【正文】 汽車所有部件的質(zhì) 量成為了汽車設(shè)計的基本準則。 減小汽車變速器的 質(zhì) 量因此也成為了現(xiàn)代變速器的設(shè)計趨勢 。 鋁、鎂合金具有比強度高、比重小等諸多優(yōu)點，是實現(xiàn)輕量化較為理想的材料 ， 目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于變速器殼體、離合器殼體、操縱蓋以及換檔撥叉等零件。鎂合金的密度為 ，是鋁合金的 2/3，不足鋼的 1/4，是實際應(yīng)用的材料中最輕的合金。而且鎂合金的切削性、比強度、比剛度好，尺寸穩(wěn)定性好，吸振能力好，有利于減振和降低噪聲。早在 1938年，德國大眾第 一 次對甲殼蟲轎車的變速器殼體使用鎂合金材料； 1972年奧迪在 014型手動變速器的殼體采用鎂合金材料。目前，大眾汽車公司和奧迪汽車公司啟動了使用鎂合金的戰(zhàn)略，福特汽車公司也在其輕型載貨車的離合器殼體中使用了鎂合金。 (2)多檔化 通常 5檔變速器最小速比 (超 速檔時 )為 ，最大速比的增加可提 高汽車的加速性能，當(dāng)檔位數(shù)大于 6或 1檔速比大于 4時，對加速性能的提高作用 已不明顯；檔位數(shù)和速比范圍對燃油經(jīng)濟性的 影響：通常 5檔變速器的最大速比 (1檔時 )取 ，增加速比可提高燃油經(jīng)濟 性，當(dāng)檔位數(shù)大于 6或上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） SJ 汽車變速器的設(shè)計與優(yōu)化 10 最小速比低于 ，對燃油經(jīng)濟性提高影響很小。為了提高汽車的動力性、經(jīng)濟性和駕駛平穩(wěn)性， 就 要求變速器增加速比范圍 ， 減少速比間隔。 (3)低噪聲化 在汽車的諸多噪聲源中，傳動系的噪聲僅次于發(fā)動機和排氣系統(tǒng)的噪聲， 齒輪噪聲又是變速器 上 的主要噪聲源，在 降低變速器噪聲中 扮演著 非常重要的角色。 幾十年來，人們對齒輪的低噪聲化進行 了大量的研究工作，取得了明顯的成效。在齒輪參數(shù)的降噪設(shè)計中，通過提高齒輪重合度來降低高速檔齒輪的噪聲， 小模數(shù)、小壓力角、大齒高的齒輪設(shè)計 已成為潮流；許多公司為此開發(fā)了專門的優(yōu)化 設(shè)計程序。 另外變速器箱體在降低變速器噪聲方面也發(fā)揮著重要的作用，改進箱體的截面形狀，從而改善箱體的振 動特性，可有效地降低變速器的噪聲。 2 SJ 汽車變速器的設(shè)計 變速器的設(shè)計要求 汽車變速器作為汽車傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵總成，其主要的功能是改變發(fā)動機曲軸的轉(zhuǎn)矩 及轉(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時對驅(qū)動車輪牽引力及車速的不同需求。 變速器的結(jié)構(gòu)對汽車的動力性、經(jīng)濟性、操縱的可靠性與輕便性、傳動的平穩(wěn)性與效率等都有直接的影響。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)計要求： (1)變速器的檔位數(shù)和傳動比，必須與發(fā)動機參數(shù)優(yōu)化匹配，以保證汽車具有良好的動力性與經(jīng)濟性； 上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） SJ 汽車變速器的設(shè)計與優(yōu)化 11 (2)設(shè)置空檔以保證汽車在必要時能將發(fā)動機與傳動系長時間分離；設(shè)置倒檔使汽車可以倒退行駛； (3)操縱簡單、方便、迅速、省力； (4)傳動效率高，工作平穩(wěn)、無噪聲； (5)體 積 小、質(zhì) 量 輕、承載能力強，工作可靠； (6)制造容易、成本低廉、維修方便、使用壽命長； (7)貫徹零件標準化、部件通用化及總成系列化等設(shè)計要求，遵守有關(guān)標準規(guī)定； (8)需要時應(yīng)設(shè)置動力輸出裝置。 本設(shè)計要求設(shè)計手動齒輪式變速器，變速器應(yīng)用于發(fā)動機前置、前輪驅(qū)動的轎車上（具體參數(shù)見表 ）。 表 SJ汽車變速器的設(shè)計原始參數(shù) 參數(shù) 數(shù)值 發(fā)動機功率 (P) 66KW 發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速（ n） 5600r/min 發(fā)動機最大扭矩（ maxeT ） 145 mN? (n=3500r/min) 主減速器傳動比（ 0i ） 整車總質(zhì)量（ m） 1360kg 車輪半徑 (r) 最大爬坡度（ maxi ） 30% (176。 ) 傳動系機械效率 ( T? ） 變速器傳動方案的確定 上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） SJ 汽車變速器的設(shè)計與優(yōu)化 12 軸數(shù)的選擇 手動變速器與自動變速器相比，其結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉，因此在各種類型的汽車上 均得到了廣泛的應(yīng)用。其中兩軸式和三軸式變速器在手動式變速器中得到了最廣泛的應(yīng)用。 三軸式變速器的第一軸常嚙合齒輪與第二軸的各檔齒輪分別與中間軸的相應(yīng)齒輪相嚙合，且第一、二軸同心。將第一、二軸直接連接起來傳遞轉(zhuǎn)矩則稱為直接檔。此時，齒輪、軸承及中間軸均不承載，而第一、二軸也僅傳遞轉(zhuǎn)矩．因此，直接檔的傳動效率高，磨損及噪聲也最小，這是三軸式變速器的主要優(yōu)點。其他前進檔需依次經(jīng)過兩對齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩。因此，在齒輪中心距 (影響變速器尺寸的重要參數(shù) )較小的情況下仍然可以獲得大的一檔傳動比，這是三軸式變速器的另一優(yōu)點。其缺 點是：除直接檔外其他各檔的傳動效率有所降低。 兩軸式變速器與三軸式變速器相比，其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊且除最高檔外其他各檔的傳動效率高、噪聲低。轎車多采用前置發(fā)動機前輪驅(qū)動的布置，因為這種布置使汽車的傳動系統(tǒng)緊湊、操縱性好且可使汽車 的 質(zhì)量減少6％～ l0％。兩軸式變速器的輸出軸與主減速器主動齒輪做成一體，當(dāng)發(fā)動機縱置時，主減速器可用螺旋錐齒輪或雙曲面齒輪；當(dāng)發(fā)動機橫置時則可用圓柱齒輪，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，其他檔位均采用常嚙合齒輪 (斜齒圓柱齒輪 )傳動。 根據(jù)設(shè)計要求，本 文擬選用兩軸式的手動變速器作為設(shè)計對象。 倒檔型式 的選擇 為實現(xiàn)倒檔傳動，采用在前進檔的傳動路線中，加入一個中間傳動齒上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） SJ 汽車變速器的設(shè)計與優(yōu)化 13 輪的方案，進行倒檔的動力傳遞。 由于倒檔使用率不高，本設(shè)計采用直齒滑動齒輪方案換入倒檔。 傳動路線的確定 傳動路線的設(shè)計應(yīng)首先考慮軸的受力情況，再根據(jù)變速器的結(jié)構(gòu)形式來進行布置。圖 為設(shè)計的 SJ 變速器的傳動方案簡圖。當(dāng)離合器接合時，發(fā)動機的動力傳至輸入軸，帶動三 /四檔同步器、二檔、一檔、倒檔主動齒輪和五檔接合套一起旋轉(zhuǎn)，二檔和一檔從動齒輪繞輸出軸空轉(zhuǎn)。由于此時所有 同步器接合套未與任何齒輪接合，倒檔軸上的第 2 倒檔齒輪亦未撥到與第 1 和第 3 倒檔齒輪嚙合的位置，因此，發(fā)動機動力不能傳到輸出軸，變速器處于空檔位置，車輛不能起步行駛。 圖 SJ 五檔機械變速器傳動方案簡圖 ； ； ； ； 齒輪； ； ； ； ； ；上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） SJ 汽車變速器的設(shè)計與優(yōu)化 14 ； ； ； ； (1)一檔傳動路線 如圖 所示 ,操縱變速 桿，通過撥叉機構(gòu)撥動一 /二檔換檔撥叉，使二檔同步器 11 的接合套右移，與輸出軸一檔齒輪 10 的外齒圈嚙合。動力便可從輸入軸依次經(jīng)輸入軸一檔齒輪 輸出軸一檔齒輪 10 和一 /二檔同步器 11 傳給輸出軸 15 輸出。一檔傳動比為輸出軸一檔齒輪 10 的齒數(shù) /輸入軸一檔齒輪 6 的齒數(shù)。一檔傳動比最大，產(chǎn)生的車輪驅(qū)動力最大，車速也最低，用于車輛的起步和爬坡。若需脫開一檔，通過撥動換檔撥叉，使同步器 11 的接合套左移，與輸出軸一檔齒輪 10 的外齒圈分離，變速器退回到空檔位置。 圖 SJ 五檔機械變速器的傳動路線 ； ； ／四檔同步器； ； 檔齒輪； ； ； ； ；； ／二檔同步器； ； ；； ； （僅見于圖 ）； 輪； 上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） SJ 汽車變速器的設(shè)計與優(yōu)化 15 (2)二檔傳動路線 如圖 所示，操縱變速桿，通過撥叉機構(gòu)撥動一 /二檔換檔撥叉，使一 /二檔同步器 11 的接合套左移，與輸出軸二檔齒輪 12 的外齒圈嚙合，動力便 可從輸入軸依次經(jīng)輸入軸二檔齒輪 輸出軸二檔齒輪 12 和一 /二檔同步器 11 傳給輸出軸 15 輸出。二檔傳動比為輸出軸二檔齒輪 12 的齒數(shù) /輸入軸二檔齒輪 5 的齒數(shù)。二檔脫開方式，與一檔類似。 (3)三檔傳動路線 如圖 所示，操縱變速桿，通過撥叉機構(gòu)撥動三 /四檔換檔撥叉，使三 /四檔同步器 3 的接合套右移，與輸入軸三檔齒輪 4 的外齒圈嚙合，動力便可從輸入軸依次經(jīng)輸入軸三檔齒輪 4 和輸出軸三檔齒輪 13 傳給輸出軸 15 輸出。三檔傳動比為輸出軸三檔齒輪 13 的齒數(shù) /輸入軸三檔齒輪4 的齒數(shù)。三檔脫開方式，與一檔類似。 (4) 四檔傳動 路線 如圖 所示，操縱變速桿，通過撥叉機構(gòu)撥動三 /四檔換檔撥叉，使三 /四檔同步器 3 的接合套左移，與輸入軸四檔齒輪 2 的外齒圈嚙合，動力便可從輸入軸依次經(jīng)輸入軸四檔齒輪 2 和輸出軸四檔齒輪 14 傳給輸出軸 15 輸出。四檔傳動比為輸出軸四檔齒輪 14 的齒數(shù) /輸入軸四檔齒輪2 的齒數(shù)。四檔脫開方式，與一檔類似。四檔 為 直接檔 (傳動比為 1)，在平直良好路面上使用，可實現(xiàn)較高車速。 (5)五檔傳動路線 如圖 所示，操縱變速桿，通過撥叉機構(gòu)撥動五檔換檔撥叉，使與輸入軸五檔齒輪 7 相連的五檔同步器 8 的接合套右移，與輸入軸端部上的上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） SJ 汽車變速器的設(shè)計與優(yōu)化 16 外齒圈嚙合，動力便可從輸入軸依次經(jīng)輸入軸端部外齒圈、五檔同步器 輸入軸五檔齒輪 7 和輸出軸五檔齒輪 9 傳給輸出軸 15 輸出。五檔傳動比為輸出軸五檔齒輪 9 的齒數(shù)／輸入軸五檔齒輪 7 的齒數(shù)。五檔脫開方式，與一檔類似。五檔為超速檔，變速器輸出軸轉(zhuǎn)速高于輸入軸轉(zhuǎn)速 (傳動比小于 1)，在平直良好路面上使用，可實現(xiàn)最高車速。在發(fā)動機功率足夠的條件下，采用超速檔可提高汽車的燃油經(jīng)濟性。 (6)倒檔傳動路線 為了實現(xiàn)汽車倒駛，在變速器輸入軸和輸出軸之間，安裝了一根倒檔軸，支承在變速器后殼體上。如圖 所示，操縱變速桿，通過倒檔撥 叉撥動第 2 倒檔齒輪，帶動倒檔軸右移 ,使輸入軸上的第 1 倒檔齒輪燈通過倒檔軸上的第 2 倒檔齒輪與輸出軸上的第 3 倒檔齒輪 18 嚙合，動力便可從輸入軸依次經(jīng)輸入軸上的第 1倒檔齒輪 17,倒檔軸上的第 2倒檔齒輪和輸出軸上的第 3 倒檔齒輪 18 傳給輸出軸 15 輸出。倒檔脫開時，需撥動倒檔撥叉，使倒檔軸上的第 2 倒檔齒輪與輸入、輸出軸上的倒檔齒輪 17 和18 脫開?？紤]到倒車安全，倒檔傳動比與一檔傳動比接近，希望倒車時車速盡可能低些。 圖 SJ 五檔機械變速器倒檔傳動路線 上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） SJ 汽車變速器的設(shè)計與優(yōu)化 17 ； ； ／四檔同步器； ； 檔齒輪； ； ； ； ；； ／二檔同步器； ； ；； ； ； ； 檔齒輪 變速器零部件型式的確定 齒輪型式 斜齒圓柱齒輪雖然工作時有軸向力且加工稍復(fù)雜些，但因為其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低、壽命長 等 突出優(yōu)點而使得其在變速器中得到普遍 的 采用。本設(shè)計擬定倒檔采用直齒圓柱齒輪，其它檔 位采用斜齒圓柱齒輪。 軸的型式 變速器軸在工作時需承受轉(zhuǎn)矩及彎矩，軸的明顯變形將影響齒輪 的 正常嚙合，產(chǎn)生較大的噪聲，降低使用壽命。軸的結(jié)構(gòu)形狀除應(yīng)保證其強度與剛度外，還應(yīng)考慮齒輪、同步器及軸承等的安裝、固定， 另外 它與加工工藝也有密切關(guān)系。 輸入軸通常與齒輪做成一體，其長度決定離合器總成的軸向尺寸。輸入軸的花鍵尺寸與離合器從動盤轂的內(nèi)花鍵統(tǒng)一考慮，采用齒側(cè)定心的矩形花鍵，鍵齒之間為動配合。 輸出軸制成階梯式以便于齒輪安裝，從受力及合理利用材料來看，這也是需要的。各截面尺寸不應(yīng)相差懸殊，否則軸上供磨 削用的砂輪越程槽處的應(yīng)力 過于 集中 ， 會引起軸 的 斷裂。采用彈性擋圈定位各檔齒輪，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但存在拆裝不方便，與旋轉(zhuǎn)件端面有滑摩，彈性擋圈也不能承受大的軸向力等缺點，不過由于設(shè)計的是轎車用變速器，故這種結(jié)構(gòu)上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） SJ 汽車變速器的設(shè)計與優(yōu)化 18 完全符合設(shè)計要求。輸出軸安裝同步器齒座的花鍵，采用漸開線花鍵且以大徑定心。雖然漸開線花鍵固定連接的精度要求比矩形花鍵低，但定位性能好，承載能力大，且鍵齒高較小，使小徑相應(yīng)增大，可增強軸的剛度。當(dāng)?shù)箼n采用滑動齒輪掛檔時，輸出軸的相應(yīng)花鍵則采用矩形花鍵及動配合。 倒檔軸為壓入殼體孔中并固定不動的光軸。 軸承型式 變速器采用滾動軸承，即向心球軸承、向心短圓柱滾子軸承、滾針軸承以及圓錐滾子軸承。通常是根據(jù)變速器的結(jié)構(gòu)選定，再驗算其壽命。 輸入軸前軸承（安裝在發(fā)動機飛輪內(nèi)腔中）采用向心球軸承；后軸承采用外圈帶止動槽的向心球軸承。因為它不僅受徑向負荷，而且承受向外的軸向負荷。為便于輸入軸的拆裝，后軸承的座孔直徑應(yīng)大于輸入軸齒輪的齒頂圓直徑。 輸出軸前端多采用滾針軸承或短圓柱滾子軸承；后端采用帶止動槽的單列向心球軸承。因為它也要承受向外的軸向力。 變速器輸出軸的常嚙合齒輪與輸出軸之間采用滾針軸承，也有用滑動軸套的。前者與后者相比，具有定位精度高 ， 有利于齒輪嚙合 、 傳動效率高等一系列 的 優(yōu)點，但對配合處的尺寸精度、表面粗糙度及硬度都要求很嚴，且配合要適宜。 為增強汽車變速器 的 承載能力，使其具有更高的可靠性、更長的壽命和更好的性能，變速器采用圓錐滾子軸承的日益增多。因為與其 它 軸承相比，圓錐滾子軸承的直徑小、寬度大、接觸線長，因而容量大，可以承受上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）