【導(dǎo)讀】變速器用來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目的是在原地起步、爬坡、轉(zhuǎn)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(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)有空擋，可在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車滑行或停車時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力停止向驅(qū)動(dòng)輪傳輸。變速器設(shè)有倒擋，使汽車獲得倒退行駛能力。需要時(shí)，變速器還有動(dòng)力輸出功能[1]。本次設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一款用于中型轎車的前置后驅(qū)式機(jī)械式五擋變速器。本次設(shè)計(jì)擬采用中間軸式變速器，其顯著優(yōu)點(diǎn)是直接擋利用率較高，在其他前進(jìn)擋位工作時(shí)一擋仍然有較大的傳動(dòng)比。直到1997年CVT無(wú)級(jí)變速器應(yīng)運(yùn)而生，從而將變速器的發(fā)展帶入了無(wú)擋位時(shí)代，這種變速器無(wú)齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫加速，好比乘坐普通升降電梯，成為變速器發(fā)展史的里程碑。著2004年日產(chǎn)研發(fā)的最新一代CVT-XTRONIC面世，就好比是乘坐了高速升降電梯。

　　

【正文】 （59） （510） （511）式中，F(xiàn)t為齒輪齒寬中間平面上的圓周力（N）；Fr為齒輪齒寬中間平面上的徑向力（N）；E為彈性模量，E=2105MPa；I為慣性矩（mm4），對(duì)于實(shí)心軸：I=πd4/64；d為軸的直徑（mm），花鍵處按平均直徑計(jì)算；a、b為齒輪上作用力距支座A、B的距離（mm）；L為支座間距離（mm）。軸的全撓度f(wàn)為 （512）軸在垂直面和水平面撓度的允許值為fc=~，fs =~。由上可知，所有校核強(qiáng)度均在允許范圍內(nèi)。同理經(jīng)驗(yàn)算，其他擋位也均滿足校核強(qiáng)度要求與中間軸齒輪常嚙合的第二軸上的齒輪，常通過(guò)青銅襯套或滾針軸承裝在軸上，也有的省去襯套或滾針軸承直接裝在軸上，這就能夠增大軸的直徑，因而使軸的剛度增加。作用在齒輪上的徑向力和軸向力，使軸在垂直面內(nèi)彎曲變形，而圓周力使軸在水平面內(nèi)彎曲變形。在求取支點(diǎn)的垂直面和水平面內(nèi)的支反力Fc和Fs之后，計(jì)算相應(yīng)的彎矩Mc、Ms。軸在轉(zhuǎn)矩Tn和彎矩同時(shí)作用下，其應(yīng)力為 （513）式中，；d為軸的直徑，花鍵處取內(nèi)徑；W為抗彎截面系數(shù)。在低擋工作時(shí)，[σ]≦400MPa。根據(jù)二擋齒輪進(jìn)行彎扭分析，106Nmm，于是可根據(jù)公式可見符合軸的強(qiáng)度要求。變速器的軸要用與齒輪相同的材料制造，選用40Cr，7級(jí)精度。6 同步器的選型同步器有常壓式、慣性式和慣性增力式三種。常壓式同步器結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但有不能保證嚙合件在同步狀態(tài)下(即角速度相等)換擋的缺點(diǎn)，現(xiàn)已不用。得到廣泛應(yīng)用的是慣性式同步器。慣性式同步器中有鎖銷式、鎖環(huán)式、滑塊式、多片式、和多錐式幾種。而慣性增力式同步器主要適用于貨車變速器。所以本設(shè)計(jì)采用的是慣性式同步器。鎖銷式同步器由于軸向尺寸長(zhǎng)，轉(zhuǎn)矩大，因此本次設(shè)計(jì)采用的是鎖環(huán)式同步器。 鎖環(huán)式同步器如圖61所示，鎖環(huán)式同步器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是同步器的摩擦元件位于鎖環(huán)1或4和齒輪5或8凸肩部分的錐形斜面上。作為鎖止元件是做在鎖環(huán)1或4上的齒輪和做在嚙合套7上的齒的端部，且端部均為斜面稱為鎖止面。彈性元件是位于嚙合套座兩側(cè)的彈簧圈。彈簧圈將置于嚙合套座花鍵上中部呈凸起狀的滑塊壓向嚙合套。在不換擋的中間位置，滑塊凸起部分嵌入嚙合套中部的內(nèi)環(huán)槽中，使同步器用來(lái)?yè)Q擋的零件保持在中立位置上?；瑝K兩端伸入鎖環(huán)缺口內(nèi)，而缺口的尺寸要比滑塊寬一個(gè)接合齒。圖61 鎖環(huán)式同步器4—鎖環(huán) 2—滑塊 3—彈簧圈 8—齒輪 6—嚙合套座 7—嚙合套 鎖環(huán)式同步器工作原理?yè)Q擋時(shí)，沿軸向作用在嚙合套上的換擋力，推動(dòng)嚙合套并帶動(dòng)滑塊和鎖環(huán)移動(dòng)，直至鎖環(huán)錐面與被接合、齒輪上的錐面接觸為止。之后，因作用在錐面上的法向力與兩錐面之間存在角速度?w，致使在錐面上作用有摩擦力矩，它使鎖環(huán)相對(duì)嚙合套和滑塊轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，并由滑塊予以定位。接下來(lái)，嚙合套的齒端與鎖環(huán)齒端的鎖止面接觸（圖62a），使嚙合套的移動(dòng)受阻，同步器處在鎖止?fàn)顟B(tài)，換擋的第一階段工作至此已完成。換擋力將鎖環(huán)繼續(xù)壓靠在錐面上，并使摩擦力矩增大，與此同時(shí)在鎖止面處作用有與之方向相反的撥環(huán)力矩。齒輪與鎖環(huán)的角速度逐漸接近，在角速度相等的瞬間，同步過(guò)程結(jié)束，完成了換擋過(guò)程的第二階段工作。之后，摩擦力矩隨之消失，而撥環(huán)力矩使鎖環(huán)回位，兩鎖止面分開，同步器解除鎖止?fàn)顟B(tài)，嚙合套上的接合齒在換擋力作用下通過(guò)鎖環(huán)去與齒輪上的接合齒嚙合(圖62d)完成同步換擋。圖62 鎖環(huán)式同步器工作原理鎖環(huán)式同步器有工作可靠，零件耐用等優(yōu)點(diǎn)，但因結(jié)構(gòu)布置上的限制，轉(zhuǎn)矩容量不大，而且由于鎖止面在鎖環(huán)的接合齒上，會(huì)因齒端磨損而失效，因而主要用于乘用車和總質(zhì)量不大的貨車變速器中。7 變速器操縱機(jī)構(gòu)根據(jù)汽車使用條件的需要，駕駛員利用變速器的操縱機(jī)構(gòu)完成選擋和實(shí)現(xiàn)換擋或退到空擋的工作。變速器操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足如下主要要求：換擋時(shí)只能掛入一個(gè)擋位，換擋后應(yīng)使齒輪在全齒長(zhǎng)上嚙合，防止自動(dòng)脫擋或自動(dòng)掛擋，防止誤掛倒擋，換擋輕便。用于機(jī)械式變速器的操縱機(jī)構(gòu)，常見的是由變速桿、撥塊、撥叉、變速叉軸及互鎖、自鎖和倒擋鎖裝置等主要件組成，并依靠駕駛員手力完成選擋、換擋或退到空擋工作，稱為手動(dòng)換擋變速器。 直接操縱手動(dòng)換擋變速器當(dāng)變速器布置在駕駛員座椅附近，可將變速桿直接安裝在變速器上，并依靠駕駛員手力和通過(guò)變速桿直接完成換擋功能的手動(dòng)換擋變速器，稱為直接操縱變速器。這種操縱方案結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，已得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，單軌式操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)用較多，其優(yōu)點(diǎn)是減少了變速叉軸，各擋同用一組自鎖裝置，因而使操縱機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，但它要求各擋換擋行程相等。 遠(yuǎn)距離操縱手動(dòng)換擋變速器平頭式汽車或發(fā)動(dòng)機(jī)后置后輪驅(qū)動(dòng)汽車的變速器，受總體布置限制變速器距駕駛員座位較遠(yuǎn)，這時(shí)需要在變速桿與撥叉之間布置若干傳動(dòng)件，換擋手力經(jīng)過(guò)這些轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)才能完成換擋功能。這種手動(dòng)換擋變速器稱為遠(yuǎn)距離操縱手動(dòng)換擋變速器。 圖71示出遠(yuǎn)距離操縱手動(dòng)換擋變速器的工作原理簡(jiǎn)圖。這時(shí)要求整套系統(tǒng)有足夠的剛性，且各連接件之間間隙不能過(guò)大，否則換擋手感不明顯，并增加了變速桿顫動(dòng)的可能性。此時(shí)，變速桿支座應(yīng)固定在受車架變形、汽車振動(dòng)影響較小的地方，最好將換擋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器連成一體，以避免對(duì)操縱有不利影響。圖71 遠(yuǎn)距離操縱手動(dòng)換擋變速器工作原理簡(jiǎn)圖本次設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的是前置后驅(qū)式汽車的變速器，所以采用的是遠(yuǎn)距離操縱手動(dòng)換擋變速器。8 變速器結(jié)構(gòu)元件 變速器齒輪變速器第一軸齒輪跟軸連成一體，中間軸所有齒輪和軸都采用矩形花鍵連接，第二軸齒輪跟軸之間采用滾針軸承，不直接連接。齒輪表面粗糙數(shù)值降低，則噪聲減少，齒面磨損速度減慢，提高了齒輪壽命。~。齒輪的制造精度為7級(jí)。 變速器軸和鍵本次設(shè)計(jì)的變速器軸經(jīng)軸承安裝在殼體的軸承孔內(nèi)，第一軸前端和中間軸式變速器的第二軸前端，分別裝在飛輪內(nèi)腔、第一軸常嚙合齒輪的內(nèi)腔里。第一軸花鍵軸部分采用矩形花鍵，齒數(shù)為22。中間軸齒輪與軸的花鍵亦采用矩形花鍵副，齒數(shù)為24。如圖81圖81 花鍵齒輪變速器軸靠近殼體的部分均采用圓錐滾子軸承支承。還有用移動(dòng)齒輪方式實(shí)現(xiàn)換擋的倒擋齒輪與軸之間，亦選用矩形花鍵連接，以保證良好的定心和滑動(dòng)靈活性，中間軸式變速器的第二軸常嚙合齒輪副與軸之間，采用滾針軸承。潤(rùn)滑方式采用油潤(rùn)滑。此時(shí)，硬度不低于58~63HRC。由于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(duì)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。倒擋軸為壓入殼體孔中并固定不動(dòng)的光軸。 變速器殼體變速器殼體的尺寸要盡可能小，同時(shí)質(zhì)量要小，并具有足夠大的剛度，用來(lái)保證軸和軸承工作時(shí)不會(huì)歪斜。變速器橫向端面尺寸保證能布置下齒輪，前面已經(jīng)初定的變速器的橫向尺寸為265mm，經(jīng)驗(yàn)證符合要求。設(shè)計(jì)時(shí)要使殼體側(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。齒輪齒頂?shù)阶兯倨鞯撞恐g要留有不小于15mm的間隙。經(jīng)計(jì)算得出變速器縱向內(nèi)部尺寸為205mm。為加強(qiáng)變速器殼體的剛度，我在殼體上設(shè)計(jì)了加強(qiáng)肋。為了注油和放油，在變速器殼體上設(shè)計(jì)了注油孔和放油孔。變速器殼體開有油槽和油環(huán)。注油孔位置設(shè)計(jì)在潤(rùn)滑油所在平面處，同時(shí)利用它作為檢查油面檢查高度的檢查孔。放油孔設(shè)計(jì)在殼體的最低處。放油螺塞采用永久磁性螺塞，可以吸住存留于潤(rùn)滑油內(nèi)的金屬顆粒。為了使從第一軸或第二軸后支承的軸承間隙處流出的潤(rùn)滑油再流回變速器殼內(nèi)，我在變速器殼體后端面的兩軸承孔之間開設(shè)了回油孔。變速器頂部裝有通氣塞，保持變速器內(nèi)部的大氣壓力。變速器殼體采用壓鑄鋁合金鑄造，~4mm，則變速器殼體縱向總尺寸為209mm。9 變速器CAD模型經(jīng)過(guò)分析計(jì)算所得的數(shù)據(jù)，結(jié)合AUTOCAD2007軟件繪制成了一擋大齒輪和第二軸的零件圖。如圖91，92。圖91 一擋大齒輪圖92 變速器第二軸10 結(jié)論 本次設(shè)計(jì)的是一款中型轎車的中間軸式五擋手動(dòng)變速器，變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車最重要的兩個(gè)核心部件，代表著整個(gè)汽車工業(yè)的技術(shù)水平，手動(dòng)變速器在我國(guó)發(fā)展已經(jīng)非常成熟，但是對(duì)于沒(méi)有任何社會(huì)經(jīng)驗(yàn)的大學(xué)生還是需要對(duì)其進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究的。本次設(shè)計(jì)的變速器，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、功率大、制造成本低，易于生產(chǎn)、使用和維修。擋數(shù)較多，增加了選用合適擋位使發(fā)動(dòng)機(jī)處于經(jīng)濟(jì)工作狀況的機(jī)會(huì)，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。而一擋傳動(dòng)比較大，增加了汽車的后備功率，提高了汽車的動(dòng)力性。變速器除倒擋外均采用同步器掛擋，雖然成本增加，但是使換擋迅速、無(wú)沖擊、無(wú)噪聲，提高了汽車的加速性、燃油經(jīng)濟(jì)性、平順性和安全性。采用斜齒輪使高擋傳動(dòng)平穩(wěn)，減少了齒輪磨損，增加了傳動(dòng)效率，并且降低了噪聲。一擋和倒擋由于速度較低，換擋沖擊不大，于是采用直齒輪和直齒滑動(dòng)齒輪換擋，節(jié)省了成本。本次設(shè)計(jì)詳細(xì)計(jì)算了各擋齒輪和軸的參數(shù)，并進(jìn)行了嚴(yán)格的強(qiáng)度校核，論證結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求，最后對(duì)同步器和操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行了選型。此次設(shè)計(jì)的不足之處是由于變速器設(shè)計(jì)項(xiàng)目繁多，本次只進(jìn)行了主要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算，由于時(shí)間倉(cāng)促和水平有限，本次設(shè)計(jì)不能盡善盡美，但是通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)我學(xué)到了很多專業(yè)知識(shí)，增長(zhǎng)了很多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，個(gè)人能力得到了很大提高，為今后的社會(huì)工作打下了良好的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)[1] ：清華大學(xué)出版社，2001[2] ：機(jī)械工業(yè)出版社，2005[3] ：機(jī)械工業(yè)出版社，2005[4] 彭文生，張志明，：高等教育出版社，2002[5] ：機(jī)械工業(yè)出版社，2004[6] ：高等教育出版社，1997[7] 濮良貴，：高等教育出版社，2005[8] ：冶金工業(yè)出版社，1985[9] 周一明，：北京理工大學(xué)出版社，1999[10]（美）：機(jī)械工業(yè)出版社，1998[11] ，北京：人民交通出版社，1993[12]（日） GP 企畫室編. ：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1995[13]（日），長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1995[14] :人民交通出版社，2001[15] 肖盛云 :重慶大學(xué)出版社，1997致謝大學(xué)四年很快就過(guò)去了，在這四年我收獲了很多，學(xué)到了很多東西，尤其是大四的畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我受益匪淺，本次設(shè)計(jì)凝聚了XX老師的心血和汗水，導(dǎo)師給了我很多有用的意見，沒(méi)有老師的辛勤指導(dǎo)和嚴(yán)格要求是不可能完成此次設(shè)計(jì)的，在此我向我的導(dǎo)師表示深深的感謝！同時(shí)車輛工程的其他專業(yè)老師也對(duì)我進(jìn)行了無(wú)微不至的關(guān)懷，是他們無(wú)私的幫助才能使我這篇論文順利完成，我在此向你們表示真誠(chéng)的感謝！第 43 頁(yè) 共 40 頁(yè)