譯文
外文翻譯
題 目 乘用車二軸式五檔變速器總成設(shè)計(jì)
學(xué) 院
專 業(yè)
學(xué) 生
學(xué) 號
指導(dǎo)教師
汽車變速器的振動特性
H. W. LEE, S. H. PARK1, M. W. PARK和 N. G. PARK
（2008年8月1日編輯; 2009年1月5日修訂）
摘要：考慮到傳動軸，傳動軸承和輪齒的靈活性以及齒輪傳動轉(zhuǎn)子的陀螺效應(yīng)，汽車變速器的數(shù)學(xué)模型已經(jīng)發(fā)展得很成熟了。變速器內(nèi)部的橫向，扭轉(zhuǎn)和軸向的運(yùn)動是由于斜齒輪傳動而耦合的。作用在汽車變速器上的激勵(lì)力被分類成第一、第二和第三等級，這種分級的基礎(chǔ)是由攝動法所確定的激勵(lì)力的大小。產(chǎn)生這種激勵(lì)力的原因是由于齒輪之間大量的不平衡，軸的位置偏差，軸承之間的間隙和非線性形變，傳動誤差和齒輪嚙合剛度的周期性變化。在裝載條件下的臺架試驗(yàn)是以三檔汽車變速器而進(jìn)行的。振動特性的測試結(jié)果會與那些由理論分析所得出的結(jié)果進(jìn)行對比。當(dāng)對比結(jié)果的誤差控制在3.3%之內(nèi)時(shí)即對比之后的結(jié)果具有良好的一致性。
關(guān)鍵詞：汽車變速器，傳動誤差，臨界轉(zhuǎn)速，攝動法，裝載條件下的臺架試驗(yàn)，斜齒輪傳動，振動學(xué)
1. 介紹
最近，消費(fèi)者通過關(guān)注性能和質(zhì)量兩者上來選擇喜歡的汽車。消費(fèi)者會特別地尋找提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱性，舒適性，安全性，動力性能，穩(wěn)定性和汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性的汽車。變速器是汽車的主要部件，有待于發(fā)展?jié)M足大容量，高性能，小型化和低噪聲的更嚴(yán)格的要求。汽車變速器包括傳動軸，斜齒輪，軸承，齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，殼體等。Lim 和Singh通過考慮固定和殼體來著手做汽車變速器的模態(tài)分析。通過改變殼體的結(jié)構(gòu)和傳動軸的布局，Rondo（1990）設(shè)計(jì)了一個(gè)產(chǎn)生較少齒輪傳動噪聲的汽車變速器。本田在1990年對齒輪轉(zhuǎn)動鏈中軸向振動的模態(tài)特性進(jìn)行了研究。當(dāng)直齒圓柱齒輪中的彎曲效應(yīng)和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)偶合在一起時(shí)，Linda等人（1985）發(fā)現(xiàn)了外變速器系統(tǒng)的動力特性不同于當(dāng)系統(tǒng)被看作成一個(gè)簡單的、非偶合的系統(tǒng)時(shí)所得出的結(jié)果。Schwibinger 和 Nordmann (1988)發(fā)現(xiàn)這種在直齒圓柱齒輪中彎曲和扭矩的耦合效應(yīng)影響了齒輪軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Choy等人(1990)研發(fā)了能使彎曲效應(yīng)和扭矩效應(yīng)偶合在一起的動態(tài)模型，這個(gè)動態(tài)模型是一種三檔直齒齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)狀態(tài)，而這個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)是因?yàn)橘|(zhì)量不平衡而被迫形成的；然后他又計(jì)算了瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。Choy 和 Ruan (1993)建立了一個(gè)帶有單速直齒齒輪副的減速齒輪箱的模型。他對齒輪-轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的部分和殼體部分分別使用了傳遞矩陣法和有限元分析法，然后他將結(jié)果與由振動光譜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得出的結(jié)果進(jìn)行了比較。Kahraman等人(1992)通過考慮到彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動的耦合效應(yīng)從而得出了單速齒輪鏈的臨界轉(zhuǎn)速，并且他們還利用有限元分析法解決了質(zhì)量不平衡的強(qiáng)迫響應(yīng)和傳動誤差的問題。Kahraman(1994)按強(qiáng)迫效應(yīng)計(jì)算了具有三檔斜齒齒輪減速器的變速器的穩(wěn)態(tài)誤差。本田等公司(1990)研發(fā)了一個(gè)輕巧的，單速的，直齒齒輪傳動鏈去研究齒輪軸的振動效應(yīng)和比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和噪聲等級中的理論數(shù)據(jù)。通過考慮到汽車變速器中輪廓的制造誤差和輪齒的彈性形變，Lee 等人(2007)制定了齒廓修正曲線，他對由變速器中的誤差引起的激勵(lì)進(jìn)行了計(jì)算響應(yīng)和測量響應(yīng)的對比分析；他的目的在于檢驗(yàn)對于汽車變速器的適用性。
本論文主要探究了一個(gè)數(shù)字模型，這個(gè)數(shù)字模型是用來分析由多層螺旋系統(tǒng)組成的汽車變速器的振動特性的。該模型的軸和軸承具有靈活性，陀螺效應(yīng)和力偶，此力偶起因于齒輪由于傳動時(shí)引起的的橫向，扭轉(zhuǎn)，軸向的運(yùn)動。作用在汽車變速器上的激勵(lì)力被劃分成第一，第二，第三等級，這種分級的依據(jù)是由攝動法所決定的激勵(lì)力的大小。產(chǎn)生這種激勵(lì)力的原因是齒輪之間大量的不平衡，軸的位置偏差，軸承之間的間隙和非線性形變，傳動誤差和齒輪嚙合剛度的周期性變化。在裝載條件下的臺架試驗(yàn)是在三檔汽車變速器的情況下進(jìn)行的。然后這個(gè)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果將會與振動特性分析得出的結(jié)果進(jìn)行比較。
2. 汽車變速器的數(shù)字模型
前置后驅(qū)類型的汽車的手動變速器的數(shù)字模型如示圖1所示,這個(gè)模型包括74個(gè)軸元素,3個(gè)盤形元素,13個(gè)齒輪元素,7個(gè)斜齒輪輪齒副和13個(gè)軸承元素。在示圖3中，字母S，G，B，P和D分別表示轉(zhuǎn)動軸，齒輪，軸承，斜齒齒輪副和圓盤。另外，S1，S2，S3和S4分別地表示輸入齒輪軸，輸出齒輪軸，反轉(zhuǎn)齒輪軸和倒擋惰輪軸。同樣，G1，G2，G3，G4，G5，G6分別表示的是第四檔齒輪，第三檔齒輪，第二檔齒輪，第五檔齒輪，G7-G12表示的是副軸齒輪，G13表示的是倒擋惰輪。P1，P2，P3，P4和 P5分別表示的是第四檔，第一檔，第二檔，第三檔和第五檔齒輪副。P6表示的是G11和G13的倒檔齒輪副，同時(shí)，
P7表示的是G5和G11的倒檔齒輪副。D1表示的是三檔和四檔的同步器齒套，D2表示的是一檔和二檔的同步器齒套，D3表示的是五檔和倒車檔的同步器齒套。同樣，B1, B2, B3和B6表示的是球軸承。B4和B5表示的是圓柱滾子軸承，B7-B13表示的是滾針軸承。
第一檔，第二檔和第三檔的變速器的輸出路徑分別是 S1-G1-G7-G10-G4-D2-S2，S1-G1-G7-G9-G3-D2-S2和 S1-G1-G7-G8-G2-D1-S2。此外，第四檔，第五檔和倒檔變速器的輸出路徑分是S1-G1-D1-S2, S1-G1-G7-G12-G6-D3-S2和S1-G1-G7-G11-G13-G5-D3-S2。
圖1：前置后驅(qū)汽車手動變速器的數(shù)字模型
2.1.汽車變速器系統(tǒng)的運(yùn)動方程式
汽車變速器的齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由斜齒齒輪傳動鏈，軸，轉(zhuǎn)子和軸承組成。這個(gè)模型考慮到了軸和軸承的靈活性，陀螺效應(yīng)和由橫向和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生的力偶，這些運(yùn)動是由齒輪傳動引起的。齒輪嚙合剛度會考慮到有關(guān)嚙合輪齒的彈性形變。關(guān)于轉(zhuǎn)子，因?yàn)樗莿傮w，所以要考慮陀螺效應(yīng)。將軸承看作是線性彈簧并且將旋轉(zhuǎn)軸看作是歐拉梁；并且這個(gè)模型將彈性效應(yīng)和分布質(zhì)量的動量效應(yīng)兩者都考慮在內(nèi)了。
汽車變速器系統(tǒng)的數(shù)字模型是通過裝配變速器中的各種部件用子結(jié)構(gòu)綜合法而研發(fā)的。汽車變速器的運(yùn)動方程式基于這個(gè)模型可以寫成如下形式：
[M] {w} + [G] {w} + [K]{w} = {0} ( 1 )
在方程式（2）中，廣義位移{w}包括三個(gè)位移矢量： x，y和相當(dāng)于橫向矢量（）和旋轉(zhuǎn)扭矩（）矢量如下所示：
{ w } = ( 2 )
如方程式（1）中所示的運(yùn)動方程式包含了轉(zhuǎn)動慣量 [M],回轉(zhuǎn)力[G]和剛度[K]。
以有限元模塊化原理為基礎(chǔ)，我們考慮了汽車變速器的單個(gè)部件的作用。因
此，我們?yōu)辇X輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的每個(gè)部分建立了振動子模型。（如圖2）
（1） 就旋轉(zhuǎn)軸而言，節(jié)點(diǎn)被指定在軸直徑經(jīng)常變化的位置。（示圖2a）
（2） 就磨盤而言，節(jié)點(diǎn)被指定在在中心點(diǎn)。
（3） 就磨盤所安裝在的軸而言，在磨盤上的軸直徑是磨盤厚度的一半來延長的。(Kr?mer, 1993)
（4） 就配合于殼體的軸承所在的軸而言，節(jié)點(diǎn)被指定在軸承的中心點(diǎn)。（示圖2d）
（5） 就中間齒輪和滾針軸承所附加在的軸上而言，并列的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)被分別指定在齒輪和滾針軸承的中心點(diǎn)。（示圖2e）
示圖2.汽車變速器的模塊化方法
2.2振動模型的組件
2.2.1.齒輪鏈的振動模型
汽車變速器是由一個(gè)非常復(fù)雜的多層螺旋齒輪系統(tǒng)組成的。
輪齒接觸部位的振動建模過程如下所示。
（1） 通過考慮到嚙合輪齒的彈性形變來計(jì)算等效嚙合剛度。
（2） 忽略了遍布在嚙合輪齒表面的分布式輸出壓力的摩擦部分；通過平均耦合力和在齒輪嚙合節(jié)點(diǎn)上的平均集中應(yīng)力可以確定分布力。忽略了耦合力，只考慮齒面上的齒向修緣，我們就能夠把嚙合輪齒的傳動力界定為齒輪嚙合節(jié)點(diǎn)的平均集中應(yīng)力，如圖3所示。
（3） 只考慮一個(gè)齒輪輪齒的彈性形變，不考慮所有齒輪主體的彈性形變。
（4） 如圖4所示，將嚙合輪齒分解成兩個(gè)單獨(dú)的，壓縮的，線性的彈簧P-G1和P-G2。在這里，彈簧的導(dǎo)程是與輪齒接觸線垂直的。
示圖3.斜齒齒輪副的模型
示圖4.斜齒齒輪副的模型
( 5 ) 等效彈簧系數(shù)K1和K2可以通過Choi (1987)曾經(jīng)所用的方法來計(jì)算，這個(gè)方法是將齒輪輪齒看作是懸梁臂時(shí)的彎曲形變和剪切形變。此方法是從赫茲接觸理論得到了齒輪接觸變形。
斜齒齒輪副的數(shù)學(xué)模型如圖5所示。設(shè)驅(qū)動齒輪的中心點(diǎn)為坐標(biāo)的原點(diǎn),徑
向水平方向?yàn)閤軸，剛性轉(zhuǎn)動方向?yàn)閦軸。齒面接觸力的方向矢量定義如下:
（3）
在方程式（3）中，指的是基圓的螺旋角，指的是主動齒輪和從動齒輪的中心夾角。主動齒輪的旋轉(zhuǎn)方向是如圖5所示的逆時(shí)針方向，作用線的轉(zhuǎn)角表示為：
在上面的表達(dá)式中，表示的是橫向運(yùn)轉(zhuǎn)壓力角。
斜齒輪齒的勢能推導(dǎo)式為
（4）
示圖5.斜齒齒輪副的數(shù)學(xué)模型圖解
在方程式（4）中
表示的是比例矩陣，是從齒輪中心與齒面接觸位移之間的的剛體運(yùn)動來進(jìn)行相關(guān)線性計(jì)算的。齒輪副的輪齒剛度系數(shù)是通過Park (1987)研發(fā)的程序計(jì)算的。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的剛度矩陣可以通過方程式（4）來計(jì)算。假設(shè)這是一個(gè)集總參數(shù)系統(tǒng)。此方程式則是通過關(guān)于在兩個(gè)嚙合齒輪之間的中心的廣義位移矢量來描述勢能的。
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一、選題目的的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷的發(fā)展，汽車工業(yè)也漸漸成為我國支柱產(chǎn)業(yè)， 如何設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，工作可靠，性能優(yōu)良，且符合中國國情的汽車已經(jīng)是當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)者的緊迫問題。汽車變速器是傳動系統(tǒng)中主要總成之一，也是汽車設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，
變速器是汽車傳動系統(tǒng)中關(guān)鍵的零部件，它用來改變發(fā)動機(jī)傳到驅(qū)動輪上的轉(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獲得不同的牽引力和速度，同時(shí)使發(fā)動機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作。變速器設(shè)有空擋，可在啟動發(fā)動機(jī)、汽車滑行或停車使發(fā)動機(jī)的動力停止向驅(qū)動輪傳輸。變速器設(shè)有倒檔，是汽車獲得倒退行駛能力。需要時(shí)，變速器還有動力輸出功能。由于變速器在汽車的運(yùn)行中扮演著非常重要的角色。所以很多汽車常見的故障也來源于此。而技術(shù)先進(jìn)的變速箱不僅能夠降低汽車的故障而且還能夠降低動力損失，減少燃油消耗。正因?yàn)槿绱?，現(xiàn)在不少的客車用戶在選擇車輛的時(shí)候，變速箱都是一項(xiàng)重要的指標(biāo)。
目前在汽車上使用的變速箱大致可以分為兩類：手動變速箱和自動變速箱。其中，自動變速箱由于駕駛員操作簡便，從而裝備這種變速箱的車輛能夠大大提高駕乘舒適性。但是自動變速箱的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對技術(shù)要求和制造工藝都有較高的要求，而且造價(jià)和使用維修費(fèi)用昂貴。而對于手動檔來說，其優(yōu)點(diǎn)主要有：1.結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低；2.易于安裝，維修方便；3.傳動效率高，經(jīng)濟(jì)節(jié)油，能延長車輛的使用壽命。短期內(nèi)，自動檔變速器的市場是十分樂觀的。但同時(shí)手動檔變速器的節(jié)能型，經(jīng)濟(jì)性以及駕駛娛樂性也決定了其不可替代性。手動檔變速器仍然占據(jù)主要份額。所以對于手動變速器的研究和設(shè)計(jì)依然十分重要。
轎車多采用前置發(fā)動機(jī)前輪驅(qū)動的布置，因?yàn)檫@種布置使汽車的動力-傳動系統(tǒng)緊湊、操縱性好且可使汽車質(zhì)量降低6%~10%。本課題設(shè)計(jì)的就是與前置前驅(qū)配用的變速器是二軸式變速器，其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊且除最到檔外其他各檔的傳動效率高、噪聲低。
二、本課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
在汽車變速箱100多年的歷史中，主要經(jīng)歷了從手動到自動的發(fā)展過程，目前世界上使用最多的汽車變速器為手動變速器（MT）、自動變速器（AT）、手自一體變速器（AMT）、無級變速器（CVT）、雙離合變速器（DCT）五種型式。MT的節(jié)能效果最好
經(jīng)濟(jì)性娛樂性強(qiáng)，但對駕駛技術(shù)要求高；AT操作簡單、舒適性好、元器件可靠性高；AMT具備前兩者的優(yōu)點(diǎn)，但換擋時(shí)會有短暫的中斷，舒適性差一些；CVT結(jié)構(gòu)簡單、效率高、功率大、車速變化平穩(wěn)。但它無法承受較大的載荷；DCT具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和舒適性，目前代表變速器的最高技術(shù)。
變速器作為傳遞動力和改變車速的重要裝置，國外對其操縱的方便性和檔位等方面的要求越來越高。目前對4檔特別是5檔變速器的應(yīng)用有日漸增多的趨勢，同時(shí)，6檔變速器的裝車率也在上升。
中國汽車變速器市場正處于高速發(fā)展期。2010年，中國汽車行業(yè)的快速發(fā)展帶動了中國汽車變速器市場規(guī)模迅速擴(kuò)大。2010年中國汽車變速器需求量超過1800萬臺，增長速度高達(dá)32.5%。
中國汽車變速器市場正處于快速發(fā)展變化的時(shí)期一方面國內(nèi)汽車市場巨大的潛力為變速器行業(yè)提供了增長空間另一方面，自動變速器技術(shù)的快速發(fā)展，給國內(nèi)汽車變速器市場帶來了新的發(fā)展機(jī)遇自動變速器的需求比例不斷提高。
在乘用車領(lǐng)域，目前有能力生產(chǎn)轎車自動變速器的國內(nèi)企業(yè)僅有吉利、奇瑞等少數(shù)幾家，一些合資10多年的企業(yè)，還在使用進(jìn)口自動變速器。自主品牌轎車自動變速器市場占有率不到10%在商用車手動變速器領(lǐng)域，國產(chǎn)品牌已占主導(dǎo)地位其中重型汽車變速器幾乎由陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司、綦江齒輪傳動有限公司、山西大同齒輪集團(tuán)有限責(zé)任公司、一汽哈爾濱變速器廠等幾家包攬?jiān)诘夹g(shù)含量更高的自動變速器市場卻是依然進(jìn)口產(chǎn)品的天下。與此同時(shí)，國際自動變速器巨頭已經(jīng)完成了其在中國的戰(zhàn)略布局只賣產(chǎn)品、不賣核心技術(shù)的手段使中國自動變速器對外資依賴性日益加強(qiáng)，年進(jìn)口額已達(dá)100億元左右隨著這種局面的加劇，預(yù)計(jì)未來3-5年行業(yè)洗牌和市場整合正在來臨。在短期內(nèi)，手動變速器仍然占據(jù)主要份額，而自動變速器將有更大的增長空間，在中國市場上長期來看變速器不是單一式的發(fā)展趨勢，從長遠(yuǎn)來看，中國本土上的企業(yè)應(yīng)該更加關(guān)注DCT這個(gè)產(chǎn)品，因?yàn)樗鼘⒂蟹浅：玫那熬啊?
三、主要研究內(nèi)容
汽車變速器是傳動系統(tǒng)中主要總成之一，也是汽車設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，由于發(fā)動機(jī)前置前驅(qū)沒有縱貫車身前后的傳動軸，車身底板高度可降低，汽車高速行駛時(shí)穩(wěn)定性提高，并且車內(nèi)空間較大。因整個(gè)傳動系都在車頭，因而其操縱機(jī)構(gòu)比較簡單，制造和維修成本也相對較低。因此前置前驅(qū)方式已廣泛在普通轎車及部分微、輕型上使用。與前置前驅(qū)配用的變速器是二軸式變速器，汽車變速器設(shè)計(jì)是車輛工程專業(yè)本科學(xué)生必須掌握的專業(yè)知識之一，本設(shè)計(jì)根據(jù)給定的設(shè)計(jì)任務(wù)要求。
1 確定兩軸式變速器傳動方案，設(shè)計(jì)變速器及同步器：
（1）變速器的概述及其方案的確定
變速器的功用和要求；變速器結(jié)構(gòu)方案的確定；變速器主要零件結(jié)構(gòu)的方案分析。
(2) 變速器主要參數(shù)的選擇與主要零件的設(shè)計(jì)
變速器主要參數(shù)的選擇(檔數(shù)和傳動比、中心距、軸向尺寸、齒輪參數(shù))；各檔傳動比及其齒輪齒數(shù)的確定；齒輪變位系數(shù)的選擇。
(3) 變速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算與材料的選擇
齒輪的損壞原因及形式；齒輪的強(qiáng)度計(jì)算與校核。
(4) 變速器軸的強(qiáng)度計(jì)算與校核
變速器軸的結(jié)構(gòu)和尺寸； 軸的校核.。
（5）變速器同步器的設(shè)計(jì)及操縱機(jī)構(gòu)
同步器的結(jié)構(gòu)；同步環(huán)主要參數(shù)的確定；變速器的操縱機(jī)構(gòu)。
（6）變速器箱體設(shè)計(jì)
箱體材料與毛坯種類；箱體主要結(jié)構(gòu)尺寸與計(jì)算。
2 擬解決的主要問題：
（1）完成變速器的結(jié)構(gòu)分析與型式選擇；
（2）計(jì)算變速器的基本參數(shù)，完成變速器齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算；
（3）完成變速器軸與軸承的結(jié)構(gòu)形式選擇、強(qiáng)度校核計(jì)算；
（4）完成同步器的結(jié)構(gòu)型式選擇；
（5）繪制總裝配圖及零件圖。
四、研究方法與實(shí)施方案
汽車在行駛過程中，變速器不應(yīng)有自動跳蕩、亂檔、換擋沖擊等現(xiàn)象的發(fā)生，為減輕駕駛員的疲勞強(qiáng)度，提高行駛安全性，操縱輕便的要求日益顯得重要，這可通過采用同步器和預(yù)選氣動換擋或自動、半自動來實(shí)現(xiàn)。
變速器的中心距影響變速器的重量和體積，選用優(yōu)質(zhì)鋼材，采用合理的熱處理，設(shè)計(jì)合適的齒形，提高齒輪精度以及選用圓錐滾柱軸承可以減小中心距。為減小齒輪的嚙合損失，應(yīng)有直接檔，提高零件的制造精度和安裝質(zhì)量，采用適當(dāng)?shù)臐櫥投伎梢蕴岣邆鲃有省?
兩軸式變速器的第二軸（即輸出軸）與主減速器主動齒輪做成一體，檔發(fā)動機(jī)縱置時(shí)，主減速器可用螺旋錐齒輪或雙面齒輪；當(dāng)發(fā)動機(jī)橫置時(shí)則可用圓柱齒輪，從而簡化了制造工藝，降低了成本，除倒檔常用滑動齒輪（直齒圓柱齒輪）外，其他檔均采用常嚙合斜齒傳動；低檔的同步器多裝在第二軸上，這是因?yàn)橐粰n的主動齒輪尺寸小，裝同步器有困難；而高檔的同步器也可以裝在第一軸的后端。
兩軸式變速器沒有直接擋，因此在高擋工作時(shí)，齒輪和軸承均承載受力，因而噪聲比較大，也增加了磨損，另外，低擋傳動比的上限也收到較大限制，但這一缺點(diǎn)可通過減小各檔傳動比同事增大主減速比來取消，
貫徹零件標(biāo)準(zhǔn)化、部件通用化和變速器總成系列化等設(shè)計(jì)要求，遵守有關(guān)表針和法規(guī)。
參考文獻(xiàn)
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設(shè)計(jì)說明書
題 目 乘用車二軸式五檔變速器總成設(shè)計(jì)
專 業(yè)
班 級
學(xué) 生
指導(dǎo)教師
摘 要
變速器是汽車傳動系中最主要的部件之一。它的功用是改變傳動比，擴(kuò)大驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，以適應(yīng)經(jīng)常變化的行駛條件如起步、加速、上坡等，同時(shí)使發(fā)動機(jī)在有利的工況下工作；在發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變的前提下，使汽車能倒退行駛。利用空檔來中斷動力傳遞，以使發(fā)動機(jī)能夠起動、怠速，并便于發(fā)動機(jī)換檔或進(jìn)行動力輸出。轎車多采用前置發(fā)動機(jī)前輪驅(qū)動的布置，因?yàn)檫@種布置使汽車的動力傳動系統(tǒng)緊湊、操縱性好且可使汽車質(zhì)量減輕。二軸式變速器則方便于這種布置，而且使傳動系的結(jié)構(gòu)簡單。采用二軸式變速器有兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：一是二軸式變速器具有結(jié)構(gòu)簡單、輪廓尺寸小和容易布置等優(yōu)點(diǎn)；二是其傳動效率高同時(shí)噪聲也低。
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，本設(shè)計(jì)一臺用于乘用車上的手動變速器。該變速器設(shè)有五個(gè)前進(jìn)檔（包括一個(gè)超速檔五檔）和一個(gè)倒檔，并通過鎖環(huán)式同步器來實(shí)現(xiàn)換檔。根據(jù)已知設(shè)計(jì)參數(shù)，確定了二軸式五檔變速器設(shè)計(jì)方案，確定了變速器主要設(shè)計(jì)參數(shù)，并設(shè)計(jì)分配了變速器的各檔齒輪齒數(shù)、螺旋角，壓力角等主要參數(shù)。簡單設(shè)計(jì)了操縱機(jī)構(gòu)，同步器結(jié)構(gòu)。另外，針對齒輪作用力的不同，在不同的軸上選擇合適的軸承。利用軟件AUTCAD完成變速器總成圖、第一軸、第二軸、各個(gè)檔齒輪及同步器的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞: 汽車工程，變速器，設(shè)計(jì)，手動，齒輪，傳動比
ABSTRACT
Gearbox is the one main component of the vehicle transmission. Its function is: Changing gear ratio, expanding the torque of the driving wheel and the range of the rotational speed, to adapt the travel condition which frequently changes, like start, acceleration, climbing and so on, simultaneously causes the engine to work under the advantageous operating mode; Under the premise of the invariable rotation, enables the automobile to travel back; Using neutral, severances the power transmission, to make the engine start, idle, and is advantageous for the engine to shift gears or to carry on the dynamic output. Car usually is the Front Engine Front Drive，because this arrangement plan makes the power train compact, control function good and weight light. Double shaft type transmission is suitable for this arrangement and makes the power train simple. Using the double shaft type gearbox has two prominent merits: firstly, the biaxial-type transmission has the advantage of simple structure，small boundary dimension and easy arrangement; Secondly, it also has high transmission efficiency and low noise.
According to the design task requirement，the paper design a manual transmission used in the Passenger Car, This gearbox has five (including over drive—fifth gear) and a reverse gear, and through the inertial type of synchronizer to realize shift gears. According to the known design parameters, I determined the design solution of double shaft type fifth speed gearbox and the main technical parameters of the transmission，I also designed and assigned the gearbox’s each gear teeth qty, spiral angle, pressure angle and so on. The control mechanism and synchronizer were simply designed. In addition, based on the different gear forces, I chose the appropriate bearing in different axis. And I used of software AUTCAD to complete transmission assembly diagram, the first and second shaft axis, each block gear and synchronizer design.
KEY WORDS: automotive engineering, transmission, design, manual, gear, gear ratio
II
目 錄
摘要....................................................................................................................I
ABSTRACT.......................................................................................................II
第一章 緒 論....................................................................................................1
1.1 本次設(shè)計(jì)題目的基本內(nèi)容........................................................................................1
1.2 變速器的種類及其發(fā)展............................................................................................1
1.2.1手動變速器(MT)............................................................................................2
1.2.2自動變速器(AT）...........................................................................................2
1.2.3手動/自動變速器（AMT）...............................................................................2
1.2.4無級變速器（CVT）......................................................................................3
1.3變速器設(shè)計(jì)的基本要求..............................................................................................3
1.4兩軸式變速器的特點(diǎn)及其傳動方案.........................................................................4
第二章 變速器主要參數(shù)的選擇與計(jì)算..........................................................7
2.1變速器的原始數(shù)據(jù).....................................................................................................7
2.2變速器主要參數(shù)的選擇.............................................................................................7
2.2.1檔數(shù)..................................................................................................................7
2.2.2初選傳動比......................................................................................................8
2.2.3初算中心距A..................................................................................................8第三章 變速器齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算....................................................................10
3.1齒輪初步參數(shù)….......... ……………………………………………………………10
3.1.1模數(shù)........................................................................... .......................................10
3.1.2壓力角 ......................................................................................................10
3.1.3螺旋角........................................................................................................10
3.1.4齒寬b…………..............................................................................................10
3.2各檔齒輪齒數(shù)的分配……………………………………………………………...11
3.2.1齒輪齒數(shù)的確定...............................................................................................11
3.2.2對中心距進(jìn)行修正........................................................ ...............................12
3.2.3修正螺旋角................................................................................................12
3.2.4確定倒檔齒輪齒數(shù)………….................... ..... .............................................12
3.3確定齒輪參數(shù)………………………………………………………………….…..13
第四章 齒輪的校核........................................................................................18
4.1 齒輪的損壞形式......................................................................................................18
4.2齒輪材料及加工方法...............................................................................................18
4.3 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)矩..........................................................................................................18
4.4齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算………………………………………………………………...19
4.5齒輪接觸應(yīng)力計(jì)算…………………………………………………………….…..21
4.6齒輪的受力分析…………………………………………………………………...24
第五章 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核………………………………………………25
5.1 軸的工藝要求..........................................................................................................25
5.2 初選軸的直徑..........................................................................................................25
5.3軸的強(qiáng)度驗(yàn)算..........................................................................................................25
5.3.1軸的剛度計(jì)算...................................................................................................25
5.3.2軸的強(qiáng)度計(jì)算........................................................ .......................................29
第六章 軸承校核............................................................................................31
6.1初選軸承型號........................................................................................................,..31
6.2計(jì)算軸承的壽命.......................................................................................................31
第七章 同步器的設(shè)計(jì)...................................................................................32
7.1同步器的結(jié)構(gòu)類型...................................................................................................32
7.2 慣性同步器的工作原理..........................................................................................33
7.3慣性鎖環(huán)式同步器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)…………………………………………..33
7.3.1摩擦錐面的半錐角和摩擦系數(shù)f............................................................33
7.3.2摩擦錐面的平均半徑R和同步錐環(huán)的徑向厚度W...............................34
7.3.3摩擦錐面的工作面寬b.................................................................................34
7.3.4鎖止角........................................................ ...............................................34
7.3.5同步時(shí)間t與軸向推力F.................................................................................34
7.4同步器摩擦副的材料…………………………………………………………....35
第八章 操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)...............................................................................36
8.1操縱機(jī)構(gòu)...................................................................................................................36
8.2鎖止機(jī)構(gòu)...................................................................................................................36
8.2.1互鎖裝置……………………………………………………………….…..36
8.2.2倒檔鎖止裝置……………………………………………………..………..37
致謝………………………………………………………………………..…38
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………..39
41
第一章 緒 論
1.1 本次設(shè)計(jì)課題的基本內(nèi)容
汽車變速器是傳動系統(tǒng)中主要總成之一，也是汽車設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，由于發(fā)動機(jī)前置前驅(qū)沒有縱貫車身前后的傳動軸，車身底板高度可降低，汽車高速行駛時(shí)穩(wěn)定性提高，并且車內(nèi)空間較大。因整個(gè)傳動系都在車頭，因而其操縱機(jī)構(gòu)比較簡單，制造和維修成本也相對較低。因此前置前驅(qū)方式已廣泛在普通轎車及部分微、輕型上使用。與前置前驅(qū)配用的變速器是二軸式變速器，汽車變速器設(shè)計(jì)是車輛工程專業(yè)本科學(xué)生必須掌握的專業(yè)知識之一，本設(shè)計(jì)根據(jù)給定的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，確定兩軸式變速器傳動方案，設(shè)計(jì)變速器及同步器。
1.2 變速器的種類及其發(fā)展
從現(xiàn)在市場上不同車型所配置的變速器來看，主要分為：手動變速器（MT）、自動變速器（AT）、手動/自動變速器（AMT）、無級變速器（CVT）。
1.2.1手動變速器(MT)
手動變速器（Manual Transmission）采用齒輪組，每檔的齒輪組的齒數(shù)是固定的，所以各檔的變速比是個(gè)定值(也就是所謂的“級” )。比如，一檔變速比是3.85,二檔是2.55,再到五檔的0.75,這些數(shù)字再乘上主減速比就是總的傳動比，總共只有5個(gè)值(即有5級)，所以說它是有級變速器。
曾有人斷言，繁瑣的駕駛操作等缺點(diǎn)，阻礙了汽車高速發(fā)展的步伐，手動變速器會在不久“下課”，從事物發(fā)展的角度來說，這話確實(shí)有道理。但是從目前市場的需求和適用角度來看，手動變速器不會過早的離開。
首先，從商用車的特性上來說，手動變速器的功用是其他變速器所不能替代的。以卡車為例，卡車用來運(yùn)輸，通常要裝載數(shù)噸的貨品，面對如此高的“壓力”，除了發(fā)動機(jī)需要強(qiáng)勁的動力之外，還需要變速器的全力協(xié)助。我們都知道一檔有“勁”，這樣在起步的時(shí)候有足夠的牽引力量將車帶動。特別是面對爬坡路段，它的特點(diǎn)顯露的非常明顯。而對于其他新型的變速器，雖然具有操作簡便等特性，但這些特點(diǎn)尚不具備。
其次，對于老司機(jī)和大部分男士司機(jī)來說，他們的最愛還是手動變速器。從我國的具體情況來看，手動變速器幾乎貫穿了整個(gè)中國的汽車發(fā)展歷史，資歷較深的司機(jī)都是“手動”駕車的，他們對手動變速器的認(rèn)識程度是非常深刻的，如果讓他們改變常規(guī)的做法，這是不現(xiàn)實(shí)的。雖然自動變速器以及無級變速器已非常的普遍，但是大多數(shù)年輕的司機(jī)還是崇尚手動，尤其是喜歡超車時(shí)手動變速帶來的那種快感，所以一些中高檔的汽車（尤其是轎車）也不敢輕易放棄手動變速器。另外，現(xiàn)在在我國的汽車駕駛學(xué)校中，教練車都是手動變速器的，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)的基本功以及鍛煉駕駛協(xié)調(diào)性。
第三，隨著生活水平的不斷提高現(xiàn)在轎車已經(jīng)進(jìn)入了家庭，對于普通工薪階級的老百姓來說，經(jīng)濟(jì)型轎車最為合適，手動變速器以其自身的性價(jià)比配套于經(jīng)濟(jì)型轎車廠家，而且經(jīng)濟(jì)適用型轎車的銷量一直在車市名列前茅。例如，夏利、奇瑞、吉利等國內(nèi)廠家的經(jīng)濟(jì)型轎車都是手動變速的車，它們的各款車型基本上都是5檔手動變速。
1.2.2自動變速器（AT）
自動變速器（Automatic Transmission），利用行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行變速，它能根據(jù)油門踏板程度和車速變化，自動地進(jìn)行變速。而駕駛者只需操縱加速踏板控制車速即可。雖說自動變速汽車沒有離合器，但自動變速器中有很多離合器，這些離合器能隨車速變化而自動分離或合閉，從而達(dá)到自動變速的目的。
在中檔車的市場上，自動變速器有著一片自己的天空。使用此類車型的用戶希望在駕駛汽車的時(shí)候?yàn)榱撕啽悴僮?、降低駕駛疲勞，盡可能的享受高速駕駛時(shí)快樂的感覺。在高速公路上，這是個(gè)體現(xiàn)地非常完美。而且，以北京市來說，現(xiàn)在的交通狀況不好，堵車是經(jīng)常的事情，有時(shí)要不停地起步停步數(shù)次，司機(jī)如果使用手動檔，則會反復(fù)地掛檔摘檔，操作十分煩瑣，尤其對于新手來說更是苦不堪言。使用自動檔，就不會這樣麻煩了。
在市場上，此類汽車銷售狀況還是不錯(cuò)的，尤其是對于女性朋友比較適合，通常女性朋友駕車時(shí)力求便捷。而我國要普及這種車型，關(guān)鍵要解決的是路況問題，現(xiàn)在的路況狀況不均勻，難以發(fā)揮自動檔汽車的優(yōu)勢。
1.2.3手動/自動變速器（AMT）
其實(shí)通過對一些車友的了解，他們并不希望摒棄傳統(tǒng)的手動變速器，而且在某些時(shí)候也需要自動的感覺。這樣手動/自動變速器便由此誕生。這種變速器在德國保時(shí)捷車廠911車型上首先推出，稱為Tiptronic，它可使高性能跑車不必受限于傳統(tǒng)的自動檔束縛，讓駕駛者也能享受手動換檔的樂趣。此型車在其檔位上設(shè)有“+”、“-”選擇檔位。在D檔時(shí)，可自由變換降檔(-)或加檔(+)，如同手動檔一樣。
自動—手動變速系統(tǒng)向人們提供兩種駕駛方式—為了駕駛樂趣使用手動檔，而在交通擁擠時(shí)使用自動檔，這樣的變速方式對于我國的現(xiàn)狀還是非常適合的。雖然這種二合一的配置擁有較高的技術(shù)含量，但這類的汽車并不會在價(jià)格上都高不可攀。所以，手動/自動車在普及上還是具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。而汽車廠商和配套的變速器廠家應(yīng)該以此為契機(jī)，根據(jù)市場要求精心打造此類變速器。因?yàn)檫@類變速器是有比較廣闊的市場的。
1.2.4無級變速器（CVT）
當(dāng)今汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是非常迅速的，用戶對于汽車性能的要求是越來越高的。汽車變速器的發(fā)展也并不僅限于此，無級變速器便是人們追求的“最高境界”。無級變速器最早由荷蘭人范?多尼斯（VanDoorne’s）發(fā)明。無級變速系統(tǒng)不像手動變速器或自動變速器那樣用齒輪變速，而是用兩個(gè)滑輪和一個(gè)鋼帶來變速，其傳動比可以隨意變化，沒有換檔的突跳感覺。它能克服普通自動變速器“突然換檔”、油門反應(yīng)慢、油耗高等缺點(diǎn)。通常有些朋友將自動變速器稱為無級變速器，這是錯(cuò)誤的。雖然它們有著共同點(diǎn)，但是自動變速器只有換檔是自動的，但它的傳動比是有級的，也就是我們常說的檔，一般自動變速器有2～7個(gè)檔。而無級變速器能在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)速比的無級變化，并選定幾個(gè)常用的速比作為常用的“檔”。裝配該技術(shù)的發(fā)動機(jī)可在任何轉(zhuǎn)速下自動獲得最合適的傳動比。
1.3 變速器設(shè)計(jì)的基本要求
變速器是能固定或分檔改變輸出軸和輸入軸傳動比的齒輪傳動裝置，又稱變速箱。它作為汽車動力系統(tǒng)重要的組成部分，主要用于轉(zhuǎn)變從發(fā)動機(jī)曲軸傳出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)汽車在起步、加速、行駛以及克服各種道路障礙等不同行駛條件下對驅(qū)動車輪牽引力及車速的不同需求。此外，變速器還用于使汽車能倒退行駛和在起動發(fā)動機(jī)以及汽車滑行或停車時(shí)使發(fā)動機(jī)與傳動系保持分離；必要時(shí)還應(yīng)有動力輸出功能。
為保證變速器具有良好的工作性能，對變速器應(yīng)提出如下設(shè)計(jì)要求。
1. 應(yīng)保證汽車具有高的動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。在汽車整體設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)汽車載重量、發(fā)動機(jī)參數(shù)及汽車使用要求，選擇合理的變速器檔數(shù)及傳動比，來滿足這一要求。
2. 設(shè)置空檔，以保證汽車在必要時(shí)能將發(fā)動機(jī)與傳動系長時(shí)間分離；設(shè)置倒檔，使汽車可以倒退行駛。
3. 工作可靠，操縱輕便。汽車在行駛過程中，變速器內(nèi)不應(yīng)有自動跳檔、亂檔、換檔沖擊等現(xiàn)象的發(fā)生。為減輕駕駛員的疲勞強(qiáng)度，提高行駛安全性，操縱輕便的要求日益顯得重要，這可通過采用同步器和預(yù)選氣動換檔或自動、半自動換檔來實(shí)現(xiàn)。
4. 重量輕、體積小。影響這一指標(biāo)的主要參數(shù)是變速器的中心距。選用優(yōu)質(zhì)鋼材，采用合理的熱處理，設(shè)計(jì)合適的齒形，提高齒輪精度以及選用圓錐滾柱軸承可以減小中心距。
5. 傳動效率高。提高零件的制造精度和安裝質(zhì)量，采用適當(dāng)?shù)臐櫥投伎梢蕴岣邆鲃有省?
6. 噪聲小。采用斜齒輪傳動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。
7. 貫徹零件標(biāo)準(zhǔn)化、部件通用化和變速器總成系列化等設(shè)計(jì)要求，遵守有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。
8. 需要時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)動力輸出裝置。
1.4兩軸式變速器的特點(diǎn)及其傳動方案
兩軸式變速器如圖1-1所示。與三軸式變速器相比，其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊且除最到檔外其他各檔的傳動效率高、噪聲低。轎車多采用前置發(fā)動機(jī)前輪驅(qū)動的布置，因?yàn)檫@種布置使汽車的動力-傳動系統(tǒng)緊湊、操縱性好且可使汽車質(zhì)量降低6%~10%。兩軸式變速器則方便于這種布置且傳動系的結(jié)構(gòu)簡單。如圖所示，兩軸式變速器的第二軸（即輸出軸）與主減速器主動齒輪做成一體，當(dāng)發(fā)動機(jī)縱置時(shí)，主減速器可用螺旋錐齒輪或雙面齒輪；當(dāng)發(fā)動機(jī)橫置時(shí)則可用圓柱齒輪，從而簡化了制造工藝，降低了成本。除倒檔常用滑動齒輪（直齒圓柱齒輪）外，其他檔均采用常嚙合斜齒輪傳動；個(gè)檔的同步器多裝在第二軸上，這是因?yàn)橐灰粰n的主動齒輪尺寸小，裝同步器有困難；而高檔的同步器也可以裝在第一軸的后端，如圖示。
兩軸式變速器沒有直接檔，因此在高檔工作時(shí)，齒輪和軸承均承載，因而噪聲比較大，也增加了磨損，這是它的缺點(diǎn)。另外，低檔傳動比取值的上限（igⅠ=4.0~4.5）也受到較大限制,但這一缺點(diǎn)可通過減小各檔傳動比同時(shí)增大主減速比來取消。
圖1-1 發(fā)動機(jī)縱置時(shí)兩軸式變速器
1.第一軸；2.第二軸；3.同步器
圖1-1 發(fā)動機(jī)縱置時(shí)兩軸式變速器
1.第一軸；2.第二軸；3.同步器
另外，二軸式的傳動方案種類如下：
圖1-2為發(fā)動機(jī)前置前輪驅(qū)動轎車的兩軸式變速器傳動方案。其特點(diǎn)是：變速器輸出軸與主減速器主動齒輪做成一體；多數(shù)方案的倒檔傳動常用滑動齒輪，其它檔位均用常嚙合齒輪的傳動
圖1-2 兩軸式變速器傳
圖1-2 兩軸式變速器傳動方案
另外，二軸式的傳動方案種類如上：
圖1-2為發(fā)動機(jī)前置前輪驅(qū)動轎車的兩軸式變速器傳動方案。其特點(diǎn)是：變速器輸出軸與主減速器主動齒輪做成一體；多數(shù)方案的倒檔傳動常用滑動齒輪，其它檔位均用常嚙合齒輪的傳動。
因此，此次變速器設(shè)計(jì)的傳動機(jī)構(gòu)布置方案為：
1．采用兩軸式變速器
2．倒檔采用直齒滑動齒輪
3．采用同步器換檔（鎖環(huán)式同步器）
倒檔布置方案：
圖1-3為常見的倒檔布置方案。圖1-3-b方案的優(yōu)點(diǎn)是倒檔利用了一檔齒輪，縮短了中間軸的長度。但換檔時(shí)有兩對齒輪同時(shí)進(jìn)入嚙合，使換檔困難。圖1-3-c方案能獲得較大的倒檔傳動比，缺點(diǎn)是換檔程序不合理。圖1-3-d方案對1-3-c的缺點(diǎn)做
圖1-3倒檔傳動方案
了修改。圖1-3-e所示方案是將一、倒檔齒輪做成一體，將其齒寬加長。為了充分利用空間,縮短變速器軸向長度，有的貨車倒檔傳動采用圖1-3-g所示方案;其缺點(diǎn)是一、倒檔齒輪須各用一根變速器拔叉軸,致使變速器上蓋中的操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜一些。
本次設(shè)計(jì)采用圖1-3-f所示方案，此方案適用于全部齒輪副均為常嚙合的齒輪，換檔更為輕便。
輪，縮短了中間軸的長度。但換檔時(shí)有兩對齒輪同時(shí)進(jìn)入嚙合，使換檔困難。圖2-c方案能獲得較大的倒檔傳動比，缺點(diǎn)是換檔程序不合理。圖-2d方案對2-c的缺點(diǎn)做了修改。圖2-e所示方案是將一、倒檔齒輪做成一體，將其齒寬加長。圖2-f所示方案適用于全部齒輪副均為常嚙合的齒輪，檔換更為輕便。
圖1-3倒檔傳動方案
第二章 變速器主要參數(shù)的選擇與齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算
2.1 變速器的原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)
乘用車（二軸式）基本參數(shù)如下表：
表2.1設(shè)計(jì)基本參數(shù)
最大功率
67KW
最大功率轉(zhuǎn)速
5200r/min
最大轉(zhuǎn)矩
145N·m
最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速
3300r/min
最高車速
178km/h
輪胎規(guī)格
175/70HR13
使用壽命
90000h
表1-1設(shè)計(jì)基本參數(shù)表
表2.1-2 軸荷分布
車
前軸
后軸
空車
1306 kg
588kg
718kg
整車
1606 kg
770kg
836kg
表2.1-33 變速器變速比
一檔傳動比
3.45
五檔傳動比
0.75
倒檔傳動比
3.1
主減速器傳動比
3.67
2.2變速器主要參數(shù)的選擇
2.2.1檔數(shù)
增加變速器的檔數(shù)能改善汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性。檔數(shù)越多，變速器的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，并且是尺寸輪廓和質(zhì)量加大。同時(shí)操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜，而且在使用時(shí)換檔頻率也增高。
在最低檔傳動比不變的條件下，增加變速器的當(dāng)屬會是變速器相鄰的低檔與高檔之間傳動比比值減小，是換檔工作容易進(jìn)行。要求相鄰檔位之間的傳動比比值在1.8以下,該制約小換檔工作越容易進(jìn)行。要求高檔區(qū)相鄰檔位之間的傳動比比值要比低檔區(qū)相鄰檔位之間的傳動比比值小。
近年來為了降低油耗，變速器的檔數(shù)有增加的趨勢。目前轎車一般用4~~5個(gè)檔位，級別高的轎車變速器多用5個(gè)檔，貨車變速器采用4~~5個(gè)檔位或多檔。裝載質(zhì)量在2~3.5T的貨車采用5檔變速器，裝載質(zhì)量在4~8T的貨車采用6檔變速器。多檔變速器多用于重型貨車和越野車。
本次設(shè)計(jì)選用的是5檔變速器。
2.2.2初選傳動比
已知主減速器傳動比為3.67，一檔傳動比為3.45，最高檔五檔傳動比為0.75
分配各檔傳動比：
選五檔 按等比級數(shù)分配 (2-1)
，，所以 =1.46
，，，
2.2.3初算中心距A
初選中心距時(shí)，可根據(jù)下述經(jīng)驗(yàn)公式
(2-2)
式中：—變速器中心距（mm）；
—中心距系數(shù)，乘用車：=8.9～9.3，商用車：=8.6～9.6，多檔變速器：=9.5～11.0；
—發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（Nm）；
—變速器一檔傳動比；
—變速器傳動效率，取96%。
=145N.m
=3.45
=
=69.7～72.83(mm)
初選中心距=71mm。
第三章 變速器齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1齒輪參數(shù)
3.1.1模數(shù)
表3.1 汽車變速器齒輪法向模數(shù)
車型
乘用車的發(fā)動機(jī)排量V/L
貨車的最大總質(zhì)量/t
1.0＞V≤1.6
1.6＜V≤2.5
6.0＜≤14.0
＞14.0
模數(shù)/mm
2.25～2.75
2.75～3.00
3.50～4.50
4.50～6.00
表3.2 汽車變速器常用齒輪模數(shù)
一系列
1.00
1.25
1.5
2.00
2.50
3.00
4.00
5.00
6.00
二系列
1.75
2.25
2.75
3.25
3.50
3.75
4.50
5.50
—
根據(jù)表3.1、表3.2本次設(shè)計(jì)，一、二、倒檔齒輪的模數(shù)定為2.5mm，三四五檔模數(shù)為2.25mm。
3.1.2 壓力角
壓力角較小時(shí)，重合度大，傳動平穩(wěn)，噪聲低；較大時(shí)可提高輪齒的抗彎強(qiáng)度和表面接觸強(qiáng)度。對轎車，為加大重合度已降低噪聲，取小些。
變速器齒輪壓力角為 20
3.1.3 螺旋角
斜齒輪在變速器中得到廣泛的應(yīng)用。選斜齒輪的螺旋角，要注意他對齒輪工作噪聲齒輪的強(qiáng)度和軸向力的影響。在齒輪選用大些的螺旋角時(shí)，使齒輪嚙合的重合度增加，因而工作平穩(wěn)、噪聲降低。試驗(yàn)還證明：隨著螺旋角的增大，齒的強(qiáng)度也相應(yīng)提高。不過當(dāng)螺旋角大于30時(shí)，其抗彎強(qiáng)度驟然下降，而接觸強(qiáng)度仍然繼續(xù)上升。因此，從提高低檔齒輪的抗彎強(qiáng)度出發(fā)，并不希望用過大的螺旋角，以15～25為宜；而從提高高檔齒輪的接觸強(qiáng)度和增加重合度著眼，應(yīng)選用較大螺旋角。
斜齒輪螺旋角可在下面提供的范圍內(nèi)選用：
轎車兩軸式變速器為 20～25°
初選的螺旋角=23
3.1.4 齒寬b
應(yīng)注意齒寬對變速器的軸向尺寸，齒輪工作平穩(wěn)性，齒輪強(qiáng)度和齒輪工作時(shí)受力的均勻程度均有影響。
考慮到盡可能的減少質(zhì)量和縮短變速器的軸向尺寸，應(yīng)該選用較小的齒寬。減少齒寬會使斜齒輪傳動平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)被削弱，還會使工作應(yīng)力增加。使用寬些的齒寬，工作時(shí)會因軸的變形導(dǎo)致齒輪傾斜，使齒輪沿齒寬方向受力不均勻并在齒寬方向磨損不均勻。
通常根據(jù)齒輪模數(shù)m的大小來選定齒寬。
直齒：b=m， 為齒寬系數(shù)，取為4.5~8.0
斜齒：b=，取6.0~8.5
第一軸常嚙合齒輪副的齒寬系數(shù)，可取大些，使接觸線長度增加、接觸應(yīng)力降低，以提高傳動平穩(wěn)性和齒輪壽命。
3.2 各檔齒輪齒數(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)變速器的檔數(shù)，傳動比和傳動方案來分配各檔齒輪的齒數(shù)。一、二、三、四、五檔選用斜齒輪，倒檔選用直齒輪。
3.2.1齒輪齒數(shù)的確定
一檔： (3-1)
斜齒： (3-2)
== 52.28計(jì)算后取整=52，然后進(jìn)行大小齒輪齒數(shù)的分配。
取=12 =40， 計(jì)算得
二檔： 取52
解得： 所以
三檔： ，取58
解得： 所以
四檔： ，取58
解得： 所以
五檔： 取58
取=33，=25 計(jì)算到
3.2.2對中心距進(jìn)行修正
因?yàn)橛?jì)算齒數(shù)和后，經(jīng)過取整數(shù)使中心距有了變化，所以應(yīng)根據(jù)和齒輪變位系數(shù)新計(jì)算中心距，在以修正后的中心距作為各檔齒輪齒數(shù)分配的依據(jù)。根據(jù)3-2式來修正中心距。
修正后中心距一二檔: A＇=mm ，
三四五檔 ：A＇=mm 。
圓整取為71mm。
3.2.3修正螺旋角
根據(jù)3-2式來修正螺旋角。
修正后螺旋角一二檔:
三四五檔 ：
3.2.4確定倒檔齒輪齒數(shù)
倒檔齒輪選用的模數(shù)往往與一檔接近，取模數(shù)為2.5，倒檔齒輪的齒數(shù)一般在21~23之間，選=22。
(3-3)
(3-4)
，
= (3-5)
=mm
=mm
3.3確定齒輪參數(shù)
各檔齒輪的變位系數(shù)根據(jù)變位系數(shù)線圖來選?。?
圖3-1變位系數(shù)圖
(1) 一檔齒輪變位后參數(shù)：
角度變位后的端面壓力角： = (3-6)
所以
端面嚙合角： (3-7)
解得
查表得變位系數(shù)和：0.50 (3-8)
0.48 =0.02
(3-9)
—=0.344 (3-10)
分度圓直徑: ，=109.23mm (3-11)
齒頂高 ==2.84mm，=()=1.69mm (3-12)
齒根高=（+-）=1.925mm，=(+- )=3.075mm (3-13)
全齒高 =+=4.765mm，=+=4.765mm (3-14)
齒頂圓直徑：=38.45mm，=112.61mm (3-15)
齒根圓直徑：=28.92mm，=103.08mm (3-16)
當(dāng)量齒數(shù) ==15.64， = =52.13 (3-17)
(2) 二檔齒輪變位后參數(shù)：
角度變位后的端面壓力角： = 所以
端面嚙合角： 解得
查表得變位系數(shù)和：0.50
0.43 =0.07
—=0.344
分度圓直徑: =101.04mm
齒頂高 ==2.715mm =()=1.815mm
齒根高=（+-）=2.05mm =(+-)=2.95mm
全齒高 =4.765mm =4.765mm
齒頂圓直徑：=46.39mm =104.67mm
齒根圓直徑：=36.86mm =95.14mm
當(dāng)量齒數(shù) = = 19.55 = =48.22
(3) 三檔齒輪變位后參數(shù)：
角度變位后的端面壓力角： = 所以
端面嚙合角： 解得
查表并計(jì)算得變位系數(shù)和：0.42
0.36 =0.08
0.049
ξ- =0.371
分度圓直徑: =88.14mm
齒頂高 ==2.225mm =()=1.595mm
齒根高=（+-）=2.00mm =(+-)=2.63mm
全齒高=4.227mm =4.227mm
齒頂圓直徑：=58.31mm =91.33mm
齒根圓直徑：=49.86mm =82.88mm
當(dāng)量齒數(shù) = =28.35 = =46.38
(4) 四檔齒輪變位后參數(shù)：
角度變位后的端面壓力角： = 所以
端面嚙合角： 解得
查表得變位系數(shù)和：0.42
0.23 =0.19
0.049
ξ- =0.371
分度圓直徑: =75.9mm
齒頂高 ==1.933mm =()=1.843mm
齒根高=（+- ）=2.295mm =(+-)=2.385mm
全齒高 =4.228mm =4.228mm
齒頂圓直徑：=69.97mm =79.59mm
齒根圓直徑：=61.51mm =71.13mm
當(dāng)量齒數(shù) = =34.79 = =39.94
(5) 五檔齒輪變位后參數(shù)：
角度變位后的端面壓力角： = 所以
端面嚙合角： 解得
查表得變位系數(shù)和：0.42
0.18 =0.24
0.049
ξ- =0.371
分度圓直徑: =61.21mm
齒頂高==1.82mm =()=1.96mm
齒根高=（+-）=2.41mm =(+-)=2.27mm
全齒高=4.23mm =4.23mm
齒頂圓直徑：=84.43mm =65.13mm
齒根圓直徑：=75.97mm =56.67mm
當(dāng)量齒數(shù) = =42.52 = =32.21
（6）倒檔齒輪變位后參數(shù)；
角度變位后的端面壓力角：
查表得變位系數(shù)和：ξ=0
=0.23 = -0.23 =0.23
0
ξ- =0
分度圓直徑:
=32.50mm =55mm =100mm
齒頂高 ==3.075mm =()=1.925mm
==3.075mm
齒根高=（+-）=2.55mm =(+-)=3.70mm
=（+-）=2.55mm
全齒高=5.625mm =5.625mm =5.625mm
齒頂圓直徑：=38.65mm =58.85mm
=106.15mm
齒根圓直徑：=27.40mm =47.60mm
=94.9mm
第四章 齒輪的校核
4.1 齒輪的損壞形式
變速器齒輪的損壞形式主要有：輪齒折斷，齒面疲勞剝落，移動換檔齒輪端部破壞以及齒面膠合。
4.2 齒輪加工方法及材料
與其他機(jī)械行業(yè)相比，不同用途汽車的變速器齒輪使用條間仍是相似的。此外，汽車變速器齒輪用的材料，熱處理方法，加工方法，精度級別，支承方式也基本一致。如汽車變速器齒輪用低碳合金鋼制作，采用剃齒和磨齒精加工 ，齒輪表面采用滲碳淬火熱處理工藝，齒輪精度不低于7級。
國內(nèi)汽車常用的變速器齒輪材料有20GrMnTi、20GrMn2TiB、15MnCr5、20MnCr5、25 MnCr5、28 MnCr5。滲碳齒輪的表面硬度為58~63HRC，心部硬度為33~48HRC。
本次設(shè)計(jì)中齒輪的材料選用20GrMnTi，一般設(shè)計(jì)中軸與齒輪的材料選取應(yīng)相同，所以此次設(shè)計(jì)中軸的材料也選用20GrMnTi。
4.3 計(jì)算各軸的轉(zhuǎn)矩
發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為145Nm，齒輪傳動效率99%，離合器傳動效率99%，軸承傳動效率96%。
（4.1）
輸入軸
輸出軸一檔==137.81×0.96×0.99×3.33= 436.15Nm
輸出軸二檔==137.81×0.96×0.99×2.47=323.51Nm
輸出軸三檔==137.81×0.96×0.99×1.64= 214.8Nm
輸出軸四檔==137.81×0.96×0.99×1.15= 150.62Nm
輸出軸五檔==137.81×0.96×0.99×0.76=99.54Nm
倒檔軸 ==137.81×0.96×0.99×1.69=221.35 Nm
==221.35×0.96×0.99×1.82 =382.88Nm
4.4 齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算
斜齒輪彎曲應(yīng)力
（4.2）
式中：—計(jì)算載荷（N·mm）；
—法向模數(shù)（mm）；
—齒數(shù)；
—斜齒輪螺旋角（°）；
—應(yīng)力集中系數(shù)，=1.50；
—齒形系數(shù)，可按當(dāng)量齒數(shù)在圖中查得；
—齒寬系數(shù),=7.0
—重合度影響系數(shù)，=2.0。
當(dāng)計(jì)算載荷取作用到變速器第一軸上的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，對乘用車常嚙合齒輪和高