汽车设计-第三章

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第三节主要参数的选择第四节变速器的设计与计算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回主目录第一节概述一、功用：1、改变汽车传动系的总传动比i∑，变速变扭，使发动机在最有利的工况下工作，使汽车适应不同工况的要求。2、实现倒驶。3、实现空档、在滑行和停车时分离发动机和传动系。4、需要时有动力输出功能。二、组成：主要由变速传动机构和操纵机构组成。三、变速器设计应满足的基本要求1、保证汽车有必要的动力性，经济性。2、设置空档，用来切断动力。3、设置倒档。4、设置动力输出装置。5、换档迅速、省力、方便。6、工作可靠，无跳档、乱档和换档冲击现象。7、η高。8、工作噪声低。9、尺寸小，质量小，成本低，维修方便。四、类型1、按换档方式分：1）挂结式：移动齿轮、啮合套或同步器换档，简单，但有冲击，换档时需要切断动力。2）摩擦式：利用摩擦元件（换档离合器、换档制动器）换档，操纵方便、无冲击，可不切断动力，但结构复杂，成本高。2、按齿轮轮系来分：1）固定轴式（定轴传动）；2）旋转轴式（行星传动），用于重型载重汽车的副变速器及液力机械式变速器。3、按前进档数不同来分：有3、4、5档及多档变速器。五、发展趋势1、加强设计工作的系列化，通用化。如在4档变速器基础上，附加一个副箱体，使档数变成5档。2、操纵机构从手动向半自动、自动、电子操纵方向发展。回目录第二节变速传动机构布置方案一、传动机构分类分类依据分类备注三档少用四档五档档数多档两轴式用于前置前驱动中间轴式用于前置后驱动双中间轴式用于重型汽车固定轴式多中间轴式用于重型汽车轴的形式旋转轴式液力机械变速器二、两轴式与中间轴式变速器形式特点两轴式中间轴式备注轴数23第一轴与输出轴平行同一直线上输出轴末端主减速器齿轮○1○2万向节动力传递经过一对齿轮两对齿轮※结构方面直接档没有*有结构简单复杂噪声低高中间档传动效率高低传动比范围小(3.0—4.5)大(7—8)○1横置用圆柱齿轮○2纵置用圆锥齿轮，双曲面齿轮※直接档除外*没有直接档，在高档工作的齿轮、轴承承载三、档数档数特点多少备注发动机功率利用率↑↓燃油经济性↑↓平均车速↑↓生产率↑↓运输成本↓↑结构复杂简单轴向尺寸↑↓质量↑↓成本↑↓操纵机构复杂简单变速操作困难容易换档频率↑aV档数的选择※要求相邻档位之间的传动比比值在1.8以下，且高档区要比低档区的小，以使换档容易。档数车型档数速比范围※高级5轿车其余4～5i～(3.0～4.0)2——3.5t4～5货车装载量4——8.0t6i～(5.0～6.0)四、两轴式和中间轴式变速器的主要区别1、档数相同条件下主要区别有四点：1）、常啮合齿轮对数不一样，高档用常啮合，低档可用可不用。2）、换档方式不一样。3）、倒档传动方案不一样。4）、档位布置位置顺序不一样。方案区别a)b)c)常啮合齿轮对数443换档方式4同步器←3同步器，1滑动齿轮倒档滑动齿轮←双联滑动齿轮档位布置位置顺序4、3、2、1、倒4、3、2、倒、14、3、2、1（倒）中间轴式四档变速器传动方案比较2、换档方式采用常啮合齿轮传动的档位，可以用同步器或啮合套换档，或者对同一变速器，两种方式都用，此时，档位高的用同步器换档，档位低的用啮合套换档。3、倒档1）使用特点：（1）次数少（2）时间短（3）停车换倒档2）常见换倒档方式：（1）直齿滑动齿轮………用得多（2）同步器………………用的少倒档传动方案举例特点中间传动齿轮联体齿轮结构简单复杂中间传动齿轮受力正负交变应力单向应力传动比小大换档困难←34）倒档轴位置与受力分析①倒档齿轮（轴）位于变速器左侧受力如a)图所示。②倒档齿轮（轴）位于变速器右侧受力如b)图所示。经比较可知：a)图所示方案倒档轴受力较大，所以用的相对少些。5）、档位布置位置的顺序应当考虑下列因素：（1）高档用的多，轮齿会因接触应力高而出现表面点蚀损坏。所以，应该将高档布置在齿轮偏转角较小处，以保证有较好的啮合状态。偏转角较小处应该在轴支承的中部。（2）低档速比大，齿轮上的作用力大，为使轴的变形小些，应当将低档布置在后支承处。五、零、部件结构方案分析1、齿轮形式形式特点斜齿直齿备注轴向力有没有影响轴承寿命接触应力低高齿轮寿命长短重合度大小工作噪声小大应用二档以上各档低档、倒档2、换档机构形式形式特点直齿滑动齿轮啮合套换档同步器换档换档冲击有←没有换档噪声有←没有齿轮（啮合套）寿命短←长换档时间长←短加速性（汽车）↓←↑结构简单复杂最复杂对换档技术要求高（熟练）←低轴向尺寸短居中长3、防止自动脱档的措施自动脱档是变速器的主要故障之一，为了解决此问题，除了在操纵机构上采用锁定机构、互锁机构和联锁机构外，还在齿轮结构上采取如下比较有效的方案：1）将两接合齿的啮合位置错开如图Fig.3-9，使接合齿的端部超过被接合齿1~3mm，因挤压和磨损在端部形成凸肩，可阻止接合齿自动脱开；2）将啮合套齿座上前齿圈的齿厚切薄（切下0.3~0.6mm)，换档后啮合套的后端面被后齿圈的前端面顶住，从而减少自动脱档，如Fig.3.10。3）将啮合齿的工作面加工成锥面形成倒锥角（一般20~30）使接合齿产生阻止自动脱档的轴向力如图Fig.3-11。4、轴承1）变速器轴承的工作特点（1）因为变速器结构紧凑，尺寸小，使用中载荷是变化的，而且变化范围大，工作时间长，所以要求选用的轴承既要直径尺寸小，又要能承受比较高的负荷，而且容量要足够大。（2）能承受径向力，有些部位还有轴向力作用。（3）轴承直径受中心距影响，对壳体后壁处、两轴承孔之间剩余壁厚尺寸不小于6～20mm。2）变速器常用轴承形式例：中间轴式变速器形式采用的部位承载特点备注第二轴前支承径向力第一轴内腔尺寸应足够大圆柱滚子轴承中间轴前或后支承径向力第一轴后支承径+轴外圈有挡圈第一轴前支承径第二轴后支承径+轴球轴承中间轴支承径+轴形式采用的部位承载特点备注圆锥滚子轴承中间轴支承径+轴第一轴前端支承径第二轴前端支承径倒档轴与齿轮之间径滚针轴承及滑动轴套齿轮内孔与轴之间回目录第三节主要参数的选择一、挡数有增加的趋势。1、轿车：4~5个挡，级别高的轿车用5个挡。2、货车：5~6个挡或多挡：2~3t货车常用5个挡；4~8t货车6个挡。3、重型货车和越野车用多挡6个；相邻挡传动比1.8，且高档比低档小（因高挡使用频繁）。二、传动比范围是指最低档传动比与最高挡传动比之比。与发动机参数、Vemax、使用条件有关。1、轿车：3~4;2、货车：5~6。三、中心距AA～指二轴与中间轴中心线之间的距离。1、影响中心距的因素A影响因素要求A备注变速器外形尺寸小变速器体积小变速器质量小轮齿接触应力大*齿轮寿命大*布置轴承的可能性大**Amin值应由充分能保证此三项来决定一档主动齿轮齿数大31gemxAiTKAA、初步计算2参数车型中心距系数KAA的范围mm轿车8.9——9.365——80货车8.6——9.680——170多档变速器9.5——11.0mm%96g四、外形尺寸1、横向尺寸影响横向尺寸的因素有：1）齿轮直径2）倒档齿轮直径3）壳体壁厚及其与齿轮之间的间隙4）换档机构尺寸2、轴向尺寸（壳体）可由中心距A近似估算。参数车型档数轴向尺寸备注轿车4(3.0——3.4)A常啮合齿轮对数多；4(2.2——2.7)A5(2.7——3.0)A货车6(3.2——3.5)A同步器用的多系数应取上限，A应取整数，便于检测五、轴的直径1、工作特点传递转矩，承受轴向力、径向力、结果轴会产生弯曲变形，破坏轮齿的正确啮合，导致磨损↑，噪声↑，寿命↓。因此，要求：轴有足够的刚度和强度。2、轴直径的初步确定如中间轴式变速器，各轴直径可按下表提供的数据初定。参数轴中部直径ddmax/L第一轴花键d备注第二轴0.18—0.21中间轴0.45A0.16—0.18第一轴K=4.0～4.63emxTK六、齿轮参数1、模数1）选取m(mn)的主要影响因素m影响因素要求m(mn)备注制造工艺全部相同设计强度各档不同减少噪声减少m(mn)同时增加b减少质量增加m(mn)同时减少b2）选取m(mn)应遵守的原则（1）轿车减少噪声有较大意义，应选用小m(mn)；（2）货车减少质量有较大意义，应选用大m(mn)；（3）低档齿轮选用大m(mn)，增加轮齿强度；（4)高档选用小些的m(mn)；（5）符合国标GB1357－87的规定。、范围3模数车型模数啮合套m备注微型、普通级2.25～2.75轿车中级轿车2.75～3.00中型3.5～4.52.0～3.0货车重型4.5～6.03.5～5.02、压力角α1）影响α选取的主要因素α影响因素要求α备注齿轮啮合重合度小传动平稳性小工作噪声小轮齿抗弯强度大轮齿表面接触强度大2）选取α应遵守的原则（1）轿车要加大重合度，降低噪声，应选用小些α，轿车高挡齿轮用14.50、150、160、16.50。（2）货车增大齿轮承载能力更重要，应选用大些α，常采用22.50、250。（3）符合国家标准3）实际应用的α国家规定齿轮压力角：α=200啮合套接合齿α=3003、螺旋角β1）影响选取β的因素β影响因素要求β备注齿轮啮合重合度大传动平稳性大工作噪声大轴向力小轮齿强度大2）选取β应遵守的原则（1）轿车变速器齿轮的β货车齿轮β；（2）∵β〉300时，抗弯强度↓，∴低档齿轮不宜选用大的β；（3）∵β〉300时，接触强度继续↑，∴高档齿轮应选用大些的β；（4）中间轴上有两齿轮同时工作，应力求使它们产生的轴向力抵消，以减轻轴承负荷。如下图：111tgFFna222tgFFna22n11nrFrFT2121rrtgtg上式为中间轴上，两斜齿齿轮轴向力平衡应满足的条件。当中间轴的轴向力不大时，可将中间轴上的全部斜齿轮的螺旋方向应一律做成右旋，第一、二轴上的斜齿轮取左旋，其轴向力经轴承盖由壳体承受。一、倒档为直齿时，中间轴上的轴向力无法抵消，但其使用少。此时，二轴无轴向力作用。3）选用范围β车型β范围备注两轴式200～250轿车中间轴式220～340货车180～2604、齿宽b1）影响b的选取因素b影响因素要求b备注变速器的轴向尺寸窄变速器的质量窄斜齿轮工作平稳性※宽减小工作应力宽轮齿磨损均匀性窄因轴变形，齿倾斜后产生受力不均匀，导致磨损不均匀btyKKFfw1※影响斜齿轮工作平稳性的因素有：1、齿轮宽度，越宽，平稳性↑2、螺旋角β，↑β，平稳性↑3、压力角α，α小，平稳性↑∵α=200,∴主要影响因素是1和2。用↑β的方法来弥补b减小的不足，虽然可行，但轴向力↑，轴承寿命↓2）b的取值范围b齿轮形式b齿宽系数Kc直齿Kcm4.5——8.0齿轮斜齿kcmn6.0——8.5接合齿(2——4)m5、齿轮变位系数的选取原则1）齿轮变位的目的：（1）避免齿轮根切和干涉；（2）配凑中心距A；（3）改善啮合条件，提高轮齿强度。要求中间轴、第二轴上各对齿轮的A必须相同，若mn相同，则各对齿轮的齿数和也相同。常常因为满足传动比的需要，引发各对齿轮的齿数和不相同，所以要进行齿轮变位保证A相同。2）齿轮变位的分类变位特点高度变位角度变位特点εc=ε1+ε2=0↑小齿轮的齿根强度，使之与大齿轮强度相近εc=ε1+ε2≠0同时↑相啮合齿轮的强度，↓噪声注：当实际中心距等于已定中心距时选用高度变位；当实际中心距与已定中心距不等时选取角度变位。3）选取变位系数应遵守的原则主要按提高接触强度、弯曲强度和耐磨性来选择和分配。（1）对Zh=(Z1+Z2)多的齿轮副，若采用标准齿轮传动或高度变位时，则对Zh少的齿轮副应该采用正角度变位。这是因为角度变位能获得良好的啮合特性及传动质量指标。（2）对高档齿轮，其主要破坏形式是齿面疲劳剥落，应按保证最大接触强度和耐磨损最有利的原则选择变位系数。应使之εc尽可能取大些，以使σj降低（↑εc，则齿廓曲率半径ρz、ρb↑）。（3）对低档齿轮，应从保证大、小轮齿危险断面齿厚相等条件来选ε1和ε2，其中小齿轮的ε10。（4）齿