3 机械式变速器设计1

第三章机械式变速器设计第三章机械式变速器设计•第一节概述•第二节变速器传动机构布置方案•第三节变速器主要参数的选择•第四节变速器的设计计算•第五节同步器设计•第六节变速器操纵机构•第七节变速器结构元件第三章重点内容•传动机构布置方案•挡数、传动比的选择原则•齿轮参数的选取原则－变位和螺旋角•同步器的设计－工作原理以及几个关键角度•操纵机构的设计要求概述•改变汽车的行驶速度和牵引力使发动机在最有利的工况范围内工作•改变驱动轮的旋转方向•实现空挡•驱动其他机构功用：变速器的分类•手动变速器(MT)•自动变速器(AT)•手动/自动变速器•无级变速器(CVT)手动变速器(MT)–即用手拨动变速杆才能改变变速器内的齿轮啮合位置，改变传动比，从而达到变速的目的。–踩下离合时，方可拨得动变速杆。如果驾驶者技术好，装手动变速器的汽车在加速、超车时比自动变速车快，也省油。自动变速器(AT)•自动变速器，利用行星齿轮机构进行变速，它能根据油门踏板程度和车速变化，自动地进行变速。而驾驶者只需操纵加速踏板控制车速即可。•一般来讲，汽车上常用的自动变速器有以下几种类型：液力自动变速器、液压传动自动变速器、电力传动自动变速器、有级式机械自动变速器和无级式机械自动变速器等。•其中，最常见的是液力自动变速器。•液力自动变速器主要是由液压控制的齿轮变速系统构成，主要包含自动离合器和自动变速器两大部分。它能够根据油门的开度和车速的变化，自动地进行换档。手动/自动变速器•手动/自动变速器由德国保时捷车厂在911车型上首先推出，称为Tiptronic，它可使高性能跑车不必受限于传统的自动档束缚，让驾驶者也能享受手动换档的乐趣。此型车在其档位上设有“+”、“-”选择档位。在D档时，可自由变换降档(-)或加档(+)，如同手动档一样。•驾驶者可以在入弯前像手动档般地强迫降挡减速，出弯时可以低中档加油出弯。•现在的自动档车的方向盘上又增加了“+”、“-”换档按钮，驾驶者就能手不离开方向盘加减档。•无级变速器(CVT)•无级变速器是由两组变速轮盘和一条传动带组成的。因此，要比传统自动变速器结构简单，体积更小。•它可以自由改变传动比，从而实现全程无级变速，使汽车的车速变化平稳，没有传统变速器换档时那种“顿”的感觉。•无级变速器属于自动变速器的一种，但它能克服普通自动变速器“突然换档”、油门反应慢、油耗高等缺点。概述（机械式）变速器的基本设计要求：1）保证汽车有必要的动力性和经济性。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）换挡迅速、省力、方便。6）工作可靠。变速器不得有跳挡、乱挡及换挡冲击等现象发生。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、维修方便等要求。•类型及组成按传动比变化特性分有级式：传动比变化属阶梯式，只具有基若干个数值一定的传动比无级式：传动比变化连续不断简单式两轴式三轴式平面三轴式空间三轴式组成式：由两个简单式组合而成行星齿轮式：属轴线旋转式摩擦式液力变矩器电力式•组成（普通齿轮式）1.传动机构：传递和改变扭拒2.操纵机构：实现对传动控制3.箱体：保护、贮油变速器传动机构布置方案变速器传动机构有三种分类方法根据前进挡数三挡变速器四挡变速器五挡变速器多挡变速器根据轴的形式固定轴式两轴式变速器中间轴式变速器双中间轴式变速器多中间轴式变速器固定轴式旋转轴式变速器传动机构布置方案•固定轴式应用广泛；•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上；•旋转轴式主要用于液力机械式变速器。两轴式变速器的特点在汽车传动系中，对于采用发动机前置前轮驱动或发动机后置后轮驱动的汽车，由于受总体布置的影响，一般都采用二轴式变速器。(1)结构分析1)两轴式变速器前进挡从输入轴到输出轴只有一对齿轮啮合传递动力；倒挡传递路线中也只有一个中间齿轮，因而机械传动效率高，噪声小。2)两轴式变速器没有直接挡，因而最高挡的机械效率比直接挡略低，一挡速比不可能设计得很大。3)前进挡都采用常啮合斜齿轮，传动平稳；由同步器换挡。4)同步器既可装在输入轴上，也可装在输出轴上，整体结构紧凑。两轴式变速器的特点图3-1为发动机前置前轮驱动轿车的两轴式变速器传动方案。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。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3-8发动机纵置时两轴式变速器结构图发动机纵置时两轴式变速器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。传动效率其特点是：•前进档高挡全部采用常啮合齿轮传动，•换挡机构全部为同步器，并装在输出轴上，同步器布置在输出轴上；•高挡常啮合齿轮布置在附加变速器壳体内承悬臂状输入输出的轴上。图3-9发动机横置时两轴式五挡变速器结构图发动机横置时两轴式变速器中间轴式变速器的特点在采用发动机前置后轮驱动的汽车上，广泛使用三轴式变速器。它由第一轴（输入轴）、第二轴（输出轴）、中间轴、齿轮变速机构、壳体等组成。中间轴式变速器的特点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。区别为：•图3-2a、b所示方案有四对常啮合齿轮，倒挡用直齿滑动齿轮换挡；•图3-2c所示传动方案的二、三、四挡用常啮合齿轮传动，而一、倒挡用直齿滑动齿轮换挡。中间轴式四挡变速器传动方案示例中间轴式五挡变速器的特点图3-3a所示方案，除一、倒挡用直齿滑动齿轮换挡外，其余各挡为常啮合齿轮传动。图3-3b、c、d所示方案的各前进挡，均用常啮合齿轮传动；图3-3d所示方案中的倒挡和超速挡安装在副箱体内，可以提高轴的刚度、减少齿轮磨损和降低工作噪声。中间轴式六挡变速器传动方案图3-4a所示方案中的一挡、倒挡和图3-4b所示方案中的倒挡用直齿滑动齿轮换挡，其余各挡均匀常啮合齿轮。常啮合齿轮传动的挡位，其换挡方式可以用同步器或啮合套来实现。同一变速器中，一定是挡位高的用同步器换挡，挡位低的用啮合套换挡。倒挡布置方案图3-5为常见的倒挡布置方案。图3-5b方案的优点是倒挡利用了一挡齿轮，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。图3-5c方案能获得较大的倒挡传动比，缺点是换挡程序不合理。图3-5d方案对3-5c的缺点做了修改。图3-5e所示方案是将一、倒挡齿轮做成一体，将其齿宽加长。图3-5f所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合的齿轮，挡换更为轻便。图3-5倒挡布置方案为了缩短变速器轴向长度，倒挡传动采用图3-5g所示方案。缺点是一、倒挡各用一根变速器拨叉轴，使变速器上盖中的操纵机构复杂一些。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–两者相比较，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长、工作时噪声低的优点；缺点是制造时稍复杂，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。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。常啮合齿轮可用移动啮合套换挡。因承受换挡冲击载荷的接合齿齿数多，啮合套不会过早被损坏，但不能消除换挡冲击。目前这种换挡方法只在某些要求不高的挡位及重型货车变速器上应用。使用同步器能保证换挡迅速、无冲击、无噪声，得到广泛应用。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。3．防止自动脱挡的措施自动脱挡是变速器的主要故障之一，一般采取下面的措施越程结合或错位接合挂档方向传动方向结合齿圈结合套齿花键毂跳档方向切薄齿式斜面齿式结合齿圈结合套齿花键毂结合齿圈传动方向4．变速器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。–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。–变速器第一轴、第二轴的后部轴承以及中间轴前、后轴承，按直径系列一般选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。1、轴的支承滚动轴承中心孔二轴支承滚动轴承滚动轴承滚动轴承4．变速器轴承几种轴承变速器主要参数的选择1、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。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。传动比范围变速器的传动比范围是指变速器最低挡传动比与最高挡传动传动比的比值。传动比范围的确定与选定的发动机参数、汽车的最高车速和使用条件等因素有关。目前乘用车的传动比范围在3～4.5之间，总质量小谢的商用车在5～8之间，其它商用车则更大。确定最高挡：–超速挡：传动比在0.7-0.8，有的还设置两个超速挡–直接挡：传动比1传动比范围确定最低挡：考虑3个因素–所要求的汽车最大爬坡度–驱动车轮与路面的附着力max10maxmax(cossin)eTrTiimgfrmax102eTrTiiGr210maxrTeGriiT传动比范围–对于越野汽车，最低挡也应满足汽车的最低稳定车速vamin的要求，即满足min1min010.377reaFrnivii中间挡位传动比•1、中间档的传动比一般按照几何级数排列，其公比为：式中，i1—发动机最低稳定转速in—分动器低档传动比。•2、高挡位利用率高，因此高档区相邻档位传动比比值要比低档区相邻档位之间的传动比比值小。11nniqi2、中心距A•对中间轴式变速器，中间轴与第二轴之间的距离称为变速器中心距A。•变速器中心距是一个基本参数，对变速器的外形尺寸、体积和质量大小、轮齿的接触强度有影响。•中心距越小，轮齿的接触应力越大，齿轮寿命越短。最小允许中心距应当由保证轮齿有必要的接触强度来确定。初选中心距A时，可根据下面的经验公式计算按照输出转矩式中，KA为中心距系数，乘用车：KA=8.9～9.3，商用车：KA=8.6～9.6，多挡变速器：KA=9.5～11.0。33max11maxAegAAKTiKT乘用车变速器的中心距在60～80mm范围内变化，而商用车的变速器中心距在80～170mm范围内变化。3、外形尺寸轿车四挡变速器壳体的轴向尺寸为（3.0～3.4）A。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（2.2～2.7）A–五挡（2.7～3.0）A–六挡（3.2～3.5）A当变速器选用的常啮合齿轮对数和同步器多时，应取给出范围的上限。4、齿轮参数•机械式变速器一般采用圆柱齿轮