第4章 变速器设计

较宽因而容量大、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。
要求
结构紧凑、尺寸小，否则布置困难；载荷变化大， 工作时间长，要能承受高负荷，而且容量足够大；有些 轴承还要能承受轴向力。
安装位置 第一轴前端 第一轴后端 第二轴前端 第二轴后端 轴承 有密封圈的球轴承 轴承外圈有挡圈的球轴承 无保持架的圆柱滚子轴承 圆柱滚子轴承 滚针轴承 轴承外圈有挡圈的球轴承 轴向力 备注
变速器轴承
第一轴常啮合齿轮的内腔尺寸足够时，可布置圆柱
滚子轴承，若空间不足则采用滚针轴承。
第用中系列球轴承或圆柱滚子轴承。
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
液力机械式变速器
液力机械式 自动变速器
next
无级变速器CVT
变速器的基本设计要求
1）合理选择档数和传动比，保证良好的的动力性和经济性；
2）设置空挡，用来切断发动机的动力传输；
3）设置倒挡，使汽车能倒退行驶； 4）设置动力输出装置； 5）操纵应轻便，换挡迅速、省力、方便； 6）工作可靠：不得有跳挡、乱挡、换挡冲击及误挂倒档等发生；
第4章 变速器设计
4.1 概述
4.2 变速器传动机构布置方案
4.3 变速器主要参数的选择
4.4 变速器的设计与计算
4.5 同步器设计
4.6 变速器的操纵机构
4.7 变速器结构元件
4.8 自动变速器
4.1 概述
变速器用来改变发动机传到驱轮上的转矩和转速，目 的是在起步、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，同时使发动机在最有利 的工况范围内工作。
两轴式变速器不能设置直接挡，一挡速比不可能设计得很大。
其特点是：变速器输出轴与主减速器主动齿轮做成一体； 多数方案的倒挡传动常用滑动齿轮，其它挡位均用常啮合齿轮传动。 图3-1f中的倒挡齿轮为常啮合齿轮，并用同步器换挡； 图3-1d所示方案的变速器有辅助支承，用来提高轴的刚度。
中间轴式变速器的特点
换挡机构形式
形式 特点 结 构 轴向尺寸 制造成本 换档冲击 换档噪声 齿轮 （啮合套） 寿命 换档时间 汽车加速性 对换档技术要求 直齿滑动齿轮 啮合套换档 同步器换档 简单 短 低 有 有 短 长 差 高（熟练） 复杂 居中 较高 小 小 较短 长 较差 高 最复杂 长 高 没有 没有 长 短 好 低
五.轴的直径
中间轴式变速器的第二轴和 中间轴中部直径d≈0.45A
轴的最大直径d和支承间距离 L的比值，
中间轴，d/L≈ 0.16～0.18 第二轴，d/L≈ 0.18～0.21
货车变速器壳体的轴向尺 寸与挡数有关，可参考下列 数据选用：
四挡
五挡 六挡
（2.2～2.7）A
（2.7～3.0）A （3.2～3.5）A
在最低挡传动比不变的条件下，增加变速器的挡数会 使变速器相邻的低挡与高挡之间的传动比比值减小， 使换挡工作容易进行。
挡数选择的要求：
1.相邻挡位之间的传动比比值在1.8以下。 2.高挡区相邻挡位之间的传动比比值要比低挡区相邻挡位之间 的比值小。 目前，轿车一般用4～5个挡位变速器， 货车变速器采用4～ 5个挡或多挡，多挡变速器多用于重型货车和越野汽车。
2）无级式变速器
传动比可在一定的数值范围内连续变化。 常见的有：液力式，机械式和电力式等
3）综合式变速器
由有级式变速器和无级式变速器共同组成，传动比可 在最大值与最小值之间几个分段的范围内作无级变化。
2、按变速器操纵方式分类
1）手动变速器：靠驾驶员直接操纵变速杆换档
2）自动变速器：传动比的选择和换档是自动进行 的，驾驶员只需操纵加速踏板，变速器就可以根 据发送机的负荷信号和车速信号来控制执行元件， 实现档位的变换。 3）手动自动一体变速器 a：部分档位自动换档，部分档位手动换档 b：预先用按钮选定档位，在踩下离合器踏板或松 开加速踏板时，由执行机构自行换档。
微型、普通级轿车 2.25～2.75
中级轿车 2.75～3.00
中型货车 3.5～4.5
重型货车 4.5～6.0
模数越大，轮齿越高也越厚，如果齿轮的齿数一定，则轮的径向尺寸也越大。
2．压力角α 齿轮在啮合点所受正压力方向与该点速度方向所形成的锐角。
压力角较小时，重合度较大，传动平稳，噪声较低； 压力角较大时，可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。 对于轿车，为了降低噪声，应选14.5°、15°、16°等小些的。 对于货车，为提高齿轮强度，应选用22.5°或25°等大些的。
国家规定的标准压力角为20°，故普遍采用的压力角为20°。
啮合套或同步器的压力角有20°、25°、30°等，普遍采用30°压力角。
3．螺旋角β
齿轮的螺旋角对齿轮工作噪声、轮齿的强度和轴向力有影响。
形式 特点 重合度 工作噪声 接触应力 齿轮寿命 轴向力 应 用 斜 齿 直 齿 备 注
大 小 低 长 有 二档以上各档
小 大 高 短 没有 低档、倒档
影响轴承寿命
2．换挡机构形式
变速器换挡机构有直齿滑动齿轮、啮合套和同步器换 挡三种形式。
采用轴向滑动直齿齿轮换挡，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， 除一挡、倒挡外已很少使用。 使用同步器能保证换挡迅速、无冲击、无噪声，已广 泛应用。但结构复杂、制造精度要求高、轴向尺寸大。 利用同步器或啮合套换挡，其换挡行程要比滑动齿轮 换挡行程小。
桑塔纳轿车两轴式变速器
结构分析
一轴： 一、二档齿 轮与轴一体； 三、四档齿 轮与轴通过轴 承连接。 二轴： 一、二档齿 轮与轴通过轴 承连接； 三、四档齿 轮与轴一体
三轴式5档变速器
三轴式5档变速器动力传动路径
两轴式变速器的特点
两轴式变速器有结构简单、轮廓尺寸小、布置方便、中间挡位传动效率高 和噪声低等优点。
6、较高的工作
变速器 设计的 基本要 求
4、换挡迅速、省力
、方便
效率。
5、工作可靠。不得 跳挡、乱挡及换挡冲击
8、变速器还应当满足轮廓尺寸和质量小 、制造成本低、维修方便等要求。
4.2 变速器传动机构布置方案
变速器传动机构有两种分类方法。
三挡变速器
根据前 进挡数
固定轴式
根据轴 的形式
四挡变速器
五挡变速器 多挡变速器
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。
——轿车，减少工作噪声较为重要，因此模数应选得小些； ——货车，减小质量比减小噪声更重要，因此模数应选得大些。 所选模数值应符合国家标准的规定。 变速器齿轮模数范围大致如下：
图3-6为发动机纵置 时两轴式变速器结构图。 其特点是高挡同步器布置 在输入轴上，而低挡同步 器布置在输出轴上。为提 高轴的刚度，增加了中间 支承。 高挡布置在靠近轴的 支承中部区域较为合理， 在该区域因轴的变形而引 起的齿轮偏转角较小，齿 轮保持较好的啮合状态， 能提高齿轮寿命。
图3-6 发动机纵置时两轴式变速器结构图
旋转轴式
固定轴式
固定轴式应用广泛； 两轴式变速器多用于发动机 前置前轮驱动的汽车上； 两轴式变速器 中间轴式变速器多用于发动 中间轴式变速器 机前置后轮驱动的汽车上； 双中间轴式变速器 旋转轴式主要用于液力机械 多中间轴式变速器 式变速器。
两 轴 式
中 间 轴 式
桑塔纳2000两轴式变速器结构图
机械式变速器的传动效率与所选用的 传动方案有关，包括传递动力时处于工作 状态的齿轮对数、每分钟转数、传递的功
率、润滑系统的有效性、齿轮和壳体等零
件的制造精度等。
二、零、部件结构方案分析 1．齿轮形式
齿轮形式：直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮 斜齿圆柱齿轮使用寿命长、工作噪声低；制造稍复杂，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。 直齿圆柱齿轮仅用于低挡和倒挡。
轴向力
中间轴前端
中间轴后端
圆柱滚子轴承
外圈有挡圈的球轴承 圆柱滚子轴承 轴向力
4.3 变速器主要参数的选择
挡 数 传动比范围
主要性能参数
中心距 外形尺寸
主要结构尺寸参数
轴的直径
一、挡数
增加变速器的挡数能够改善汽车的动力性和经济性。 挡数越多，变速器的结构越复杂，使轮廓尺寸和质量 加大，而且在使用时换挡频率也增高。
7）变速器应有高的工作效率，工作噪声低；
——最好有直接档，以减少齿轮的啮合损失。 ——合理选择齿轮形式及结构参数，提高其制造和安装精度。 8）结构紧凑，尽量使质量轻、体积小、制造成本低、维修方便。
2、可切断动力传输—空挡 1、保证汽车的动力性
、经济性
7、变速器的工作
3、能使汽车倒退
行驶—倒挡 噪声低。
A K A 3 Te maxi1 g
式中，KA为中心距系数，轿车：KA=8.9～9.3，货车： KA=8.6～9.6，多挡变速器：KA=9.5～11.0。 轿车变速器的中心距在65～80mm范围内变化， 货车的变速器中心距在80～170mm范围内变化。
四.外形尺寸
轿车四挡变速器壳体的轴 向尺寸为（3.0～3.4）A。
中间轴式变速器传动方案的共同特点是：
(1)设有直接挡； (2)一挡有较大的传动比； (3)挡位高的齿轮采用常啮合齿轮传动，挡位低的齿轮 （一挡）可以采用或不采用常啮合齿轮传动； (4)除一挡以外，其他挡位采用同步器或啮合套换挡； (5)除直接挡以外，其他挡位工作时的传动效率略低。
凡采用常啮合齿轮传动的挡位，其换挡方式可以用同
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传动系的设计要求
传动系的基本功用