【正文】 2 Supervisor： Associate professor . Heilongjiang Institute of Technology 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 I 摘 要 變速器用來改變發(fā)動機傳到驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速， 是汽車總成部件中的重要組成部分，是主要的傳動系統(tǒng)。 本文設(shè)計研究了三軸式五檔手動變速器，其目的主要是基于對機械原理、機 械設(shè)計、 AutoCAD 等知識的熟練運用和掌握，同時運用汽車構(gòu)造、汽車設(shè)計、材料力學(xué)、互換性測量等學(xué)科知識，對三軸式變速器的各部件進行設(shè)計，并 利用 AutoCAD 軟件繪制裝配圖和零件圖等 六項 內(nèi)容。其次，對工作原理做了闡述，對不同的變速器傳動方案進行比較，選擇合理的結(jié)構(gòu)方案進行設(shè)計。對一些標準件進行了選型以 及變速器的傳動方案設(shè)計。最后，本文將對變速器換檔過程中的重要部件 — 同步器以及操縱機構(gòu)進行闡述，講述同步器的類型、工作原理、選擇方法以及重要參數(shù)。一般是指自 帶動力裝置的可以獨立行駛并完成運載任務(wù)的輪式車輛，具有四個或四個以上的車輪。汽車的基本組成是相同的，均由發(fā)動機，底盤，車身和電氣設(shè)備四大部分組成，現(xiàn)代汽車將以往復(fù)活塞式內(nèi)燃機為主要動力源， 而發(fā)動機的扭矩、轉(zhuǎn)速與汽車的牽引力、車速要求之間的矛盾，靠現(xiàn)代汽車的內(nèi)燃機本身是無法解決的。既可使驅(qū)動車輪的扭矩增大為發(fā)動機扭矩的若干倍，同時又可使其轉(zhuǎn)速減小到發(fā)動機轉(zhuǎn)速的若干分 之一。 隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，今后要求汽車車型的多樣化、個性化、智能化已成為汽車的發(fā)展趨勢。因此它的性能影響到汽車的動力性和經(jīng)濟性指標。變速 器的倒 檔 使汽車能倒退行駛；其空 檔 使汽車在啟動發(fā)動機、停車和滑行時能長時間將發(fā)動機和傳動系分離 [1]。變速器與主減速器及發(fā)動機的參數(shù)做優(yōu)化匹配，可得到良好的動力性與經(jīng)濟性；采用自鎖及互鎖裝置，倒 檔 安全裝置，其他結(jié)構(gòu)措施，可使操縱可靠，不 產(chǎn)生 跳 檔 、亂 檔 、自動脫 檔 和誤掛倒 檔 ；采用同步器可使換 檔 輕便，無沖擊及噪聲；采用 斜齒輪 、修形及參數(shù)優(yōu)化等措施可使齒輪傳動平穩(wěn)、噪聲低， 不同的傳動比還可以使在其不同路面提 高汽車的動力性和經(jīng)濟性，使汽車和發(fā)動機有良好的匹配性。 從 40 年代初，美國成功研制出兩 檔 的液力 機械變速器以來，自動變速器技術(shù)得到了迅速發(fā)展。1983 年時，美國通用汽車公司的自動變速器裝車率已經(jīng)達到了 94%。自動變速器與機械式變速器相比，具有許多不 可比擬的優(yōu)勢：提高發(fā)動機和傳動系的使用壽命 ； 提高汽車的通過性 ； 具有良好的自適應(yīng)性 ； 操縱更加方便。 汽車行駛的速度是不斷變化的，這就要求汽車的變速器的變速比要盡量多，這就是無級變速 (Continuously Variable Transmission 簡稱 CVT) 。 在跨越了三個世紀的一百多年后的今天，汽車還沒有使用上滿意的無級變速箱。但是 ,人們始終沒有放棄尋找實現(xiàn)理想汽車變速器的努力 ,各大汽車廠商對無級變速器 (CVT)表現(xiàn)了極大的熱情，極度重視 CVT 在汽車領(lǐng)域的實用化進程。 圍繞汽車變速箱四個研究方向，各國汽車變速器專家展開了激烈的角逐 。據(jù)報道：大排量 6 缸內(nèi)燃機（ ）的奧迪 A6 轎車上裝備的 金屬帶式無 級變速箱 Multitronic CVT ，能傳動 142kw（ 193bhp）功率， 280 N這是真正意義的無級變速器 [4]。日產(chǎn)把它裝在概念車 XVL上首次于去年東京車展展示，新款公爵 (Cedric)車也裝用這種 CVT。m /194kw)搭配使用，可謂汽車變速箱發(fā)展史上又一重要進 步。但齒輪變速箱依然占據(jù)著半壁河山，這至少說明了四個問題： （ 1）無級變速（ CVT）是汽車變速箱始終追逐的目標。 （ 3）摩擦傳動 CVT 傳動效率低是必然的。 2．液力傳動 [6] 人們經(jīng)常把液力自動變速器（ AT）和 無級變速器（ CVT）兩個概念混為一談。液力自動變速器免除了手動變速器繁雜的換檔和腳踩離合器踏板的頻繁操作，使開車變得簡單、省力。從原始橡膠帶無級變速箱到現(xiàn)代金屬鏈無級變速箱、滾輪轉(zhuǎn)盤式 CVT，百年大回轉(zhuǎn)說明：無級變速箱是汽車變速箱的最終歸屬，液力自動變速器只不過是一種過渡產(chǎn)品。其特點是機械傳動部分沿用了傳統(tǒng)的有級變速箱，但控制參量太多，實現(xiàn)自動控制相當困難。 據(jù)最新消息：一種 齒輪無級變速裝置 (Gear Continuously Variable Transmission 簡稱 GCVT)已經(jīng)試制成功，并已經(jīng)進行了多次樣機試驗。預(yù)計今年進行裝車試驗 [7]。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 4 汽車變速器設(shè)計的目的和意義 現(xiàn)代汽車的動力設(shè)置，幾乎都采用往復(fù)活塞式內(nèi)燃機。但其性能與汽車的動力性和經(jīng)濟性之間存在著較大的矛盾。即使在平坦的柏油路上，汽車以低速等速直線行駛，也需要克服約占汽車總質(zhì)量 %的滾動阻力。若需要滿載汽車在坡度為 9%的道路上等速上坡行駛，僅上坡阻力就達 4824N。m的扭矩。 m，此時，所產(chǎn)生的最大牽引力為 482N，和上坡阻力相差 10倍之多。 另一方面， NJ130 汽車發(fā)動機，最大功率為 ，此時曲軸的轉(zhuǎn)速為 2800r/min。顯然，這樣高的車速是不能實現(xiàn)的。汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩變化范圍小，而多變的使用環(huán)境要求汽車的驅(qū)動力和車速能在相當大的范圍內(nèi)變化。既可使驅(qū)動車輪的扭矩增大為發(fā)動機扭矩的若干倍，同時又可使其轉(zhuǎn)速減小到發(fā)動機轉(zhuǎn)速的若干分之一。如汽車的載貨量、道 路坡度、路面好壞以及交通情況等。當汽車在平坦的道路上，以高速行駛時，可掛入變速器的高速檔；而在不平的路上或爬較大的坡道時，則應(yīng)掛入變速器的低速檔。例如，汽車在同樣的載貨量、道路、車速等條件下行時，往往可掛入較高的變速器檔位，也可掛入較低的檔位工作。一般變 速器具有四個或更多的檔位，駕駛員可根據(jù)情況選擇合適的檔位，使發(fā)動機燃料消耗量減小。然而，汽車發(fā)動機不能倒轉(zhuǎn)工作，因此在變速器設(shè)立倒檔。 汽車變速器的設(shè)計方法和研究內(nèi)容 在本次設(shè)計中，由于是對傳統(tǒng)的變速器進行改進性設(shè)計，在設(shè)計中參考了一汽集團的 CA1051K26L43 中型貨車的變速器，采用了鎖環(huán)式同步器的換檔方式 [8]。 通過參考 CA1051K26L43 中型貨車的變速器，對變速器進行整體結(jié)構(gòu)布置，校核軸和齒輪的強度、剛度，選擇材料和熱處理方法； 后面 的主要任務(wù)是繪制變速器的裝配圖和重要的零件圖，確定個零件的精度等級及其它參數(shù)；最后，是對整體論文的編寫整理整個設(shè)計過程中的各種資料，以及對前期設(shè)計中的錯 誤做出修改。其中本設(shè)計的重點部分是檔位傳動比的選擇及計算依據(jù)、齒輪參數(shù)的選擇計算及校核、二軸及中間軸的強度校核等。 盡管如此，一般變速器的結(jié)構(gòu)形式，仍具有很多共同點。因此，設(shè)計人員應(yīng)深入實際，收集資料，調(diào)查研究，對結(jié)構(gòu)進行分析比較，并盡可能地考慮到產(chǎn)品的系列化、通用化和標準化，最后確定較合適的方案。 通常，有級變速器具有三個、四個、五個前進 檔 ；重型載貨汽車和重型越野車則采用多 檔 變速器，其前進 檔 位數(shù)多大 6～ 16 個甚至 20 個。但 檔 位數(shù)的增多也使變速器的尺寸及質(zhì)量增大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本提高，操縱也復(fù)雜。采用傳動比小于 1（約為 ～ ）的超速 檔 ，可充分地利用發(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。 機械式 變速器的傳動效率與所選用的傳動方案有關(guān)，包括齒輪副 的 數(shù)目、 齒輪的 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的制造精度、剛度等。其特點是：變速器輸出軸與主減速器主動齒輪做成一體，發(fā)動機縱置時，主減速器采用弧齒錐齒輪或準雙曲面齒輪，發(fā)動機橫置時則采用斜齒圓柱齒輪；多數(shù)方案的倒檔傳動常用滑動齒輪，其他檔位均采用常嚙合齒輪傳動。此外，各中間檔因只經(jīng)一對齒輪傳遞動力，故傳動 效率高，同時噪聲低。 2． 中間軸式變速器 中間軸式變速器多用于發(fā)動機前置后輪驅(qū)動汽車和發(fā)動機后置后輪驅(qū)動的汽車上。絕大多數(shù)方案的第二軸前端經(jīng)軸承支承在第一軸后端的孔內(nèi)，且保持兩軸軸線在同一條直線上，經(jīng)嚙合套將它們連接后可得到直接檔，使用直接檔，變速器齒輪和軸承及中間軸不承載，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。 在除直接檔以外的其他檔位工作時，中間軸式變速器的傳動效率略有降低，這是它的缺點。倒檔設(shè)計在變速器的左側(cè)或右側(cè)在機構(gòu)上均能實現(xiàn)，不同之處是掛倒檔時駕駛員移動變速桿的方向改變了。倒檔齒輪不能與第二軸齒輪有嚙合的狀況。 與前進 檔 位比較，倒 檔 使用率不高，而且都是在停車狀態(tài)下實現(xiàn)換倒 檔 ，故多數(shù)方案采用直齒滑動齒輪方式換倒 檔 。前者雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是中間傳動齒輪的輪齒，是在最不利的正、負交替對稱變化的彎曲應(yīng)力狀態(tài)下工作；而后者是在較為有利的單向循環(huán)彎曲應(yīng)力狀態(tài)下工作，并使倒 檔 傳動比略有增加。 圖 21 倒檔布置方案 圖 21 為常見的倒 檔 布置方案。但換擋時有兩對齒輪同時進入嚙合，使換檔 困難。圖 21d所示方案適用于全部齒輪副均為常嚙合齒輪，換 檔 更為輕便，且能獲得較大的倒 檔 傳動比。圖 21f 所示方案是將中間軸上的一、 倒 檔 齒輪做成一體，將其齒寬加長。為了充分利用空間，縮短變速器軸向長度，有的貨車倒 檔 傳動采用圖 21h 所示方案。 故采用 21a 方案。各檔位置的安排應(yīng)考慮以下四個方面： 1． 整車總布置 根據(jù)整車的總布置，對變速器輸入軸和輸出軸的相對位置和變速器的輪廓形狀以及換檔機構(gòu)提出要求。但是也有人認為應(yīng)該將常用檔位放在中間位置。按習慣，倒檔最好與序列不接合。 在五檔變速其中，倒檔與序列接合與不接合兩者比較，前者在結(jié)構(gòu)上可省去一個撥叉和一根變速滑桿，后者的布置適當，則可使變速器的軸向長度縮短。 4． 改善齒輪受載狀況 各檔齒輪在變速器中的位置安排，應(yīng)考慮齒輪的受載狀況。變速器齒輪主要是因接觸應(yīng)力過高而造成表面點蝕損壞，因此將高檔齒輪安排在離兩支撐較遠處較好。 因為變速器在一 檔 和倒 檔 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檔與倒 檔 ，都應(yīng)當布置在靠近軸的支承處，以減少軸的變形，保證齒輪重合度下降不多，然 后按照從低 檔 到高 檔 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。此時在倒 檔 工作時，齒輪磨損與噪聲在短時間內(nèi)略有增加，與此同時在一 檔 工作時齒輪的磨損與噪聲有所減少。采用圖 21d 的倒檔布 置形式。與直齒圓柱齒輪比較，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、作時噪聲低等優(yōu)點；缺點是制造時工藝復(fù)雜，工作時有軸向力。直齒圓柱齒輪僅用于低檔和倒 檔 。 齒輪尺寸小又與軸分開，其內(nèi)徑直徑到齒根圓處的厚度 b（圖22）影響齒輪強度。為了使齒輪裝在軸上以后，保持足夠大的穩(wěn)定性，齒輪輪轂部 分的寬度尺寸 C ， 在結(jié)構(gòu)允許條件下應(yīng)盡可能取大些，至少滿足尺寸要求 ： 2)～( dC ? () 式中： 2d —— 花鍵內(nèi)徑。圖 32 中的尺寸 1D可取為花鍵內(nèi)徑的 ～ 倍。變速器齒輪齒面的表面粗糙度應(yīng)在 ～Ra μm范圍內(nèi)選用。由于接合齒磨損、變速器剛度不足以及振動等原因，都會導(dǎo)致自動脫 檔 。這樣在嚙合時，使接合齒端部超過被接合齒的 1～ 3mm。 2． 將嚙合齒套齒座上前齒圈的齒厚切薄（切下 ～ ），這樣，換 檔 后嚙合套的后端面被后齒圈的前端面頂住，從而阻止自動脫 檔 ，如圖 23b 所示。 ），使黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 11 接合齒面產(chǎn)生阻止 自動脫 檔 的軸向力，如圖 23c 所示。將接合齒的齒側(cè)設(shè)計并加工成臺階形狀，也具有相同的阻止自動脫 檔 的效果。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 12 第 3 章 變速器主要參數(shù)的選擇 變速器檔位數(shù)目及各檔傳動比 變速器檔位數(shù)目的確定 對不同類型的汽車，具有不同的傳動系檔位數(shù)，其原因在于它們的使用條件不同、對整車性能要求不同、汽車本身的比功率不同。檔數(shù)多，可以使發(fā)動機經(jīng)常在 最大功率附近的轉(zhuǎn)速工作，而且發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化范圍小，發(fā)動機平均功率高，故可提高汽車的動力性。檔數(shù)多也增加了發(fā)動機在低油耗區(qū)工作的可能性，因而提高了汽車的燃料經(jīng)濟性。檔數(shù)多，則此 比值小，換 檔 容易。 檔數(shù)多的缺點是使變速器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量增大、操縱不輕便等。m 額定轉(zhuǎn)速 3200 r/min 最大轉(zhuǎn)矩時轉(zhuǎn)速 2021 r/min 最高車速 95 km/h 總質(zhì)量 5500 r/min 最大功率時轉(zhuǎn)速 5000 r/min 主減速比的確定 () 式中 ： au —— 汽車行駛速度 （ km/h）； n —— 發(fā)動機轉(zhuǎn)速 （ r/min）； r —— 車輪滾動半徑 （ m）； gi —— 變速器傳動比 ； 0i —— 主減速器傳動比。m）； maxeP —— 發(fā)動機最大功率（ Kw）； pn —— 發(fā)動機最大功率轉(zhuǎn)速（ r/min） ? —— 轉(zhuǎn)矩適應(yīng)系數(shù) ? =～