43汽车变速器设计理论与方法

1、4.3 汽车变速箱设计理论与方法 现代汽汽车的动动力装置置，几乎乎都采用用往复活活塞式内内燃机。它它具有相相当多的的优点，如如体积小小，质量量轻，工工作可靠靠，使用用方便等等。但其其性能与与汽车的的动力性性和经济济性之间间存在着着较大的的矛盾。如如在坡道道上行驶驶时，所所需的牵牵引力往往往是发发动机所所能提供供的牵引引力的数数倍。而而且一般般发动机机如果直直接与车车轮相连连，其输输出转速速换算到到对应的的汽车车车速上，将将达到现现代汽车车极限速速度的数数倍。上上述发动动机牵引引力、转转速与汽汽车牵引引力、车车速要求求之间的的矛盾，单单靠现代代汽车内内燃机本本身是无无法解决决的。因因此就出出现了

2、车车用变速速箱和主主减速器器。它们们的共同同努力使使驱动轮轮的扭矩矩增大到到发动机机扭矩的的若干倍倍，同时时又可使使其转速速减小到到发动机机转速的的几分之之一。 另外，现现代汽车车的使用用条件极极为复杂杂，在不不同场合合下有不不同的要要求。往往往要受受到如载载运量、道道路坡度度、路面面好坏及及交通是是否通畅畅等条件件的影响响。这就就要求汽汽车的牵牵引力和和车速能能在较大大范围内内变化，以以适应使使用的要要求。在在条件良良好的平平直路面面上要能能以高速速行驶，而而在路面面不平和和有较大大坡度时时能提供供较大的的扭矩。变变速箱的的多档位位选择就就能满足足这些需需求。此此外，发发动机在在不同工工况下

3、，燃燃油的消消耗量也也是不一一样的。驾驾驶员可可以根据据具体情情况，选选择变速速箱的某某一档位位，来减减少燃油油的消耗耗。在某某些情况况下，汽汽车还需需要能倒倒向行驶驶。发动动机本身身是不可可能倒转转的，只只有靠变变速箱的的倒档齿齿轮来实实现。在在车辆中中途暂停停行驶或或 变速箱箱是由变变速传动动机构和和操纵机机构组成成。根据据前进档档数的不不同，变变速箱有有三、四四、五和和多档几几种。根根据轴的的不同类类型，分分为固定定轴式和和旋转轴轴式两大大类。而而前者又又分为两两轴式、中中间轴式式和多中中间轴式式变速箱箱。4.3.11 两两轴式和和三轴式式变速箱箱：现代汽车大大多数都都采用三三轴式变变速

4、箱，而而发动机机前置前前轮驱动动的轿车车，若变变速箱传传动比小小，则常常采用两两轴式变变速箱。在在设计时时，究竟竟采用哪哪一种方方案，除除了汽车车总布置置的要求求外，主主要考虑虑以下四四个方面面： 结构工艺艺性：两轴式变速速箱输出出轴与主主减速器器主动齿齿轮做成成一体且且当发动动机纵置置时，主主减速器器可用螺螺旋圆锥锥齿轮或或准双曲曲面齿轮轮，而发发动机横横置时用用圆柱齿齿轮，因因而简化化了制造造工艺。 变速箱的的径向尺尺寸：两轴式变速速箱的前前进档均均为一对对齿轮副副，而三三轴式变变速箱则则有两对对齿轮副副。因此此，对于于相同的的传动比比要求，三三轴式变变速箱的的径向尺尺寸可以以比两轴轴式变

5、速速箱小得得多。 变速箱齿齿轮的寿寿命：两轴式变速速箱的低低档齿轮轮副，大大小相差差悬殊，小小齿轮工工作循环环次数比比大齿轮轮要高得得多，因因此小齿齿轮寿命命比大齿齿轮短。三三轴式变变速箱的的各前进进档，均均为常啮啮合斜齿齿轮传动动，大小小齿轮径径向尺寸寸相差较较小，因因此寿命命较接近近。在直直接档时时，齿轮轮只是空空转，不不影响齿齿轮的寿寿命。 变速箱的的传动效效率：两轴式变速速箱，虽虽然可以以有等于于1的传传动比，但但仍要有有一对齿齿轮进行行传动，因因而有功功率损失失。而三三轴式变变速箱，可可将输入入轴和输输出轴直直接相连连，得到到直接档档，因而而传动效效率较高高，磨损损小，噪噪声也较较小

6、。轿车，尤其其是微型型汽车，采采用两轴轴式变速速箱比较较多，而而中、重重型载货货汽车则则多采用用三轴式式变速箱箱。4.3.22 多多中间轴轴结构：在通常的三三轴式变变速箱中中，发动动机的转转矩由第第一轴传传至第二二轴，只只经过一一根中间间轴。这这种变速速箱在装装上转矩矩高于112000-13300NNm的大大功率的的柴油机机时，其其齿轮、轴轴和轴承承都要承承受很大大的载荷荷，这会会导致过过早被损损坏。所所以对于于一些重重型汽车车，一般般采用多多中间轴轴的结构构。这种种变速箱箱具有22-3根根中间轴轴，在传传递同样样转矩的的情况下下，变速速箱齿轮轮的宽度度和质量量可分别别减少440%和和20%，

7、变速速箱的整整体质量量和轴向向尺寸也也减少很很多。4.3.33 倒倒档型式式：由于倒档使使用率不不高，一一般常采采用直齿齿滑动齿齿轮方案案换入倒倒档。为为实现倒倒档传动动，有些些利用在在前进档档的传动动路线中中，加入入一个中中间传动动齿轮的的方案，也也有利用用两个联联体齿轮轮的方案案。前者者虽然结结构简单单，但是是中间传传动齿轮轮的轮齿齿，是在在最不利利的正、负负交替对对称变化化的弯曲曲应力状状态下工工作，而而后者是是在较为为有利的的单向循循环弯曲曲应力状状态下工工作，并并且使倒倒档传动动比略有有增加。4.3.44 齿齿轮型式式：变速箱使用用斜齿圆圆柱齿轮轮和直齿齿圆柱齿齿轮。斜斜齿圆柱柱齿轮

8、虽虽然制造造时稍为为复杂，且且工作时时会有轴轴向力，但但因其使使用寿命命长，传传动平稳稳和噪声声小而得得到广泛泛使用，直直齿圆柱柱齿轮多多用于低低档和倒倒档。4.3.55 同同步器换换档型式式：目前大多数数的变速速箱都采采用同步步器换档档。使用用同步器器能保证证迅速、无无冲击、无无噪声换换档，而而与操作作技术的的熟练程程度无关关，从而而提高了了汽车的的加速性性、经济济性和行行车安全全性。但但是它也也有结构构复杂、制制造精度度要求高高、轴向向尺寸大大、同步步环使用用寿命短短等缺点点。4.3.66 轴轴承型式式：以前变速箱箱的支承承广泛采采用滚珠珠轴承、滚滚柱轴承承和滚针针轴承。现现在变速速箱的设

9、设计趋势势是增大大其传递递功率与与质量之之比，并并要求它它有更大大的容量量和更好好的性能能，而上上述轴承承型式已已不能满满足对变变速箱可可靠性和和寿命所所提出的的要求，故故使用圆圆锥滚柱柱轴承的的在逐渐渐增多。其其主要优优点如下下：圆锥锥滚柱轴轴承的直直径较小小，宽度度较大，因因而容量量大，可可承受高高负荷；其锥体体、外圈圈和滚子子间基本本的几何何关系使使滚子能能正确对对中，确确保轴承承的可靠靠性，使使用寿命命长；圆圆锥滚柱柱轴承的的接触线线长，如如果锥角角和配合合选择合合适，可可提高轴轴和齿轮轮的刚度度，降低低齿轮噪噪声，减减少自动动脱档的的可能，并并大幅度度提高其其寿命；采用圆圆锥滚柱柱轴

10、承的的变速箱箱，一般般将变速速箱壳体体设计成成沿纵向向平面分分开或沿沿中心线线所在平平面分开开，这样样可使装装拆和调调整轴承承方便。4.3.77 其其它设计计经验：因为变速箱箱在低档档工作时时作用有有较大的的力，所所以一般般变速箱箱的低档档都布置置在靠近近轴的后后支承处处，然后后按照从从低档到到高档顺顺序布置置各档位位齿轮。这这样做既既能使轴轴有足够够大的刚刚性，又又能保证证装配容容易。变速箱整体体结构刚刚性与轴轴和壳体体的结构构有关系系。一般般通过控控制轴的的长度即即控制档档数，来来保证变变速箱有有足够的的刚性。4.3.88变速箱箱总体尺尺寸的确确定：1 变速箱箱齿轮中中心距的的确定：变速箱

11、齿轮轮的中心心距是变变速箱很很重要的的参数，它它对变速速箱的整整体尺寸寸、体积积和质量量有很大大的影响响。通常常根据经经验公式式初选中中心距AA(单位位m)：式中：k 中心心距系数数，对轿轿车，kk=8.99.3，对对货车，kk=8.69.6； Miiemaax 变速速箱在一一档时，第第二轴输输出的转转矩，MMiemmax = MMemaaxi1g，单单位Nmm； Meemaxx 发动动机的最最大输出出转矩，单单位Nmm； i11 变速速箱一档档传动比比； g 变速速箱传动动效率，取取0.996。此外，变速速箱的中中心距还还要受到到齿轮接接触强度度、几何何参数和和结构要要求等的的制约。2 变速

12、箱箱轴向尺尺寸的确确定：货车变速箱箱壳体的的轴向尺尺寸与其其档数有有关，可可参照下下列数据据选用：四档 (2.222.77)A 五档档 (2.773.00)A 六档档 (3.223.55)A轿车四档变变速箱壳壳体轴向向尺寸为为(3.03.4)AA。3 变速箱箱档数的的确定：不同类型的的汽车，具具有不同同的传动动系档位位数，其其原因在在于它们们的使用用条件不不同；对对整车性性能要求求的不同同；汽车车本身的的比功率率不同。而而传动系系的档位位数与汽汽车的动动力性、燃燃油经济济性又有有着密切切的关系系。就动力性而而言，档档位数多多，增加加了发动动机发挥挥最大功功率附近近高功率率的机会会，提高高了汽车

13、车的加速速与爬坡坡能力。就就燃油经经济性而而言，档档位数多多，增加加了发动动机在低低燃油消消耗率区区工作的的可能性性，降低低了油耗耗。所以以增加档档位数会会改善汽汽车的动动力性和和燃油经经济性。档数多少还还影响到到档与档档之间的的传动比比比值。比比值过大大会造成成换档困困难。一一般认为为比值不不宜大于于1.771.88。因此此如最大大传动比比与最小小传动比比之比值值愈大，档档位数也也应愈多多。对于轿车而而言，由由于其行行驶车速速高，比比功率大大，最高高档的后后备功率率也大，即即最高档档的动力力因素大大，所以以其最高高档与起起动档的的动力因因素间的的变化范范围较小小。因此此在过去去轿车常常用三档

14、档或四档档变速箱箱。近年年来，为为了进一一步节省省燃油，装装有手动动变速箱箱的轿车车多已采采用五档档变速箱箱。对于轻型货货车和中中型货车车而言，由由于比功功率小，所所以一般般采用五五档变速速箱。而而重型货货车的比比功率更更小，使使用条件件也更复复杂，所所以一般般采用六六档至十十几个档档的变速速箱，以以适应复复杂的使使用条件件，从而而使汽车车具有足足够的动动力性和和良好的的燃油经经济性。4.3.99 各档档传动比比的确定定：1 最高高档传动动比的选选择：汽车大多数数时间是是以最高高档行驶驶的，即即用最小小传动比比的档位位行驶的的。因此此最小传传动比的的选定是是很重要要的。传传动系的的总传动动比是

15、传传动系中中各部件件传动比比的乘积积，即iit=iigi0ic。式中ig变速箱箱的传动动比；ii0主减速速器的传传动比；ic分动器器或副变变速箱的的传动比比；普通通的汽车车由于没没有分动动器或副副变速箱箱，而变变速箱的的最小传传动比通通常为11，所以以传动系系的最小小传动比比就是ii0。因因此确定定最高档档传动比比其实就就是选择择主减速速器的传传动比ii0。主减速器的的传动比比是从汽汽车功率率平衡图图来选择择的，在在功率平平衡图上上将传动动比i00划分为为三个区区域：ii01(大传动动比)是是使得最最高车速速uammax大大于发动动机最大大功率时时的车速速up，它它的优点点在于汽汽车的后后备功

16、率率最大，即即动力性性最好，但但是燃油油经济性性最差；i022(中传传动比)是使得得最高车车速uaamaxx等于发发动机最最大功率率时的车车速upp，它的的优点是是最高车车速最大大，且动动力性和和经济性性均居中中；i003(小小传动比比)是使使得最高高车速uuamaax小于于发动机机最大功功率时的的车速uup，它它的优点点是发动动机功率率利用率率最高，即即燃油经经济性最最好，但但是汽车车的后备备功率最最小，即即汽车动动力性最最差。 以前，多多数汽车车将主减减速器传传动比选选择为大大传动比比i011或中传传动比ii02，但但是随着着近年来来不断要要求提高高汽车燃燃油经济济性，使使得主减减速器的的

17、传动比比开始偏偏向于小小传动比比i033。这里里对主减减速器传传动比的的选择只只是一个个初步的的选择，计计算汽车车经济性性和动力力性来优优化主传传动比的的方法，以以精确地地确定主主减速器器的传动动比。2 最低低档传动动比的选选择：确定最低档档传动比比时，要要考虑下下列因素素：汽车车最大爬爬坡度，驱驱动轮与与路面附附着力，汽汽车最低低稳定车车速及主主传动比比等。下下面假设设主传动动比已经经确定。(1) 根根据最大大爬坡度度确定一一档传动动比：汽车在最大大上坡路路面行驶驶时，最最大驱动动力应能能克服轮轮胎与路路面间滚滚动阻力力及上坡坡阻力。由于汽车上坡行驶时，车速不高，故忽略空气阻力。式中：Fkk

18、maxx 最大大驱动力力；Ff 滚动动阻力；Fimaax 最大大上坡阻阻力；又 (1-1)式中：Meemaxx 发动动机最大大扭矩；i1 变变速器一一档传动动比；ii0 主传传动比；(1-1) 汽汽车传动动系总效效率；mm 汽车车总质量量；g 重力力加速度度； 道道路最大大阻力系系数；rr 驱动动轮滚动动半径；f 滚动动阻力系系数； maxx 道路路最大上上坡角。(2) 根根据驱动动轮与地地面的附附着力确确定一档档传动比比：时了动打必驱等小动路的力力。式中： 道路附附着系数数，取=0.500.6；N 驱动力力垂直反反力，用用下列公公式计算算： 其中中：X、S 后后轮驱动动时，XX = a，S = +1； 前轮轮驱动时时，X = b，S = -1； 四轮轮驱动时时，X = L，S = 0； 路路面坡度度角；a、b 重重心至前前后轴距距离；L 轴距；hg 满载载时重心心高度。(3) 根根据最低低稳定车车速确定定一档传传动比：(1-3)对于越野汽汽车，为为了避免免在松软软的路