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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院（論文）
摘 要
汽車作為人類的代步工具，在生活中起著越來越重要的作用。變速器是傳動系中的主要部件。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
是在各種工作狀況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度。從而使汽車擁有良好的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。本次設(shè)計(jì)以寶馬320i 2.0 典雅型轎車的一些整車參數(shù)和發(fā)動機(jī)參數(shù)為設(shè)計(jì)依據(jù)，進(jìn)行手動檔變速器的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括變速器傳動機(jī)構(gòu)布置方案的確定，變速器主要參數(shù)如擋數(shù)、傳動比范圍、中心距、各擋傳動比、齒輪參數(shù)、各擋齒輪齒數(shù)的選擇，齒輪、軸的設(shè)計(jì)校核，同步器、操縱機(jī)構(gòu)及箱體的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過程中，本文根據(jù)轎車變速器的設(shè)計(jì)要求和車輛動力傳動系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，參考多篇文獻(xiàn)資料，以及變速器設(shè)計(jì)圖冊，設(shè)計(jì)出中間軸式變速器。
關(guān)鍵詞：變速器；齒輪；軸；設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
ABSTRACT
Automobile as a means of transport of human life plays an increasingly important role. Transmission is the main power train components. It is used to change the engine's torque spread and wheel speed. Aim is to work in a variety of conditions，different vehicle traction and speed，so that the car has good power and fuel economy。The transmission is designed based on engine parameters and vehicle parameters of BWM 320i 2.0L automobile in this text. The main design contents include the layout program of transmission drive-mechanism, the selection of main transmission parameters such as shifts, the range of gear ratio, center-spacing, each gear ratio, gear parameters and the numble of each gear, the design and verification of gears and shafts, the design of synchronizer, manipulation-framework and gearbox. Bases on the design requirement and the characteristic of power transmission system, consulting a great deal of literatures and transmission design drafts, a kind of three-shafted transmission is designed.
Key words: Transmission；Gear；Shaft；Design；Computer Aided Design
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
目 錄 III
第1章 緒 論 1
1.1 課題的目的和意義 1
1.2課題研究的現(xiàn)狀 3
1.3 變速器的設(shè)計(jì)思想 3
1.4 研究的主要工作內(nèi)容 3
第2章 變速器設(shè)計(jì)的總體方案 5
2.1設(shè)計(jì)依據(jù) 5
2.2傳動機(jī)構(gòu)布置方案分析 6
2.3 變速器基本參數(shù)的確定 8
第3章 主要零部件的設(shè)計(jì)及計(jì)算 13
3.1 齒輪的設(shè)計(jì)及校核 13
3.1.1 齒輪參數(shù)確定及各擋齒輪齒數(shù)分配 13
3.1.2 輪齒強(qiáng)度計(jì)算 21
3.1.3 變速器齒輪的材料及熱處理 25
3.2 軸的設(shè)計(jì)及校核 25
3.2.1初選軸的直徑 26
3.2.2軸的剛度計(jì)算 36
第4章 同步器的選擇 42
4.1 慣性式同步器 42
4.1.3鎖環(huán)式同步器主要尺寸的確定 44
4.2主要參數(shù)的確定 45
4.2.1摩擦因數(shù)f 45
4.2.2同步環(huán)主要尺寸的確定 46
4.2.3鎖止角 48
4.2.4同步時間 48
4.2.5轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算 48
第5章 變速器操縱機(jī)構(gòu)的選擇和箱體設(shè)計(jì)原則 49
5.1變速器操縱機(jī)構(gòu)的選擇 49
5.2變速器箱體設(shè)計(jì)原則 49
參考文獻(xiàn) 51
致 謝 52
IV
哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院（論文）
第1章 緒 論
1.1 課題的目的和意義
變速器用來改變發(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，同時使發(fā)動機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作[1]。中間軸式變速器多用于發(fā)動機(jī)前置后輪驅(qū)動汽車和發(fā)動機(jī)后置后輪驅(qū)動的客車上。變速器若采用浮動式結(jié)構(gòu)的齒輪軸，工作時會產(chǎn)生撓度。因此，一方面降低了輸出軸的剛性，另一方面造成了嚙合齒輪嚙合不良，致使齒輪強(qiáng)度降低，增加了運(yùn)轉(zhuǎn)噪音，影響了整機(jī)的性能。
為了近一步提升后驅(qū)動變速器的性能，增加后驅(qū)轎車市場銷售份額，應(yīng)該建立一個適應(yīng)發(fā)動機(jī)排量為2.0升的后驅(qū)動變速器新平臺，以滿足車廠和用戶更高層次的要求。
設(shè)計(jì)方案力求實(shí)現(xiàn)：
（1）變速器結(jié)構(gòu)更加緊湊、合理，承載能力較大，滿足匹配發(fā)動機(jī)之所需；
（2）選擋、換擋輕便、靈活、可靠；
（3）同步器結(jié)構(gòu)合理，性能穩(wěn)定，有利于換擋；
（4）齒輪承載能力高，運(yùn)轉(zhuǎn)噪音低，傳遞運(yùn)動平穩(wěn)。
1.2課題研究的現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)外汽車變速器的發(fā)展十分迅速，普遍研究和采用電控自動變速器，這種變速器具有更好的駕駛性能、良好的行駛性能、以及更高的行車安全性[3]。但是駕駛員失去了駕駛樂趣，不能更好的體驗(yàn)駕駛所帶來的樂趣。機(jī)械式手動變速器具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、制造成本底和工作可靠，具有良好的駕駛樂趣等優(yōu)點(diǎn)，故在不同形式的汽車上得到廣泛應(yīng)用。在檔位的設(shè)置方面，國外對其操縱的方便性和檔位數(shù)等方面的要求愈來愈高。目前，4檔特別是5檔變速器的用量有日漸增多的趨勢。同時，6檔變速器的裝車率也在日益上升[4]。變速器檔位數(shù)的增多可提高發(fā)動機(jī)的功率利用率、汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性及平均車速，從而可提高汽車的運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本。
汽車變速器是汽車的重要部件之一，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、加速等各種行使工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時使發(fā)動機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作。變速器設(shè)有空檔，可在起動發(fā)動機(jī)、汽車滑行或停車時使發(fā)動機(jī)的動力停止向驅(qū)動輪傳輸。變速器設(shè)有倒檔，使汽車獲得倒退行使能力。
汽車變速器技術(shù)的發(fā)展歷史：
手動變速器（MT：Manual Transmisson）主要采用了齒輪傳動的降速原理。變速器內(nèi)有多組傳動比不同的齒輪副，而汽車行駛時的換擋工作，也就是通過操縱機(jī)構(gòu)使變速器內(nèi)不同的齒輪副工作。
自動變速器（AT：Automatic Transmisson）是由液力變矩器，行星齒輪和液壓操縱系統(tǒng)組成，通過液力變矩器和齒輪組合的方式來達(dá)到變速變矩。
AMT是在傳統(tǒng)干式離合器和手動齒輪變速器的基礎(chǔ)上改造而成，主要改變了手動換擋操縱部分。即在MT總體結(jié)構(gòu)不變的情況下改用電子控制來實(shí)現(xiàn)自動換擋。
無級變速器（CVT：Continuously Variable Transmission）,又稱為連續(xù)變速式機(jī)械變速器。金屬帶式無級變速器主要包括主動輪組，從動輪組，金屬帶和液壓泵等基本部件。主要靠主動輪，從動輪和傳動帶來實(shí)現(xiàn)速比的無級變化，傳動帶一般用橡膠帶，金屬帶和金屬鏈等。
無限變速式機(jī)械無級變速器（IVT：Infinitely Variable Transmisson）采用的是一種摩擦板式變速原理。IVT的核心部分由輸入傳動盤，輸出傳動盤和Variator傳動盤組成。它們之間的接觸點(diǎn)以潤滑油作介質(zhì)，金屬之間不接觸，通過改變Variator裝置的角度變化而實(shí)現(xiàn)傳動比的連續(xù)而無限的變化。
1.3 變速器的設(shè)計(jì)思想
根據(jù)發(fā)動機(jī)匹配的轎車的基本參數(shù)，及發(fā)動機(jī)的基本參數(shù)，設(shè)計(jì)能夠匹配各項(xiàng)的新型后驅(qū)動變速器。
新型后驅(qū)動變速器應(yīng)滿足：
（1）發(fā)動機(jī)排量2.0升；
（2）六個前進(jìn)擋，一個倒檔；
（3）輸入、輸出軸保證兩點(diǎn)支承；
（4）采用同步器，保證可靠平穩(wěn)換擋；
（5）齒輪、軸及軸承滿足使用要求。
1.4 研究的主要工作內(nèi)容
中間軸式變速器主要用于后輪驅(qū)動變速器，所以，根據(jù)實(shí)際汽車發(fā)動機(jī)匹配所需，本文計(jì)劃對適用于后驅(qū)動發(fā)動機(jī)固定中間軸式變速器作為總的布置方案。
1.確定合適的布置結(jié)構(gòu)
變速器中各檔齒輪按照檔位先后順序在軸上排列；各檔的換擋方式；齒輪與軸的配套方案；軸承支承位置等結(jié)構(gòu)。
2.進(jìn)行主要參數(shù)的選擇
確定變速器的檔位數(shù)；各檔傳動比；中心距；軸向長度等。
3.進(jìn)行主要零部件及其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
齒輪參數(shù)；各檔齒輪齒數(shù)分配；輪齒強(qiáng)度計(jì)算；軸的設(shè)計(jì)及校核；軸承的設(shè)計(jì)及校核；同步器主要參數(shù)的選??；操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。
4.繪制圖紙
根據(jù)設(shè)計(jì)方案，通過CAD完成裝配圖及零件圖的繪制。
第2章 變速器設(shè)計(jì)的總體方案
變速器是汽車傳動系的重要組成部分，是連接發(fā)動機(jī)和整車之間的一個動力總成，起到將發(fā)動機(jī)的動力通過轉(zhuǎn)換傳到整車，以滿足整車在不同工況的需求。所以整車和發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)對變速器的總體方案均產(chǎn)生較大
2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)
隨著消費(fèi)者對汽車安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性和動力性需求的提高，汽車的技術(shù)含量不斷提高，機(jī)械式手動變速器具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、制造成本底和工作可靠，具有良好的駕駛樂趣等優(yōu)點(diǎn)，故在不同形式的汽車上得到廣泛應(yīng)用。在檔位的設(shè)置方面，國外對其操縱的方便性和檔位數(shù)等方面的要求愈來愈高。目前，4檔特別是5檔變速器的用量有日漸增多的趨勢。同時，6檔變速器的裝車率也在日益上升。變速器檔位數(shù)的增多可提高發(fā)動機(jī)的功率利用率、汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性及平均車速，從而可提高汽車的運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本。設(shè)計(jì)新型后驅(qū)動變速器以使變速器結(jié)構(gòu)更加緊湊、合理、承載能力強(qiáng)。
選擇車型為BMW 320i 2.0 典雅型轎車進(jìn)行設(shè)計(jì)，基本性能參數(shù)如表2.1。
表2.1 基本性能參數(shù)
發(fā)動機(jī)參數(shù)
排量(L)
2.0
最大功率(km)
110(6200r/min)
最大扭矩(N·m)
200(3600r/min)
底盤參數(shù)
驅(qū)動方式
后輪驅(qū)動
輪胎規(guī)格
205/55 R16
整車尺寸及質(zhì)量
長*寬*高(mm)
4520*1817*1421
軸距(mm)
2760
總質(zhì)量(kg)
3000
整備質(zhì)量(kg)
1425
整車性能參數(shù)
最高車速(km/h)
220
最大爬坡度
30%
注：其中，205/55 R16表示輪胎斷面寬B=205，扁平比H/B=55,輪輞直徑16in=406.4mm。
故車輪滾動半徑近似等于輪胎半徑，為r=(406.4+205*0.55)/2=259.58mm。
2.2傳動機(jī)構(gòu)布置方案分析
變速器由變速器傳動機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成。變速傳動機(jī)構(gòu)可按前進(jìn)檔數(shù)或軸的不同分類，分為固定軸式和旋轉(zhuǎn)軸式兩大類，而前者又分為兩軸式，中間軸式和多中間軸式變速器等。
2.2.1兩軸式和中間軸式變速器
現(xiàn)代汽車大多數(shù)都采用固定軸式變速器，而兩軸式和中間軸式應(yīng)用最為廣泛。其中，兩軸式變速器多用于發(fā)動機(jī)前置前輪驅(qū)動的汽車上。中間軸式變速器多用于發(fā)動機(jī)前置后輪驅(qū)動的汽車和發(fā)動機(jī)后置后輪驅(qū)動的客車上。在設(shè)計(jì)時，究竟采用哪一種方案，除了汽車總布置的要求外，還要考慮以下幾個方面：
與中間軸式變速器比較，兩軸式變速器因軸和軸承數(shù)少，所以有結(jié)構(gòu)簡單，輪廓尺寸小和容易布置等優(yōu)點(diǎn)，此外，各中間檔位因只經(jīng)一對齒輪傳遞動力，故傳動效率高，同時噪聲也低。因兩軸式變速器不能設(shè)置直接檔，所以在高檔工作是齒輪和軸承均承載，不僅工作噪聲增大，且易損壞。還有，受結(jié)構(gòu)限制，兩軸式變速器的一檔速比不可能設(shè)計(jì)的很大。對于前進(jìn)檔，兩軸式變速器輸入軸的轉(zhuǎn)動方向與輸出軸的轉(zhuǎn)動方向相反；而中間軸式變速器的第一軸與輸出軸的轉(zhuǎn)動方向相同。
中間軸式變速器可以設(shè)置直接檔，在使用直接檔時，變速器的齒輪和軸承及軸承均不承載，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速器第一軸和第二軸直接輸出，此時變速器的傳動效率高，可達(dá)90％以上，噪聲低，齒輪和軸承的磨損減少。因?yàn)橹苯訖n的利用率高于其他檔位，因而提高了變速器的使用壽命。在除直接檔以外的其他檔位工作時，中間軸式變速器的傳動效率略有降低，這是它的缺點(diǎn)［3］。對于本設(shè)計(jì)，采用如圖2.1所示的傳動方案。
圖2.1 中間軸式變速器傳動方案
2.2.2倒檔的形式和布置方案
圖2.2為常見的布置方案。圖2.2（a）方案廣泛用于前進(jìn)檔都是同步器換檔的四檔轎車和輕型貨車變速器中；圖2.2（b）方案的優(yōu)點(diǎn)是可以利用中間軸上的1檔齒輪，因而縮短了中間軸的長度，但換檔時兩對齒輪必須同時嚙合，致使換檔困難，某些輕型貨車四檔變速器采用這種方案；圖2.2（c）方案能獲得較大的倒檔速比，突出的缺點(diǎn)是換檔程序不合理；圖2.2（d）方案針對前者的缺點(diǎn)作了修改，因而在貨車變速器中取代了圖2.2（c）方案；圖2.2（e）方案中，將中間軸上的一檔和倒檔齒輪做成一體，其齒寬加大，因而縮短了一些長度；圖2.2（f）方案采用了全部齒輪副均為常嚙合齒輪，換檔更為輕便；為了充分利用空間，縮短變速器軸向長度，有的貨車采用圖2.2（g）方案，其缺點(diǎn)是一檔和倒檔得各用一根變速器撥叉軸，使變速器上蓋中的操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜一些。后述五種方案可供五檔變速器的選擇［3］：本次設(shè)計(jì)中采用中間軸式變速器，圖2.2（f）瑣事得到當(dāng)布置方案。
圖2.2 倒檔布置方案
2.3 變速器基本參數(shù)的確定
2.3.1 擋數(shù)的確定
擋數(shù)的設(shè)置與整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性有關(guān)。就動力性而言，增加變速器的擋數(shù)，能夠增加發(fā)動機(jī)發(fā)揮最大功率附近高功率的機(jī)會，提高了整車的加速與爬坡能力。就燃油經(jīng)濟(jì)性而言，擋數(shù)多，增加了發(fā)動機(jī)在低油耗區(qū)工作的可能性，降低油耗。所以擋數(shù)設(shè)置為六檔。
2.3.2 傳動比的確定
1、主減速器傳動比的確定
發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車行駛速度之間的關(guān)系式為[12]：
（2.1）
式中：
——汽車行駛速度（km/h）；
——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；
——車輪滾動半徑（m）；
——變速器直接檔傳動比；
——主減速器傳動比。
已知：最高車速==220km/h；最高檔為超速檔，傳動比=1；車輪滾動半徑由所選用的輪胎規(guī)格205/55R16得到=259.58(mm)；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速==6200（r/min）；由公式（3.1）得到主減速器傳動比計(jì)算公式：
2、最低檔傳動比計(jì)算
按最大爬坡度設(shè)計(jì)，滿足最大通過能力條件，即用一檔通過要求的最大坡道角坡道時，驅(qū)動力應(yīng)大于或等于此時的滾動阻力和上坡阻力（加速阻力為零，空氣阻力忽略不計(jì)）[13]。用公式表示如下：
（2.2）
式中：
G ——車輛總重量(N)；
——坡道面滾動阻力系數(shù)(對瀝青路面μ=0.01~0.02)；
——發(fā)動機(jī)最大扭矩(N·m)；
——主減速器傳動比；
——變速器傳動比；
——為傳動效率（0.85~0.9）；
R ——車輪滾動半徑；
——最大爬坡度（一般轎車要求能爬上30%的坡，大約）
由公式（3.2）得：
（2.3）
已知：m=3000kg；；；r=0.26m； N·m；；g=9.8m/s2；，把以上數(shù)據(jù)代入（3.3）式：
滿足不產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)條件。即用一檔發(fā)出最大驅(qū)動力時，驅(qū)動輪不產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。公式表示如下：
（2.4）
式中：
——驅(qū)動輪的地面法向反力，；
——驅(qū)動輪與地面間的附著系數(shù)；對混凝土或?yàn)r青路面可取0.5~0.6之間。
已知：kg；取0.55，把數(shù)據(jù)代入（3.4）式得：
所以，一檔轉(zhuǎn)動比的選擇范圍是：
初選一檔傳動比為5.0。
3、變速器各檔速比的配置
按等比級數(shù)分配其它各檔傳動比，即：
2.3.3 中心距的選擇
初選中心距可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[14]：
（2.5）
式中：
A ——變速器中心距（mm）；
——中心距系數(shù)，乘用車=8.9~9.3；
——發(fā)動機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)距為200（N·m）；
——變速器一檔傳動比為5.0；
——變速器傳動效率，取96%。
8.9=87.79mm
取A=90mm。
2.3.4 變速器的外形尺寸
變速器的橫向外形尺寸，可以根據(jù)齒輪直徑以及倒檔中間齒輪和換檔機(jī)構(gòu)的布置初步確定。影響變速器殼體軸向尺寸的因素有檔數(shù)、換檔機(jī)構(gòu)形式以及齒輪形式。
乘用車變速器殼體的軸向尺寸可參考下列公式選用：
；
第3章 主要零部件的設(shè)計(jì)及計(jì)算
3.1 齒輪的設(shè)計(jì)及校核
3.1.1 齒輪參數(shù)確定及各擋齒輪齒數(shù)分配
1.模數(shù)m
齒輪模數(shù)是一個重要參數(shù)，并且影響它的選取因素又很多，如齒輪的強(qiáng)度、質(zhì)量、噪聲、工藝要求等。對于乘用車為了減少噪聲應(yīng)合理減小模數(shù)，乘用車和總質(zhì)量在的貨車為，取。
2.壓力角
國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為，所以變速器齒輪普遍采用的壓力角為。
3.螺旋角
選取斜齒輪的螺旋角，應(yīng)該注意它對齒輪工作噪聲、輪齒的強(qiáng)度和軸向力有影響。螺旋角應(yīng)選擇適宜，太小時發(fā)揮不出斜齒輪的優(yōu)越性，太大又會使軸向力過大。轎車變速器齒輪應(yīng)采用較大螺旋角以提高運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，降低噪聲。
乘用車中間軸式變速器為，選。
4.齒寬b
齒寬的選擇既要考慮變速器的質(zhì)量小，軸向尺寸緊湊，又要保證輪齒的強(qiáng)度及工作平穩(wěn)性的要求，通常是根據(jù)齒輪模數(shù)來確定齒寬b。，其中為齒寬系數(shù)。變速器中一般倒擋采用直齒圓柱齒輪；常嚙合及其他擋位用斜齒圓柱齒輪。
5.齒頂高系數(shù)
齒頂高系數(shù)對重合度、輪齒強(qiáng)度、工作噪聲、輪齒相對滑動速度、輪齒根切和齒頂厚度等有影響。一般齒輪的齒頂高系數(shù)，為一般汽車變速器齒輪所采用。
6.各擋齒輪齒數(shù)的分配
分配齒數(shù)時應(yīng)注意的是，各擋齒輪的齒數(shù)比應(yīng)該盡可能不是整數(shù)，以使齒面磨損均勻。
（1）確定一擋齒輪的齒數(shù)
一擋齒輪參數(shù)如表3.1。
表3.1 一擋齒輪基本參數(shù)
序號
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
端面壓力角
2
分度圓直徑
3
齒頂高
4
齒根高
5
齒頂圓直徑
6
齒根圓直徑
7
當(dāng)量齒數(shù)
8
齒寬
由于一擋采用斜齒輪傳動，所以齒數(shù)和，圓整后得齒數(shù)和為66，修正后得。
齒輪的變位是齒輪設(shè)計(jì)中一個非常重要的環(huán)節(jié)，采用變位齒輪，除為了避免齒輪產(chǎn)生根切和湊配中心距以外，它還影響齒輪的強(qiáng)度，使用平穩(wěn)性、耐磨損、抗膠合能力及齒輪的嚙合噪聲[6]。
湊配中心距；
斜齒端面模數(shù)；
嚙合角，；
故總變位系數(shù)，即為高度變位。
查得：。兩齒輪分度圓仍相切，節(jié)圓與分度圓重合，全齒高不變。
（2）對中心距進(jìn)行修正
因?yàn)橛?jì)算齒輪和后，經(jīng)過取整數(shù)使中心距有了變化，所以應(yīng)根據(jù)取定的重新計(jì)算中心距A作為各擋齒輪齒數(shù)分配的依據(jù)。。
（3）確定常嚙合傳動齒輪副的齒數(shù)
表3.2 常嚙合齒輪基本參數(shù)
序號
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
分度圓直徑
2
齒頂高
3
齒根高
4
齒頂圓直徑
5
齒根圓直徑
6
當(dāng)量齒數(shù)
7
齒寬
由一擋傳動比求出常嚙合傳動齒輪的齒數(shù)比：
（3.1）
而常嚙合傳動齒輪的中心距與一擋齒輪的中心距相等，即：
（3.2）
由公式（3.1）（3.2）得：。
核算=3.27，與前相差較小，故由（3.2）式得：齒輪1、2精確的螺旋角。
湊配中心距；
斜齒端面模數(shù)；
嚙合角，故，角度變位。
查得。
（4）確定其他各擋的齒數(shù)二擋齒輪是斜齒輪，螺旋角與常嚙合齒輪不同，由得：
（3.3）
而 （3.4）此外，從抵消或減少中間軸上的軸向力出發(fā)，還必須滿足下列關(guān)系式：
（3.5）
聯(lián)解上述三個方程式，采用試湊法，選定螺旋角，解式（3.3）（3.4）求出。
再把代入式（3.5），檢查近似滿足軸向力平衡關(guān)系。
湊配中心距；
斜齒端面模數(shù)；
嚙合角，故，正角度變位。
查得。
表3.3 二擋齒輪基本參數(shù)
序號
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
理論中心距
2
中心距變動系數(shù)
3
齒頂降低系數(shù)
4
分度圓直徑
5
齒頂高
6
齒根高
7
齒頂圓直徑
8
齒根圓直徑
9
當(dāng)量齒數(shù)
10
齒寬
同理：三擋齒輪，近似滿足軸向力平衡關(guān)系。
湊配中心距；
斜齒端面模數(shù)；
嚙合角，故，正角度變位。
查得。
表3.4 三擋齒輪基本參數(shù)
序號
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
理論中心距
2
中心距變動系數(shù)
3
齒頂降低系數(shù)
4
分度圓直徑
5
齒頂高
6
齒根高
7
齒頂圓直徑
8
齒根圓直徑
9
當(dāng)量齒數(shù)
10
齒寬
同理：四擋齒輪，近似滿足軸向力平衡關(guān)系。
湊配中心距；
斜齒端面模數(shù)；
嚙合角，故，負(fù)角度變位。
查得。
表3.5 四擋齒輪基本參數(shù)
序號
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
理論中心距
2
中心距變動系數(shù)
3
齒頂降數(shù)
4
分度圓直徑
5
齒頂高
6
齒根高
7
齒頂圓直徑
8
齒根圓直徑
9
當(dāng)量齒數(shù)
10
齒寬
同理：五擋齒輪，近似滿足軸向力平衡關(guān)系。
湊配中心距；
斜齒端面模數(shù)；
嚙合角，故。
查得。
表3.6 五擋齒輪基本參數(shù)
序號
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
理論中心距
2
中心距變動系數(shù)
3
齒頂降低系數(shù)
4
分度圓直徑
5
齒頂高
6
齒根高
7
齒頂圓直徑
8
齒根圓直徑
9
當(dāng)量齒數(shù)
10
齒寬
（5）確定倒擋齒輪齒數(shù)倒擋齒輪選用的模數(shù)往往與一擋相近。倒擋齒輪的齒數(shù)，一般在21~23之間，初選，計(jì)算出輸入軸與倒擋軸的中心距。
設(shè)。
為保證倒擋齒輪的嚙合和不產(chǎn)生運(yùn)動干涉，齒輪13和14的齒頂圓之間應(yīng)保持有0.5mm以上的間隙，故取，滿足輸入軸與中間軸的距離。假設(shè)當(dāng)齒輪13和14嚙合時，中心距，且。故倒擋軸與中間軸的中心距，。
根據(jù)中心距求嚙合角：，故，高度變位。查得
表3.6倒擋齒輪基本參數(shù)
序號
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
分度圓直徑
2
齒頂高
3
齒根高
4
齒頂圓直徑
5
齒根圓直徑
6
基圓直徑
7
齒寬
序號
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
分度圓直徑
2
齒頂高
3
齒根高
4
齒頂圓直徑
5
齒根圓直徑
6
基圓直徑
7
齒寬
3.1.2 輪齒強(qiáng)度計(jì)算
變速器齒輪的損壞形式主要有：輪齒折斷、齒面疲勞剝落（點(diǎn)蝕）、移動換擋齒輪端部破壞以及齒面膠合。
輪齒折斷發(fā)生在下述幾種情況下：輪齒受到足夠大的沖擊載荷作用，造成輪齒彎曲折斷；輪齒在重復(fù)載荷作用下，齒根產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展深度逐漸加大，然后出現(xiàn)彎曲折斷。前者在變速器中出現(xiàn)的極少，而后者出現(xiàn)的多些[3]。變速器抵擋小齒輪由于載荷大而齒數(shù)少，齒根較弱，其主要破壞形式就是這種彎曲疲勞斷裂。
齒面點(diǎn)蝕是常用的高擋齒輪齒面接觸疲勞的破壞形式。點(diǎn)蝕使齒形誤差加大而產(chǎn)生動載荷，甚至可能引起輪齒折斷。通常是靠近節(jié)圓根部齒面點(diǎn)蝕較靠近節(jié)圓頂部齒面處的點(diǎn)蝕嚴(yán)重；主動小齒輪較被動大齒輪嚴(yán)重。
1.輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算
（1）直齒輪彎曲應(yīng)力
（3.6）
式中：——計(jì)算載荷（N·mm）；
——應(yīng)力集中系數(shù)，可近似取=1.65；
——摩擦力影響系數(shù)，主、從動齒輪在嚙合點(diǎn)上的摩擦力方向不同，對彎曲應(yīng)力的影響也不同：主動齒輪=1.1，從動齒輪=0.9；
——齒寬系數(shù)；
y——齒形系數(shù)。
倒擋主動輪14，查手冊得y=0.172，代（3.6）得；
倒擋傳動齒輪15，查手冊得y=0.176，代入（3.6）得；
倒擋從動輪13，查手冊得y=0.174，代入（3.6）得；
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，倒擋直齒輪許用彎曲應(yīng)力在400~850Mpa，承受雙向交變載荷作用的倒擋齒輪的許用應(yīng)力應(yīng)取下限。
故<[ ]，彎曲強(qiáng)度足夠。
（2）斜齒輪彎曲應(yīng)力
（3.7）
式中：——計(jì)算載荷（N·mm）；
——斜齒輪螺旋角；
——應(yīng)力集中系數(shù)，可近似取=1.50；
Z——齒數(shù)；
——法向模數(shù)（mm）；
y——齒形系數(shù)，可按當(dāng)量齒數(shù)在圖中查得；
——齒寬系數(shù)；
——重合度影響系數(shù)，=2.0。
一擋齒輪12，查圖得y=0.162，代入（3.7）得=291.81Mpa；
一擋齒輪11，查圖得y=0.138，代入（3.7）得=118.85Mpa；
二擋齒輪10，查圖得y=0.191，代入（3.7）得=158.26Mpa；
二擋齒輪9，查圖得y=0.175，代入（3.7）得=101.91Mpa；
三擋齒輪8，查圖得y=0.182，代入（3.7）得=166.27Mpa；
三擋齒輪7，查圖得y=0.174，代入（3.7）得=115.94Mpa；
四擋齒輪6，查圖得y=0.178，代入（3.7）得=142.76Mpa；
四擋齒輪5，查圖得y=0.173，代入（3.7）得=131.01Mpa；
五擋齒輪4，查圖得y=0.176，代入（3.7）得=120.16Mpa；
五擋齒輪3，查圖得y=0.172，代入（3.7）得=157.27Mpa；
常嚙合齒輪2，查圖得y=0.142，代入（3.7）得=136.21Mpa；
常嚙合齒輪1，查圖得y=0.148，代入（3.7）得=219.56Mpa；
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，對乘用車常嚙合齒輪和高擋齒輪，許用應(yīng)力在180~350Mpa范圍，所有斜齒輪滿足<[ ]，故彎曲強(qiáng)度
足夠。
2.輪齒接觸應(yīng)力計(jì)算
（3.8）
式中：——輪齒的接觸應(yīng)力（Mpa）；
F——齒面上的法向力（N）， ；
——圓周力（N），；
——計(jì)算載荷（N·mm）；
d——節(jié)圓直徑（mm）；
——節(jié)點(diǎn)處壓力角；
——齒輪螺旋角；
E——齒輪材料的彈性模量，合金鋼取E=；
b——齒輪接觸的實(shí)際寬度（mm）；
、——主、從動齒輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑（mm），直齒輪，斜齒輪；、為主、從動齒輪的節(jié)圓半徑（mm）。
將上述有關(guān)參數(shù)代入式（3.8），并將作用在變速器第一軸上的載荷/2作為計(jì)算載荷時，得出：
一擋接觸應(yīng)力；
二擋接觸應(yīng)力；
三擋接觸應(yīng)力；
四擋接觸應(yīng)力；
五擋接觸應(yīng)力
常嚙合接觸應(yīng)力；
倒擋接觸應(yīng)力（齒輪14主動，15從動）；
（齒輪15主動，13從動）；
對于滲碳齒輪變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力[]，一擋和倒擋 []=1900~2000Mpa，常嚙合齒輪和高擋[]=1300~1400Mpa。故所有齒輪滿足 <[ ]，接觸強(qiáng)度足夠。
3.1.3 變速器齒輪的材料及熱處理
變速器齒輪多數(shù)采用滲碳合金鋼，其表層的高硬度與心部的高韌性相結(jié)合，能大大提高齒輪的耐磨性及抗彎曲疲勞和接觸疲勞的能力。
國內(nèi)汽車變速器齒輪材料主要采用20CrMnTi,滲碳齒輪在淬火、回火后表面硬度為58~63HRC，心部硬度為33~48HRC。
淬火的目的是大幅度提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求。回火的作用在于提高組織穩(wěn)定性，使工件在使用過程中不再發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，從而使工件幾何尺寸和性能保持穩(wěn)定；消除內(nèi)應(yīng)力，以改善工件的使用性能并穩(wěn)定工件幾何尺寸；調(diào)整鋼鐵的力學(xué)性能以滿足使用要求[8]。
3.2 軸的設(shè)計(jì)及校核
3.2.1初選軸的直徑
軸的徑向及軸向尺寸對其剛度影響很大，且軸長與軸徑應(yīng)協(xié)調(diào)，變速器軸的最大直徑與支承間的距離可按下列關(guān)系式初選
對于二軸式: = 0.18～0.21 （3.9）
中間軸式變速器第二軸與中間軸的最大直徑d==可根據(jù)中心距A(mm)按下式初選:
d≈(0.45～0.60)A （3.10）
第一軸花鍵部分直徑可根據(jù)發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩按下式初選
d≈(4～4.6) （3.11）
初選的軸徑還需根據(jù)變速器的結(jié)構(gòu)布置和軸承與花鍵，彈性檔圈等標(biāo)準(zhǔn)以及軸的剛度與強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行修正［2］。經(jīng)過計(jì)算得：
第一軸花鍵部分直徑： d=26mm
中間軸的最大直徑： =40mm
支承間的距離： =224mm
第二軸的的最大直徑： =40mm
支承間的距離： =192mm
3.2.2軸的剛度計(jì)算
對齒輪工作影響最大的是軸在垂直面內(nèi)產(chǎn)生的撓度和軸在水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角。前者使齒輪中心距發(fā)生變化，破壞了齒輪的正確嚙合；后者使齒輪相互歪斜，如圖3.1所示，致使沿齒長方向的壓力分布不均勻。
(a)軸在垂直面內(nèi)的變形 (b)軸在水平面內(nèi)的變形
圖3.1 變速器軸的變形示意簡圖
軸的撓度和轉(zhuǎn)角可按《材料力學(xué)》的有關(guān)公式計(jì)算。計(jì)算時，僅計(jì)算齒輪所在位置處軸的撓度和轉(zhuǎn)角。第一軸常嚙合齒輪副，因距離支承點(diǎn)近，負(fù)荷又小，通常撓度不大，故可以不必計(jì)算。變速器齒輪在軸上的位置如圖3.2所示時，若軸在垂直面內(nèi)撓度為，在水平面內(nèi)撓度為和轉(zhuǎn)角為，可分別用下式計(jì)算
（3.12）
（3.13）
（3.14）
式中 ——齒輪齒寬中間平面上的徑向力（N）；
——為齒輪齒寬中間平面上的圓周力（N）；
——彈性模量（MPa），=2.1×105 MPa；
——慣性矩（mm4），對于實(shí)心軸，；
——軸的直徑（mm），花鍵處按平均直徑計(jì)算；、為齒輪上的作用力距支座、的距離（mm）；
——支座間的距離（mm）。
圖3.2 變速器軸的撓度和轉(zhuǎn)角
軸的全撓度為
mm （3.15）
軸在垂直面和水平面內(nèi)撓度的允許值為=0.05～0.10mm，=0.10～0.15mm。齒輪所在平面的轉(zhuǎn)角不應(yīng)超過0.002rad［3］。
1、第一軸的剛度
==17101.33N
==6765.36 N
變速器工作時，，，
==0.02mm＜
==0.05mm＜
===0.05mm＜[]
==0.00003rad＜[]
2、中間軸的剛度
（1）一檔工作時的剛度
計(jì)算用的齒輪嚙合的圓周力，徑向力及軸向力，可按下式求出：
===52631.58N
===20821.28N
===24736.84N
一檔工作時，，，
==0.08mm≤
==0.003 mm≤
===0.08mm＜[]
==0.0005rad＜[]
（2）二檔工作時的剛度
計(jì)算用的齒輪嚙合的圓周力，徑向力，可按下式求出：
===33000N
===13054.95N
二檔工作時，，，
==0.037mm≤
==0.094mm≤
===0.10mm＜[]
==0.00002rad＜[]
（3）三檔工作時的剛度
計(jì)算用的齒輪嚙合的圓周力，徑向力，可按下式求出：
===26300N
===3422.3N
三檔工作時，，，
==0.023mm≤
==0.073mm≤
===0.077mm＜[]
==0.00027rad＜[]
（4）四檔工作時的剛度
計(jì)算用的齒輪嚙合的圓周力，徑向力，可按下式求出：
===19000N
===7516.48N
四檔工作時，，，
==0.030mm≤
==0.074mm≤
===0.080mm＜[]
==0.00009rad＜[]
（5）五檔工作時的剛度
計(jì)算用的齒輪嚙合的圓周力，徑向力及軸向力，可按下式求出：
===14526.32N
===5746.68N
===6827.37N
一檔工作時，，，
==0.017mm≤
==0.043 mm≤
===0.05mm＜[]
==0.0002rad＜[]
（6）倒檔工作時的剛度
計(jì)算用的齒輪嚙合的圓周力，徑向力，可按下式求出：
===65866.66N
===26057.14N
倒檔工作時，，，
==0.090mm≤
==0.032mm≤
===0.09mm＜[]
==0.00002rad＜[]
3、第二軸的剛度
（1）一檔工作時的剛度
計(jì)算用的齒輪嚙合的圓周力，徑向力及軸向力，可按下式求出：
===71428.57N
===28257.46N
===33571.43N
一檔工作時，，，
==0.06mm≤
==0.041 mm≤
===0.072mm＜[]
==0.0015rad＜[]
（2）二檔工作時的剛度
計(jì)算用的齒輪嚙合的圓周力，徑向力，可按下式求出：
===41485.71N
===16411.93N
二檔工作時，，，
==0.05mm≤
==0.13mm≤
===0.14mm＜[]
==0.0001rad＜[]
（3）三檔工作時的剛度
計(jì)算用的齒輪嚙合的圓周力，徑向力，可按下式求出：
===30057.14N
===11890.74N
三檔工作時，，，
==0.047mm≤
==0.10mm≤
===0.11mm＜[]
==0.00048rad＜[]
（4）四檔工作時的剛度
計(jì)算用的齒輪嚙合的圓周力，徑向力，可按下式求出：
===25333.33N
===10021.98N
四檔工作時，，，
==0.036mm≤
==0.028mm≤
===0.046mm＜[]
==0.00043rad＜[]
（5）五檔工作時的剛度
計(jì)算用的齒輪嚙合的圓周力，徑向力及軸向力，可按下式求出：
===19714.29N
===7799.06N
===9265.72N
一檔工作時，，，
==0.01mm≤
==0.026 mm≤
===0.028mm＜[]
==0.00036rad＜[]
（6）倒檔工作時的剛度
計(jì)算用的齒輪嚙合的圓周力，徑向力，可按下式求出：
===89818.18N
===35532.47N
倒檔工作時，，，
==0.075mm≤
==0.14mm≤
===0.16mm＜[]
==0.0036rad＜[]
3.2.3 軸的強(qiáng)度計(jì)算
作用在齒輪上的徑向力和軸向力，使軸在垂直面內(nèi)彎曲變形，而圓周力使軸在水平面內(nèi)彎曲變形。在求取支點(diǎn)的水平垂直面內(nèi)的支反力之后，計(jì)算相應(yīng)的彎矩、。軸在轉(zhuǎn)矩和彎矩的同時作用下，其應(yīng)力為
== （3.16）
式中 M——合成彎矩，（N·mm）；
d——軸的直徑（mm），花鍵處取內(nèi)徑；
W——抗彎截面系數(shù)（mm)。
在低檔工作時，[]≤400MPa。
除此之外，對軸上的花鍵，應(yīng)驗(yàn)算齒面的擠壓應(yīng)力。
變速器的軸用與齒輪相同的材料制造［2］。
1、第一軸強(qiáng)度校核
第一軸一檔工作時強(qiáng)度校核：
=22045.5N，=8716.8N， =9357.7N,
,,.
求H面內(nèi)支反力、和彎矩
輸出軸受力如圖3.3（a）所示，則
+= （3.17）
= （3.18）
由式（3.17）和式（3.18）可得：=-960.8N，=6966.1N，=-192.16N·m。
（a）第一軸水平方向受力圖 （b）第一軸垂直方向受力圖
圖3.3 第一軸受力圖
求V面內(nèi)支反力、和彎矩
輸出軸受力如圖3.4（b）所示，則
+= （3.19）
+= （3.20）
由式（3.19）和式（3.20）可得：=96.5N，=2384.7N，=93.21N·m
（3.21）
=
=281.9N·m
===106.4＜[] （3.22）
（a）第一軸水平彎矩圖 （b）第一軸垂直彎矩圖
圖3.4 第一軸彎矩圖
2、中間軸強(qiáng)度校核
中間軸一檔工作時強(qiáng)度校核：
=22045.5N，=8716.8N， =9357.7N
,
求H面內(nèi)支反力、和彎矩
輸出軸受力如圖3.5（a）所示，則
+= （3.23）
= （3.24）
由式（3.23）和式（3.24）可得：=6298.7N，=15746.8N，=1007.79N·m
求V面內(nèi)支反力、和彎矩
輸出軸受力如圖3.5（b）所示，則
+= （3.25）
=+ （3.26）
由式（3.25）和式（3.26）可得：=3648.1N，=5068.7N，=583.70N·m
=
=1179.07N·m
===181.88＜[]
（a）中間軸水平方向受力圖 （b）中間軸垂直方向受力圖
圖3.5中間軸受力圖
彎矩圖如圖3.6所示：
（a）中間軸水平彎矩圖 （b）中間軸垂直彎矩圖
圖3.6 中間軸彎矩圖
3、第二軸強(qiáng)度校核
第二軸一檔工作時強(qiáng)度校核：
=11713.9N，=4631.7N， =4972.2N，，
求H面內(nèi)支反力、和彎矩
輸出軸受力如圖3.8（a）所示，則
+= （3.27）
= （3.28）
由式（4.23）和式（4.24）可得：=3904.6N，=7809.3N，=499.79N·m
求V面內(nèi)支反力、和彎矩
輸出軸受力如圖4.8（b）所示，則
+= （3.29）
=+ （3.30）
由式（3.29）和式（3.30）可得：=2894.4N，=1737.3N，=370.48N·m
=
=648.77N·m
===120.5＜[]
（a）第二軸水平方向 （b）第二軸垂直方向受力圖
圖3.7 第二軸受力圖
（a）第二軸水平彎矩圖 （b）第二軸垂直彎矩圖
圖3.8 第二軸彎矩圖
第4章 同步器的選擇
同步器有常壓式、慣性式和慣性增力式三種。常壓式同步器結(jié)構(gòu)雖然簡單，但有不能保嚙合件在同步狀態(tài)下（即角速度相等）換擋的缺點(diǎn)，現(xiàn)已不用。得到廣泛應(yīng)用的是慣性式同步器。
4.1 慣性式同步器
慣性式同步器能做到換擋時，在兩換擋元件之間的角速度達(dá)到完全相等之前不允許換擋，因而能很好地完成同步器的功能和實(shí)現(xiàn)對同步器的基本要求。
按結(jié)構(gòu)分，慣性式同步器有鎖銷式、滑塊式、鎖環(huán)式、多片式和多錐式幾種。雖然它們結(jié)構(gòu)不同，但是它們都有摩擦元件、鎖止元件和彈性元件。
4.1.1 鎖環(huán)式同步器的結(jié)構(gòu)
如圖4.1所示，鎖環(huán)示同步器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是同步器的摩擦元件位于鎖環(huán)1或4和齒輪5或8凸肩部分的錐形斜面上。作為鎖止元件是在鎖環(huán)1或4上的齒和做在嚙合套7上的齒的端部，且端部均為斜面稱為鎖止面。彈性元件是位于嚙合套座兩側(cè)的彈簧圈。彈簧圈將置于嚙合套座花鍵上中部呈凸起狀的滑快壓向嚙合套。在不換擋的中間位置，滑快凸起部分嵌入嚙合套中部的內(nèi)環(huán)槽中，使同步器用來換擋的零件保持在中立位置上。滑快兩端伸入鎖環(huán)缺口內(nèi)，而缺口的尺寸要比滑快寬一個接合齒。
圖4.1 鎖環(huán)式同步器
1、4-鎖環(huán)；2-滑塊；3-彈簧圈；5、8-齒輪；6-嚙合套座；7-嚙合套
4.1.2鎖環(huán)式同步器的工作原理
換檔時，沿軸向作用在嚙合套上的換檔力，推嚙合套并帶動滑快和鎖環(huán)移動，直至鎖環(huán)錐面與被接合齒輪上的錐面接觸為止。之后，因作用在錐面上的法向力與兩錐面之間存在角速度差△，致使在錐面上有摩擦力矩，它使鎖環(huán)相對嚙合套和滑塊轉(zhuǎn)過一個角度，并由滑快予以定位。接下來，嚙合套的齒端與鎖環(huán)齒端的鎖止面接觸，使嚙合套的移動受阻，同步器處在鎖止?fàn)顟B(tài)，換檔的第一階段工作至此已完成。換檔哪個力將鎖環(huán)繼續(xù)壓靠在錐面上，并使摩擦力矩增大，與此同時在鎖止面處作用有與之方向相反的撥環(huán)力矩。齒輪與鎖環(huán)的角速度逐漸接近，在角速度相等的瞬間，同步過程結(jié)束，完成了換檔過程的第二階段工作。之后，摩擦力矩隨之消失，而撥環(huán)力矩使鎖環(huán)回位，兩鎖止面分開，同步器解除鎖止?fàn)顟B(tài)，嚙合套上的接合齒在換檔力的作用下通過鎖環(huán)去與齒輪上的接合齒嚙合，完成換檔。
鎖環(huán)式同步器有工作可靠、零件耐用等優(yōu)點(diǎn)，但因結(jié)構(gòu)布置上的限制，轉(zhuǎn)矩容量不大，而且由于鎖止面在鎖環(huán)的接合齒上，會因齒端磨損而失效，因而主要用于乘用車和總質(zhì)量不大的貨車變速器中。
4.1.3鎖環(huán)式同步器主要尺寸的確定
接近尺寸，同步器換擋第一階段中間，在滑塊側(cè)面壓在鎖環(huán)缺口側(cè)邊的同時，且嚙合套相對滑塊作軸向移動前，嚙合套接合齒與鎖環(huán)接合齒倒角之間的軸向距離，稱為接近尺寸。尺寸應(yīng)大于零，取=0.2～0.3mm。
分度尺寸，滑塊側(cè)面與鎖環(huán)缺口側(cè)邊接觸時，嚙合套接合齒與鎖環(huán)接合齒中心線間的距離，稱為分度尺寸。尺寸應(yīng)等于1/4接合齒齒距。
尺寸和是保證同步器處于正確嚙合鎖止位置的重要尺寸，應(yīng)予以控制。
滑塊轉(zhuǎn)動距離，滑塊在鎖環(huán)缺口內(nèi)的轉(zhuǎn)動距離影響分度尺寸。滑塊寬度、滑塊轉(zhuǎn)動距離與缺口寬度尺寸之間的關(guān)系如下
（4.1）
滑塊轉(zhuǎn)動距離與接合齒齒距的關(guān)系如下
（4.2）
式中 —滑塊軸向移動后的外半徑（即鎖環(huán)缺口外半徑）；
—接合齒分度圓半徑。
滑塊端隙，滑塊端隙系指滑塊端面與鎖環(huán)缺口端面之間的間隙，同時，嚙合套端面與鎖環(huán)端面之間的間隙為，要求＞。若＜，則換擋時，在摩擦錐面尚未接觸時，嚙合套接合齒與鎖環(huán)接合齒的鎖止面已位于接觸位置，即接近尺寸＜0，此刻因鎖環(huán)浮動，摩擦面處無摩擦力矩作用，致使嚙合套可以通過同步環(huán)，而使同步器失去鎖止作用。為保證＞0，應(yīng)使＞，通常取=0.5mm左右。
鎖環(huán)端面與齒輪接合齒端面應(yīng)留有間隙，并可稱之為后備行程。
預(yù)留后備行程的原因是鎖環(huán)的摩擦錐面會因摩擦而磨損，并在下來的換擋時，鎖環(huán)要向齒輪方向增加少量移動。隨著磨損的增加，這種移動量也逐漸增多，導(dǎo)致間隙逐漸減少，直至為零；此后，兩摩擦錐面間會在這種狀態(tài)下出現(xiàn)間隙和失去摩擦力矩。而此刻，若鎖環(huán)上的摩擦錐面還未達(dá)到許用磨損的范圍，同步器也會因失去摩擦力矩而不能實(shí)現(xiàn)鎖環(huán)等零件與齒輪同步后換擋，故屬于因設(shè)計(jì)不當(dāng)而影響同步器壽命。一般應(yīng)去=1.2～2.0mm。
在空擋位置，鎖環(huán)錐面的軸向間隙應(yīng)保持在0.2～0.5mm。
4.2主要參數(shù)的確定
4.2.1摩擦因數(shù)f
汽車在行駛過程中換檔，特別是在高檔區(qū)換檔次數(shù)較多，意味著同步器工作頻繁。同步器是在同步環(huán)與連接齒輪之間存在角速度差的條件下工作，要求同步環(huán)有足夠的使用壽命，應(yīng)當(dāng)選用耐磨性能良好的材料。為了獲得較大的摩擦力矩，又要求用摩擦因數(shù)大而且性能穩(wěn)定的材料制作同步環(huán)。另一方面，同步器在油中工作，使摩擦因數(shù)減小，這就為設(shè)計(jì)工作帶來困難。
摩擦因數(shù)除與選用的材料有關(guān)外，還與工作面的表面粗糙度、潤滑油種類和溫度等因數(shù)有關(guān)。作為與同步環(huán)錐面接觸的齒輪上的錐面部分與齒輪做成一體，用低碳合金鋼制成。對錐面的表面粗糙度要求較高，用來保證在使用過程中摩擦因數(shù)變化小。若錐面的表面粗糙度值大，則在使用初期容易損害同步環(huán)錐面。
同步環(huán)常選用能保證具有足夠高的強(qiáng)度和硬度、耐磨性能良好的黃銅合金制造，如錳黃銅、鋁黃銅和錫黃銅等。早期用青銅合金制造的同步環(huán)，因使用壽命短已遭淘汰。
由黃銅合金與鋼材構(gòu)成的摩擦副，在油中工作的摩擦因數(shù)f取為0.1。
摩擦因數(shù)對換擋齒輪和軸的角速度能迅速達(dá)到相同有重要作用。摩擦因數(shù)大，則換擋省力或縮短同步時間；摩擦因數(shù)小則反之，甚至失去同步作用。為此，在同步環(huán)錐面處制有破壞油膜的細(xì)牙螺紋槽及與螺紋槽垂直的泄油槽，用來保證摩擦面之間有足夠的摩擦因數(shù)。
4.2.2同步環(huán)主要尺寸的確定
1、同步環(huán)錐面上的螺紋槽
如果螺紋槽螺線的頂部設(shè)計(jì)得窄些，則刮去存在于摩擦錐面之間的油膜效果好。但頂部寬度過窄會影響接觸面壓強(qiáng)，使磨損加快。實(shí)驗(yàn)還證明：螺紋的齒頂寬對的影響很大，隨齒頂?shù)哪p而降低，換擋費(fèi)力，故齒頂寬不易過大。螺紋槽設(shè)計(jì)得大些，可使被刮下來的油存在于螺紋之間的間隙中，但螺距增大又會使接觸面減少，增加磨損速度。通常軸向泄油槽為6～12個，槽寬3～4mm。
2、錐面半錐角
摩擦錐面半錐角越小，摩擦力矩越大。但過小則摩擦錐面將產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象，避免自鎖的條件是。一般取=6°～8°。=6°時，摩擦力矩較大，但在錐面的表面粗糙度控制不嚴(yán)時，則有粘著和咬住的傾向；在=7°時就很少出現(xiàn)咬住現(xiàn)象。
3、摩擦錐面平均半徑
設(shè)計(jì)得越大，則摩擦力矩越大。往往受結(jié)構(gòu)限制，包括變速器中心距及相關(guān)零件的尺寸和布置的限制，以及取大以后還會影響同步器徑向厚度尺寸要取小的約束，故不能取大。原則上是在可能的條件下，盡可能將取大些。
4、錐面工作長度b
縮短錐面長度，可使變速器的軸向長度縮短，但同時也減小了錐面的工作面積，增加了單位壓力并使磨損加速。設(shè)計(jì)時可根據(jù)下式計(jì)算確定
（4.3）
式中 ——摩擦面的許用壓力，對黃銅與鋼的摩擦副，=1.0～1.5MPa；
Mm——摩擦力矩；
——摩擦因數(shù)；
——摩擦錐面的平均半徑。
上式中面積是假定在沒有螺紋槽的條件下進(jìn)行計(jì)算的。
5、同步環(huán)徑向厚度
與摩擦錐面平均半徑一樣，同步環(huán)的徑向厚度受結(jié)構(gòu)布置上的限制，包括變速器中心距及相關(guān)零件特別是錐面平均半徑和布置上的限制，不易取得很厚，但必須保證同步環(huán)有足夠的強(qiáng)度。
乘用車同步環(huán)厚度比貨車小些，應(yīng)選用鍛件或精密鍛造工藝加工制成，這能提高材料的屈服強(qiáng)度和疲勞壽命。鍛造時選用錳黃銅等材料。有的變速器用高強(qiáng)度、高耐磨性的鋼與鉬配合的摩擦副，即在鋼質(zhì)或球墨鑄鐵同步環(huán)的錐面上噴鍍一層鉬（厚約0.3～0.5），使其摩擦因數(shù)在鋼與銅合金的摩擦副范圍內(nèi)，而耐磨性和強(qiáng)度有顯著提高。也有的同步環(huán)是在銅環(huán)基體的錐孔表面噴上厚0.07～0.12mm的鉬制成。噴鉬環(huán)的壽命是銅環(huán)的2～3倍。以鋼質(zhì)為基體的同步環(huán)不僅可以節(jié)約銅，還可以提高同步環(huán)的強(qiáng)度。
4.2.3鎖止角
鎖止角選取得正確，可以保證只有在換擋的兩個部分之間角速度差達(dá)到零值才能進(jìn)行換擋。影響鎖止角選取的因素，主要有摩擦因數(shù)、摩擦錐面平均半徑、鎖止面平均半徑和錐面半錐角。已有結(jié)構(gòu)的鎖止角在26°～42°。
4.2.4同步時間
同步器工作時，要連接的兩個部分達(dá)到同步的時間越短越好。除去同步器的結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)動慣量對同步時間有影響。軸向力大、則同步時間減少。而軸向力與作用在變速桿手柄上的力有關(guān)，不同車型要求作用到手柄上的力也不相同。為此，同步時間與車型有關(guān)，計(jì)算時可在下述范圍選取：對乘用車變速器，高檔取0.15～0.30s，低檔取0.50～0.80s；對貨車變速器，高檔取0.30～0.80s，低檔取1.00～0.50s。
4.2.5轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算
換擋過程中依據(jù)同步器改變轉(zhuǎn)速的零件，統(tǒng)稱為輸入端零件，它包括第一軸及離合器的從動盤、中間軸及其上的齒輪、與中間軸上齒輪向嚙合的第二軸上的常嚙合齒輪。其轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算是：首先求得各零件的轉(zhuǎn)動慣量，然后按不同擋位轉(zhuǎn)換到被同步的零件上。對已有的零件，其轉(zhuǎn)動慣量值通常用扭擺法測出；若零件未制成，可將這些零件分解為標(biāo)準(zhǔn)的幾何體，并按數(shù)學(xué)公式合成求出轉(zhuǎn)動慣量值［3］。
第5章 變速器操縱機(jī)構(gòu)的選擇和箱體設(shè)計(jì)原則
5.1變速器操縱機(jī)構(gòu)的選擇
根據(jù)汽車使用條件的需要，駕駛員利用操縱機(jī)構(gòu)完成選檔和實(shí)現(xiàn)換檔或退到空檔。
變速器操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足如下主要要求：換檔時只能掛入一個檔位，換檔后應(yīng)使齒輪在全齒長上嚙合，防止自動脫檔或自動掛檔，防止誤掛倒檔，換檔輕便。
用于機(jī)械式變速器的操縱機(jī)構(gòu)，常見的是由變速桿、撥塊、撥叉、變速叉軸及互鎖、自鎖和倒擋裝置等主要零件組成，并依靠駕駛員手力完成選擋、換擋或推到空擋工作，稱為手動換擋變速器。
變速器操縱機(jī)構(gòu)可分為直接操縱手動換檔變速器，遠(yuǎn)距離操縱手動換檔變速器和電控自動換檔變速器。
當(dāng)變速器布置在駕駛員座椅附近時，可將變速桿直接安裝在變速器上，并依靠駕駛員手力和通過變速桿直接完成換檔功能的手動換檔變速器，稱為直接操縱變速器。這種操縱方案結(jié)構(gòu)最為簡單