某紧凑型轿车两轴式五档变速器设计-本科毕业设计论文-开题报告

本科生毕业设计-VX gong zong hao“迷你车咖”

本科毕业设计

某紧凑型轿车两轴式五档变速

器设计

XX 大学

XXXXX年6月

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本科毕业设计

某紧凑型轿车两轴式五档变

速器设计

学院（系）：XXXXX

专业：车辆工程

学生姓名：XXXXX

学号：XXXXX

指导教师：XXXXX

答辩日期：XXXXX

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XXXXX大学毕业设计任务书

学生各执一份。

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附录：

轿车的相关参数

摘要

摘要

本设计的任务是设计一台用于某紧凑型轿车的手动变速器。变速器作为汽车传动系统的重要组成部分。本次设计题目是某紧凑型轿车两轴式五档变速器。根据给定参数进行结构方案分析，要求完成变速器的机械设计、强度计算、结构设计与设计图纸绘制。

此论文，它主要包括结构分析、方案论证、计算、校核。结构分析是对所选结构中个主要零部件进行设计计算，其中包括机械是变速器中心距、齿轮参数的设计计算，还有输入轴和输出轴的设计。校核计算则是对经设计计算的主要零部件进行校核。它在各零部件计算之后直接给出。

关键词：变速器；分析；计算；校核

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Abstract

The task of this design is to design a type manual transmission used to a compact car.Transmission is the important part of automotive driveline components. The design was entitled a compact car manual transmission design .Structural analysis program and then according to the given parameters and requirements to complete the transmission of mechanical design, strength calculation, structural design, drawn with the design drawings.

This paper, it mainly includes the structural analysis of the demonstration program, calculated check. Structure analysis is the main components of the selected structure design, including mechanical transmission center distance, gear parameters of the design calculations, the input shaft and output shaft designs. Check calculation of the main components of the calculation by the design check. It is given directly in the calculation of the various parts.

Key words Transmission；Analysis；Calculation；Checking

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目录

摘要............................................................................................................................ I Abstract ..................................................................................................................... II 第1章绪论. (1)

1.1本次设计的目的及意义 (1)

1.2变速器发展基本现状 (1)

1.3变速器设计面临的主要问题 (2)

1.4研究的主要内容 (3)

第2章变速器总体方案设计 (4)

2.1毕业设计任务及要求 (4)

2.2变速器的功用及设计要求 (4)

2.3变速器传动机构的型式选择与结构分析 (5)

2.4三轴式变速器与两轴式变速器 (5)

2.5换档结构型式 (7)

2.6变速器主传动方案 (7)

2.7倒档的布置方案 (8)

2.8本章小结 (9)

第3章变速器齿轮和轴参数的计算 (10)

3.1主要参数 (10)

3.2中心距 (11)

3.3齿轮模数 (12)

3.4齿形、压力角、螺旋角和齿宽 (12)

3.5齿轮的变位系数 (13)

3.6确定一档齿轮齿数 (14)

3.7确定倒档齿轮齿数和中心距 (14)

3.8齿轮主要参数 (15)

3.9本章小结 (16)

第4章齿轮材料选择及强度校核 (17)

4.1齿轮的损坏原因 (17)

4.2齿轮材料及热处理 (17)

4.3计算各档转矩 (17)

4.4齿轮弯曲应力校核 (18)

4.4.1直齿轮弯曲应力 (18)

4.4.2 斜齿轮弯曲应力 (19)

4.5齿轮材料接触应力 (20)

4.6本章小结 (21)

第5章变速器轴的设计与校核 (22)

5.1轴的功用及设计要求 (22)

5.2变速器轴的结构和尺寸 (22)

5.2轴的校核 (22)

5.2.1第一轴的强度与刚度校核 (23)

5.2.2输出轴强度与刚度校核 (24)

5.3轴上花键的设计计算 (26)

5.4花键的校核 (27)

5.5本章小结 (28)

第6章变速器轴承的选用与校核 (29)

6.1轴承的选用 (29)

6.2轴承校核 (29)

6.2.1输入轴轴承校核 (29)

6.2.2输出轴轴承校核 (30)

6.3本章小结 (30)

第7章变速器同步器设计 (31)

7.1同步器设计 (31)

7.1.1同步器的工作原理 (31)

7.1.2同步环主要参数的确定 (32)

7.2本章小结 (34)

结论 (35)

参考文献 (36)

致谢 (37)

附录1开题报告 (38)

附录2文献综述 (43)

附录3外文翻译 (48)

附录4翻译原文 (59)

第一章绪论

第1章绪论

1.1 本次设计的目的及意义

随着经济和科学技术的不断的发展，汽车工业也渐渐成为我国支柱产业，汽车的使用已经遍布全国[1]。而随着我国加入WTO，人民生活水平的不断

提高，微型客货两用车、轿车等高级消费品已进入平常家庭。

在我国，汽车工业起步较晚。入世后，我国的汽车工业面临的是机遇和挑战。随着我国汽车工业不断的壮大，以及汽车行业持续快速的发展，如何设计出经济实惠，工作可靠，性能优良，且符合中国国情的汽车已经是当前汽车设计者的紧迫问题。在面临着前所未有的机遇同时，不得不承认在许多技术上，我国与发达国家还一定的差距，所以我们要努力为我国的汽车工业做出应有的贡献。

经过这几年的刻苦学习，我掌握了多门基础知识和专业知识。在大学毕业，即将走向工作岗位之际，按国家教委和学校的要求，进行了对轿车五档变速器的设计。毕业设计是对每个大学生进行知识掌握与实际运用的一次大检阅，充分体现了一个设计者的知识掌握程度和创新思想。通过本次设计，我将进一步巩固所学的知识，提高实际运用能力，并为以后参加工作打下良好的基础。

1.2 变速器发展基本现状

在汽车变速箱100多年的历史中，主要经历了从手动到自动的发展过程[2]。目前世界上使用最多的汽车变速器为手动变速器（MT）、自动变速器（A T）、手自一体变速器（AMT）、无级变速器（CVT）、双离合变速器（DCT）五

种型式[2]。

它们各有优缺点：MT的节能效果最好、经济性娱乐性强，但对驾驶技术要求高；A T的节能效果差一些，但是操作简单、舒适性好、元器件可靠

性高；AMT具备前两者的优点，但在换挡时会有短暂的中断，舒适性差一些；CVT结构简单、效率高、功率大、车速变化平稳，但它的传动带容易

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损坏，无法承受较大的载荷；DCT结合

了手动变速器的燃油经济性和自动变速器的舒适性，它是从传统的手动变速器演变而来，目前代表变速器的最高技术。

在我国，据调查2007年手动变速器的市场比重为74%，占据较大的市场份额。从2002到2007年间自动档变速器市场占有率从9%增长到26%，Global Insight公司预计到2012年自动档变速器将占据33%的份额，而乘用车市场自动档所占的比例可能达到44%。同时手动档变速器的节能型，经济性以及驾驶娱乐性也决定了其不可替代性[3]。

针对中国变速器市场发展趋势，Global Insight的亚洲区技术分析师段诚武博士阐述了几点自己的见解：

（1）在短期内，手动档变速器仍然占据主要份额，而自动档变速器将有更大的增长空间。

（2）鉴于中国市场情况的复杂性，长期来看变速器不是单一式的发展趋势，没有哪一种形式变速器会成为最后的赢家。

（3）在中国市场，从技术支持、目前的市场份额以及设备提供这几个方面来看AMT与LPG、AUTOE和汽油、CVTE和混合动力以及DCT和柴油都具有相似性。

（4）从长远来看，中国本土的企业应该更加关注DCT这个产品，因为它将有非常好的前景。

1.3 变速器设计面临的主要问题

在汽车工业高速发展的今天，随着世界燃油价格的日益上涨和运用在汽车各种配件上的技术日趋成熟，变速器发展面临的主要问题如下：（1）如何设计出更加节能环保、经济型的变速器，将是变速器乃至汽车发展所要面临的一个巨大问题。

（2）自动变速器之所以发展如此迅速是因为它操纵起来简单方便，但同时也减少了驾车的乐趣。因此，在不减少驾车娱乐性的同时，又能使操纵更加方便快捷，也是变速器设计时要考虑的一个重要问题。

（3）如何设计出结构更简单、传动效率更高、使汽车车速变化更加平

第一章绪论

稳以及驾车舒适性更高的变速器，则一直都是变速器设计所要攻克的技术难关。

1.4 研究的主要内容

（1）首先对比各种结构优缺点，确定结构方案；

（2）参照汽车设计等资料，对变速器齿轮、轴等进行基本参数计算,选择合适的轴承；

（3）对齿轮和轴承进行寿命校核；

（4）画出装配图和重要的零件图。

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第2章变速器总体方案设计

2.1 毕业设计任务及要求

本次毕业设计的任务是设计一台用于轿车上的五档变速器，其主要指标参考捷达手动变速器。因此本设计所选用的变速器型式为FR式手动五档变速器，是基于新捷达CIF舒适型MT而开展的，设计中所采用的相关参数详见第3章。

要求完成变速器的选型、设计计算并绘制相关图纸。

2.2 变速器的功用及设计要求

变速器是能固定或分档改变输出轴和输入轴传动比的齿轮传动装置，又称变速箱。它作为汽车动力系统重要的组成部分，主要用于转变从发动机曲轴传出的转矩和转速，以适应汽车在起步、加速、行驶以及克服各种道路障碍等不同行驶条件下对驱动车轮牵引力及车速的不同需求。此外，变速器还用于使汽车能倒退行驶和在起动发动机以及汽车滑行或停车时使发动机与传动系保持分离；必要时还应有动力输出功能。

为保证变速器具有良好的工作性能，对变速器应提出如下设计要求[4]。

（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）设置空档，以保证汽车在必要时能将发动机与传动系长时间分离；设置倒档，使汽车可以倒退行驶。

（3）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。

（4）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

第二章变速器总体方案设计

用圆锥滚柱轴承可以减小中心距。

（5）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。

（6）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。

（7）贯彻零件标准化、部件通用化和变速器总成系列化等设计要求，遵守有关标准和法规。

（8）需要时应设计动力输出装置。

2.3 变速器传动机构的型式选择与结构分析

变速器的种类很多，按其传动比的改变方式可以分为有级、无级和综合式的。有级变速器按根据前进档档数的不同，可以分为三、四、五档和多档变速器；而按其轴中心线的位置又分为固定轴线式、螺旋轴线式和综合式的。其中固定轴式应用广泛，有两轴式和三轴式之分，前者多用于发动机前置前轮驱动的汽车上，而后者多用于发动机前置后轮驱动的汽车上。

2.4 三轴式变速器与两轴式变速器

现代汽车大多都采用三轴式变速器。以下是三轴式和两轴式变速器的传动方案。

三轴式变速器如图2-1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。

两轴式变速器如图2-2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

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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；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。

由于本设计的汽车是发动机前置，前轮驱动，因此采用二轴式变速器。

1—第一轴；2—第二轴；3--中间轴

图2-1 轿车三轴式四档变速器

第二章变速器总体方案设计

1—第一轴；2—第二轴；3—同步器

图2-2 两轴式变速器

2.5 换档结构型式

现在大多数汽车的变速器都采用同步器换档。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。

在本设计中所采用的是锁环式同步器，该同步器是依靠摩擦作用实现同步的。但它可以从结构上保证结合套与待啮合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，以免齿间冲击和发生噪声。

2.6 变速器主传动方案

通过对变速器型式、传动机构方案及主要零件结构方案的分析与选择，并根据设计任务与要求，最终确定的传动方案如图2-3所示。其传动路线：1档：输入轴→2→1→1、3间同步器→输出轴→输出

2档：输入轴→4→3→1、3间同步器→输出轴→输出

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3档：输入轴→6→5→5、7间同步器→输出轴→输出

4档：输入轴→8→7→5、7间同步器→输出轴→输出

5档：输入轴→10→9→9、11同步器→输出轴→输出

倒档：输入轴→12→13→11→9、11同步器→输出轴→输出

图2-3 五档变速器结构简图

2.7 倒档的布置方案

常见的倒档结构方案有以下几种[5]：

图2-4a为常见的倒挡布置方案。在前进档的传动路线中，加入一个传动，使结构简单，但齿轮处于正负交替对称变化的弯曲应力状态下工作。此方案广泛用于轿车和轻型货车的四档全同步器式变速器中。

图2-4b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。某些轻型货车四档变速器采用此方案。

图2-4c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2-4d所示方案针对前者的缺点做了修改，因而经常在货车变速器中使用。

第二章变速器总体方案设计

图2-4e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2-4f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2-4g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。

综合考虑，本次设计采用图f所示方案的倒档换档方式。

图2-4.倒档布置方案图

2.8 本章小结

变速箱的形式为两轴式变速器，采用锁环式同步器，确定了传动方案和倒档机构。

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第3章 变速器齿轮和轴参数计算

3.1 主要参数

最高时速：180 km/h 最大扭矩：160 N·m/3500rpm 最大功率：90kW/6000rpm 整备质量：1200 kg 轮 胎：195/55R15 90H 主减速比：3.41

3.1.1档位数和传动比

近年来，为了降低油耗，变速器的档数有增加的趋势。目前，乘用车一般用4~5个档位的变速器。本设计也采用5个档位。

选择最低档传动比[5]时，应根据汽车最大爬坡度、驱动轮与路面的附着力、汽车的最低稳定车速以及主减速比和驱动轮的滚动半径等来综合考虑、确定。

汽车爬陡坡时车速不高，空气阻力可忽略，则最大驱动力用于克服轮胎与路面间的滚动阻力及爬坡阻力。故有

max max max 0max )sin cos (ψααηmg f mg r i i T r

T

gI e =+≥

则由最大爬坡度要求的变速器Ⅰ档传动比η

ψ0max max i T r mg i e r

g ≥ （3-1）

式中 m ——汽车总质量；

g ——重力加速度；

ψmax

——道路最大阻力系数；

第3章 变速器齿轮和轴参数计算

r r

——驱动轮的滚动半径； T emax

——发动机最大转矩；

i 0——主减速比；

η ——汽车传动系的传动效率。 根据驱动车轮与路面的附着条件?η2max G r i T r

T

gI e ≤

求得的变速器I 档传动比为：

T

e r

gI i T r G i η?0max 2≤

（3-2）

式中 G 2——汽车满载静止于水平路面时驱动桥给路面的载荷； φ ——路面的附着系数，计算时取φ=0.5~0.6。

由已知条件：满载质量 1200kg ；r r =337.25mm ；T e max =160Nm ；i 0=3.41；η=0.95。

根据公式（3-2）可得：i gI =3.155。

超速档的的传动比一般为0.7~0.8，本设计取五档传动比i g Ⅴ=0.85。 中间档的传动比理论上按公比为：

1

min

max -=n g g i i q （3-3）

的等比数列，实际上与理论上略有出入，因齿数为整数且常用档位间的公比宜小些，另外还要考虑与发动机参数的合理匹配。根据上式可得出：q =1.51。

故有：944.1=gII i 、370.1=gIII i 、032.1=gIV i 。

3.2 中心距

中心距对变速器的尺寸及质量有直接影响，所选的中心距、应能保证齿轮的强度。变速器的中心距A ，可根据对已有变速器的统计而得出的经验公式进行初选。

3Im ax A T K A = （3-1）

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式中K A ——中心距系数，对轿车取K A =8.9~9.3；

T Imax ——变速器处于一档时的输出扭矩： T I max =T emax i gI η =160*3.155*0.95=449.6

故可得出初始中心距A =69.7mm （K A =9.1）为了检测方便，中心距A 最好取整数，则取A =70.0mm

3.3 齿轮模数

齿轮模数选取的一般原则[6]：

（1）为了减少噪声应合理减小模数，同时增加齿宽； （2）为使质量小些，应该增加模数，同时减少齿宽； （3）从工艺方面考虑，各挡齿轮应该选用一种模数； （4）从强度方面考虑，各挡齿轮应有不同的模数。

对于轿车，减少工作噪声较为重要，因此模数应选得小些；对于货车，减小质量比减小噪声更重要，因此模数应选得大些。

建议用下列各式选取齿轮模数，第一轴常啮合斜齿轮的法向模数m n

3Im 47.0ax n T m = 其中160max =e T N·m ，可得出m n =2.5。

表2-2汽车变速器常用的齿轮模数

轿车排量为1.8L ，则m n =2.5符合要求。

3.4 齿形、压力角α、螺旋角β和齿宽b

汽车变速器齿轮的齿形、压力角、及螺旋角按表3-1选取。