前驱动轿车新型变速器毕业设计

第1章绪论

1.1 选题的背景及目的意义

随着社会的快速发展和人们生活水平的迅速提高，汽车（尤其是轿车）作为一种必不可少的交通工具已走进千家万户。在发达国家里，汽车已形成了一种文化，即所谓的“汽车文化”，这种文化影响着人们的生活，改变着人们的观念。总之，汽车工业的发展水平直接代表着一个国家基础工业和国民经济的实力。汽车工业在一个国家的发展经历着不同的阶段，据目前国家统计局的统计数字，家用经济型轿车的比重占消费总数的20%，据国外同期经济型轿车的比重45%测算，中国未来10年，经济型轿车至少应翻一番。因此设计一种适合我国国情的经济型轿车的变速器具有十分重要的意义，而且也符合全球对环境保护的要求，小排量低排放的经济型轿车肯定是未来汽车的主力。变速器设计一直是汽车设计中最重要的环节之一，它是用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，因此它的性能影响到汽车的动力性和经济性指标。从汽车诞生时起，汽车变速器在汽车传动系中扮演者至关重要的角色。现在的汽车上广泛采用活塞式内燃机，起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。例如在高速路上车速赢能达到100KM/H，而在市区内，车速通常在50km/h左右；空车在平直路面上行驶时，行驶的阻力很小，而当满载上坡时，行驶阻力便很大。为了解决这一矛盾，在传动系中设置了变速器。变速器的作用表现位：改变汽车的传动比，扩大驱动车轮转矩和转速的范围，是车辆适应各种变化的工况，同时使发动机在最理想的工况（动力性教高且经济性较好）下工作；在发动机转矩方向不变的情况下，实现汽车的倒退行驶；实现空挡，中断发动机传递给车轮的动力，以便发动机能够启动，怠速。由此可见，变速器的存在具有必然性，随着科技的告诉发展，人们对汽车的性能要求越来越高，汽车的性能，使用寿命，能源消耗，震动噪声等在很大程度上取决于变速器的性能，因此必须重视对变速器的研究。按传动比的变化方式划分，变速器可分为有级式，无级式，综合式3种；按操纵方式划分，可分为强制操纵式，自动操纵式和半自动操纵式3种。近年来，随着车辆技术的进步和车辆密度的加大，对变速的性能要求也越来越高。众多的汽车工程师在改进汽车变速器的性能的研究中倾注了大量的心血，使变速器得到飞速的发展。随着城市车辆密度的加大，自动变速器已逐渐成为汽车的必备装备，而不仅仅是豪华的标志。因为有了自动变速器，改变车速变得轻松自如，角度变化而实现传动比的连续而

且不必频繁地踩踏板。如今，几乎所有的现代汽车厂家都生产配备自动变速器的汽车，原因之一是自动变速器可以帮助发动机降低对环境的污染。自动变速器可实现最佳转速比，即使发动机低速运转，也能保障车辆随驾驶者的意愿正常行驶，油耗降低了，污染也就受到控制。虽然自动变速器不断地演变进步，但始终有缺点，即车速的反应与踏板的动作之间总有一定的差距，驾驶中缺乏直觉的印象。近年，保时捷公司又发明了一种“手控／自动变速器”，凭靠一组复杂的电子装置，可以使驾车者在自动与手动变速之间任意选择。例如，在市内行驶时，由于需要频繁地变换速度，使用自动变速器便显得非常方便；而一旦来到高速公路或其它开阔的地方，则又可将自动变速的功能关掉，转为由手控制，以此来领略驾车中的多种乐趣。这一点已逐渐成为高档车的特性。

目前手动变速器依然在汽车界应用非常广泛，自动变速器是个趋势，但手动变速器确是驾驶乐趣的极大体现者。而本设计的目的就是以我国现今汽车的发展情况探讨开发一种适合我国国情、满足家庭使用的中小型、经济实用、发动机前置前驱动的一种变速器。要求设计方法简单、可靠、实用，设计出的变速器具有较高的安全性、可靠性、实用性、经济性，满足当前经济性家庭用车的消费群体，并在方案实施上具有一定的可行性。

1.2 选题的主要研究内容

本课题的主要内容是研制开发前轮驱动轿车变速器的方案和各系统的设计，计算和校对。结合国外汽车设计的一些先进技术和国内专家们做过的一些工作，对前驱动轿车变速器的设计给出了详细的方法和较为合理的理论，本文主要预计做的工作包括以下内容：

根据所开发车型的关键所在，要全面考虑所有方面，包括可行性、经济性、安全性、舒适性、操纵稳定性、平顺性、动力性、高速性等一系列问题，才能使你开发出的车在市场上有竞争力，才能被人们所接受。

总体方案出台后，就要对变速器进行总体布置，确定各系统参数，根据各系统性能的需要开始设计各系统。

传动系统的布置和组成取决于发动机的结构形式、布置位置和车辆的驱动形式。因为该车型采用前置前驱动形式，发动机的动力通过离合器和变速器并直接带动前桥，这样传动系省去了一根传动轴，同时离合器和变速器可以与发动机制成一体，从而使总体结构非常紧凑，这种结构的关键在于等速万向节的设计与选取.本文对此加以探讨，给出合理的设计原则。

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，同时使发动机再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。变速器由变速传动机构和操纵机构组成。

第2章变速器总体方案设计

2.1 变速器的设计要求

汽车传动系是汽车的核心组成部分。其任务是调节、变换发动机的性能，将动力有效而经济地传至驱动车轮，以满足汽车的使用要求。变速器是完成传动系任务的重要部件，也是决定整车性能的主要部件之一。变速器的结构要求对汽车的动力性、燃料经济性、换档操纵的可靠性与轻便性、传动平稳性与效率等都有直接的影响。随着汽车工业的发展，轿车变速器的设计趋势是增大其传递功率与重量之比，并要求其具有更小的尺寸和良好的性能。在汽车变速器的设计工作开始之前，首先要根据变速器运用的实际场合来对一些主要参数做出选择。主要参数包括中心距、变速器轴向尺寸、轴的直径、齿轮参数、各档齿轮的齿数等。

（1）正确选择变速器的档位数和传动比，使之与发动机参数优化匹配，以保证汽车具有良好的动力性与经济性；

（2）设置空挡，用来切断发动机动力向驱动轮的传输；

（3）设置倒挡，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；

（7）变速器应有高的工作效率；

（8）变速器的工作噪声低。

除此之外，变速器还应当满足轮廓尺寸和质量小、制造成本低、拆装容易、维修方便等要求。

2.2 变速器的现状与发展方向

变速器作为传递动力和改变车速的主要装置，国内外对其操纵的方便性和档位数等方面的要求愈来愈高，目前，4档特别是5档变速器的用量已日渐增多。同时，6档变速器的装车量也在上升。电子控制式自动变速器是人们关注的焦点。它是在机械变速器的基础上，通过运用电子技术实现自动换档、自动控制离合器及油门动作的一种先进的变速装置。它能以模拟控制与数字控制两种方式作用。能连续不断地把车量

的实际行驶状况与希望实现的状况进行比较，如果两者不吻合，该控制器就会命令操纵机构，改变变速器的档位、离合器的分离与接合以及油门的开度。通过实现自动选择最佳档位和最佳换档时间，电控变速器可直接改善整车的操纵性，并使车辆在经济性最佳的范围内行驶。随着电子设备广泛的应用，电控发动机的类型也越来越多。目前国内外轿车的电控自动变速器，主要有三种操纵方式，即电子控制气动操纵、电子控制液压操纵、电子控制马达操纵。

2.3 变速器的设计内容

1、对变速器传动机构的分析与选择

通过比较两轴和中间轴式变速器各自的优缺点，以及所设计车辆的特点，确定传动机构的布置形式。

2、变速器主要参数的选择

变速器主要参数的选择：档数、传动比、中心距、齿轮参数等。

3、变速器齿轮强度的校核

变速器齿轮强度的校核主要对变速器的齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度进行校核。

4、轴的基本尺寸的确定及强度计算

对于轴的强度计算则是对轴的刚度和强度分别进行校核。

2.4 变速器传动机构的布置方案

2.4.1变速器传动方案分析与选择

机械式变速器具有结构简单、传动效率高、制造成本底和工作可靠等优点，故在不同形式的汽车上得到广泛应用。机械式变速器传动机构布置方案主要有两种：两轴式变速器和中间轴式变速器。

其中两轴式变速器多用于发动机前置前轮驱动的汽车上。与中间轴式变速器相比，它具有轴和轴承数少，结构简单、轮廓尺寸小、易布置等优点。此外，各中间档因只经一对齿轮传递动，故传动效率高，同时噪声小。但两轴式变速器不能设置直接档，所以在工作时齿轮和轴承均承载，工作噪声增大且易损坏，受结构限制其一档速比不能设计的很大。其特点是：变速器输出轴与主减速器主动齿轮做成一体，发动机纵置时直接输出动力。

而中间轴式变速器多用于发动机前置后轮驱动汽车和发动机后置后轮驱动的汽车上。其特点是：变速器一轴后端与常啮合齿轮做成一体绝大多数方案的第二轴与一轴

在同一条直线上，经啮合套将它们连接后可得到直接档，使用直接档变速器齿轮和轴承及中间轴不承载，此时噪声低，齿轮、轴承的磨损减少。

对不同类型的汽车，具有不同的传动系档位数，其原因在于它们的使用条件不同、对整车性能要求不同、汽车本身的比功率不同[5]。而传动系的档位数与汽车的动力性、燃油经济性有着密切的联系。就动力性而言，档位数多，增加了发动机发挥最大功率附近高功率的机会，提高了汽车的加速和爬坡能力。就燃油经济性而言，档位数多，增加了发动机在低燃油消耗率区下作的能力，降低了油耗。从而能提高汽车生产率，降低运输成木。不过，增加档数会使变速器机构复杂和质量增加，轴向尺寸增大、成本提高、操纵复杂。

综上所述，此次设计变速器是驱动形式属于发动机前置前轮驱动，且可布置变速器的空间较小，对变速器的要求较高，要求运行噪声小，设计车速高，故选用二轴式变速器作为传动方案。选择5档变速器，并且五档为超速档。大体结构可参考如图2.1所示的结构。

图2.1 发动机前置前轮驱动布置示意图

2.4.2倒档布置方案

常见的倒档布置方案如图2.2所示。图2.2b方案的优点是倒档利用了一档齿轮，缩短了中间轴的长度。但换档时有两对齿轮同时进入啮合，使换档困难；图2.2c方案能获得较大的倒档传动比，缺点是换档程序不合理；图2.2d方案对2.2c的缺点做了修改；图2.2e所示方案是将一、倒档齿轮做成一体，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的齿轮，换档换更为轻便。

图2.2 倒档的布置方案

综合考虑以上因素，为了换档轻便，减小噪声，倒档传动采用图2.2f所示方案。

2.5 本章小结

本章对变速器传动机构的布置方案和零、部件结构方案进行了系统的分析，并给出了此次设计的具体方案，即设计两轴式变速器，倒挡布置方案如图2.2（f）所示，前进挡皆为斜齿圆柱齿轮，倒挡为直齿圆柱齿轮，采用全同步器式换挡形式，轴承选取深沟球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承。

第3章 变速器主要零件的结构方案分析

3.1变速器齿轮

变速器用齿轮有直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮两种。直齿圆柱齿轮主要用于一档、 倒档齿轮，与直齿圆柱齿轮相比，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长、运转平稳、工作噪声低等优点，所以本设计全部选用斜齿轮。

变速器齿轮可以与轴设计为一体或与轴分开，然后用花键、过盈配合或者滑动支承等方式之一与轴连接。

齿轮尺寸小又与轴分开，其内径直径到齿根圆处的厚度b （图3.1）影响齿轮强度。要求尺寸b 应该大于或等于轮齿危险断面处的厚度。为了使齿轮装在轴上以后，保持足够大的稳定性，齿轮轮毂部分的宽度尺寸C ，在结构允许条件下应尽可能取大些，至少满足尺寸要求：

2)4.1～2.1(d C = （3.1）

式中 2d ——花键内径。

为了减小质量，轮辐处厚度δ应在满足强度条件下设计得薄些。尺寸1D 可取为花键内径的1.25～1.40倍。

图3.1 变速器齿轮尺寸控制图

齿轮表面粗糙度数值降低，则噪声减少，齿面磨损速度减慢，提高了齿轮寿命。变速器齿轮齿面的表面粗糙度应在40.080.0a a ～R R μm 范围内选用。

要求齿轮制造精度

不低于7级。

3.2 轴

变速器轴多数情况下经轴承安装在壳体的轴承孔内。当变速器中心距小，在壳体的同一端面布置两个滚动轴承有困难时，输出轴可以直接压入壳体孔中，并固定不动。

用移动齿轮方式实现换档的齿轮与轴之间，应选用矩形花键连接，以保证良好的定心和滑动灵活，而且定心外径及矩形花键齿侧的磨削比渐开线花键要容易。两轴式变速器输入轴和中间轴式变速器中间轴上的高档齿轮，通过轴与齿轮内孔之间的过盈配合和键固定在轴上。两轴式变速器的输出轴和中间轴式变速器的第二轴上的常啮合齿轮副的齿轮与轴之间，常设置有滚针轴承、滑动轴承，少数情况下齿轮直接装在轴上。此时，轴的表面粗糙度不应低与8.0

Rμm，硬度不低于58～63HRC。因渐开线花

a

键定位性能良好，承载能力大且渐开线花键的齿短，小径相对增大能提高轴的刚度，所以轴与同步器上的轴套常用渐开线花键连接。

倒档轴为压入壳体孔中并固定不动的光轴，并由螺栓固定。

由上述可知，变速器的轴上装有轴承、齿轮、齿套等零件，有的轴上又有矩形或渐开线花键，所以设计时不仅要考虑装配上的可能，而且应当可以顺利拆装轴上各零件。此外，还要注意工艺上的有关问题。

3.3 轴承

变速器轴承常采用圆柱滚子轴承、球轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、滑动轴套等。滚针轴承、滑动轴承套主要用在齿轮与轴不是固定连接，并要求两者有相对运动的地方。

变速器中采用圆锥滚子轴承虽然有直径较小、宽度较大因而容量大、可承受高负荷等优点，但也有需要调整预紧、装配麻烦、磨损后轴易歪斜而影响齿轮正确啮合的缺点。

由于本设计的变速器为两轴变速器，具有较大的轴向力，所以设计中变速器输入轴、输出轴的前、后轴承按直径系列均选用圆锥滚子轴承。

3.4操纵机构布置方案

3.4.1概述

根据汽车使用条件的需要，驾驶员利用操纵机构完成选档和实现换档或退到空档。

变速器操纵机构应当满足如下主要要求[9]：换档时只能挂入一个档位，换档后应使齿轮在全齿长上啮合，防止自动脱档或自动挂档，防止误挂倒档，换档轻便。

变速器操纵机构通常装在顶盖或侧盖内，也有少数是分开的。变速器操纵机构操纵第二轴上的滑动齿轮、啮合套或同步器得到所需不同档位。

用于机械式变速器的操纵机构，常见的是由变速杆、拨块、拨叉、变速叉轴及互锁、自锁和倒档装置等主要零件组成，并依靠驾驶员手力完成选档、换档或推到空档工作，称为手动换档变速器。

直接操纵式手动换档变速器当变速器布置在驾驶员座椅附近时，可将变速杆直接安装在变速器上，并依靠驾驶员手力和通过变速杆直接完成换档功能的手动换档变速器，称为直接操纵变速器。这种操纵方案结构最简单，已得到广泛应用。近年来，单轨式操纵机构应用较多，其优点是减少了变速叉轴，各档同用一组自锁装置，因而使操纵机构简化，但它要求各档换档行程相等。

3.4.2典型的操纵机构以及锁止装置

图3.2 典型的操纵机构图

定位装置的作用是将被啮合件保持在一定位置上，并防止自动啮合和分离，一般采

用弹簧和钢球式机构。

1、换档机构

变速器换档机构有直齿滑动齿轮、啮合套和同步器换档三种形式。

采用轴向滑动直齿齿轮换档，会在轮齿端面产生冲击，齿轮端部磨损加剧并过早损坏，并伴随着噪声。因此，除一档、倒档外已很少使用。

常啮合齿轮可用移动啮合套换档。因承受换档冲击载荷的接合齿齿数多，啮合套不会过早被损坏，但不能消除换档冲击。目前这种换档方法只在某些要求不高的档位