（动力机械及工程专业论文）微型汽车手动变速器设计与优化.pdf

摘要 作为汽车传动系统的重要组成部分，变速器对整车的动力性与经济性、操 纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率都有着较为直接的影响。虽然传统 机械式的手动变速器具有换档冲击大，体积大，操纵麻烦等诸多缺点，但仍以 其传动效率高、生产制造工艺成熟以及成本低等特点，广泛应用于现代汽车上。 随着现代计算机技术的快速发展，对变速器进行研究的专业软件应用也越 来越广泛，如m a s t a 和r o m a x 都是世界上集选配、设计开发、制造一体化 的大型专用软件，本文主要采用m a s t a 实现对微型汽车手动变速器的设计、分 析和优化，同时学习和借鉴前人的设计思路和分析方法，丰富研究内容，提高 研究质量。 本文在深入了解和学习变速器开发流程和相关设计理论知识的前提下，首 先确定该微型汽车手动变速器的设计方案，包括齿轮和轴的总布置形式、换档 操纵机构及档位布置形式等；其次根据所配发动机的基本参数以及考虑到整车 动力性和经济性要求下的传动比，设计计算出变速器主要零件的相关参数，通 过对设计参数的分析，找到影响手动变速器性能的因素。本文利用m a s t a 专业 软件模拟变速器试验方法中的实际负载工况，完成齿轮、轴和轴承等主要零件 以及同步器同步过程的分析，与理论分析相比较，并且通过软件的修形模块对 所设计的齿轮进行微观修形，为今后研究变速器的振动噪声奠定了基础；同时 针对各影响因素结合变速器的结构和目标性能进行优化，将优化后的模型再次 进行仿真模拟并评估优化后的结果。由于影响变速器性能的结构参数较多，如 何利用软件分析各种因素对设计结果的影响，并以何参数为优化目标达到结构 和性能上的最优是一个很值得探索的问题。探索运用专业软件对手动变速器进 行建模与设计，并对其结构进行仿真分析和优化的方法，为今后新变速器的开 发与应用提供了较好的指导作用。 关键词：手动变速器，m a s t a ，仿真分析，优化设计 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tp a r to fa u t o m o b i l et r a n s m i s s i o n ，g e a r b o xn o to n l yh a sad i r e c t i m p a c to nt h ev e h i c l e sp o w e ra n de c o n o m y , a l s oa f f e c t st h eo p e r a t i o nr e l i a b i l i t ya n d e a s e , t r a n s m i s s i o ns t a b i l i t ya n de f f i c i e n c y a l t h o u g ht h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a l m a n u a lt r a n s m i s s i o nh a sm a n yd i s a d v a n t a g e s ，s u c h 嬲l a r g es h i f ts h o c k , h u g ev o l u m e a n dc o m p l i c a t e dc o n t r o l ，i ti ss t i l lw i d e l yu s e di nm o d e mc a r sf o ri t sa d v a n t a g e so f h i g ht r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , m a t u r ep r o d u c t i o nt e c h n i q u ea n dm o r ei m p o r t a n t l gl o w c o s t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ep r o f e s s i o n a ls o f t w a r e o nt r a n s m i s s i o ns t u d yi sm o r ew i d e l ya n di n c r e a s i n g l yu s e d ，s u c h 舔m a s t aa n d r o m m lw h i c ha r el a r g e s c a l es p e c i a l i z e ds o f t w a r ef o rs e l e c t i o n ，d e s i g n ，a n d m a n u f a c t u r e 1 1 1 i sa r t i c l em a i n l yf o c u s e so nt h ed e s i g n ，a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no f m a n u a lg e a r b o xo fm i c r oc a r sw i t ht h eh e l po fm a s t a m e a n w h i l ep r e v i o u si d e a so n d e s i g na n da n a l y s i sa r ee m p l o y e dt oe n r i c hc o n t e n to ft h i st h e s i sa n di m p r o v et h e q u a l i t y t h i st h e s i sf i r m l yc o n f i r m st h ed e s i g np l a no fm a n u a lg e a r b o xo fm i c r oc a r , b a s i n go nt h ec o m p r e h e n s i o na n ds t u d yo ng e a r b o xd e v e l o p m e n tp r o c e s sa sw e l la s r e l e v a n tt h e o r i e s t h ed e s i g np l a ni n c l u d e st h el a y o u to f g e a ra n ds h a f t , l a y o u to fg e a r s h i f t i n go p e r a t i o nm e c h a n i s m ，e r e s e c o n d l gb a s e do nt h ee s s e n t i a lp a r a m e t e ro f f u m i s h e de n g i n ea n dt h er e q u i r e dt r a n s m i s s i o nr a t i oo ft h ev e h i c l e s p o w e r p e r f o r m a n c e ，t h er e l a t e dp a r a m e t e r so nm a i nc o m p o n e n t so fg e a r b o xa r ew o r k e do u t v i aa n a l y s i st od e s i g np a r a m e t e r s ，f i n d so u tt h ef a c t o r sw h i c ht a k ee f f e c t so nt h e p e r f o r m a n c eo fm a n u a lg e a r b o x b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lm e t h o dw i t hm a s t at o s i m u l a t ep r a c t i c a ll o a d i n gc o n d i t i o no fg e a r b o x , t h i st h e s i sc o m p l e t e st h ea n a l y s i so f g e a r ，s h a f t , b e a t i n ga n do t h e rm a i ns p a r e sa sw e l l 嬲t h es y n c h r o n i z i n gp r o c e s so f s y n c h r o n i z e r t h i sa n a l y s i si sa l s oc o m p a r e dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s i ta l s o e s t a b l i s h e sag o o df o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ho nv i b r a t i o nn o i s eo fg e a r b o xb y s l i g h t l ym o d i f y i n gt h eg e a r sd e s i g n e dw i t hm o d i f i c a t i o nm o d u l ep r o v i d e di nt h e s o f t w a r e m e a n w h i l e ，o p t i m i z et h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fg e a r b o xr e f e r r i n gt o t h ei n f l u e n c i n gf a c t o ra n dt h e nt a k es i m u l a t i v ee x p e r i m e n to nt h eo p t i m i z e dm o d e l a n da tl a s te v a l u a t et h er e s u l to fo p t i m i z a t i o n a st h e r ea r es om a n ys t r u c t u r a l p a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e ，i ti sw o r t h w h i l et os t u d yh o wt o l i t a k ea d v a n t a g eo ft h es o 脚a u r et 0 a 1 1 a l y z et h ei n f l u e n c ee x e r t e db yv a r i 。u s 庙c t o r s a s w e l t ：la sh o 们w t om e e t 咖删。p t i m i z a t i o n a n d h 。wt 0r e a l i z eo p t i m a l 肿= ：= ! 竺：+ n e 咖d y 州1 1 p r o v i d eag 。0 dg u i d et 0 e x p l 。r et 1 1 eu s c 。：蒜= f 竺竺o rm o d e 。l i n g a n d d e s 噜n i n gt h em a n u a l 咖s m i s s i o na sw e j la st h r 、ei 0 fs 劬c m r es h u l 丽0 na i l do p t i m i z a t i o n 内r f i j t 嗽d e v e l 。p m e n ta n da p p l i c = 1 ： n e w t r a n s m i s s i o n “”1 i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特n j n 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 话耀 导师( 签名) 磁膳期沙屈争 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第1 章绪论 汽车问世百余年来，特别是从汽车的大批量生产及汽车工业的大发展以来， 汽车已为世界经济的发展、为人类进入现代生活，产生了无法估量的巨大影响， 为人类社会的进步做出了不可磨灭的巨大贡献，掀起了一场划时代的革命e l i 。自 从汽车采用内燃机作为动力装置开始，变速器就成为了汽车重要的组成部分， 现代汽车上广泛采用的往复活塞式内燃机具有体积小、质量轻、工作可靠和使 用方便等优点，但其转矩和转速变化范围较小，而复杂的使用条件则要求汽车 的牵引力和车速能在相当大的范围内变化，故其性能与汽车的动力性和经济性 之间存在着较大的矛盾，这对矛盾靠现代汽车的内燃机本身是无法解决的。因 此，在汽车传动系中设置了变速器和主减速器，以达到减速增矩的目的。 变速器的主要功能表现为以下几点： ( 1 ) 改变汽车传动比，增加驱动车轮转矩和转速变化的范围，以适应经常变化的 行驶工况，同时应使发动机时刻处于最有利的工况范围内工作； ( 2 ) 在发动机旋转方向不变的前提下，实现汽车的倒退行驶； ( 3 ) 实现空档状态，暂时中断动力传递，以便发动机能够启动、怠速等。 变速器作为汽车传动系的关键部件，对汽车的动力性与经济性，操纵的可 靠性与轻便性、传动的平稳性与效率都有着直接的影响【2 l 。通过调查发现，传统 机械式的手动变速器仍然是目前使用最为广泛的汽车变速器。即使它有诸多缺 点，如换档冲击大，体积大，操纵麻烦等：但同时它也有很多优点，结构简单 紧凑，使用寿命长，瞬时传动比为常数，传动效率高达9 8 ，生产和制造工艺 成熟以及成本低等，如果能改善手动变速器上述的缺点，它还是有很大发展空 间的。所以对手动变速器变速传动机构进行研究是很必要也是很有意义的。 目前，国内变速器主要采用齿轮传动机构传递动力。齿轮是手动变速器的 主要传动部件，由于其具有结构紧凑、效率高、寿命长、工作可靠和维修方便 等特点，在运动和动力的传递等方面得到了非常普遍的应用，并且有关齿轮的 设计方法也已经有了相应的规范和标准。然而随着对汽车节能环保和轻量化要 求的提高，希望变速器在尺寸和质量尽量小的情况下，仍能够可靠地进行高速、 重载的传递，同时具有更小的噪声，这些都对变速器的设计提出了更高的要求。 l 武汉理工大学硕士学位论文 但是传统的齿轮设计方法偏于安全，变速器内的部件，无论是齿轮还是轴等都 显得过于笨重，已经不能满足当前变速器轻量化的发展需要，因此对手动变速 器进行必要的优化设计，使整个传动机构既能保证具有足够的可靠性要求，又 能保证具有最佳的使用性能，这些都是值得进一步研究的课题。 为保证变速器具有良好的工作性能，变速器的设计一般有以下要求【1 1 1 3 1 ： ( 1 ) 必须正确选择变速器的档位数和传动比，使之与发动机的参数优化匹配； ( 2 ) 操纵简便、迅速省力： ( 3 ) 传动效率高，工作平稳，低噪声； “) 体积小、质量轻、承载能力强，工作可靠； ( 5 ) 使用寿命长等。 近年来，随着汽车技术的飞速进步和道路车辆密度的不断增大，对变速器 的性能要求也越来越高，设计研究中对变速器主要零部件的强度和刚度计算及 校核的意义十分重大。例如齿轮，作为变速器中的重要零件，它起着传递发动 机转矩的作用，由于车速的不断变化和频繁的换档，齿轮的运转工况较为复杂 多变，工作环境较为恶劣，对其进行科学准确的建模和强度计算十分必要。众 多的汽车工程师在改进汽车变速器性能的研究中倾注了大量的心血，使变速器 技术得到了飞速的发展。 目前的汽车齿轮传动设计中，各类齿轮的齿根弯曲强度计算仍然按照传统 方法，即将轮齿简化为“悬臂梁”来计算，而对于汽车斜齿圆柱齿轮也是先将 其转化为法面当量直齿圆柱齿轮后，再按照直齿轮的简化计算方法进行近似分 析、计算的。传统的设计方法精度比较低，容易造成浪费，其设计结果也受到 设计人员所拥有的知识程度、经验多少、对实际掌握程度多少等多种因素的影 响，在设计者设计齿轮参数时，应将相关的齿轮质量指标数据动态的计算出来 并适时显示，供其根据实际情况选择，从而达到预期的设计效果【4 l 。 1 2 变速器的分类 目前汽车上采用的变速器具有多种结构形式，按传动方式和操纵方式的不 同可作如下的分类： ( 1 ) 按变速器传动比的变化方式可分为有级式、无级式和综合式三种。 有级式变速器采用齿轮传动，由多组不同的齿轮相互啮合进行传动，它有几 个可供选择的固定传动比，其传动比的变化也不是连续的，而是分级变速的。 按其中齿轮组成轮系的不同，又可分为齿轮轴线固定的普通齿轮变速器和部分 2 武汉理工大学硕士学位论文 齿轮( 行星齿轮) 轴线旋转的行星齿轮变速器两种。 无级式变速器的传动比可在一定范围内连续变化，根据传力介质的不同又可 分为液力式和电力式。 综合式变速器由液力变矩器和行星齿轮式变速器共同组成的，其传动比可以 在最大值与最小值之间若干个分割的区间内作无级变化。 ( 2 ) 按变速器操纵方式的不同可分为强制操纵式、半自动操纵式和自动操纵 式三种。 强制操纵式变速器是靠汽车驾驶员直接用手操纵变速杆来实现选档和换档 的。齿轮式有级变速器大都采用的是强制操纵的换档方式。 半自动操纵式变速器可分为两种，一种是部分档位自动换档，部分档位手动 ( 强制) 换档；另一种是预先用按钮选定档位，同时连接变速器换档机构的控 制系统，在控制系统操纵下由执行机构自行换档。 自动操纵式变速器的传动比选择和换档是自动进行的。驾驶员只需操纵加速 踏板，变速器的自动控制系统就可以根据发动机的负荷型号和车速的变化信号 自动地选定档位来控制执行元件，实现档位变换【5 7 】。 1 3 国内外现状 汽车行驶的速度是不断变化的，即要求汽车变速器的变速比要尽量多，这 就是无级变速( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n 简称c v t ) 。尽管传统的齿轮变 速器并不理想，但以其结构简单、效率高、功率大三大显著有点依然占领着汽 车变速器的主流地位。在跨越了三个世纪的一百多年后的今天，汽车还没有使 用上满意的无极变速器，这是汽车的无奈和缺憾。但是，人们始终没有放弃寻 找实现理想汽车变速器的努力，各大汽车厂商对无极变速器( c v l 3 表现了极大的 热情，极度重视c v t 在汽车领域的实用化进程。这是世界范围尚未根本解决的难 题，也是汽车变速器研究的终极目标。 ( 1 ) 自动变速器发展趋势分析 液力自动变速器已有6 0 多年的历史，其优点是技术成熟、性能可靠，因此 国外一直未停止对液力自动变速器替代品的研究与开发。 对于电控机械式自动变速器，虽然世界上许多国家投入了研究与开发，但 一直未见批量生产的报道，足见其进展的艰难。尽管电控机械式自动变速器产 业化的进程不会一帆风顺，但前景是广阔的。在更能满足重型车的动力传递要 求方面，电控机械式自动变速器更具发展的优势。 武汉理工大学硕士学位论文 金属带无级自动变速器商品化的时间虽不长，目前在汽车变速器中的占有 率也不高，但从产品性能看，其发展前景却十分看好。 ( 2 ) 手动变速器发展趋势分析 手动变速器的许多最近的发展集中在为降低成本和体积的新制造方法上。 传统来说，变速器制造包含大量昂贵的机器，以及为机械加工和装配操作所需 留出的空间限制的设计。 最新的技术包括，如在最新的f o r d g e t r a 9 6 档变速器中可以看到的激光焊接 冲压钢滑动齿轮选择器轴套。为替代前一代变速器的铸铁拨叉，这种精致而坚 固的设计方案可以导致更少的对内部的损害。 齿轮盘片的激光和摩擦焊接同时保证了所需机器设计空间的降低，这是一 种由雷诺公司在5 档副轴圆型变速器设计中发明的技术，命名为e m i ，曾在2 0 0 0 年展出并因为它的简单和轻便仅2 2 公斤却能提供1 4 0 n m 的转矩而出名。另一 方面，设计人员也在其齿轮提供转矩输出的设计上进行了认真的研究，提高了 耐久性和低噪声水平。 从变速器的发展现状中我们可以看出，无论是自动变速器还是手动变速器， 都存在着优点和某些不足，所以对于一款新设计出的变速器进行适当的优化是 必不可少的。传统的汽车变速器设计是采用许多经验公式计算和测绘同类型变 速器来初步确定其参数，这样设计出来的变速器盲目性比较大，常过于保守。 减小体积和质量，提高传扭能力，是当前汽车变速器优化设计的主要目的，因 为减小变速器的体积和质量可减少制造费用，降低齿轮动载荷，提高齿轮寿命， 使汽车的总体布置更为方便和灵活。 当发动机选定时，就要求设计的变速器在规定的使用年限内保证其性能， 而且要求变速器体积最小，节省材料，降低成本。如何达到此要求，如何合理 地分配传动比，合理选择各档的模数、齿数、螺旋角、齿轮变位系数等，传统 设计方法是根据经验类比、估算或试凑的方式初步确定这些参数，然后再进行 刚度与强度等校核，若不合适，就对其中某参数进行修改，再进行重复计算， 直到满意为止。这种设计方法在一定程度上伴随着主观性，而通过变速器专业 软件的优化功能，可适当的消除这种盲目性和主观性。 目前用于变速器设计的专业软件如r o m a x 和m a s t a 均带有优化功能， 它可以对齿轮进行宏观的优化，如在速比不变的情况下，可通过优化齿轮的基 本参数：螺旋角、模数、压力角，改变接触安全系数、弯曲安全系数的权值， 提高重合度，以达到提高齿轮的接触安全系数及弯曲安全系数的目的。除了可 对齿轮进行宏观优化外，也可以对齿轮进行微观修形，在齿形和齿向上进行修 4 武汉理工大学硕士学位论文 形，以降低齿轮的传递误差。 在机械设计领域中，追求最优的设计方案一直是工程设计人员不懈努力、 奋斗不止的理想和目标，并且在长期的设计实践中产生了诸如进化优化、直觉 优化、试验探索优化等一些优化策略与方法，并在“设计评价再设计”的过程 中，自觉或不自觉地利用经验、知识、图解分析、黄金分割和分析数学等一些 经典的优化方法进行优化设计。随着近代数学分支数学规划论的创立，特 别是近5 0 年来，计算机及其计算技术的迅速发展，使得对工程设计中较复杂的 一些优化问题的计算有了重要的工具，并在航空航天、汽车和船舶等民生要害 工业部门及其一些重大工程设计的应用中取得了较好的技术和经济效果，同时 也促进了工程优化设计理论和方法的发展1 8 j 。 目前的优化设计中，关于优化计算算法及程序经过科研工作者和设计人员 多年的努力，已经做出了相当出色的工作，但是在优化设计建模，特别是适合 于c a d 技术的自动建模和优化计算结果的分析与评价方面的研究却比较落后， 以致阻碍了优化设计在c a d c a m 中的应用。 结合目前变速器产品设汁的全局来看，其优化设计多数还仅仅停留在确定 设计方案后的参数优化计算方面。而面向变速器设计的过程，应将优化设计拓 宽到全系统、全性能和全寿命周期的优化，它是适应产品设计、c a d 技术发展 需求和在现代科学技术支持下的优化设计技术的新发展。 1 4 研究内容 本文主要参考国外同类齿轮软件的设计，结合国内变速箱设计的实际情况， 对手动变速器的结构、工作原理及工作过程进行一定的研究。首先确定该微型 汽车手动变速器的设计方案，包括齿轮和轴的总布置形式、换档操纵机构及档 位布置形式等；其次根据所配发动机的基本参数以及考虑到整车动力性和经济 性要求的传动比，设计计算出变速器主要零件的相关参数，通过对设计参数的 分析，找到影响手动变速器性能的因素。 全面了解手动变速器开发所需的性能指标和试验方法，通过软件模拟其实 际负载工况，完成齿轮、轴和轴承等主要零件以及同步器同步过程的分析，并 与理论分析相比较；同时针对各影响因素结合变速器的结构和目标性能进行优 化，将优化后的模型再次进行仿真模拟并评估优化后的结果。探索运用专业软 件对手动变速器进行建模，并对其结构进行仿真分析和优化的方法，为今后新 变速器的开发与应用提供了较好的指导作用。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章手动变速器的结构原理与型式分析 2 1 手动变速器的基本结构和工作原理 图2 - 1 东风e q l 0 9 1 e 汽车五档变速器 l 一输入轴；2 一输入轴常啮合齿轮；3 一输入轴齿轮接合齿圈；4 、9 接合套：5 一四档齿 轮接合齿圈；6 一输出轴四档齿轮：7 一输出轴三档齿轮；g 一三档齿轮接合齿圈；1 0 一二档 齿轮接合齿圈；1 l 一输出轴二档齿轮；1 2 一输出轴一档、倒档滑动齿轮：1 3 变速器壳体： l 蝴出轴；1 5 一中间轴；l 仁倒档轴；1 7 、1 9 _ 倒档中间齿轮；1 卜中间轴一档、倒档 齿轮：2 旺中间轴二档齿轮：2 l 一中间轴三档齿轮；2 2 一中间轴四档齿轮；2 卜中间轴常 啮合齿轮；2 4 、2 5 花键毂；2 6 一输入轴轴承盖；2 7 轴承盖回油螺纹；2 8 通气塞：2 9 一 速度里程表主动齿轮：3 0 一中央制动器底座 图2 1 所示为东风e q l 0 9 1 e 汽车五档变速器1 6 1 。该变速器包括有输入轴l 、 中间轴1 5 和输出轴1 4 等三根固定轴线的传动齿轮轴，故又称为三轴式变速器。 输入轴l 的左端支承在发动机飞轮后部的中心孔内，通过向心球轴承相连， 而轴右端则通过向心球轴承支承于变速器壳体的前壁。输入轴的最左端为渐开 6 武汉理工大学硕士学位论文 线花键，用于安装离合器从动盘总成。其最右端为输入轴的常啮合齿轮2 ，它与 中间轴常啮合齿轮2 3 啮合，常啮合齿轮2 的右侧部分为接合齿圈3 ，其上套有 同步锥环。向心球轴承外座圈上装有卡环，同时用输入轴轴承盖2 6 压紧，盖内 孔壁上有回油螺纹2 7 ，用来防止润滑油漏出。 中间轴1 4 的左右两端分别通过滚柱轴承和向心球轴承支承于变速器壳体的 前、后壁上。轴上依次安装有中间轴常啮合齿轮2 3 、中间轴四档齿轮2 2 、中问 轴三档齿轮2 l 以及中间轴二档齿轮2 0 ，分别与输入轴常啮合齿轮2 和输出轴上 的相应档位齿轮啮合。同时轴的右端还有一档、倒档齿轮1 8 ，与倒档轴上的倒 档中间齿轮1 9 啮合。 输出轴左端通过滚针轴承支承于输入轴右端的孔中，并与输入轴保持同心。 其右端通过向心球轴承支承在变速器壳体的后壁上，轴承右端的轴径上还压装 有里程表主动齿轮。输出轴上通过滚针轴承依次分别浮装有输出轴四档齿轮6 、 输出轴三档齿轮7 、输出轴二档齿轮l l 以及输出轴一档、倒档滑动齿轮1 2 等。 倒档轴1 6 压装在变速器壳体上，通过滚针轴承浮装有倒档齿轮组，包含齿 轮1 7 和齿轮1 9 。 变速器壳体内加注有润滑油以减少摩擦，壳体的侧壁有加油口，底部有放 油螺塞。润滑油采用击溅润滑的方式来润滑齿轮及各轴承，同时各档齿轮及倒 档齿轮组上均制有径向油孔，以便迸油润滑各齿轮的支承轴承。 该变速器齿轮传动机构各档工作情况如下： 当接合套4 、9 及齿轮1 2 均没有与齿轮接合，此时输入轴的动力不能传递 给输出轴，则该位置为变速器空档； 当将齿轮1 2 左移与齿轮1 8 接合时挂上一档。其动力传递路线为：输入轴l 的动力经其轴上常啮合齿轮2 、中间轴常啮合齿轮2 3 、中间轴1 5 、中间轴一档 和倒档齿轮1 8 、输出轴一档和倒档滑动齿轮1 2 再通过花键传递给输出轴端； 当将接合套9 右移与接合齿圈1 0 接合时挂上二档。其动力传递路线为：输 出轴l 的动力经常啮合齿轮副、中间轴1 5 、中间轴二档齿轮2 0 、输出轴二档齿 轮1 1 、接合齿圈1 0 、接合套9 和齿毂2 4 再传递给输出轴端； 当将接合套左移与接合齿圈5 接合时挂上三档；将接合套4 右移与接合齿 圈5 接合时挂上四档；将接合套4 左移与接合齿圈3 接合时挂上五档。动力传 递路线均和二档传动路线同理。 挂倒档时，需将齿轮1 2 右移与倒档轴上的倒档齿轮1 7 接合。此时动力传 递路线为：输入轴上的动力经常啮合齿轮副以及倒档齿轮组、再经过花键传递 给输出轴端由于倒档状况经过了三对外啮合齿轮的传动，使得输出轴的转动 7 武汉理工大学硕士学位论文 方向与输出轴的转动方向相反，从而实现了汽车的倒行。 2 2 手动变速器的结构分析与型式选择 2 2 1 手动变速器的结构分析 针对该微型汽车所配发动机的基本参数，其最大功率5 8 8 k w 6 0 0 0 r p m ，最 大转矩1 0 8 n m 4 4 0 0 r p m ，且希望其在高速时更充分地利用发动机功率，降低燃 油消耗，故将采用包含一超速档的五档三轴式变速器，且为同步器换档。考虑 到在普通结构的变速器中，同步器所受的转矩一般约为发动机转矩的2 2 5 倍， 为了使同步器所受的转矩接近发动机转矩，从而减小输入端转动惯量，缩短换 档时间，故本手动变速器将采用常啮齿轮副处于变速器后端的新型结构。 、 弋算tt 卜王贰广可 j l _ l 一士j _ t 工1 工l 且 - - 一 1r 一 1r jl _jl l。_ l 一 一 一一 1 l 工 图2 2 微型汽车手动变速器简图 图2 2 为所设计的该微型车手动变速器的简图。常啮合齿轮位于变速器的后 端( 最右端) ，即中间轴和输出轴上，其它各档齿轮从左至右依次是一档、倒档、 二档、五档和三档齿轮。四档为直接档，同时与一、二、三和五档均采用同步 器换档，倒档齿轮直接通过与五档同步器连接的拨叉进行换档，并且一二档位 同步器位于中间轴上，三四档位及五档同步器位于输入轴上。输入轴前轴承、 中间轴前、后轴承以及输出轴前轴承与变速器壳体支承，输入轴与输出轴之间 也采用轴承连接。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 手动变速器主要零件的型式选择 ( 1 ) 齿轮型式 手动变速器采用的传动齿轮主要分直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮两种。相 比较于直齿圆柱齿轮，斜齿圆柱齿轮虽然在加工制造上较为复杂且工作时有轴 向力，但仍以其运转平稳、工作噪声低及寿命长的优点广泛应用于变速器上。 由于该变速器用于微型汽车上，因此传动齿轮设计要求满足高速大转矩、低噪 音、传动平稳、耐冲击以及疲劳强度高的特点，因此五对前进档齿轮副全部选 择渐开线斜齿圆柱齿轮，仅倒档齿轮副选用直齿圆柱齿轮。在高速档时，要保 证变速器平稳运转、振动小、噪声低，选用斜齿轮为佳，其产生的轴向力可由 轴承和变速器壳体抵消；而对于倒档而言，其实际运用工况转速低，承受的转 矩小，使用频率也较低，故选用直齿轮即可。 ( 2 ) 轴的结构与分析 本设计中，变速器采用的为三轴式结构，轴工作时要同时承受转矩及弯矩 的作用，其变形将影响轴上齿轮的正常啮合，使得变速器不仅会产生较大的噪 声，也会降低轴及其装配零件的使用寿命。变速器轴的结构设计除了要保证其 自身的强度和刚度外，轴上齿轮、同步器以及轴承的安装与固定也是需要重点 考虑的，同时它与加工工艺也有着非常密切的关系。 由于本文的手动变速器采用的是常啮合齿轮副位于变速器后端( 中间轴与 输出轴上) 的新结构形式，故其轴与传统变速器轴的结构形式有较大差别。输 入轴上的小齿轮通常与轴一体做成齿轮轴的形式，轴的总长度决定于离合器总 成的轴向尺寸以及轴上各档主动齿轮和同步器的轴向尺寸之和。输入轴前端花 键尺寸与离合器从动盘毂的内花键配合统一考虑，均采用渐开线花键的形式。 从轴的受力及材料的合理使用来看，输入轴制成阶梯轴的形式较好，可以便于 轴上齿轮、花键等零件的安装。同时输入轴的各截面尺寸不应相差太大，该轴 上三档及五档主动齿轮均为接合齿形式，通过同步器完成换档，由于该车为微 型汽车，齿轮所受轴向力不是很大，故选用弹性档圈定位即可。另外对于输入 轴上同步器的安装问题，由于渐开线花键固定连接的精度要求相比于矩形花键 较低，且定位性能好，承载能力强，对于轴的刚度有提高的作用，故轴上同步 器齿毂的内花键将采用渐开线花键，并且以大径定心。 此手动变速器的中间轴将采用旋转式结构，该轴由前后两端的滚动轴承支 承，其上的三档和五档的被动齿轮及常啮合主动齿轮均采用过盈配合或焊接与 轴连接，一档和二档的接合齿齿轮及同步器安装同输入轴上的型式。对于输出 9 武汉理工大学硕士学位论文 轴，其上常啮合被动齿轮与轴焊接一体。 ( 3 ) 轴承型式 手动变速器轴上支承多采用滚动轴承，包括向心球轴承、滚针轴承和圆锥 滚子轴承等。一般情况下，轴承的选取是根据变速器的结构来确定，然后验算 其寿命。 输入轴的前轴承安装于发动机飞轮的内腔中，本变速器将采用向心球轴承； 输入轴与输出轴的连接处将采用滚针轴承，使两轴的定位精度更高，有利于齿 轮的啮合和传动效率的提高，但对其配合处的尺寸精度、表面粗糙度以及硬度 等都有较高的要求，配合需适宜。 由于输出轴要承受向外的轴向力，故其前端将采用带止动槽的向心球轴承， 后端也采用向心球轴承。 对于旋转式中间轴结构，其前后端均采用向心球轴承，与变速器壳体的上 下座相连，由于此轴承不承受轴向力，而轴上所受轴向力应力求相互抵消，故 中间轴上的轴向力均由变速器的壳体来承受。 ( 4 ) 换档机构的结构形式与分析 手动变速器的换档机构包括同步器、啮合套和直齿滑动齿轮等三种型式。 虽然同步器具有结构复杂、制造成本高以及同步环使用寿命短等问题，但 由于其能够轻便迅速且无冲击无噪声地换档，因此对汽车的动力性、燃油经济 性以及行驶安全性的提高均有很大的帮助，同时也可以延长齿轮传动的寿命。 故在现代轿车上采用的大部分都是同步器换档，本文微型汽车手动变速器五个 档位的换档机构也均是采用同步器的结构型式【1 1 。 2 3 小结 本章较为详细地阐述了手动变速器的基本结构和工作原理。结合该微型汽 车手动变速器的相关要求对所设计的变速器进行了分析并选用了一种新的结构 形式，同时对变速器的主要零件，如齿轮、轴、轴承以及换档机构的结构等型 式进行了选择和分析。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章手动变速器主要零件参数设计计算 3 1 手动变速器的档位数和传动比 为保证整车必要的动力性和经济性指标，必须合理选择和配置变速器的各 档传动比，表3 1 是经过优化后的各档传动比，在其基础上完成齿轮相关参数的 选取和计算，由于齿数取整，最后的传动比允许在指定值的5 范围内浮动。 表3 - 1 各档传动比初值 i档位一档二档三档四档五档 倒档 传动比 3 7 62 1 6 81 3 3l0 8 2 54 1 2 5 3 2 齿轮相关参数的选取和计算 3 2 1 齿轮的设计要求 作为机械传动中最重要也是最广泛的传动形式之一，齿轮传动广泛的运用 于手动变速器中。在其整个传动系统中，齿轮的作用主要是用来传递运动与动 力，因而在此工作过程中可能会出现传动的不平稳，同时产生振动、冲击与噪 声问题等。齿轮经过实际负载工况工作至一定的寿命后，就可能产生轮齿折断、 齿面接触疲劳点蚀以及磨损等形式的损伤。由以上这些问题可以看出齿轮传动 过程中必须遵循的两项基本要求：一是齿轮传动过程需具备必要的工作稳定性， 即对不同用途的齿轮需要求不同程度的工作平稳性指标，使得齿轮在其传动过 程中产生的振动、噪声等处于允许的范围内，保证整个传动系统都能正常的工 作：二是齿轮应具备足够的强度，即要求传动齿轮尺寸小、重量轻，在保证承 载能力的基本前提下有尽可能长的寿命，也就是说传动齿轮在工作过程中做到 轮齿不折断，齿面无点蚀，同时也不会因为严重的磨损而失效1 9 j 。 3 2 2 齿轮基本参数的确定 手动变速器齿轮的基本参数主要包括各档齿数、模数、齿宽、斜齿轮螺旋 武汉理工大学硕士学位论文 角、压力角、齿顶高系数以及齿轮的中心距等1 卿【9 】【l o 】【l l 】。 ( 1 ) 齿轮齿数 变速器的齿轮齿数确定应考虑以下几点因素t 应尽量满足整车动力性、经济性等对变速器各档传动比的要求； 增加齿轮齿数可适当降低齿轮传动时的噪声； 最少齿数应使齿轮不产生根切。通常变速器一档小齿轮的齿数最少，因此该 小齿轮不应产生根切，并且其根圆直径应大于所在轴的直径； 对于相互啮合的齿轮，其齿数不应有公因数，高速齿轮更应该注意这点。 ( 2 ) 齿轮模数 齿轮模数的确定受到很多因素的影响，其中最主要的是其所受载荷的大小。 由于低档齿轮与高档齿轮承受载荷的不同，故低档与高档齿轮的模数也最好做 到不相同。从齿轮现代加工工艺及日常维修的观点考虑，同一变速器中的齿轮 模数种类不应过多。需要注意的是，在变速器中心距都相同的情况下，选用小 模数的齿轮可以有效的减小传动噪声，故本文微型汽车变速器的齿轮将会选用 模数较小的齿轮。 齿轮模数初选时，可以对同类型汽车的齿轮模数进行参考来确定，也可以 根据现代汽车的大量手动变速器齿轮模数使用的统计数据，找出其中的变化规 律，即通过前人总结的经验公式来初选模数： 对于一档齿轮： m 。= o w m 。m , o , i l t l l o ，m m ( 3 一1 ) 式中：丝一发动机最大转矩，n m ； 变速器的一档传动比； ，7 变速器的传动效率，一般可取，7 = 0 9 6 。 对于高档齿轮： m 。= k c m 。一1 0 ，m m ( 3 2 ) 其中k = l 。 初选的模数用来完成齿轮齿数的分配及其相关的几何尺寸计算，最后确定 的模数值也应满足齿轮的相关强度要求，并符合g b l 3 5 7 7 8 中的规定。 ( 3 ) 齿轮齿宽 齿轮宽度较大时，其承载能力会提高，但是当齿轮受载后，由于存在轴的 挠度变形及齿轮的齿向误差等原因，使得齿轮沿齿宽方向的受力不均匀，因而 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 选择齿宽时不宜过大。通常情况下，齿宽的确定是根据齿轮模数的相关经验公 式来选取的： b = k 。m 。 ( 3 - 3 ) 式中：蜒- 齿宽系数，对直齿轮取丘= 4 4 7 0 ；对斜齿轮取k 。= 7 0 8 6 ； 所。去向模数。 对于常啮合齿轮副的齿宽系数疋可适当取大些，可以用来提高齿轮传动的 平稳性和延长齿轮工作寿命。 ( 4 ) 斜齿轮螺旋角 变速器采用斜齿轮时，其螺旋角选用范围一般在1 0 。 3 5 。选用螺旋角 太大时，会使得轴向力以及轴承承受载荷过大；而选用螺旋角太小时，又难以 发挥斜齿轮的优点。对于所设计的微型汽车变速器，要求其齿轮转速高而噪声 小，故选用螺旋角时应取较大值。 为了适当减小中间轴上的轴向力，各档齿轮的螺旋角可不相同。当常啮合 齿轮与各档齿轮的轴向力相互抵消时，各档齿轮的螺旋角应满足下式要求： 一t g f l ：盟( 3 - 4 ) ， 式中： 中间轴上常啮合齿轮螺旋角； ，中间轴上常啮合齿轮节圆半径； 屈当下标注i = 1 ，2 ，3 ，5 时，分别表示变速器一、二、三和五档中 间轴的齿轮螺旋角； 中间轴上其他各档齿轮的节圆半径。 斜齿轮螺旋角的方向有左旋和右旋之分，本设计中输入轴斜齿轮全部采用 左旋，可使得输入轴上所承受的轴向力经轴承盖直接作用于变速器的壳体上， 而不需要通过轴承的弹性档圈来传递。同时，中间轴上斜齿轮全部采用右旋， 因此相互啮合的几对齿轮副具有方向相反的轴向力，故该力可以部分抵消。 ( 5 ) 齿轮的原始齿廓参数 压力角 国家规定齿轮的标准压力角为2 0 。，因此该压力角使用的最多，同时也选 用如1 4 5 。、1 6 5 。及2 2 5 。等其他角度的压力角。压力角口的增大可以增加根 圆的齿厚，并且啮合齿轮的节圆处渐开线曲率半径也增大，使得齿轮的弯曲强 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 度和接触强度都显著提高，但同时不根切的最少齿数减小，重合度也减小，传 动时噪声也随之增大。对于本文中的微型汽车变速器，要求其噪声小，故应选 用小的压力角，同时对于该变速器，低档齿轮承载能力大，应采用大的压力角， 而高档齿轮需满足高转速工况，要求降低噪声故采用小的压力角。 齿顶高系数 一般汽车变速器的齿轮均采用标准齿顶高系数f o = 1 0 。而现代轿车变速器 多采用长齿齿轮，即齿顶高系数五大于l ，因为该长齿齿轮不仅可以增大重合度， 而且相比标准齿高齿轮在强度、噪声、动载荷和振动等方面均有明显改善，但 同时也存在着相对滑动速度大、易根切或齿顶变尖等问题，如果能有效平衡其 优缺点选取一个较好的齿顶高系数厶，则对变速器齿轮的传动性能有着很大的 帮助。 ( 6 ) 齿轮中心距 作为变速器的重要参数之一，齿轮中心距对变速器的整体尺寸和质量有着 很大的影响，所选取的中心距也应该能保证齿轮的强度。本文设计的三轴式变 速器的齿轮中心距可根据对己有变速器统计而得出的经验公式来进行初选： a = k 一3 4 m 。一，7 ( 3 5 ) 式中：髟中心距系数，对轿车有k a = 8 9 9 3 ；对于货车k 4 = 8 6 9 6 ； 丝一发动机最大转矩，n m ： 瘦速器的一档传动比； r 变速器的传动效率，同前。 另外，当汽车在良好路面上行驶时，中心距应取最小值。同时，中心距的 确定还要考虑齿轮相关的几何参数和变速器结构的要求，如模数、齿数、变位 系数及斜齿轮螺旋角要与所选的中心距相匹配。 3 2 3 各档齿轮齿数的分配 在初选了变速器的档位数、传动比、中心距、轴向尺寸及齿轮模数和螺旋 角并绘出变速器的结构方案简图后，即可对各档齿轮的齿数进行分配。 武汉理工大学硕士学位论文 输入呻 二毯倒籀二缝五毽兰趟疆挡 、v tti