轎車三軸變速器系統(tǒng)設計【轎車中間軸式五檔變速器】

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Its function is to change the transmission ratio, the torque and the speed of theengine to the driving wheel, so as to adapt to the changing driving conditions. The purpose oftransmission work is to make the vehicle obtain different traction and speed under differentdrivingconditionssuchasstartinginsituclimbingslopeturningandacceleratingandatthesametimemakingtheengineworkinthemostfavorablerange.In addition,thetransmissionhasagapandreverse gear. Withoutchanging thedirectionofcrankshaft rotationofthe engine,thecar cangobackwardsandusethegaptointerruptthepower.Thetransmissionenablestheenginetostart, idle, and facilitate transmission shift or power output. Therefore, the structural requirements oftransmission have a direct and important impact on the vehicles power performance,transmission smoothness, fuel economy, shift handling portability, reliability, comfort andefficiency.The purpose of this design is to apply and master the knowledge of mechanical principle,mechanical design, mechanical design and so on, but also to use automobile construction,automobile theory, automobile design, etc. The whole and parts of the three-axis and five-filemanual transmission are designed, and the assembly drawing and part drawing are drawn byusing the 2D software, such as AutoCAD, CAXA, etc. Finally, the 3D software, such as PROEandUG, isusedtomodel thesystem.Assemble,etc. First ofall,thispaperbrieflyintroduces the research purpose and significance of the design, as well as the current situation and the maindevelopmentofthetransmission.Wantthecontent.Secondly,theworkingprincipleofthree-axisand five-file manual transmission is expounded, the transmission schemes of differenttransmission are compared one by one, and a reasonable structure scheme is selected to design.Finally, the design and calculation of each gear, shaft and bearing of three-axis and five-speedmanual transmission are carried out in detail, and the force analysis, strength and stiffness checkandcalculationarecarriedout,andthesynchronizerisalsoselected.K ey words: transmission; number of gears; transmission ratio; gear; shaft; synchronizer;modeling 目 錄1 緒 論 .11.1變 速 器 設 計 的 目 的 以 及 意 義 .11.2變 速 器 的 發(fā) 展 及 現(xiàn) 狀 .12 變 速 器 主 要 參 數(shù) 的 選 擇 及 機 構 布 置 方 案 .42.1 變 速 器 主 要 參 數(shù) 的 選 擇 .42.1.1 檔 數(shù) 與 傳 動 比 .42.1.2 中 心 距 .6 2.1.3軸 向 尺 寸 .62.2變 速 器 傳 動 機 構 布 置 方 案 的 確 定 .72.2.1傳 動 機 構 布 置 方 案 分 析 .72.2.2倒 檔 布 置 方 案 .83.齒 輪 的 設 計 .103.1 齒 輪 參 數(shù) .103.1.1齒 輪 模 數(shù) .103.1.2齒 形 、 壓 力 角 、 螺 旋 角 和 齒 寬 b.113.2各 檔 傳 動 比 及 其 齒 輪 齒 數(shù) 的 確 定 .13 3.2.1確 定 一 檔 齒 數(shù) .133.2.2確 定 常 嚙 合 齒 輪 副 的 齒 數(shù) .143.2.3確 定 其 他 檔 位 的 齒 數(shù) .153.2.4確 定 倒 檔 齒 輪 的 齒 數(shù) .173.3齒 輪 變 位 系 數(shù) 的 選 擇 .19 4.變 速 器 齒 輪 的 強 度 計 算 與 材 料 的 選 擇 .194.1 齒 輪 的 強 度 計 算 與 校 核 .244.1.1齒 輪 彎 曲 強 度 計 算 .244.1.2齒 輪 接 觸 應 力 .275.變 速 器 軸 的 強 度 計 算 與 校 核 .305.1確 定 軸 的 尺 寸 .305.2軸 的 校 核 .316.變 速 器 同 步 器 的 設 計 .387.變 速 器 的 裝 配 及 仿 真 分 析 .45 7.1變 速 器 的 裝 配 .457.2變 速 器 的 仿 真 分 析 .477.3變 速 器 結 構 的 有 限 元 分 析 .388.結 論 .50致 謝 .51參 考 文 獻 .5 2附 錄 A 譯 文 .53附 錄 B 外 文 文 獻 .60 遼 寧 工 程 技 術 大 學 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 1 1 緒 論1.1 變 速 器 設 計 的 目 的 以 及 意 義伴 隨 著 經(jīng) 濟 與 科 學 技 術 以 及 我 國 汽 車 工 業(yè) 不 斷 地 壯 大 ， 我 國 汽 車 行 業(yè) 在 不 斷 地 快 速 的發(fā) 展 ， 汽 車 工 業(yè) 也 逐 漸 的 成 為 了 我 們 國 家 的 支 柱 產(chǎn) 業(yè) 。 因 此 ， 我 國 的 汽 車 工 業(yè) 方 面 也 面 臨著 前 所 未 有 的 機 遇 與 挑 戰(zhàn) ， 那 么 如 何 設 計 出 既 經(jīng) 濟 實 惠 ， 又 工 作 可 靠 ， 性 能 優(yōu) 良 的 汽 車 就成 為 了 當 前 汽 車 設 計 者 急 于 解 決 的 緊 迫 問 題 。 為 了 發(fā) 揮 發(fā) 動 機 的 最 佳 性 能 ， 那 就 必 須 有 一套 傳 動 效 率 很 高 高 ， 維 修 保 養(yǎng) 成 本 又 低 ， 并 且 能 夠 帶 來 駕 駛 樂 趣 的 變 速 裝 置 ， 來 協(xié) 調(diào) 汽 車發(fā) 動 機 的 轉 速 和 汽 車 車 輪 的 實 際 行 駛 速 度 。 在 面 臨 著 汽 車 行 業(yè) 急 速 發(fā) 展 帶 來 的 機 遇 和 挑 戰(zhàn) 的 同 時 ， 我 們 也 不 得 不 承 認 我 國 與 發(fā) 達 國 家 在 汽 車 技 術 方 面 上 還 存 在 著 一 定 程 度 的 差 距 ，因 此 我 們 要 運 用 我 們 的 知 識 為 我 國 汽 車 行 業(yè) 的 發(fā) 展 做 出 努 力 。1.2 變 速 器 的 發(fā) 展 及 現(xiàn) 狀在 汽 車 變 速 器 100多 年 的 歷 史 中 ， 經(jīng) 歷 了 無 數(shù) 次 的 變 革 與 改 進 ， 變 速 器 的 性 能 也 在 不斷 的 提 高 ， 為 汽 車 的 行 駛 及 操 縱 性 能 提 供 更 多 的 便 利 ， 也 是 汽 車 的 舒 適 性 得 以 提 高 。 從 現(xiàn)代 汽 車 變 速 器 的 市 場 狀 況 和 變 速 器 的 發(fā) 展 歷 史 來 看 ， 全 世 界 的 汽 車 研 究 者 以 及 汽 車 生 產(chǎn) 商家 都 對 提 高 AT的 性 能 以 及 研 制 無 級 變 速 器 (CVT)表 現(xiàn) 出 積 極 的 看 法 ， 汽 車 行 業(yè) 非 常 重 視 CVT在 汽 車 上 的 應 用 以 及 實 用 化 進 程 。 目 前 汽 車 上 應 用 較 多 的 汽 車 變 速 器 是 手 動 變 速 器 (MT)、 電 控 液 力 自 動 變 速 器 (ECT)、 金 屬 帶 (鏈 )式 無 級 變 速 器 (CVT)、 電 控 機 械 式 自 動 變 速 器(AMT)、 雙 離 合 器 變 速 器 (DCT)及 環(huán) 形 錐 盤 滾 輪 牽 引 式 無 級 變 速 器 (IVT)等 數(shù) 種 ， 這 幾 種 變速 器 都 具 有 各 自 優(yōu) 勢 。（ 1） 手 動 變 速 器 MT自 汽 車 發(fā) 明 以 來 ， 手 動 變 速 器 一 直 得 到 廣 泛 應 用 。 手 動 變 速 器 采 用 的 是 齒 輪 組 ， 對 應的 汽 車 的 每 檔 的 齒 輪 是 都 是 固 定 的 ， 因 此 各 檔 的 變 速 比 也 是 固 定 不 變 的 。 在 20世 紀 60年代 ， 大 部 分 的 汽 車 變 速 器 還 僅 僅 只 有 3個 檔 位 ， 并 且 只 有 高 速 檔 才 具 備 同 步 器 。 雖 然 低 檔速 率 對 節(jié) 約 燃 料 有 一 定 的 好 處 ， 但 是 加 快 速 度 還 是 需 要 變 高 速 檔 ， 所 以 人 們 一 直 在 研 究 和提 高 變 速 器 的 檔 數(shù) ， 因 此 發(fā) 展 到 現(xiàn) 在 ， 大 多 數(shù) 的 手 動 變 速 器 都 具 有 5檔 ， 甚 至 是 6檔 速 率 。但 是 隨 著 自 動 變 速 機 構 的 出 現(xiàn) ， 很 多 人 說 手 動 變 速 器 必 將 淘 汰 ， 因 為 它 的 操 縱 的 難 度 以 及 復 雜 性 阻 礙 了 汽 車 的 高 速 發(fā) 展 。 但 是 我 認 為 從 市 場 需 求 以 及 適 用 性 方 面 來 說 ， 手 動 變 速 器 潘 文 靜 ： 轎 車 三 軸 變 速 器 系 統(tǒng) 設 計 及 仿 真 分 析 2 還 是 會 存 在 于 市 場 上 ， 畢 竟 手 動 變 速 器 在 一 些 車 型 上 所 體 現(xiàn) 出 來 的 優(yōu) 越 性 是 其 他 變 速 器 所取 代 不 了 的 。 而 且 隨 著 人 們 生 活 水 平 的 提 高 ， 汽 車 走 進 了 尋 常 百 姓 家 ， 因 此 在 考 錄 經(jīng) 濟 適用 性 方 面 ， 手 動 變 速 器 更 受 歡 迎 。（ 2） 自 動 變 速 器 AT自 動 變 速 器 是 從 上 世 紀 40 年 代 開 始 使 用 ， 在 當 時 ， 由 于 電 子 裝 置 還 沒 有 很 好 的 發(fā) 展起 來 ， 因 此 只 有 通 過 液 壓 系 統(tǒng) 才 能 控 制 相 關 的 操 縱 裝 置 。 隨 著 汽 車 的 不 斷 發(fā) 展 ， 自 動 變 速器 的 檔 位 數(shù) 也 像 手 動 變 速 器 得 檔 位 一 樣 在 逐 漸 增 加 。 自 動 變 速 器 是 利 用 行 星 齒 輪 機 構 來 進行 變 速 ， 自 動 變 速 器 可 以 根 據(jù) 汽 車 自 身 行 駛 的 速 度 以 及 駕 駛 者 踩 踏 踏 板 的 程 度 來 自 動 的 調(diào)節(jié) 汽 車 的 速 度 。 與 手 動 變 速 器 和 老 一 代 產(chǎn) 品 相 比 較 來 說 ， 二 者 的 重 量 差 不 多 ， 但 是 自 動 變速 器 傳 遞 的 扭 矩 增 大 了 許 多 。 同 時 ， 它 還 采 用 了 多 檔 位 與 小 速 比 差 ， 這 樣 就 可 以 減 少 燃 料 的 消 耗 ， 而 且 還 增 加 了 車 輛 行 駛 的 平 順 性 ， 提 高 了 汽 車 的 運 動 性 能 與 舒 適 性 。（ 3） 自 動 變 速 的 手 動 變 速 器 AMT對 于 AMT 的 出 現(xiàn) ， 起 初 很 受 歡 迎 ， 因 為 AMT 的 價 格 比 AT 和 CVT 要 便 宜 得 多 。 雖 然 對于 小 轎 車 來 說 ， 自 動 變 速 的 手 動 變 速 系 統(tǒng) 不 是 那 么 完 美 ， 在 換 擋 的 時 候 偶 爾 會 造 成 動 力 的中 斷 ， 但 是 卻 可 以 讓 人 們 體 驗 到 兩 種 駕 駛 方 式 ， 這 也 是 駕 駛 者 在 駕 駛 過 程 中 提 高 了 駕 駛 的樂 趣 。 在 平 常 駕 駛 中 可 以 使 用 手 動 操 作 ， 感 受 駕 駛 的 樂 趣 ， 而 在 交 通 擁 擠 的 時 候 ， 又 可 以切 換 為 自 動 駕 駛 模 式 ， 減 少 操 縱 的 不 便 性 ， 這 在 一 定 程 度 上 也 很 適 合 我 們 國 家 的 交 通 情 況 。這 種 自 動 變 速 的 手 動 變 速 器 大 多 應 用 在 多 檔 位 的 重 型 卡 車 上 ， 因 此 ， 自 動 變 速 的 手 動 變 速器 的 使 用 ， 主 要 是 考 慮 到 車 的 重 量 以 及 動 力 傳 遞 方 面 的 特 性 要 求 。（ 4） 無 級 變 速 器 CVT 如 今 汽 車 的 發(fā) 展 是 非 常 迅 速 的 ， 駕 駛 者 對 于 汽 車 性 能 的 要 求 也 是 越 來 越 高 ， 因 此 無 級 變 速器 便 應 運 而 生 。 無 級 變 速 器 是 利 用 鏈 條 傳 送 動 力 的 ， 它 需 要 起 動 機 離 合 器 或 者 是 液 力 變 扭器 。 汽 車 實 現(xiàn) 倒 車 性 能 還 需 要 一 套 額 外 的 倒 車 齒 輪 組 。 由 于 無 級 變 速 器 并 不 是 同 手 動 變速 器 和 自 動 變 速 器 一 樣 使 用 齒 輪 變 速 ， 而 是 采 用 了 一 個 滑 輪 以 及 兩 個 鋼 帶 來 實 現(xiàn) 變 速 ， 所以 無 級 變 速 器 的 傳 動 比 可 以 隨 意 的 改 變 。 無 級 變 速 器 在 承 接 自 動 變 速 器 的 優(yōu) 良 性 能 的 基 礎上 還 克 服 了 自 動 變 速 器 換 擋 時 跳 檔 以 及 油 門 反 應 比 較 慢 等 問 題 。（ 5） 雙 離 合 變 速 器 DCT變 速 器 發(fā) 展 的 主 要 驅(qū) 動 力 就 是 降 低 成 本 ， 因 此 在 AMT 之 后 ， 雙 離 合 器 變 速 器 (OCT)的出 現(xiàn) 成 為 了 一 個 在 AT 和 CVT 之 外 的 選 擇 。 雙 離 合 器 變 速 器 與 一 般 自 動 變 速 器 有 很 大 的 區(qū)別 ， 它 的 特 別 之 處 就 是 它 是 從 傳 統(tǒng) 的 手 動 變 速 器 演 變 而 來 的 ， 但 它 也 不 是 自 動 變 速 器 ， 雙 遼 寧 工 程 技 術 大 學 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 3 離 合 變 速 器 既 傳 承 了 手 動 變 速 器 的 燃 油 經(jīng) 濟 性 與 靈 活 性 ， 同 時 還 具 有 自 動 變 速 器 的 靈 活性 ， 最 重 要 的 是 除 此 之 外 它 還 能 提 供 不 間 斷 的 動 力 輸 出 ， 這 也 使 它 成 為 了 目 前 變 速 器 的 最高 技 術 的 代 表 。 潘 文 靜 ： 轎 車 三 軸 變 速 器 系 統(tǒng) 設 計 及 仿 真 分 析 4 2 變 速 器 主 要 參 數(shù) 的 選 擇 及 機 構 布 置 方 案本 次 設 計 是 圍 繞 奇 瑞 1 .8 L 手 動 豪 華 車 型 而 開 展 的 ， 設 計 中 所 采 用 的 大 部 分 相 關 參 數(shù) 全部 來 源 于 這 種 車 型 ： 表 2-1 參 考 車 型 的 相 關 參 數(shù)Table2-1parametersofreferencemodels 2.1 變 速 器 主 要 參 數(shù) 的 選 擇2.1.1 檔 數(shù) 與 傳 動 比在 進 行 設 計 的 時 候 ， 首 先 要 通 過 我 們 所 研 究 的 汽 車 的 使 用 條 件 以 及 使 用 要 求 來 確 定 汽車 變 速 器 的 檔 位 數(shù) 、 傳 動 比 范 圍 以 及 變 速 器 各 檔 位 的 傳 動 比 ， 是 因 為 這 些 內(nèi) 容 對 汽 車 的 動力 性 以 及 燃 料 經(jīng) 濟 性 都 有 著 重 要 的 直 接 影 響 。因 為 要 考 慮 到 汽 車 在 平 坦 的 硬 路 面 上 正 常 行 駛 時 的 燃 料 經(jīng) 濟 性 ， 因 此 變 速 器 的 最 高 檔位 大 多 數(shù) 為 直 接 檔 （ 即 傳 動 比 為 1 ） 或 超 速 檔 （ 即 傳 動 比 小 于 1 ） 。 這 時 的 汽 車 的 動 力 性以 及 汽 車 的 燃 料 經(jīng) 濟 性 都 由 發(fā) 動 機 以 及 驅(qū) 動 橋 的 主 減 速 比 決 定 的 。 變 速 器 的 低 檔 （ 通 常 為一 檔 ， 有 時 還 有 爬 行 檔 ） 的 傳 動 比 以 及 主 減 速 比 可 以 決 定 汽 車 的 最 大 爬 坡 度 。 因 此 在 選 擇 最 低 檔 的 傳 動 比 時 ， 就 應 根 據(jù) 汽 車 最 大 爬 坡 度 、 驅(qū) 動 輪 和 路 面 的 附 著 力 、 汽 車 的 最 小 穩(wěn) 定車 速 及 主 減 速 比 和 驅(qū) 動 輪 的 滾 動 半 徑 等 一 些 數(shù) 據(jù) 條 件 來 綜 合 考 慮 和 確 定 。根 據(jù) 汽 車 理 論 中 “ 最 大 傳 動 比 選 擇 ” 這 一 內(nèi) 容 可 以 知 道 確 定 傳 動 比 要 考 慮 三 方 面問 題 ： 最 大 爬 坡 度 ， 附 著 率 和 最 低 穩(wěn) 定 車 速 。 傳 動 系 最 大 傳 動 比 maxi 為 變 速 器 一 檔 的 傳 動 發(fā) 動 機 型 號 SQR4 8 1 FC主 減 速 器 比 4 .7 8 2最 高 轉 速 6 0 0 0 r/min最 大 功 率 (kW) 9 3 kw/5 6 0 0最 高 車 速 （ kmh） 1 9 0 km/h輪 胎 型 號 1 9 5 /6 0 R1 6最 大 扭 矩 (Nm) 1 5 4 Nm/4 0 0 0檔 位 數(shù) 5 遼 寧 工 程 技 術 大 學 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 5 max 0 max max max( cos sin )e gI TrT i i mg f mgr 比 1gi 和 主 減 速 器 傳 動 比 0i 的 乘 積 。 當 0i 已 定 時 ， 確 定 傳 動 比 即 為 確 定 變 速 器 一 檔 傳 動 比 。在 汽 車 爬 陡 坡 時 的 車 速 不 高 ， 因 此 空 氣 阻 力 可 以 被 忽 略 ， 那 么 汽 車 的 最 大 驅(qū) 動 力 則 用于 克 服 輪 胎 和 路 面 之 間 的 滾 動 阻 力 以 及 爬 坡 阻 力 。 故 有即 （ 2 -1 ）式 中 m-汽 車 質(zhì) 量 ；g-重 力 加 速 度 ； max-道 路 最 大 阻 力 系 數(shù) ；r r-驅(qū) 動 輪 的 滾 動 半 徑 ；T e max-發(fā) 動 機 最 大 轉 矩 ；i0 -主 減 速 比 ； -汽 車 傳 動 系 的 傳 動 效 率 。f 道 路 滾 動 阻 力 系 數(shù) 取 0.020；max 汽 車 的 最 大 爬 坡 度 。 轎 車 的 最 大 爬 坡 度 一 般 都 是 大 于 30%， 根 據(jù) 查 閱資 料 以 及 參 照 相 似 車 型 的 最 大 爬 坡 度 ， 本 文 將 最 大 爬 坡 度 定 為 為36.0 ， 即 max 19.80因 此 由 最 大 爬 坡 度 要 求 的 變 速 器 的 一 檔 傳 動 比 是 TTG 0emax rmaxmax1g i rsinfcosi ）（ （ 2 -2 ）根 據(jù) 車 輪 與 路 面 的 附 著 條 件 有 ztgtq FriiT r 01 （ 2 -3 ）式 中 FZ-地 面 作 用 在 車 輪 上 的 法 向 反 力 ， 即 汽 車 滿 載 靜 止 于 水 平 路 面 時 驅(qū) 動 橋 給 路面 的 載 荷 ， FZ=G2 =m0 g； -路 面 的 附 著 系 數(shù) ， 已 知 在 干 燥 路 面 上 的 值 為 0 .7 0 .8 ， 計 算 時 取 =0 .8 。根 據(jù) 公 式 （ 1 -2 ） 與 （ 1 -3 ） 可 知 ： 1 .9 2 i g1 5.74， 則 取 ig1 =3 .8 3增 加 變 速 器 的 檔 數(shù) ， 能 夠 改 善 汽 車 的 動 力 性 和 燃 油 經(jīng) 濟 性 以 及 平 均 車 速 。 近 年 來 ， 為了 降 低 油 耗 ， 變 速 器 的 檔 數(shù) 有 增 加 的 趨 勢 。 目 前 ， 乘 用 車 一 般 采 用 4 5 檔 ， 因 此 本 次 設 計 Ft f iF F 潘 文 靜 ： 轎 車 三 軸 變 速 器 系 統(tǒng) 設 計 及 仿 真 分 析 6 max1 mingn giq i中 選 用 五 檔 變 速 器 。 變 速 器 的 最 高 檔 有 時 為 直 接 檔 ， 有 時 為 超 速 檔 。 此 次 設 計 采 用 的 是 超速 檔 ， 超 速 檔 的 的 傳 動 比 一 般 為 0 .7 0 .8 。據(jù) 0g ra iinr377.0u 可 知 ， amax0g5 ra5 uiinr377.0u ， 其 中 n為 最 大 功 率 時 的 轉 速 ， 故 可 以 計算 出 ig5=0.75在 變 速 器 最 高 檔 以 及 最 低 檔 的 傳 動 比 確 定 以 后 ， 中 間 幾 檔 的 傳 動 比 在 理 論 上 是 按 下 述的 公 式 確 定 ： （ 2 -4 ）式 子 中 的 n 為 檔 位 數(shù) ， 則 計 算 可 得 q=1 .5 0 ， 故 可 計 算 各 檔 傳 動 比 為i2=ig1q=3.831.50=2.55i3=i1q2=3.831.52=1.70i4=i1q3=3.831.53=1.13（ 修 正 為 1）2.1.2 中 心 距對 于 三 軸 式 的 變 速 器 而 言 ， 它 的 中 心 距 是 指 第 一 和 第 二 軸 中 心 線 與 中 間 軸 的 中 心 線 之間 的 距 離 。 中 心 距 是 一 個 基 本 參 數(shù) ， 其 大 小 不 僅 對 變 速 器 的 外 形 尺 寸 、 體 積 和 質(zhì) 量 大 小 有影 響 ， 而 且 對 齒 輪 的 接 觸 強 度 有 影 響 。 對 于 三 軸 式 變 速 器 的 中 心 距 A（ mm） 可 以 根 據(jù) 對 已 有 變 速 器 的 統(tǒng) 計 從 而 得 出 的 經(jīng) 驗 公 式 初 步 計 算 ： g3 1emaxiTKA A （ 2 -5 ）式 中 K A-中 心 距 系 數(shù) 。 對 于 轎 車 ， K A =8 .9 9 .3 ； 對 于 貨 車 ， K A =8 .6 9 .6 ；對 于 多 檔 主 變 速 器 ， K A=9 .5 1 1 ； 本 文 取 K A=9 .1 g-變 速 器 的 傳 動 效 率 ， 取 g=0 .9 6TI max-變 速 器 處 于 一 檔 時 的 輸 出 扭 矩 為 ：T I max=Te maxi1 g =5 6 6 .2 3 N m所 以 計 算 可 得 出 初 始 中 心 距 A=7 5 .2 8 mm。2.1.3軸 向 尺 寸關 于 三 軸 五 檔 變 速 器 的 橫 向 外 形 尺 寸 ， 可 以 根 據(jù) 齒 輪 的 直 徑 以 及 倒 檔 中 間 齒 輪 與 換 檔機 構 的 布 置 從 而 初 步 確 定 。 影 響 變 速 器 殼 體 軸 向 尺 寸 的 因 素 有 檔 數(shù) 、 換 擋 機 構 形 式 以 及 齒輪 形 式 等 。 轎 車 五 檔 變 速 器 殼 的 軸 向 尺 寸 可 以 用 3.03.4A 確 定 。 當 變 速 器 選 用 的 常 嚙 合齒 輪 對 數(shù) 以 及 同 步 器 多 時 ， 中 心 距 系 數(shù) K A就 應 取 給 出 的 系 數(shù) 的 上 限 。 有 時 為 了 檢 測 方 便 ， 遼 寧 工 程 技 術 大 學 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 7 A通 常 取 整 。本 文 所 采 用 設 計 是 5+1手 動 擋 變 速 器 ， 可 計 算 出 其 殼 體 的 軸 向 尺 寸 是 3.4A=255.97mm，變 速 器 殼 體 的 具 體 的 最 終 的 軸 向 尺 寸 應 該 由 變 速 器 總 設 計 圖 的 結 構 尺 寸 鏈 確 定 。2.2 變 速 器 傳 動 機 構 布 置 方 案 的 確 定2.2.1傳 動 機 構 布 置 方 案 分 析三 軸 五 檔 變 速 器 多 用 于 發(fā) 動 機 前 置 后 輪 驅(qū) 動 的 汽 車 上 和 發(fā) 動 機 后 置 后 驅(qū) 的 客 車 上 ， 三軸 五 檔 變 速 器 的 第 一 軸 的 前 端 經(jīng) 過 軸 承 支 撐 在 發(fā) 動 機 飛 輪 上 ， 第 一 軸 的 花 鍵 還 用 來 裝 設 離合 器 的 從 動 盤 ， 而 第 二 軸 的 末 端 經(jīng) 花 鍵 與 萬 向 節(jié) 連 接 。圖 2-1展 示 了 四 種 五 檔 變 速 器 的 傳 動 方 案 。 各 種 傳 動 方 案 的 共 同 特 點 是 ： 變 速 器 的 第 一 軸 后 端 與 常 嚙 合 主 動 齒 輪 做 成 一 體 。 絕 大 多 數(shù) 變 速 器 的 傳 動 方 案 的 第 二 軸 前 端 經(jīng) 軸 承 支撐 在 第 一 軸 后 端 的 孔 內(nèi) ， 并 且 保 證 兩 軸 軸 線 在 同 一 直 線 上 。 在 除 直 接 檔 以 外 的 其 他 檔 位 在工 作 時 ， 三 軸 五 檔 變 速 器 的 傳 動 效 率 略 有 降 低 ， 這 也 是 這 種 傳 動 方 案 的 缺 點 。在 檔 數(shù) 相 同 的 條 件 下 ， 各 中 間 軸 式 變 速 器 主 要 在 常 嚙 合 齒 輪 對 數(shù) 、 軸 的 支 承 方 式 、 換擋 方 式 和 倒 擋 傳 動 方 案 以 檔 位 的 布 置 順 序 上 有 一 些 差 別 。 圖 2-1中 間 軸 式 五 檔 變 速 器 傳 動 方 案Fig.2-1Transmissionschemeofintermediateshaftfivespeedtransmission圖 2 -1 a 所 示 方 案 中 ， 除 了 一 檔 以 及 倒 擋 使 用 直 齒 滑 動 齒 輪 來 換 檔 之 外 ， 其 余 各 檔 均 為 潘 文 靜 ： 轎 車 三 軸 變 速 器 系 統(tǒng) 設 計 及 仿 真 分 析 8 常 嚙 合 齒 輪 傳 動 。 圖 2 -1 b、 c、 d 所 示 的 三 軸 五 檔 變 速 器 傳 動 方 案 的 各 個 前 進 檔 都 是 采 用 常嚙 合 齒 輪 傳 動 。 圖 2 -1 d 所 展 示 的 變 速 器 的 傳 動 方 案 中 的 倒 檔 以 及 超 速 檔 都 安 裝 在 變 速 器 后面 的 副 箱 箱 體 內(nèi) ， 這 樣 的 布 置 方 式 除 了 可 以 提 高 軸 的 剛 度 、 減 少 齒 輪 的 磨 損 以 及 可 以 降 低工 作 噪 聲 以 外 ， 同 時 還 可 以 在 不 需 要 超 速 檔 的 前 提 下 ， 非 常 容 易 的 就 形 成 一 個 僅 有 四 個 超速 檔 的 中 間 軸 式 變 速 器 。 圖 2 -1 a 方 案 中 的 第 一 檔 、 倒 擋 以 及 圖 2 -1 d 傳 動 方 案 中 的 倒 擋 采用 的 是 直 齒 滑 動 齒 輪 來 換 檔 ， 其 余 的 各 個 檔 位 采 用 的 都 是 常 嚙 合 齒 輪 換 檔 。發(fā) 動 機 是 前 置 后 驅(qū) 的 轎 車 一 般 采 用 中 間 軸 式 變 速 器 ， 如 圖 2 -1 a、 b 所 示 ， 為 了 縮 短 傳動 軸 的 長 度 ， 把 第 二 軸 加 長 并 放 到 附 加 殼 體 內(nèi) 。 如 2 -1 a 所 示 ， 如 果 在 附 加 的 殼 體 內(nèi) 來 布 置倒 檔 的 傳 動 齒 輪 以 及 換 檔 機 構 ， 除 了 能 夠 縮 短 傳 動 軸 長 度 以 外 ， 還 能 夠 提 高 中 間 軸 以 及 輸出 軸 的 剛 度 ， 并 且 能 夠 減 小 變 速 器 主 體 部 分 的 外 形 尺 寸 。2.2.2倒 檔 布 置 方 案 與 前 進 檔 相 比 較 ， 倒 檔 的 使 用 率 并 不 高 ， 并 且 都 是 在 停 車 的 狀 態(tài) 下 進 行 倒 檔 操 作 ， 因此 大 多 數(shù) 的 倒 檔 布 置 方 案 都 采 用 的 是 直 齒 滑 動 齒 輪 的 方 式 。 為 了 實 現(xiàn) 倒 檔 傳 動 ， 有 些 傳 動方 案 利 用 了 在 中 間 軸 與 第 二 軸 上 的 齒 輪 傳 動 路 線 中 再 加 入 一 個 中 間 傳 動 齒 輪 的 方 案 ， 如 圖2 -1 a、 b 中 的 那 樣 。 圖 2-2 倒 檔 布 置 方 案Fig.2-2reversegearlayout圖 2-2為 常 見 的 幾 種 倒 檔 的 布 置 方 案 。 圖 2-2a所 示 的 倒 檔 傳 動 方 案 為 最 常 用 的 倒 檔 傳動 方 案 ， 在 前 進 檔 的 傳 動 路 線 中 加 入 一 個 傳 動 ， 這 樣 使 得 結 構 更 加 簡 單 ， 但 是 這 樣 的 布 置 遼 寧 工 程 技 術 大 學 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 9 方 案 也 使 齒 輪 在 工 作 時 處 于 一 個 正 負 交 替 的 對 稱 彎 曲 應 力 的 狀 態(tài) 下 ， 因 此 這 種 倒 檔 布 置 方案 通 常 用 于 同 步 器 式 四 檔 變 速 器 上 。 圖 2-1b 所 示 的 布 置 方 案 利 用 了 位 于 中 間 軸 上 的 一 檔齒 輪 來 進 行 換 檔 ， 因 此 可 以 實 現(xiàn) 中 間 軸 的 長 度 縮 短 。 但 是 此 方 案 的 缺 點 是 在 換 檔 時 需 要 兩對 齒 輪 同 時 進 入 嚙 合 狀 態(tài) ， 這 也 就 使 得 換 檔 變 的 更 加 困 難 。 圖 2-2c 所 示 的 倒 檔 布 置 方 案雖 然 能 夠 獲 得 較 大 的 傳 動 比 ， 但 是 換 檔 的 程 序 卻 不 太 合 理 。 圖 2-2d的 傳 動 方 案 是 在 2-2c的 基 礎 上 改 善 了 2-2c的 缺 點 所 得 的 傳 動 方 案 ， 經(jīng) 常 用 于 輕 型 貨 車 上 的 變 速 器 。 圖 2-2e所示 傳 動 方 案 將 將 中 間 軸 上 的 第 一 檔 以 及 倒 檔 齒 輪 做 成 一 體 的 形 式 ， 又 或 者 是 將 它 們 的 齒 寬進 行 加 長 。 圖 2-2f 的 傳 動 方 案 是 適 合 齒 輪 副 都 全 部 是 常 嚙 合 齒 輪 的 變 速 器 ， 這 樣 使 得 換擋 更 加 輕 便 。 圖 2-2g 所 示 的 倒 檔 傳 動 方 案 中 縮 短 了 變 速 器 的 軸 向 長 度 ， 這 樣 使 變 速 器 空間 得 到 充 分 的 利 用 ， 缺 點 是 位 于 變 速 器 的 上 蓋 中 的 操 縱 機 構 會 變 得 復 雜 一 些 。 為 了 防 止 意 外 的 掛 入 倒 檔 ， 一 般 都 會 在 進 行 掛 倒 檔 操 作 時 設 置 一 個 在 掛 倒 檔 時 需 要 克服 的 一 個 彈 簧 所 產(chǎn) 生 的 力 。 同 時 ， 因 為 變 速 器 的 第 一 檔 或 者 倒 檔 的 傳 動 比 比 較 大 ， 因 此 在工 作 時 作 用 在 齒 輪 上 的 力 也 很 大 ， 這 樣 就 會 導 致 變 速 器 的 軸 產(chǎn) 生 非 常 大 的 轉 角 或 者 撓 度 ，使 齒 輪 嚙 合 的 狀 態(tài) 惡 化 ， 從 而 導 致 齒 輪 磨 損 加 劇 以 及 工 作 時 的 噪 聲 會 增 加 。 因 此 為 了 改 善上 述 的 不 良 狀 況 ， 變 速 器 的 一 檔 以 及 倒 檔 都 應 該 在 靠 近 軸 的 支 承 處 去 布 置 ， 然 后 再 按 照 從低 到 高 的 順 序 去 布 置 各 檔 的 齒 輪 ， 這 樣 做 能 夠 使 軸 的 剛 性 足 夠 大 并 且 容 易 裝 配 。 綜 合 以 上兩 點 考 慮 ， 本 次 設 計 采 用 圖 2-2b所 示 的 倒 檔 傳 動 布 置 方 案 。 潘 文 靜 ： 轎 車 三 軸 變 速 器 系 統(tǒng) 設 計 及 仿 真 分 析 1 0 3.齒 輪 的 設 計3.1 變 速 器 齒 輪 的 設 計 準 則由 于 汽 車 變 速 器 各 檔 位 的 齒 輪 的 的 工 作 狀 態(tài) 都 是 不 一 樣 的 ， 所 以 根 據(jù) 轉 速 、 齒 輪 受 力情 況 以 及 噪 音 等 要 求 ， 可 以 將 變 速 器 齒 輪 分 為 高 檔 工 作 區(qū) 以 及 低 檔 工 作 區(qū) ， 因 此 兩個 工 作 區(qū) 的 齒 輪 的 參 數(shù) 選 擇 都 有 不 同 的 原 則 。第 一 、 二 以 及 倒 檔 齒 輪 稱 為 低 檔 工 作 區(qū) ， 低 檔 工 作 區(qū) 的 齒 輪 的 工 作 特 點 是 工 作時 間 比 較 短 ， 行 車 利 用 率 較 低 ， 并 且 低 檔 工 作 區(qū) 的 齒 輪 在 工 作 時 的 轉 速 較 低 ， 因 此由 于 轉 速 而 引 起 的 噪 音 也 比 較 小 ， 所 以 在 設 計 低 檔 工 作 區(qū) 的 齒 輪 時 首 要 考 慮 的 就 是 如 何 提 高 齒 輪 的 強 度 ， 降 低 噪 聲 是 次 要 的 。將 第 三 、 四 、 五 檔 齒 輪 稱 為 高 檔 工 作 區(qū) ， 高 檔 工 作 區(qū) 的 齒 輪 的 工 作 特 點 為 它 們是 汽 車 的 經(jīng) 濟 性 檔 位 ， 行 車 利 用 率 也 比 較 高 。 高 檔 工 作 區(qū) 的 齒 輪 在 工 作 時 的 轉 速 都比 較 高 ， 因 此 工 作 時 因 轉 速 而 產(chǎn) 生 的 噪 音 也 比 較 大 ， 但 是 高 檔 工 作 區(qū) 的 齒 輪 工 作 時受 力 卻 很 小 ， 即 使 輪 齒 的 強 度 減 小 ， 齒 輪 的 壽 命 也 在 適 用 的 范 圍 內(nèi) 。 故 在 設 計 高 檔工 作 區(qū) 的 齒 輪 時 ， 首 要 保 證 的 便 是 使 其 傳 動 平 穩(wěn) 以 及 降 低 其 工 作 時 的 噪 聲 ， 而 齒 輪強 度 是 次 要 的 。綜 上 所 述 ， 低 檔 工 作 區(qū) 的 齒 輪 為 了 增 大 齒 輪 的 彎 曲 強 度 ， 滿 足 低 檔 工 作 區(qū) 齒 輪低 速 大 扭 矩 的 強 度 要 求 ， 通 常 選 用 較 大 的 模 數(shù) 、 壓 力 角 、 變 位 系 數(shù) 以 及 較 小 的 螺 旋角 。 在 高 檔 工 作 區(qū) 的 齒 輪 ， 為 了 滿 足 變 速 器 的 設 計 要 求 ， 達 到 降 低 噪 音 、 傳 動 平 穩(wěn) 的 最 佳 效 果 ， 通 常 選 用 較 小 的 模 數(shù) 、 壓 力 角 、 變 位 系 數(shù) 以 及 較 大 的 螺 旋 角 。3.2 齒 輪 參 數(shù)3.2.1齒 輪 模 數(shù)齒 輪 模 數(shù) 是 齒 輪 設 計 中 一 個 非 常 重 要 的 參 數(shù) ， 由 上 述 內(nèi) 容 可 知 齒 輪 的 模 數(shù) 越 大 ， 齒厚 就 越 大 且 齒 輪 的 彎 曲 強 度 隨 之 也 越 大 ， 這 使 齒 輪 的 承 載 能 力 變 的 越 大 。 相 反 的 ，模 數(shù) 越 小 齒 厚 就 會 越 小 ， 隨 之 齒 輪 的 彎 曲 強 度 就 會 變 小 。 對 于 高 速 擋 齒 輪 來 說 ， 齒輪 在 工 作 時 的 轉 速 高 、 扭 矩 小 ， 因 此 齒 輪 承 受 的 彎 曲 應 力 也 比 較 小 ， 通 常 在 保 證 齒輪 足 夠 的 彎 曲 應 力 的 條 件 下 選 擇 較 小 的 模 數(shù) ， 這 樣 就 可 以 使 齒 輪 的 齒 數(shù) 增 大 從 而 得到 較 大 的 重 合 度 ， 達 到 降 低 噪 音 的 目 的 。 而 對 于 低 速 擋 的 齒 輪 來 說 ， 在 工 作 時 的 轉 遼 寧 工 程 技 術 大 學 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 1 1 速 低 、 扭 矩 大 ， 因 此 齒 輪 承 受 的 彎 曲 應 力 也 比 較 大 ， 故 需 要 選 擇 較 大 的 模 數(shù) 來 保 證齒 輪 的 強 度 要 求 。 表 3-1 汽 車 變 速 器 齒 輪 的 法 向 模 數(shù) mnTable 3-1 normal Modulus of Automobile Transmission Gear mn關 于 變 速 器 齒 輪 的 模 數(shù) 其 選 取 范 圍 是 ： 轎 車 及 輕 中 型 貨 車 取 23.5； 重 型 貨 車 選 取 3.55.由 于 本 次 論 文 所 需 數(shù) 據(jù) 都 是 以 東 風 日 產(chǎn) 2018款 1.6XL手 動 豪 華 版 軒 逸 汽 車 為 參照 ， 故 發(fā) 動 機 排 量 為 1.6， 經(jīng) 查 表 3-1 可 知 ， 變 速 器 齒 輪 的 法 向 模 數(shù) 的 取 值 范 圍 是2.252.75。表 3-2 汽 車 變 速 器 常 用 的 齒 輪 模 數(shù) （ 摘 自 GB/T1357-1987） (mm）Table 3-2 Gear Modulus commonly used in Automotive Transmission (from GBR / T1357-1987)一 系 列 1 .0 0 1 .2 5 1 .5 0 2 .0 0 2 .5 0 3 .0 0 4 .0 0 5 .0 0 6 .0 0二 系 列 1 .7 5 2 .2 5 2 .7 5 3 .2 5 3 .5 0 3 .7 5 4 .5 0 5 .5 0 考 慮 到 齒 輪 的 強 度 問 題 ， 本 設 計 中 變 速 器 的 一 檔 及 倒 檔 齒 輪 采 用 直 齒 齒 輪 ， 而第 二 檔 至 第 五 檔 齒 輪 采 用 斜 齒 齒 輪 。 故 根 據(jù) 表 3-2 可 選 一 檔 及 倒 檔 齒 輪 的 模 數(shù) 為 2.75mm， 而 其 余 各 檔 的 法 向 模 數(shù) 可 取 mn=2.5mm。3.2.2齒 形 、 壓 力 角 、 螺 旋 角 和 齒 寬 b汽 車 變 速 器 齒 輪 的 齒 形 、 壓 力 角 、 及 螺 旋 角 按 表 3 -3 選 取 。表 3-3 汽 車 變 速 器 齒 輪 的 齒 形 、 壓 力 角 與 螺 旋 角Table3-3Toothform,pressureangleandspiralangleofautomobiletransmissiongear項 目車 型 齒 形 壓 力 角 螺 旋 角 轎 車 高 齒 并 修 形 的 齒 形 1 4 .5， 15， 1616.5 2 5 4 5 一 般 貨 車 GB1 3 5 6 -7 8 規(guī) 定 的 標 準 齒 形 2 0 2 0 30 重 型 車 同 上 低 檔 、 倒 檔 齒 輪 2 2 .5 ， 25 小 螺 旋 角 車 型 乘 用 車 的 發(fā) 動 機 排 量 V/L 貨 車 的 最 大 總 質(zhì) 量 am /t1 .0 V1 .6 1 .6 V2 .5 6 .0 am 1 4 am 1 4 .0模 數(shù) nm /mm 2 .2 5 2 .7 5 2 .7 5 3 .0 0 3 .5 0 4 .5 0 4 .5 0 6 .0 0 潘 文 靜 ： 轎 車 三 軸 變 速 器 系 統(tǒng) 設 計 及 仿 真 分 析 1 2 汽 車 變 速 器 齒 輪 大 多 采 用 漸 開 線 齒 廓 。 為 了 改 善 齒 輪 的 嚙 合 狀 態(tài) 、 降 低 噪 聲 以 及 提高 齒 輪 的 強 度 ， 現(xiàn) 代 轎 車 變 速 器 的 齒 輪 大 多 采 用 高 齒 并 修 形 的 齒 形 。對 于 同 一 分 度 圓 的 齒 輪 而 言 ， 若 分 度 圓 的 壓 力 角 不 同 ， 則 基 圓 也 就 不 同 。 當 齒 輪 的 壓力 角 較 小 時 ， 基 圓 直 徑 就 會 變 大 ， 齒 形 漸 開 線 就 會 變 的 平 直 一 些 ， 齒 根 也 會 變 薄 ， 從 而 會使 齒 輪 的 彎 曲 強 度 以 及 接 觸 強 度 下 降 。 但 是 ， 隨 著 壓 力 角 的 減 小 ， 齒 輪 的 重 合 度 也 會 變 大 ，齒 輪 的 剛 度 也 會 減 小 ， 并 且 可 以 減 小 進 入 以 及 退 出 嚙 合 時 齒 輪 的 動 載 荷 ， 進 而 降 低 齒 輪 工作 時 的 噪 聲 。 許 多 實 驗 證 明 ： 對 于 直 齒 輪 ， 壓 力 角 為 2 8 時 強 度 最 高 ； 對 于 斜 齒 輪 ， 壓 力角 為 2 5 時 強 度 最 高 。 因 此 在 理 論 上 ， 對 于 乘 用 車 而 言 應 選 取 小 一 些 的 壓 力 角 以 達 到 加 大重 合 度 ， 減 小 噪 音 的 目 的 。 然 而 實 際 上 ， 國 家 規(guī) 定 的 標 準 壓 力 角 為 2 0 ， 所 以 變 速 器 齒 輪的 壓 力 角 普 遍 選 取 2 0 。 嚙 合 套 以 及 同 步 器 的 接 合 齒 壓 力 角 有 多 種 選 擇 ， 但 大 多 數(shù) 采 用 3 0 壓 力 角 。斜 齒 輪 與 直 齒 輪 相 比 ， 具 有 噪 聲 小 、 傳 動 平 穩(wěn) 、 沖 擊 小 、 重 合 度 大 等 優(yōu) 點 ， 因 此在 變 速 器 中 得 到 了 廣 泛 的 應 用 。 斜 齒 輪 的 螺 旋 角 應 選 取 適 宜 ， 太 小 了 ， 發(fā) 揮 不 出 斜齒 輪 的 優(yōu) 越 性 ； 太 大 了 則 會 使 軸 向 力 過 大 。 當 齒 寬 一 定 時 ， 斜 齒 輪 的 重 合 度 隨 螺 旋角 的 增 加 而 增 加 ， 從 而 齒 輪 的 承 載 能 力 也 就 越 強 ， 平 穩(wěn) 性 也 隨 之 變 好 ， 因 此 在 保 證傳 遞 效 率 的 前 提 下 ， 螺 旋 角 越 大 越 好 。 通 常 乘 用 車 中 間 軸 式 變 速 器 的 螺 旋 角 取 值 范圍 是 22 3 4 ， 故 取 斜 齒 輪 螺 旋 角 為 2 5 。在 選 擇 齒 寬 的 時 候 ， 應 注 意 齒 寬 對 變 速 器 質(zhì) 量 、 軸 向 尺 寸 、 齒 輪 工 作 時 的 受 力 均 勻程 度 、 齒 輪 工 作 平 穩(wěn) 性 以 及 齒 輪 強 度 等 都 有 一 定 程 度 的 影 響 。 b 加 大 ， 齒 的 承 載 能 力增 高 ， 但 試 驗 表 明 ， 在 齒 寬