的工作，并可大大缩短设计周期，提高设计效率。所以，采用优化设计的方法进行汽车变速器的设计是十分必要的。1 汽车变速器1.1 概述现代汽车通常采用活塞式内燃机，其特点是扭矩变化范围比较小。但是汽车复杂的使用条件却要求汽车的驱动力和车速必须在相当大的范围内变化。这就需要在汽车的传动系中设置一个能够改变发动机扭矩和转速的装置，从而适应汽车经常变化的行驶条件，使汽车具有良好的动力性和经济性。汽车变速器就是传动系中能够达到这一功能的装置。其主要功用为：(A)改变传动比，扩大驱动轮扭矩和转速变化范围，以适应各种行驶条件，并使发动机在有利的工况下工作；(B)在发动机旋转方向不变的前提下，使汽车能倒向行驶；(C)利用空档，中断动力传递，使发动机能够迅速起动，保持怠速、并便于发动机的换档或进行动力输出。变速器在分类上通常有两种方式：按传动比变化方式和按操纵方式的不同来分。A.按传动比变化方式来分：(1)有级式变速器：是目前使用最广的一种。它采用齿轮传动，具有若干个定值传动比。按所用轮系型式不同，有轴线固定式变速器(普通变速器)和轴线旋转式变速器(行星齿轮变速器)两种。目前，轿车和轻、中型货车变速器的传动比通常有35个前进档和一个倒档，在重型货车用的组合式变速器中，则有更多档位。(2)无级式变速器：其传动比在一定的数值范围内可按无限多级变化，常见的有电力式和液力式(动液式)两种。电力式无级变速器的变速传动部件为直流串激电动机，除在无轨电车上应用外，在超重型自卸车传动系中也有广泛采用的趋势。动液式无级变速器的传动部件为液力变矩器。(3)综合式变速器 是指由液力变矩器和齿轮式有级变速器组成的液力机械式变速器，其传动比可在最大指与最小值之间的几个间断的范围内作无级变化，目前应用较多。B.按操纵方式来分：(1)强制操纵式变速器：是靠驾驶员直接操纵变速杆进行换档。(2)自动操纵式变速器：其传动比选择和换档是自动进行的，所谓“自动”，是指机械变速器每个档位的变换是借助反映发动机负荷和车速的信号系统来控制换档系统的执行元件而实现的。驾驶员只需操纵加速踏板以控制车速。(3)半自动操纵式变速器：有两种型式：一种是常用的几个档位自动操纵，其余档位则由驾驶员操纵；另一种是预选式，即驾驶员预先用按钮选定档位，在踩下离合器踏板或松开加速踏板时，接通一个电磁装置或液压装置来进行换档。1.2 齿轮变速器的变速原理一个普通的齿轮式变速器是利用不同齿数的齿轮啮合传动，以实现转速和转矩改变的。由齿轮传动的原理可知，一对齿数不同的齿轮啮合传动时可以变速。而且两齿轮的转速与其齿数成反比。设主动齿轮转速为n1，齿数为Z1，从动齿轮转速为n2，齿数为Z2。主动轮(即输入轴)转速与从动轮(即输出轴)转速之比值称为传动比。用字母i12表示。即: (1.1)因而, (1.2)如图1.1a所示。当以小齿轮为主动轮(即Z1Z2),其转速经大齿轮传出时就降低了，即n2n1，称为减速传动，此时传动比i1如图1.1b所示，当以大齿轮为主动轮(即Z1Z2)，其转速经小齿轮传出时就升高了，即n2n1,称为增速传动，此时传动比i1。这就是齿轮传动的变速原理。 （a） （b）图1.1 齿轮传动的变速原理I.主动齿轮；II.从动齿轮一对齿轮传动只能得到一个固定的传动比。从而得到一种输出转速，并构成一个档位。为了扩大变速器输出转速的变化范围，普通齿轮变速器通常都采用多组大小不同的齿轮啮合传动。这样就构成了多个不同的档位。对应于不同的档位，均有不同的传动比值，从而可得到多种不同的输出转速。一般轿车和轻、中型客货车辆的变速器通常有36个前进档和一个倒档。所谓变速器档数就是指其前进档数。传动比值i1的档位称为降速档，即其输出轴转速低于发动机转速，而且传动比越大则输出转速越低；i1的档位称为直接档，即其输出轴转速与发动机转速相等；i1的档位称为超速档，即其输出轴转速超过发动机的转速。习惯上把变速器传动比值较小的档位称为高档，传动比值较大的档位称为低档；变速器档位的变换称为换档，由低档向高档变换称为加档(或升档)。反之称为减档（或降档)。变速器就是通过档位变换来改变传动比，从而实现多级变速的。由齿轮传动的原理可知，一对齿轮啮合传动时，齿轮的齿数愈多，其转速就愈低，而其转矩愈大；反之，齿轮的齿数愈少，其转速就愈高，而其转拒则愈小，就是说齿轮传动的转矩与其转速成反比。设主动轮的转速为n1，转矩为M1,；从动轮的转速为n2，转矩为M2,即: (1.3)由于， 所以： (1.4)由此可见，齿轮式变速器在改变转速的同时也改变了输出转矩，而且随着输出转速的降低，输出转矩反而增大；当输出转速升高时，输出转矩减小。汽车变速器就是利用这一原理，通过改变各档的传动比来改变输出转速，从而改变其输出转矩，以适应汽车行驶阻力的变化。由齿轮传动的原理可知，多级齿轮传动的传动比为: (1.5)1.3 汽车变速器的设计趋势汽车变速器自诞生以来，已随着汽车技术的发展，产生了日新月异的变化，出现了许多设计思路完全不同的变速器。但归根结底，现代汽车变速器技术的主要设计趋势是：小型轻量化、多档化、低噪声化。(1)小型轻量化汽车的质量由于涉及到汽车的油耗，所以在现代汽车的设计当中通常占有及其重要的地位。试验表明：汽车质量降低1 ，油耗可降低0.7。所以致力于减轻汽车所有部件的质量成为了汽车设计的基本准则。减小汽车变速器的质量因此也成为了现代变速器的设计趋势。铝、镁合金具有比强度高、比重小等诸多优点，是实现轻量化较为理想的材料， 目前已经广泛应用于变速器壳体、离合器壳体、操纵盖以及换档拨叉等零件。镁合金的密度为1.8g/cm3，是铝合金的2/3，不足钢的1/4，是实际应用的材料中最轻的合金。而且镁合金的切削性、比强度、比刚度好，尺寸稳定性好，吸振能力好，有利于减振和降低噪声。早在1938年，德国大众第一次对甲壳虫轿车的变速器壳体使用镁合金材料；1972年奥迪在014型手动变速器的壳体采用镁合金材料。目前，大众汽车公司和奥迪汽车公司启动了使用镁合金的战略，福特汽车公司也在其轻型载货车的离合器壳体中使用了镁合金。(2)多档化通常5档变速器最小速比(超速档时)为0.7，最大速比的增加可提高汽车的加速性能，当档位数大于6或1档速比大于4时，对加速性能的提高作用已不明显；档位数和速比范围对燃油经济性的影响：通常5档变速器的最大速比(1档时)取3.0，增加速比可提高燃油经济性，当档位数大于6或最小速比低于0.7时，对燃油经济性提高影响很小。为了提高汽车的动力性、经济性和驾驶平稳性，就要求变速器增加速比范围， 减少速比间隔。(3)低噪声化在汽车的诸多噪声源中，传动系的噪声仅次于发动机和排气系统的噪声，齿轮噪声又是变速器上的主要噪声源，在降低变速器噪声中扮演着非常重要的角色。几十年来，人们对齿轮的低噪声化进行了大量的研究工作，取得了明显的成效。在齿轮参数的降噪设计中，通过提高齿轮重合度来降低高速档齿轮的噪声，小模数、小压力角、大齿高的齿轮设计已成为潮流；许多公司为此开发了专门的优化设计程序。另外变速器箱体在降低变速器噪声方面也发挥着重要的作用，改进箱体的截面形状，从而改善箱体的振动特性，可有效地降低变速器的噪声。2 SJ汽车变速器的设计2.1 变速器的设计要求汽车变速器作为汽车传动系统的关键总成，其主要的功能是改变发动机曲轴的转矩及转速，以适应汽车在起步、加速、行驶以及克服各种道路障碍时对驱动车轮牵引力及车速的不同需求。变速器的结构对汽车的动力性、经济性、操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率等都有直接的影响。为保证变速器具有良好的工作性能，对变速器应提出如下设计要求：(1)变速器的档位数和传动比，必须与发动机参数优化匹配，以保证汽车具有良好的动力性与经济性；(2)设置空档以保证汽车在必要时能将发动机与传动系长时间分离；设置倒档使汽车可以倒退行驶；(3)操纵简单、方便、迅速、省力；(4)传动效率高，工作平稳、无噪声；(5)体积小、质量轻、承载能力强，工作可靠；(6)制造容易、成本低廉、维修方便、使用寿命长；(7)贯彻零件标准化、部件通用化及总成系列化等设计要求，遵守有关标准规定；(8)需要时应设置动力输出装置。本设计要求设计手动齿轮式变速器，变速器应用于发动机前置、前轮驱动的轿车上（具体参数见表2.1）。表2.1 SJ汽车变速器的设计原始参数参数数值发动机功率(P)66KW发动机最大转速（n）5600r/min发动机最大扭矩（）145 (n=3500r/min)主减速器传动比（）4.111整车总质量（m）1360kg车轮半径 (r)0.432m最大爬坡度（）30% (16.7)传动系机械效率(）0.962.2 变速器传动方案的确定2.2.1 轴数的选择手动变速器与自动变速器相比，其结构简单、造价低廉，因此在各种类型的汽车上均得到了广泛的应用。其中两轴式和三轴式变速器在手动式变速器中得到了最广泛的应用。三轴式变速器的第一轴常啮合齿轮与第二轴的各档齿轮分别与中间轴的相应齿轮相啮合，且第一、二轴同心。将第一、二轴直接连接起来传递转矩则称为直接档。此时，齿轮、轴承及中间轴均不承载，而第一、二轴也仅传递转矩因此，直接档的传动效率高，磨损及噪声也最小，这是三轴式变速器的主要优点。其他前进档需依次经过两对齿轮传递转矩。因此，在齿轮中心距(影响变速器尺寸的重要参数)较小的情况下仍然可以获得大的一档传动比，这是三轴式变速器的另一优点。其缺点是：除直接档外其他各档的传动效率有所降低。两轴式变速器与三轴式变速器相比，其结构简单、紧凑且除最高档外其他各档的传动效率高、噪声低。轿车多采用前置发动机前轮驱动的布置，因为这种布置使汽车的传动系统紧凑、操纵性好且可使汽车的质量减少6l0。两轴式变速器的输出轴与主减速器主动齿轮做成一体，当发动机纵置时，主减速器可用螺旋锥齿轮或双曲面齿轮；当发动机横置时则可用圆柱齿轮，从而简化了制造工艺、降低了成本。除倒档常用滑动齿轮(直齿圆柱齿轮)外，其他档位均采用常啮合齿轮(斜齿圆柱齿轮)传动。根据设计要求，本文拟选用两轴式的手动变速器作为设计对象。2.2.2 倒档型式的选择为实现倒档传动，采用在前进档的传动路线中，加入一个中间传动齿轮的方案，进行倒档的动力传递。由于倒档使用率不高，本设计采用直齿滑动齿轮方案换入倒档。2.2.3 传动路线的确定传动路线的设计应首先考虑轴的受力情况，再根据变速器的结构形式来进行布置。图2.1为设计的SJ变速器的传动方案简图。当离合器接合时，发动机的动力传至输入轴，带动三/四档同步器、二档、一档、倒档主动齿轮和五档接合套一起旋转，二档和一档从动齿轮绕输出轴空转。由于此时所有同步器接合套未与任何齿轮接合，倒档轴上的第2倒档齿轮亦未拨到与第1和第3倒档齿轮啮合的位置，因此，发动机动力不能传到输出轴，变速器处于空档位置，车辆不能起步行驶。图2.1 SJ五档机械变速器传动方案简图1.四档主动齿轮；2.三档主动齿轮；3.二档主动齿轮；4.倒档主动齿轮；5.一档主动齿轮；6.五档主动齿轮；7.输入轴；8.五档从动齿轮；9.输出轴；10.一档从动齿轮；11.倒档中间齿轮；12.二档从动齿轮；13.三档从动齿轮；14.四档从动齿轮；(1)一档传动路线如图2.2所示,操纵变速杆，通过拨叉机构拨动一/二档换档拨叉，使二档同步器11的接合套右移，与输出轴一档齿轮10的外齿圈啮合。动力便可从输入轴依次经输入轴一档齿轮6、输出轴一档齿轮10和一/二档同步器11传给输出轴15输出。一档传动比为输出轴一档齿轮10的齿数/输入轴一档齿轮6的齿数。一档传动比最大，产生的车轮驱动力最大，车速也最低，用于车辆的起步和爬坡。若需脱开一档，通过拨动换档拨叉，使同步器11的接合套左移，与输出轴一档齿轮10的外齿圈分离，变速器退回到空档位置。图2.2 SJ五档机械变速器的传动路线1.输入轴；2.输入轴四档齿轮；3.三四档同步器；4.输入轴三档齿轮；5.输入轴二档齿轮；6.输入轴一档齿轮；7.输入轴五档齿轮；8.五档同步器；9.输出轴五档齿轮；10.输出轴一档齿轮；11.一二档同步器；12.输出轴二档齿轮；13.输出轴三档齿轮；14.输出轴四档齿轮；15.输出轴；16.倒档惰轮（仅见于图2.3）；17.输入轴倒档齿轮；18.输出轴倒档齿轮(2)二档传动路线如图2.2所示，操纵变速杆，通过拨叉机构拨动一/二档换档拨叉，使一/二档同步器11的接合套左移，与输出轴二档齿轮12的外齿圈啮合，动力便可从输入轴依次经输入轴二档齿轮5、输出轴二档齿轮12和一/二档同步器11传给输出轴15输出。二档传动比为输出轴二档齿轮12的齿数/输入轴二档齿轮5的齿数。二档脱开方式，与一档类似。(3)三档传动路线如图2.2所示，操纵变速杆，通过拨叉机构拨动三/四档换档拨叉，使三/四档同步器3的接合套右移，与输入轴三档齿轮4的外齿圈啮合，动力便可从输入轴依次经输入轴三档齿轮4和输出轴三档齿轮13传给输出轴15输出。三档传动比为输出轴三档齿轮13的齿数/输入轴三档齿轮4的齿数。三档脱开方式，与一档类似。(4) 四档传动路线如图2.2所示，操纵变速杆，通过拨叉机构拨动三/四档换档拨叉，使三/四档同步器3的接合套左移，与输入轴四档齿轮2的外齿圈啮合，动力便可从输入轴依次经输入轴四档齿轮2和输出轴四档齿轮14传给输出轴15输出。四档传动比为输出轴四档齿轮14的齿数/输入轴四档齿轮2的齿数。四档脱开方式，与一档类似。四档为直接档(传动比为1)，在平直良好路面上使用，可实现较高车速。(5)五档传动路线如图2.2所示，操纵变速杆，通过拨叉机构拨动五档换档拨叉，使与输入轴五档齿轮7相连的五档同步器8的接合套右移，与输入轴端部上的外齿圈啮合，动力便可从输入轴依次经输入轴端部外齿圈、五档同步器8、输入轴五档齿轮7和输出轴五档齿轮9传给输出轴15输出。五档传动比为输出轴五档齿轮9的齿数输入轴五档齿轮7的齿数。五档脱开方式，与一档类似。五档为超速档，变速器输出轴转速高于输入轴转速(传动比小于1)，在平直良好路面上使用，可实现最高车速。在发动机功率足够的条件下，采用超速档可提高汽车的燃油经济性。(6)倒档传动路线为了实现汽车倒驶，在变速器输入轴和输出轴之间，安装了一根倒档轴，支承在变速器后壳体上。如图2.3所示，操纵变速杆，通过倒档拨叉拨动第2倒档齿轮，带动倒档轴右移,使输入轴上的第1倒档齿轮灯通过倒档轴上的第2倒档齿轮与输出轴上的第3倒档齿轮18啮合，动力便可从输入轴依次经输入轴上的第1倒档齿轮17,倒档轴上的第2倒档齿轮和输出轴上的第3倒档齿轮18传给输出轴15输出。倒档脱开时，需拨动倒档拨叉，使倒档轴上的第2倒档齿轮与输入、输出轴上的倒档齿轮17和18脱开。考虑到倒车安全，倒档传动比与一档传动比接近，希望倒车时车速尽可能低些。图2.3 SJ五档机械变速器倒档传动路线1.输入轴；2.输入轴四档齿轮；3.三四档同步器；4.输入轴三档齿轮；5.输入轴二档齿轮；6.输入轴一档齿轮；7.输入轴五档齿轮；8.五档同步器；9.输出轴五档齿轮；10.输出轴一档齿轮；11.一二档同步器；12.输出轴二档齿轮；13.输出轴三档齿轮；14.输出轴四档齿轮；15.输出轴；16.倒档惰轮；17.输入轴倒档齿轮；18.输出轴倒档齿轮2.3 变速器零部件型式的确定2.3.1 齿轮型式斜齿圆柱齿轮虽然工作时有轴向力且加工稍复杂些，但因为其运转平稳、噪声低、寿命长等突出优点而使得其在变速器中得到普遍的采用。本设计拟定倒档采用直齿圆柱齿轮，其它档位采用斜齿圆柱齿轮。2.3.2 轴的型式变速器轴在工作时需承受转矩及弯矩，轴的明显变形将影响齿轮的正常啮合，产生较大的噪声，降低使用寿命。轴的结构形状除应保证其强度与刚度外，还应考虑齿轮、同步器及轴承等的安装、固定，另外它与加工工艺也有密切关系。输入轴通常与齿轮做成一体，其长度决定离合器总成的轴向尺寸。输入轴的花键尺寸与离合器从动盘毂的内花键统一考虑，采用齿侧定心的矩形花键，键齿之间为动配合。输出轴制成阶梯式以便于齿轮安装，从受力及合理利用材料来看，这也是需要的。各截面尺寸不应相差悬殊，否则轴上供磨削用的砂轮越程槽处的应力过于集中，会引起轴的断裂。采用弹性挡圈定位各档齿轮，其优点是结构简单，但存在拆装不方便，与旋转件端面有滑摩，弹性挡圈也不能承受大的轴向力等缺点，不过由于设计的是轿车用变速器，故这种结构完全符合设计要求。输出轴安装同步器齿座的花键，采用渐开线花键且以大径定心。虽然渐开线花键固定连接的精度要求比矩形花键低，但定位性能好，承载能力大，且键齿高较小，使小径相应增大，可增强轴的刚度。当倒档采用滑动齿轮挂档时，输出轴的相应花键则采用矩形花键及动配合。倒档轴为压入壳体孔中并固定不动的光轴。2.3.3 轴承型式变速器采用滚动轴承，即向心球轴承、向心短圆柱滚子轴承、滚针轴承以及圆锥滚子轴承。通常是根据变速器的结构选定，再验算其寿命。输入轴前轴承（安装在发动机飞轮内腔中）采用向心球轴承；后轴承采用外圈带止动槽的向心球轴承。因为它不仅受径向负荷，而且承受向外的轴向负荷。为便于输入轴的拆装，后轴承的座孔直径应大于输入轴齿轮的齿顶圆直径。输出轴前端多采用滚针轴承或短圆柱滚子轴承；后端采用带止动槽的单列向心球轴承。因为它也要承受向外的轴向力。变速器输出轴的常啮合齿轮与输出轴之间采用滚针轴承，也有用滑动轴套的。前者与后者相比，具有定位精度高，有利于齿轮啮合、传动效率高等一系列的优点，但对配合处的尺寸精度、表面粗糙度及硬度都要求很严，且配合要适宜。为增强汽车变速器的承载能力，使其具有更高的可靠性、更长的寿命和更好的性能，变速器采用圆锥滚子轴承的日益增多。因为与其它轴承相比，圆锥滚子轴承的直径小、宽度大、接触线长，因而容量大，可以承受高负荷；在承受同样载荷的情况下其径向尺寸可以减小，从而缩小中心距，减小变速器的尺寸和质量；锥体、外圈及滚子间基本的几何关系使滚子能正确对中，确保轴承的可靠性及长寿命；接触线长加之锥角和配合选择适当，则可提高轴的刚度，使齿轮正确啮合、降低噪声，减少自动脱档的可能并提高其寿命；圆锥滚子轴承可通过预紧消除轴向间隙和轴向窜动。变速器采用圆锥滚子轴承时，为了便于装配和轴承预紧，通常将壳体设计成沿变速器轴中心线所在平面垂直分开或水平分开。2.3.4 换档型式目前大多数的汽车变速器都采用同步器换档，本设计也采用同步器换档，因为使用同步器能保证迅速、无冲击、无噪声的换档，而与操作技术的熟练程度无关，从而提高了汽车的加速性、经济性和行车安全性。但是它也有结构复杂、制造精度要求高、轴向尺寸大、同步环使用寿命短等缺点。2.4 变速器传动部分结构的确定在确定了变速器的齿轮、轴、轴承以及其它一些主要零部件的型式后，就可以结合变速器的传动方案，确定SJ变速器传动部分的结构。输入轴通过一个滚针轴承和球轴承固定在变速器壳体上，输入轴三、四、五档齿轮通过滚子轴承松套在输入轴上，三/四档同步器5通过花键与输入轴相连。五档同步器与输入轴五档齿轮相连，通过轴承松套在输入轴上，五档接合齿套与输入轴制成一体。其他3个与输入轴紧固相连的齿轮从左向右分别为输入轴二档齿轮、输入轴倒档第1齿轮和输入轴二档齿轮。输出轴上则紧固相连着输出轴四档齿轮、输出轴三档齿轮、输出轴五档齿轮和输出轴倒档第3齿轮。输出轴二档齿轮和输出轴一档齿轮通过轴承松套在输出轴上。一/二档同步器固连在输出轴上。倒档第2齿轮固连在倒档中间轴上。输入轴和输出轴的具体结构和其上装配的零件如图2.4、2.5。图2.4 SJ变速器输入轴分解图1.后轴承的罩盖；2.挡油圈；3.锁环；4.输入轴后轴承；5.变速器后盖；6.五档同步器套管；7.五档同步环；8.五档同步器和齿轮；9.五档齿轮滚针轴承；10. 五档齿轮滚针轴承内圈；11.固定垫圈；12.锁环；13.中间轴承；14.轴承支座；15.中间轴承内圈；16.有齿的锁环；17.四档齿轮；18.四档同步环；19.四档齿轮滚针轴承；20.锁环；21.三四档同步器；22.三档同步环；23.三档齿轮；24.三档齿轮滚针轴承；25.输入轴；26.输入轴滚针轴承图2.5 SJ变速器输出轴分解图1.五档齿轮；2.输出轴外后轴承；3.轴承保持架；4.后轴承外圈；5.调整垫片；6.轴承支座；7. 输出轴内后轴承；8.一档齿轮；9.一档齿轮滚针轴承；10.一档齿轮滚针轴承内圈；11.一档同步环；12.一二档同步器；13.二档同步环；14.二档齿轮；15.二档齿轮滚针轴承；16.挡环；17.三档齿轮；18.挡环；19.四档齿轮；20.输出轴前轴承；21.输出轴；22.圆柱销；23.输出轴前轴承外圈2.5 变速器主要参数的设计确定了变速器的主要结构之后，需要按照设计的要求，确定变速器的主要参数，以达到设计的要求。2.5.1 档数增加变速器的档数能改善汽车的动力性和经济性。但档数越多，变速器的结构越复杂，并且使尺寸轮廓和质量加大。同时操纵机构复杂，而且在使用时换档频率也增高。在最低档传动比不变的条件下，增加变速器的档数会使变速器相邻的低档与高档之间的传动比比值减小，使换档工作容易进行。要求相邻档位之间的传动比比值在1.8以下,要求高档区相邻档位之间的传动比比值要比低档区相邻档位之间的传动比比值小。近年来为了降低油耗，变速器的档数有增加的趋势。目前轿车一般用45个档位，级别高的轿车变速器多用5个档，货车变速器采用45个档位或多档。装载质量在23.5T的货车采用5档变速器，装载质量在48T的货车采用6档变速器。多档变速器多用于重型货车和越野车。本设计考虑设计要求，采用5档变速器。2.5.2 传动比变速器的传动比范围是指变速器最低档传动比与最高档转动比的比值。传动比范围的确定与选定的发动机参数，汽车的最高车速和使用条件等因素有关。选择最低档传动比时，应根据汽车最大爬坡度、驱动车轮与路面的附着力、汽车的最低稳定车速以及主减速比和驱动车轮的滚动半径等来综合考虑。（1）根据汽车最大爬坡度确定一档传动比汽车爬陡坡时车速不高，空气阻力可忽略，则最大驱动力用于克服轮胎与路面间的滚动阻力及爬坡阻力。故有 （2.1）则由最大爬坡度要求得出的变速器1档传动比为（2.2）式中m汽车总质量,1360kg ；g重力加速度；f道路阻力系数,0.02；要求最大爬坡,30%(16.7)；驱动车轮的半径，0.432m；发动机最大转矩，145；主减速器传动比，4.111；汽车传动系的传动效率，0.96(2) 根据驱动轮与地面的附着力确定一档传动比汽车行驶时，为了使驱动轮不打滑，必须使驱动力等于或小于驱动轮与路面间的附着力。（2.3）求得的变速器1档传动比为：（2.4）式中驱动轮上法向反作用力，9395N；道路的附着系数，=0.55(3) 其它各档传动比的确定 五档式变速器中第四档为直接档，传动比为1。第五档为超速档一般取0.8左右。一至四档传动比一般取为等比数列，但是由于变速箱各档利用率差别很大，高档利用率比低档大，所以在现代设计中，变速箱各档传动比并不是正好按等比级数来分配的，而是在高档区内相邻两档间的传动比的间隔比低档区的要小。对于倒档一般初选与一档相同，但由于设计方法的影响，一般倒档为两对齿轮啮合，情况较复杂，其设计是在中心距已定的情况下。而中心距又是由一档所得，所以从强度考虑，倒档传动比应小于一档。当然，若以倒档来设计中心距则传动比可大些。各传动比确定后可依此设计齿轮，实际传动比可根据齿数调整。考虑实际传动比还需要根据齿数调整，故此处初步设计的传动比为i1=3.8,i2=2.3,i3=1.6,i4=0.98,i5=0.82，i倒3.65 。2.5.3 中心距A对于两轴式变速器,输入轴与输出轴之间的距离称为变速器中心距。其大小不仅对变速器的外形尺寸,体积和质量大小,而且对齿轮的接触强度有影响。中心距越小，齿轮的接触应力就越大，齿轮寿命就越短。最小允许中心距应当由保证齿轮有必要的接触强度来确定。变速器轴经轴承安装在壳体上，从布置轴承的可能性、方便性以及不影响壳体的强度考虑，要求中心距取大些。此外受一档小齿轮齿数不能过少的限制，要求中心距也要大些。变速器的中心距A可根据对已有变速器的统计而得出的经验公式初选：（2.5）式中中心距系数。对轿车取8.99.3；对货车取8.69.6；对多档主变速器，取9.511；变速器处于1档时的输出转矩，；发动机最大转矩，145Nm；变速器的1档传动比；变速器的传动效率，取0.96。初选中心距也可以由发动机最大转矩按下式直接求出： （2.6）式中按发动机最大转矩直接求中心距时的中心距系数，对轿车取14.516.0，对货车取17.019.5。轿车变速器的中心距在6580mm变化范围，货车的变速器中心距在80170mm范围内变化。原则上总质量小的汽车中心距小。2.5.4 外形尺寸变速器的轴向尺寸与档位数、齿轮型式、换档机构的结构型式等都有直接关系，设计初可根据中心距A的尺寸参用下列关系初选。商用车变速器壳体的轴向尺寸：四档（2.22.7）A五档（2.73.0）A六档（3.23.5）A乘用车变速器壳体的轴向尺寸：（3.03.4）A变速器壳体的轴向尺寸最后应由变速器总图的结构尺寸链确定。此处由于选用五档变速器，故其外形尺寸初定为3A228mm。2.5.5 轴的直径变速器的轴应设计成阶梯式。当变速器工作时，轴除了传递转矩外，还承受来自齿轮作用的径向力，如果是斜齿轮还有轴向力。在这些力的作用下，变速器轴必须有足够的强度和刚度。轴的刚度不足会产生弯曲变形，破坏齿轮的正确啮合，对齿轮的强度和耐磨性产生影响，增加工作噪声。输入轴花键部分直径d可按下式初选（2.7）式中K为经验系数，K=4.0,Temax为发动机最大转矩（145Nm）其它部分的轴径按变速器的结构需求，考虑阶梯式的原则进行设计。2.5.6 齿轮参数（1）模数的选取遵循的一般原则：为了减少噪声，应合理减少模数，增加齿宽；为使质量小，应合理增加模数，同时减少齿宽；从工艺方面考虑，各档齿轮应选用同一种模数；而从强度方面考虑，各档齿数应有不同的模数。减少轿车齿轮工作噪声有较为重要的意义，因此齿轮的模数应选小。对货车，减小质量比噪声更重要，故齿轮应选大些的模数。低档齿轮应选大些的模数，其他档位选另一种模数。少数情况下汽车变速器各档齿轮均选用相同的模数。啮合套和同步器的接合齿多数采用渐开线齿轮。由于工艺上的原因，同一变速器的接合齿模数相同。选取较小的模数值可使齿数增多，有利于换档。根据圆柱齿轮强度的简化计算方法，可列出齿轮模数m与弯曲应力 之间有如下关系：直齿轮模数：（2.8）式中计算载荷，Nmm；应力集中系数，直齿齿轮取1.65；摩擦力影响系数，主动齿轮取1.1，被动齿轮取0.9；Z齿轮齿数；齿宽系数，直齿齿轮取4.47.0；y齿形系数。齿高系数f相同、节点处压力角不同时：，；压力角相同、齿高系数为0.8时， ；轮齿弯曲应力，当时，直齿齿轮的许用应力MPa。斜齿齿轮法向模数： （2.9）式中应力集中系数，斜齿齿轮取1. 5；斜齿齿轮螺旋角；齿宽系数，斜齿齿轮取7.08.6；重合度影响系数，取2；齿形系数，按当量齿数按 查询；轮齿弯曲应力，轿车变速器斜齿齿轮取MPa，货车变速器斜齿齿轮取MPa。汽车变速器齿轮法向模数取值范围如下：微型、轻型轿车，2.252.75；中型轿车，2.753；中型货车，3.504.5；重型货车，4.506。同步器和啮合套的接合齿多采用渐开线齿，取值范围为：轿车及轻型、中型货车为23.5；重型货车为3.55。出于工艺考虑，模数应尽量统一。(2)压力角的选择压力角较小时，重合度大，传动平稳，噪声低；较大时可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。对轿车，为加大重合度已降低噪声，取小些；对货车，为提高齿轮承载力，取大些。变速器齿轮用20,接合套或同步器的接合齿压力角用30。(3)螺旋角的选择斜齿轮在变速器中得到广泛的应用。选斜齿轮的螺旋角，要注意它对齿轮工作噪声、齿轮的强度和轴向力的影响。从提高低档齿轮的抗弯强度出发，不希望用过大的螺旋角；而从提高高档齿轮的接触强度着眼，应选用较大螺旋角。斜齿轮螺旋角可在下面提供的范围内选用：轿车变速器：两轴式变速器为 2030中间轴式变速器为 2234货车变速器：1834(4)齿宽的选择应注意齿宽对变速器的轴向尺寸，齿轮工作平稳性，齿轮强度和齿轮工作时受力的均匀程度均有影响。考虑到尽可能的减少质量和缩短变速器的轴向尺寸，应该选用较小的齿宽。减少齿宽会使斜齿轮传动平稳的优点被削弱，还会使工作应力增加。使用宽些的齿宽，工作时会因轴的变形导致齿轮倾斜，使齿轮沿齿宽方向受力不均匀并在齿宽方向磨损不均匀。通常根据齿轮模数m的大小来选定齿宽。直齿：b=KCm, KC为齿宽系数，取为4.58.0斜齿：b= KCmn，KC取6.08.5输入轴常啮合齿轮副的齿宽系数，KC可取大些，使接触线长度增加、接触应力降低，以提高传动平稳性和齿轮寿命。(5)齿顶高系数一般齿轮的齿顶高系数f01.0，为一般汽车变速器齿轮所采用。现代轿车变速器多采用齿顶高系数大于1的“高齿齿轮”(或相对于短齿齿轮而言而称为长齿齿轮)，因为它不仅可使重合度增大，而且在强度、噪声、动载荷和振动等方面均比正常齿高的齿轮有显著改善，但存在相对滑动速度大、易发生轮齿根切或齿顶变尖等问题。(6)各档齿轮齿数的分配在初选中心距，齿轮模数和螺旋角以后，可更据变速器的档数，传动比和传动方案来分配各档齿轮的齿数。注意，应尽可能使各档齿轮的齿数比不是整数。按前文所述，先初选模数：，；齿宽b16mm；再按照中心距公式:（2.10）式中Z1、Z2为四档主、被动齿轮，Z3、Z4为三档主、被动齿轮，Z5、Z6为二档主、被动齿轮Z7、Z8为一档主、被动齿轮，Z9、Z10为五档主、被动齿轮。调整螺旋角得：，；齿数得：Z1=31，Z230，Z324，Z438，Z517，Z639，Z712，Z845，Z933，Z1027；修正后各档传动比初定为：i1=3.750，i2=2.294，i3=1.583，i4=0.967，i5=0.8182.6 变速器的操纵机构设计变速器操纵机构由变速杆、拨叉轴、拨叉、自锁与互锁装置、倒档安全装置等组成。在设计时应考虑结构简单，操纵轻便，档位清晰，变速杆的换档位置合理，挂档准确、迅速，安全可靠(每次只能挂入一个档，不误挂倒档，不自动脱档)等等。设计变速器操纵机构应先确定与操纵机构的结构与布置密切相关的换档位置图，它给出了换档时变速杆的移动路线。确定时主要从换档方便考虑，应按档位次序排列并将常用档尽量放在中间位置，其他档位放到两边。直接操纵式是最简单的操纵方案，在各种类型的汽车上得到了广泛的应用。所以本设计拟采用直接操纵式，其传统的布置方法是将变速杆安装在变速器盖上并由驾驶座椅旁的地板伸出，以便司机可直接用手操纵变速杆进行换档。结构如图2.6图2.6 SJ变速器的操纵机构1.换档杆接合器；2.外换档杆；3.换档手柄座；4.变速杆；5.倒档保险挡块；6.内换挡杆；7.支撑杆；8.换档标记2.7 变速器壳体的设计变速器壳体的尺寸要尽可能小，同时质量也要小，并具有足够大的刚度，用来保证轴和轴承工作时不会歪斜。变速器横向断面尺寸应保证能布置下齿轮，而且设计时还应当注意到壳体侧面的内壁与转动齿轮齿顶之间留有58mm的间隙，否则由于增加了润滑油的液压阻力，会导致产生噪声和使变速器过热。齿轮齿顶到变速器底部之间要留有不小于15mm的间隙。为了减小质量，变速器壳体采用压铸铝合金铸造时，壁厚取3.54mm。增加变速器壳体的壁厚，虽然能提高壳体的强调和刚度，但会加大变速器的质量，使消耗增加，提高了成本。为了加强变速器壳体的刚度，在壳体上应设计加强肋。加强肋的方向与轴支承处的作用力的方向有关。变速器的壳壁不应该有不利于吸收齿轮振动和噪声的大平面。由于采用压铸铝合金铸造壳体，故可以设计一些三角形的交叉肋条，用来增加壳体的刚度和降低总成的噪声。为了注油和放油，在变速器壳体上设有注油孔和放油孔。注油孔的位置应设计在润滑油所在平面上，同时利用它作为检查油面高度的检查孔。放油孔应设计在壳体的最低处。放油螺塞采用永久磁性螺塞，可以吸住存留于润滑油内的金属颗粒。为了保持变速器内部为大气压力，在变速器顶部设有通气塞。SJ变速器壳体的具体结构如图2.7所示。图2.7 SJ变速器壳体分解图1.放油螺塞；2.注油螺塞；3.起动机衬套；4.圆柱销；5.输出轴前轴承外圈；6.离合器分离叉轴右衬套；7.输入轴滚针轴承；8.防护罩；9.通气塞；10.变速器壳体2.8 SJ变速器的CAD设计经过以上设计、分析及计算之后，就可以使用计算机辅助设计CAD技术来初步完成SJ汽车变速器的设计。利用AutoCAD软件中精确的绘图及新颖的图层功能，可以得到最佳效果的平面图纸；而利用UG软件中先进的三维建模和虚拟装配技术可以得到比平面图纸更直观的视觉效果；同时，利用CAD技术进行设计也更利于设计方案及图纸的修改，为下一步优化设计打下了基础。变速器的平面装配图见论文附件，图2.8为SJ变速器在汽车上的三维布置效果图，图2.9为SJ变速器的三维结构效果图（具体CAD设计过程考虑篇幅长度与侧重点，此处不介绍）。图2.8 SJ变速器在汽车上的三维布置效果图1.发动机；2.离合器；3.SJ变速器；4.主减速器与差速器；5.等速万向节；6.传动轴；7.驱动轮（前轮）；8.盘式制动器（前轮）图2.9 SJ变速器的三维结构效果图1.通气塞；2.输入轴；3.滚针轴承；4.输入轴四档齿轮；5.三四档同步器；6.输入轴三档齿轮；7.倒档齿轮组；8.轴承座壳体；9.倒档拨叉定位销；10.输入轴五档齿轮；11.五档同步器；12.球轴承；13.后盖总成；14.异型磁铁；15.后支架；16.输出轴五档齿轮；17.双列圆锥滚子轴承；18.输出轴一档齿轮；19. 一二档同步器；20.输出轴二档齿轮；21.输出轴三档齿轮；22.输出轴；23. 输出轴四档齿轮；24.差速器组件；25.差速器盖；26.凸缘轴；27.车速里程表传动齿轮组；28.离合器分离板；29.变速器壳体；30. 三四档换挡拨叉；31. 一二档拨叉轴；32. 三四档拨叉轴；33. 五倒档拨叉轴；34.倒档换档拨叉；35.五档换档拨叉；36.选档轴；37.倒档轴；38. 一二档换档拨叉；39.堵塞；40.定位销锁；41.大互锁销；42.小互锁销3 优化设计3.1 优化设计与传统设计的比较传统的汽车变速器的设计是由经验丰富的设计人员进行，采用设计经验来确定系统的结构及各零件的结构，按设计经验公式确定零件关键尺寸。其设计方法是一个为了达到设计要求而反复迭代的过程，结构参数的确定往往是根据类比、估算或试凑的方式初步确定，然后再进行强度与刚度等的校核。如果不能满足设计要求，就得修改设计方案，再进行重复计算，直到满意为止。因此这种设计方