目录
摘要................................................................................................................................I
Abstract.........................................................................................................................II
第1章绪论.................................................................................................................1
1.1汽车变速器的概述...........................................................................................1
1.2汽车变速器研究现状、发展趋势...................................................................1
1.2.1国外研究现状........................................................................................1
1.2.2国内研究现状........................................................................................4
1.3汽车变速器设计的目的和意义.......................................................................5
1.4汽车变速器的设计方法和研究内容...............................................................5
第2章变速器主要参数的选择............................................................................7
2.1变速器档数及各档传动比...............................................................................7
2.1.1变速器档数的确定................................................................................7
2.1.2主要技术参数........................................................................................7
2.1.3主减速比的确定....................................................................................7
2.1.4变速器一档传动比的确定....................................................................8
2.1.5变速器各档传动比的确定..................................................................10
2.2变速器中心距的确定.....................................................................................10
2.3变速器各档齿轮参数的确定.........................................................................11
2.3.1确定一档齿轮齿数..............................................................................11
2.3.2对中心距A进行修正..........................................................................12
2.3.3确定常啮合传动齿轮的齿数...............................................................13
2.3.4确定其他各档的齿数..........................................................................15
2.3.5确定倒档齿轮齿数..............................................................................20
2.4本章小结.........................................................................................................21
第3章变速器齿轮的设计及校核.....................................................................22
3.1齿轮的材料选择.............................................................................................22
3.1.1齿轮损坏形式及避免方法..................................................................22
3.1.2各档齿轮的材料选择..........................................................................23
3.2计算各轴的转矩.............................................................................................24
3.3齿轮的强度计算.............................................................................................24
3.3.1轮齿的弯曲应力公式..........................................................................25
3.3.2轮齿接触应力公式..............................................................................26
3.3.3各档齿轮的强度计算及校核..............................................................28
3.4各档齿轮的受力计算.....................................................................................35
3.5本章小结.........................................................................................................38
第4章变速器轴和轴承的设计及校核............................................................39
4.1轴的设计..........................................................................................................39
4.1.1轴的作用及其设计要求......................................................................39
4.1.2轴的结构设计......................................................................................39
4.1.3轴的尺寸计算......................................................................................40
4.2轴的强度计算及校核..... ................................................................................41
4.2.1轴的刚度计算及校核..........................................................................41
4.2.2轴的强度计算及校核..........................................................................46
4.2.3轴承的选择及校核..............................................................................50
4.3本章小结.........................................................................................................52
第5章同步器的确定............................................................................................53
5.1锁销式同步器介绍.........................................................................................53
5.2锁环式同步器介绍.........................................................................................54
5.3本章小结.........................................................................................................55
第6章操纵机构和箱体的确定..........................................................................56
6.1操纵机构的功用.............................................................................................56
6.2换档位置示意图.............................................................................................56
6.3变速器箱体的设计.........................................................................................56
6.4本章小结.........................................................................................................57
结论..............................................................................................................................58
参考文献.....................................................................................................................59
致谢..............................................................................................................................60
附录..............................................................................................................................61
第1章绪论
1.1汽车变速器的概述
汽车是一种快速机动的道路交通工具。一般是指自带动力装置的可以独立行驶并完成运载任务的轮式车辆，具有四个或四个以上的车轮。按照国家标准中有关规定，汽车可分为载货汽车，越野汽车，自卸汽车，牵引汽车，专业汽车，客车，轿车等种类。汽车的基本组成是相同的，均由发动机，底盘，车身和电气设备四大部分组成，现代汽车将以往复活塞式内燃机为主要动力源，而发动机的扭矩、转速与汽车的牵引力、车速要求之间的矛盾，靠现代汽车的内燃机本身是无法解决的。为此，在汽车传动系中设置了变速器和主减速器。既可使驱动车轮的扭矩增大为发动机扭矩的若干倍，同时又可使其转速减小到发动机转速的若干分之一。
变速器用于改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，以适应汽车在起步、加速、行驶以及克服各种道路障碍等不同行驶条件下，满足驱动车轮牵引力及车速不同要求的需要。随着汽车工业的不断发展，今后要求汽车车型的多样化、个性化、智能化已成为汽车的发展趋势。但变速器设计一直是汽车设计中最重要的环节之一，它是用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，同时使发动机在最有利的工况范围内工作。因此它的性能影响到汽车的动力性和经济性指标。变速器能使汽车以非常低的稳定车速行驶，而这种低的车速只靠内燃机的最低稳定车速是难以达到的。变速器的倒档使汽车能倒退行驶；其空档使汽车在启动发动机、停车和滑行时能长时间将发动机和传动系分离。
变速器的结构除了对汽车的动力性、经济性有影响同时对汽车操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率等都有直接影响。变速器与主减速器及发动机的参数做优化匹配，可得到良好的动力性与经济性；采用自锁及互锁装置，倒档安全装置，其他结构措施，可使操纵可靠，不产生跳档、乱档、自动脱档和误挂倒档；采用同步器可使换档轻便，无冲击及噪声；采用斜齿轮、修形及参数优化等措施可使齿轮传动平稳、噪声低，不同的传动比还可以使在其不同路面提高汽车的动力性和经济性，使汽车和发动机有良好的匹配性[1]。 1.2汽车变速器研究状况、发展趋势
1.2.1国外研究现状
变速器作为传递动力和改变车速的主要装置，国外对其操纵的方便性和档位数等方面的要求愈来愈高。目前，4档特别是5档变速器的用量有日渐增多的趋势。同时，6档变速器的装车率也在上升。电子控制式自动变速器是90年代人们关注的焦点。它是在机械变速器的基础上，通过运用电子技术实现自动换档、自动控制离合器及油门动作的种先进的变速装置。在该装置中，有一个由半导体元件和集成电路组成的电子控制器，它是变速器的“指挥中心”，以模拟控制与数字控制两种方式作用，能连续不断地把车辆的实际行驶状况与希望实现的状况进行比较，如果两者不吻合，该控制器就会命令操纵机构，改换变速器的档位、离合器的分离与接合以及油门的开度。通过实现自动选择最佳档位和最佳换档时间，电控变速器可直接改善整车的操纵性，并使车辆在经济性最佳的范围内行驶。据悉，丰田电控变速器可节油5右。尽管电控自动变速器从开始研制至今仅20余年，但由于它既有机械变速器传动效率高和使用可靠等优点，又有液力机械自动变速器动力性好、油耗低和操作简单的好处，所以国外各大公司都很重视该产品的研制应用。丰田公司开发的ECT电控自动变速器，起动时和低、中速时的加速性都很好，而且变速平稳、油耗低。日产研制的全新通档电控自动变速器，体积小,传递效率高，比同类产品更能满足经济性要求，它在车速超过50km/h时,无论在3档或4档都具有转矩锁定功能。三菱在其最新的电控自动变速系统中，增加了“模糊控制”的新概念。当电子控制器根据所收到的车辆行驶状况信息，通过模糊逻辑进行判断之后，会白动选择最适当的换档方式，从而可以防止车辆上坡时或转弯时自动换人高档，也可防止车辆下坡时自动由高档换到低档。本田开发的电控变速器也应用了模糊控制概念，使变速控制非常简便、轻松，驾驶者简直难以觉察到档位的变换。目前国外轿车的电控自动变速器，主要有三种操纵方式，即电子控制气动操纵、电子控制液压操纵和电子控制马达操纵。
最近几年,传统的液力自动变速器通过采用CAD/CAM技术来提高液力变矩器效率,增加行星齿轮变速器的档位(四、五档)以及电子技术的应用,液力自动变速器的性能已相当完善。每年还有几十项专利申请,主要是在电子控制方面的,如消除汽车爬坡时因牵引力不足产生急剧减速造成的重复换档;防止汽车转弯时因短时间速度下降产生重复换档,有效地减小离合器和制动器的使用频率;因海拔高度变化引起发动机转矩下降而对换档时刻进行修正;通过控制液压系统压力和发动机输出转矩以抑制换档冲击等[2]。
现在的液力自动变速器已能通过微电脑对整个动力传动系统进行控制,可称得上是全电子控制的智能化产品。由各种电子传感器和微电脑组成的电控单元可根据路况、驾驶方式等信息控制发动机的喷油量,决定换档时机和液力变矩器锁定时刻,使动力输出达到最佳,既降低油耗,又减小换档时的振动。三菱公司新的自动变速车“Fuzzy Shift 4AT”在自动变速系统中加入了“模糊控制”的概念,变速器内的微电脑会根据收集到的行驶状况信息,通过模糊逻辑判断后,自动选择最适当的换档方式。该公司的INVECS-Ⅱ自动速器,控制参数扩大到车辆的全部工作范围,相关信息数量高达210个,其电脑有记忆驾驶员的爱好和习惯的能力,可据此修改换档程序。
液力自动变速器的应用范围非常广,与之匹配的发动机排量小至1L,大至10L以上;传递功率可从几十千瓦到几百千瓦;可以装备轿车、客车、货车、越野车等各种车型。仅就液力自动变速器在轿车上的装备率而言,目前美国为90右,日本接近80因此,液力自动变速器在汽车自动变速器行业占有主导地位。据预测,随时间的增加,日本自动变速器的总装车率将达到40美国将达到35不过在这当中,AMT和CVT将要挤占部分份额。
进入80年代,五十铃、伊顿、ZF等公司研制电子控制机械自动变速器并装车成功后,福特公司、大众公司、菲亚特公司、雷诺公司和丰田公司等也相继开展AMT的研究和开发。1995年本田的部分Civic轿车装用了AMT。1996年宝马M3轿车所采用的“M序列式变速器”就是在原来的M3型6档手动机械变速器基础上作了大幅度的改进,以全新的电液控制系统代替了传统的机械式变速器的操纵系统,并可选择自动变速和手动变速两种模式。ZF公司也推出了其电控机械自动变速器新产品ASTRONIC系列。由于机械式自动变速器是采用现代电子技术改造传统手动变速器而得到的,其研究时的一个初衷就是考虑机械变速器部分可以借用原有的结构,因而新增生产设备较少。但这也限制了为改善自动变速器性能所要求的一些结构上的变化。
据统计,截至1996年底,装备金属带式CVT的轿车就已达120多万辆。最近,日本本田汽车公司和荷兰的VDT(Van Doorne' s Transmissie B.V.)变速器公司共同研制的新型无级变速器已装备在了本田1996Civic HX型轿车上。日产汽车公司原定在21世纪进入CVT的实用化阶段,但因该公司近几年经营情况不理想,为有利于抢占市场,现已明显加快了CVT实用化步伐,电子控制的哈依帕CVT已装在蓝鸟等排量2L的轿车上。据统计,目前装有CVT的轿车约120万辆,发动机排量大多在0.6~3.3L。预计随时间增加,无级变速器的装车率,日本将达到15而美国将达到38这主要集中在中小排量的轿车上,用于大功率传递时仍有一些问题需要解决。另外,美国一些高校的研究机构以及装备液力自动变速器量最大的通用汽车公司也正在加紧CVT的研制和试装车。由此可看出国外汽车企业对CVT的态度已由举棋不定转向了加速发展[3]。
1.2.2国内研究现状
我国从60年代起,就在“红旗”770轿车上使用了具有2个前进档的液力自动变速器,1975年又研制出具有3个前进档的CA774液力自动变速器。80年代初,老“红旗”轿车因油耗高而停止生产。油耗高的原因除液力自动变速器效率问题外,更主要的要归因于其高达5.6L排量的发动机。
此外,除在部分军用车辆上使用了液力自动变速器外,国内汽车行业几乎与自动变速器无缘。甚至有人认为,中国在2000年以前不需要自动变速器。
随着中国的改革开放,大量国外轿车进入我国市场,其中许多中高档轿车是带有自动变速器的,而其类别几乎全部是液力自动变速器。这也使一大批汽车修理企业对液力自动变速器的维修变得十分熟悉。
由于对自动变速器良好性能的逐渐认识,用户的需求量越来越大,使国内汽车企业加快了自动变速器的发展步伐。1998年,一汽大众公司生产的“捷达王”已将自动变速器列为选装件。神龙汽车公司也在其“富康”1.6L的车型上推出了电控式液力自动变速器。上海通用汽车公司在所生产的别克“世纪”轿车上装备了目前最为先进的一种液力自动变速器4T65E型四档电控自动变速驱动桥。而广州本田“雅阁”轿车,自动变速器几乎是标准配置。因此,在国产车上选装液力自动变速器已成为必然之势。
从研究与生产环节来看,CA770液力自动变速器生产过近2000台,加之工程机械、军用车辆采用动力换档的行星齿轮变速器已有很多年的历史,近几年,国内也为大功率车辆研制成功电控自动变速器,因此可以说,在液力自动变速器的研究、生产以及修理方面均有一定的基矗但目前国产轿车所装用的液力自动变速器全部都依靠进口。不过通用汽车公司在上海的合资企业已开始试生产4T65E型四档电控自动变速驱动桥。当然,完全国产化还有一段路要走。
在电子控制机械式自动变速器方面,国内有关部门也正在进行研究，目前已生产出样机。
至于机械式无级变速器,早在十年前,国内就有高校购买过国外样机作分析研究,但苦于经费问题,无法深入进行。近一两年一些高校才又开始重新起步。根据国外目前CVT应用的趋势和所做的预测,CVT可能是小功率(发动机排量2L以下)液力自动变速器最有威胁的挑战者,国内市场前景不容忽视。但要想完全依靠国内自己的力量做成实用的CVT,既不现实,时间上也不允许。走技术引进的道路是一条捷径。
按照我国汽车工业产业政策的规划,到2010年我国轿车产量将达400万辆,不过这个目标可能过于乐观。届时年产200万辆轿车是完全有可能的,而由于大量非职业驾驶人员的出现和对汽车性能要求的提高,装备自动变速器的至少占10再加上部分大客车也采用自动变速器,对自动变速器的需求量将在20万台以上,这对于我国的汽车工业而言,将是一个极好的机遇,同时也是一场新的挑战[4]。
1.3汽车变速器设计的目的和意义
21世纪，汽车工业成为中国经济发展的支柱产业之一，汽车企业对各系统部件的设计需求旺盛。其实，汽车与人一样，也有着整套健康系统的有机结合体。发动机是心脏，车轮、底盘与悬挂是躯干和四肢，然而链接他们的，是类似于人体经脉的变速器系统。如果汽车丧失了变速器这个中心环节，心脏、四肢、与躯干再好，汽车也只能如同植物人般成为废铁一堆！可以说，变速器是伴随着汽车工业出现的必然产物，是汽车上的必需品。在完成了最基本的传动功能之外，我们对变速器的要求也越来越高，这是变速箱演变过程的首要催产素。由此可见，对汽车的变速器进行研究具有十分重要的意义。
变速器是汽车的重要部件之一，主要实现汽车在行进过程中变速及倒车功能。通过改变传动比，改变发动机曲轴的转拒，适应在起步、加速、行驶以及克服各种道路阻碍等不同行驶条件下对驱动车轮牵引力及车速不同要求的需要。变速器的好坏还体现在挡位区间是否清晰、换挡是否平顺。道理很简单，一个挡位模糊、换挡艰涩的变速器是不会为汽车带来流畅的动力分配也不会为驾驶者带来惬意的驾驶乐趣的。因此变速器的设计对汽车性能至关重要。变速器组成零件较多，零件之间的装配关系相当复杂。对于车辆工程专业的学生，通过本设计可以充分复习所学知识，并能提高计算机及软件使用水平，为以后的工作打下坚实基础[5]。
汽车变速器用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，目的是在原地起步、爬坡、转弯、加速等各种行驶工况下，使汽车获得不同的牵引力和速度，同时是发动机在最有利的工况范围内工作。通过对福克斯2.0轿车变速器的设计，让我充分了解变速器的构造和设计过程，锻炼我的动手能力、独立思考能力和绘图能力。
1.4汽车变速器的设计方法和研究内容
在本次设计中，由于是对传统的变速器进行改进型设计，在设计中参考其他福克斯轿车的变速器，采用了锁环式同步器的换挡方式。
在设计中，我除了对汽车变速器的结构进行了合理的布置外，还运用了材料力学、机械原理、机械设计等知识，对变速器的重要零件轴和齿轮进行受力分析，强度、刚度的校核，以及为这些零件选择合理的工程材料和热处理方法，同时也为变速器选择合理的同步器和操纵机构[6]。
在设计的初期，我上网寻找变速器的相关资料，尤其是变速器的各部件的功用；在设计的第二阶段，通过参考其他车型的的变速器，对变速器进行整体结构布置，校核轴和齿轮的强度、刚度，选择材料；在第三阶段的主要任务是绘制变速器的装配图和重要的零件图，确定个零件的精度等级及其它参数；最后，是对整体的编写整理整个设计过程中的各种资料，以及对前期设计中的错误做出修改。
本次设计主要是依据参考福克斯轿车的参数，通过对变速器各部分参数的选择和计算，设计出一种基本符合要求的手动5挡变速器。本文主要完成下面一些主要工作：
（1）参数计算。包括变速器传动比计算、中心距计算、齿轮参数计算、各档齿轮齿数的分配；
（2）变速器齿轮设计计算。变速器齿轮尺寸计算；变速器齿轮的强度计算及校核；计算各轴的尺寸计算及校核；齿轮强度计算及检验；
（3）变速器轴设计计算。包括各轴直径及长度计算、轴的结构设计、轴的强度计算；
（4）变速器轴承的选择及校核；
（5）同步器的设计选用和参数选择；
（6）变速器操纵机构的设计选用；
（7）变速器箱体的结构设计。
第2章变速器主要参数的选择
2.1变速器档数及各档传动比
2.1.1变速器档数的确定
对不同类型的汽车，具有不同的传动系档位数，其原因在于它们的使用条件不同、对整车性能要求不同、汽车本身的比功率不同。而传动系的档位数的多少对汽车动力性、经济性影响很大。档数多，可以使发动机经常在最大功率附近的转速工作，而且发动机转速变化范围小，发动机平均功率高，故可提高汽车的动力性。即提高汽车的加速能力和爬坡能力。档数多也增加了发动机在低油耗区工作的可能性，因而提高了汽车的燃料经济性。档数多少还影响相邻的低档与高档间传动比的比值。档数多，则此比值小，换档容易。相邻的低档与高档间传动比的比值不应大于1.8，而且高档区相邻档位之间的传动比比值要比低档区相邻档位之间的比值校档数多的缺点是使变速器的结构复杂、质量增大、操纵不轻便等[7]。
近年来，为了降低油耗，变速器的档数有增加的趋势。目前，乘用车一般用4～6个档位的变速器。发动机排量大的乘用车变速器多用5个档。商用车变速器采用4～5个档或多档。总质量3.5t以下的货车多采用四档变速器，总质量3.5～10.0t的货车多采用五档变速器。本次设计采用5档变速器。
2.1.2主要技术参数
排量2.0L
车重1360Kg(空载)满载1360 65×4=1620Kg
发动机最大功率104/5500KW/rpm
发动机最大转矩180/4000N.m/rpm
轮胎规格195/65R15
长宽高4342×1840×1500mm
技术要求
1、变速器装配时，应严格按照工艺的要求，顺序组装；
2、装配油封时，必须垂直压入，注意装配方向，并在油封刃口处涂少许润滑脂，以防损坏油封刃口；
3、装配前、后轴承盖、顶盖、惰轮盖板时垫片两面需涂密封胶；
4、装第一轴轴承盖总成前，应先在第一轴花键处涂以润滑脂，再装第一轴轴承盖总成，装配时要一面
插入一面旋转，以防损坏油封刃口；
5、所有通孔螺纹必须在螺栓上涂密封胶后再将螺栓拧入；
6、装变速器上盖叉轴堵盖时，堵盖周围应涂密封胶；
7、装配油封和密封圈时，需涂少许锂基润滑脂；
8、装配轴承和滚针时，需涂少许齿轮油；
9、滚动轴承调整游隙为0.05～0.1mm；
10、变速器装配前，操纵机构和同步器应在各自的专用试验台上进行试验，以保证强度、寿命等要求；
11、变速器装配后，在专用实验台上进行有负荷和无负荷模拟实验，以确保换档准确，无抖动、无异响和密封良好等；
12、变速器外表面涂油漆防锈。
