【正文】 上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 1 提供全套畢業(yè)論文，各專業(yè)都有 摘 要 傳統(tǒng)的汽車變速器設計是由經驗豐富的設計人員按經驗公式來確定變速器的關鍵尺寸 ,這樣 設計的變速器往往結構笨重、傳動效率不高、且材料的運用過于保守。 而現(xiàn)代汽車變速器的設計趨勢之一卻是小型輕量化，因此采用全新的設計方法來優(yōu)化汽車變速器就成了本文研究的目標。 本文以 SJ汽車變速器為例，首先通過傳統(tǒng)的設計方法對變速器的結構及具體參數(shù)進行初步設計，然后通過 MATLAB優(yōu)化工具箱中的最優(yōu)化函數(shù)來重新校驗變速器的設計。根據(jù)設計要求和特點，在滿足變速器可靠性的前提下，建立了汽車變速器 的優(yōu)化設計數(shù)學模型，使變速器齒輪和軸系的配合最合理化，變速器殼體的利用率達到最大化，從而減小了變速器的整體體積，同時也降低了變速器整體的質量，達到了預期優(yōu)化的目的。 結果表明：采用優(yōu)化設計方法，可以縮短設計周期、減輕質量和降低成本 ，這是傳統(tǒng)設計方法所不具備的，因此這種優(yōu)化設計的方法是具有可行性的。 關鍵詞 ： 變速器， 優(yōu)化，傳動比 上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 2 Optimize Design for SJ Automobile Gearbox ABSTRACT The traditional design of Automobile gearbox used empirical formula to make sure the key sizes of gearbox， these designs always outdated， have lower efficiency， and the usage of material was too conservative. Along with the development of modern automobile industry， the design trends of gearbox are to request smaller volume and better function. So a new method which can get a small and lightweight gearbox bees our target. In this thesis， SJ automobile gearbox was taken as an example. Firstly, traditional design was used to get the key sizes of gearbox； and then CAD was used to design its structure， such as shell、 shaft、 selector mechanism and so on； at last the toolbox of MATLAB was used to optimize the parameters of gearbox. The result manifests that using new method can shorten the design period， lower the costs for design， and the weight of gearbox can be reduced too. In conclusion， a satisfactory result can be achieved through optimizing the parameters of gearbox． Keyword： gearbox， optimization， transmitting ratio 上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 3 SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 盧國亮 061103273 0 引言 隨著時間的流逝，昔日的輝煌漸漸落下了塵埃；當輕輕的撣去歲月留下的痕跡，閃露的就是歷史的光華。 卡爾178。奔馳和戈特利布178。戴姆勒就是塵封于汽車工業(yè)史上的兩個偉大的名字。 1886 年，德國人奔馳自行設計了四行程發(fā)動機，并將其安裝在一輛皮帶傳動的三輪車上，然后成功的驅動了它。同年，德國的戴姆勒將其自行發(fā)明的立式發(fā)動機安裝在改裝后的四輪馬車上，也成功的駕駛了它。這兩位同一國家，但素不相識的人，幾乎同時發(fā)明了汽車，自此使人類跨入了汽車的時代。 光陰似箭，時光如梭，在經歷了 100 多年的變革和發(fā)展后，汽車已成為人 類生活中必不可缺的元素，交通運輸、代步工具、時尚娛樂等等都有其獨特的優(yōu)勢。隨著我國社會經濟的發(fā)展和人 民 生活水平的提高，汽車保有量迅猛增長， 同時也 對汽車的性能和質量提出了更高的要求。汽車制造商不僅面臨著用戶對產品性能與質量越來越高的要求，而且面臨著嚴格的技術法規(guī)約束以及降低產品成本等壓力，這就迫使企業(yè)必須縮短產品開發(fā)周期。因此在汽車開發(fā)過程中，進一步使用各種先進的技術和理論方法，使設計過程自動化，以滿足產品設計的需要就顯得十分重要了。 汽車變速器是完成傳動系任務的重要部件，也是決定汽車整車性能的上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 4 主要部件之一， 開展汽車變速器的優(yōu)化設計，對提高汽車的整車性能和設計質量無疑有著重要的意義。 目前從國內來看，大部分的汽車采用的還是手動換檔的機械式變速器，其設計和一些主要參數(shù)選擇的方法卻依然沿襲傳統(tǒng)設計方法 —— 經驗類比法。現(xiàn)代汽車技術的發(fā)展對傳動裝置的設計工作提出了更高的要求。在這種情況下，傳動裝置的設計，不但要滿足動力性和經濟性指標，而且要求結構緊湊、尺寸小、重量輕、傳動效率高、工作可靠、壽命長、噪音低等 等。 而傳統(tǒng)設計的方法不但缺乏嚴密的科學性，如為了強調零件 的 可靠性，往往 選 取較大的安全系數(shù)，結果增大了設計零件的重量， 而且設計生產周期長，質量低，材料消耗大。因而采用傳統(tǒng)設計法進行變速器設計已不能滿足汽車發(fā)展的客觀需要。 采用優(yōu)化設計 的 方法 確定 汽車變速器的結構參數(shù)，可減小變速器的體積，得到良好的汽車動力性和燃料經濟性，使換檔輕便、無沖擊噪聲。同時也使設計者從大量的 、 繁瑣 的、 重復的計算工作中解脫出來，使之有更多的精力從事創(chuàng)造性的工作，并可大大縮短設計周期，提高設計效率。 所以，采用優(yōu)化設計的方法進行汽車變速器的設計是十分必要的。 1 汽車變速器 概述 現(xiàn)代汽車通常采用活塞式內燃機，其特點是扭矩變化范圍 比較 小。但是汽 車復雜的使用條件卻要求汽車的驅動力和車速 必須 在相當大的范圍內變化。 這就需要 在汽車的傳動系中設置一個能夠改變發(fā)動機扭矩和轉速上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 5 的裝置，從而適應汽車經常變化的行駛條件，使汽車具有良好的動力性和經濟性。 汽車變速器就是傳動系中能夠達到這一功能的裝置。其主要功用為： (A)改變傳動比，擴大驅動輪扭矩和轉速變化范圍，以適應各種行駛條件，并使發(fā)動機在有利的工況下工作； (B)在發(fā)動機旋轉方向不變的前提下，使汽車能倒向行駛； (C)利用空檔，中斷動力傳遞，使發(fā)動機能夠 迅速 起動， 保持 怠速、并便于發(fā)動機 的 換檔或進行動力輸出。 變速器在分類上通常有兩種方式：按傳動比變化方式和按操縱方式的不同來分。 ： (1)有級式變速器 ： 是目前使用最廣的一種。它采用齒輪傳動，具有若干個定值傳動比。按所用輪系型式不同，有軸線固定式變速器 (普通變速器 )和軸線旋轉式變速器 (行星齒輪變速器 )兩種。目前，轎車和輕、中型貨車變速器的傳動比通常有 3～ 5 個前進檔和一個倒檔，在重型貨車用的組合式變速器中，則有更多檔位。 (2)無級式變速器 ： 其傳動比在一定的數(shù)值范圍內可按無限多級變化，常見的有電力式和液力式 (動液式 )兩種。電力式無級變速器的變 速傳動部件為直流串激電動機，除在無軌電車上應用外，在超重型自卸車傳動系中也有廣泛采用的趨勢。動液式無級變速器的傳動部件為液力變矩器。 (3)綜合式變速器 是指由液力變矩器和齒輪式有級變速器組成的液力機械式變速器，其傳動比可在最大指與最小值之間的幾個間斷的范圍內上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 6 作無級變化，目前應用較多。 ： (1)強制操縱式變速器 ： 是靠駕駛員直接操縱變速桿 進行 換檔。 (2)自動操縱式變速器 ： 其傳動比選擇和換檔是自動進行的，所謂“自動”，是指機械變速器每個檔位的變換是借助反映發(fā)動機負荷和車速的信號系統(tǒng)來控制 換檔系統(tǒng)的執(zhí)行元件而實現(xiàn)的。駕駛員只需操縱加速踏板以控制車速。 (3)半自動操縱式變速器 ： 有兩種型式：一種是常用的幾個檔位自動操縱，其余檔位則由駕駛員操縱；另一種是預選式，即駕駛員預先用按鈕選定檔位，在踩下離合器踏板或松開加速踏板時，接通一個電磁裝置或液壓裝置來進行換檔。 齒輪變速器的變速原理 一個普通的齒輪式變速器是利用不同齒數(shù)的齒輪嚙合傳動 ，以 實現(xiàn)轉速和轉矩改變的。 由齒輪傳動的原理可知，一對齒數(shù)不同的齒輪嚙合傳動時可以變速。而且兩齒輪的轉速與其齒數(shù)成反比。設主動齒輪轉速為 n1，齒數(shù)為 Z1，從動 齒輪轉速為 n2，齒數(shù)為 Z2。主動輪 (即輸入軸 )轉速與從動輪 (即輸出軸 )轉速之比值稱為傳動比。用字母 i12表示。即 : 121221nZi ?? ?????? ??? ???? ??? ???? ??? ??? () 因而 , 1212ZnnZ?? ? ??? ???? ??? ???? ??? ?? ?? ? ??? ? () 上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 7 如圖 所示。當以小齒輪為主動輪 (即 Z1＜ Z2),其轉速經大齒輪傳出時就降低了，即 n2＜ n1，稱為減速傳動，此時傳動比 i＞ 1 如圖 所示， 當以大齒輪為主動輪 (即 Z1＞ Z2)，其轉速經小齒輪傳出時就升高了，即 n2＞ n1,稱為增速傳動，此時傳動比 i1。這就是齒輪傳動的變速原理。 （ a） （ b） 圖 齒輪傳動的變速原理 ； 一對齒輪傳動只能得到一個固定的傳動比。從而得到一種輸出轉速，并構成一個檔位。為了擴大變速器輸出轉速的變化范圍，普通齒輪變速器通常都采用多組大小不同的齒輪嚙合傳動。這樣就構成了多個不同的檔位 。 對應于不同的檔位， 均有不同的傳動比值，從而可得到多種不同的輸出轉速。 一般轎車和輕、中型客貨車輛的變速器通常有 3～ 6 個前進檔和一個倒檔。所謂變速器檔數(shù)就是指其前進檔數(shù)。傳動比值 i＞ 1 的檔位稱為降速檔，即其輸出軸轉速低于發(fā)動機轉速 ， 而且傳動比越大則輸出轉速越低 ；上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 8 i＝ 1 的檔位稱為直接檔，即其輸出軸轉速與發(fā)動機轉速相等 ； i＜ 1 的檔位稱為超速檔，即其輸出軸轉速超過發(fā)動機 的 轉速。 習慣上把變速器傳動比值較小的檔位稱為高檔，傳動比值較大的檔位稱為低檔；變速器檔位的變換稱為換檔，由低檔向高檔變換稱為加檔 (或升檔 )。反之稱為減檔（或降檔 )。 變速器就是通過檔位變換來改變傳動比，從而實現(xiàn)多級變速的。 由齒輪傳動的原理可知，一對齒輪嚙合傳動時，齒輪的齒數(shù)愈多，其轉速就愈低，而其轉矩愈大 ； 反之，齒輪的齒數(shù)愈少，其轉速就愈高，而其轉拒則愈小，就是說齒輪傳動的轉矩與其轉速成反比。設主動輪的轉速為 n1，轉矩為 M1,；從動輪的轉速為 n2，轉矩為 M2,即 : 1221nM? ? ??? ???? ??? ???? ??? ???? ??? ??? () 由于， 112 2ni n? 所以： 2121Mi M? ? ??? ???? ??? ???? ??? ???? ??? ??? () 由此可見，齒輪式變速器在改變轉速的同時也改變了 輸 出轉矩，而且隨著 輸出轉速 的 降低，輸出轉矩 反而 增大； 當 輸出轉速升高 時 ，輸出轉矩減小。汽車變速器就是利用這一原理，通過改變各檔的傳動比來改變輸出轉速，從而改變其輸出轉矩，以適應汽車行駛阻力的變化。 由齒輪傳動的原理可知，多級齒輪傳動的傳動比為 : i ? 所 有 各 級 從 動 齒 輪 齒 數(shù) 的 連 乘 積 ＝ 各 級 齒 輪 傳 動 比 的 連 乘 積所 有 各 級 主 動 齒 輪 齒 數(shù) 的 連 乘 積 ???? () 汽車變速器的設計趨勢 上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 9 汽車變速器自誕生以來，已隨著汽車技術的發(fā)展，產生了日新月異的變化，出現(xiàn)了許多設計思路完全不同的變速器。但歸根結底，現(xiàn)代汽車變速器技術的主要設計趨勢是：小型輕量化、多檔化、低噪聲化。 (1)小型輕量化 汽車 的質 量由于涉及到汽車的油耗，所以在現(xiàn)代汽車的設計當中通常占有及其重要的地位。試驗表明：汽車 質 量降低 1％ ，油耗可降低 ％。所以致力于減輕