【正文】 車變速器的設(shè)計(jì)趨勢(shì) 上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 9 汽車變速器自誕生以來，已隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了日新月異的變化，出現(xiàn)了許多設(shè)計(jì)思路完全不同的變速器。設(shè)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速為 n1，轉(zhuǎn)矩為 M1,；從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速為 n2，轉(zhuǎn)矩為 M2,即 : 1221nM? ? ??? ???? ??? ???? ??? ???? ??? ??? () 由于， 112 2ni n? 所以： 2121Mi M? ? ??? ???? ??? ???? ??? ???? ??? ??? () 由此可見，齒輪式變速器在改變轉(zhuǎn)速的同時(shí)也改變了 輸 出轉(zhuǎn)矩，而且隨著 輸出轉(zhuǎn)速 的 降低，輸出轉(zhuǎn)矩 反而 增大； 當(dāng) 輸出轉(zhuǎn)速升高 時(shí) ，輸出轉(zhuǎn)矩減小。 變速器就是通過檔位變換來改變傳動(dòng)比，從而實(shí)現(xiàn)多級(jí)變速的。 習(xí)慣上把變速器傳動(dòng)比值較小的檔位稱為高檔，傳動(dòng)比值較大的檔位稱為低檔；變速器檔位的變換稱為換檔，由低檔向高檔變換稱為加檔 (或升檔 )。所謂變速器檔數(shù)就是指其前進(jìn)檔數(shù)。 對(duì)應(yīng)于不同的檔位， 均有不同的傳動(dòng)比值，從而可得到多種不同的輸出轉(zhuǎn)速。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)。 （ a） （ b） 圖 齒輪傳動(dòng)的變速原理 ； 一對(duì)齒輪傳動(dòng)只能得到一個(gè)固定的傳動(dòng)比。當(dāng)以小齒輪為主動(dòng)輪 (即 Z1＜ Z2),其轉(zhuǎn)速經(jīng)大齒輪傳出時(shí)就降低了，即 n2＜ n1，稱為減速傳動(dòng)，此時(shí)傳動(dòng)比 i＞ 1 如圖 所示， 當(dāng)以大齒輪為主動(dòng)輪 (即 Z1＞ Z2)，其轉(zhuǎn)速經(jīng)小齒輪傳出時(shí)就升高了，即 n2＞ n1,稱為增速傳動(dòng)，此時(shí)傳動(dòng)比 i1。用字母 i12表示。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。 由齒輪傳動(dòng)的原理可知，一對(duì)齒數(shù)不同的齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)可以變速。 (3)半自動(dòng)操縱式變速器 ： 有兩種型式：一種是常用的幾個(gè)檔位自動(dòng)操縱，其余檔位則由駕駛員操縱；另一種是預(yù)選式，即駕駛員預(yù)先用按鈕選定檔位，在踩下離合器踏板或松開加速踏板時(shí)，接通一個(gè)電磁裝置或液壓裝置來進(jìn)行換檔。 (2)自動(dòng)操縱式變速器 ： 其傳動(dòng)比選擇和換檔是自動(dòng)進(jìn)行的，所謂“自動(dòng)”，是指機(jī)械變速器每個(gè)檔位的變換是借助反映發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和車速的信號(hào)系統(tǒng)來控制 換檔系統(tǒng)的執(zhí)行元件而實(shí)現(xiàn)的。 (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 汽車變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 6 作無級(jí)變化，目前應(yīng)用較多。電力式無級(jí)變速器的變 速傳動(dòng)部件為直流串激電動(dòng)機(jī)，除在無軌電車上應(yīng)用外，在超重型自卸車傳動(dòng)系中也有廣泛采用的趨勢(shì)。目前，轎車和輕、中型貨車變速器的傳動(dòng)比通常有 3～ 5 個(gè)前進(jìn)檔和一個(gè)倒檔，在重型貨車用的組合式變速器中，則有更多檔位。它采用齒輪傳動(dòng)，具有若干個(gè)定值傳動(dòng)比。 變速器在分類上通常有兩種方式：按傳動(dòng)比變化方式和按操縱方式的不同來分。 汽車變速器就是傳動(dòng)系中能夠達(dá)到這一功能的裝置。但是汽 車復(fù)雜的使用條件卻要求汽車的驅(qū)動(dòng)力和車速 必須 在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。 所以，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行汽車變速器的設(shè)計(jì)是十分必要的。 采用優(yōu)化設(shè)計(jì) 的 方法 確定 汽車變速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可減小變速器的體積，得到良好的汽車動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性，使換檔輕便、無沖擊噪聲。 而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法不但缺乏嚴(yán)密的科學(xué)性，如為了強(qiáng)調(diào)零件 的 可靠性，往往 選 取較大的安全系數(shù)，結(jié)果增大了設(shè)計(jì)零件的重量， 而且設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期長(zhǎng)，質(zhì)量低，材料消耗大?，F(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展對(duì)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)工作提出了更高的要求。 汽車變速器是完成傳動(dòng)系任務(wù)的重要部件，也是決定汽車整車性能的上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 4 主要部件之一， 開展汽車變速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)提高汽車的整車性能和設(shè)計(jì)質(zhì)量無疑有著重要的意義。汽車制造商不僅面臨著用戶對(duì)產(chǎn)品性能與質(zhì)量越來越高的要求，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)品開發(fā)周期。 光陰似箭，時(shí)光如梭，在經(jīng)歷了 100 多年的變革和發(fā)展后，汽車已成為人 類生活中必不可缺的元素，交通運(yùn)輸、代步工具、時(shí)尚娛樂等等都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。同年，德國(guó)的戴姆勒將其自行發(fā)明的立式發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在改裝后的四輪馬車上，也成功的駕駛了它。戴姆勒就是塵封于汽車工業(yè)史上的兩個(gè)偉大的名字。 卡爾178。 結(jié)果表明：采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以縮短設(shè)計(jì)周期、減輕質(zhì)量和降低成本 ，這是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所不具備的，因此這種優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法是具有可行性的。 本文以 SJ汽車變速器為例，首先通過傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對(duì)變速器的結(jié)構(gòu)及具體參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，然后通過 MATLAB優(yōu)化工具箱中的最優(yōu)化函數(shù)來重新校驗(yàn)變速器的設(shè)計(jì)。上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 1 提供全套畢業(yè)論文，各專業(yè)都有 摘 要 傳統(tǒng)的汽車變速器設(shè)計(jì)是由經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員按經(jīng)驗(yàn)公式來確定變速器的關(guān)鍵尺寸 ,這樣 設(shè)計(jì)的變速器往往結(jié)構(gòu)笨重、傳動(dòng)效率不高、且材料的運(yùn)用過于保守。 而現(xiàn)代汽車變速器的設(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)方法來優(yōu)化汽車變速器就成了本文研究的目標(biāo)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和特點(diǎn)，在滿足變速器可靠性的前提下，建立了汽車變速器 的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，使變速器齒輪和軸系的配合最合理化，變速器殼體的利用率達(dá)到最大化，從而減小了變速器的整體體積，同時(shí)也降低了變速器整體的質(zhì)量，達(dá)到了預(yù)期優(yōu)化的目的。 關(guān)鍵詞 ： 變速器， 優(yōu)化，傳動(dòng)比 上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 2 Optimize Design for SJ Automobile Gearbox ABSTRACT The traditional design of Automobile gearbox used empirical formula to make sure the key sizes of gearbox， these designs always outdated， have lower efficiency， and the usage of material was too conservative. Along with the development of modern automobile industry， the design trends of gearbox are to request smaller volume and better function. So a new method which can get a small and lightweight gearbox bees our target. In this thesis， SJ automobile gearbox was taken as an example. Firstly, traditional design was used to get the key sizes of gearbox； and then CAD was used to design its structure， such as shell、 shaft、 selector mechanism and so on； at last the toolbox of MATLAB was used to optimize the parameters of gearbox. The result manifests that using new method can shorten the design period， lower the costs for design， and the weight of gearbox can be reduced too. In conclusion， a satisfactory result can be achieved through optimizing the parameters of gearbox． Keyword： gearbox， optimization， transmitting ratio 上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 3 SJ 汽車變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 盧國(guó)亮 061103273 0 引言 隨著時(shí)間的流逝，昔日的輝煌漸漸落下了塵埃；當(dāng)輕輕的撣去歲月留下的痕跡，閃露的就是歷史的光華。奔馳和戈特利布178。 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)的三輪車上，然后成功的驅(qū)動(dòng)了它。這兩位同一國(guó)家，但素不相識(shí)的人，幾乎同時(shí)發(fā)明了汽車，自此使人類跨入了汽車的時(shí)代。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人 民 生活水平的提高，汽車保有量迅猛增長(zhǎng)， 同時(shí)也 對(duì)汽車的性能和質(zhì)量提出了更高的要求。因此在汽車開發(fā)過程中，進(jìn)一步使用各種先進(jìn)的技術(shù)和理論方法，使設(shè)計(jì)過程自動(dòng)化，以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要就顯得十分重要了。 目前從國(guó)內(nèi)來看，大部分的汽車采用的還是手動(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)類比法。在這種情況下，傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，不但要滿足動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，而且要求結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕、傳動(dòng)效率高、工作可靠、壽命長(zhǎng)、噪音低等 等。因而采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法進(jìn)行變速器設(shè)計(jì)已不能滿足汽車發(fā)展的客觀需要。同時(shí)也使設(shè)計(jì)者從大量的 、 繁瑣 的、 重復(fù)的計(jì)算工作中解脫出來，使之有更多的精力從事創(chuàng)造性的工作，并可大大縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率。 1 汽車變速器 概述 現(xiàn)代汽車通常采用活塞式內(nèi)燃機(jī)，其特點(diǎn)是扭矩變化范圍 比較 小。 這就需要 在汽車的傳動(dòng)系中設(shè)置一個(gè)能夠改變發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 5 的裝置，從而適應(yīng)汽車經(jīng)常變化的行駛條件，使汽車具有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。其主要功用為： (A)改變傳動(dòng)比，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)輪扭矩和轉(zhuǎn)速變化范圍，以適應(yīng)各種行駛條件，并使發(fā)動(dòng)機(jī)在有利的工況下工作； (B)在發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變的前提下，使汽車能倒向行駛； (C)利用空檔，中斷動(dòng)力傳遞，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠 迅速 起動(dòng)， 保持 怠速、并便于發(fā)動(dòng)機(jī) 的 換檔或進(jìn)行動(dòng)力輸出。 ： (1)有級(jí)式變速器 ： 是目前使用最廣的一種。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。 (2)無級(jí)式變速器 ： 其傳動(dòng)比在一定的數(shù)值范圍內(nèi)可按無限多級(jí)變化，常見的有電力式和液力式 (動(dòng)液式 )兩種。動(dòng)液式無級(jí)變速器的傳動(dòng)部件為液力變矩器。 ： (1)強(qiáng)制操縱式變速器 ： 是靠駕駛員直接操縱變速桿 進(jìn)行 換檔。駕駛員只需操縱加速踏板以控制車速。 齒輪變速器的變速原理 一個(gè)普通的齒輪式變速器是利用不同齒數(shù)的齒輪嚙合傳動(dòng) ，以 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩改變的。而且兩齒輪的轉(zhuǎn)速與其齒數(shù)成反比。主動(dòng)輪 (即輸入軸 )轉(zhuǎn)速與從動(dòng)輪 (即輸出軸 )轉(zhuǎn)速之比值稱為傳動(dòng)比。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 汽車變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 7 如圖 所示。這就是齒輪傳動(dòng)的變速原理。從而得到一種輸出轉(zhuǎn)速，并構(gòu)成一個(gè)檔位。這樣就構(gòu)成了多個(gè)不同的檔位 。 一般轎車和輕、中型客貨車輛的變速器通常有 3～ 6 個(gè)前進(jìn)檔和一個(gè)倒檔。傳動(dòng)比值 i＞ 1 的檔位稱為降速檔，即其輸出軸轉(zhuǎn)速低于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 ， 而且傳動(dòng)比越大則輸出轉(zhuǎn)速越低 ；上海工程技術(shù)大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） SJ 汽車變速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 8 i＝ 1 的檔位稱為直接檔，即其輸出軸轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相等 ； i＜ 1 的檔位稱為超速檔，即其輸出軸轉(zhuǎn)速超過發(fā)動(dòng)機(jī) 的 轉(zhuǎn)速。反之稱為減檔（或降檔 )。 由齒輪傳動(dòng)的原理可知，一對(duì)齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)，齒輪的齒數(shù)愈多，其轉(zhuǎn)速就愈低，而其轉(zhuǎn)矩愈大 ； 反之，齒輪的齒數(shù)愈少，其轉(zhuǎn)速就愈高，而其轉(zhuǎn)拒則愈小，就是說齒輪傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)速成反比。汽車變速器就是利用這一原理，通過改變各檔的傳動(dòng)比來改變輸出轉(zhuǎn)速，從而改變其輸出轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)汽車行駛阻力的變化。但歸根結(jié)底，現(xiàn)代汽車變速器技術(shù)的主要設(shè)計(jì)趨勢(shì)是：小型輕量化、多檔化、低噪聲化。試驗(yàn)表明：汽車 質(zhì) 量降低 1％ ，油耗可降低 ％。 減小汽車變速器的 質(zhì) 量因此也成為了現(xiàn)代變速器的設(shè)計(jì)趨勢(shì) 。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。早在 1938年，德國(guó)大眾第 一 次對(duì)甲殼蟲轎車的變速器殼體使用鎂合金材料； 1972年奧迪在 014型手動(dòng)變速器的殼體采用鎂合金材料。 (2)多檔化 通常 5檔變速器最小速比 (超 速檔時(shí) )為 ，最大