【文章內(nèi)容簡介】 讓駕駛者也能享受手動換擋的樂趣。此型車在其擋位上設有“ +”、“ ”選擇擋位。在 D 擋時，可自由變換降擋 ()或加擋 (+)，如同手動擋一樣。 （ 4） 無級變速器 當今汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是非常迅速的，用戶對于汽車性能的要求是越來越高的。汽車變速器的發(fā)展也并不僅限于此，無級變速器便是人們追求的“最高境界”。無級變速器最早由荷蘭人范多尼斯發(fā)明。無級變速系統(tǒng)不像手動變速器或自動變速器那樣用齒輪變速，而是用兩個滑輪和一 個鋼帶來變速，其傳動比可以隨意變化，沒有換擋的突跳感覺。它能克服普通自動變速器“突然換擋”、油門反應慢、油耗高等缺點。通常有些人將自動變速器稱為無級變速器，這是錯誤的。雖然它們有著共同點，但是自動變速器只有換擋是自動的，但它的傳動比是有級的，也就是我們常說的擋，一般自動變速器有 4～ 8個擋。而無級變速器能在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)速比的無級變化，并選定幾個常用的速比作為常用的“擋”。裝配該技術(shù)的發(fā)動機可在任何轉(zhuǎn)速下自動獲得最合適的傳動比。 (二 )國內(nèi)外研究狀況 手動變速器的許多最近的發(fā)展集中在為降低成本和體積的新制造方 法上。傳統(tǒng)來說，變速器制造包含大量昂貴的機器，以及為機械加工和裝配操作所需留出的空間限制的設計。最新的技術(shù)包括，如在最新的 Ford／ Getra96檔變速器中可以看到的激光焊接沖壓鋼滑動齒輪選擇器軸套。為替代前一代變速器的鑄鐵撥叉，這種精致而堅固的設計方案可以導致更少的對內(nèi)部的損害。齒輪盤片的激光和摩擦焊接同時保證了所需機器設計空間的降低，這是一種由雷諾公司在 5檔副軸圓型變速器設計中發(fā)明的技術(shù)，命名為 EMI，曾在 2022年展出并因為重慶航天職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文） 3 它的簡單和輕便僅 22公斤卻能提供 140N m的轉(zhuǎn)矩而出名。另一方面，設計人員也 在其齒輪提供轉(zhuǎn)矩輸出的設計上進行了認真的研究，提高了耐久性和低噪聲水平。 從變速器的發(fā)展現(xiàn)狀中我們可以看出，無論是自動變速器還是手動變速器，都存在著優(yōu)點和某些不足，所以對于一款新設計出的變速器進行適當?shù)膬?yōu)化是必不可少的。傳統(tǒng)的汽車變速器設計是采用許多經(jīng)驗公式計算和測繪同類型變速器來初步確定其參數(shù)，這樣設計出來的變速器盲目性比較大，常過于保守。減小體積和質(zhì)量，提高傳扭能力，是當前汽車變速器優(yōu)化設計的主要目的，因為減小變速器的體積和質(zhì)量可減少制造費用，降低齒輪動載荷，提高齒輪壽命，使汽車的總體布置更為方便和靈活 。當發(fā)動機選定時，就要求設計的變速器在規(guī)定的使用年限內(nèi)保證其性能，而且要求變速器體積最小，節(jié)省材料，降低成本。如何達到此要求，如何合理地分配傳動比，合理選擇各檔的模數(shù)、齒數(shù)、螺旋角、齒輪變位系數(shù)等，傳統(tǒng)設計方法是根據(jù)經(jīng)驗類比、估算或試湊的方式初步確定這些參數(shù)，然后再進行剛度與強度等校核，若不合適，就對其中某參數(shù)進行修改，再進行重復計算，直到滿意為止。這種設計方法在一定程度上伴隨著主觀性，而通過變速器專業(yè)軟件的優(yōu)化功能，可適當?shù)南@種盲目性和主觀性 [8]。 目前汽車發(fā)達國家的汽車開發(fā)能力越來越依賴于汽車自 動開發(fā)設計軟件。發(fā)達國家汽車開發(fā)能力的高低已不再用它擁有多少高級開發(fā)能力的人才和先進設備的多少來評價，而是用更重要的一個方面就是它是否擁有最先進的開發(fā)軟件和數(shù)據(jù)庫來評價。 當前對轎車設計中動力性與經(jīng)濟性要求日漸提高的情況下，對零部件的限制條件也越來越多，越來越復雜。傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式已經(jīng)無法滿足新型變速器設計的要求。而總結(jié)新的經(jīng)驗公式又需要豐富的設計經(jīng)驗與知識，是一個長期的過程。當今科技日新月異，轎車生產(chǎn)的手段方法與目標也不斷在改變。重慶航天職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文） 4 大量使用的經(jīng)驗公式已不具備長期生存實用的必要性和可能性。 綜上所述，不僅從變速 箱本身的特點，還是設計手段與方法的整個趨勢來看，將先進的設計方法引入變速箱的設計是及其必要的。其優(yōu)點不僅僅在于得到一個能使性能達到較高水平的設計方案，而且由于知識工程和專家系統(tǒng)的引入，使得其更具有可擴展性。它可以直接將一個復雜的要求引入到設計過程中，能在不改變或較少改變設計系統(tǒng)的情況下，進行進一步設計和檢驗其合理性。而在傳統(tǒng)設計方法中，要做到這樣是很困難的，因為改變設計系統(tǒng)和過程將是一個復雜的工作。 采用前置后驅(qū)形式的轎車一直被認為是極具駕駛樂趣的車型。目前國內(nèi)采用這種驅(qū)動布置的主要有華晨寶馬、豐田銳志、皇 冠等少數(shù)車型。以寶馬為例，除其中某幾款四驅(qū)車型以外，其余車型均采用前置后驅(qū)的形式。在這種布置中，發(fā)動機的位置通常較前置前驅(qū)車型靠后，甚至直接位于前軸之上，同時發(fā)動機采用縱置布置，這就使得變速器要采用三軸形式，變速器距離駕駛員位置較近，從而簡化了操縱機構(gòu)的復雜程度。而前置后驅(qū)的布置，使得寶馬汽車的前后軸荷可以達到完美的 50:50。采用性能優(yōu)異的手動變速器，更能增加汽車的操控性與駕駛樂趣；而增加變速器的擋數(shù)，又能夠改善汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性和平均車速，因此目前寶馬汽車的手動變速器均采用六擋形式。 (三 )研究的 內(nèi)容 本文主要參考同類齒輪軟件的設計，結(jié)合變速箱設計的實際情況，對手動變速器的結(jié)構(gòu)、工作原理及工作過程進行一定的研究。首先確定汽車手動變速器的設計方案，包括齒輪和軸的總布置形式、換檔操縱機構(gòu)及檔位布置形式等；其次根據(jù)所配發(fā)動機的基本參數(shù)以及考慮到整車動力性和經(jīng)濟性要求的傳動比，設計計算出變速器主要零件的相關(guān)參數(shù)。完成齒輪、軸和軸承等主要零件以及同步器同步過程的分析。 重慶航天職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文） 5 二、 變速器方案的確定 (一 )變速器結(jié)構(gòu)方案的確定 變速器由傳動機構(gòu)與操縱機構(gòu)組成。 有級變速器與無級 變速器相比，其結(jié)構(gòu)簡單、制造低廉，具有高的傳動效率（ η =~），因此在各類汽車上均得到廣泛的應用。 設計時首先應根據(jù)汽車的使用條件及要求確定變速器的傳動比范圍、擋位數(shù)及各擋的傳動比，因為它們對汽車的動力性與燃料經(jīng)濟性都有重要的直接影響。 傳動比范圍是變速器低擋傳動比與高擋傳動比的比值。汽車行駛的道路狀況愈多樣，發(fā)動機的功率與汽車質(zhì)量之比愈小，則變速器的傳動比范圍應愈大。目前，轎車變速器的傳動比范圍為 ~。 通常，有級變速器具有 6 個前進擋。 變速器擋位數(shù)的增多可提高發(fā)動機的功率 利用效率、汽車的燃料經(jīng)濟性及平均車速，從而可提高汽車的運輸效率，降低運輸成本。但采用手動的機械式操縱機構(gòu)時，要實現(xiàn)迅速、無聲換擋，對于多于 6 個前進擋的變速器來說是困難的。因此，直接操縱式變速器擋位數(shù)的上限為 6 擋。多于 5 個前進擋將使操縱機構(gòu)復雜化，或者需要加裝具有獨立操縱機構(gòu)的副變速器，后者僅用于一定行駛工況。 某些轎車的變速器，采用僅在好路和空載行駛時才使用的超速擋。采用傳動比小于 1（ ~）的超速擋，可以更充分地利用發(fā)動機功率，降低單位行駛里程的發(fā)動機曲軸總轉(zhuǎn)數(shù)，因而會減少發(fā)動機的磨損，降低燃料消 耗。但與傳動比為 1 的直接擋比較，采用超速擋會降低傳動效率。 有級變速器的傳動效率與所選用的傳動方案有關(guān)，包括傳遞動力的齒輪副數(shù)目、轉(zhuǎn)速、傳遞的功率、潤滑系統(tǒng)的有效性、齒輪及軸以及殼體等零件重慶航天職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文） 6 的制造精度、剛度等。 三軸式和兩軸式變速器得到的最廣泛的應用。 三軸式變速器如圖 21 所示，其第一軸的常嚙合齒輪與第二軸的各擋齒輪分別與中間軸的相應齒輪相嚙合，且第一、第二軸同心。將第一、第二軸直接連接起來傳遞扭矩則稱為直接擋。此時，齒輪、軸承及中間軸均不承載，而第一、第二軸也傳遞轉(zhuǎn)矩。因此，直接擋的傳遞效率高，磨損及噪音 也最小，這是三軸式變速器的主要優(yōu)點。其他前進擋需依次經(jīng)過兩對齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩。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擋傳動比，這是三軸式變速器的另一優(yōu)點。其缺點是：除直接擋外其他各擋的傳動效率有所下降。 1— 第一軸； 2— 第二軸； 3— 中間軸 圖 21 轎車中間軸式四擋變速器 重慶航天職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文） 7 兩軸式變速器如圖 22 所示。與三軸式變速器相比，其結(jié)構(gòu)簡單 、緊湊且除最到擋外其他各擋的傳動效率高、噪聲低。轎車多采用前置發(fā)動機前輪驅(qū)動的布置，因為這種布置使汽車的動力 傳動系統(tǒng)緊湊、操縱性好且可使汽車質(zhì)量降低 6%~10%。兩軸式變速器則方便于這種布置且傳動系的結(jié)構(gòu)簡單。如圖所示，兩軸式變速器的第二軸（即輸出軸）與主減速器主動齒輪做成一體，當發(fā)動機縱置時，主減速器可用螺旋錐齒輪或雙面齒輪；當發(fā)動機橫置時則可用圓柱齒輪，從而簡化了制造工藝，降低了成本。除倒擋常用滑動齒輪（直齒圓柱齒輪）外，其他擋均采用常嚙合斜齒輪傳動；個擋的同步器多裝在第二軸上，這是因為一擋的主動齒輪 尺寸小，裝同步器有困難；而高擋的同步器也可以裝在第一軸的后端，如圖示。 兩軸式變速器沒有直接擋，因此在高擋工作時，齒輪和軸承均承載，因而噪聲比較大，也增加了磨損，這是它的缺點。另外，低擋傳動比取值的上限（ igⅠ =~）也受到較大限制，但這一缺點可通過減小各擋傳動比同時增大主減速比來取消。 重慶航天職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文） 8 1— 第一軸； 2— 第二軸； 3— 同步器 圖 22 兩軸式變速器 有級變速器結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢是增多常嚙合齒輪副的數(shù)目，從而可采用斜齒輪。后者比直齒輪有更長的壽命 、更低的噪聲，雖然其制造稍復雜些且在工作中有軸向力。因此，在變速器中，除低擋及倒擋外，直齒圓柱齒輪已經(jīng)被斜齒圓柱齒輪所代替。但是在本設計中，由于倒擋齒輪采用的是常嚙式，因此也采用斜齒輪。 所設計的汽車是發(fā)動機前置，后輪驅(qū)動，采用中間軸式變速器。圖 2圖 2圖 25 分別是幾種中間軸式四，五，六擋變速器傳動方案。特點是：變速器第一軸和第二軸的軸線在同一直線上，經(jīng)嚙合套將它們連接得到直接擋。使用直接擋，變速器的齒輪和軸承及中間軸均不承載，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速器第一軸和第二軸直接輸出，此時變速器的傳動效率高，可 達 90%以上，噪聲低，齒輪和軸承的磨損減少因為直接擋的利用率高于其它擋位，因而提高了變速器的使用壽命；在其它前進擋位工作時，變速器傳遞的動力需要經(jīng)過設置在第一軸，中間軸和第二軸上的兩對齒輪傳遞，因此在變速器中間軸與第二軸之間的距離（中心距）不大的條件下，一擋仍然有較大的傳動比；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；多數(shù)傳動方案中除一擋以外的其他擋位的換擋機構(gòu)，均采用同步器或嚙合套換擋，少數(shù)結(jié)構(gòu)的一擋也采用同步器或嚙合套換擋，還有各擋同步器或嚙合套多數(shù)情況下裝在第 二軸上。再除直接擋以外的其他擋位工作時，中間軸式變速器的傳動效率略有降低，這是它的缺點。在擋數(shù)相同的條件下，各種中間軸式變速器主要在常嚙合齒輪對數(shù)，換擋方式和到擋傳動方案上有差別。 重慶航天職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文） 9 圖 23 中間軸式四擋變速器傳動方案 如圖 23 中的中間軸式四擋變速器傳動方案示例的區(qū)別：圖 13a、 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 13c 所示傳動方案的二，三，四擋用常嚙合齒輪傳動，而一擋和倒擋用直齒滑動齒輪換擋。 圖 24a 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 24b、 c、 d 所示方案的各前進擋，均用常嚙合齒輪傳動；圖24d所示方案中的倒擋和超速擋安裝在位于變速器后部的副箱體內(nèi)。 圖 24 中間軸式五擋變速器傳動方案 圖 25a 所示方案中的一擋、倒擋和圖 b 所示方案中的倒擋用直齒滑動重慶航天職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文） 10 齒輪換擋，其余各擋均用常嚙合齒輪。 圖 25 中間軸式六擋變速器傳動方案 以上各種方案中，凡采用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，有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。 發(fā)動機前置后輪驅(qū)動的轎車采用中間軸式變速器，為縮短傳動軸長度，可將變速器后端加長，如圖 23a、 b 所示。伸長后的第二軸有時裝在三個支承上，其最后一個支承位于加長的附加殼體上。如果在附加殼體內(nèi)，布置倒擋傳動齒輪和換擋機構(gòu)，還能減少變速器主體部分的外形尺寸。 變速器用圖 24c 所示 的多支承結(jié)構(gòu)方案，能提高軸的剛度。這時，如用在軸平面上可分開的殼體，就能較好地解決軸和齒輪等零部件裝配困難的問題。圖 24c 所示方案的高擋從動齒輪處于懸臂狀態(tài)，同時一擋和倒擋齒輪布置在變速器殼體的中間跨距里，而中間擋的同步器布置在中間軸上是這個方案的特點。 圖 26 為常見的倒擋布置方案。圖 26b 所示方案的優(yōu)點是換倒擋時利用了中間軸上的一擋齒輪，因而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 26c 所示方案能獲得較大的倒擋傳動比，缺點重慶航天職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文） 11 是換擋程序不合理。圖 26d 所示 方案針對前者的缺點做了修改，因而取代了圖 26c 所示方案。圖 26e 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 26f 所示方案適用于全部齒輪副均為常嚙合齒輪，換擋更為輕便。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 26g 所示方案。其缺點是一，倒擋須各用一根變速器撥叉軸，致使變速器上蓋中的操縱機構(gòu)復雜一些。 本設計采用圖 26f 所示的傳動方案 圖 26 變速器倒擋傳動方案 因為變速器在一擋和倒擋工作時有較大的力，所以無論是兩軸式變速器還是中間軸式變速 器的低擋與倒擋，都應當布置在在靠近軸的支承處，以減少軸的變形，保證齒輪重合度下降不多，然后按照從低擋到高擋順序布置各擋齒輪，這樣做既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，從這點出發(fā)有些方案將一擋布置在靠近軸的支承處。 重慶航天職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文） 12 (二 )變速器主要零件結(jié)構(gòu)方案的分析 變速器的設計方案必需滿足使用性能、制造條件、維護方便及三化等要求。在確定變速器結(jié)構(gòu)方案時，也要考慮齒輪型式、換擋結(jié)構(gòu)型式、軸承型式、潤滑和密封等因素。 與直齒圓柱齒輪比較，斜齒圓 柱齒輪有使用壽命長，工作時噪聲低等優(yōu)點；缺點是制造時稍復雜，工作時有軸向力。變速器中的常嚙合齒輪均采用斜齒圓柱齒輪，盡管這樣會使常嚙合齒輪數(shù)增加，并導致變速器的轉(zhuǎn)動慣量增大。直齒圓柱齒輪僅用于低擋和倒擋。 在本設計中由于倒擋采用的是常嚙合方案，因此倒擋也采用斜齒輪傳動方案，即除一擋外，均采用斜齒輪傳動。 換擋結(jié)構(gòu)分為直齒滑動齒輪、嚙合套和同步器三種。 直齒滑動齒輪換擋的特點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但由于換擋不輕便、換擋時齒端面受到很大沖擊、導致齒輪早期損壞、滑動花鍵磨損后易造成脫擋、噪聲大等原因 ，采用直齒滑動齒輪換擋時，換擋行程長也是它的缺點。因此，除一擋、倒擋外很少采用。 采用同步器換擋可保證齒輪在換擋時不受沖擊，使齒輪強度得以充分發(fā)揮，同時操縱輕便，縮短了換擋時間，從而提高了汽車的加速性、經(jīng)濟性和行駛安全性，此外，該種型式還有利于實現(xiàn)操縱自動化。其缺點是結(jié)構(gòu)復雜，制造精度要求高，軸向尺寸有所增加，銅質(zhì)同步環(huán)的使用壽命較短。目前，同步器廣泛應用于各式變 速器中。 當變速器第二軸上的齒輪與中間軸齒輪處于常嚙合狀態(tài)時，可以用移動嚙合套換擋。這時，不僅換擋行程短，同時因承受換擋沖擊載荷的結(jié)合齒齒數(shù)多，而齒輪又不參與換擋，所以他們都不會過早損壞，但因不能消除換擋重慶航天職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文） 13 沖擊，仍然要求駕駛員有熟練的操作技術(shù)。此外因增設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，因此，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使用。 采用同步器換擋可保證齒輪在換擋時不受沖擊，使齒輪強度得以充分發(fā)揮，同時操縱輕便，縮短了換擋時間，從而提高了汽車的加速性、經(jīng)濟性和行駛安 全性，此外，該種型式還有利于實現(xiàn)操縱自動化。其缺點是結(jié)構(gòu)復雜，制造精度要求高，軸向尺寸有所增加，銅質(zhì)同步環(huán)的使用壽命較短。目前，同步器廣泛應用于各式變速器中。 在本設計中所采用