【正文】 術(shù)。但是僅僅采用機(jī)電液技術(shù)還不夠，還需要應(yīng)用聲學(xué)、光學(xué)、和化學(xué)等多學(xué)科技術(shù)才能使機(jī)械具有良好的信息處理能力，實(shí)現(xiàn)高度自動化。 變速器是汽車傳動系中一個比較關(guān)鍵的部件，它設(shè)計的好壞直接影響到汽車的使用性能。隨著汽車工業(yè)的告訴發(fā)展和現(xiàn)汽車現(xiàn)代設(shè)計方法的開發(fā)和應(yīng)用，人們對汽車變速器的設(shè)計要求是越來越高。其中，減少變速器體積，提高變速器可靠性以及改善其與 發(fā)動機(jī)的匹配更是當(dāng)前急需解決的重要問題！ 兩軸式變速器與三變速器相比，其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊且除到檔外其他 2 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、操縱性好且使汽車質(zhì)量降低 6%~10%。兩軸式變速器縱置時，傳動系的結(jié)構(gòu)簡單（即輸出軸與主減速器主動齒輪做成一體從而簡化了制造工藝，降低了成本）。 設(shè)計二軸五檔變速器的目的和意義 變速器是汽車傳動系中一個比較關(guān)鍵的部件，它設(shè)計的好壞直接影響到汽車的使用性能。隨著汽車工業(yè)的告訴發(fā)展和現(xiàn)汽車現(xiàn)代設(shè)計方法的開發(fā)和應(yīng)用 ，人們對汽車變速器的設(shè)計要求是越來越高。其中，減少變速器體積，提高變速器可靠性以及改善其與發(fā)動機(jī)的匹配更是當(dāng)前急需解決的重要問題！ 本課題將可靠優(yōu)化二軸五檔變速器設(shè)計理論應(yīng)用汽車機(jī)械式變速器齒數(shù)系的設(shè)計中，根據(jù)汽車的動力性要求，在保證零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度可靠使用的條件下，以變速器體積最小化和功率使用最大化為目標(biāo)函數(shù)，通過可靠性優(yōu)化設(shè)計結(jié)果與原始數(shù)據(jù)的對比，使變速器設(shè)計得到一個更可靠的優(yōu)化。 汽車變速器設(shè)計要求 汽車傳動系是汽車的核心組成部分。其任務(wù)是調(diào)節(jié)、變換發(fā)動機(jī)的性能，將動力有效而經(jīng)濟(jì)地傳至驅(qū)動車輪，以滿 足汽車的使用要求。變速器是完成傳動系任務(wù)的重要部件，也是決定整車性能的主要部件之一。變速器的結(jié)構(gòu)要求對汽車的動力性、燃料經(jīng)濟(jì)性、換檔操縱的可靠性與輕便性、傳動平穩(wěn)性與效率等都有直接的影響。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，轎車變速器的設(shè)計趨勢是增大其傳遞功率與重量之比，并要求其具有更小的尺寸和良好的性能。在汽車變速器的設(shè)計工作開始之前，首先要根據(jù)變速器運(yùn)用的實(shí)際場合來對一些主要參數(shù)做出選擇。主要參數(shù)包括中心距、變速器軸向尺寸、軸的直徑、齒輪參數(shù)、各檔齒輪的齒數(shù)等。 （ 1） 正確選擇變速器的檔位數(shù)和傳動比，使之與發(fā)動機(jī)參數(shù)優(yōu)化匹配 ，以保證汽車具有良好的動力性與經(jīng)濟(jì)性 ； （ 2） 設(shè)置空擋，用來切斷發(fā)動機(jī)動力向驅(qū)動輪的傳輸 ； （ 3） 設(shè)置倒擋，使汽車能倒退行駛 ； （ 4） 設(shè)置動力輸出裝置，需要時能進(jìn)行功率輸出 ； 3 （ 5） 換擋迅速、省力、方便 ； （ 6） 工作可靠 ； （ 7） 變速器應(yīng)有高的工作效率 ； （ 8） 變速器的工作噪聲低。 除此之外，變速器還應(yīng)當(dāng)滿足輪廓尺寸和質(zhì)量小、制造成本低、拆裝容易、維修方便等要求 。 研究變速的現(xiàn)狀 眾所周知，中國國內(nèi)市場的 轎車 車型， 90%都來自日本 和德國 技術(shù)，更確切地說，是來自于日本 豐田和德國大眾 技術(shù)。國內(nèi)的許多車廠在研發(fā)、生產(chǎn)方式上，或是購買 技術(shù)，或是與 德 日方聯(lián) 合經(jīng)營，自主獨(dú)立開發(fā)的能力相對欠缺。因此， 我國的轎車 車型及所屬關(guān)緊部件的研發(fā)方面的發(fā)展相對滯后，進(jìn)而造成國內(nèi)的許多老型產(chǎn)品一 干就是十幾年，甚至二十幾年的尷尬局面。但是根據(jù)我們國家的實(shí)際現(xiàn)狀，目前中國市場對 轎 車的需求，在短時間內(nèi)，甚至相當(dāng)長的一段時間內(nèi) 轎 車仍然具有一定的發(fā)展的空間。 汽車變速器發(fā)展經(jīng)歷了 100 多年，從最初采用側(cè)鏈傳動到手動變速器 ，到現(xiàn)在的液力自動變速器和電控機(jī)械式自動變速器，再向無級自動變速器方向發(fā)展。變速器是汽車傳動系的重要組成部分，其發(fā)展無疑代表著汽車工業(yè)的發(fā)展，它的設(shè)計也是汽車設(shè)計的一個 重要部分。手動變速器 (MT)主要采用齒輪傳動的降低原理，變速器內(nèi)有多組傳動比不同的齒輪副，汽車行駛時的換擋就是通過操縱機(jī)構(gòu)使變速器內(nèi)不同的齒輪副工作。 我國汽車工業(yè)采用 CAD 技術(shù)，從無到有，至今已有十多年的歷史。與其他機(jī)械產(chǎn)品相比，汽車行業(yè)在計算機(jī)應(yīng)用的投入比較多。各汽車廠紛紛引進(jìn)軟硬件并逐步建立了計算機(jī)輔助系統(tǒng)。 AutoCAD 在用戶的心目中也變成了二維設(shè)計軟件的縮影。 變速器的設(shè)計思想 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) 。 （ 1） 發(fā)動機(jī)排量 升 ； （ 2） 五個前進(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 ； 4 （ 5） 齒輪、軸及軸承滿足使用要求 。 5 第 2章 變速器傳動機(jī)構(gòu)與操縱機(jī)構(gòu)的布置 變速器傳動機(jī)構(gòu)的布置方案 變速器傳動方案分析與選擇 機(jī)械式變速器具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、制造成本底和工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，故在不同形式的汽車上得到廣泛應(yīng)用。機(jī)械式變速器傳動機(jī)構(gòu)布置方案主要有兩種：兩軸式變速器和中間軸式變速器。 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。與中間軸式變速器相比，它具有軸和軸承數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡單、輪廓尺寸小、易布置等優(yōu)點(diǎn)。此外，各中間檔因只經(jīng)一對齒輪傳遞動，故傳動效率高，同 時噪聲小。但兩軸式變速器不能設(shè)置直接檔，所以在工作時齒輪和軸承均承載，工作噪聲增大且易損壞，受結(jié)構(gòu)限制其一檔速比不能設(shè)計的很大。其特點(diǎn)是：變速器輸出軸與主減速器主動齒輪做成一體，發(fā)動機(jī)縱置時直接輸出動力。 而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)動的汽車上。其特點(diǎn)是：變速器一軸后端與常嚙合齒輪做成一體絕大多數(shù)方案的第二軸與一軸在同一條直線上，經(jīng)嚙合套將它們連接后可得到直接檔，使用直接檔變速器齒輪和軸承及中間軸不承載，此時噪聲低，齒輪、軸承的磨損減少。 對不同類型的汽車，具有不同的傳動系 檔位數(shù)，其原因在于它們的使用條件不同、對整車性能要求不同、汽車本身的比功率不同 [5]。而傳動系的檔位數(shù)與汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性有著密切的聯(lián)系。就動力性而言，檔位數(shù)多，增加了發(fā)動機(jī)發(fā)揮最大功率附近高功率的機(jī)會，提高了汽車的加速和爬坡能力。就燃油經(jīng)濟(jì)性而言，檔位數(shù)多，增加了發(fā)動機(jī)在低燃油消耗率區(qū)下作的能力，降低了油耗。從而能提高汽車生產(chǎn)率，降低運(yùn)輸成木。不過，增加檔數(shù)會使變速器機(jī)構(gòu)復(fù)雜和質(zhì)量增加，軸向尺寸增大、成本提高、操縱復(fù)雜。 綜上所述，此次設(shè)計變速器是驅(qū)動形式屬于發(fā)動機(jī)前置前輪驅(qū)動，且可布置變速器的空 間較小，對變速器的要求較高，要求運(yùn)行噪聲小，設(shè)計車速高，故選用二軸式變速器作為傳動方案。選擇 5檔變速器，并且五檔為超速 6 檔。大體結(jié)構(gòu)可參考如圖 21所示的結(jié)構(gòu)。 圖 21 發(fā)動機(jī)前置前輪驅(qū)動布置示意圖 倒檔布置方案 常見的倒檔布置方案如圖 22 所示。圖 22b 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。但換檔時有兩對齒輪同時進(jìn)入嚙合，使換檔困難；圖 22c 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 22d 方案對 22c 的缺點(diǎn)做了修改；圖 22e 所示方案是將一、倒檔齒輪做成一體，將其齒寬 加長；圖 22f 所示方案適用于全部齒輪副均為常嚙合的齒輪，換檔換更為輕便。 7 圖 22 倒檔的布置方案 綜合考慮以上因素，為了換檔輕便，減小噪聲，倒檔傳動采用圖 所示方案。 操縱機(jī)構(gòu)布置方案 概述 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 [9]：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。 變速器操縱機(jī)構(gòu)通常裝在頂蓋或側(cè)蓋內(nèi)，也有少數(shù)是分開的。變速器操縱機(jī)構(gòu)操縱第二軸上的滑動 齒輪、嚙合套或同步器得到所需不同檔位。 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、自鎖和倒檔裝置等主要零件組成，并依靠駕駛員手力完成選檔、換檔或推到空檔工作，稱為手動換檔變速器。 直接操縱式手動換檔變速器當(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)最簡單，已得到廣泛應(yīng)用。近年來 ，單軌式操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)用較多，其優(yōu)點(diǎn)是減少了變速叉軸，各檔同用一組自鎖裝置，因而使操縱機(jī) 構(gòu)簡化，但它要求各檔換檔行程相等 。 8 典型的操縱機(jī)構(gòu)以及鎖止裝置 圖 23 典型的操縱機(jī)構(gòu)圖 定位裝置的作用是將被嚙合件保持在一定位置上，并防止自動嚙合和分離，一般采 用彈簧和鋼球式機(jī)構(gòu)。 換檔機(jī)構(gòu) 變速器換檔機(jī)構(gòu)有直齒滑動齒輪、嚙合套和同步器換檔三種形式。 采用軸向滑動直齒齒輪換檔，會在輪齒端面產(chǎn)生沖擊，齒輪端部磨損加劇并過早損壞，并伴隨著噪聲。因此，除一檔、倒檔外已很少使用。 常嚙合齒輪可用移動嚙合套換檔。因承受換檔沖擊載荷的接合齒齒數(shù)多，嚙合套不會過早被損壞，但不能消除換檔沖擊。目前這種換檔方法只在某些要求不高的檔位及重型貨車變速器上應(yīng)用。 使用同步器能保證換檔迅速、無沖擊、無噪聲，而與操作技術(shù)的熟練程度無關(guān)，從而提高了汽車的加速性、燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性。同上述兩種換檔方法比較，雖然它有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度要求高、軸向尺寸大等缺點(diǎn)，但仍然得到廣泛應(yīng)用。利用同步器或嚙合套換檔，其換檔行程要比滑動齒輪換檔行程小。 通過比較，考慮汽車的操縱性能，本設(shè)計全部檔位均選用同步器換檔。 防脫檔設(shè)計 互鎖裝置是保證移動某一變速叉軸時，其它變速叉軸互被鎖住，該機(jī)構(gòu)的作用是防止同時掛入兩檔，而使掛檔出現(xiàn)重大故障。常見的互 鎖機(jī)構(gòu)有： （ 1） 互鎖銷式 9 圖 24 是汽車上用得最廣泛的一種機(jī)構(gòu)，互鎖銷和頂銷裝在變速叉軸之間，用銷子的長度和凹槽來保證互鎖。 圖 24， a 為空檔位置，此時任一叉軸可自由移動。圖 24， b、 c、 d 為某一叉軸在工作位置，而其它叉軸被鎖住。 （ 2） 擺動鎖塊式 圖 25 為擺動鎖塊式互鎖機(jī)構(gòu)工作示意圖，鎖塊用同心軸螺釘安裝在殼體上，并可繞螺釘軸線自由轉(zhuǎn)動，操縱桿的撥頭置于鎖塊槽內(nèi)，此時，鎖塊的一個或兩個突起部分 A 檔住其它兩個變速叉軸槽，保證換檔時不能同時掛入兩檔。 （ 3） 轉(zhuǎn)動鉗口式 圖 26 為與上述鎖塊機(jī)構(gòu)原理相似的轉(zhuǎn)動鉗口式互鎖裝 置。操縱桿撥頭置于鉗口中，鉗形板可繞 A 軸轉(zhuǎn)動。選檔時操縱桿轉(zhuǎn)動鉗形板選入某一變速叉軸槽內(nèi)，此時鉗形板的一個或兩個鉗爪抓住其它兩個變速叉，保證互鎖作用。 圖 25 擺動鎖塊式互鎖機(jī)構(gòu) 圖 26 轉(zhuǎn)動鉗口式互鎖機(jī)操縱機(jī) 構(gòu)還應(yīng)設(shè)有保證不能誤掛倒檔的機(jī)構(gòu)。通常是在倒檔叉或叉頭上裝有彈簧機(jī)構(gòu)，使司機(jī)在換檔時因有彈簧力作用，產(chǎn)生明顯的手感。 10 鎖止機(jī)構(gòu)還包括自鎖、倒檔鎖兩個機(jī)構(gòu)。 自鎖機(jī)構(gòu)的作用是將滑桿鎖定在一定位置，保證齒輪全齒長參加嚙合，并防 止 脫檔和掛檔。自鎖機(jī)構(gòu)有球形鎖定機(jī)構(gòu)與桿形鎖定機(jī)構(gòu)兩種類型。 倒檔鎖 的作用是使駕駛員必須對變速桿施加更大的力，方能掛入倒檔，起到提醒注意的作用，以防誤掛倒檔，造成安全事故。本次設(shè)計屬于前置前輪驅(qū)動的轎車，操縱機(jī)構(gòu)采用直接操縱方式，鎖定機(jī)構(gòu)全部采用，即設(shè)置自鎖、互鎖、倒檔鎖裝置。采用自鎖鋼球來實(shí)現(xiàn)自鎖，通過互鎖銷實(shí)現(xiàn)互鎖。倒檔鎖采用限位彈簧來實(shí)現(xiàn)，使駕駛員有感覺，防止誤掛倒檔。 本章小結(jié) 本章主要介紹了變速器傳動機(jī)構(gòu)的布置方案和零、部件結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并給出了此次設(shè)計的具體方案，即設(shè)計兩軸式變速器，倒擋布置方案如圖 22（ f）所示，前進(jìn)擋皆為斜齒圓柱齒輪，倒擋為直 齒圓柱齒輪，采用全同步器式換擋形式，圓柱滾子軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承。并且對操縱機(jī)構(gòu)做了詳細(xì)的介紹，說明了常用的鎖止機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及原理 。 11 第 3章 變 速器設(shè)計的總體方案 變速器主要參數(shù)的選擇 本次 變速器 設(shè)計的主要參數(shù)如下表 41 所示。 表 41 主要參數(shù) 發(fā)動機(jī)最大功率 115kw 車輪型號 215/60R15 發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 189Nm 最大功率時轉(zhuǎn)速 6300r/min 最大轉(zhuǎn)矩時轉(zhuǎn)速 4300r/min 最高車速 200km/h 總質(zhì)量 1430kg 整備質(zhì)量 2500kg 檔數(shù) 近年來，為了降低 油耗，變速器的檔數(shù)有增加的趨勢。目前，乘用車一般用 4～ 5 個檔位的變速器。發(fā)動機(jī)排量大的乘用車變速器多用 5 個檔。商用車變速器采用 4～ 5 個檔或多檔。載質(zhì)量在 ～ 的貨車采用五檔變速器，載質(zhì)量在 ～ 的貨車采用六檔變速器。多檔變速器多用于總質(zhì)量大些的貨車和越野汽車上 。 傳動比范圍 變速器傳動比范圍是指變速器最高檔與最低檔傳動比的比值。最高檔通常是直接檔，傳動比為 ；有的變速器最高檔是超速檔，傳動比為 ～。影響最低檔傳動比選取的因素有：發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速所要求的汽車最 大爬坡能力、驅(qū)動輪與路面間的附著力、主減速比和驅(qū)動輪的滾動半徑以及所要求達(dá)到的最低穩(wěn)定行駛車速等。目前乘用車的傳動比范圍在 ～ 之間，總質(zhì)量輕些的商用車在 ～ 之間，其它商用車則更大。 傳動比范圍的選擇要求：