2-3-1机械式变速器设计

1/64ZFS2020/4/262/64ZFS2020/4/26第一节概述变速器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。变速器设有空挡和倒挡。需要时变速器还有动力输出功能。一、变速器功用二、对变速器的基本要求：1）保证汽车必要的动力性和经济性。2）设置空挡，用来切断发动机动力向驱动轮的传输。3）设置倒挡，使汽车能倒退行驶。4）设置动力输出装置，需要时能进行功率输出。5）换挡迅速、省力、方便。3/64ZFS2020/4/268）变速器的工作噪声低。6）工作可靠。汽车行驶过程中，变速器不得有跳挡、乱挡以及换挡冲击等现象发生。7）变速器应当有高的工作效率。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。在原变速传动机构基础上，再附加一个副箱体，这就在结构变化不大的基础上，达到增加变速器挡数的目的。近年来，变速器操纵机构有向自动、半自动和电子操纵发展的趋势。4/64ZFS2020/4/26第二节变速器传动机构布置方案一、传动机构布置方案分析根据轴的形式不同，分为固定轴式和旋转轴式（常配合行星齿轮传动）两类。固定轴式又分为两轴式、中间轴式、双中间轴式和多中间轴式变速器。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。1、两轴式变速器5/64ZFS2020/4/26两轴式变速器方案（一）发动机前置前轮驱动轿车的两轴式变速器传动方案6/64ZFS2020/4/26两轴式变速器方案（二）7/64ZFS2020/4/26两轴式变速器方案（三）8/64ZFS2020/4/26两轴式变速器方案（四）9/64ZFS2020/4/26两轴式变速器方案（五）10/64ZFS2020/4/26两轴式变速器方案（六）11/64ZFS2020/4/26两轴式变速器的特点：变速器输出轴与主减速器主动齿轮做成一体，发动机纵置时，主减速器采用弧齿锥齿轮或准双曲面齿轮，发动机横置时则采用圆柱齿轮；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。与中间轴式变速器比较，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。因两轴式变速器不能设置直接挡，所以在高挡工作时齿轮和轴承均承载，不仅工作噪声增大，且易损坏。此外，受结构限制，两轴式变速器的一挡速比不可能设计得很大。12/64ZFS2020/4/26中间轴式四挡变速器方案（一）2、中间轴式变速器传动方案13/64ZFS2020/4/26中间轴式四挡变速器方案（二）14/64ZFS2020/4/26中间轴式四挡变速器方案（三）15/64ZFS2020/4/26中间轴式五挡变速器方案（一）16/64ZFS2020/4/26中间轴式五挡变速器方案（二）17/64ZFS2020/4/26中间轴式五挡变速器方案（三）18/64ZFS2020/4/26中间轴式五挡变速器方案（四）19/64ZFS2020/4/26中间轴式六挡变速器方案（一）20/64ZFS2020/4/26中间轴式六挡变速器方案（二）21/64ZFS2020/4/26中间轴式变速器的共同特点是：变速器第一轴和第二轴的轴线在同一直线上，经啮合套将它们连接得到直接挡。使用直接挡，变速器的齿轮和轴承及中间轴均不承载，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。因为直接挡的利用率要高于其它挡位，因而提高了变速器的使用寿命；在其它前进挡位工作时，变速器传递的动力需要经过设置在第一轴、中间轴和第二轴上的两对齿轮传递，因此在变速器中间轴与第二轴之间的距离（中心距）不大的条件下，一挡仍然有较大的传动比；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；多数传动方案中除一挡以外的其它挡位的换挡机构，均采用同步器或啮合套换挡，少数结构的一挡也采用同步器或啮合套换挡，还有各挡同步器或啮合套多数情况下装在第二轴上。22/64ZFS2020/4/263、倒挡布置方案倒挡设置在变速器的左侧或右侧在结构上均能实现，不同之处是挂倒挡时驾驶员移动变速杆的方向改变了。为防止意外挂入倒挡，一般在挂倒挡时设有一个挂倒挡时需克服弹簧所产生的力，用来提醒驾驶员注意。从这一点来考虑，图3－6a、b的换挡方案比图3－6c更合理。图3－6c所示方案在挂一挡时也需克服用来防止误挂倒挡所产生的力，这对换挡技术不熟练的驾驶员是不利的。23/64ZFS2020/4/2624/64ZFS2020/4/26倒挡的中间齿轮位于变速器的左侧或右侧对倒挡轴受力状况的影响25/64ZFS2020/4/26与直齿圆柱齿轮比较，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长、工作时噪声低等优点；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，尽管这样会使常啮合齿轮数增加，并导致变速器的转动惯量增大。直齿圆柱齿轮仅用于低挡和倒挡。二、零、部件结构方案分析1.齿轮形式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。同步器能保证讯速、无冲击、无噪声换挡，而与操作技术的熟练程度无关，从而提高汽车的加速性、经济性和行驶安全性。同上述两种换挡方法比较，虽然它有结构复杂、制造精度要求高、轴向尺寸大等缺点，但仍然得到广泛应用。26/64ZFS2020/4/26防止自动脱挡的结构措施（一）将两接合齿的啮合位置错开。这样在啮合时，使接合齿端部超过被接合齿约1～3mm。使用中接触部分挤压和磨损，因而在接合齿端部形成凸肩，用来阻止接合齿自动脱挡。27/64ZFS2020/4/26防止自动脱挡的结构措施（二）将啮合套齿座上前齿圈的齿厚切薄（切下0.3~0.6mm），这样，换挡后啮合套的后端面被后齿圈的前端面顶住，从而减少自动脱挡。28/64ZFS2020/4/26防止自动脱挡的结构措施（三）将接合齿的工作面加工成斜面，形成倒锥角（一般倾斜2°～3°），使接合齿面产生阻止自动脱挡的轴向力，见图3－11。这种方案比较有效，应用较多。29/64ZFS2020/4/263.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。至于何处应当采用何种轴承，是受结构限制并随所承受的载荷特点不同而不同。30/64ZFS第三节变速器主要参数的选择一、挡数参考：轿车一般用4～5个挡位的变速器，级别高的轿车变速器多用5个挡，货车变速器采用4～5个挡或多挡。装载质量在2～3.5t的货车采用5挡变速器，装载质量在4～8t的货车采用6挡变速器。多挡变速器多用于重型货车和越野汽车。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。要求相邻挡位之间的传动比比值在1.8以下，该值越小换挡工作越容易进行。要求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传动比比值小。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，并且使轮廓尺寸和质量加大，同时操纵机构复杂，而且在使用时换挡频率也增高。31/64ZFS2020/4/26二、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（如要求的汽车爬坡能力）等因素有关。目前轿车的传动比范围在3～4之间，轻型货车在5～6之间，其它货车则更大。32/64ZFS2020/4/26三、中心距A对中间轴式变速器，是将中间轴与第二轴之间的距离称为变速器中心距A。它是一个基本参数，其大小不仅对变速器的外形尺寸、体积和质量大小，而且对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。因此，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。变速器轴经轴承安装在壳体上，从布置轴承的可能与方便和不影响壳体的强度考虑，要求中心距取大些。此外，受一挡小齿轮齿数不能过少的限制，要求中心距也要取大些。初选中心距A时，可根据下面的经验公式计算31maxgeAiTKA33/64ZFS2020/4/26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四、外形尺寸变速器的横向外形尺寸，可根据齿轮直径以及倒挡中间（过渡）齿轮和换挡机构的布置初步确定。轿车四挡变速器壳体的轴向尺寸为（3.0～3.4）A。当变速器选用的常啮合齿轮对数和同步器多时，中心距系数K应取给出范围的上限。为了检测方便，中心距A最好取为整数。参考：34/64ZFS2020/4/26五、轴的直径变速器的轴必须有足够的刚度和强度。轴的刚度不足会产生弯曲变形，破坏齿轮的正确啮合，对齿轮的强度和耐磨性均产生不利影响，还会增加工作噪声。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，对中间轴，d/L≈0.16~0.18，对第二轴，d/L≈0.18~0.21。第一轴花键部分直径d（mm）可按下式初选3maxeTKd35/64ZFS六、齿轮参数1.模数的选取齿轮模数与齿轮的强度、质量、噪声、工艺要求等有关。选取齿轮模数时的一般原则：为了减少噪声应合理减小模数，同时增加齿宽；为使质量小些，应该增加模数，同时减少齿宽；从工艺方面考虑，各挡齿轮应该选用一种模数，而从强度方面考虑，各挡齿轮应有不同的模数。轿车对减少齿轮工作噪声有较为重要的意义，因此齿轮的模数应选得小些；对货车，减小质量比减小噪声更重要，故齿轮应该选用大些的模数。变速器用齿轮模数范围大致如下：微型和普通级轿车为2.25～2.75mm，中级轿车为2.75～3.00mm，中型货车为3.5～4.5mm，重型货车为4.5～6.0mm。所选模数值应符合国家标准GB1357－78的规定。参考值:36/64ZFS2020/4/26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，为加大重合度以降低噪声，应取用14.5°、15°、16°、16.5°等小些的压力角；对货车，为提高齿轮承载能力，应选用22.5°或25°等大些的压力角。2.压力角α因国家规定的标准压力角为20°，所以变速器齿轮普遍采用的压力角为20°。啮合套或同步器的接合齿压力角有20°、25°、30°等，但普遍采用30°压力角。37/64ZFS2020/4/263.螺旋角β大小：在齿轮选用大些的螺旋角时，使齿轮啮合的重合度增加，因而工作平稳、噪声降低。试验还证明：随着螺旋角的增大，齿的强度也相应提高，不过当螺旋角大于30°时，其抗弯强度骤然下降，而接触强度仍继续上升。因此，从提高低挡齿轮的抗弯强度出发，并不希望用过大的螺旋角；而从提高高挡齿轮的接触强度着眼，应当选用较大的螺旋角。方向：斜齿轮传递转矩时，要产生轴向力并作用到轴承上。设计时应力求中间轴上同时工作的两对齿轮产生轴向力平衡，以减少轴承负荷，提高轴承寿命。因此，中间轴上的不同挡位齿轮的螺旋角应该是不一样的。38/64ZFS2020/4/26欲使中间轴上两个斜齿轮的轴向力平衡，须满足下述条件：为使两轴向力平衡，必须满足2211rFrFTnn由于39/64ZFS2020/4/26参考值：斜齿轮螺旋角可在下面提供的范围内选用：轿车变速器：两轴式变速器为20°～25°中间轴式变速器为22°～34°货车变速器：18°～26°用调整螺旋角的方法，使各对啮合齿轮因模数或齿数和不同等原因而造成的中心距不等现象得以消除。40/64ZFS2020/4/264.齿宽b在选择齿宽时，应该注意到齿宽对变速器的轴向尺寸、齿轮工作平稳性、齿轮强度和齿轮工作时受力的均匀程度等均有影响。考虑到尽可能缩短变速器的轴向尺寸和减小质量，应该选用较小的齿宽。另一方面，齿宽减少使斜齿轮传动平