轿车机械式变速器设计毕设论文.docx
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轿车机械式变速器设计毕设论文
摘要
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,同时使发动机在最有利工况范
围内工作。
变速器设有空挡和倒挡。
需要时变速器还有动力输出功能。
因为变速箱在低档工作时作用有较大的力,所以一般变速箱的低档都布置靠近轴的后
支承处,然后按照从低档到高档顺序布置各档位齿轮。
这样做既能使轴有足够大的刚性,
又能保证装配容易。
变速箱整体结构刚性与轴和壳体的结构有关系。
一般通过控制轴的长
度即控制档数,来保证变速箱有足够的刚性。
本文设计研究了三轴式五挡手动变速器,对变速器的工作原理做了阐述,变速器的各
挡齿轮和轴做了详细的设计计算,并进行了强度校核,对一些标准件进行了选型。
变速器
的传动方案设计。
简单讲述了变速器中各部件材料的选择。
关键字:
挡数;传动比;齿数;轴
Ⅰ
Abstract
Transmissiontochangetheenginereachedonthedrivingwheeltorqueandspeed,isaimedatmarkingstart,climbing,turning,acceleratevariousdrivingconditions,thecarwasdifferenttractionandspeedMeanwhileengineinthemostfavorableworkingconditionswithinthescopeofthework.Andthetransmissioninneutralgearwithreversegear.Transmissionalsoneedpoweroutputfunction.
Gearboxbecauseofthelow-gradeworkatalargerrole,Ingeneral,thelow-gradegearboxlayoutareclosetotheaxisaftersupport,Followingfromlow-gradetohigh-gradeorderofthelayoutofstallsgear.Thiswillnotonlyallowaxisarelargeenoughforarigid,butalsoensureseasyassembly.Gearboxoverallstructureandrigidaxleandtheshellstructureofrelations.Generallythroughthecontrolshaftlengthcontroloverseveralstallstoensurethatadequategearboxrigid.
Thispaperdescribesthedesignofthree-axisfiveblockmanualtransmission,thetransmissionprincipleofworkelaborated,Transmissionofthegearshaftanddoadetaileddesign,andtheintensityofaschool.Forsomestandardpartsfortheselection.TransmissionTransmissionprogramdesign.Abriefdescriptionofthetransmissionofallcomponentsofthematerialchoice.
Keywords:
block;Transmissionratio;Teeth;Axis
Ⅱ
前言1
1总体方案设计3
1.1汽车参数的选择3
1.2变速器设计应满足的基本要求3
2变速器传动机构布置方案4
2.1传动机构布置方案分析4
2.1.1固定轴式变速器4
2.1.2倒挡布置方案5
2.1.3其他问题7
3零部件结构方案分析8
3.1齿轮形式8
3.2换挡机构形式8
3.3变速器轴承10
4变速器设计和计算11
4.1挡数11
4.2传动比范围11
4.3中心距A11
4.4外形尺寸12
4.5轴的直径12
4.6齿轮参数12
4.6.1
模数的选取...................................................................................................
12
4.6.2
压力角........................................................................................................
13
4.6.3
螺旋角........................................................................................................
13
4.6.4
齿宽b............................................................................................................
14
4.6.5
变位系数的选择原则...................................................................................
15
4.7
各挡齿轮齿数的分配......................................................................................
16
4.7.1
确定一挡齿轮的齿数...................................................................................
16
4.7.2
对中心距进行修正.......................................................................................
17
4.7.3
确定常啮合传动齿轮副的齿数...................................................................
17
4.7.4
确定其他各挡的齿数...................................................................................
17
4.7.5
确定倒挡齿轮齿数.......................................................................................
18
5变速器的校核.....................................................................................................
19
5.1
齿轮的损坏形式..............................................................................................
19
5.2
齿轮强度计算..................................................................................................
19
5.2.1
齿轮弯曲强度计算.......................................................................................
19
5.2.2
轮齿接触应力计算.......................................................................................
21
5.2.3
轴的强度计算...............................................................................................
23
6同步器的选型.....................................................................................................
26
6.1
锁销式同步器..................................................................................................
26
6.1.1
锁销式同步器结构.......................................................................................
26
6.1.2
锁销式同步器工作原理...............................................................................
27
6.2
锁环式同步器..................................................................................................
27
6.2.1锁环式同步器结构27
6.2.2锁环式同步器工作原理28
6.2.3锁环式同步器主要尺寸的确定29
7变速器操纵机构32
7.1直接操纵手动换挡变速器32
7.2远距离操纵手动换挡变速器32
8结论34
致谢35
参考文献36
附录A1译文37
附录A2译文41
附录B1外文文献46
附录B2外文文献51
前言
现代汽车的动力装置,几乎都采用往复活塞式内燃机。
它具有相当多的优点,如体积小,质量轻,工作可靠,使用方便等。
但其性能与汽车的动力性和经济性之间存在着较大的矛盾。
如在坡道上行驶时,所需的牵引力往往是发动机所能提供的牵引力的数倍。
而且一般发动机如果直接与车轮相连,其输出转速换算到对应的汽车车速上,将达到现代汽车极限速度的数倍。
上述发动机牵引力、转速与汽车牵引力、车速要求之间的矛盾,单靠现代汽车内燃机本身是无法解决的。
因此就出现了车用变速箱和主减速器。
它们的共同努力使驱动轮的扭矩增大到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几分之一。
另外,现代汽车的使用条件极为复杂,在不同场合下有不同的要求。
往往要受到如载运量、道路坡度、路面好坏及交通是否通畅等条件的影响。
这就要求汽车的牵引力和车速能在较大范围内变化,以适应使用的要求。
在条件良好的平直路面上要能以高速行驶,而在路面不平和有较大坡度时能提供较大的扭矩。
变速箱的多挡位选择就能满足这些需求。
此外,发动机在不同工况下,燃油的消耗量也是不一样的。
驾驶员可以根据具体情况,选择变速箱的某一挡位,来减少燃油的消耗。
在某些情况下,汽车还需要能倒向行驶。
发动机本身是不可能倒转的,只有靠变速箱的倒挡齿轮来实现。
变速箱是由变速传动机构和操纵机构组成。
根据前进挡数的不同,变速箱有三、四、五和多挡几种。
根据轴的不同类型,分为固定轴式和旋转轴式两大类。
而前者又分为两轴式、中间轴式和多中间轴式变速箱。
现在汽车变速器的发展趋势是向着可调自动变速箱或无级变速器方向发展。
无级变速
机构由两组锥形轮组成,包括一对主动锥形轮(锥形轮组1)和一对被动锥形轮(锥形轮
组2)同时有一根链条运行在两对锥形轮V形沟槽中间,链条的运动如同动力传递单元。
锥形轮组1由发动机的辅助减速机构驱动,发动机的动力通过链条传递给锥形轮组2直至
终端驱动。
在每组锥形轮中有一个锥形轮可以在轴向移动,调整链条在锥形轮的工作直径并传递速比。
两组锥形轮必须保持相同的调整,以保证链条始终处与涨紧状态,使传递扭矩时锥形轮接触充分的压力。
采用无级变速器可以节约燃料,使汽车单位油耗的行驶里程
提高30%。
通过选择最佳传动比,获得最有利的功率输出,它的传动比比传统的变速器轻,
结构更简单而紧凑。
世界各大汽车制造商正竞相开发无级变速器。
专家预计2003
至2005
年间无级变速器将成为世界各大汽车制造商的技术开发重点。
目前一些著名汽车制造商
1
张晓昕:
轿车机械式变速器设计
(如福特、通用、本田、克莱斯勒等)正致力于无级变速器的开发工作。
现在全球CVT
的产量约为50万台,而普通型自动变速器的产量约为2,500万台,双向通讯和线控技术的
应用,无级变速器有无比的优势,预计不久将来中国各大汽车制造商也将生产自己的CVT
无级变速器,并广泛应用于国产轿车。
在此次设计中对变速器作了总体设计,对变速器的传动方案进行了选择,变速器的齿
轮和轴做了详细的设计计算,对同步器和一些标准件做了选型设计。
2
1总体方案设计
1.1汽车参数的选择
根据变速器设计所选择的汽车基本参数如下表
表1-1设计基本参数表
Tablet1-1ablebasicdesignparameters
项目
参数值
发动机:
2.5LV6
挡数:
5
最大功率(kW/n):
1526
最大扭矩(N·m/n):
245/3500
1.2变速器设计应满足的基本要求
对变速器如下基本要求.
1)保证汽车有必要的动力性和经济性。
2)设置空挡,用来切断发动机动力向驱动轮的传输。
3)设置倒档,使汽车能倒退行驶。
4)设置动力输出装置,需要时能进行功率输出。
5)换挡迅速,省力,方便。
6)工作可靠。
汽车行驶过程中,变速器不得有跳挡,乱挡以及换挡冲击等现象发生。
7)变速器应当有高的工作效率。
除此以外,变速器还应当满足轮廓尺寸和质量小,制造成本低,维修方便等要求。
满
足汽车有必要的动力性和经济性指标,这与变速器的档数,传动比范围和各挡传动比有关。
汽车工作的道路条件越复杂,比功率越小,变速器的传动比范围越大。
3
张晓昕:
轿车机械式变速器设计
2变速器传动机构布置方案
机械式变速器因具有结构简单,传动效率高,制造成本低和工作可靠等优点,在不同
形式的汽车上得到广泛应用。
2.1传动机构布置方案分析
2.1.1固定轴式变速器
固定轴式又分为两轴式,中间轴式,双中间轴式变速器。
固定轴式应用广泛,其中两轴式变速器多用于发动机前置前轮驱动的汽车上,中间轴式变速器多用于发动机前置后轮驱动的汽车上。
与中间轴式变速器比较,两轴式变速器有结构简单,轮廓尺寸小,布置方便,中间挡位传动效率高和噪声低等优点。
因两轴式变速器不能设置直接挡,所以在高挡工作时齿轮和轴承均承载,不仅工作噪声增大,且易损坏。
此外,受结构限制,两轴式变速器的一挡速比不可能设计得很大。
所以我选择的是中间轴式的变速器。
图2-1,分别示出了几种中间轴式五挡变速器传动方案。
它们的共同特点是:
变速器第一轴和第二轴的轴线在同一直线上,经啮合套将它们连接得到直接挡。
使用直接挡,变速器的齿轮和轴承及中间轴均不承载,发动机转矩经变速器第一轴和第二轴直接输出,此时变速器的传动效率高,可达90%以上,噪声低,齿轮和轴承的磨损减少。
因为直接挡的利用率高于其它挡位,因而提高了变速器的使用寿命;在其它前进挡位工作时,变速器传递的动力需要经过设置在第一轴,中间轴和第二轴上的两对齿轮传递,因此在变速器中间轴与第二轴之间的距离(中心距)不大的条件下,一挡仍然有较大的传动比;挡位高的齿轮采用常啮合齿轮传动,挡位低的齿轮(一挡)可以采用或不采用常啮合齿轮传动;多数传动方案中除一挡以外的其他挡位的换挡机构,均采用同步器或啮合套换挡,少数结构的
一挡也采用同步器或啮合套换挡,还有各挡同步器或啮合套多数情况下装在第二轴上。
再除直接挡以外的其他挡位工作时,中间轴式变速器的传动效率略有降低,这是它的缺点。
在挡数相同的条件下,各种中间轴式变速器主要在常啮合齿轮对数,换挡方式和到档传动方案上有差别。
图2-1a所示方案,除一,倒挡用直齿滑动齿轮换挡外,其余各挡为常啮合齿轮传动。
图2-1b,c,d所示方案的各前进挡,均用常啮合齿轮传动;图2-1d所示方案中的倒挡和
超速挡安装在位于变速器后部的副箱体内,这样布置除可以提高轴的刚度,减少齿轮磨损
和降低工作噪声外,还可以在不需要超速挡的条件下,很容易形成一个只有四个前进挡的
变速器。
4
图2-1中间轴式五挡变速器传动方案
Figure2-1middlecoaxialfiveblockTransmission
以上各种方案中,凡采用常啮合齿轮传动的挡位,其换挡方式可以用同步器或啮合套
来实现。
同一变速器中,有的挡位用同步器换挡,有的挡位用啮合套换挡,那么一定是挡
位高的用同步器换挡,挡位低的用啮合套换挡。
发动机前置后轮驱动的轿车采用中间轴式变速器,为缩短传动轴长度,可将变速器后
端加长。
伸长后的第二轴有时装在三个支承上,其最后一个支承位于加长的附加壳体上。
如果在附加壳体内,布置倒挡传动齿轮和换挡机构,还能减少变速器主体部分的外形尺寸。
综上所述选择第2种传动方案,前进挡,均用常啮合齿轮传动。
2.1.2倒挡布置方案
与前进挡位比较,倒挡使用率不高,而且都是在停车状态下实现换倒挡,故多数方案
采用直齿滑动齿轮方式换倒挡。
为实现倒挡传动,有些方案利用在中间轴和第二轴上的齿
轮传动路线中,加入一个中间传动齿轮的方案。
前者虽然结构简单,但是中间传动齿轮的
轮齿,是在最不利的正,负交替对称变化的弯曲应力状态下工作,而后者是在较为有利的
单向循环弯曲应力状态下工作,并使倒挡传动比略有增加。
5
张晓昕:
轿车机械式变速器设计
图2-2倒挡布置方案
Figure2-2reversegearlayoutprogram
图2-2为常见的倒挡布置方案。
图2-2b所示方案的优点是换倒挡时利用了中间轴上的一挡齿轮,因而缩短了中间轴的长度。
但换挡时有两对齿轮同时进入啮合,使换挡困难。
图2-2c所示方案能获得较大的倒挡传动比,缺点是换挡程序不合理。
图2-2d所示方案针
对前者的缺点做了修改,因而取代了图2-2c所示方案。
图2-2e所示方案是将中间轴上的
一,倒挡齿轮做成一体,将其齿宽加长。
图2-2f所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合齿
轮,换挡更为轻便。
为了充分利用空间,缩短变速器轴向长度,有的货车倒挡传动采用图
2-2g所示方案。
其缺点是一,倒挡须各用一根变速器拨叉轴,致使变速器上盖中的操纵机
构复杂一些。
综上所述选择第四种倒挡布置方案。
图2-3倒挡轴位置与受力分析
Figure2-3reversegearaxlesandAnalysis
6
因为变速器在一挡和倒挡工作时有较大的力,所以无论是两轴式变速器还是中间轴式
变速器的低档与倒挡,都应当布置在在靠近轴的支承处,以减少轴的变形,保证齿轮重合
度下降不多,然后按照从低挡到高挡顺序布置各挡齿轮,这样做既能使轴有足够大的刚性,
又能保证容易装配。
倒挡的传动比虽然与一挡的传动比接近,但因为使用倒挡的时间非常
短,从这点出发有些方案将一挡布置在靠近轴的支承处,然后再布置倒挡。
此时在倒挡工
作时,齿轮磨损与噪声在短时间内略有增加,与此同时在一挡工作时齿轮的磨损与噪声有
所减少。
除此以外,倒挡的中间齿轮位于变速器的左侧或右侧对倒挡轴的受力状况有影响,见
图2-3所示。
2.1.3其他问题
经常使用的挡位,其齿轮因接触应力过高而造成表面电蚀损坏。
将高挡布置在靠近轴
的支承中部区域较为合理,在该区因轴的变形而引起的齿轮偏转角较小,齿轮保持较好的
啮合状态,偏载减少能提高齿轮寿命。
某些汽车变速器有仅在好路或空车行驶时才使用的超速挡。
使用传动比小于1(为
0.7~0.8)的超速挡,能够充分地利用发动机功率,使汽车行驶1KM所需发动机曲轴的总
转速降低,因而有助于减少发动机磨损和降低燃料消耗。
但是与直接挡比较,使用超速挡
会使传动效率降低,噪声增大。
机械式变速器的传动效率与所选用的传动方案有关,包括传递动力时处于工作状态的
齿轮对数,每分钟转速,传递的功率,润滑系统的有效性,齿轮和壳体等零件的制造精度
等。
7
张晓昕:
轿车机械式变速器设计
3零部件结构方案分析
3.1齿轮形式
与直齿圆柱齿轮比较,斜齿圆柱齿轮有使用寿命长,工作时噪声低等优点;缺点是制
造时稍复杂,工作时有轴向力。
变速器中的常啮合齿轮均采用斜齿圆柱齿轮,尽管这样会
使常啮合齿轮数增加,并导致变速器的转动惯量增大。
直齿圆柱齿轮仅用于低档和倒挡。
我的设计中一挡和倒挡用的是直齿轮,其他挡都是斜齿轮。
3.2换挡机构形式
变速器换挡机构有直齿滑动齿轮,啮合套和同步器换挡三种形式。
汽车行驶时各挡齿轮有不同的角速度,因此用轴向滑动直齿齿轮的方式换挡,会在轮齿端面产生冲击,并伴随有噪声。
这使齿轮端部磨损加剧并过早损坏,同时使驾驶员精神紧张,而换挡产生的噪
声又使乘坐舒适性降低。
只有驾驶员用熟练的操作技术(如两脚离合器),时齿轮换挡时无冲击,才能克服上述缺点。
但是该瞬间驾驶员注意力被分散,会影响行驶安全性。
因此,尽管这种换挡方式结构简单,但除一挡,倒挡外已很少使用。
由于变速器第二轴齿轮与中间轴齿轮处于常啮合状态,所以可用移动啮合套换挡。
这时,因同时承受换挡冲击载荷的接合齿齿数多。
而轮齿又不参与换挡,它们都不会过早损坏,但不能消除换挡冲击,所以仍要求驾驶员有熟练的操作技术。
此外,因增设了啮合套和常啮合齿轮,使变速器旋转部分的总惯性矩增大。
因此,目前这种换挡方法只在某些要求不高的挡位及重型货车变速器上应
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