四轮驱动汽车变速器毕业设计

摘要

汽车作为人类的代步工具，在生活中起着越来越重要的作用。变速器是传动系中的主要部件。它用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速。目的是在各种工作状况下，使汽车获得不同的牵引力和速度。从而使汽车拥有良好的动力性和燃油经济性。本次设计以东风悦达起亚 2.0L手动档四驱狮跑车汽车的一些整车参数和发动机参数为设计依据，进行手动档变速器的设计。设计的主要内容包括变速器传动机构布置方案的确定，变速器主要参数如挡数、传动比范围、中心距、各挡传动比、齿轮参数、各挡齿轮齿数的选择，齿轮、轴的设计校核，同步器、操纵机构及箱体的设计。在设计的过程中，本文根据轿车变速器的设计要求和车辆动力传动系统自身的特点，参考多篇文献资料，以及变速器设计图册，设计出中间轴式变速器。

关键词：变速器；齿轮；轴；设计；计算机辅助设计

ABSTRACT

Automobile as a means of transport of human life plays an increasingly important role. Transmission is the main power train components. It is used to change the engine's torque spread and wheel speed. Aim is to work in a variety of conditions，different vehicle traction and speed，so that the car has good power and fuel economy。The transmission is designed based on engine parameters and vehicle parameters of Dongfeng Yuedaqiya 2.0L Shipao automobile in this text. The main design contents include the layout program of transmission drive-mechanism, the selection of main transmission parameters such as shifts, the range of gear ratio, center-spacing, each gear ratio, gear parameters and the numble of each gear, the design and verification of gears and shafts, the design of synchronizer, manipulation-framework and gearbox. Bases on the design requirement and the characteristic of power transmission system, consulting a great deal of literatures and transmission design drafts, a kind of three-shafted transmission is designed.

Key words: Transmission；Gear；Shaft；Design；Computer Aided Design

目录

摘要 (Ⅰ)

Abstract (Ⅱ)

第1章绪论 (1)

1.1 课题研究的现状 (1)

1.2 课题研究的目的和意义 (2)

1.3设计完成的主要内容 (3)

1.4车型基本参数 (3)

第2章变速器传动机构布置方案 (5)

2.1 传动机构布置方案分析 (5)

2.1.1两轴式和中间轴式变速器 (5)

2.1.2倒档的形式和布置方案 (5)

2.2 零、部件布置方案分析 (7)

2.2.1齿轮形式 (7)

2.2.2换档的结构形式 (7)

2.2.3变速器轴承 (7)

2.3本章小结 (8)

第 3 章变速器主要参数的选择及设计计算 (9)

3.1变速器的档位数，传动比和中心距的确定 (9)

3.1.1档数 (9)

3.1.2传动比范围 (9)

3.1.3确定最低档传动比 (9)

3.1.4初步确定其他各档传动比 (11)

3.1.5初选中心矩 (11)

3.2齿轮参数的确定 (12)

3.2.1齿轮的模数 (12)

3.2.2压力角α (13)

3.2.3螺旋角β (14)

3.2.4齿宽 (14)

3.2.5 齿轮的变位系数的选择原则 (15)

3.2.6齿顶高系数 (16)

3.2.7 各档传动比及其齿轮齿数的确定 (16)

3.2.8变速器齿轮的几何尺寸计算 (21)

3.3本章小结 (29)

第4章变速器主要结构元件的设计与计算 (30)

4.1 齿轮损坏的原因及形式 (30)

4.2 轮齿强度计算 (31)

4.2.1轮齿弯曲强度计算 (31)

4.2.2轮齿接触应力计算 (35)

4.3 变速器齿轮材料的选择及热处理 (39)

4.4轴的设计计算 (40)

4.4.1初选轴的直径 (40)

4.4.2轴的刚度验算 (41)

4.4.3轴的强度计算 (48)

4.5本章小结 (53)

第5章同步器的选择 (54)

5.1 惯性式同步器 (54)

5.1.1锁环式同步器的结构 (54)

5.1.2锁环式同步器的工作原理 (55)

5.1.3锁环式同步器主要尺寸的确定 (55)

5.2主要参数的确定 (56)

5.2.1摩擦因数f (56)

5.2.2同步环主要尺寸的确定 (57)

5.2.3锁止角β (58)

5.2.4同步时间 (58)

5.2.5转动惯量的计算 (58)

5.3本章小结 (59)

第6章变速器操纵机构的选择和箱体设计原则 (60)

6.1变速器操纵机构的选择 (60)

6.2变速器箱体设计原则 (60)

6.3本章小结 (61)

第7章变速器齿轮和轴的建模 (62)

7.1齿轮建模 (62)

7.2轴的建模 (64)

7.3本章小结 (65)

结论 (66)

参考文献 (67)

致谢 (68)

附录 (69)

附录A 英语科技文献 (69)

附录B 文献翻译 (73)

第1章绪论

1.1课题研究的现状

汽车变速器是汽车的重要部件之一，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、加速等各种行使工况下，使汽车获得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。变速器设有空档，可在起动发动机、汽车滑行或停车时使发动机的动力停止向驱动轮传输。变速器设有倒档，使汽车获得倒退行使能力。

汽车变速器技术的发展历史：

手动变速器（MT：Manual Transmisson）主要采用了齿轮传动的降速原理。变速器内有多组传动比不同的齿轮副，而汽车行驶时的换挡工作，也就是通过操纵机构使变速器内不同的齿轮副工作。

自动变速器（AT：Automatic Transmisson）是由液力变矩器，行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力变矩器和齿轮组合的方式来达到变速变矩。

AMT是在传统干式离合器和手动齿轮变速器的基础上改造而成，主要改变了手动换挡操纵部分。即在MT总体结构不变的情况下改用电子控制来实现自动换挡。

无级变速器（CVT：Continuously Variable Transmission）,又称为连续变速式机械变速器。金属带式无级变速器主要包括主动轮组，从动轮组，金属带和液压泵等基本部件。主要靠主动轮，从动轮和传动带来实现速比的无级变化，传动带一般用橡胶带，金属带和金属链等。

无限变速式机械无级变速器（IVT：Infinitely Variable Transmisson）采用的是一种摩擦板式变速原理。IVT的核心部分由输入传动盘，输出传动盘和Variator传动盘组成。它们之间的接触点以润滑油作介质，金属之间不接触，通过改变Variator装置的角度变化而实现传动比的连续而无限的变化。

汽车的发展经历了三大革命，动力革命（内燃机的使用），传动革命（机械传动的完善和液体传动的使用）和控制革命（用传感器、微机和电液阀进行信息处理）。

从先进国家来看，动力革命和传动革命已经完成，目前正处于控制革命阶段，要解决的主要是机械太“机械”，没有灵性的问题，过去机械全靠人来操纵控制，然而人的生理和心理能力（感觉器官的功能、头脑分析的能力和体能）是有限的，操纵汽车

这样复杂的机械对于人来说体力和脑力负担是很重要的，更主要的是单靠人力操纵将阻碍汽车的发展和其性能的提高。因此必须对汽车各部分（发动机、变速器、悬架、制动和转向机构等）进行自动控制，并从各部分的单独控制向整车一体化控制发展，从一般控制向智能控制发展。要解决机械信息处理能力问题，机械本身是无能为力的，液压控制在性能上也达不到要求，必须引入具有良好控制性能和信息处理能力的电子技术。但是仅仅采用机电液技术还不够，还需要应用声学、光学、和化学等多学科技术才能使机械具有良好的信息处理能力，实现高度自动化。

从技术发展角度来看，汽车传动技术中的关键是电子技术、电液控制技术和传感器技术。目前，世界主要的变速器制造生产厂家都致力于这些关键技术的研究与应用，极大地促进了自动变速器的发展[16]。

计算机辅助设计（Computer Aided Design,简称CAD），泛指设计者以计算机为主要工具，对产品进行设计、绘图、工程分析与编撰技术文档等设计工作的总称，是一项综合性的技术。其中工程分析泛指包括有限元分析、可靠性分析、动态分析、优化设计及产品的常规分析等内容，亦称计算机辅助工程分析（Computer Aided Engineering,简称CAE）。

Pro/ENGINEER (简称Pro/E)是美国Paramatric Technology Corporation公司开发的机械设计自动化软件。也是最早实现参数化技术商业化的软件。其功能是非常强大的，利用它可以进行零件设计、产品装配、数控加工、钣金件设计、铸造件设计，机构分析、有限元分析和产品数据库管理、应力分析、逆向造型和优化设计等。

Pro/ENGINEER全球拥有广泛的影响。在我国也是应用最为广泛的CAD/CAM软件之一。最近几年，CAD/CAM技术在我国发展很快，广泛应用于汽车制造业、工程机械、航天航空业、铁道车辆及设备、国防工业、通用机械制造业、造船业、机械电子工业、人机工程学、工程咨询业、运动器械及娱乐设备等各领域。一些制造生产商将CAD/CAM技术引入各自的产品开发中，大大简化机械产品的开发过程，大幅缩短产品开发周期，提高产品的系统及性能，获得最优化和创新的产品，取得了很好的经济效益。

1.2 课题研究的目的和意义

为了缩短设计周期和降低开发成本，通过CAD软件平台实现汽车变速器的辅助设计。使产品的设计阶段以较少的时间和精力进行虚拟装配并对装配结果进行验证，得到了可靠的装配检验结果。减少建模时间，增加模型可信度，提高产品质量，加快

产品上市的时间。

变速器是汽车的重要部件之一，主要是在汽车行进过程中改变传动比，从而改变汽车的行驶速度和驱动轮上的转矩，以适应变化的行驶条件；或利用倒档实现汽车的倒向行驶；在发动机不熄火的情况下利用空挡中断动力传递，便于汽车起动、怠速、换挡、和动力输出。它由几十个零件组成，零件之间的装配关系复杂。因此变速器的设计需要较长的时间和反复的实验。为了缩短设计周期和降低成本，基于CAD软件平台实现变速器的辅助设计是现代制造技术的必要手段。对于车辆工程专业的本科学生，通过本毕业设计可以充分复习所学知识，并能提高计算机及软件使用水平，为以后的工作打下坚实基础。

1.3设计完成的主要内容

1、了解汽车变速器的研究现状；

2、掌握汽车变速器结构及工作原理，绘出结构原理简图；

3、确定主要零部件（齿轮、轴等）主要设计参数，并对关键部位进行校核；

4、确定零部件结构尺寸；

5、使用AutoCAD完成工程图纸；利用Pro/E建立体图；

6、编写设计说明书。

1.4车型基本参数

根据东风悦达起亚2.0L手动档四驱狮跑汽车的一些主要技术参数来设计变速器。通过网络查找此车型的基本参数，见表1.1 。

表1.1车型基本参数

第2章变速器传动机构布置方案

2.1传动机构布置方案分析

变速器由变速器传动机构和操纵机构组成。变速传动机构可按前进档数或轴的不同分类，分为固定轴式和旋转轴式两大类，而前者又分为两轴式，中间轴式和多中间轴式变速器等。

2.1.1两轴式和中间轴式变速器

现代汽车大多数都采用固定轴式变速器，而两轴式和中间轴式应用最为广泛。其中，两轴式变速器多用于发动机前置前轮驱动的汽车上。中间轴式变速器多用于发动机前置后轮驱动的汽车和发动机后置后轮驱动的客车上。在设计时，究竟采用哪一种方案，除了汽车总布置的要求外，还要考虑以下几个方面：

与中间轴式变速器比较，两轴式变速器因轴和轴承数少，所以有结构简单，轮廓尺寸小和容易布置等优点，此外，各中间档位因只经一对齿轮传递动力，故传动效率高，同时噪声也低。因两轴式变速器不能设置直接档，所以在高档工作是齿轮和轴承均承载，不仅工作噪声增大，且易损坏。还有，受结构限制，两轴式变速器的一档速比不可能设计的很大。对于前进档，两轴式变速器输入轴的转动方向与输出轴的转动方向相反；而中间轴式变速器的第一轴与输出轴的转动方向相同。

中间轴式变速器可以设置直接档，在使用直接档时，变速器的齿轮和轴承及轴承均不承载，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他档位，因而提高了变速器的使用寿命。在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［3］。

对于本设计，采用如图2.1所示的传动方案。

2.1.2倒档的形式和布置方案

图2.2为常见的布置方案。图2.2（a）方案广泛用于前进档都是同步器换档的四档轿车和轻型货车变速器中；图2.2（b）方案的优点是可以利用中间轴上的1档齿轮，因而缩短了中间轴的长度，但换档时两对齿轮必须同时啮合，致使换档困难，某些轻型货车四档变速器采用这种方案；图2.2（c）方案能获得较大的倒档速比，突出的缺点是换档程序不合理；图2.2（d）方案针对前者的缺点作了修改，因而在货车变速器