《汽车结构设计与分析》结构设计论文

1、汽车结构设计与分析汽车手动变速器设计彭易祥（武汉理工大学汽车工程学院；车辆工程132班；1049721302256）摘 要：作为汽车传动系统的重要组成部分，变速器对整车的动力性与经济性、操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率都有着较为直接的影响。虽然传统机械式的手动变速器具有换档冲击大，体积大，操纵麻烦等诸多缺点，但仍以其传动效率高、生产制造工艺成熟以及成本低等特点，广泛应用于现代汽车上。本文在深入了解和学习变速器开发流程和相关设计理论知识的前提下，确定该微型汽车手动变速器的设计方案，设计计算出变速器主要零件的相关参数，最后通过绘图软件CATIA画出模型。关键字：手动变速器；设计参数；CAT

2、IADesign and Analysis of AutomobileDesign of automotive manual transmissionPeng Yixiang(Class132, School of Vehicle Engineering, Wuhan University of Technology; 1049721302256)Abstract: As an important part of automobile transmission, gearbox not ouly has a direct impact on the vehieles power and eco

3、nomy, also affects the operation reliability and ease, transmission stability and efficiency. Although the traditional mechnical manual transmission has many disadvantages, such as large shift shock, huge volume and complicated control, it is still widely used in modern cars for its advantages of hi

4、gh transmlssion efficiency, mature production technique and more importantly, low cost. This thesis firstly confirms the design plan of manual gearbox of micro car, basing on the comprehension and study on gearbox development process as well as relevant theories. Then worked out the related paramete

5、rs on main components of gearbox. At last draw the model throuth drawing software CATIA.Key words: Manual transmission；design parameter；CATIA引言自从汽车采用内燃机作为动力装置开始，变速器就成为了汽车重要的组成部分，现代汽车上广泛采用的往复活塞式内燃机具有体积小、质量轻、工作可靠和使用方便等优点，但其转矩和转速变化范围较小，而复杂的使用条件则要求汽车的牵引力和车速能在相当大的范围内变化，故其性能与汽车的动力性和经济性之间存在着较大的矛盾，这对矛盾靠现代汽车

6、的内燃机本身是无法解决的。因此，在汽车传动系中设置了变速器和主减速器，以达到减速增矩的目的。本文以机械式变速器为例，对变速器主要参数进行选择和计算，然后以计算的数据用CATIA画一个简单的模型。1 机械式变速器基本结构 变速器通常按传动比变化的方式和传动比操作方式来分类。按传动比变化的方式可将变速器分为有级式、无级式、和综合式变速器。按传动比操作方式可将变速器分为手动操纵式、自动操纵式和半自动操纵式变速器。本文研究的机械式变速器即普通齿轮变速器，又可说成有级式变速器，分为两轴式和三轴式及组合式三类。三轴式变速器主要有第一轴（输入轴）、中间轴和第二轴（输出轴）三根固定轴线的传动齿轮轴，故称为三轴

7、式变速器。第一轴后端通过滚珠轴承支承在变速箱的前壁上，中间轴后端通过滚珠轴承支承在变速箱体的后壁上，第二轴后端通过滚珠轴承支承在变速箱体的后壁上，前端通过滚针轴承支承在第一轴后端的轴孔中。而在一些小型汽车上，尤其是一些轿车上，为了适应发动机前置前驱或后置后驱的需要，装有两轴式变速器，即只有输入轴和输出轴，没有中间轴。这种变速器两根轴平行，并且第一轴上的五个齿轮均与轴制成一体，五个齿轮分别是倒档主动齿轮、一档主动齿轮、二档主动齿轮、三档主动齿轮、四档主动齿轮，除倒档主动齿轮外，其他齿轮均与第二轴上的相应档位从动齿轮常啮合，第二轴上的从动齿轮均通过轴承浮装在轴上。故其特点是结构简单、紧凑、在小型汽

8、车上易于布置。从输入到输出只采用一对齿轮传动，因而机械传动效率高，但没有直接档，最高档机械传动效率比直接档低。2 变速器传动机构布置方案 固定轴式变速器中的两轴式和中间轴式变速器变速器应用广泛。其中，两轴式变速器多用于发动机前置前驱汽车上。与中间轴式变速器比较，两轴式变速器因轴和轴承数少，所以有结构简单、轮廓尺寸小和容易布置等优点，此外，各中间档位因只经一对齿轮传递动力，故传动效率高同时噪声也低。因两轴式变速器不能设置直接档，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。还有受结构限制，两轴式变速器的一挡速比不可能设计得很大。对于前进挡，两轴式变速器输入轴的转动方向与输出轴的转

9、动方向相反；而中间轴式变速器的第一轴与输出轴的转动方向相同。 a) b) c) d) e) f)图1 两轴式变速器传动方案图1所示用在发动机前置前驱乘用车上的两轴式变速器传动方案。其特点是：变速器输出轴与主减速器主动齿轮做成一体，发动机纵置时，主减速器采用弧齿锥齿轮或准双曲面齿轮，发动机横置时采用斜齿圆柱齿轮；多数方案的倒挡传动常用滑动齿轮，其他挡位均采用常啮合齿轮传动。图1-f中的倒挡齿轮为常啮合齿轮，并用同步器换挡；同步器多数装在输出轴上，这是因为一挡主动齿轮尺寸小，同步器装在输出轴上有困难，而高挡的同步器可以装在输入轴后端，如图1-d、e所示；图1-d所示方案的变速器油辅助支承，用来提高

10、轴的刚度，减少齿轮磨损和降低工作噪声。图1-f所示方案为五挡全同步器式变速器，以此为基础，只要将五挡齿轮用尺寸相当的隔套替代，即可改变为四挡变速器，从而形成一个系列产品。3 变速器主要参数的选择3.1 变速器挡位数及传动比变速器挡数可在320个挡位范围内变化。通常变速器的挡数在6挡以下，当挡数超过6挡以后，可在6挡以下的主变速器基础上，再行配置副变速器，两者组合获得多挡变速器。此外，汽车可以分为许多种类，而不同类型的汽车其用途和使用条件又不一样，所以不同类型汽车对自身的性能要求就不同。而变速器与汽车动力性、经济性密切相关。变速器档位数和各档传动比的大小又是对变速器性能极为重要的参数。增加挡数，

11、能够改善汽车的动力性和燃油经济性。但是挡数越多，变速器的结构越复杂，并且使轮廓尺寸和质量加大，同时操作机构复杂，在使用时换挡频率增高并增加了换挡难度。在最低挡传动比不变的条件下，增加变速器的挡数会使变速器相邻的抵挡与高挡之间的传动比比值减小，使换挡工作容易进行。相邻挡位之间的传动比比值在1.8以下时，该值越小换挡越容易。而高挡使用时间长和频率高，所以高挡区相邻挡位之间的传动比比值要比抵挡区相邻挡位之间的传动比比值小。在确定一挡和最高挡传动比时，要分别考虑汽车的最大爬坡度和最高车速。其中一挡传动比为：i1mgr(fcosmaxsinmax)/Tmaxi0t式中，r为车轮滚动半径；i0为主减速比；

12、m为汽车总质量max为最大爬坡度；Tmax为发动机最大转矩；f为滚动阻力系数；t为传动效率；i1为挡传动比。 然后按照i1/i2i2/i3这样相邻传动比比值逐级递减的规律选择其他挡的传动比。3.2 中心距对中间轴式变速器，是将中间轴与第二轴轴线之间的距离称为变速器中心距，对两轴式变速器，是将变速器输入轴与输出轴轴线之间的距离称为变速器中心距。中心距是决定变速器大小的重要参数之一，其大小不仅对变速器的外形尺寸，体积和质量大小，而且对轮齿的接触强度有影响。中心距越小，齿轮的接触应力大，齿轮寿命短。最小允许中心距当有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，从布置轴承的可能与方便和

13、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。初选中心距A时可以根据经验公式计算： 式中，KA为中心距系数（乘用车取8.99.3，商用车取8.69.6）；Tmax为发动机最大转矩；i1为一挡传动比；g为变速器传动效率。3.3 齿轮参数的选取作为机械传动中最重要也是最广泛的传动形式之一，齿轮传动广泛的运用于手动变速器中。在其整个传动系统中，齿轮的作用主要是用来传递运动与动力，因而在此工作过程中可能会出现传动的不平稳，同时产生振动、冲击与噪声问题等。齿轮经过实际负载工况工作至一定的寿命后，就可能产生轮齿折断、齿面接触疲劳点蚀以及磨损等形式的损伤。由

14、以上这些问题可以看出齿轮传动过程中必须遵循的两项基本要求：一是齿轮传动过程需具备必要的工作稳定性，即对不同用途的齿轮需要求不同程度的工作平稳性指标，使得齿轮在其传动过程中产生的振动、噪声等处于允许的范围内，保证整个传动系统都能正常的工作；二是齿轮应具备足够的强度，即要求传动齿轮尺寸小、重量轻、在保证承载能力的基本前提下有尽可能长的寿命，也就是说传动齿轮在工作过程中做到轮齿不折断，齿面无点蚀，同时也不会因为严重的磨损而失效。手动变速器齿轮的基本参数主要包括各档齿数、模数、齿宽、斜齿轮螺旋角、压力角、齿顶高系数以及齿轮的中心距等。(1)齿轮齿数变速器的齿轮齿数确定应考虑以下几点因素：应尽量满足整车

15、动力性、经济性等对变速器各档传动比的要求；增加齿轮齿数可适当降低齿轮传动时的噪声；最少齿数应使齿轮不产生根切。通常变速器一档小齿轮的齿数最少，因此该小齿轮不应产生根切并且其根圆直径应大于所在轴的直径；对于相互啮合的齿轮，其齿数不应有公因数，高速齿轮更应该注意这点。(2)齿轮模数齿轮模数的确定受到很多因素的影响，其中最主要的是其所受载荷的大小。由于低档齿轮与高档齿轮承受载荷的不同，故低档与高档齿轮的模数也最好做到不相同。从齿轮现代加工工艺及日常维修的观点考虑，同一变速器中的齿轮模数种类不应过多。需要注意的是，在变速器中心距都相同的情况下，选用小模数的齿轮可以有效的减小传动噪声，故本文微型汽车变速

16、器的齿轮将会选用模数较小的齿轮。(3)齿轮齿宽齿轮宽度较大时，其承载能力会提高，但是当齿轮受载后，由于存在轴的挠度变形及齿轮的齿向误差等原因，使得齿轮沿齿宽方向的受力不均匀，因而选择齿宽时不宜过大。(4)螺旋角变速器采用斜齿轮时，其螺旋角选用范围一般在10°35°。选用螺旋角太大时，会使得轴向力以及轴承承受载荷过大；而选用螺旋角太小时，又难以发挥斜齿轮的优点。对于所设计的微型汽车变速器，要求其齿轮转速高而噪声小，故选用螺旋角时应取较大值。(5)压力角 齿轮压力角较小时，重合度较大并降低了轮齿刚度，为此能减少进入啮合和退出啮合时的动载荷，使传动平稳，有利于降低噪声；压力角较大

17、时，可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。试验证明，对于直齿轮，压力角为28°时强度最高，对于斜齿轮，压力角为25°时强度最高。国家规定的标准压力角为20°，所以变速器齿轮普遍采用的压力角为20°。齿轮采用小压力角和小模数时，除必须采用大的齿高系数外，还应采用大圆弧齿根，这样可以提高弯曲强度在30%以上。(6)齿顶高系数一般汽车变速器的齿轮均采用标准齿顶高系数f0=1.0。而现代轿车变速器多采用长齿齿轮，即齿顶高系数f0大于1，因为该长齿齿轮不仅可以增大重合度，而且相比标准齿高齿轮在强度、噪声、动载荷和振动等方面均有明显改善，但同时也存在着相对滑动速度大、

18、易根切或齿顶变尖等问题，如果能有效平衡其优缺点选取一个较好的齿顶高系数f0，则对变速器齿轮的传动性能有着很大的帮助。(7)齿轮变位系数的选择对变速器进行齿轮修正可以有效改善齿轮传动的某些性能。齿轮修正的方法主要有以下三种：一是加工前改变刀具的原始齿廓参数；二是加工时改变刀具与齿轮毛坯的相对位置，即齿轮变位；三是加工后改变齿轮齿廓的局部渐开线，即齿面修形。为了避免齿轮啮合时产生根切或干涉，同时为了配凑中心距以及满足各档传动齿轮在弯曲强度、接触强度、抗胶合、耐磨损和运转平稳性等方面的不同要求，并且有效地提高齿轮寿命，汽车变速器均采用变位齿轮。4 变速器主要部件CATIA建模4.1 齿轮建模汽车齿轮

19、齿条式转向器中的齿轮是特殊的螺旋形状、大螺旋角渐开线齿轮。为了提高传动比，齿轮齿条式转向器齿轮的齿数很少。齿轮绝大数采用斜齿轮，以减少齿轮的根切、增加齿轮的强度、提高啮合重叠系数和降低逆传动效率。齿轮齿条式转向器中的齿轮对传动的灵敏性要求很高，其设计与制造的要求也非常严格。斜齿轮与直齿轮相比，就是斜齿轮两端端面旋转了一个角度，如果旋转角度为零，那这个斜齿轮就是一个直齿轮了，因而直齿轮就是螺旋角为零的特殊斜齿轮。我们可以将直齿轮和斜齿轮用同一个画法画出来，只改变一下端面参数就可以输出不同的直齿轮或者斜齿轮。当直线NK沿基圆作纯滚动运动时，其上点的运动轨迹就是渐开线。在CATIA中，转向齿轮的建模

20、关键在于渐开线的生成。渐开线生成算法的核心思想就是通过参数化思想做出渐开线上的一系列点，然后用系统提供的样条曲线连接，得到光滑的齿廓形状，而渐开线上的点通过渐开线方程式求得，渐开线示意图如图 2 所示。图2 渐开线示意图 CATIA中绘制公式曲线要在直角坐标系下进行，因此，需要将渐开线极坐标转化为直角坐标方程。我们可以得到渐开线的直角坐标方程式：xrbsintrbtcostyrbcostrbtsint 齿轮建模时首先建立齿轮的几个重要参数，包括齿数、模数、压力角、齿顶圆半径、分度圆半径、基圆半径、齿根圆半径，然后在零件设计模块中选择formula里的f(x)按钮，填入相应的值和公式等等一系列步

21、骤，最后得到齿轮如图3所示。依此方法逐个建立各个齿轮模型。图3 输出轴齿轮4.2 输入轴和输出轴建模上文已介绍过，输入轴上的五个齿轮均与轴制成一体，这样在建模的时候有点困难，但可以将齿轮与轴先分别建好，再装配。变速器的轴不仅承受着工作时的转矩，同时也承受来自轴上齿轮啮合时产生的圆周力、径向力以及斜齿轮轴向力引起的弯矩等。因此，轴应该具备足够的强度和刚度，如果其刚度不足，则在变速器负载作用下会产生较大变形，从而影响轴上齿轮的正常啮合，产生噪声，同时也会降低齿轮的强度、耐磨性和使用寿命等。变速器轴的设计主要需考虑轴的结构形式，轴上截面的直径、长度、轴的强度和刚度以及轴上花键的型式和尺寸等。另外轴的结构还要满足变速器的结构布置要求，并且考虑到加工工艺、装配工艺等而最后确定。经过简单计算建模得到输入轴和输出轴如图4、5所示。图4 输入轴图5 输出轴4.3 同步器建模 同步器作用是在换挡时，在两换挡元件之间的角速度达到完全相等之前不允许换挡，因而能很好地完成同步器的功能和实现对同步器的基本要求。 本文以锁环式同步器为例，建立的模型如图6所示。a) 同步器花键毂 b) 同步器结合套 c) 同步器结合套 图6 同步器4.