【正文】 第三章 機(jī)械式變速器設(shè)計(jì) 第三章 機(jī)械式變速器設(shè)計(jì) 本章主要學(xué)習(xí) （ 1）變速器的基本設(shè)計(jì)要求； （ 2）各種形式變速器的特點(diǎn)； （ 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(jī)構(gòu) 。 第三章 機(jī)械式變速器設(shè)計(jì) ? 第一節(jié) 概述 ? 第二節(jié) 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)與計(jì)算 ? 第五節(jié) 同步器設(shè)計(jì) ? 第六節(jié) 變速器操縱機(jī)構(gòu) ? 第七節(jié) 變速器結(jié)構(gòu)元件 ? 第八節(jié) 機(jī)械式無(wú)級(jí)變速器 第一節(jié) 概述 變速器用來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作。變速器設(shè)有前進(jìn)擋、空擋、倒擋。需要時(shí)，變速器還有動(dòng)力輸出功能。變速器由變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成。 變速器的基本設(shè)計(jì)要求： 1）保證汽車有必要的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。 2）設(shè)置空擋，用來(lái)切斷發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳輸。 3）設(shè)置倒擋，使汽車能倒退行駛。 4）設(shè)置動(dòng)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(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、維修方便等要求。 第二節(jié) 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有兩種分類方法，即按前進(jìn)擋數(shù)和軸的形式不同分類。 根據(jù)前進(jìn)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(zhuǎn)軸式 固定軸式應(yīng)用廣泛，其中兩軸式變速器多用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)的汽車上，中間軸式變速器多用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)的汽車上。旋轉(zhuǎn)軸式主要用于液力機(jī)械式變速器。 一、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案分析 兩軸式變速器多用于發(fā)動(dòng)機(jī)前前置前輪驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輪廓尺寸小、布置方便、中間擋位傳動(dòng)效率高和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。兩軸式變速器不能設(shè)置直接擋，所以在高擋工作時(shí)齒輪和軸承均承載，不僅工作噪聲增大，且易損壞。受結(jié)構(gòu)限制，兩軸式變速器的一擋速比不可能設(shè)計(jì)得很大。 對(duì)于前進(jìn)擋，兩軸式變速器輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反；而中間軸式變速器的第一軸與輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。 固定軸式變速器 （ 1）兩軸式變速器 圖 31為發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)轎車的兩軸式變速器傳動(dòng)方案。其特點(diǎn)是：變速器輸出軸與主減速器主動(dòng)齒輪做成一體；多數(shù)方案的倒擋傳動(dòng)常用滑動(dòng)齒輪，其它擋位均用常嚙合齒輪傳動(dòng)。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?yàn)橐粨踔鲃?dòng)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(lái)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(chǔ)，只要將五擋齒輪用尺寸相當(dāng)?shù)母籼滋娲纯筛淖優(yōu)樗膿踝兯倨?，從而形成一個(gè)系列產(chǎn)品。 圖 31 兩軸式變速器傳動(dòng)方案 （ 2）中間軸式變速器 中間軸式變速器傳動(dòng)方案的共同特點(diǎn)是： (1)變速器的第一軸后端與常嚙合主動(dòng)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(nèi)，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(shè)有直接擋； (4)一擋有較大的傳動(dòng)比； (5)擋位高的齒輪采用常嚙合齒輪傳動(dòng)，擋位低的齒輪（一擋）可以采用或不采用常嚙合齒輪傳動(dòng)； (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(shí)的傳動(dòng)效率略低。 中間軸式變速器多用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)后置 后輪驅(qū)動(dòng)的客車上。變速器第一軸的前端經(jīng)軸承支承在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪 上，第一軸的花鍵用來(lái)裝設(shè)離合器的從動(dòng)盤(pán)，而第二軸的末端經(jīng)花鍵與萬(wàn)向節(jié)連接。 圖 32 中間軸式四擋變速器傳動(dòng)方案 圖 32中的中間軸式四擋變速器傳動(dòng)方案示例的區(qū)別為圖 32a、 b 所示方案有四對(duì)常嚙合齒輪，倒擋用直齒滑動(dòng)齒輪換擋，圖 32c 所示傳動(dòng)方案的二、三、四擋用常嚙合齒輪傳動(dòng)，而一、倒擋用 直齒滑動(dòng)齒輪換擋。 中間軸式變速器的特點(diǎn) 圖 33為中間軸式五擋變速器傳動(dòng)方案 。圖 33a所示方案，除一、倒擋用直齒滑動(dòng)齒輪換擋外，其余各擋為常嚙合齒輪傳動(dòng)。圖 33b、 c、 d所示方案的各前進(jìn)擋，均用常嚙合齒輪傳動(dòng)；圖 33d所示方案中的倒擋和超速擋安裝在副箱體內(nèi)，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(dòng)的擋位，其換擋方式可以用同步器或嚙合套來(lái)實(shí)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(dòng)方案 中間軸式變速器的特點(diǎn) 圖 34為中間軸式六擋變速器傳動(dòng)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(dòng)齒輪換擋，其余各擋均勻常嚙合齒輪。 常嚙合齒輪傳動(dòng)的擋位，其換擋方式可以用同步器或嚙合套來(lái)實(shí)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(dòng)方案 倒擋布置方案 與前進(jìn)擋位比較，倒檔的使用率不高，而且都是在停車狀態(tài) 下實(shí)現(xiàn)換倒檔，故多數(shù)方案均采用直齒滑動(dòng)齒輪方式換倒擋 。為實(shí)現(xiàn)倒擋傳動(dòng)，有些方案利用在中間軸和第二軸上的齒 輪傳動(dòng)路線中加入一個(gè)中間傳動(dòng)齒輪的方案，如圖 31a、 b、 c和圖 32a、 b所示；也有利用兩個(gè)聯(lián)體齒輪方案的，如 圖 32c和圖 33a、 b所示。前者雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是中間傳 動(dòng)齒輪的輪齒是在最不利的正負(fù)交替對(duì)稱變化的彎曲應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)下 工作，并使倒擋傳動(dòng)比略有增加。也有少數(shù)變速器采用結(jié)構(gòu) 復(fù)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(jiàn)的倒擋布置方案。圖 35b方案的優(yōu)點(diǎn)是倒擋利用了一擋齒輪，縮短了中間軸的長(zhǎng)度。但換擋時(shí)有兩對(duì)齒輪同時(shí)進(jìn)入嚙合，使換擋困難。圖 35c方案能獲得較大的倒擋傳動(dòng)比，缺點(diǎn)是換擋程序不合理。圖 35d方案對(duì) 35c的缺點(diǎn)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(zhǎng)。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(zhǎng)度，有的貨車倒擋傳動(dòng)采用圖 35g所示方案。缺點(diǎn)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(jī)構(gòu)復(fù)雜一些。 圖 35 倒擋布置方案 變速器的一擋或是倒檔因傳動(dòng)比大，工作時(shí)在齒輪上作 用的力也增大，并導(dǎo)致變速器軸產(chǎn)生較大的撓度和轉(zhuǎn)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(wú)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(yīng)當(dāng)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(jī)能使軸有足夠大的剛性，又能保證容易裝配。倒擋的 傳動(dòng)比雖然與一擋的傳動(dòng)比接近，但因?yàn)槭褂玫箵醯臅r(shí)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(shí)，在倒擋 工作時(shí)，輪齒磨損與噪聲在短時(shí)間內(nèi)略有增加，而在一擋工 作時(shí)，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(nèi)，并緊靠軸的支承處，而一擋布置在變速器殼 體右側(cè)緊靠支承處，這個(gè)方案能很好的解決兩個(gè)傳動(dòng)比大的 擋位都布置在靠近支承的地方這一問(wèn)題。 倒擋設(shè)置在變速器的左側(cè)或右側(cè)，在結(jié)構(gòu)上均能實(shí)現(xiàn)， 不同之處是掛倒擋時(shí)駕駛員移動(dòng)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(shí)設(shè)有一個(gè)掛倒擋時(shí)需克服 彈簧所產(chǎn)生的力，用來(lái)提醒駕駛員注意。從這一點(diǎn)來(lái)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(shí)也需克服用來(lái)防止誤掛倒擋所產(chǎn)生的力， 這對(duì)換擋技術(shù)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(cè)或右側(cè)對(duì) 倒擋軸的受力狀況有影響，如圖 37所示。 其他問(wèn)題 常用擋位的輪齒因接觸力過(guò)高而易造成表面點(diǎn)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(zhuǎn)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(shí)才使用的超速 擋。使用傳動(dòng)比小于 1的超速擋，能夠更充分地利用發(fā)動(dòng)機(jī) 功率，使汽車行駛 1公里所需發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的總轉(zhuǎn)數(shù)減少，因 而有助于減少發(fā)動(dòng)機(jī)磨損和降低燃料消耗。但是與直接擋比 較，使用超速擋會(huì)使傳動(dòng)效率降低，工作噪聲增加。 機(jī)械式變速器的傳動(dòng)效率與所選用的傳動(dòng)方案有關(guān)，包 括傳遞動(dòng)力時(shí)處于工作狀態(tài)的齒輪對(duì)數(shù)、每分鐘轉(zhuǎn)速、傳遞 的功率、潤(rùn)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(dòng)機(jī)縱置時(shí)兩軸式變速器結(jié)構(gòu)圖 圖 38為發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)兩軸式變速器結(jié)構(gòu)圖。其特點(diǎn)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(dòng)機(jī)橫置時(shí)的兩軸式五擋變速器的結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：前進(jìn)擋全部采用常嚙合齒輪傳動(dòng)，故有五對(duì)常嚙合齒輪，且換擋機(jī)構(gòu)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(nèi)呈懸臂狀的輸入、輸出軸上；變速器輸入軸為三點(diǎn)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(rùn)滑油來(lái)潤(rùn)滑。 圖 310為中間軸式四擋變速器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：前進(jìn)擋全部采用常嚙合齒輪傳動(dòng)，用同步器換擋，同步器裝在第二軸上，第二軸在附加殼體內(nèi)向后延伸得較長(zhǎng)，因而可縮短傳動(dòng)軸長(zhǎng)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(dòng)的中間軸上。 圖 311為中間軸式五擋變速器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：全部 擋位均采用嚙合套或滑動(dòng)齒輪方式換擋，第二軸設(shè)有中間支 承，因而軸的剛度得到加強(qiáng)；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(kāi)。 圖 312為中間軸式多擋變速器結(jié)構(gòu)。 二、零、部件結(jié)構(gòu)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(zhǎng)、工作時(shí)噪聲低的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是制造時(shí)稍復(fù)雜，工作時(shí)有軸向力，這對(duì)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(jī)構(gòu)形式 變速器換擋機(jī)構(gòu)有直齒滑動(dòng)齒輪、嚙合套和同步器換擋三種形式。 采用軸向滑動(dòng)直齒齒輪換擋，會(huì)在輪齒端面產(chǎn)生沖擊，齒輪端部磨損加劇并過(guò)早損壞，并伴隨著噪聲，這不僅是齒輪端部磨損加劇并過(guò)早損壞，同時(shí)也會(huì)使駕駛員精神緊張，換擋時(shí)駕駛員注意力被分散，影響行駛安全，同時(shí)噪聲還使乘坐舒適性降低。此外，換擋行程長(zhǎng)也是其缺點(diǎn)。因此，除一擋、倒擋外已很少使用。 常嚙合齒輪可用移動(dòng)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(huì)過(guò)早被損壞，但不能消除換擋沖擊。因?yàn)樵鲈O(shè)了嚙合 套和常嚙合齒輪，使變速器旋轉(zhuǎn)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(yīng)用。 使用同步器能保證換擋迅速、無(wú)沖擊、無(wú)噪聲，而與操 作技術(shù)的熟練程度無(wú)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，因而得到廣泛應(yīng)用。但結(jié)構(gòu)復(fù)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(dòng)齒輪換 擋行程小。在滑動(dòng)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(yīng)盡可 能一樣，如利用同步器或嚙合套換擋，就很容易實(shí)現(xiàn)這一 點(diǎn)。 自動(dòng)脫擋 自動(dòng)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(dòng)等原因，都會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)脫擋。為了解決這個(gè)問(wèn)題，除工藝上采取措施以外，目前在結(jié)構(gòu)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(cuò)開(kāi)，如圖 313所示。這樣在嚙合時(shí)，使接合齒端部超過(guò)被接合齒約 1~到擠壓同時(shí)磨損，并