第三章變速器設計

1、第三章第三章 機械式變速器設計機械式變速器設計 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 變速器傳動機構(gòu)布置方案 第三節(jié) 主要參數(shù)的選擇 第四節(jié) 變速器的設計與計算 第五節(jié) 同步器設計 第六節(jié) 變速器操縱機構(gòu) 第七節(jié) 變速器結(jié)構(gòu)元件第三章 機械式變速器設計 第一節(jié) 概述一、變速器應滿足的基本要求 1、保證汽車有必要的動力性，經(jīng)濟性。 2、設置空檔，用來切斷動力。 3、設置倒檔。 4、設置動力輸出裝置。 5、換檔迅速、省力、方便。 6、工作可靠，無跳檔，亂檔，換檔沖擊現(xiàn)象。 7、高。 8、工作噪聲低。 9、尺寸小，質(zhì)量小，成本低，維修方便。 二、組成 1、傳動機構(gòu) 2、操縱機構(gòu) 三、發(fā)展趨勢 1、加強設計工作的系列

2、化，通用化。如在4檔變速器基礎(chǔ)上，附加一個副箱體，使檔數(shù)變成5檔。 2、操縱機構(gòu)從手動向半自動、自動、電子操縱方向發(fā)展。 第二節(jié) 變速傳動機構(gòu)布置方案 一、傳動機構(gòu)分類分類依據(jù) 分 類 備 注 三 檔 少 用 四 檔 五 檔 檔 數(shù) 多 檔 兩軸式 用于前置前驅(qū)動 中間軸式 用于前置后驅(qū)動 雙中間軸式 用于重型汽車 固定軸式 多中間軸式 用于重型汽車 軸的形式 旋轉(zhuǎn)軸式 液力機械變速器 二、兩軸式與中間軸式變速器 形式 特點 兩軸式 中間軸式 備 注 軸數(shù) 2 3 第一軸與輸出軸 平 行 同一直線上 輸出軸末端 主減速器齒輪 1 2 萬向節(jié) 動力傳遞經(jīng)過 一對齒輪 兩對齒輪 結(jié)構(gòu)方面 直接檔

3、沒 有* 有 結(jié) 構(gòu) 簡 單 復 雜 噪 聲 低 高 中間檔傳動效率 高 低 傳動比范圍 小(3.04.5) 大(78) 1 橫置用圓柱齒輪 2 縱置用圓錐齒輪， 雙曲面齒輪 直接檔除外 沒有直接檔， 在高檔工作的齒輪、軸承承載 三、檔數(shù) 檔數(shù) 特點 多 少 備 注 發(fā)動機功率利用率 燃油經(jīng)濟性 平均車速aV 生產(chǎn)率 運輸成本 結(jié) 構(gòu) 復雜 簡單 軸向尺寸 質(zhì) 量 成 本 操縱機構(gòu) 復雜 簡單 變速操作 困難 容易 換檔頻率 檔數(shù)的選擇要求相鄰檔位之間的傳動比比值在1.8以下，且高檔區(qū)的要比低檔區(qū)的小，以利換檔工作容易進行。 檔數(shù) 車型 檔數(shù) 速比范圍 高級 5 轎車 其余 45 1(3.04

4、.0) 23.5 t 45 貨 車 裝載量 48.0 t 6 1(5.06.0) 四、主要區(qū)別點 1、檔數(shù)相同條件下主要區(qū)別有四點： 1）、常嚙合齒輪對數(shù)不一樣，高檔用，低檔可用可不用。 2）、換檔方式不一樣。 3）、倒檔傳動方案不一樣。 4）、檔位布置位置順序不一樣。 方案 區(qū)別 a b c 常嚙合齒輪對數(shù) 4 4 3 換檔方式 4同步器 3同步器， 1滑動齒輪 倒 檔 滑動齒輪 雙聯(lián)滑動齒輪 檔位布置位置順序 4、3、2、1、倒 4、 3、 2、 倒、1 4、3、2、1（倒） 2、換檔方式 采用常嚙合齒輪傳動的檔位，可以用同步器或嚙合套換檔，或者對同一變速器，兩種方式都用，此時，檔位高的用

5、同步器換檔，檔位低的用嚙合套。 3、倒檔 1）使用特點： （1） 次數(shù)少 （2） 時間短 （3） 停車換倒檔 2）常見換倒檔方式： （1） 直齒滑動齒輪用得多 （2） 同步器用的少 3) 倒檔 傳動方案 舉例 特點 中間傳動齒輪 聯(lián)體齒輪 結(jié) 構(gòu) 簡 單 復 雜 倒檔齒輪受力 正負交變應力 單向應力 傳動比 小 大 換 檔 困 難 4）倒檔軸位置與受力分析 倒檔齒輪（軸）位于變速器左側(cè)受力如a)圖所示。 倒檔齒輪（軸）位于變速器右側(cè)受力如b)圖所示。 經(jīng)比較可知：a)圖所示方案倒檔軸受力較大，所以用的相對少些。5）、檔位布置位置的順序 應當考慮下列因素：（1）高檔用的多，輪齒會因接觸應力高而出

6、現(xiàn)表面點蝕損壞。所以，應該將高檔布置在齒輪偏轉(zhuǎn)角較小處，以保證有較好的嚙合狀態(tài)。偏轉(zhuǎn)角較小處應該在軸支承的中部。（2）低檔速比大，齒輪上的作用力大，為使軸的變形小些，應當將低檔布置在后支承處。五、零、部件結(jié)構(gòu)方案設計 1、齒輪形式 形式 特點 斜 齒 直 齒 備 注 軸向力 有 沒有 影響軸承壽命 接觸應力 低 高 齒輪壽命 長 短 重合度 大 小 工作噪聲 小 大 應 用 二檔以上各檔 低檔、倒檔 2、換檔機構(gòu)形式形式 特點 直齒滑動齒輪 嚙合套換檔 同步器換檔 換檔沖擊 有 沒有 換檔噪聲 有 沒有 齒輪 （嚙合套） 壽命 短 長 換檔時間 長 短 加速性（汽車） 結(jié) 構(gòu) 簡單 復雜 最復

7、雜 對換檔技術(shù)要求 高（熟練） 低 軸向尺寸 短 居中 長 3、軸承 1）變速器軸承的工作特點 （1）因為變速器結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，使用中載荷是變化的，而且變化范圍大，工作時間長，所以要求選用的軸承既要直徑尺寸小，又要能承受比較高的負荷，而且容量足夠大。 （2）承受徑向力，有些部位還有軸向力作用。 （3）軸承直徑受中心距影響，對殼體后壁處，兩軸承孔之間剩余壁厚尺寸不小于620mm。 2）變速器常用軸承形式 例：中間軸式變速器 形式 采用的部位 承載特點 備 注 第二軸前支承 徑向力 第一軸內(nèi)腔尺寸夠大 圓柱滾子軸承 中間軸前或后支承 徑向力 第一軸后支承 徑+軸 外圈有擋圈 第一軸前支承 徑 第

8、二軸后支承 徑+軸 球軸承 中間軸支承 徑+軸 形式 采用的部位 承載特點 備 注 圓錐滾子軸承 中間軸支承 徑+軸 第一軸前端支承 徑 第二軸前端支承 徑 倒檔軸與齒輪之間 徑 滾針軸承及 滑動軸套 齒輪內(nèi)孔與軸之間 第三節(jié) 主要參數(shù)的選擇 一、中心距A A指第二軸與中間軸之間的距離而言。 1、影響取值的因素 A 影響因素 要求A 備 注 變速器外形尺寸 小 變速器體積 小 變速器質(zhì)量 小 輪齒接觸應力 大* 齒輪壽命 大* *Amin值應由充分能保證此三項來決定 布置軸承的可能性 大* 一檔主動齒輪齒數(shù) 大 2、初步計算A A= mm g96% 31gemxAiTK 參數(shù) 車型 中心距系數(shù)

9、KA A的范圍 mm 轎 車 8.99.3 6580 貨 車 8.69.6 80170 多檔變速器 9.511.0 二、外形尺寸 1、橫向尺寸 影響橫向尺寸的因素有： 1）齒輪直徑 2）倒檔齒輪直徑 3）殼體壁厚及其與齒輪之間的間隙 4）換檔機構(gòu)尺寸 2、軸向尺寸（殼體） 參數(shù) 車型 檔數(shù) 軸向尺寸 備 注 轎 車 4 (3.03.4)A 常嚙合齒輪對數(shù)多； 4 (2.22.7)A 5 (2.73.0)A 貨 車 6 (3.23.5)A 同步器用的多系數(shù)應取上限，A應取整數(shù)，便于檢測 三、軸的直徑 1、工作特點 傳遞轉(zhuǎn)矩，承受軸向力、徑向力、結(jié)果軸會彎曲變形，破壞齒輪正確嚙合，導致磨損，噪聲，

10、壽命。 要求： 軸有足夠的剛度和強度。 2、初步確定軸向直徑如中間軸式變速器，各軸直徑可按下表提供的數(shù)據(jù)初定。 參數(shù) 軸 中部直徑d dmax/L 第一軸花鍵d 備注 第二軸 0.180.21 中間軸 0.45A 0.160.18 第一軸 3emxTK K=4.04.6 四、齒輪參數(shù) 1、模數(shù) 1）影響選取m(mn)的因素 m 影響因素 要 求 備 注 制造工藝 全部相同 設計強度 各檔不同 減少噪聲 減少m(mn) 同時增加b 減少質(zhì)量 增加m(mn) 同時減少b 2）選取m(mn)應遵守的原則 （1）轎車減少噪聲有較大意義，應選用小m(mn) （2）貨車減少質(zhì)量有較大意義，應選用大m(mn

11、) （3）低檔齒輪選用大m(mn),高檔選用小些的m(mn) （4） 符合國標GB135787的規(guī)定 3）范圍 車型 模 數(shù) 嚙合套m 備 注 微型、普通級 2.252.75 轎車 中級轎車 2.753.00 中 型 3.54.5 2.03.0 貨車 重 型 4.56.0 3.55.0 2、壓力角 1）影響選取的因素 影響因素 要求 備 注 齒輪嚙合重合度 小 傳動平穩(wěn)性 小 工作噪聲 小 輪齒抗彎強度 大 輪齒表面接觸強度 大 2）選取應遵守的原則 （1）轎車要加大重合度，降低噪聲，應選用小些 （2）貨車增大齒輪承載能力更重要，應選用大些 （3）符合國家標準 3）實際應用的 國家規(guī)定齒輪=2

12、00 接合齒=300 3、螺旋角 1）影響選取的因素 影響因素 要求 備 注 齒輪嚙合重合度 大 傳動平穩(wěn)性 大 工作噪聲 大 軸向力 小 輪齒強度 大 2）選取應遵守的原則 （1）轎車變速器齒輪的貨車齒輪； （2）300時，抗彎強度，低檔齒輪不宜選用大些的； （3）300時，接觸強度持續(xù)，高檔齒輪不宜選用大些的； （4）中間軸上有兩齒輪同時工作，應力求使它們產(chǎn)生的軸向力抵消，以減輕軸承負荷。如圖 上式為中間軸上，兩斜齒齒輪軸向力平衡應滿足的條件 111tgFFna222tgFFna22n11nrFrFT2121rrtgtg 3）選用范圍車型 范圍 備 注 兩軸式 200250 轎車 中間軸式

13、 220340 貨 車 180260 4、齒寬b 1）影響b的選取因素 b 影響因素 要求 b 備 注 變速器的軸向尺寸 窄 變速器的質(zhì)量 窄 斜齒輪工作平穩(wěn)性 寬 減小工作應力 寬 btyKKFfw1 輪齒磨損均勻性 窄 因軸變形， 齒傾斜后產(chǎn)生受力不均勻， 導致磨損不均勻 影響斜齒輪工作平穩(wěn)性的因素有： 1、齒輪寬度，越寬，平穩(wěn)性 2、螺旋角，平穩(wěn)性 3、壓力角，小，平穩(wěn)性 =200,主要影響因素是1和2。用的方法來彌補b減小的不足，雖然可行，但軸向力，軸承壽命 2）b的取值范圍 b 齒輪形式 b 齒寬系數(shù)Kc 直 齒 Kcm 4.68.0 齒輪 斜 齒 kcmn 6.08.5 接合齒 (

14、24)m 5、齒輪變位系數(shù)的選取原則 1）齒輪變位的目的： （1）消除齒輪根切，提高抗彎強度 （2）配湊中心距A 要求中間軸、第二軸上各對齒輪的A必須相同，若mn相同，則各對齒輪的齒數(shù)和也相同。常常因為滿足傳動比的需要，引發(fā)各對齒輪的齒數(shù)和不相同，所以要進行齒輪變位保證A相同。（3）改善齒輪強度，使用平穩(wěn)性、耐磨損、抗膠合能力及嚙合噪聲等。 2）齒輪變位的系數(shù) 變位 特點 高度變位 角度變位 特 點 c=1+2=0 小齒輪的齒根強度，使之與大齒輪強度相近 c=1+20 同時相嚙合齒輪的強度，噪聲 3）選取變位系數(shù)應遵守的原則 （1）對Zh=(Z1+Z2)多的齒輪副，若采用標準齒輪傳動或高度變位

15、時，則對Zh少的齒輪副應該采用正角度變位。這是 角度變位能獲得良好的嚙合特性，及傳動質(zhì)量指標。 （2）對高檔齒輪，應使之c盡可能取大些，以保證j高（c，則z，b）；為了減小噪聲，又要求高檔齒輪選c盡可能大些。 （3）對低檔齒輪，應從保證大、小輪齒危險斷面齒厚相等條件來選1和2，其中小齒輪的0。 （4）齒數(shù)少，有根切時應選取正變位修正。 4）實際應用結(jié)果 （1）倒檔、低檔（一、二檔）以外各檔的c，均選用較小值，以利獲得低噪聲傳動。 如 ： 最 高 檔 及 一 軸 齒 輪 副 的 c 約 在 -0.2 0.2 （2）檔位愈低，c也應該逐漸加大，以獲得高強度。 如：一檔齒輪的c可在1.0以上。 五、

16、各檔齒輪齒數(shù)的分配 1、確定一檔齒輪的齒數(shù) 已知：ig、A、m(mn)、 i1= （1） 首先計算Zh=Z7+Z8 取整數(shù) 其次分配Z7、Z8。8172ZZZZ斜齒直齒nhhmAZmAZcos22 考慮到Z8取少，則比值較大，在i1已定的條件下，就小，于是Z1可多取些齒，便于在Z1內(nèi)裝第二軸的前支承，并使齒輻有足夠的厚度。 要求Z1的外徑低檔區(qū)4) 油中工作，使f5)要求換檔時間盡可能短 綜上所述，得到如下結(jié)論：a. 同步器工作條件繁重，要求摩擦元件耐磨，有足夠的壽命b. 為得到較大的摩擦力矩，結(jié)合（4）、（5）可知又要求摩擦元件 有較大的摩擦因數(shù)f2 2）影響）影響f f的因素的因素 材料；

17、 工作表面粗糙度； 潤滑油種類； 工作溫度。1) 設計在齒輪上的錐面材料與齒輪材料相同，要求該錐面上的表面粗糙度要高，保證使用中f變化小，并防止損壞同步環(huán)錐面。2) 同步環(huán)材料有黃銅合金鋼，如錳黃銅、鋁黃銅、錫黃銅 鋼環(huán)基體同步環(huán)錐面上球墨鑄鐵同步環(huán)錐面上鋼質(zhì)同步環(huán)錐面上12. 007. 05 . 03 . 05 . 03 . 0厚厚厚設計時取f=0.1 v材料：材料：在 噴鉬 2 2、同步環(huán)主要尺寸的確定、同步環(huán)主要尺寸的確定1）同步環(huán)錐面上的螺紋槽同步環(huán)錐面上的螺紋槽 同步環(huán)錐面上設計有用來破壞油膜的細牙螺紋槽和與螺紋槽垂直的泄油槽，目的是增大f 保證換檔省力，或縮短換檔時間。 如圖螺紋槽

18、有四個尺寸，其中主要尺寸是螺距和槽的寬度。 設計時如果取較小的螺距和較寬的槽，結(jié)果如下： 1 螺線的頂部尺寸（圖中尺寸0.600.75或0.450.70）?。ㄕ┕斡托Ч霉蜗聛淼挠痛嬗诓蹆?nèi)f 2 接 觸 面 面 積 減 小 壓 強 磨 損 速 度f換檔費力 圖a)尺寸適用于輕、中型汽車， 圖b)尺寸適用于重型汽車 軸向泄油槽數(shù)612個 槽寬34mm2）錐面半錐角錐面半錐角（1） 影響影響的選取因素有：的選取因素有： 1 摩擦力矩； 越小，摩擦力矩越大 2 摩擦錐面自鎖； 越小，摩擦錐面容易自鎖，要求tgf（2） 的取值范圍的取值范圍 =6080，最好取7080 3）摩擦錐面平均半徑摩擦錐面平

19、均半徑R R （1） 影響的影響的R R選取因素有：選取因素有： 1 摩擦力矩Mn ，R越大，Mn越大，故R宜取大些。 2 結(jié)構(gòu)限制，R不宜取大。 （2） 選取選取R的原則：的原則： 在結(jié)構(gòu)允許的條件下，R盡可能取大些。 4）錐面工作長度）錐面工作長度b （1）影響）影響b的選取因素有：的選取因素有： 1） b值取小，變速器軸向長度縮短，質(zhì)量 2） b值取小，工作面積，單位壓力，磨損。 （2）計算確定計算確定b b Mm摩擦力矩 P摩擦面的許用壓力，p1.01.5Mpa 式中沒有考慮螺紋槽的影響。2mpfR2Mb分析：分析： 1）p、f設計中變化不大，Mm是要求值不可以增加或減少 2）b1/R

20、2 ，R，則b5 5）同步環(huán)厚度）同步環(huán)厚度（1） 影響同步環(huán)徑向厚度的因素影響同步環(huán)徑向厚度的因素 I 結(jié)構(gòu)布置限制：A、R等 II 同步環(huán)的強度要求足夠大（2）同步環(huán)材料同步環(huán)材料 I 錳黃銅，鍛造可材料屈服強度，疲勞壽命， 適用于轎車 II 鋁黃銅，鑄造 III鋼質(zhì)或球墨鑄鐵同步環(huán)錐面上噴鍍鉬， 耐磨性強度，壽命是銅環(huán)的23倍。3 3、鎖止角、鎖止角(1) 影響鎖止角的選取因素 I f II R III 鎖止面平均半徑r IV 錐面半錐角(2) 的取值范圍 2604204 同步時間同步時間t t 1) 要求同部時間越短越好2)影響t的因素 (1) 同步器結(jié)構(gòu)尺寸 (2)轉(zhuǎn)動慣量 (3)變

21、速器輸入軸、輸出 軸角速度差 (4)作用到摩擦錐面上的 軸向力大小3) t的取值范圍 如右圖車 型檔位t (s)轎 車高檔區(qū)低檔區(qū)0.150.300.500.80貨 車高檔區(qū)低檔區(qū)0.300.801.001.50五、同步器的計算五、同步器的計算 1 計算內(nèi)容 1） 確定摩擦錐面角度 2） 確定鎖止面角度 3） 計算Mm 4） 計算t 2 計算摩擦力矩Mm 1） 假設 （1）空檔瞬間因潤滑油阻力影響齒輪轉(zhuǎn)速的降低忽略不計。 （2）汽車行駛在阻力不大的道路上，換檔時間極短，認為 該瞬間汽車速度不變，即變速器輸出端轉(zhuǎn)速不變， 不變。 2）力學模型）力學模型v 需要的摩擦力矩Mm（Mm1）按換檔時通過

22、摩擦錐面上的摩擦作用，使兩連接元件角速度 達到相同，此時所需要的摩擦力矩Mm用下式計算： tJtJMabrrm)(1)ii(t1Jke1ker)i1i1(tJk1kerJr離合器從動盤、第一軸和與第二軸 常嚙合齒輪連接在一起轉(zhuǎn)動的齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量；e發(fā)動機的角速度；a在第k檔工作時變速器輸出軸角速度；b第k+1檔的輸出軸上齒輪角速度；ik、ik+1變速器第k和k+1檔的傳動比。 （2） 結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)的摩擦力矩結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)的摩擦力矩Mm（Mm2）設設I. 作用在變速桿手柄上的法向力為Fs II. 手柄到嚙合套的傳動比為igs 作用到摩擦錐面上的軸向力F： F=Fsigs 效率 其中F/ sin 為正

23、壓力。 同步時的摩擦力矩方程式為（Mm1=Mm2）： sinFfRMm 其中，轎車、大客車法向力為60N; 貨車法向力為100N)i1i1(tJsinFfRk1ker)i1i1(FfRsinJtk1ker3、同步器滿足鎖止條件、同步器滿足鎖止條件 防止連接元件在角速度相等前換入檔位，必須滿足： F1F2 (8) F1由摩擦力矩Mm產(chǎn)生的，用來防止過早換檔的力。I. F2力的產(chǎn)生過程說明如下：力的產(chǎn)生過程說明如下： 來自手柄的法向力Fs經(jīng)傳動桿系作用到嚙合齒套凹槽經(jīng)彈性元件帶動套環(huán)軸向移動錐面接觸套環(huán)相對嚙合齒套轉(zhuǎn)動鎖銷進入鎖止位置，則力F作用到摩擦面上的同時，也作用到鎖銷與套環(huán)之間的斜面處。

24、F力在所銷斜面處產(chǎn)生的分力F2: (9) FtgF2II. F1力的產(chǎn)生過程如下力的產(chǎn)生過程如下 F力作用到摩擦錐面上，產(chǎn)生正壓力 F/ sin 摩擦力Ff/sin Mm=FfR/sin也作用在套環(huán)上，即作用到套環(huán)與鎖銷 接觸的斜 面上，斜面到軸中心的平均距離為r，則該處 產(chǎn)生的圓周力F1： （10） sin1rFfRF FtgsinrFfRsinrfRtg 結(jié)論：結(jié)論： f=0.1，R、r是結(jié)構(gòu)尺寸，要使同步器能很好的 工作必須正確選取、使之滿足（11）式條件。 ( 11 ) 同步器鎖止的條件是：將（9）和（10）代入（8）：第六節(jié)第六節(jié) 變速器操縱機構(gòu)變速器操縱機構(gòu) 一 操縱機構(gòu)應滿足的主要要求 1 換檔只能掛入一個檔位 2 換檔后保證齒輪在全齒長上嚙合 3 防止自動脫檔，自動掛檔 4 防止誤掛倒檔 5 換檔輕便 二、操縱機構(gòu)分類二、操縱機構(gòu)分類1 直接操縱手動換檔變速器 變速桿直接安裝在變速器上，依靠駕駛員手力，通過變