机械式变速器设计

1、复习复习: 变速器的结构变速器的结构?功用功用?汽车构造汽车构造变速器功用变速器功用: （1）改变传动比）改变传动比,扩大驱动轮转矩和转速的变化范围扩大驱动轮转矩和转速的变化范围,以适应经以适应经常变化的行驶条件常变化的行驶条件,同时使发动机在有利同时使发动机在有利(功率较高而油耗较低功率较高而油耗较低)的工况下工作的工况下工作;（2）在发动机旋转方向不变情况下）在发动机旋转方向不变情况下,使汽车能倒退行驶使汽车能倒退行驶;（3）利用空挡）利用空挡,中断动力传递中断动力传递,以发动机能够起动、怠速以发动机能够起动、怠速,并便于并便于变速器换档或进行动力输出。变速器换档或进行动力输出。组成组成:

2、 变速器是由变速传动机构和操纵机构组成变速器是由变速传动机构和操纵机构组成,需要时需要时,还可以还可以加装动力输出器。加装动力输出器。变速器的基本设计要求变速器的基本设计要求:1）保证汽车有必要的动力性和经济性。）保证汽车有必要的动力性和经济性。2）设置空挡）设置空挡,用来切断发动机的动力传输。用来切断发动机的动力传输。3）设置倒挡）设置倒挡,使汽车能倒退行驶。使汽车能倒退行驶。4）设置动力输出装置。）设置动力输出装置。5）换挡迅速、省力、方便。）换挡迅速、省力、方便。6）工作可靠。变速器不得有跳挡、乱挡及换）工作可靠。变速器不得有跳挡、乱挡及换 挡冲击等现象发生。挡冲击等现象发生。7）变速器

3、应有高的工作效率。）变速器应有高的工作效率。8）变速器的工作噪声低。）变速器的工作噪声低。 除此之外除此之外,变速器还应当满足轮廓尺寸和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。质量小、制造成本低、维修方便等要求。根据前进挡数三挡变速器四挡变速器五挡变速器多挡变速器根据轴的形式固定轴式旋转轴式固定轴式两轴式变速器中间轴式变速器双中间轴式变速器多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。旋转轴式主要用于液力机械式变速器。两轴五两轴五档档变速器组成与传动简图变速器组成与传动简图1-输入轴输

4、入轴 2-接合套接合套 3-里程表齿轮里程表齿轮 4-同步环同步环 5-半轴半轴 6-主减速器被动主减速器被动齿轮齿轮 7-差速器壳差速器壳 8-半轴齿轮半轴齿轮 9-行星齿轮行星齿轮 10、十字轴、十字轴 11-输出轴输出轴 12-主减速器主动主减速器主动齿轮齿轮 13-花键毂花键毂与传统的三轴变速与传统的三轴变速器相比器相比,由于由于省去省去了中间轴了中间轴,所以一所以一般档位传动效率要般档位传动效率要高一些高一些;但是任何但是任何一档的传动效率又一档的传动效率又都不如三轴变速器都不如三轴变速器直接档的传动效率高。直接档的传动效率高。两轴式变速器基本结构两轴式变速器基本结构动力传递路线动力

5、传递路线一档一档 (3)一挡有较大的传动比一挡有较大的传动比; (4)挡位高的齿轮采用常啮合齿轮传动挡位高的齿轮采用常啮合齿轮传动,挡位低的齿轮挡位低的齿轮（一挡）可以采用或不采用常啮合齿轮传动（一挡）可以采用或不采用常啮合齿轮传动; (5) 除一挡以外除一挡以外,其他挡位采用同步器或啮合套换挡其他挡位采用同步器或啮合套换挡; (6)除直接挡以外除直接挡以外,其他挡位工作时的传动效率略低。其他挡位工作时的传动效率略低。三轴五档变速器传动简图三轴五档变速器传动简图（参图（参图151、 1512）。）。1-输入轴输入轴 2-轴承轴承 3-接合齿圈接合齿圈 4-同步环同步环 5-输出轴输出轴 6-中

6、间轴中间轴 7-接合套接合套 8-中间轴常啮合齿轮中间轴常啮合齿轮此变速器有五个前进档和此变速器有五个前进档和一个倒档一个倒档,由壳体、第一轴由壳体、第一轴（输入轴输入轴）、中间轴、第二轴（）、中间轴、第二轴（输出轴输出轴）、）、倒档轴倒档轴、各轴上齿轮、操纵机构等几部分组成。各轴上齿轮、操纵机构等几部分组成。输入轴与输出轴平行共线。输入轴与输出轴平行共线。输入轴输入轴输出轴输出轴倒档轴倒档轴中间轴中间轴三轴五档变速器剖视图三轴五档变速器剖视图输入轴输入轴输出轴输出轴倒档轴倒档轴换档杆轴换档杆轴（操纵机构）（操纵机构）中间轴中间轴图3-2 中间轴式四挡变速器传动方案 凡采有常啮合齿轮传动的挡位

7、凡采有常啮合齿轮传动的挡位,其换挡方式可以其换挡方式可以用同步器或啮合套来实现。同一变速器中用同步器或啮合套来实现。同一变速器中,挡位高的挡位高的用同步器换挡用同步器换挡,挡位低的用啮合套换挡。挡位低的用啮合套换挡。图图3-4 中间轴式六挡变速器传动方案中间轴式六挡变速器传动方案 2换挡机构形式换挡机构形式 变速器换挡机构有变速器换挡机构有直齿滑动齿轮、啮合套和同直齿滑动齿轮、啮合套和同步器换挡步器换挡三种形式。三种形式。 采用轴向滑动直齿齿轮换挡采用轴向滑动直齿齿轮换挡,会在轮齿端面产生会在轮齿端面产生冲击冲击,齿轮端部磨损加剧并过早损坏齿轮端部磨损加剧并过早损坏,并伴随着噪声并伴随着噪声。

8、因此。因此,除一挡、倒挡外已很少使用。除一挡、倒挡外已很少使用。 常啮合齿轮可用移动常啮合齿轮可用移动啮合套啮合套换挡。因承受换挡冲击载换挡。因承受换挡冲击载荷的接合齿齿数多荷的接合齿齿数多,啮合套不会过早被损坏啮合套不会过早被损坏,但不能消但不能消除换挡冲击。目前这种换挡方法只在某些要求不高的除换挡冲击。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。挡位及重型货车变速器上应用。 使用使用同步器同步器能保证换挡迅速、无冲击、无噪声能保证换挡迅速、无冲击、无噪声,得到广得到广泛应用。但结构复杂、制造精度要求高、轴向尺寸大。泛应用。但结构复杂、制造精度要求高、轴向尺寸大。 利用利用

9、同步器或啮合套同步器或啮合套换挡换挡,其换挡行程要比其换挡行程要比滑动齿轮滑动齿轮换换挡行程小。挡行程小。23 第二节结束第二节结束 最高挡通常是直接挡最高挡通常是直接挡,传动比为传动比为1.0;有的变速器有的变速器最高档位超速挡最高档位超速挡,传动比为传动比为0.70.8。影响最低档传动比选取的因素有影响最低档传动比选取的因素有:发动机的最大转矩、要求的最大爬坡能力、主发动机的最大转矩、要求的最大爬坡能力、主减速器的减速比、要求的最低稳定车速。减速器的减速比、要求的最低稳定车速。初选中心距初选中心距A时时,可根据下面的经验公式计算可根据下面的经验公式计算 31maxgeAiTKA式中,KA为

10、中心距系数,乘用车:KA=8.99.3,商用车:KA=8.69.6,多挡变速器:KA=9.511.0。乘用车变速器的中心距在6580mm范围内变化,而商用车的变速器中心距在80170mm范围内变化。3maxeTKd 3螺旋角螺旋角 齿轮的螺旋角对齿轮工作噪声、轮齿的强度和轴向力齿轮的螺旋角对齿轮工作噪声、轮齿的强度和轴向力有影响。选用大些的螺旋角时有影响。选用大些的螺旋角时,使齿轮啮合的重合度增加使齿轮啮合的重合度增加,因而工作平稳、噪声降低。因而工作平稳、噪声降低。 试验证明试验证明:随着螺旋角的增大随着螺旋角的增大,齿的强度相应提高齿的强度相应提高,但当但当螺旋角大于螺旋角大于30时时,其

11、抗弯强度骤然下降其抗弯强度骤然下降,而接触强度仍而接触强度仍继续上升。因此继续上升。因此,从提高低挡齿轮的抗弯强度出发从提高低挡齿轮的抗弯强度出发,并不希并不希望用过大的螺旋角望用过大的螺旋角;而从提高高挡齿轮的接触强度着眼而从提高高挡齿轮的接触强度着眼,应当选用较大的螺旋角。应当选用较大的螺旋角。 斜齿轮螺旋角选用范围斜齿轮螺旋角选用范围:轿车变速器轿车变速器: 两轴式为两轴式为2025 中间轴式为中间轴式为2234 货车变速器货车变速器:1826 图3-7 中间轴轴向力的平衡 2121tantanrr式中式中,Fa1、Fa2为作用在中间轴承为作用在中间轴承齿轮齿轮1、2上的轴向力上的轴向力

12、;Fn1、Fn2为为作用在中间轴上齿轮作用在中间轴上齿轮1、2上的圆周上的圆周力力;r1、r2为齿轮为齿轮1、2的节圆半径的节圆半径;T为中间轴传递的转矩为中间轴传递的转矩。 齿宽对变速器的轴向尺寸、齿轮工作平稳性、齿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等均有影响。轮强度和齿轮工作时受力的均匀程度等均有影响。 选用较小的齿宽可以缩短变速器的轴向尺寸和减选用较小的齿宽可以缩短变速器的轴向尺寸和减小质量。但齿宽减少使斜齿轮传动平稳的优点被削弱小质量。但齿宽减少使斜齿轮传动平稳的优点被削弱,齿轮的工作应力增加。齿轮的工作应力增加。 选用较大的齿宽选用较大的齿宽,

13、工作时会因轴的变形导致齿轮倾工作时会因轴的变形导致齿轮倾斜斜,使齿轮沿齿宽方向受力不均匀并在齿宽方向磨损不使齿轮沿齿宽方向受力不均匀并在齿宽方向磨损不均匀。均匀。变位系数的选择原则变位系数的选择原则 :1）对于高挡齿轮）对于高挡齿轮,应按保证最大接触强度和抗胶合及应按保证最大接触强度和抗胶合及耐磨损最有利的原则选择变位系数。耐磨损最有利的原则选择变位系数。2）对于低挡齿轮）对于低挡齿轮,为提高小齿轮的齿根强度为提高小齿轮的齿根强度,应根据危应根据危险断面齿厚相等的条件来选择大、小齿轮的变位系数险断面齿厚相等的条件来选择大、小齿轮的变位系数。 3）总变位系数越小）总变位系数越小,齿轮齿根抗弯强度

14、越低。但易于齿轮齿根抗弯强度越低。但易于吸收冲击振动吸收冲击振动,噪声要小一些。噪声要小一些。为了降低噪声为了降低噪声,对于变速器中除去一、二挡以外的其它对于变速器中除去一、二挡以外的其它各挡齿轮的总变位系数要选用较小一些的数值。一般各挡齿轮的总变位系数要选用较小一些的数值。一般情况下情况下,随着挡位的降低随着挡位的降低,总变位系数应该逐挡增大。一总变位系数应该逐挡增大。一、二挡和倒挡齿轮、二挡和倒挡齿轮,应该选用较大的值。应该选用较大的值。 图图3-8 四挡变速器传动方案四挡变速器传动方案 81721zzzzi nhhmAZmAZcos22斜齿直齿乘用车中间轴式变速器一挡传动比乘用车中间轴式

15、变速器一挡传动比i=3.5-3.8i=3.5-3.8时时, ,中中间轴上一挡齿轮齿数间轴上一挡齿轮齿数z z8 8可在可在15151717之间选取之间选取; ;货车货车z z8 8可在可在12121717之间选取。一挡大齿轮齿数用之间选取。一挡大齿轮齿数用z z7 7=z=zh h-z-z8 8计计算求得。算求得。 因为计算齿数和因为计算齿数和z zh h后后, ,经过取整数使中心距有了经过取整数使中心距有了变化变化, ,所以应根据取定的所以应根据取定的z zh h和齿轮变位系数重新和齿轮变位系数重新计算中心距计算中心距A A, ,再以修正后的中心距再以修正后的中心距A A作为各挡齿作为各挡齿

16、轮齿数分配的依据。轮齿数分配的依据。 78112ZZiZZcos2)(21zzmAn61522zzzzi2)(65zzmA21265zzizz62（3-6）665cos2)(zzmAn（3-7）（3-8）)1 (tantan6521262zzzzz此外此外,从抵消或减少中间轴上的轴向力出发从抵消或减少中间轴上的轴向力出发,还还必须满足下列关系式必须满足下列关系式 （3-9） 6)(21108zzmA 1289eeDADADDee25 .029865 66 332dMWM222nscTMMMmmfffsc20. 02268 EILabFab3)( 464dIEILbFaf322一、无同步器时变速

17、器的换档过程一、无同步器时变速器的换档过程 变速器在换档过程中变速器在换档过程中,必须使所选档位的一对待啮合必须使所选档位的一对待啮合齿轮轮齿的圆周速度相等（同步）齿轮轮齿的圆周速度相等（同步）,才能使之平顺地进入才能使之平顺地进入啮合而挂上档。啮合而挂上档。 理论分析和实际操作表明理论分析和实际操作表明:欲使一般变速器换档时不欲使一般变速器换档时不产生轮齿或花键齿间的冲击产生轮齿或花键齿间的冲击,需要进行较复杂的操作需要进行较复杂的操作,并应并应在短时间内迅速而准确地完成。这对于即使是技术很熟练在短时间内迅速而准确地完成。这对于即使是技术很熟练的驾驶员的驾驶员,也容易造成疲劳。也容易造成疲劳

18、。同步器既保证挂档平顺同步器既保证挂档平顺,又使又使换档操作简化换档操作简化,减轻驾驶员劳动强度。减轻驾驶员劳动强度。二、同步器的构造及工作原理二、同步器的构造及工作原理同步器是在结合套换档机构基础上发展起来的同步器是在结合套换档机构基础上发展起来的,基本部分基本部分是结合套、花键毂、对应齿轮上的结合齿圈是结合套、花键毂、对应齿轮上的结合齿圈,同时还增设同时还增设了了使结合套与对应结合齿圈的圆周速度迅速达到一致使结合套与对应结合齿圈的圆周速度迅速达到一致（同同步步）的机构）的机构,以及以及阻止两者在未达到同步前的结合阻止两者在未达到同步前的结合装置。装置。同步器有常压式、惯性式和惯性增力式等三

19、种。这里仅介同步器有常压式、惯性式和惯性增力式等三种。这里仅介绍目前广泛采用的绍目前广泛采用的惯性式同步器。惯性式同步器。惯性式同步器是依靠摩擦作用实现同步的惯性式同步器是依靠摩擦作用实现同步的,在其上面在其上面设有专门机构保证设有专门机构保证接合套接合套与与待接合的花键齿圈待接合的花键齿圈在达到同步在达到同步之前不可能接触之前不可能接触,从而避免了齿间冲击。从而避免了齿间冲击。 惯性同步器按结构又分为锁环式和锁销式两种。惯性同步器按结构又分为锁环式和锁销式两种。锁环式同步器组成与工作原理锁环式同步器组成与工作原理花键毂花键毂7与轴上与轴上的外花的外花键连接键连接,用垫片用垫片和卡环和卡环作轴

20、向作轴向定位定位花键毂花键毂在花键毂两端与齿轮在花键毂两端与齿轮1和和4之间之间,各有一个青铜制成各有一个青铜制成的锁环（同步环）的锁环（同步环）9和和5同步环同步环同步环同步环锁环上有短花键齿圈锁环上有短花键齿圈,花键齿的断面轮廓尺寸与齿轮花键齿的断面轮廓尺寸与齿轮 1,4及及花键毂花键毂 7上的外花键齿均相同上的外花键齿均相同在两个锁环上在两个锁环上,花键齿对着接合套花键齿对着接合套8的一端都有倒的一端都有倒角（锁止角）角（锁止角）,且与接合套齿端的倒角相同且与接合套齿端的倒角相同结合套结合套锁环具有与齿轮锁环具有与齿轮1和和4上的摩擦面锥度相同的内锥面上的摩擦面锥度相同的内锥面,内锥面上

21、制出内锥面上制出细牙的螺旋槽细牙的螺旋槽,以便两锥面接触后破坏油膜以便两锥面接触后破坏油膜,增加锥面间的摩擦。增加锥面间的摩擦。滑块、槽滑块、槽三个滑三个滑块块2分别分别嵌合在嵌合在花键毂花键毂的三个的三个轴向槽轴向槽11内内,并并可沿槽可沿槽轴向滑轴向滑动。动。在两个弹簧在两个弹簧圈圈6的作用下的作用下,滑块压向接滑块压向接合套合套,使滑块使滑块中部的凸起中部的凸起部分正好嵌部分正好嵌在接合套中在接合套中部的凹槽部的凹槽10中中,起到空档起到空档定位作用。定位作用。滑块滑块2的两端的两端伸入锁环伸入锁环9和和5的三个缺口的三个缺口12中。中。只有当滑只有当滑块位于缺块位于缺口口12的中的中央时央时,接合接合套与锁环套与锁环的齿方可的齿方可能接合。能接合。同步器换挡过程小结同步器换挡过程小结:结合套结合套“1套套3”:7、12、4同步器组成分析同步器组成分析:三维结构图三维结构图同步环同步环同步环同步环结合套结合套8花键毂花键毂轴上外花键（与花轴上外花键（与花键毂内花键结合）键毂内花键结合）滚针轴承滚针轴承同步环外缘同步环外缘短花键齿圈短花键齿圈5待接合的花待接合的花键齿圈键齿圈1空转空转齿轮齿轮2同步器工作过程小结同步器工作过程小结用结合套用结合套8内花键套住外花键内花键套住外花键1、5,实现空转齿轮实现空转齿