【正文】 ， 2 ? ， 3 ? ， 4 ? ，上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車(chē)變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 30 5 ? ； 齒寬 b＝ 16mm； 再按照中心距公式 : 1 2 37 8 5 6 3 41 2 3451 2 9 1 045( ) ( ) ( )2 c o s 2 c o s 2 c o s( ) ( )2 c o s 2 c o sn n nnnm m mA Z Z Z Z Z ZmmZ Z Z Z? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ????????（ ） 式中 Z Z2 為四檔主、被動(dòng)齒輪， Z Z4 為三檔主、被動(dòng)齒輪， ZZ6為二檔主、被動(dòng)齒輪 Z Z8為一檔主、被動(dòng)齒輪， Z Z10為五檔主、被動(dòng)齒輪。變速器橫向斷面尺寸應(yīng)保證能布置下齒輪，而且設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意到殼體側(cè)面的內(nèi)壁與轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪齒頂之間留有 5～ 8mm 的間隙，否則由于增加了潤(rùn)滑油的液壓阻力，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲和使變速器過(guò)熱。 為了注油和放油，在變速器殼體上設(shè)有注油孔和放油孔。 變速器的平面裝配圖見(jiàn)論文附件，圖 為 SJ 變速器在汽車(chē)上的三維布置效果圖，圖 為 SJ 變速器的三維結(jié)構(gòu)效果圖（具體 CAD 設(shè)計(jì)過(guò)程考慮篇幅長(zhǎng)度與側(cè)重點(diǎn)，此處不介紹）。 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，設(shè)計(jì)方法也得到相應(yīng)地發(fā)展。目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計(jì)問(wèn)題所要求的最優(yōu)指標(biāo)與設(shè)計(jì)變量之間的函 數(shù)關(guān)系式； (2)采用適當(dāng)?shù)淖顑?yōu)化方法，求解數(shù)學(xué)模型。 上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車(chē)變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 38 因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)都應(yīng)按此形式，將工程設(shè)計(jì)問(wèn)題作出數(shù)學(xué)上的描述，以適應(yīng)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法求解的需要，這就是所謂優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。因此，對(duì)于一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題來(lái)說(shuō)，應(yīng)該恰當(dāng)?shù)卮_定設(shè)計(jì)變量的靈敏度。因此，為了算法和程序的統(tǒng)一 ，通常最優(yōu)化就是指極小化，即f(x)min。 上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車(chē)變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 40 設(shè)計(jì)約束 優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅要使所選擇方案的設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最佳值，同時(shí)還必須滿足一些附加的條件，這些附加的設(shè)計(jì)條件都是對(duì)設(shè)計(jì)變量取值的限制，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中叫做設(shè)計(jì)約束。兩部分的分界面叫做約束面。換言之，目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)都是設(shè)計(jì)問(wèn)題的性能函數(shù)，只是在數(shù)學(xué)模型中充當(dāng)不同的角色。 在約束優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題中，如果目標(biāo)函數(shù)是多峰的，或約束集合是非凸上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車(chē)變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 42 集，則有可能存在不止一個(gè)局部極小點(diǎn)，此時(shí)每一個(gè)局部極小點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的局部極小值統(tǒng)稱(chēng)為一個(gè)局部最優(yōu)解。 MATLAB 是一個(gè)高度集成的軟件系統(tǒng)，它集科學(xué)與工程計(jì)算、圖形可視化、圖像處理、多媒體處理于一身，并提供了實(shí)用的 Windows 圖形界面設(shè)計(jì)方法，使用戶能設(shè)計(jì)出友好的圖形界面。 () b 16 1Z 31 2Z 30 3Z 24 4Z 38 5Z 17 6Z 39 7Z 12 8Z 45 9Z 33 10Z 27 優(yōu)化計(jì)算的目標(biāo)函數(shù) 一個(gè)理想的變速器除了能使汽車(chē)具有良好的動(dòng)力性外，并應(yīng)滿足在可上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車(chē)變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 45 靠的工作條件下體積最小，質(zhì)量最輕、材料最省、成本最低。 另外， 齒輪的螺旋角對(duì)齒輪的嚙合性能、齒輪強(qiáng)度 以 及所產(chǎn)生的軸向力大小都有直接影響。齒輪的模數(shù)，從充分發(fā)揮齒輪的強(qiáng)度和工作性能來(lái)看，最好是每對(duì)齒輪具有各自的模數(shù) ； 從 考慮到齒輪加工方便與加工成本，最好變速器采用幾種模數(shù)，低檔用大模數(shù)，高檔用小模數(shù) ；同時(shí)， 模數(shù) 的 選取還要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 () 4? 176。它除了具有強(qiáng)大數(shù)值計(jì)算和圖形功能， 還能夠保證可以和各種各樣強(qiáng)大計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合，發(fā)揮更大的作用。 約束化設(shè)計(jì)問(wèn)題的最優(yōu)解 優(yōu)化設(shè)計(jì)就是求解 n 個(gè)設(shè)計(jì)變量在滿足約束條件下使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小值，即 minf(x)= f (x) xR? ???????? ??????????????（ ） gu(x)≥ 0，（ u=1, 2，??， m） hv(x)＝ 0，（ v＝ 1， 2, ??， p） （ pn） 式中，稱(chēng) x 最優(yōu)點(diǎn)，稱(chēng) f(x)為最優(yōu)值。 在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)不是絕對(duì)的。 不等式約束及其有關(guān)概念，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中是相當(dāng)重要的。這樣處理后的數(shù)學(xué) 模型，往往不能很好地體現(xiàn)多目標(biāo)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，求得的最優(yōu)解不能很好地滿足設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是要求所選擇的設(shè)計(jì)變量使目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最佳值。 設(shè)計(jì)變量的數(shù)目 越多，其設(shè)計(jì)空間的維數(shù)越高，能夠組成的設(shè)計(jì)方案的數(shù)就越多，因而設(shè)計(jì)的自由度也就越大，從而也就增加了問(wèn)題的復(fù)雜程度。 工程設(shè)計(jì)問(wèn)題的優(yōu)化，可以表達(dá)為優(yōu)選一組參數(shù)，使其設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最佳值，且須滿足一系列對(duì)參數(shù)選擇的限制條件。優(yōu)化設(shè)計(jì)工作包括以下兩部分內(nèi)容 : (1)將設(shè)計(jì)問(wèn)題的物理模型轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的變速器盲目性比較大，通常過(guò)于保守。 圖 SJ 變速器殼體分解圖 上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車(chē)變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 33 ； ； ； ； ； 器分離叉軸右襯套； ； ； ； SJ 變速器的 CAD 設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)以上設(shè)計(jì)、分析及計(jì)算之后，就可以使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD技術(shù)來(lái)初步完成 SJ 汽車(chē)變速器的設(shè)計(jì)。變速器的殼壁不應(yīng)該有不利于吸收齒輪振動(dòng)和噪聲的大平面。所以本設(shè)計(jì)擬采用直接操縱式，其傳統(tǒng)的布置方法是將變速桿安裝在變速器蓋上并由駕駛座椅旁的地板伸出，以便司機(jī)可直接用手操縱變速桿進(jìn)行換檔。 (6)各檔齒輪齒數(shù)的分配 在初選中心距，齒輪模數(shù)和螺旋角以后，可更據(jù)變速器的檔數(shù)，傳動(dòng)比和傳動(dòng)方案來(lái)分配各檔齒輪的齒數(shù)。 (4)齒寬的選擇 上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車(chē)變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 29 應(yīng)注意齒寬對(duì)變速器的軸向尺寸，齒輪工作平穩(wěn)性，齒輪強(qiáng)度和齒輪工作時(shí)受力的均勻程度均有影響。選斜齒輪的螺旋角，要注意 它 對(duì)齒輪工作噪聲 、 齒輪的強(qiáng)度和軸向力的影響。 汽車(chē)變速器齒輪法向模數(shù)取值范圍如下： 微型、輕型轎車(chē)， ～ ； 中型轎車(chē)， ～ 3； 上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車(chē)變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 28 中型貨車(chē)， ～ ； 重型貨車(chē)， ～ 6。 低檔齒輪應(yīng)選大些的模數(shù)，其他檔位選另一種模數(shù)。 軸的直徑 變速器的軸應(yīng)設(shè)計(jì)成階梯式。 變速器的中心距 A 可根據(jù)對(duì)已有變速器的統(tǒng)計(jì)而得出的經(jīng)驗(yàn)公式初選： 3 1maxAA K T? ??????????? ? ?? ????????????（ ） 式中 AK —— 中心距系數(shù)。各傳動(dòng)比確定后可依此設(shè)計(jì)齒輪，實(shí)際傳動(dòng)比可根據(jù)齒數(shù)調(diào)整。故有 m a x 1 0 m a x m a x( c o s s in )e g trT i i m g fr ? ???? ????????????????（ ） 則由最大爬 坡度要求 得出 的變速器 1 檔傳動(dòng)比為 上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車(chē)變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 23 m a x m a x1m a x 0( c o s s in ) 3 . 1rgetm g r fi Ti???????????????????????（ ） 式中 m—— 汽車(chē)總質(zhì)量 ,1360kg ； g—— 重力加速度； f—— 道路阻力系數(shù) ,； max? —— 要求最大爬坡 ,30%(176。目前轎車(chē)一般用4～ 5 個(gè)檔位，級(jí)別高的轎車(chē)變速器多用 5 個(gè)檔，貨車(chē)變速器采用 4～ 5 個(gè)檔位或多檔。 輸 入 軸和輸 出 軸的具體結(jié)構(gòu)和其上裝配的零件如圖 、 。 變速器傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)的確定 在確定了變速器的齒輪、軸、軸承以及其它一些主要零部件的型式后，就可以結(jié)合變速器的傳動(dòng)方案，確定 SJ 變速器傳動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗惨惺芟蛲獾妮S向力。當(dāng)?shù)箼n采用滑動(dòng)齒輪掛檔時(shí)，輸出軸的相應(yīng)花鍵則采用矩形花鍵及動(dòng)配合。軸的結(jié)構(gòu)形狀除應(yīng)保證其強(qiáng)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。在發(fā)動(dòng)機(jī)功率足夠的條件下，采用超速檔可提高汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。 (4) 四檔傳動(dòng) 路線 如圖 所示，操縱變速桿，通過(guò)撥叉機(jī)構(gòu)撥動(dòng)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(dòng)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。一檔傳動(dòng)比最大，產(chǎn)生的車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力最大，車(chē)速也最低，用于車(chē)輛的起步和爬坡。 由于倒檔使用率不高，本設(shè)計(jì)采用直齒滑動(dòng)齒輪方案換入倒檔。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(dòng)比，這是三軸式變速器的另一優(yōu)點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)手動(dòng)齒輪式變速器，變速器應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置、前輪驅(qū)動(dòng)的轎車(chē)上（具體參數(shù)見(jiàn)表 ）。為了提高汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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。所以致力于減輕汽車(chē)所有部件的質(zhì) 量成為了汽車(chē)設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則。 變速器就是通過(guò)檔位變換來(lái)改變傳動(dòng)比，從而實(shí)現(xiàn)多級(jí)變速的。為了擴(kuò)大變速器輸出轉(zhuǎn)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(dòng)。設(shè)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速為 n1，齒數(shù)為 Z1，從動(dòng) 齒輪轉(zhuǎn)速為 n2，齒數(shù)為 Z2。 (3)綜合式變速器 是指由液力變矩器和齒輪式有級(jí)變速器組成的液力機(jī)械式變速器，其傳動(dòng)比可在最大指與最小值之間的幾個(gè)間斷的范圍內(nèi)上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車(chē)變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 6 作無(wú)級(jí)變化，目前應(yīng)用較多。 變速器在分類(lèi)上通常有兩種方式：按傳動(dòng)比變化方式和按操縱方式的不同來(lái)分。 采用優(yōu)化設(shè)計(jì) 的 方法 確定 汽車(chē)變速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可減小變速器的體積，得到良好的汽車(chē)動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性，使換檔輕便、無(wú)沖擊噪聲。汽車(chē)制造商不僅面臨著用戶對(duì)產(chǎn)品性能與質(zhì)量越來(lái)越高的要求，而且面臨著嚴(yán)格的技術(shù)法規(guī)約束以及降低產(chǎn)品成本等壓力，這就迫使企業(yè)必須縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。 卡爾178。 而現(xiàn)代汽車(chē)變速器的設(shè)計(jì)趨勢(shì)之一卻是小型輕量化，因此采用全新的設(shè)計(jì)方法來(lái)優(yōu)化汽車(chē)變速器就成了本文研究的目標(biāo)。 1886 年，德國(guó)人奔馳自行設(shè)計(jì)了四行程發(fā)動(dòng)機(jī)，并將其安裝在一輛皮帶傳動(dòng)的三輪車(chē)上，然后成功的驅(qū)動(dòng)了它。 目前從國(guó)內(nèi)來(lái)看，大部分的汽車(chē)采用的還是手動(dòng)換檔的機(jī)械式變速器，其設(shè)計(jì)和一些主要參數(shù)選擇的方法卻依然沿襲傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 —— 經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法。 1 汽車(chē)變速器 概述 現(xiàn)代汽車(chē)通常采用活塞式內(nèi)燃機(jī)，其特點(diǎn)是扭矩變化范圍 比較 小。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(zhuǎn)式變速器 (行星齒輪變速器 )兩種。駕駛員只需操縱加速踏板以控制車(chē)速。即 : 121221nZi ?? ?????? ??? ???? ??? ???? ??? ??? () 因而 , 1212ZnnZ?? ? ??? ???? ??? ???? ??? ?? ?? ? ??? ? () 上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車(chē)變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 7 如圖 所示。 一般轎車(chē)和輕、中型客貨車(chē)輛的變速器通常有 3～ 6 個(gè)前進(jìn)檔和一個(gè)倒檔。汽車(chē)變速器就是利用這一原理，通過(guò)改變各檔的傳動(dòng)比來(lái)改變輸出轉(zhuǎn)速，從而改變其輸出轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)汽車(chē)行駛阻力的變化。鎂合金的密度為 ，是鋁合金的 2/3，不足鋼的 1/4，是實(shí)際應(yīng)用的材料中最輕的合金。在齒輪參數(shù)的降噪設(shè)計(jì)中，通過(guò)提高齒輪重合度來(lái)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(jì) 已成為潮流；許多公司為此開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化 設(shè)計(jì)程序。其中兩軸式和三軸式變速器在手動(dòng)式變速器中得到了最廣泛的應(yīng)用。轎車(chē)多采用前置發(fā)動(dòng)機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)的布置，因?yàn)檫@種布置使汽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)緊湊、操縱性好且可使汽車(chē) 的 質(zhì)量減少6％～ l0％。當(dāng)離合器接合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳至輸入軸，帶動(dòng)三 /四檔同步器、二檔、一檔、倒檔主動(dòng)齒輪和五檔接合套一起旋轉(zhuǎn)，二檔和一檔從動(dòng)齒輪繞輸出軸空轉(zhuǎn)。二檔傳動(dòng)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)。四檔 為 直接檔 (傳動(dòng)比為 1)，在平直良好路面上使用，可實(shí)現(xiàn)較高車(chē)速。倒檔脫開(kāi)時(shí)，需撥動(dòng)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(kāi)。 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(lái)看，這也是需要的。通常是根據(jù)變速器的結(jié)構(gòu)選定，再驗(yàn)算其壽命。 為增強(qiáng)汽車(chē)變速器 的 承載能力，使其具有更高的可靠性、更長(zhǎng)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。其他 3 個(gè)與輸入軸緊固相連的齒輪從左向右分別為輸入軸二檔齒輪、輸入軸倒檔第 1 齒輪和輸入軸二檔齒輪。但檔數(shù)越多，變速器的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，并且使尺寸輪廓和質(zhì)量加大。本設(shè)計(jì)考慮設(shè)計(jì)要求，采用 5 檔變速器。第五檔為超速檔一般取 左右 。其大小不僅對(duì)變速器的外形尺寸 ,體積和質(zhì)量大小 ,而且對(duì)齒輪的接觸強(qiáng)度有影響。 轎車(chē)變速器的中心距在 65～ 80mm 變化范圍，貨車(chē)的變速器中心距