桑塔纳3000五档机械变速器设计及改进(1).doc

桑塔纳3000五档机械变速器设计及改进(1).doc

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符号说明

汽车总质量kg

重力加速度N/kg

道路最大阻力系数

驱动轮的滚动半径mm

发动机最大扭矩N·m

主减速比

汽车传动系的传动效率

一档传动比

汽车满载载荷N

路面附着系数

第一轴与中间轴的中心距mm

中间轴与倒档轴的中心距mm

第二轴与中间轴的中心距mm

中心距系数

直齿轮模数

斜齿轮法向模数

齿轮压力角°

斜齿轮螺旋角°

齿轮宽度mm

齿轮齿数

齿轮变位系数

齿轮弯曲应力MPa

齿轮接触应力MPa

齿轮所受圆周力N

轴向力N

径向力N

计算载荷N·m

应力集中系数

摩擦力影响系数

齿轮材料的弹性模量MPa

重合度影响系数

主动齿轮节圆半径mm

从动齿轮节圆半径mm

主动齿轮节圆处的曲率半径mm

从动齿轮节圆处的曲率半径mm

扭转切应力MPa

轴的抗扭截面系数

轴的材料的剪切弹性模量MPa

轴截面的极惯性矩

垂直面内的挠度mm

水平面内的挠度mm

前言

现在，每当人们观看F1大赛，总会被那种极速的感觉所折服。

此刻，大家似乎谈论得最多的就是发动机的性能以及车手的驾驶技术。

而且，不忘在自己驾车的时候体会一下极速感觉或是在买车的时候关注一下发动机的性能，这似乎成为了横量汽车品质优劣的一个标准。

的确，拥有一颗“健康的心”是非常重要的，因为它是动力的缔造者。

但是，掌控速度快慢的，却是它身后的变速器。

从现在市场上不同车型所配置的变速器来看，主要分为：

手动变速器（MT）、自动变速器（AT）、手动/自动变速器（AMT）、无级变速器（CVT）。

一、手动变速器（MT）

手动变速器（ManualTransmission）采用齿轮组，每档的齿轮组的齿数是固定的，所以各档的变速比是个定值（也就是所谓的“级”）。

比如，一档变速比是3.85,二档是2.55,再到五档的0.75,这些数字再乘上主减速比就是总的传动比，总共只有5个值（即有5级），所以说它是有级变速器。

曾有人断言，繁琐的驾驶操作等缺点，阻碍了汽车高速发展的步伐，手动变速器会在不久“下课”，从事物发展的角度来说，这话确实有道理。

但是从目前市场的需求和适用角度来看，笔者认为手动变速器不会过早的离开。

首先，从商用车的特性上来说，手动变速器的功用是其他变速器所不能替代的。

以卡车为例，卡车用来运输，通常要装载数吨的货品，面对如此高的“压力”，除了发动机需要强劲的动力之外，还需要变速器的全力协助。

我们都知道一档有“劲”，这样在起步的时候有足够的牵引力量将车带动。

特别是面对爬坡路段，它的特点显露的非常明显。

而对于其他新型的变速器，虽然具有操作简便等特性，但这些特点尚不具备。

其次，对于老司机和大部分男士司机来说，他们的最爱还是手动变速器。

从我国的具体情况来看，手动变速器几乎贯穿了整个中国的汽车发展历史，资历郊深的司机都是“手动”驾车的，他们对手动变速器的认识程度是非常深刻的，如果让他们改变常规的做法，这是不现实的。

虽然自动变速器以及无级变速器已非常的普遍，但是大多数年轻的司机还是崇尚手动，尤其是喜欢超车时手动变速带来的那种快感，所以一些中高档的汽车（尤其是轿车）也不敢轻易放弃手动变速器。

另外，现在在我国的汽车驾驶学校中，教练车都是手动变速器的，除了经济适用之外，关键是能够让学员打好扎实的基本功以及锻炼驾驶协调性。

第三，随着生活水平的不断提高现在轿车已经进入了家庭，对于普通工薪阶级的老百姓来说，经济型轿车最为合适，手动变速器以其自身的性价比配套于经济型轿车厂家，而且经济适用型轿车的销量一直在车市名列前茅。

例如，夏利、奇瑞、吉利等国内厂家的经济型轿车都是手动变速的车，它们的各款车型基本上都是5档手动变速。

二、自动变速器（AT）

自动变速器（AutomaticTransmission），利用行星齿轮机构进行变速，它能根据油门踏板程度和车速变化，自动地进行变速。

而驾驶者只需操纵加速踏板控制车速即可。

虽说自动变速汽车没有离合器，但自动变速器中有很多离合器，这些离合器能随车速变化而自动分离或合闭，从而达到自动变速的目的。

在中档车的市场上，自动变速器有着一片自己的天空。

使用此类车型的用户希望在驾驶汽车的时候为了简便操作、降低驾驶疲劳，尽可能的享受高速驾驶时快乐的感觉。

在高速公路上，这是个体现地非常完美。

而且，以北京市来说，现在的交通状况不好，堵车是经常的事情，有时要不停地起步停步数次，司机如果使用手动档，则会反复地挂档摘档，操作十分烦琐，尤其对于新手来说更是苦不堪言。

使用自动档，就不会这样麻烦了。

在市场上，此类汽车销售状况还是不错的，尤其是对于女性朋友比较适合，通常女性朋友驾车时力求便捷。

而我国要普及这种车型，关键要解决的是路况问题，现在的路况状况不均匀，难以发挥自动档汽车的优势。

三、手动/自动变速器（AMT）

其实通过对一些车友的了解，他们并不希望摒弃传统的手动变速器，而且在某些时候也需要自动的感觉。

这样手动/自动变速器便由此诞生。

这种变速器在德国保时捷车厂911车型上首先推出，称为Tiptronic，它可使高性能跑车不必受限于传统的自动档束缚，让驾驶者也能享受手动换档的乐趣。

此型车在其档位上设有“+”、“-”选择档位。

在D档时，可自由变换降档（-）或加档（+），如同手动档一样。

自动—手动变速系统向人们提供两种驾驶方式—为了驾驶乐趣使用手动档，而在交通拥挤时使用自动档，这样的变速方式对于我国的现状还是非常适合的。

笔者曾在上面提到，手动变速器有着很大的使用群体,而自动变速器也能适应女士群体以及解决交通堵塞带来的麻烦，这样对于一些夫妻双方均会驾车的家庭来说，可谓是兼顾了双方，体现了“夫妻档”。

虽然这种二合一的配置拥有较高的技术含量，但这类的汽车并不会在价格上都高不可攀，比如广州本田飞度1.3LCVT两厢、南京菲亚特2004派力奥1.3HLSpeedgear、南京菲亚特西耶那SpeedgearEL这些“二合一”的车型价格均在10万元左右，这个价格层面还比较低的。

所以，手动/自动车在普及上还是具有相当的优势。

而汽车厂商和配套的变速器厂家应该以此为契机，根据市场要求精心打造此类变速器。

因为这类变速器是有比较广阔的市场的。

四、无级变速器

当今汽车产业的发展，是非常迅速的，用户对于汽车性能的要求是越来越高的。

汽车变速器的发展也并不仅限于此，无级变速器便是人们追求的“最高境界”。

无级变速器最早由荷兰人范·多尼斯（VanDoorne’s）发明。

无级变速系统不像手动变速器或自动变速器那样用齿轮变速，而是用两个滑轮和一个钢带来变速，其传动比可以随意变化，没有换档的突跳感觉。

它能克服普通自动变速器“突然换档”、油门反应慢、油耗高等缺点。

通常有些朋友将自动变速器称为无级变速器，这是错误的。

虽然它们有着共同点，但是自动变速器只有换档是自动的，但它的传动比是有级的，也就是我们常说的档，一般自动变速器有2～7个档。

而无级变速器能在一定范围内实现速比的无级变化，并选定几个常用的速比作为常用的“档”。

装配该技术的发动机可在任何转速下自动获得最合适的传动比。

从市场走向来看，虽然无级变速器是一个技术分量比较高的部件，但是也已经走进了普通轿车的“身体”之中，广本两厢飞度每个排量都有一款配置了CVT无级变速器，既方便又省油，且售价也仅在9.68～11.68万元。

而且奇瑞汽车销售公司表示QQ无级变速器型年底上市。

看来无级变速器在中档车中的运用将越为广泛。

本设计是根据桑塔纳3000车型手动变速器而开展的，设计中所采用的相关参数均来源于此种车型：

汽车总质量m：

1210kg

主减速比：

4.444

最高时速：

185km/h

轮胎型号：

195/60R1485H/无内胎子午线胎

最大扭矩：

155Nm/4500

最大功率：

75kw/5750

重力加速度g：

9.8

道路最大阻力系数：

：

0.27

车轮半径r：

0.3m

汽车传动系的传动效率：

0.97发动机最高转速：

5200r/min

第一章机械式变速器的概述及其方案的确定

§1.1变速器的功用和要求

变速器一般安装于发动机和驱动桥之间，其主要功用是;

1.变速与变矩通过改变变速器的传动比，可以使汽车在不同的使用条件下得到不同的牵引力和速度，同时使发动机在最有利的工况范围内工作。

2.设置空挡和倒档在不改变发动机旋转方向的情况下使汽车能倒退行驶，在滑行或停车时发动机和传动系统能保持分离。

3.变速器一般还应设置动力输出窗口。

为保证变速器具有良好的工作性能，对变速器的主要要求是：

1.应保证汽车具有高的动力性和经济性指标。

在汽车整体设计时，根据汽车载重量、发动机参数及汽车使用要求，选择合理的变速器档数及传动比，来满足这一要求。

2.工作可靠，操纵轻便。

汽车在行驶过程中，变速器内不应有自动跳档、乱档、换档冲击等现象的发生。

为减轻驾驶员的疲劳强度，提高行驶安全性，操纵轻便的要求日益显得重要，这可通过采用同步器和预选气动换档或自动、半自动换档来实现。

3.重量轻、体积小。

影响这一指标的主要参数是变速器的中心距。

选用优质钢材，采用合理的热处理，设计合适的齿形，提高齿轮精度以及选用圆锥滚柱轴承可以减小中心距。

4.传动效率高。

为减小齿轮的啮合损失，应有直接档。

提高零件的制造精度和安装质量，采用适当的润滑油都可以提高传动效率。

5.噪声小。

采用斜齿轮传动及选择合理的变位系数，提高制造精度和安装刚性可减小齿轮的噪声。

§1.2变速器结构方案的确定

变速器由传动机构与操纵机构组成。

1．变速器传动机构的结构分析与型式选择

有级变速器与无级变速器相比，其结构简单、制造低廉，具有高的传动效率（η=0.96~0.98），因此在各类汽车上均得到广泛的应用。

设计时首先应根据汽车的使用条件及要求确定变速器的传动比范围、档位数及各档的传动比，因为它们对汽车的动力性与燃料经济性都有重要的直接影响。

传动比范围是变速器低档传动比与高档传动比的比值。

汽车行驶的道路状况愈多样，发动机的功率与汽车质量之比愈小，则变速器的传动比范围应愈大。

目前，轿车变速器的传动比范围为3.0~4.5；一般用途的货车和轻型以上的客车为5.0~8.0；越野车与牵引车为10.0~20.0。

通常，有级变速器具有3、4、5个前进档；重型载货汽车和重型越野汽车则采用多档变速器，其前进档位数多达6~16个甚至20个。

变速器档位数的增多可提高发动机的功率利用效率、汽车的燃料经济性及平均车速，从而可提高汽车的运输效率，降低运输成本。

但采用手动的机械式操纵机构时，要实现迅速、无声换档，对于多于5个前进档的变速器来说是困难的。

因此，直接操纵式变速器档位数的上限为5档。

多于5个前进档将使操纵机构复杂化，或者需要加装具有独立操纵机构的副变速器，后者仅用于一定行驶工况。

某些轿车和货车的变速器，采用仅在好路和空载行驶时才使用的超速档。

采用传动比小于1（0.7~0.8）的超速档，可以更充分地利用发动机功率，降低单位行驶里程的发动机曲轴总转数，因而会减少发动机的磨损，降低燃料消耗。

但与传动比为1的直接档比较，采用超速档会降低传动效率。

有级变速器的传动效率与所选用的传动方案有关，包括传递动力的齿轮副数目、转速、传递的功率、润滑系统的有效性、齿轮及轴以及壳体等零件的制造精度、刚度等。

三轴式和两轴式变速器得到的最广泛的应用。

三轴式变速器如图1-1所示，其第一轴的常啮合齿轮与第二轴的各档齿轮分别与中间轴的相应齿轮相啮合，且第一、第二轴同心。

将第一、第二轴直接连接起来传递扭矩则称为直接档。

此时，齿轮、轴承及中间轴均不承载，而第一、第二轴也传递转矩。

因此，直接档的传递效率高，磨损及噪音也最小，这是三轴式变速器的主要优点。

其他前进档需依次经过两对齿轮传递转矩。

因此。

在齿轮中心距（影响变速器尺寸的重要参数）较小的情况下仍然可以获得大的一档传动比，这是三轴式变速器的另一优点。

其缺点是：

处直接档外其他各档的传动效率有所下降。

图1-1轿车中间轴式四档变速器

1—第一轴；2—第二轴；3—中间轴

两轴式变速器如图1-2所示。

与三轴式变速器相比，其结构简单、紧凑且除最到档外其他各档的传动效率高、噪声低。

轿车多采用前置发动机前轮驱动的布置，因为这种布置使汽车的动力-传动系统紧凑、操纵性好且可使汽车质量降低6%~10%。

两轴式变速器则方便于这种布置且传动系的结构简单。

如图所示，两轴式变速器的第二轴（即输出轴）与主减速器主动齿轮做成一体，当发动机纵置时，主减速器可用螺旋锥齿轮或双面齿轮；当发动机横置时则可用圆柱齿轮，从而简化了制造工艺，降低了成本。

除倒档常用滑动齿轮（直齿圆柱齿轮）外，其他档均采用常啮合斜齿轮传动；个档的同步器多装在第二轴上，这是因为一档的主动齿轮尺寸小，装同步器有困难；而高档的同步器也可以装在第一轴的后端，如图示。

两轴式变速器没有直接档，因此在高档工作时，齿轮和轴承均承载，因而噪声比较大，也增加了磨损，这是它的缺点。

另外，低档传动比取值的上限（igⅠ=4.0~4.5）也受到较大限制,但这一缺点可通过减小各档传动比同时增大主减速比来取消。

图1-2两轴式变速器

1—第一轴；2—第二轴；3—同步器

有级变速器结构的发展趋势是增多常啮合齿轮副的数目，从而可采用斜齿轮。

后者比直齿轮有更长的寿命、更低的噪声，虽然其制造稍复杂些且在工作中有轴向力。

因此，在变速器中，除低档及倒档外，直齿圆柱齿轮已经被斜齿圆柱齿轮所代替。

在本设计中，倒档齿轮采用直齿圆柱齿轮。

由于所设计的汽车是发动机前置，后轮驱动，因此采用中间轴式变速器。

图1-3、图1-4、图1-5分别示出了几种中间轴式四，五，六档变速器传动方案。

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档。

使用直接档，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档的利用率高于其它档位，因而提高了变速器的使用寿命；在其它前进档位工作时，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，一档仍然有较大的传动比；档位高的齿轮采用常啮合齿轮传动，档位低的齿轮（一档）可以采用或不采用常啮合齿轮传动；多数传动方案中除一档以外的其他档位的换档机构，均采用同步器或啮合套换档，少数结构的一档也采用同步器或啮合套换档，还有各档同步器或啮合套多数情况下装在第二轴上。

再除直接档以外的其他档位工作时，中间轴式变速器的传动效率略有降低，这是它的缺点。

在档数相同的条件下，各种中间轴式变速器主要在常啮合齿轮对数，换档方式和到档传动方案上有差别。

图1-3中间轴式四档变速器传动方案

如图1-3中的中间轴式四档变速器传动方案示例的区别：

图1-3a、b所示方案有四对常啮合齿轮，倒档用直齿滑动齿轮换档；图1-3c所示传动方案的二，三，四档用常啮合齿轮传动，而一档和倒档用直齿滑动齿轮换档。

图1-4a所示方案，除一，倒档用直齿滑动齿轮换档外，其余各档为常啮合齿轮传动。

图1-4b、c、d所示方案的各前进档，均用常啮合齿轮传动；图1-4d所示方案中的倒档和超速档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档的条件下，很容易形成一个只有四个前进档的变速器。

图1-4中间轴式五档变速器传动方案

图1-5a所示方案中的一档、倒档和图b所示方案中的倒档用直齿滑动齿轮换档，其余各档均用常啮合齿轮。

图1-5中间轴式六档变速器传动方案

以上各种方案中，凡采用常啮合齿轮传动的档位，其换档方式可以用同步器或啮合套来实现。

同一变速器中，有的档位用同步器换档，有的档位用啮合套换档，那么一定是档位高的用同步器换档，档位低的用啮合套换档。

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，如图1-3a、b所示。

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，布置倒档传动齿轮和换档机构，还能减少变速器主体部分的外形尺寸。

变速器用图1-4c所示的多支承结构方案，能提高轴的刚度。

这时，如用在轴平面上可分开的壳体，就能较好地解决轴和齿轮等零部件装配困难的问题。

图1-4c所示方案的高档从动齿轮处于悬臂状态，同时一档和倒档齿轮布置在变速器壳体的中间跨距里，而中间档的同步器布置在中间轴上是这个方案的特点。

2．倒档传动方案

图1-6为常见的倒挡布置方案。

图1-6b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1-6c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1-6d所示方案针对前者的缺点做了修改，因而取代了图1-6c所示方案。

图1-6e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1-6f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1-6g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。

本设计采用图1-6f所示的传动方案。

图1-6变速器倒档传动方案

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，然后按照从低档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。

§1.3变速器主要零件结构的方案分析

变速器的设计方案必需满足使用性能、制造条件、维护方便及三化等要求。

在确定变速器结构方案时，也要考虑齿轮型式、换档结构型式、轴承型式、润滑和密封等因素。

1.齿轮型式

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。

但是，在本设计中由于倒档采用的是常啮合方案，因此倒档也采用斜齿轮传动方案，即除一档外，均采用斜齿轮传动。

2.换档结构型式

换档结构分为直齿滑动齿轮、啮合套和同步器三种。

直齿滑动齿轮换档的特点是结构简单、紧凑，但由于换档不轻便、换档时齿端面受到很大冲击、导致齿轮早期损坏、滑动花键磨损后易造成脱档、噪声大等原因，初一档、倒档外很少采用。

啮合套换档型式一般是配合斜齿轮传动使用的。

由于齿轮常啮合，因而减少了噪声和动载荷，提高了齿轮的强度和寿命。

啮合套有分为内齿啮合套和外齿啮合套，视结构布置而选定，若齿轮副内空间允许，采用内齿结合式，以减小轴向尺寸。

结合套换档结构简单，但还不能完全消除换档冲击，目前在要求不高的档位上常被使用。

采用同步器换档可保证齿轮在换档时不受冲击，使齿轮强度得以充分发挥，同时操纵轻便，缩短了换档时间，从而提高了汽车的加速性、经济性和行驶安全性，此外，该种型式还有利于实现操纵自动化。

其缺点是结构复杂，制造精度要求高，轴向尺寸有所增加，铜质同步环的使用寿命较短。

目前，同步器广泛应用于各式变速器中。

自动脱档是变速器的主要障碍之一。

为解决这个问题，除工艺上采取措施外，在结构上，目前比较有效的方案有以下几种：

1）将啮合套做得长一些（如图1-7a）

或者两接合齿的啮合位置错开（图1-7b），这样在啮合时使接合齿端部超过被接合齿约1~3mm。

使用中因接触部分挤压和磨损，因而在接合齿端部形成凸肩，以阻止自动脱档。

2）将啮合套齿座上前齿圈的齿厚切薄（0.3~0.6mm），这样，换档后啮合套的后端面便被后齿圈的前端面顶住，从而减少自动脱档（图1-8）。

3）将接合齿的工作面加工成斜齿面，形成倒锥角（一般倾斜20~30），使接合齿面产生阻止自动脱档的轴向力ab

（图1-9）。

这种结构方案比较有效，图1-7防止自动脱档的结构措施Ⅰ

采用较多。

此段切薄

图1-8防止自动脱档的结构措施Ⅱ

加工成斜面

图1-9防止自动脱档的结构措施Ⅲ