【導(dǎo)讀】變速器用來改變發(fā)動機(jī)傳到驅(qū)動輪上的轉(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，同時使發(fā)動機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作。變速器設(shè)有空擋，可在起動發(fā)動機(jī)、汽車滑行或停車時使發(fā)動機(jī)的動力停止向驅(qū)動輪傳輸。變速器設(shè)有倒擋，使汽車獲得倒退行駛能力。需要時，變速器還有動力輸出功能[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)擋位工作時一擋仍然有較大的傳動比。直到1997年CVT無級變速器應(yīng)運(yùn)而生，從而將變速器的發(fā)展帶入了無擋位時代，這種變速器無齒輪傳動，實(shí)現(xiàn)無縫加速，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，[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，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，使同步器用來換擋的零件保持在中立位置上。滑塊兩端伸入鎖環(huán)缺口內(nèi)，而缺口的尺寸要比滑塊寬一個接合齒。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)式同步器工作原理換擋時，沿軸向作用在嚙合套上的換擋力，推動嚙合套并帶動滑塊和鎖環(huán)移動，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)相對嚙合套和滑塊轉(zhuǎn)過一個角度，并由滑塊予以定位。接下來，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，同步過程結(jié)束，完成了換擋過程的第二階段工作。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：換擋時只能掛入一個擋位，換擋后應(yīng)使齒輪在全齒長上嚙合，防止自動脫擋或自動掛擋，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，稱為手動換擋變速器。 直接操縱手動換擋變速器當(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變速桿直接完成換擋功能的手動換擋變速器，稱為直接操縱變速器。這種操縱方案結(jié)構(gòu)最簡單，已得到廣泛應(yīng)用。近年來，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)簡化，但它要求各擋換擋行程相等。 遠(yuǎn)距離操縱手動換擋變速器平頭式汽車或發(fā)動機(jī)后置后輪驅(qū)動汽車的變速器，受總體布置限制變速器距駕駛員座位較遠(yuǎn)，這時需要在變速桿與撥叉之間布置若干傳動件，換擋手力經(jīng)過這些轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)才能完成換擋功能。這種手動換擋變速器稱為遠(yuǎn)距離操縱手動換擋變速器。 圖71示出遠(yuǎn)距離操縱手動換擋變速器的工作原理簡圖。這時要求整套系統(tǒng)有足夠的剛性，且各連接件之間間隙不能過大，否則換擋手感不明顯，并增加了變速桿顫動的可能性。此時，變速桿支座應(yīng)固定在受車架變形、汽車振動影響較小的地方，最好將換擋傳動機(jī)構(gòu)、發(fā)動機(jī)、離合器、變速器連成一體，以避免對操縱有不利影響。圖71 遠(yuǎn)距離操縱手動換擋變速器工作原理簡圖本次設(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。 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。潤滑方式采用油潤滑。此時，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的光軸。 變速器殼體變速器殼體的尺寸要盡可能小，同時質(zhì)量要小，并具有足夠大的剛度，用來保證軸和軸承工作時不會歪斜。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)時要使殼體側(cè)面的內(nèi)壁與轉(zhuǎn)動齒輪齒頂之間留有5~8mm的間隙，否則由于增加了潤滑油的液壓阻力，會導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲和使變速器過熱。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)在潤滑油所在平面處，同時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變速器，變速器與發(fā)動機(jī)是汽車最重要的兩個核心部件，代表著整個汽車工業(yè)的技術(shù)水平，手動變速器在我國發(fā)展已經(jīng)非常成熟，但是對于沒有任何社會經(jīng)驗(yàn)的大學(xué)生還是需要對其進(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)動機(jī)處于經(jīng)濟(jì)工作狀況的機(jī)會，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。而一擋傳動比較大，增加了汽車的后備功率，提高了汽車的動力性。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、無沖擊、無噪聲，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平穩(wěn)，減少了齒輪磨損，增加了傳動效率，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，由于時間倉促和水平有限，本次設(shè)計(jì)不能盡善盡美，但是通過畢業(yè)設(shè)計(jì)我學(xué)到了很多專業(yè)知識，增長了很多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，個人能力得到了很大提高，為今后的社會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] 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