【正文】 1 第 1章 緒 論 選題的背景及目的意義 隨著社會的快速發(fā)展和人們生活水平的迅速提高，汽車（尤其是轎車）作為一種必不可少的交通工具已走進千家萬戶。在發(fā)達國家里，汽車已形成了一種文化，即所謂的“汽車文化”，這種文化影響著人們的生活，改變著人們的觀念。總之，汽車工業(yè)的發(fā)展水平直接代表著一個國家基礎工業(yè)和國民經(jīng)濟的實力。汽車工業(yè)在一個國家的發(fā)展經(jīng)歷著不同的階段，據(jù)目前國家統(tǒng)計局的統(tǒng)計數(shù)字，家用經(jīng)濟型轎車的比重占消費總數(shù)的 20%，據(jù)國外同期經(jīng)濟型轎車的比重 45%測算，中國未來 10 年，經(jīng)濟型轎車至少應翻一番。因此設計一種適合 我國國情的經(jīng)濟型轎車的變速器具有十分重要的意義，而且也符合全球對環(huán)境保護的要求，小排量低排放的經(jīng)濟型轎車肯定是未來汽車的主力。變速器設計一直是汽車設計中最重要的環(huán)節(jié)之一，它是用來改變發(fā)動機傳到驅動輪上的轉矩和轉速，因此它的性能影響到汽車的動力性和經(jīng)濟性指標。從汽車誕生時起，汽車變速器在汽車傳動系中扮演者至關重要的角色?，F(xiàn)在的汽車上廣泛采用活塞式內燃機，起轉矩和轉速變化范圍較小，而復雜的使用條件則要求汽車的牽引力和車速能在相當大的范圍內變化。例如在高速路上車速贏能達到 100KM/H，而在市區(qū)內，車速通常在 50km/h 左右；空車在平直路面上行駛時，行駛的阻力很小，而當滿載上坡時，行駛阻力便很大。為了解決這一矛盾，在傳動系中設置了變速器。變速器的作用表現(xiàn)位：改變汽車的傳動比，擴大驅動車輪轉矩和轉速的范圍，是車輛適應各種變化的工況，同時使發(fā)動機在最理想的工況（動力性教高且經(jīng)濟性較好）下工作；在發(fā)動機轉矩方向不變的情況下，實現(xiàn)汽車的倒退行駛；實現(xiàn)空擋，中斷發(fā)動機傳遞給車輪的動力，以便發(fā)動機能夠啟動，怠速。由此可見，變速器的存在具有必然性，隨著科技的告訴發(fā)展，人們對汽車的性能要求越來越高，汽車的性能，使用壽命，能源消耗， 震動噪聲等在很大程度上取決于變速器的性能，因此必須重視對變速器的研究。按傳動比的變化方式劃分，變速器可分為有級式，無級式，綜合式 3 種；按操縱方式劃分，可分為強制操縱式，自動操縱式和半自動操縱式 3 種。近年來，隨著車輛技術的進步和車輛密度的加大，對變速的性能要求也越來越高。眾多的汽車工程師在改進汽車變速器的性能的研究中傾注了大量的心血，使變速器得到飛速的發(fā)展。隨著城市車輛密度的加大，自動變速器已逐漸成為汽車的必備裝備，而不僅僅是豪華的標志。因為有了自動變速器，改變車速變得輕松自如， 角度變化而實現(xiàn)傳動比的連續(xù)而 2 且 不必頻繁地踩踏板。如今，幾乎所有的現(xiàn)代汽車廠家都生產(chǎn)配備自動變速器的汽車，原因之一是自動變速器可以幫助發(fā)動機降低對環(huán)境的污染。自動變速器可實現(xiàn)最佳轉速比，即使發(fā)動機低速運轉，也能保障車輛隨駕駛者的意愿正常行駛，油耗降低了，污染也就受到控制。雖然自動變速器不斷地演變進步，但始終有缺點，即車速的反應與踏板的動作之間總有一定的差距，駕駛中缺乏直覺的印象。近年，保時捷公司又發(fā)明了一種“手控／自動變速器”，憑靠一組復雜的電子裝置，可以使駕車者在自動與手動變速之間任意選擇。例如，在市內行駛時，由于需要頻繁地變換速度，使 用自動變速器便顯得非常方便；而一旦來到高速公路或其它開闊的地方，則又可將自動變速的功能關掉，轉為由手控制，以此來領略駕車中的多種樂趣。這一點已逐漸成為高檔車的特性。 全套圖紙，加 153893706 目前手動變速器依然在汽車界應用非常廣泛，自動變速器是個趨勢，但手動變速器確是駕駛樂趣的極大體現(xiàn)者。而本設計的目的就是以我國現(xiàn)今汽車的發(fā)展情況探討開發(fā)一種適合我國國情、滿足家庭使用的中小型、經(jīng)濟實用、發(fā)動機前置前驅動的一種變速器。要求設計方法簡單、可靠、實用，設計出的變速器具有較高的安全性、可靠性、實用性、經(jīng)濟性，滿足當前經(jīng)濟性家庭用車的消費群體，并在方案實施上具有一定的可行性。 選題的主要研究內容 本課 題的主要內容是研制開發(fā)前輪驅動轎車變速器的方案和各系統(tǒng)的設 計，計算和校對 。 結合國外汽車設計的一 些先進技術和國內專家們做過的一些工作，對前驅動轎車變速器的設計給出了詳細的方法和較為合理的理論，本文主要預計做的工作包括 3 以下 內容 ： 根據(jù)所開發(fā)車型的關鍵所在，要全面考慮所有方面，包括可行性、經(jīng)濟性、安全性、舒適性、操縱穩(wěn)定性、平順性、動力性、高速性等一系列問題，才能使你開發(fā)出的車在市場上有競爭力，才能被人們所接受。 總體方案出臺后，就要對變速器進行總體布置，確定各系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)各系統(tǒng)性能的需要開始設計各系統(tǒng)。 傳動系統(tǒng)的布置和組成取決于發(fā)動機的結構形式、布置位置和車輛的驅動形式 。因為該車型采用前置前驅動形式 ，發(fā)動機的動力通過離合器和變速器并直接帶動前橋，這樣傳動系省去了一根傳動軸，同時離合器和變速器可以與發(fā)動機制成一體，從而使總體結構非常緊湊，這種結構的關鍵在于等速萬向節(jié)的設計與選取 .本文對此加以探討，給出合理的設計原則。 變速器用來改變發(fā)動機傳到驅動輪上的轉矩和轉速，目的是在原地起步，爬坡，轉彎，加速等各種行駛工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時使發(fā)動機再最有利工況范圍內工作。變速器設有空擋和倒擋。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。 4 第 2章 變速器 總體方案 設計 變速器的設計要 求 汽車傳動系是汽車的核心組成部分。其任務是調節(jié)、變換發(fā)動機的性能，將動力有效而經(jīng)濟地傳至驅動車輪，以滿足汽車的使用要求。變速器是完成傳動系任務的重要部件，也是決定整車性能的主要部件之一。變速器的結構要求對汽車的動力性、燃料經(jīng)濟性、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。在汽車變速器的設計工作開始之前，首先要根據(jù)變速器運用的實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 ； （ 2） 設置空擋，用來切斷發(fā)動機動力向驅動輪的傳輸 ； （ 3） 設置倒擋，使汽車能倒退行駛 ； （ 4） 設置動力輸出裝置，需要時能進行功率輸出 ； （ 5） 換擋迅速、省力、方便 ； （ 6） 工作可靠 ； （ 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、拆裝容易、維修方便等要求。 變速器的現(xiàn)狀與發(fā)展方向 變速器作為 傳遞動力和改變車速的主要裝置，國內外對其操縱的方便性和檔位數(shù)等方面的要求愈來愈高，目前， 4 檔特別是 5 檔變速器的用量已日漸增多。同時， 6檔變速器的裝車量也在上升。電子控制式自動變速器是人們關注的焦點。它是在機械變速器的基礎上， 通過運用電子技術實現(xiàn)自動換檔、自動控制離合器及油門動作的一種先進的變速裝置。它能以模擬控制與數(shù)字控制兩種方式作用。能連續(xù)不斷地把車量 5 的實際行駛狀況與希望實現(xiàn)的狀況進行比較，如果兩者不吻 合，該控制器就會命令操縱機構，改變變速器的檔位、離合器的分離與接合以及油門的開度。通過實現(xiàn)自動選擇最佳檔 位和最佳換檔時間，電控變速器可直接改善整車的操縱性，并使車輛在經(jīng)濟性最佳的范圍內行駛。隨著電子設備廣泛的應用，電控發(fā)動機的類型也越來越多。目前國內外轎車的電控自動變速器，主要有三種操縱方式，即電子控制氣動操縱、電子控制液壓操縱、電子控制馬達操縱。 變速器的設計內容 對變速器傳動機構的分析與選擇 通過比較兩軸和中間軸式變速器各自的優(yōu)缺點，以及所設計車輛的特點，確定傳動機構的布置形式。 變速器主要參數(shù)的選擇 變速器主要參數(shù)的選擇：檔數(shù)、傳動比、中心距、齒輪參數(shù)等。 變速器齒輪強度的校核 變速器齒輪強 度的校核主要對變速器的齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度進行校核。 軸的基本尺寸的確定及強度計算 對于軸的強度計算則是對軸的剛度和強度分別進行校核。 變速器傳動機構的布置方案 變速器傳動方案分析與選擇 機械式變速器具有結構簡單、傳動效率高、制造成本底和工作可靠等優(yōu)點，故在不同形式的汽車上得到廣泛應用。機械式變速器傳動機構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)動機前置前輪驅動的汽車上。與中間軸式變速器相比，它具有軸和軸承數(shù)少，結構簡單、輪廓尺寸小、易布置等優(yōu) 點。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，受結構限制其一檔速比不能設計的很大。其特點是：變速器輸出軸與主減速器主動齒輪做成一體，發(fā)動機縱置時直接輸出動力。 而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汽車上。其特點是：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 6 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)動機發(fā)揮最大功率附近高功率的機會，提高了汽車的加速和爬坡能力。就燃油經(jīng)濟性而言，檔位數(shù)多，增加了發(fā)動機在低燃油消耗率區(qū)下作的能力，降低了油耗。從而能提高汽車生產(chǎn)率，降低運輸成木。不過，增加檔數(shù)會使變速器機構復雜和質量增加，軸向尺寸增大、成本提高、操縱復雜。 綜上所述，此次設計變 速器是驅動形式屬于發(fā)動機前置前輪驅動，且可布置變速器的空間較小，對變速器的要求較高，要求運行噪聲小，設計車速高，故選用二軸式變速器作為傳動方案。選擇 5檔變速器，并且五檔為超速檔。大體結構可參考如圖 所示的結構。 圖 發(fā)動機前置前輪驅動布置示意圖 倒檔布置方案 常見的倒檔布置方案如圖 所示。圖 方案的優(yōu)點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入嚙合，使換檔困難；圖 方案能獲得較大的倒檔傳動比，缺點是換檔程序不合理；圖 方案對 的缺 點做了修改；圖 所示方案是將一、倒檔齒輪做成一體，將其齒寬加長；圖 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 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。 本章小結 本章對變速器傳動機構的布置方案和零、部件結構方案進行了系統(tǒng)的分析，并給出了此次設計的具體方案，即設計兩軸式變速器， 倒擋布置方案 如圖 （ f）所示，前進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， 軸承選取深溝球軸承、圓柱滾子軸承 、滾針軸承、圓錐滾子軸承。 8 第 3章 變速器主要零件的結構方案分析 變速器齒輪 變速器用齒輪有直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪兩種。直齒圓柱齒輪主要用于一檔、 倒檔齒輪，與直齒圓柱齒輪相比，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長、運轉平穩(wěn)、工作噪聲低等優(yōu)點，所以本設計全部選用斜齒輪。 變速器齒輪可以與軸設計為一體或與軸分開，然后用花鍵、過盈配合或者滑動支承等方式之一與軸連接。 齒輪尺寸小又與軸分開，其內徑直徑到齒根圓處的厚度 b（圖 ） 影響齒輪強度。要求尺寸 b 應該大于或等于輪齒危險斷面處的厚度。為了使齒輪裝在軸上以后，保持足夠大的穩(wěn)定性，齒輪輪轂部分的寬度尺寸 C ，在結構允許條件下應盡可能取大些，至少滿足尺寸要求： 2)～( dC ? （ ） 式中 2d —— 花鍵內徑。 為了減小質量，輪輻處厚度 ? 應在滿足強度條件 下設計得薄些。尺寸 1D 可取為花鍵內徑的 ～ 倍。 圖 變速器齒輪尺寸控制圖 齒輪表面粗糙度數(shù)值降低，則噪聲減少，齒面磨損速度減慢，提高了齒輪壽命。變速器齒輪齒面的表面粗糙度應在 aa ～RR μm范圍內選用。要求齒輪制造精度 9 不低于 7 級。 軸 變速器軸多數(shù)情況下經(jīng)軸承安裝在殼體的軸承孔內。當變速器中心距小，在殼體的同一端面布置兩個滾動軸承有困難時，輸出軸可以直接壓入殼體孔中，并固定不動。 用移動齒輪方式實現(xiàn) 換檔的齒輪與軸之間，應選用矩形花鍵連接，以保證良好的定心和滑動靈活，而且定心外徑及矩形花鍵齒側的磨削比漸開線花鍵要容易。兩軸式變速器輸入軸和中間軸式變速器中間軸上的高檔齒輪，通過軸與齒輪內孔之間的過盈配合和鍵固定在軸上。兩軸式變速器的輸出軸和中間軸式變速器的第二軸上的常嚙合齒輪副的齒輪與軸之間，常設置有滾針軸承、滑動軸承，少數(shù)情況下齒輪直接裝在軸上。此時，軸的表面粗糙度不應低與 μm，硬度不低于 58～ 63HRC。因漸開線花鍵定位性能良好，承載能力大且漸開線花鍵的齒 短，小徑相對增大能提高軸的剛度，所以軸與同步器上的軸套常用漸開線花鍵連接。 倒檔軸為壓入殼體孔中并固定不動的光軸，并由螺栓固定。 由上述可知，變速器的軸上裝有軸承、齒輪、齒套等零件，有的軸上又有矩形或漸開線花鍵，所以設計時不僅要考慮裝配上的可能，而且應當可以順利拆裝軸上各