【正文】 第三章 機械式變速器設計 第三章 機械式變速器設計 本章主要學習 （ 1）變速器的基本設計要求； （ 2）各種形式變速器的特點； （ 3）變速器主要參數(shù)的選擇 ； （ 4）齒輪變位系數(shù)的選擇原則 ； （ 5）各擋齒輪齒數(shù)的分配 ； （ 6）變速器操縱機構 。 第三章 機械式變速器設計 ? 第一節(jié) 概述 ? 第二節(jié) 變速器傳動機構布置方案 ? 第三節(jié) 變速器主要參數(shù)的選擇 ? 第四節(jié) 變速器的設計與計算 ? 第五節(jié) 同步器設計 ? 第六節(jié) 變速器操縱機構 ? 第七節(jié) 變速器結構元件 ? 第八節(jié) 機械式無級變速器 第一節(jié) 概述 變速器用來改變發(fā)動機傳到驅輪上的轉矩和轉速，目的是在各種行駛工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時使發(fā)動機在最有利的工況范圍內工作。變速器設有前進擋、空擋、倒擋。需要時，變速器還有動力輸出功能。變速器由變速傳動機構和操縱機構組成。 變速器的基本設計要求： 1）保證汽車有必要的動力性和經(jīng)濟性。 2）設置空擋，用來切斷發(fā)動機的動力傳輸。 3）設置倒擋，使汽車能倒退行駛。 4）設置動力輸出裝置。 5）換擋迅速、省力、方便。 6）工作可靠。變速器不得有跳擋、亂擋及換擋沖擊等現(xiàn)象發(fā)生。 7）變速器應有高的工作效率。 8）變速器的工作噪聲低。 除此之外，變速器還應當滿足輪廓尺寸和質量小、制造成本低、維修方便等要求。 第二節(jié) 變速器傳動機構布置方案 變速器傳動機構有兩種分類方法，即按前進擋數(shù)和軸的形式不同分類。 根據(jù)前進擋數(shù) 三擋變速器 四擋變速器 五擋變速器 多擋變速器 根據(jù)軸的形式 固定軸式 兩軸式變速器 中間軸式變速器 雙中間軸式變速器 多中間軸式變速器 固定軸式 旋轉軸式 固定軸式應用廣泛，其中兩軸式變速器多用于發(fā)動機前置前輪驅動的汽車上，中間軸式變速器多用于發(fā)動機前置后輪驅動的汽車上。旋轉軸式主要用于液力機械式變速器。 一、傳動機構布置方案分析 兩軸式變速器多用于發(fā)動機前前置前輪驅動汽車上。 與中間軸式變速器相比，兩軸式變速器因軸和軸承數(shù)少，所以有結構簡單、輪廓尺寸小、布置方便、中間擋位傳動效率高和噪聲低等優(yōu)點。兩軸式變速器不能設置直接擋，所以在高擋工作時齒輪和軸承均承載，不僅工作噪聲增大，且易損壞。受結構限制，兩軸式變速器的一擋速比不可能設計得很大。 對于前進擋，兩軸式變速器輸入軸的轉動方向與輸出軸的轉動方向相反；而中間軸式變速器的第一軸與輸出軸的轉動方向相同。 固定軸式變速器 （ 1）兩軸式變速器 圖 31為發(fā)動機前置前輪驅動轎車的兩軸式變速器傳動方案。其特點是：變速器輸出軸與主減速器主動齒輪做成一體；多數(shù)方案的倒擋傳動常用滑動齒輪，其它擋位均用常嚙合齒輪傳動。圖 31f中的倒擋齒輪為常嚙合齒輪，并用同步器換擋；同步器多數(shù)裝在輸出軸上，這是因為一擋主動齒輪尺寸小，同步器裝在輸入軸上有困難，而高擋的同步器可以裝在輸入軸的后端。圖 31d所示方案的變速器有輔助支承，用來提高軸的剛度 ,減少齒輪磨損和減低工作噪聲。圖 31f所示的方案為五擋全同步器式變速器，以此為基礎，只要將五擋齒輪用尺寸相當?shù)母籼滋娲纯筛淖優(yōu)樗膿踝兯倨?，從而形成一個系列產(chǎn)品。 圖 31 兩軸式變速器傳動方案 （ 2）中間軸式變速器 中間軸式變速器傳動方案的共同特點是： (1)變速器的第一軸后端與常嚙合主動齒輪做成一體。 (2)絕大多數(shù)方案的第二軸前端經(jīng)軸承支承在第一軸后端的孔內，且保持兩軸軸線在同一直線上，經(jīng)嚙合套將他們連接后可得到直接擋。 (3)設有直接擋； (4)一擋有較大的傳動比； (5)擋位高的齒輪采用常嚙合齒輪傳動，擋位低的齒輪（一擋）可以采用或不采用常嚙合齒輪傳動； (6) 除一擋以外，其他擋位采用同步器或嚙合套換擋； (7)各擋同步器或嚙合套多數(shù)情況下裝在第二軸上。 (8)除直接擋以外，其他擋位工作時的傳動效率略低。 中間軸式變速器多用于發(fā)動機前置后輪驅動汽車和發(fā)動機后置 后輪驅動的客車上。變速器第一軸的前端經(jīng)軸承支承在發(fā)動機飛輪 上，第一軸的花鍵用來裝設離合器的從動盤，而第二軸的末端經(jīng)花鍵與萬向節(jié)連接。 圖 32 中間軸式四擋變速器傳動方案 圖 32中的中間軸式四擋變速器傳動方案示例的區(qū)別為圖 32a、 b 所示方案有四對常嚙合齒輪，倒擋用直齒滑動齒輪換擋，圖 32c 所示傳動方案的二、三、四擋用常嚙合齒輪傳動，而一、倒擋用 直齒滑動齒輪換擋。 中間軸式變速器的特點 圖 33為中間軸式五擋變速器傳動方案 。圖 33a所示方案，除一、倒擋用直齒滑動齒輪換擋外，其余各擋為常嚙合齒輪傳動。圖 33b、 c、 d所示方案的各前進擋，均用常嚙合齒輪傳動；圖 33d所示方案中的倒擋和超速擋安裝在副箱體內，可以提高軸的剛度、減少齒輪磨損和降低工作噪聲。 凡采有常嚙合齒輪傳動的擋位，其換擋方式可以用同步器或嚙合套來實現(xiàn)。同一變速器中，擋位高的用同步器換擋，擋位低的用嚙合套換擋。 圖 33 中間軸式五擋變速器傳動方案 中間軸式變速器的特點 圖 34為中間軸式六擋變速器傳動方案。圖 34a所示方案中的一擋、倒擋和圖 34b所示方案中的倒擋用直齒滑動齒輪換擋，其余各擋均勻常嚙合齒輪。 常嚙合齒輪傳動的擋位，其換擋方式可以用同步器或嚙合套來實現(xiàn)。同一變速器中，有的擋位用同步器換擋，用的擋位用嚙合套換擋，那么一定是擋位高的用同步器換擋，擋位低的用嚙合套換擋。 圖 34 中間軸式六擋變速器傳動方案 倒擋布置方案 與前進擋位比較，倒檔的使用率不高，而且都是在停車狀態(tài) 下實現(xiàn)換倒檔，故多數(shù)方案均采用直齒滑動齒輪方式換倒擋 。為實現(xiàn)倒擋傳動，有些方案利用在中間軸和第二軸上的齒 輪傳動路線中加入一個中間傳動齒輪的方案，如圖 31a、 b、 c和圖 32a、 b所示；也有利用兩個聯(lián)體齒輪方案的，如 圖 32c和圖 33a、 b所示。前者雖然結構簡單，但是中間傳 動齒輪的輪齒是在最不利的正負交替對稱變化的彎曲應力狀 態(tài)下工作；而后者是在較為有利的單向循環(huán)彎曲應力狀態(tài)下 工作，并使倒擋傳動比略有增加。也有少數(shù)變速器采用結構 復雜和使成本增加的嚙合套或是同步器方案換入倒擋，如圖 31f所示。 倒擋布置方案 圖 35為常見的倒擋布置方案。圖 35b方案的優(yōu)點是倒擋利用了一擋齒輪，縮短了中間軸的長度。但換擋時有兩對齒輪同時進入嚙合，使換擋困難。圖 35c方案能獲得較大的倒擋傳動比，缺點是換擋程序不合理。圖 35d方案對 35c的缺點做了修改，從而取代了圖 35c 所示方案。圖 35e所示方案是將中間軸上的一、倒擋齒輪做成一體，將其齒寬加長。圖 35f所示方案適用于全部齒輪副均為常嚙合的齒輪，擋換更為輕便。 為了充分利用空間，縮短變速器軸向長度，有的貨車倒擋傳動采用圖 35g所示方案。缺點是一、倒擋各用一根變速器撥叉軸，使變速器上蓋中的操縱機構復雜一些。 圖 35 倒擋布置方案 變速器的一擋或是倒檔因傳動比大，工作時在齒輪上作 用的力也增大，并導致變速器軸產(chǎn)生較大的撓度和轉角，使 工作齒輪嚙合狀態(tài)變壞，最終表現(xiàn)出輪齒磨損加快和工作噪 聲增加。為此，無論是兩軸式變速器還是中間軸式變速器的 一擋與倒擋，都應當布置在靠近軸的支承處，以便改善上述 不良狀況，然后按照從低擋到高擋的順序布置各擋齒輪， 這 樣做機能使軸有足夠大的剛性，又能保證容易裝配。倒擋的 傳動比雖然與一擋的傳動比接近，但因為使用倒擋的時間非 常短，所以有些方案將一擋布置在靠近軸的支承處，如圖 3 2b、圖 33b、圖 34a等。然后再布置倒擋。此時，在倒擋 工作時，輪齒磨損與噪聲在短時間內略有增加，而在一擋工 作時，輪齒的磨損與噪聲有所減少。圖 31c將倒擋齒輪布置 在附加殼體內，并緊靠軸的支承處，而一擋布置在變速器殼 體右側緊靠支承處，這個方案能很好的解決兩個傳動比大的 擋位都布置在靠近支承的地方這一問題。 倒擋設置在變速器的左側或右側，在結構上均能實現(xiàn)， 不同之處是掛倒擋時駕駛員移動變速桿的方向改變了，為防 止意外掛入倒擋，一般在掛倒擋時設有一個掛倒擋時需克服 彈簧所產(chǎn)生的力，用來提醒駕駛員注意。從這一點來考慮， 圖 36a、 b的換擋方案比圖 36c的方案更合理，圖 36c所 示方案在掛一擋時也需克服用來防止誤掛倒擋所產(chǎn)生的力， 這對換擋技術不熟練的駕駛員是不利的。 除此之外，倒擋的中間齒輪位于變速器的左側或右側對 倒擋軸的受力狀況有影響，如圖 37所示。 其他問題 常用擋位的輪齒因接觸力過高而易造成表面點蝕損壞。 將高擋布置在靠近軸的兩端支承中部區(qū)域較為合理，在該區(qū) 域因軸的變形而引起的齒輪偏轉角較小，齒輪可保持較好的 嚙合狀態(tài)，以減小偏載并提高齒輪壽命。 某些汽車變速器有僅在好路或空車行駛時才使用的超速 擋。使用傳動比小于 1的超速擋，能夠更充分地利用發(fā)動機 功率，使汽車行駛 1公里所需發(fā)動機曲軸的總轉數(shù)減少，因 而有助于減少發(fā)動機磨損和降低燃料消耗。但是與直接擋比 較，使用超速擋會使傳動效率降低，工作噪聲增加。 機械式變速器的傳動效率與所選用的傳動方案有關，包 括傳遞動力時處于工作狀態(tài)的齒輪對數(shù)、每分鐘轉速、傳遞 的功率、潤滑系統(tǒng)的有效性、齒輪和殼體等零件的制造精度 等。 圖 38 發(fā)動機縱置時兩軸式變速器結構圖 圖 38為發(fā)動機縱置時兩軸式變速器結構圖。其特點是高擋同步器布置在輸入軸上，而低擋同步器布置在輸出軸上。為提高軸的剛度，增加了中間支承。 圖 39為發(fā)動機橫置時的兩軸式五擋變速器的結構。其結構特點是：前進擋全部采用常嚙合齒輪傳動，故有五對常嚙合齒輪，且換擋機構皆為同步器，并全部裝在輸出軸上；高擋常嚙合齒輪布置在附加變速器殼體內呈懸臂狀的輸入、輸出軸上；變速器輸入軸為三點支承，其上多數(shù)齒輪與軸制成一體；離合器殼體、變速器殼體及附加變速器殼體和主減速器殼體連為一體；因主減速器齒輪用斜齒圓柱齒輪，故可與變速器齒輪用一種潤滑油來潤滑。 圖 310為中間軸式四擋變速器結構，其結構特點是：前進擋全部采用常嚙合齒輪傳動，用同步器換擋，同步器裝在第二軸上，第二軸在附加殼體內向后延伸得較長，因而可縮短傳動軸長度，中間軸上全部齒輪制成一體，經(jīng)滾針軸承支承在固定不動的中間軸上。 圖 311為中間軸式五擋變速器結構，其結構特點是：全部 擋位均采用嚙合套或滑動齒輪方式換擋，第二軸設有中間支 承，因而軸的剛度得到加強；為了解決拆裝齒輪、軸的困難， 變速器殼體沿軸線所在平面分開。 圖 312為中間軸式多擋變速器結構。 二、零、部件結構方案分析 1．齒輪形式 齒輪形式：直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪 兩者相比較，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長、工作時噪聲低的優(yōu)點；缺點是制造時稍復雜，工作時有軸向力，這對軸承不利。 變速器中的常嚙合齒輪均采用斜齒圓柱齒輪。直齒圓柱齒輪僅用于低擋和倒擋。 2．換擋機構形式 變速器換擋機構有直齒滑動齒輪、嚙合套和同步器換擋三種形式。 采用軸向滑動直齒齒輪換擋，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，這不僅是齒輪端部磨損加劇并過早損壞，同時也會使駕駛員精神緊張，換擋時駕駛員注意力被分散，影響行駛安全，同時噪聲還使乘坐舒適性降低。此外，換擋行程長也是其缺點。因此，除一擋、倒擋外已很少使用。 常嚙合齒輪可用移動嚙合套換擋。因換擋行程短、承受 換擋沖擊載荷的接合齒齒數(shù)多，而輪齒又不參與換擋，嚙合 套不會過早被損壞，但不能消除換擋沖擊。因為增設了嚙合 套和常嚙合齒輪，使變速器旋轉部分的總慣性力矩增大。目 前這種換擋方法只在某些要求不高的擋位及重型貨車變速器 上應用。 使用同步器能保證換擋迅速、無沖擊、無噪聲，而與操 作技術的熟練程度無關，從而提高了汽車的加速性、燃油經(jīng) 濟性和行駛安全性，因而得到廣泛應用。但結構復雜、制造 精度要求高、軸向尺寸大。 利用同步器或嚙合套換擋，其換擋行程要比滑動齒輪換 擋行程小。在滑動齒輪特別寬的情況下，這種差別就更為明 顯。為了操縱方便，要求換入不同擋位的變速桿行程應盡可 能一樣，如利用同步器或嚙合套換擋，就很容易實現(xiàn)這一 點。 自動脫擋 自動脫擋是變速器的主要故障之一。由于接合齒磨損、變速器軸剛度不足以及振動等原因，都會導致自動脫擋。為了解決這個問題，除工藝上采取措施以外，目前在結構上采取措施且行之有效的方案有以下幾種。 1）將兩接合齒的嚙合位置錯開，如圖 313所示。這樣在嚙合時，使接合齒端部超過被接合齒約 1~到擠壓同時磨損，并