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1 轎車(chē)變速箱的設(shè)計(jì) 摘要 據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)分析，2013 年，汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)雙超 2000 萬(wàn)輛，增速大幅提升，高于年初 預(yù)計(jì)，并且再次刷新全球紀(jì)錄，目前為止，已連續(xù)五年蟬聯(lián)全球第一。 汽車(chē)變速箱作為汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)重要組成部分，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它歷經(jīng)了手動(dòng)變速、 自動(dòng)變速、自動(dòng)/手動(dòng)變速時(shí)代。 本設(shè)計(jì)的任務(wù)是關(guān)于前置后驅(qū)（Front engine Rear wheel drive, 簡(jiǎn)稱 FR）式小轎車(chē)用手動(dòng) 變速箱的設(shè)計(jì)。FR 在軸荷分配上，可以達(dá)到 50:50 的最佳比例，因此它具有較好的操控性、穩(wěn)定 性、動(dòng)力性和制動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)。這也是高性能汽車(chē)設(shè)計(jì)至今依然喜歡采用 FR 的主要原因。三軸式變 速箱具有體積小、原理簡(jiǎn)單、工作可靠和操縱方便等優(yōu)點(diǎn)，故在大多數(shù)汽車(chē)中得到應(yīng)用。 本文是在認(rèn)真了解和學(xué)習(xí)了汽車(chē)相關(guān)理論和設(shè)計(jì)知識(shí)的基礎(chǔ)上，首先確定 FR 轎車(chē)手動(dòng)變速箱 的設(shè)計(jì)方案，包括變速箱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置、主要參數(shù)的選擇、設(shè)計(jì)與計(jì)算、同步器設(shè)計(jì)、操縱機(jī)構(gòu)、 結(jié)構(gòu)元件等；其次，根據(jù)所給定參數(shù)和條件，完成齒輪、軸和軸承等主要零件的理論分析，結(jié)合 CAD 中的 AutoCAD、Pro/E、SolidWorks、UG 和 CAE 中的 ANSYS 軟件，對(duì)所建立的三維模型進(jìn)行動(dòng) 力學(xué)與有限元分析，繼而優(yōu)化，將優(yōu)化后的模型再進(jìn)行模擬仿真得到優(yōu)化后結(jié)果。 三軸式五速變速箱包括五個(gè)前進(jìn)擋和一個(gè)倒擋，并通過(guò)鎖環(huán)式同步器來(lái)實(shí)現(xiàn)換擋。它有 3 根主 要的傳動(dòng)軸：第一軸（輸入軸） 、第二軸（輸出軸） 、中間軸（主動(dòng)軸） ，所以稱三軸式變速箱，另 外還有倒擋軸。它的功用是：1.改變傳動(dòng)比，在較大范圍內(nèi)改變汽車(chē)的行駛速度和汽車(chē)驅(qū)動(dòng)輪上轉(zhuǎn) 矩的數(shù)值，以適應(yīng)經(jīng)常變化的行駛條件，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在有利的（功率較高而油耗率較低）工況下 工作；2.在發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變的前提下，利用倒擋實(shí)現(xiàn)汽車(chē)倒向行駛；3.在發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火的情況 下，利用空擋中斷動(dòng)力傳遞，可以使駕駛員松開(kāi)離合器踏板離開(kāi)駕駛位置，且便于汽車(chē)啟動(dòng)、怠速、 換擋和動(dòng)力輸出。 關(guān)鍵詞：變速箱，傳動(dòng)比，中間軸，第二軸，齒輪，鎖環(huán)式同步器 2 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 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, it’s a good idea to use reverse gear to achieve backward driving car. Thirdly, in case the engine does not stall, 3 neutral gear can interrupt power transmission, allowing the driver to release the clutch pedal to leave the driving position and it’s easy to start, idle, shift and output power. Key words: transmission, transmission ration, intermediate shaft, second shaft, gear, locking ring synchronizer 4 符號(hào)表 量的名稱 量的符號(hào) 單位符號(hào) 汽車(chē)總質(zhì)量 mkg 重力加速度 gN/kg 驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑 r mm 發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩 maxeTN·m 汽車(chē)傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率 ? 一擋傳動(dòng)比 1i 第一軸與中間軸的中心距 Amm 中間軸與倒擋軸的中心距 ? mm 第二軸與中間軸的中心距 mm 中心距系數(shù) AK 直齒輪模數(shù) m 斜齒輪法向模數(shù) n 齒輪壓力角 ?° 斜齒輪螺旋角 ?° 齒輪寬度 bmm 齒輪齒數(shù) xZ 齒輪變位系數(shù) ? 齒輪彎曲應(yīng)力 W?MPa 齒輪接觸應(yīng)力 j MPa 齒輪所受圓周力 tFN 軸向力 aN 徑向力 r N 計(jì)算載荷 gTN·m 應(yīng)力集中系數(shù) ?K 摩擦力影響系數(shù) f 齒輪材料的彈性模量 EMPa 重合度影響系數(shù) ? 主動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑 zrmm 5 從動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑 brmm 主動(dòng)齒輪節(jié)圓處的曲率半徑 z?mm 從動(dòng)齒輪節(jié)圓處的曲率半徑 bmm 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 T?MPa 軸的抗扭截面系數(shù) W3m 軸的材料的剪切彈性模量 G 軸截面的極慣性矩 PI4 垂直面內(nèi)的撓度 cf mm 水平面內(nèi)的撓度 s mm 6 第一章 緒論 相信看過(guò)《速度與激情》系列影片的人都會(huì)被賽車(chē)手們那種高超的、嫻熟的駕駛 技術(shù)所折服；與此同時(shí)，在現(xiàn)實(shí)生活中，我們的視野中也無(wú)不時(shí)刻閃現(xiàn)出汽車(chē)的影子。 一定程度上來(lái)說(shuō)，它似乎已經(jīng)成了我們往后生活的必需品了。 隨著我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量的不斷攀升，人們對(duì)于汽車(chē)基本理論的認(rèn)識(shí)與了解，也顯現(xiàn) 得越來(lái)越重要。汽車(chē)變速箱，作為汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成，也是評(píng)價(jià)衡量汽車(chē) 性能的一個(gè)重要參考依據(jù)。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)就像人的心臟一樣，是動(dòng)力的締造者。但是， 在它身后的變速箱確是其速度控制的閥門(mén)。為了悉知其原理，于是，基于對(duì)汽車(chē)變速 箱的研究也就應(yīng)運(yùn)而生。 汽車(chē)沒(méi)有變速箱會(huì)怎樣？ 沒(méi)有變速箱，汽車(chē)也能走，但只能以一個(gè)速度前進(jìn)，不能減速和加速，甚至一個(gè) 小坡就能讓汽車(chē)望而卻步。 變速箱發(fā)展至今，種類(lèi)繁多，手動(dòng)、自動(dòng)、無(wú)極、手自一體、自動(dòng)離合、雙離合， 但他們的變速原理，大同小異。 1.1 變速箱的工作原理 一旦發(fā)動(dòng)機(jī)制造出來(lái)后，其排量大小是不變的，可燃混合氣體的成分也基本不變， 因此，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩變化范圍小，但汽車(chē)在起步和上坡時(shí)，需要較大的轉(zhuǎn)矩；而 在平坦路面上高速行駛時(shí)，則只需要較小的轉(zhuǎn)矩。假如將發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪直接作用， 那就是對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，很高且不變的車(chē)速十分不現(xiàn)實(shí)，而且有可能因?yàn)橄鄳?yīng) 的牽引力小，就無(wú) 法起步、上坡或高 速行駛。 利用齒輪原理 （如圖 1-1 所示） ， 可以用較輕的物體 提升較重的物體。 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的 轉(zhuǎn)矩較小，但通過(guò) 變速箱后卻能推動(dòng) 較大的汽車(chē)。 7 圖 1-1 變速箱工作原理示意圖 利用齒輪原理，可以將較大的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小的轉(zhuǎn)速，也可以將較小的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變 為較大的轉(zhuǎn)速。 變速箱的作用就是擴(kuò)大汽車(chē)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，當(dāng)起步、上坡需要較大 汽車(chē)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，使用低速擋，可以實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩、低車(chē)速；當(dāng)需要提高汽車(chē)速度時(shí)， 使用高速擋，可以實(shí)現(xiàn)小轉(zhuǎn)矩、高車(chē)速。 1.2 變速箱的功用和要求 變速箱用來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目的是在原地起步、爬坡、 轉(zhuǎn)彎、加速等各種行駛工況下，使汽車(chē)獲得不同的牽引力和速度，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在最 有利的工況范圍內(nèi)工作。變速箱設(shè)有空擋，可在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車(chē)滑行或停車(chē)時(shí)使發(fā) 動(dòng)機(jī)的動(dòng)力停止向驅(qū)動(dòng)輪傳輸。變速箱設(shè)有倒擋，使汽車(chē)獲得倒退行駛能力。需要時(shí)， 變速箱還有動(dòng)力輸出動(dòng)能。 對(duì)變速箱提出如下基本要求： 1) 保證汽車(chē)有必要的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)型。在汽車(chē)整體設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)汽車(chē)載重量、發(fā) 動(dòng)機(jī)參數(shù)及汽車(chē)使用要求，選擇合理的變速箱擋數(shù)及傳動(dòng)比，來(lái)滿足這一要求。 2) 設(shè)置空擋，用來(lái)切斷發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力向驅(qū)動(dòng)輪的傳輸； 3) 設(shè)置倒擋，使汽車(chē)能倒退行駛； 4) 設(shè)置動(dòng)力輸出裝置，需要時(shí)能進(jìn)行功率輸出； 5) 工作可靠，操縱輕便。汽車(chē)行駛過(guò)程中，變速箱不得有跳擋、亂擋、換擋沖擊 等現(xiàn)象發(fā)生。為減輕駕駛員疲勞強(qiáng)度，提高行駛安全性，操縱機(jī)構(gòu)可通過(guò)采用 同步器和預(yù)選氣動(dòng)換擋或自動(dòng)、半自動(dòng)換擋來(lái)實(shí)現(xiàn)。 6) 變速箱應(yīng)當(dāng)有高的工作效率。為減小齒輪的嚙合損失，應(yīng)當(dāng)有直接擋。提高零 件的制造精度和裝配精度，采用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑油都可以提高傳動(dòng)效率。 7) 變速箱的工作噪聲低。采用斜齒輪傳動(dòng)及選擇合理的變位系數(shù)，提高制造精度 和安裝剛性可減小齒輪的噪聲。 8) 變速箱還應(yīng)當(dāng)滿足輪廓尺寸和質(zhì)量小。影響這一指標(biāo)的主要參數(shù)是變速箱的中 心距。選用優(yōu)質(zhì)鋼材，采用合理的熱處理工藝技術(shù)，設(shè)計(jì)適合的齒形，提高齒 輪設(shè)計(jì)和制造精度以及選用圓錐滾柱或滾針軸承可以減小中心距。 除此之外，變速箱還應(yīng)該考慮制造成本、拆裝、維修等方面問(wèn)題。 1.3 變速箱的分類(lèi) 從市場(chǎng)上不同車(chē)型所配置的變速箱來(lái)看，主要分為：手動(dòng)變速箱（MT） 、自動(dòng)變速 8 箱（AT） 、手動(dòng)/自動(dòng)變速箱（AMT） 、無(wú)極變速箱（CVT） 。 1.3.1 手動(dòng)變速箱（MT） 手動(dòng)變速箱（Manual Transmission） 。顧名思義，它是通過(guò)駕 駛員用手操縱變速桿來(lái)選定擋位，并直 接操縱變速箱的換擋機(jī)構(gòu)進(jìn)行擋位變化。 齒輪式有級(jí)變速箱大多采用這種換擋方 式。手動(dòng)變速箱的工作原理就是更換不 同大小的被動(dòng)齒輪來(lái)與動(dòng)力輸出軸接合， 當(dāng)將擋時(shí)，實(shí)際上是將被動(dòng)齒輪換成了 更大的齒輪，根據(jù)杠杠原理，此時(shí)變速 箱輸出的轉(zhuǎn)速就會(huì)相對(duì)降低，但轉(zhuǎn)矩增 大；反之，如果是升擋，則實(shí)際上是被 動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)換為小齒輪，此時(shí)變速箱輸出 轉(zhuǎn)速就會(huì)提高，但轉(zhuǎn)矩會(huì)減小。 轎車(chē)手動(dòng)變速箱通常帶同步器，這 樣可使換擋方便、動(dòng)力傳遞直接、動(dòng)力響應(yīng)迅速、比較省油、噪聲也小。 （如圖 1-2） 最常見(jiàn)的手動(dòng)變速箱多為 5 擋位（5 個(gè)前進(jìn)擋、1 個(gè)倒擋） ，運(yùn)動(dòng)型轎車(chē)上也有 6 擋位 變速箱。手動(dòng)變速箱的缺點(diǎn)是換擋比較麻煩，手腳并用，容易產(chǎn)生駕駛疲勞。 圖 1-2 手動(dòng)變速箱工作原理示意圖 1.3.2 自動(dòng)變速箱（AT） 自動(dòng)變速箱（Automatic Transmission） 。這種變速箱的自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī) 的負(fù)荷和車(chē)速的變化情況自動(dòng)地選定擋位，并進(jìn)行擋位變換，即自動(dòng)地改變傳動(dòng)比。 駕駛員只需要操縱加速踏板即可控制車(chē)速?，F(xiàn)在的自動(dòng)變速箱一般都是液力變矩器式 自動(dòng)變速箱，它主要由兩大部分組成。 一是和發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪連接的夜里變矩器，它和手動(dòng)變速箱車(chē)上的離合器位置差不多， 其作用也和離合器差不多，它負(fù)責(zé)將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞給后面的變速機(jī)構(gòu)。 二是緊跟在液力變矩器后面的變速機(jī)構(gòu)，它主要由多片離合器、控制機(jī)構(gòu)和變速 齒輪組成?？刂茩C(jī)構(gòu)按照設(shè)計(jì)師們的設(shè)定，可以根據(jù)行駛情況對(duì)多片式離合器發(fā)出指 令，驅(qū)動(dòng)各個(gè)擋位上多片離合器進(jìn)行接合或分離。 由于第二部分的不同，自動(dòng)變速箱可分出好多類(lèi)，如控制機(jī)構(gòu)有液壓閥和電磁閥， 則分別稱為液壓自動(dòng)變速箱和電動(dòng)控制變速箱；如果最后的變速機(jī)構(gòu)不是采用齒輪， 二是采用鋼帶和滑輪，那就是無(wú)極變速箱了。 9 1.3.3 手動(dòng)自動(dòng)變速箱（AMT） 手動(dòng)自動(dòng)變速箱（Automatic Manual Transmission） 。這種變速箱可以自動(dòng)換擋， 也可以手動(dòng)換擋。實(shí)際上它是由普通手動(dòng)變速箱派生出的一種形式。將它稱之為非離 和手動(dòng)變速箱更為確切。AMT 沒(méi)有行星齒輪和變矩器，和普通手動(dòng)變速箱結(jié)構(gòu)一樣，它 有中間軸、輸出軸、離合器和變速撥叉等。這種變速箱通常有三種換擋方式，其中兩 種采用撥片式換擋，第三種則采用傳統(tǒng)換擋桿的形式。比較典型的如奧迪 A6 的 Tiptronic，上海帕薩特 1.8L 也裝有手動(dòng)自動(dòng)變速箱。 1.3.4 無(wú)級(jí)變速箱（CVT） 無(wú)級(jí)變速箱（Continuously Variable Transmission） 。其傳動(dòng)比在一定數(shù)值范圍 內(nèi)可連續(xù)無(wú)限多級(jí)變化，常見(jiàn)的有流體式和機(jī)械式兩種。 圖 1-3 無(wú)級(jí)變速箱工作原理示意圖 CVT 不是通過(guò)齒輪組合變速，而是利用一對(duì)可以改變直徑的工作輪組合來(lái)實(shí)現(xiàn)變速 的，如圖 1-3 所示。工作輪組合中的主動(dòng)輪相當(dāng)于手動(dòng)變速箱中的主動(dòng)齒輪；另一個(gè) 是從動(dòng)輪，相當(dāng)于手動(dòng)變速箱中的從動(dòng)齒輪。手動(dòng)變速箱要想改變傳動(dòng)比，只能更換 不同擋位的齒輪組合，而無(wú)極變速箱中的工作輪直徑是可以變化的，無(wú)需更換其它工 作輪組。當(dāng)主動(dòng)輪的直徑變大而同時(shí)從動(dòng)輪的直徑變小時(shí)，或?qū)⒅鲃?dòng)輪的直徑變小， 從動(dòng)輪的直徑變大時(shí)，傳動(dòng)比就會(huì)隨著改變。 每個(gè)工作輪都是由兩個(gè)錐形盤(pán)對(duì)扣組成的，傳動(dòng)鋼帶的邊緣時(shí)隔斜坡，正好和工 作輪的錐面磨合在一起。當(dāng)工作輪的兩個(gè)錐形盤(pán)之間的距離變化時(shí)，鋼帶就會(huì)沿錐面 上下移動(dòng)，這就相當(dāng)于改變了工作輪的直徑。 10 1.3.5 其它分類(lèi)方法 由于變速箱由變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成，根據(jù)其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的前進(jìn)擋位數(shù)和軸 的形式，又有如下兩種分類(lèi)方法(如表 1-1 所示)。 固定軸式應(yīng)用廣泛，其中兩軸式變速箱多用于前置前驅(qū)（Front engine Front wheel drive，簡(jiǎn)稱 FF）的汽車(chē)上，中間軸式變速箱多用于 FR 的汽車(chē)上。 表 1-1 變速箱基本分類(lèi) 分類(lèi)依據(jù) 名 稱 3 擋變速箱 4 擋變速箱 5 擋變速箱前進(jìn)擋數(shù) 多擋變速箱 固定軸式軸的形式 旋轉(zhuǎn)軸式 兩軸式變速箱 中間軸式變速箱 雙中間軸式變速箱固定軸式 多中間軸式上變速箱 在原有變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，再附加一個(gè)副箱體，這就在結(jié)構(gòu)變化不大的基礎(chǔ)上， 達(dá)到增加變速箱擋數(shù)的目的。近年來(lái)，變速箱操縱機(jī)構(gòu)有向自動(dòng)操縱方向發(fā)展的趨勢(shì)。 1.4 汽車(chē)變速箱的發(fā)展現(xiàn)狀及其技術(shù)趨勢(shì) 我國(guó)在手動(dòng)變速箱領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)品牌已占主導(dǎo)地位，為適應(yīng)當(dāng)代汽車(chē)節(jié)能、環(huán)保、 舒適、廉價(jià)要求這一新趨勢(shì)，更高的傳動(dòng)效率，更舒適的駕乘感覺(jué)，更小的體積和更 加簡(jiǎn)易可靠的控制模式已經(jīng)成為當(dāng)今新型變速箱技術(shù)的追求目標(biāo)。目前，無(wú)論是商用 車(chē)還是其他形式的汽車(chē)，自動(dòng)變速箱越來(lái)越成為標(biāo)配。 汽車(chē)用自動(dòng)變速箱目前主要分為 AT、AMT、CVT、DCT 四種變速箱。由于它們各自 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理各不相同，技術(shù)成熟程度也不盡相同，因此從目前發(fā)展現(xiàn)狀上 看， 在制造成本、燃油經(jīng)濟(jì)性、換擋舒適性以及使用壽命等多個(gè)方面也存在差異，各具優(yōu) 劣。 在眾多形式的自動(dòng)變速箱中，不能說(shuō)哪類(lèi)好哪類(lèi)不好，任何變速箱都有自身的 優(yōu) 點(diǎn)和缺點(diǎn)，不同變速箱適用于不同車(chē)型，要適具體情況而論。然而，衡量一臺(tái)汽車(chē)的 11 好壞，很大程度上決定于變速箱的質(zhì)量，而變速箱的質(zhì)量取決于齒輪的設(shè)計(jì)與制造。 變速箱的技術(shù)核心在于變速箱內(nèi)部的控制機(jī)構(gòu)，變速箱和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的配合如果緊密 與協(xié)調(diào)，那么汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能就能夠得到良好的發(fā)揮。 在變速箱的設(shè)計(jì)和制造中，CAD、CAM、CAE 等計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)得淋漓盡致。 虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)所要進(jìn)行的生產(chǎn)和制造活動(dòng)的建模和仿真。它 通過(guò)并行工作的方式縮短設(shè)計(jì)周期，也通過(guò)仿真的方式降低試驗(yàn)成本。 由于汽車(chē)變速箱殼體尺寸大、形狀復(fù)雜，進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)具有比較大的困難，通過(guò) 對(duì)壓鑄充型和凝固過(guò)程的仿真分析，能夠模擬壓鑄過(guò)程的速度和溫度場(chǎng)，可以預(yù)測(cè)鑄 件可能出現(xiàn)的缺陷，根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化壓鑄工藝。 同樣，對(duì)于變速箱的齒輪零部件，可以通過(guò) UG 與 ANSYS 的聯(lián)合模擬，進(jìn)行有限元 分析，得出極速工況下的變形規(guī)律和應(yīng)力分布規(guī)律，進(jìn)而對(duì)齒輪的壽命校核和優(yōu)化設(shè) 計(jì)提供可靠依據(jù)。 汽車(chē)變速箱的發(fā)展，在設(shè)計(jì)方面將越趨于高度數(shù)字一體化，其制造也將追求高穩(wěn) 度、高精度、高清潔度，更加經(jīng)濟(jì)化，以保證整車(chē)性能得到最大優(yōu)化。 1.5 了解、認(rèn)知手動(dòng)變速箱的必要性 看過(guò)一些言論，說(shuō)手動(dòng)變速箱繁瑣的駕駛操作等不足，阻礙了汽車(chē)高速發(fā)展的腳 步。手動(dòng)變速箱會(huì)在不久的將來(lái)“下課” 。但是，手動(dòng)變速箱轎車(chē)從目前的市場(chǎng)需求和 適用角度來(lái)說(shuō)，還不會(huì)過(guò)早的離開(kāi)我們的視野。 首先，從商用車(chē)的特性上來(lái)說(shuō)，手動(dòng)變速箱的功用是其他變速箱所不能替代的。 以卡車(chē)為例，卡車(chē)用來(lái)運(yùn)輸，通常要裝載數(shù)噸的貨品，面對(duì)如此高的“壓力” ，除了發(fā) 動(dòng)機(jī)需要強(qiáng)勁的動(dòng)力之外，還需要變速箱的全力協(xié)助。我們都知道一擋有“勁” ，這樣 在起步的時(shí)候有足夠的牽引力量將車(chē)帶動(dòng)。特別是面對(duì)爬坡路段，它的特點(diǎn)顯露的非 常明顯。而對(duì)于其他新型的變速箱，雖然具有操作簡(jiǎn)便等特性，但這些特點(diǎn)尚不具備。 其次，從我國(guó)的具體情況來(lái)看，手動(dòng)變速箱幾乎貫穿了整個(gè)中國(guó)的汽車(chē)發(fā)展歷史， 資歷較深的司機(jī)都是“手動(dòng)”駕車(chē)的，他們對(duì)手動(dòng)變速箱的認(rèn)識(shí)程度是非常深刻的， 如果讓他們改變常規(guī)的做法，這是不現(xiàn)實(shí)的。雖然自動(dòng)變速箱以及無(wú)級(jí)變速箱已非常 的普遍，但是大多數(shù)年輕的司機(jī)還是崇尚手動(dòng)，尤其是喜歡超車(chē)時(shí)手動(dòng)變速帶來(lái)的那 種快感，所以一些中高擋的汽車(chē)（尤其是轎車(chē)）也不敢輕易放棄手動(dòng)變速箱。另外， 目前在我國(guó)的汽車(chē)駕駛學(xué)校中，教練車(chē)都是手動(dòng)變速箱的，除了經(jīng)濟(jì)適用之外，關(guān)鍵 是能夠讓學(xué)員打好扎實(shí)的基本功以及鍛煉?cǎi){駛協(xié)調(diào)性。 第三，隨著生活水平的不斷提高現(xiàn)在轎車(chē)已經(jīng)進(jìn)入了家庭，對(duì)于普通工薪階級(jí)的 12 老百姓來(lái)說(shuō)，經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)最為合適，手動(dòng)變速箱其自身的性價(jià)比，配套于經(jīng)濟(jì)型轎車(chē) 廠家，而且經(jīng)濟(jì)適用型轎車(chē)的銷(xiāo)量一直在車(chē)市名列前茅。 繼而，開(kāi)展對(duì)手動(dòng)變速箱的了解、學(xué)習(xí)與研究和分析有一定必要。本設(shè)計(jì)的相關(guān) 任務(wù)已于上文給出。 第二章 變速箱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案的確定 機(jī)械式變速箱因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、制造成本低和工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，故 在不同形式的汽車(chē)上得到廣泛應(yīng)用。 2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案分析 設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)根據(jù)汽車(chē)的使用條件及要 求確定變速箱的傳動(dòng)比范圍、擋位數(shù)及各個(gè) 擋位的傳動(dòng)比，它們對(duì)汽車(chē)的動(dòng)力性與燃料 經(jīng)濟(jì)性有重要的直接影響。 擋位越多，油耗越低，無(wú)級(jí)變速箱最理 想。目前很多轎車(chē)采用的是帶液力變矩器的 自動(dòng)換擋變速箱，擋位一定時(shí)可依靠液力變 矩器實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，其效率仍需進(jìn)一步提高 才能做到真正省油。 變速箱傳動(dòng)比與最小燃油消耗特性曲線的關(guān)系： =0.377nr/ =An/ ， n—i?a0uia 車(chē)速（ ua）一定時(shí)，燃油消耗率最低（ bmin）時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 （圖 2-1 所示） 傳動(dòng)比范圍是變速箱低擋傳動(dòng)比與高擋傳動(dòng)比的比值。汽車(chē)行駛的道路狀況愈多 樣，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與汽車(chē)質(zhì)量之比也愈小，則變速箱的傳動(dòng)比范圍應(yīng)愈大。目前，轎 車(chē)變速箱的傳動(dòng)比范圍為 3.0～4.5；一般用途的貨車(chē)和輕型之上的客車(chē)為 5.0～8.0； 越野車(chē)與牽引車(chē)為 10.0～20.0。 【本設(shè)計(jì)傳動(dòng)比范圍約為 3.7】 圖 2-1 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性和最小燃油消耗特性曲線 通常，有級(jí)變速箱具有 3、4、5 個(gè)前進(jìn)擋；重型載貨汽車(chē)和重型越野汽車(chē)則采用 多擋變速箱，其前進(jìn)擋位數(shù)多達(dá) 6～16 個(gè)甚至 20 個(gè)。 13 變速箱擋位數(shù)的增多可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利用效率、汽車(chē)的燃料經(jīng)濟(jì)性及平均車(chē) 速，從而可提高汽車(chē)的運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本。但采用手動(dòng)的機(jī)械式操縱機(jī)構(gòu)時(shí)， 要實(shí)現(xiàn)迅速、無(wú)聲換擋，對(duì)于多于 5 個(gè)前進(jìn)擋的變速箱來(lái)說(shuō)是困難的。因此，直接操 縱式變速箱擋位數(shù)的上限為 5 擋。多于 5 個(gè)前進(jìn)擋，將使操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜化，或者需要 加裝具有獨(dú)立操縱機(jī)構(gòu)的副變速箱，后者僅用于一定行駛工況。 某些轎車(chē)和貨車(chē)的變速箱，采用僅在好路和空載行駛時(shí)才使用的超速擋（最高擋 位） 。采用傳動(dòng)比小于 1（0.7～0.8）的超速擋，可以更充分地利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，降低 單位行駛里程的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸總轉(zhuǎn)數(shù)，因而會(huì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，降低燃料消耗。但與 傳動(dòng)比為 1 的直接擋比較，采用超速擋，會(huì)降低傳動(dòng)效率。 有級(jí)變速箱的傳動(dòng)效率與所選用的傳動(dòng)方案有關(guān)，包括傳遞動(dòng)力的齒輪副數(shù)目、 轉(zhuǎn)速、傳遞的功率、潤(rùn)滑系統(tǒng)的有效性、齒輪、軸，以及殼體等零件的制造精度、剛 度等。 2.1.1 固定軸式變速箱 1）兩軸式變速箱 圖 2-2 示出用在 FF 乘用車(chē)上的兩軸式變速箱傳動(dòng)方案。其特 點(diǎn)是：變速箱輸出軸與主減速器主動(dòng)齒輪做成一體，發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)圖 2-2 兩軸式變速 箱傳動(dòng)方案主減速器采用弧齒錐齒輪或準(zhǔn)雙曲面齒輪，發(fā)動(dòng)機(jī)橫置時(shí)則采用斜齒圓柱 齒輪；多數(shù)方案的倒擋傳動(dòng)常用滑動(dòng)齒輪，其它擋位均采用常嚙合齒輪傳動(dòng)。 圖 2-2 兩軸式變速箱傳動(dòng)方案 2）中間軸式變速箱 中間軸式變速箱多用于 FR 和 RR(發(fā)動(dòng)機(jī)后置后輪驅(qū)動(dòng)，rear 14 engine rear wheel drive，簡(jiǎn)稱 為 RR)的汽車(chē)和客車(chē)上。 變速箱第一軸的前端經(jīng)軸承 支承在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪上，第一軸的 花鍵用來(lái)裝設(shè)離合器的從動(dòng)盤(pán)， 而第二軸的末端經(jīng)花鍵與萬(wàn)向節(jié) 連接。 圖 2-3 中的中間軸式四擋變 速箱傳動(dòng)方案示例的區(qū)別為圖 2- 3a、b 所示方案有四對(duì)常嚙合齒輪， 倒擋用直齒滑動(dòng)齒輪變擋。第二 軸為三點(diǎn)支承，前端支承在第一 軸的末端孔內(nèi)，軸的中部和后端 分別支承在變速箱殼體和附加殼 體上。圖 2-3a 所示傳動(dòng)方案又能 達(dá)到提高中間軸和第二軸剛度的 目的；圖 2-3c 所示傳動(dòng)方案的二、 三、四擋用常嚙合齒輪傳動(dòng)，而 一、倒擋用直齒滑動(dòng)齒輪換擋， 第二軸為兩點(diǎn)支承。 圖 2-4 所示為中間軸式五擋 變速箱傳動(dòng)方案示例。圖 2-4a 所 示方案中，除一、倒擋用直齒滑 動(dòng)齒輪換擋外，其余各擋為常嚙 合齒輪傳動(dòng)。圖 2-4b、c、d 所示 方案的各前進(jìn)擋，均用常嚙合齒 輪傳動(dòng)。圖 2-4d 所示方案中的倒 擋和超速擋安裝在位于變速箱后部的副箱體內(nèi)，這樣布置可以提高軸的剛度、減少齒 輪磨損和降低工作噪聲外，還可以在不需要超速擋的條件下，很容易形成一個(gè)只有四 個(gè)前進(jìn)擋的變速箱。圖 2-5a 所示方案中的一擋、倒擋和圖 2-5b 所示方案中的倒擋用 直齒滑動(dòng)齒輪換擋，其 余各擋均為常嚙合齒輪。 圖 2-3、圖 2-4、圖 2-5 分別示出了幾種中間軸式四、五、六擋變速箱傳動(dòng)方案。 各傳動(dòng)方案的共同特點(diǎn)是：變速箱的第一軸后端與常嚙合齒輪做成一體。絕大多數(shù)方 案的第二軸前端經(jīng)軸承支撐在第一軸后端的孔內(nèi)，且保持兩軸軸線在同一直線上，經(jīng) 15 嚙合套將它們連接后可得到直接擋。使用直接擋，變速箱的齒輪和軸承及中間軸均不 圖 2-3 中間軸式四擋變速箱傳動(dòng)方案 承載，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速箱第一軸和第二軸直接輸出，此時(shí)變速箱的傳動(dòng)效率高，可 達(dá) 90%以上，噪聲低、齒輪和軸承的磨損減少。因?yàn)橹苯訐醯睦寐室哂谄渌麚跷唬?因而提高了變速箱的使用壽命；在其他前進(jìn)擋位工作時(shí)，變速箱傳遞的動(dòng)力需要經(jīng)過(guò) 第一軸、中間軸和第二軸上的兩對(duì)嚙合齒輪傳遞，因此在變速箱中間軸與第二軸之間 的距離（中心距）不大的情況下，一擋仍有較大的傳動(dòng)比；擋位高的齒輪采用或不采 用常嚙合齒輪傳動(dòng)；多數(shù)傳動(dòng)方案中除一擋以外的其它擋位的換擋機(jī)構(gòu)，均采用同步 器或嚙合套換擋，少數(shù)結(jié)構(gòu)的一擋也采用同步器或嚙合套換擋，還有各擋同步器或嚙 合套多數(shù)情況下裝置第二軸上。 【本設(shè)計(jì)采用中間軸式五擋傳動(dòng)方案，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)相關(guān) 圖紙】 圖 2-4 中間軸式五擋變速箱傳動(dòng)方案 圖 2-5 中間軸式六擋變速箱傳動(dòng)方案 16 以上各方案中，凡采用常嚙合齒輪傳動(dòng)的擋位，其它換擋方式可以用同步器或嚙 合套來(lái)實(shí)現(xiàn)。同一變速箱中，有的擋位用同步器換擋，有的擋位用嚙合套換擋，那么 一定是擋位高的用同步器換擋，擋位低的用嚙合套換擋。 FR 乘用車(chē)采用中間軸式變速箱，為縮短傳動(dòng)軸長(zhǎng)度，將第二軸加長(zhǎng)，如圖 2- 3a、b 所示。如果在附加殼體內(nèi)布置倒擋傳動(dòng)齒輪和換擋機(jī)構(gòu)，還能減小變速箱主體部 分的外形尺寸及提高中間軸和輸出軸的剛度，如圖 2-4c 所示。 變速箱用如圖 2-4c 所示的多支承結(jié)構(gòu)方案，能提高軸的剛度。這時(shí)，如果在軸平 面上可分開(kāi)的殼體，就能較好地解決軸荷齒輪等零部件裝配困難的問(wèn)題。圖 2-4c 所示 方案的高擋從動(dòng)齒輪處于懸臂狀態(tài)，同時(shí)一擋和倒擋齒輪布置在變速箱殼體的中間跨 距里，而中間擋的同步器布置在中間軸上是這個(gè)方案的特點(diǎn)。 2.1.2 倒擋方案布置方案 與前進(jìn)擋比較，倒擋使用率不高，而且都是在停車(chē)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)換倒擋，故多數(shù)方 案均采用直齒滑動(dòng)齒輪方式倒擋。為實(shí)現(xiàn)倒擋傳動(dòng)，有些方案利用在中間軸和第二軸 上的齒輪傳動(dòng)路線中加入一個(gè)中間傳動(dòng)齒輪方案，如圖 2-2a、b、c 和圖 2-3a、b 所示； 也有利用兩個(gè)連體齒輪方案的，如圖 2-3c 和圖 2-4a、b 所示。前者雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但 是中間傳動(dòng)的齒輪式在最不利的正、負(fù)交變彎曲應(yīng)力狀態(tài)下工作的；而后者是在較為 有利的單向循環(huán)彎曲應(yīng)力狀態(tài)下工作，并使倒擋傳動(dòng)比略有增加。也有少數(shù)變速箱采 用結(jié)構(gòu)復(fù)雜和是成本增加的嚙合套或同步器方案換入倒擋，如圖 2-2f 所示。圖 2-6 為 常見(jiàn)的倒擋布置擋案。圖 2-6b 所示方案的優(yōu)點(diǎn)是換倒擋時(shí)利用了中間軸上的一擋齒輪， 因而縮短了中間軸的長(zhǎng)度；但換擋時(shí)要求有兩對(duì)齒輪同時(shí)進(jìn)入嚙合，使換擋困難。圖 2-6c 所示方案能獲得 較大的倒擋傳動(dòng)比，缺點(diǎn)是換擋程序不合理。圖 2-6d 所示方案 針對(duì)前者的缺點(diǎn)進(jìn)行了修改，取代了圖 2-6c 所示方案。圖 3-6e 所示方案是將中間軸 上的一、倒擋齒輪做成一體，將其齒寬加長(zhǎng)。圖 2-6f 所示方案適用于全部齒輪副均為 常嚙合的齒輪，換擋更為輕便。為了充分利用，縮短變速箱的軸向長(zhǎng)度，有的貨車(chē)倒 擋傳動(dòng)采用圖 2-6g 所示方案；其缺點(diǎn)是一、倒擋須各用一根變速箱撥叉軸，致使變速 箱上蓋中的操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜一些。 【本設(shè)計(jì)采用圖 3-6f 所示方案，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)相關(guān)圖 紙】 17 圖 2-6 倒擋布置方案 變速箱的一擋或倒擋因傳動(dòng)比大，工作時(shí)在齒輪上作用得力也增大，并導(dǎo)致變速 箱軸產(chǎn)生較大的擾度和轉(zhuǎn)角，使工作齒輪嚙合狀態(tài)破壞，最終表現(xiàn)出輪齒磨損加快和 工作 圖 2-7 變速桿換擋位置與順序 圖 2-8 換擋軸位置與受力分析 18 噪聲增加。為 此，無(wú)論是兩 軸式變速箱還 是中間軸式變 速箱的一擋與 倒擋，都應(yīng)當(dāng) 布置在靠近軸 的支承處，一 邊改善上述不 良狀況。然后 按照從低擋到 高擋的順序布 置各擋齒輪， 這樣既能使軸有足夠大的剛性，又能保證容易裝配。倒擋的傳動(dòng)比雖然與一擋的傳動(dòng) 比接近，但因?yàn)槭褂玫箵醯臅r(shí)間非常短，考慮到這點(diǎn)，有些方案將一擋布置在靠近軸 的支承處，如圖 2-3b、圖 2-3b、圖 2-5a 等所示，然后在布置倒擋。此時(shí)在倒擋工作 時(shí)，輪齒磨損與噪聲在短時(shí)間內(nèi)略有增加，而在一擋工作時(shí)輪齒的磨損與噪聲有所減 少。圖 2-2c 將倒擋齒輪布置在附加殼體內(nèi)，并緊靠軸的支承處，而一擋布置在變速箱 殼體右側(cè)緊靠支撐處，這個(gè)方案能很好得解決兩個(gè)傳動(dòng)比大的擋位都布置在靠近支承 的地方的這一問(wèn)題。 倒擋設(shè)置在變速箱的左側(cè)和右側(cè)，在結(jié)構(gòu)上均能實(shí)現(xiàn)，不同之處是掛倒擋是駕駛 員移動(dòng)變速桿的方向改變了。為了防止意外掛入倒擋，一般在掛倒擋是設(shè)有一個(gè)掛倒 擋時(shí)需要克服彈簧所產(chǎn)生的力，用來(lái)提醒駕駛員注意。從這一點(diǎn)考慮，圖 2-7a、b 的 換擋方案比圖 2-7c 的方案更合理。圖 2-7c 所示方案在掛一擋時(shí)也需要克服用來(lái)防止 誤掛倒擋所產(chǎn)生的力，這對(duì)換擋技術(shù)不熟練的駕駛員是不利的。 除此之外，倒擋的中間齒輪位于變速箱的左側(cè)或右側(cè)對(duì)倒擋軸的受力狀況有影響， 如圖 2-8 所示。 2.2 部件結(jié)構(gòu)方案分析 變速箱的設(shè)計(jì)方案必需滿足使用性能、制造條件、維護(hù)方便及三化等要求。在確 定變速箱結(jié)構(gòu)方案時(shí)，也要考慮齒輪型式、換擋結(jié)構(gòu)型式、軸承型式、潤(rùn)滑和密封等 因素。 2.2.1 齒輪型式 與直齒圓柱齒輪比較，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、工作時(shí)噪聲低等 19 優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是制造時(shí)稍復(fù)雜，工作時(shí)有軸向力，這對(duì)軸承不利。變速箱中的常嚙合齒 輪均采用斜齒圓柱齒輪，盡管這樣會(huì)使常嚙合齒輪數(shù)增加，并導(dǎo)致變速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 增大。直齒圓柱齒輪僅用于低擋和倒擋。 【本設(shè)計(jì)中由于倒擋采用常嚙合方案，故倒擋 采用斜齒輪傳動(dòng)方式，即除一擋外，均采用斜齒輪傳動(dòng)】 2.2.2 換擋機(jī)構(gòu)型式 變速箱換擋機(jī)構(gòu)有直齒滑動(dòng)齒輪、嚙合套和同步器三種形式。 直齒滑動(dòng)齒輪換擋的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，但由于換擋不輕便、換擋時(shí)齒端面 受到很大沖擊、導(dǎo)致齒輪早期損壞、滑動(dòng)花鍵磨損后易造成脫擋、噪聲大等原因，除 一擋、倒擋外很少采用。 嚙合套換擋型式一般是配合斜齒輪傳動(dòng)使用的。由于齒輪常嚙合，因而減少了噪 聲和動(dòng)載荷，提高了齒輪的強(qiáng)度和壽命。嚙合套有分為內(nèi)齒嚙合套和外齒嚙合套，視 結(jié)構(gòu)布置而選定，若齒輪副內(nèi)空間允許，采用內(nèi)齒結(jié)合式，以減小軸向尺寸。結(jié)合套 換擋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但還不能完全消除換擋沖擊，目前在要求不高的擋位上常被使用。 同步器能保證迅速、無(wú)沖擊、無(wú)噪聲換擋，而與操作技術(shù)的熟練程度無(wú)關(guān)，提高 了汽車(chē)的加速性、燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性。同上述兩種換擋方法比較，雖然它有結(jié) 構(gòu)復(fù)雜、制造精度高、軸向尺寸大等缺點(diǎn)，但仍然得到廣泛應(yīng)用。 【本設(shè)計(jì)采用同步器 換擋】 2.2.3 自動(dòng)脫擋 自動(dòng)脫擋是變速箱的主要障礙之一。為解決這個(gè)問(wèn)題，除工藝上采取措施外，在 結(jié)構(gòu)上，目前比較有效的方案有以下幾種： 1）將接合齒的工作面設(shè)計(jì)加工成斜齒面，形成倒錐角（一般傾斜 20～30） ，使接 合齒面產(chǎn)生阻止自動(dòng)脫擋的軸向力（圖 2-9） 。這種結(jié)構(gòu)方案比較有效，采用較多。 圖 2-9 防止自動(dòng)脫擋的結(jié)構(gòu)措施Ⅰ 2） 將嚙合套做得長(zhǎng)一些（如圖 2-10a）或者兩接合齒的嚙合位置錯(cuò)開(kāi)（圖 2- 10b） ，這樣在嚙合時(shí)使接合齒端部超過(guò)被接合齒約 1～3mm。使用中因接觸部分?jǐn)D壓和 20 磨損，因而在接合齒端部形成凸肩，以阻止自動(dòng)脫擋。 3）將嚙合套齒座上前齒圈的齒厚切薄（0.3～0.6mm） ，這樣，換擋后嚙合套的后 端面便被后齒圈的前端面頂住，從而減少自動(dòng)脫擋（圖 2-11） 。 此段切薄 a b 圖 2-10 防止自動(dòng)脫擋的結(jié)構(gòu)措施Ⅱ 圖 2-11 防止自動(dòng)脫擋的結(jié)構(gòu)措施Ⅲ 在本設(shè)計(jì)中所采用的是鎖環(huán)式同步器，如圖 2-12 所示?；ㄦI轂 7 用內(nèi)花鍵套裝在 二軸外花鍵上，用墊圈、卡環(huán)軸向定位?；ㄦI轂 7 兩端與齒輪 1 和 4 之間各有一個(gè)青 銅制成的鎖環(huán)（即同步環(huán)）5 和 9。鎖環(huán)上有短花鍵齒圈，其花鍵的尺寸和齒數(shù)與花鍵 轂齒輪 1 和 4 的外花鍵齒相同。兩個(gè)齒輪和鎖環(huán)上的花鍵齒，靠近接合套 8 的一端都 有倒角（鎖止角） ，且與結(jié)合套齒端的倒角相同。鎖環(huán)有內(nèi)錐面，與齒輪 1、4 的外錐 面倒角相同。在鎖環(huán)內(nèi)錐面上有細(xì)密的螺紋（或直槽） ，當(dāng)錐面接觸后，它能及時(shí)破壞 油膜，增加錐面間的摩擦力。鎖環(huán)內(nèi)錐面摩擦副成為摩擦件，外沿帶倒角的齒圈是鎖 止件，鎖環(huán)上還有 3 個(gè)均布的缺口 12。3 個(gè)滑塊 2 分別裝在花鍵轂 7 上 3 個(gè)均布的軸 向槽 11 內(nèi)，沿槽可以軸向移動(dòng)?；瑝K被兩個(gè)彈簧 6 的徑向力壓向接合套，滑塊中部的 凸起部位壓嵌在接合套中部的環(huán)槽 10 內(nèi)。滑塊和彈簧是推動(dòng)件?；瑝K兩端伸入鎖環(huán) 5 的缺口 12 中，滑塊窄而缺口寬，兩者只差等于鎖環(huán)的花鍵齒寬。鎖環(huán)相對(duì)于滑塊順轉(zhuǎn) 和逆轉(zhuǎn)都只能轉(zhuǎn)動(dòng)半個(gè)齒寬，且只有當(dāng)滑塊位于鎖環(huán)缺口的中央時(shí)，接合套與鎖環(huán)才 能接合。 21 圖 2-12 鎖環(huán)式慣性 同步器 1-一軸常嚙合齒輪；2-滑塊；3-撥叉；4-二軸齒輪；5、9-鎖環(huán)（同步環(huán)） ； 6-彈簧圈；7-花鍵轂；8-接合套；10-環(huán)槽；11-3 個(gè)軸向槽；12-缺口 2.2.4 變速箱軸承 做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的變速箱軸支承在殼體或其他部位的地方以及齒輪與軸不做固定連接 處應(yīng)安置軸承。變速箱軸承常采用圓柱滾子軸承、球軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承、 滑動(dòng)軸套等。 汽車(chē)變速箱結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸較小的特點(diǎn)，采用尺寸大些的軸承受結(jié)構(gòu)限制。如變 速箱的第二軸前端支承在第一軸常嚙合齒輪的內(nèi)腔中，內(nèi)腔尺寸足夠時(shí)可布置圓錐滾 子軸承，若空間不足則采用滾針軸承。第二軸后端常采用球軸承，用來(lái)承受軸向力和 徑向力。變速箱第一軸前端支承在飛輪的內(nèi)腔里，因有足夠大的空間，常采用一端有 密封圈的球軸承來(lái)承受徑向力。作用在第一軸常嚙合齒輪上的軸向力，經(jīng)第一軸后部 軸承傳給變速箱殼體，此處常用軸承外圈有擋圈的球軸承。由于變速箱向輕量化方向 22 發(fā)展的需要，要求減小變速箱中心距，這就影響到軸承外徑的尺寸。為了保證軸承有 足夠的壽命，可選用能承受一定軸向力的無(wú)保持架的圓柱滾子軸承。中間軸上齒輪工 作時(shí)產(chǎn)生的軸向力，原則上由前或后軸承來(lái)承受都可以，但當(dāng)在殼體前端面布置軸承 蓋有困難時(shí)，必須由后端軸承承受軸向力，前端采用圓柱滾子軸承來(lái)承受徑向力，而 后端采用外圈有擋圈的球軸承或圓柱滾子軸承。 圓錐滾子軸承因有直徑較小、寬度較寬，因而容量大，可承受高負(fù)荷和通過(guò)對(duì)軸 承預(yù)緊能消除軸向間隙及軸向竄動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，故在一些變速箱上得到應(yīng)用。圓錐滾子軸 承也有裝配后需要調(diào)整預(yù)緊，使裝配麻煩且磨損后軸易歪斜，從而影響齒輪正確嚙合 等一些缺點(diǎn)。當(dāng)采用錐軸承時(shí)，要注意軸承的預(yù)緊，以免殼體受熱膨脹后軸承出現(xiàn)間 隙而使中間軸歪斜，導(dǎo)致齒輪不能正確嚙合而損壞。因此，錐軸承不適合用在線脹系 數(shù)較大的鋁合金殼體上。 變速箱第一軸、第二軸的后部軸承，以及中間軸前、后軸承，按直徑系列一般選 用中系列球軸承或圓柱棍子軸承。軸承的直徑根據(jù)變速箱中心距確定，并要保證殼體 后壁兩軸承孔之間的距離不小于 6～20cm。 滾針軸承、滑動(dòng)軸套主要用在齒輪與軸不是固定連接，并要求兩者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的 地方。滾針軸承有滾動(dòng)摩擦損失小、傳動(dòng)效率高、徑向配合間隙小、定位及運(yùn)轉(zhuǎn)精度 高、有利于齒輪嚙合等優(yōu)點(diǎn)?；瑒?dòng)軸套的徑向配合間隙大、易磨損、間隙增大后影響 齒輪的定位和運(yùn)轉(zhuǎn)精度并使工作造成增加。其優(yōu)點(diǎn)是制造容易、成本低。 綜上，本設(shè)計(jì)中第一軸上與箱體支承處選用深溝球軸承，變速箱第一軸后端內(nèi)腔 中選用滾針軸承對(duì)第二軸前端進(jìn)行支承，第二軸后端與軸承蓋直徑采用深溝球軸承， 第二軸后端與箱體后蓋間用外圈無(wú)擋邊的圓柱滾子軸承，中間軸前、后端采用圓錐滾 子軸承支承在箱體內(nèi)。 23 第三章 變速箱主要參數(shù)的選擇 根據(jù)變速箱運(yùn)用的實(shí)際場(chǎng)合，結(jié)合同類(lèi)變速箱的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，來(lái)進(jìn)行本設(shè)計(jì) 的主要參數(shù)的選擇，包括：擋數(shù)、傳動(dòng)比范圍、中心距、外形尺寸、齒輪參數(shù)等。 3.1 擋數(shù) 變速箱的擋數(shù)可在 3～20 個(gè)擋位范圍內(nèi)變化。通常變速箱的擋數(shù)在 6 擋以下，當(dāng) 擋數(shù)超過(guò)六擋以后，可在 6 擋以下的主變速箱基礎(chǔ)上，再配置副變速箱，通過(guò)兩者的 組合獲得多擋位變速箱。 傳動(dòng)系的擋位增多后，增加了選用合適擋位使發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作狀況的機(jī)會(huì)，有利 于提高燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，轎車(chē)手動(dòng)變速箱已基本采用 5 擋，也有 6 擋的。近年來(lái)， 為了降低油耗，變速箱的擋位也有增加的趨勢(shì)。發(fā)動(dòng)機(jī)排量大的乘用車(chē)多用 5 個(gè)擋。 【本設(shè)計(jì)采用 5 個(gè)擋位】 3.2 傳動(dòng)比范圍 變速箱傳動(dòng)比的范圍是指變速箱最低擋傳動(dòng)比與最高擋傳動(dòng)比的比值。高擋通常 是直接擋，傳動(dòng)比為 1.0；有的變速箱最高擋是超速擋，傳動(dòng)比為 0.7～0.8。影響最 低擋傳動(dòng)比選取的因素有：發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速所要求的汽車(chē)最大爬坡 能力、驅(qū)動(dòng)輪與路面間的附著力、主減速比和驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑以及所要求達(dá)到最低 穩(wěn)定性是車(chē)速等。目前乘用車(chē)的傳動(dòng)比范圍在 3.0～5.4 之間，總質(zhì)量輕些的商用車(chē)在 5.0～8.0 之間，其他商用車(chē)則更大。 本設(shè)計(jì)根據(jù)已給條件，最高擋擋選用超速擋，傳動(dòng)比為 i1=3.5，i2=2.5，i3=2.0，i4=1.5，i5=0.95，iR=3.5(倒擋) 所給相鄰擋位間的傳動(dòng)比比值在 1.8 以下，利于換擋。 3.3 中心距 A 對(duì)中間軸式變速箱，變速箱中心距是指中間軸與第二軸軸線之間的距離。它是一 個(gè)基本參數(shù)，其大小不僅對(duì)變速箱的外形尺寸、體積和質(zhì)量大小有影響，而且對(duì)齒輪 的接觸有輕度有影響。中心距越小，齒輪的接觸應(yīng)力越大，齒輪壽命越短；變速箱的 中心距取的越小，會(huì)使變速箱長(zhǎng)度增加，并因此而使軸的剛度被削弱和使齒輪的嚙合 狀態(tài)破壞。 24 3IAmaxKT?中間軸式變速箱中心距 A（mm）的確定，可根據(jù)對(duì)已有變速箱的統(tǒng)計(jì)而得出的經(jīng)驗(yàn)公式初定： （3-1） 式中：KA——中心距系數(shù)。對(duì)轎車(chē)， K A =8.9～9.3；對(duì)貨車(chē)， K A =8.6～9.6；對(duì)多 擋主變速箱， K A =9.5～11； ——變速箱處于一擋時(shí)的輸出扭矩（此處意為最大轉(zhuǎn)矩） 。ImaxT 故可得出初始中心距：A=66.86mm，圓整取 A 為 67mm。 3.4 外形尺寸 變速箱的橫向外形尺寸，可根據(jù)齒輪直徑以及倒擋中間齒輪和換擋機(jī)構(gòu)的布置初 步確定。 乘用車(chē)四擋變速箱殼體的軸向尺寸 3.0～3.4 A。商用車(chē)變速箱殼體的軸向尺寸與擋 數(shù)有關(guān)： 四擋(2.2～2.7) A 五擋(2.7～3.0) A 六擋(3.2～3.5) A 當(dāng)變速箱選用的擋數(shù)和同步器多時(shí)，中心距系數(shù) KA 應(yīng)取給出系數(shù)的上限。為檢測(cè) 方便， A 取整。 本設(shè)計(jì)為五速手動(dòng)變速箱，其殼體的軸向尺寸是 3x67=201mm。 3.5 齒輪參數(shù) 3.5.1 模數(shù) 齒輪模數(shù)是一個(gè)重要參數(shù)，影響它選取的因素很多，如齒輪的強(qiáng)度、質(zhì)量、噪聲、 工藝等。 選取齒輪模數(shù)一般遵守的原則有： 在變速箱中心距相同的情況下，選取較小的模數(shù)，就可以增加齒輪的齒數(shù)，同時(shí) 增加齒寬可使齒輪嚙合的重合度增加，并減少齒輪噪聲；為使質(zhì)量小些，應(yīng)該增加模 數(shù)，同時(shí)減小齒寬；從工藝方面考慮，各擋齒輪應(yīng)該選用一種模數(shù)，而從強(qiáng)度方面考 慮，各擋齒輪應(yīng)有不同的模數(shù)；減少乘用車(chē)齒輪工作噪聲有較為重要的意義，因此齒 輪的模數(shù)應(yīng)選的小些；對(duì)貨車(chē)，減小質(zhì)量比減小噪聲更重要，此時(shí)齒輪應(yīng)該選用大些 的模數(shù)；變速箱低擋齒輪應(yīng)選用較大些的模數(shù)，其他擋位選用另一種模數(shù)。所選模數(shù) 應(yīng)符合 GB/T 1357-2008 規(guī)定的通用機(jī)械和重型機(jī)械用直齒和斜齒漸開(kāi)線圓柱齒輪的法 向模數(shù)。 第一軸常嚙合斜齒輪的法向模數(shù) mn 25 （3-3max0.47neT? 2） （3-1 1axexi? 3） 式中 為變速箱傳動(dòng)效率，取 96%； 為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。? emaxT 由 4-3 式得 =122Nm，進(jìn)而求得 =2.33，取 m=2.5。 emaxTn 一擋直齒輪的模數(shù) m mm （3-4）31max0.? 通過(guò)計(jì)算 m=2.45，取 m=3。 同步器和嚙合套的接合大都采用漸開(kāi)線齒形。由于制造工藝上的原因，同一變速箱 中的結(jié)合套模數(shù)都取相同，轎車(chē)和輕型貨車(chē)取 2～3.5。 【本設(shè)計(jì)取 2.5】 3.5.2 齒形、壓力角 α、螺旋角 β 和齒寬 b 齒輪壓力角較小時(shí)，重合度較大并降低了輪齒剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，能減少進(jìn)入嚙合 和退出嚙合時(shí)的動(dòng)載荷，使傳動(dòng)平穩(wěn)，有利于降低噪聲；壓力角較大時(shí)，可提高輪齒 的抗彎強(qiáng)度和表面接觸強(qiáng)度。汽車(chē)變速箱齒輪的齒形、壓力角、螺旋角按表 3-1 選取。 表 3-1 汽車(chē)變速箱齒輪的齒形、壓力角與螺旋角 項(xiàng)目 車(chē)型 齒形 壓力角 α 螺旋角 β 轎車(chē) 高齒并修形的齒形 14.5°，15°，16°16.5° 25°～45° 一般貨車(chē) GB1356-78 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)齒形 20° 20°～30° 重型車(chē) 同上 低擋、倒擋齒輪 22.5°，25° 小螺旋角 因國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為 20°，所以變速箱齒輪普遍采用壓力為 20°。嚙合套 或同步器取 30°；斜齒輪螺旋角 β 取 30°。 應(yīng)該注意的是選擇斜齒輪的螺旋角時(shí)應(yīng)力求使中間軸上是軸向力相互抵消。為此， 中間軸上的全部齒輪一律取右旋，而第一軸和第二軸上的的斜齒輪取左旋，其軸向力經(jīng) 軸承蓋由殼體承受。 齒輪寬度 b 的大小直接影響著齒輪的承載能力，b 加大，齒的承載能力增高。但試 驗(yàn)表明，在齒寬增大到一定數(shù)值后，由于載荷分配不均勻，反而使齒輪的承載能力降低。 所以，在保證齒輪的強(qiáng)度條件下，盡量選取較小的齒寬，以有利于減輕變速箱的重量和 縮短其軸向尺寸。 通常根據(jù)齒輪模數(shù) m（mn）的大小來(lái)選定齒寬： 直齒 b=kcm，kc 為齒寬系數(shù)，取為 4.5～8.0 26 17Z??? 斜齒 b= kcmn，kc 取為 6.0～8.5 b 為齒寬（mm） 。采用嚙合套或同步器換擋時(shí)，其接合齒的工作寬度初選時(shí)取 2～4mm。 第一軸常嚙合齒輪副齒寬的系數(shù)值可取大一些，使接觸線長(zhǎng)度增加，接觸應(yīng)力降低， 以提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性和齒輪壽命。模數(shù)相同的各擋齒輪，擋位低的齒輪的齒寬系數(shù)取得 稍大。 3.5.3 齒輪變位系數(shù)的選擇 齒輪的變位是齒輪設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。采用變位齒輪，除為了避免齒輪 產(chǎn)生根切和配湊中心距以外，它還影響齒輪的強(qiáng)度，使用平穩(wěn)性，耐磨性、抗膠合能 力及 齒輪的嚙合噪聲。 由幾對(duì)齒輪安裝在中間軸和第二軸組合并構(gòu)成的變速箱，會(huì)因保證各擋傳動(dòng)比的 需要，使各相互嚙合齒輪副的齒數(shù)和不同。為保證各對(duì)齒輪有相同的中心距，應(yīng)對(duì)齒 輪進(jìn)行變位。當(dāng)齒數(shù)和多的齒輪副采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪傳動(dòng)或高度變位時(shí)，對(duì)齒數(shù)和少些的 齒輪副應(yīng)采用正角度變位。角度變位可獲得良好的嚙合性能及傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)，采用得 多。對(duì)斜齒輪傳動(dòng)，還可以通過(guò)選擇合適的螺旋角來(lái)達(dá)到中心距相同的要求。 變速箱齒輪是在承受循環(huán)負(fù)荷的條件下工作，有時(shí)還承受沖擊負(fù)荷。對(duì)于高擋齒輪， 其主要損壞形勢(shì)是齒面疲勞剝落，因此應(yīng)按保證最大接觸強(qiáng)度和抗膠合劑耐磨損最有 利的原則選擇變位系數(shù)。為提高接觸強(qiáng)度，應(yīng)使總變位系數(shù)盡可能取大一些，這樣兩 齒輪的齒輪漸開(kāi)線離基圓較遠(yuǎn)，以增大齒廓曲率半徑，減小接觸應(yīng)力。對(duì)于低擋齒輪， 由于小齒輪的齒根強(qiáng)度較低，加之傳遞載荷較大，小齒輪可能出現(xiàn)齒根彎曲斷裂的現(xiàn) 象。 總變位系數(shù)越小，一對(duì)齒輪齒根總厚度越薄，齒根越弱，抗彎強(qiáng)度越低。但是由于 輪齒的剛度較小，易于吸收沖擊振動(dòng)，故噪聲要小些。 根據(jù)上述理由，為降低噪聲，變速箱中除去一、二擋和倒擋以外的其他各擋齒輪 的總變位系數(shù)要選用較小的一些數(shù)值，以便獲得低噪聲傳動(dòng)。其中，一擋主動(dòng)齒輪 10 的齒數(shù) Z10=15＜17，因此一擋齒輪需要變位。 變位系數(shù) （3- 5） 式中 Z 為要變位的齒輪齒數(shù)。 【本設(shè)計(jì)中變位系數(shù)根據(jù)上式 3-5 求得】 3.5.4 齒頂高系數(shù) 齒頂高系數(shù)對(duì)重合度、輪廓精度、工作噪聲、輪齒相對(duì)滑動(dòng)速度、輪齒根切和吃 27 92110Zi??mAZ2?? 定厚度等有影響。若齒頂高系數(shù)小，則齒輪重合度小、工作噪聲大；但因齒輪受到的 彎矩減小，輪齒的彎曲應(yīng)力也減少。因此，從前因齒輪加工精度不高，并認(rèn)為齒輪上 受到的載荷幾種作用在齒頂上，所以曾采用過(guò)齒頂高系數(shù)為 0.75～0.80 的短齒制齒輪。 在齒輪加工精度提高以后，短齒制齒輪不再被采用，包括我國(guó)在內(nèi)，規(guī)定齒頂高 系數(shù)取為 1.0。本設(shè)計(jì)中也取齒頂高系數(shù)為 1.0。 3.6 各擋齒輪齒數(shù)的分配 在初選中心距、齒輪模數(shù)和螺旋角以后，可根據(jù)變速箱的擋數(shù)、傳動(dòng)比和傳動(dòng)方 案來(lái)分配各擋齒輪的齒數(shù)。下面結(jié)合本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)明分配各擋齒數(shù)的方法。 3.6.1 確定一擋齒輪的齒數(shù) 一擋傳動(dòng)比 （3-6） 為了確定 Z9 和 Z10 的齒數(shù)， 先求其齒數(shù)和 : （3-7） 其中 A =67mm、m =3；故 有 。4.7? 圖 3-1 三軸五速變