43汽車變速器設(shè)計(jì)理論與方法

1、4.3 汽車變速箱設(shè)計(jì)理論與方法 現(xiàn)代汽車的動力裝置，幾乎都采用往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)。它具有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，如體積小，質(zhì)量輕，工作可靠，使用方便等。但其性能與汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性之間存在著較大的矛盾。如在坡道上行駛時(shí)，所需的牽引力往往是發(fā)動機(jī)所能提供的牽引力的數(shù)倍。而且一般發(fā)動機(jī)如果直接與車輪相連，其輸出轉(zhuǎn)速換算到對應(yīng)的汽車車速上，將達(dá)到現(xiàn)代汽車極限速度的數(shù)倍。上述發(fā)動機(jī)牽引力、轉(zhuǎn)速與汽車牽引力、車速要求之間的矛盾，單靠現(xiàn)代汽車內(nèi)燃機(jī)本身是無法解決的。因此就出現(xiàn)了車用變速箱和主減速器。它們的共同努力使驅(qū)動輪的扭矩增大到發(fā)動機(jī)扭矩的若干倍，同時(shí)又可使其轉(zhuǎn)速減小到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的幾分之一。 另外外，現(xiàn)代代汽

2、車的的使用條條件極為為復(fù)雜，在不同同場合下下有不同同的要求求。往往往要受到到如載運(yùn)運(yùn)量、道道路坡度度、路面面好壞及及交通是是否通暢暢等條件件的影響響。這就就要求汽汽車的牽牽引力和和車速能能在較大大范圍內(nèi)內(nèi)變化，以適應(yīng)應(yīng)使用的的要求。在條件件良好的的平直路路面上要要能以高高速行駛駛，而在在路面不不平和有有較大坡坡度時(shí)能能提供較較大的扭扭矩。變變速箱的的多檔位位選擇就就能滿足足這些需需求。此此外，發(fā)發(fā)動機(jī)在在不同工工況下，燃油的的消耗量量也是不不一樣的的。駕駛駛員可以以根據(jù)具具體情況況，選擇擇變速箱箱的某一一檔位，來減少少燃油的的消耗。在某些些情況下下，汽車車還需要要能倒向向行駛。發(fā)動機(jī)機(jī)本身是是

3、不可能能倒轉(zhuǎn)的的，只有有靠變速速箱的倒倒檔齒輪輪來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)。在車車輛中途途暫停行行駛或 變速速箱是由由變速傳傳動機(jī)構(gòu)構(gòu)和操縱縱機(jī)構(gòu)組組成。根根據(jù)前進(jìn)進(jìn)檔數(shù)的的不同，變速箱箱有三、四、五五和多檔檔幾種。根據(jù)軸軸的不同同類型，分為固固定軸式式和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸式兩兩大類。而前者者又分為為兩軸式式、中間間軸式和和多中間間軸式變變速箱。4.3.1 兩軸式式和三軸軸式變速速箱：現(xiàn)代汽車車大多數(shù)數(shù)都采用用三軸式式變速箱箱，而發(fā)發(fā)動機(jī)前前置前輪輪驅(qū)動的的轎車，若變速速箱傳動動比小，則常采采用兩軸軸式變速速箱。在在設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)，究竟竟采用哪哪一種方方案，除除了汽車車總布置置的要求求外，主主要考慮慮以下四四個(gè)方面面： 結(jié)構(gòu)工

4、工藝性：兩軸式變變速箱輸輸出軸與與主減速速器主動動齒輪做做成一體體且當(dāng)發(fā)發(fā)動機(jī)縱縱置時(shí)，主減速速器可用用螺旋圓圓錐齒輪輪或準(zhǔn)雙雙曲面齒齒輪，而而發(fā)動機(jī)機(jī)橫置時(shí)時(shí)用圓柱柱齒輪，因而簡簡化了制制造工藝藝。 變速箱箱的徑向向尺寸：兩軸式變變速箱的的前進(jìn)檔檔均為一一對齒輪輪副，而而三軸式式變速箱箱則有兩兩對齒輪輪副。因因此，對對于相同同的傳動動比要求求，三軸軸式變速速箱的徑徑向尺寸寸可以比比兩軸式式變速箱箱小得多多。 變速箱箱齒輪的的壽命：兩軸式變變速箱的的低檔齒齒輪副，大小相相差懸殊殊，小齒齒輪工作作循環(huán)次次數(shù)比大大齒輪要要高得多多，因此此小齒輪輪壽命比比大齒輪輪短。三三軸式變變速箱的的各前進(jìn)進(jìn)檔，

5、均均為常嚙嚙合斜齒齒輪傳動動，大小小齒輪徑徑向尺寸寸相差較較小，因因此壽命命較接近近。在直直接檔時(shí)時(shí)，齒輪輪只是空空轉(zhuǎn)，不不影響齒齒輪的壽壽命。 變速箱箱的傳動動效率：兩軸式變變速箱，雖然可可以有等等于1的的傳動比比，但仍仍要有一一對齒輪輪進(jìn)行傳傳動，因因而有功功率損失失。而三三軸式變變速箱，可將輸輸入軸和和輸出軸軸直接相相連，得得到直接接檔，因因而傳動動效率較較高，磨磨損小，噪聲也也較小。轎車，尤尤其是微微型汽車車，采用用兩軸式式變速箱箱比較多多，而中中、重型型載貨汽汽車則多多采用三三軸式變變速箱。4.3.2 多中間間軸結(jié)構(gòu)構(gòu)：在通常的的三軸式式變速箱箱中，發(fā)發(fā)動機(jī)的的轉(zhuǎn)矩由由第一軸軸傳至第

6、第二軸，只經(jīng)過過一根中中間軸。這種變變速箱在在裝上轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高于于12000-113000Nm的的大功率率的柴油油機(jī)時(shí)，其齒輪輪、軸和和軸承都都要承受受很大的的載荷，這會導(dǎo)導(dǎo)致過早早被損壞壞。所以以對于一一些重型型汽車，一般采采用多中中間軸的的結(jié)構(gòu)。這種變變速箱具具有2-3根中中間軸，在傳遞遞同樣轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的情情況下，變速箱箱齒輪的的寬度和和質(zhì)量可可分別減減少400%和220%，變速箱箱的整體體質(zhì)量和和軸向尺尺寸也減減少很多多。4.3.3 倒檔型型式：由于倒檔檔使用率率不高，一般常常采用直直齒滑動動齒輪方方案換入入倒檔。為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)倒檔傳傳動，有有些利用用在前進(jìn)進(jìn)檔的傳傳動路線線中，加加入一個(gè)個(gè)中間傳傳動

7、齒輪輪的方案案，也有有利用兩兩個(gè)聯(lián)體體齒輪的的方案。前者雖雖然結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單，但是中中間傳動動齒輪的的輪齒，是在最最不利的的正、負(fù)負(fù)交替對對稱變化化的彎曲曲應(yīng)力狀狀態(tài)下工工作，而而后者是是在較為為有利的的單向循循環(huán)彎曲曲應(yīng)力狀狀態(tài)下工工作，并并且使倒倒檔傳動動比略有有增加。4.3.4 齒輪型型式：變速箱使使用斜齒齒圓柱齒齒輪和直直齒圓柱柱齒輪。斜齒圓圓柱齒輪輪雖然制制造時(shí)稍稍為復(fù)雜雜，且工工作時(shí)會會有軸向向力，但但因其使使用壽命命長，傳傳動平穩(wěn)穩(wěn)和噪聲聲小而得得到廣泛泛使用，直齒圓圓柱齒輪輪多用于于低檔和和倒檔。4.3.5 同步器器換檔型型式：目前大多多數(shù)的變變速箱都都采用同同步器換換檔。使使用同

8、步步器能保保證迅速速、無沖沖擊、無無噪聲換換檔，而而與操作作技術(shù)的的熟練程程度無關(guān)關(guān)，從而而提高了了汽車的的加速性性、經(jīng)濟(jì)濟(jì)性和行行車安全全性。但但是它也也有結(jié)構(gòu)構(gòu)復(fù)雜、制造精精度要求求高、軸軸向尺寸寸大、同同步環(huán)使使用壽命命短等缺缺點(diǎn)。4.3.6 軸承型型式：以前變速速箱的支支承廣泛泛采用滾滾珠軸承承、滾柱柱軸承和和滾針軸軸承?，F(xiàn)現(xiàn)在變速速箱的設(shè)設(shè)計(jì)趨勢勢是增大大其傳遞遞功率與與質(zhì)量之之比，并并要求它它有更大大的容量量和更好好的性能能，而上上述軸承承型式已已不能滿滿足對變變速箱可可靠性和和壽命所所提出的的要求，故使用用圓錐滾滾柱軸承承的在逐逐漸增多多。其主主要優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)如下：圓錐滾滾柱軸承承的直

9、徑徑較小，寬度較較大，因因而容量量大，可可承受高高負(fù)荷；其錐體體、外圈圈和滾子子間基本本的幾何何關(guān)系使使?jié)L子能能正確對對中，確確保軸承承的可靠靠性，使使用壽命命長；圓圓錐滾柱柱軸承的的接觸線線長，如如果錐角角和配合合選擇合合適，可可提高軸軸和齒輪輪的剛度度，降低低齒輪噪噪聲，減減少自動動脫檔的的可能，并大幅幅度提高高其壽命命；采用用圓錐滾滾柱軸承承的變速速箱，一一般將變變速箱殼殼體設(shè)計(jì)計(jì)成沿縱縱向平面面分開或或沿中心心線所在在平面分分開，這這樣可使使裝拆和和調(diào)整軸軸承方便便。4.3.7 其它設(shè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)：因?yàn)樽兯偎傧湓诘偷蜋n工作作時(shí)作用用有較大大的力，所以一一般變速速箱的低低檔都布布置在靠靠近

10、軸的的后支承承處，然然后按照照從低檔檔到高檔檔順序布布置各檔檔位齒輪輪。這樣樣做既能能使軸有有足夠大大的剛性性，又能能保證裝裝配容易易。變速箱整整體結(jié)構(gòu)構(gòu)剛性與與軸和殼殼體的結(jié)結(jié)構(gòu)有關(guān)關(guān)系。一一般通過過控制軸軸的長度度即控制制檔數(shù)，來保證證變速箱箱有足夠夠的剛性性。4.3.8變速速箱總體體尺寸的的確定：1 變速速箱齒輪輪中心距距的確定定：變速箱齒齒輪的中中心距是是變速箱箱很重要要的參數(shù)數(shù)，它對對變速箱箱的整體體尺寸、體積和和質(zhì)量有有很大的的影響。通常根根據(jù)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)公式初初選中心心距A(單位mm)：式中：kk 中心心距系數(shù)數(shù)，對轎轎車，kk=8.99.3，對對貨車，k=88.699.6； MMie

11、mmax 變速速箱在一一檔時(shí)，第二軸軸輸出的的轉(zhuǎn)矩，Mieemaxx = Memmaxi1g，單單位Nmm； MMemaax 發(fā)動動機(jī)的最最大輸出出轉(zhuǎn)矩，單位NNm； ii1 變速速箱一檔檔傳動比比；g 變速箱箱傳動效效率，取取0.996。此外，變變速箱的的中心距距還要受受到齒輪輪接觸強(qiáng)強(qiáng)度、幾幾何參數(shù)數(shù)和結(jié)構(gòu)構(gòu)要求等等的制約約。2 變速速箱軸向向尺寸的的確定：貨車變速速箱殼體體的軸向向尺寸與與其檔數(shù)數(shù)有關(guān)，可參照照下列數(shù)數(shù)據(jù)選用用：四檔 (2.22.7)AA 五五檔 (2.73.0)AA 六六檔 (3.23.5)AA轎車四檔檔變速箱箱殼體軸軸向尺寸寸為(33.033.4)A。3 變速速箱檔數(shù)

12、數(shù)的確定定：不同類型型的汽車車，具有有不同的的傳動系系檔位數(shù)數(shù)，其原原因在于于它們的的使用條條件不同同；對整整車性能能要求的的不同；汽車本本身的比比功率不不同。而而傳動系系的檔位位數(shù)與汽汽車的動動力性、燃油經(jīng)經(jīng)濟(jì)性又又有著密密切的關(guān)關(guān)系。就動力性性而言，檔位數(shù)數(shù)多，增增加了發(fā)發(fā)動機(jī)發(fā)發(fā)揮最大大功率附附近高功功率的機(jī)機(jī)會，提提高了汽汽車的加加速與爬爬坡能力力。就燃燃油經(jīng)濟(jì)濟(jì)性而言言，檔位位數(shù)多，增加了了發(fā)動機(jī)機(jī)在低燃燃油消耗耗率區(qū)工工作的可可能性，降低了了油耗。所以增增加檔位位數(shù)會改改善汽車車的動力力性和燃燃油經(jīng)濟(jì)濟(jì)性。檔數(shù)多少少還影響響到檔與與檔之間間的傳動動比比值值。比值值過大會會造成換換檔

13、困難難。一般般認(rèn)為比比值不宜宜大于11.711.8。因此如如最大傳傳動比與與最小傳傳動比之之比值愈愈大，檔檔位數(shù)也也應(yīng)愈多多。對于轎車車而言，由于其其行駛車車速高，比功率率大，最最高檔的的后備功功率也大大，即最最高檔的的動力因因素大，所以其其最高檔檔與起動動檔的動動力因素素間的變變化范圍圍較小。因此在在過去轎轎車常用用三檔或或四檔變變速箱。近年來來，為了了進(jìn)一步步節(jié)省燃燃油，裝裝有手動動變速箱箱的轎車車多已采采用五檔檔變速箱箱。對于輕型型貨車和和中型貨貨車而言言，由于于比功率率小，所所以一般般采用五五檔變速速箱。而而重型貨貨車的比比功率更更小，使使用條件件也更復(fù)復(fù)雜，所所以一般般采用六六檔至十

14、十幾個(gè)檔檔的變速速箱，以以適應(yīng)復(fù)復(fù)雜的使使用條件件，從而而使汽車車具有足足夠的動動力性和和良好的的燃油經(jīng)經(jīng)濟(jì)性。4.3.9 各各檔傳動動比的確確定：1 最最高檔傳傳動比的的選擇：汽車大多多數(shù)時(shí)間間是以最最高檔行行駛的，即用最最小傳動動比的檔檔位行駛駛的。因因此最小小傳動比比的選定定是很重重要的。傳動系系的總傳傳動比是是傳動系系中各部部件傳動動比的乘乘積，即即it=igi0ic。式中igg變速箱箱的傳動動比；ii0主減速速器的傳傳動比；ic分動器器或副變變速箱的的傳動比比；普通通的汽車車由于沒沒有分動動器或副副變速箱箱，而變變速箱的的最小傳傳動比通通常為11，所以以傳動系系的最小小傳動比比就是i

15、i0。因因此確定定最高檔檔傳動比比其實(shí)就就是選擇擇主減速速器的傳傳動比ii0。主減速器器的傳動動比是從從汽車功功率平衡衡圖來選選擇的，在功率率平衡圖圖上將傳傳動比ii0劃分分為三個(gè)個(gè)區(qū)域：i011(大傳傳動比)是使得得最高車車速uaamaxx大于發(fā)發(fā)動機(jī)最最大功率率時(shí)的車車速upp，它的的優(yōu)點(diǎn)在在于汽車車的后備備功率最最大，即即動力性性最好，但是燃燃油經(jīng)濟(jì)濟(jì)性最差差；i002(中中傳動比比)是使使得最高高車速uuamaax等于于發(fā)動機(jī)機(jī)最大功功率時(shí)的的車速uup，它它的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)是最高高車速最最大，且且動力性性和經(jīng)濟(jì)濟(jì)性均居居中；ii03(小傳動動比)是是使得最最高車速速uammax小小于發(fā)動動機(jī)

16、最大大功率時(shí)時(shí)的車速速up，它的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)是發(fā)發(fā)動機(jī)功功率利用用率最高高，即燃燃油經(jīng)濟(jì)濟(jì)性最好好，但是是汽車的的后備功功率最小小，即汽汽車動力力性最差差。 以前，多數(shù)汽汽車將主主減速器器傳動比比選擇為為大傳動動比i001或中中傳動比比i022，但是是隨著近近年來不不斷要求求提高汽汽車燃油油經(jīng)濟(jì)性性，使得得主減速速器的傳傳動比開開始偏向向于小傳傳動比ii03。這里對對主減速速器傳動動比的選選擇只是是一個(gè)初初步的選選擇，計(jì)計(jì)算汽車車經(jīng)濟(jì)性性和動力力性來優(yōu)優(yōu)化主傳傳動比的的方法，以精確確地確定定主減速速器的傳傳動比。2 最最低檔傳傳動比的的選擇：確定最低低檔傳動動比時(shí)，要考慮慮下列因因素：汽汽車最大大爬

17、坡度度，驅(qū)動動輪與路路面附著著力，汽汽車最低低穩(wěn)定車車速及主主傳動比比等。下下面假設(shè)設(shè)主傳動動比已經(jīng)經(jīng)確定。(1)根根據(jù)最大大爬坡度度確定一一檔傳動動比：汽車在最最大上坡坡路面行行駛時(shí)，最大驅(qū)驅(qū)動力應(yīng)應(yīng)能克服服輪胎與與路面間間滾動阻阻力及上上坡阻力力。由于于汽車上上坡行駛駛時(shí)，車車速不高高，故忽忽略空氣氣阻力。式中：FFkmaax 最大大驅(qū)動力力；Ff 滾動動阻力；Fimaax 最大大上坡阻阻力；又(1-1)式中：MMemaax 發(fā)動動機(jī)最大大扭矩；i1 變變速器一一檔傳動動比；ii0 主傳傳動比； 汽汽車傳動動系總效效率；mm 汽車車總質(zhì)量量；g 重力力加速度度； 道道路最大大阻力系系數(shù)；r

18、r 驅(qū)動動輪滾動動半徑；f 滾動動阻力系系數(shù)；maxx 道路路最大上上坡角。(2)根根據(jù)驅(qū)動動輪與地地面的附附著力確確定一檔檔傳動比比：汽車行駛駛時(shí)，為為了使驅(qū)驅(qū)動輪不不打滑，必須使使驅(qū)動力力等于或或小于驅(qū)驅(qū)動輪與與路面間間的附著著力。式中： 道路路附著系系數(shù)，取取=0.500.6；N 驅(qū)動動力垂直直反力，用下列列公式計(jì)計(jì)算： 其中：X、S 后后輪驅(qū)動動時(shí)，XX=a，S=+1； 前輪驅(qū)驅(qū)動時(shí)，X=b，S=-1； 四輪驅(qū)驅(qū)動時(shí)，X=L，S=0； 路面坡坡度角；a、b 重重心至前前后軸距距離；L 軸距距；hg 滿載載時(shí)重心心高度。(3)根根據(jù)最低低穩(wěn)定車車速確定定一檔傳傳動比：(1-3)對于越野野汽車，為了避避免在松松軟的路路面上行行駛，由由于土壤壤受沖擊擊剪