汽车变速器设计

汽车变速器设计机械式手动变速器对比于自动变速器，其结构简单，体积小，造价成本低，方便装配和维修，传动效率高等优点，在今天依旧很受青睐。

变速器的设计对汽车动力性，燃料经济性，换挡操纵的可靠和轻便性，传输的平稳与效率等有着直接的影响。

随着汽车工业的发展，轿车变速器的设计趋势是加大其传输功率与重量比，并有着更加良好的性能和更小的装配空间。

本设计是以一汽大众捷达变速器的数据为基础，在已有的发动机输出转矩，转速及最高车速，最大爬坡度等条件下，主要对变速器的齿轮结构参数以及轴的结构尺寸等进行设计计算，并对其传动方案和结构形式进行设计，同时对操纵机构和同步器进行设计，提高汽车的整体性能和燃油经济性。

1 绪论1.1 选题的目的和意义变速机构是除了发动机以外在汽车上的第二个重要机构，它的好坏会直接影响到车子的动力性和燃油经济性，其次，对于驾驶员来说，乘坐的舒适性也与汽车在换挡时的冲击量有关。

车载人员的舒服与适应度和操作稳定度，很大一部分取决于变速器是否优良。

手动变速器在质量和参数上的改进会使汽车在燃油经济性和换挡平顺性方面有进一步的提高。

在轿车或货车部件的运行状态中，变速器主要有以下三个任务：1.使其传动比率发生改变，包括传动时的转速和转矩，这样可以让汽车在耗油率较低的状态下运行。

2.在发动机输出转动力矩状态不发生变化情况中，让其可以倒退运行；3.挂入空挡的状态下，汽车在不行驶的条件下保持发动机运转，且不进行动力传输，也可以挂入不同的档位，进行不同传动比的动力传输。

变换档位必须用手拨动拨叉完成，动力传递的比值发生变化，从而达到变速的目的。

通俗来说，就是在驾驶过程中，我们踏下离合踏板时，才可拨得动变速杆。

手动变速器的发展按照目前的状况来说，已经达到了一个顶峰，要想在机械和性能方面取得一定的突破是有一定的难度的。

手动变速器相比于自动变速器来说，突出了驾驶乐趣和燃油经济高，强调了驾驶员的操控技术，在竞技赛车上广泛被引用。

手动变速器造价低，与诸多车型都能有个良好的匹配，因此目前国内手动变速器在汽车市场上占得份额也比自动变速器的大，普通家庭在考虑到收入与支出情况时，选用手动变速器的车型优势明显高于搭载自动变速器的汽车。

1.2 变速器的发展趋势当今汽车变速机构按换档型式可分为手动变速器和自动变速器两种，自动变速器又可分细分为有级式（AT/AMT/DCT）和无级式（CVT），目前AT的档位数从三速到八速不等，使用较多的是四、五、六速，结构的复杂随着档位数的增加而增加，其技术含量也越高；而CVT可谓真正意义上的无级自动变速器，理论其档数在它的传动比范围内无限，比较适合中小排量乘用车；AMT有着传统机械变速器传动效率高等方面的优势，在小排量家用车和重型商用车上配备较多；DCT同时也具备了机械变速器传动效率高的优点，又没有换挡动力中断的缺陷，不过结构相对复杂，制造难度更大，有着更好的潜在发展性。

对于当今科技的飞速发展和机械智能化的广泛应用，自动变速箱的可研究性得到了广泛的认可，目前市场上的自动变速器造价高，机构复杂，零件精密。

不过考虑到智能化与节油出行，同时提升驾驶乐趣的情况下，DCT在未来的研发方向会更加的明确。

DCT在结构上搭载着两根输入轴，及两个离合器，在进行动力的传输时，前者与后者结合在一起，邻近各档的被动齿轮交错同两输入轴齿轮啮合在一起，再配合两离合器的操控，动能传的比值变换时不会打断能量传输，间接减少换档时程，高效率提升换档质量。

更重要的是这种换档方式应用于混合动力车辆更为方便，具备优异的性能和宽阔的应用前景，是一种前所未有的新技术。

1.3 变速器的设计要求变速器设计的主要方面应包括：设置空挡，可以中断由发动机至驱动轮的动力传递；配备倒档，让汽车具备倒退行驶能力；具备动力输出装置，在适当时候可以进行功率输出；换挡迅速，省力，方便；工作可靠，使用寿命长；另外，它应具备工作效率高，工作时噪声低，外形尺寸和质量小，造价低，拆装效率维修方便等要求。

1.4 设计的内容及方法根据已有轿车的基本参数条件下，对要进行设计的变速机构加以分析包括，齿轮副，轴，同步器等，最后完成机械部装图与总装图。

（1）传动机构的分析与选择。

通过对两轴及中间轴式变速器各有的特点比较，结合设计车型的特点，对传动机构的选择及布置形式进行确定。

（2）变速器主要参数的选择变速器主要参数的选择：档位数，传动比，中间距，齿轮参数等。

（3）变速器齿轮强度的校核运用计算机软件对齿轮的齿根弯曲强度及齿面接触强度效核计算。

（4）轴的基本尺寸选择与强度计算。

轴的强度计算包含：轴的刚度校核和强度校核。

（5）轴承的选择变速器支撑部位的轴承选用一般是滚子轴承，参考轴径尺寸，通过轴承标准表选用适合的轴承。

2 传动机构的选择与设计2.1 变速器传动机构布置方案2.1.1传动机构的结构分析和形式有级变速器其结构简单，生产费用低，且零件传递动力的效率性更优于无级变速器（η=0.96~0.98），各种不同类型的车辆上都有配备。

市场上广泛出现的汽车有级变速器配备有3速到5速不同的前进挡数，载重大的汽车或者用于极限路况的越野汽车则具备更多的档位，其前进挡位数有些多达6至16个甚至20个。

当选择手动机械变速器时，为了能够使结构简单质量轻且考虑到造价，通常配备5个或以下的档位数以满足家用轿车使用情况，如需要更多的档位配置，会使得其结构复杂造价高，再考虑到副变速器的情况下质量会更重。

第五档位在变速器上设置的原因是为了汽车在空载和良好的路况下行驶省油且速度快而安装的，第5档又称为超速档，其传动比一般小于1（0.7~0.8），在与4档比较时，相同路况下行驶一定距离其发动机曲轴转数降低且零件磨损量减小，大大的提高了零件使用寿命。

三轴式变速器如图1-1所示，三轴式变速器的上半部分分别是第一轴与第二轴，且这两根轴上的齿轮又分别与位于变速器下半部分的中间轴啮合形成常啮合齿轮，这两根轴分开且又同心，当需要挂入直接档时，可直接将上半部分的轴连成一体，转矩及扭矩仅有这根连轴承载，中间轴及轴承不参与，就其结构上分析对比，传动效率比其他档位要高，且参与传动的零件少，噪声分贝降低，耐磨度也提高。

图1-1图1-2为只有两根轴的变速器。

在这种结构布置下零件数比三轴少了很多，正因如此，变速器的噪声因参与工作的零件数少而降低，寿命更长。

二轴式变速器轿车多用于前置发动机前轮驱动方案，这种布置同时也可以使汽车质量减少6%~10%，其动力系统更为紧凑，操纵性好。

两轴式变速器没有中间轴，所以没有直接档，轴承与齿轮长期负载，在高档位负载更明显，负载加大噪声也随之加大，加之，低档传动比上限（ig=4.0~4.5）受到更大限制，消除这种缺点的主要措施目前只有相应减小高档传动比同时增加主减速比。

图1-2根据两种变速器行驶的对比，与当今轿车普片的发动机布置形式，本次设计采用两轴式变速器，发动机横置，前轮前驱形式，优点在于，构造简单，结构紧凑，零件数少，且造价更低，质量轻，更符合当今市场需求。

2.1.2倒档的布置形式图2-3运用形式较广泛的齿轮安装位置及结构方案如下。

图2-3a广泛在用于设置4档同步器的轿车及微型货车中。

图2-3b巧妙的应用了中间轴上的一档齿轮，使得整体轴向距离缩短，不过两对齿轮需同时啮合，难度加大。

图2-3c传动比与其他方式比较更大些，但档位更换的逻辑顺序较混乱。

图2-3d为前者方案上的修改，可在货车上采用。

图2-3e将中间轴上的倒档齿轮与一档作为一体，同时增大其齿轮厚度。

图2-3f在全部齿轮组都采用常啮合方案的变速器上采用，轴向距离降低。

图2-3g所示方案。

缺点是一，倒档各采用相互独立的拨叉轴，不过在壳盖上部的零件布置更加的繁杂。

设置5个档位的变速机构可选择后叙的几种方案。

本设计使用2-3f所示传动方案。

换挡顺序合理，且本设计变速器均采用常啮合齿轮，换挡方式轻便快捷，且降低了轴向距离，故本次倒档齿轮布置在一档上方，传动比近于一档。

图2-3 边变速器倒档传动方案综上所述，整体变速器的传动方案可从以下几种形式中选取，结构特点由图可知，其一档，倒档齿轮布置得靠近支撑端，为使轴的刚度提高，有的将倒档齿轮布置在附加壳体内的支撑旁（图2-4c）也有设置附加支承的（图2-4d），这些方式均可降低齿轮磨损与噪声，也有将高档位的同步器放置在上半部分的而档位低的则布置在下半部分（图2-4b及d），使变速器的轴向尺寸缩小。

图2-4a 图2-4b图2-4c 图2-4d而本次设计主要采用如下图2-5所示的布置方案：图2-5其传动路线如下：一挡：输入轴-齿轮1-齿轮2-一二挡同步器-输出轴二挡：输入轴-齿轮3-齿轮4-一二挡同步器-输出轴三挡：输入轴-齿轮5-齿轮6-三四挡同步器-输出轴四挡：输入轴-齿轮7-齿轮8-三四挡同步器-输出轴五挡：输入轴-齿轮9-齿轮10 –五挡同步器-输出轴倒挡：输入轴-齿轮11-齿轮13-齿轮12-一二挡同步器-输出轴2.2 变速器主要零件结构方案分析2.2.1 齿轮形式齿部倾斜的圆柱齿轮在啮合旋转时存在水平轴上的力作用而且加工过程繁杂些，不过它依旧具有运转平稳，噪声低，寿命长等突出优势，因而在制造应用上广泛普及采用。

在本设计中采用除倒档外均为斜齿轮的形式选择设计，而对于倒档齿轮则因其使用少且不为常啮合齿轮，所以选用普通的直齿圆柱齿轮。

2.2.2轴的结构与分析齿轮等零件一般安装在轴上，且在运行过程中产生的转矩和扭矩会传递到轴上，负载过大会使其形变量增加，影响了各部件间的配合情况，同时产生噪声。

轴的形状与构造方式不仅要有足够的强度与刚度，另外还应考虑齿轮，同步器和轴承安装固定，制造生产的方法方式在期间同样有着密不可分的联系。

第一轴的长度可参照离合器的总成长度，在轴上一般与主动齿轮采用硬链接，轴上的花键采用齿侧定心的矩形花键，花键齿与齿轮齿采用动配合。

第二轴的形状一般为多阶梯状，各阶梯间的径向距离差别不能过大，否则在运转时易产生断裂。

安装在轴上的各档齿轮间用弹性挡圈隔开，这种方式一般仅在轻型货车和轿车上采用，因挡圈在进行高负荷的工况时，会因为所产生的过大轴向力而断裂。

2.2.3轴承形式变速器在选定轴承时一般是在确定了轴的情况下根据标准选定的，轴承的形式多种，可在向心滚子轴承，向心球轴承，滚针轴承，圆锥滚子轴承中选取。

向心球轴承应用在第一轴前轴承上，后轴承多为外圈带止动槽的向心球轴承，考虑到它不仅要受到来自径向的作用力，同时也要受到由内部向外的力，考虑到安装与拆卸问题，轴上齿轮的最大径向尺寸要比置于后方的轴承座孔尺寸小。

滚针轴承或圆柱滚子轴承多应用在第二根轴的前面部分，滚针轴承多应用于变速器第二轴的长啮合齿轮与二轴之间，也有采用滑动轴套的。

2.2.4 换挡机构的结构形式大多数的轿车均采用同步器换挡，这种机构在换挡时噪声低，且操作轻便，换挡迅速，上少难度低，对技巧没有要求，大大提高了行车安全性，燃料经济性，同时齿轮寿命提高，缺点是制造精度高，同步环的使用寿命低，造价高。