机械式变速器设计

第三章机械式变速器设计第三章机械式变速器设计本章主要学习（1）变速器的基本设计要求；（2）各种形式变速器的特点；（3）变速器主要参数的选择；（4）齿轮变位系数的选择原则；（5）各挡齿轮齿数的分配；（6）变速器操纵机构。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和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一节概述复习：变速器的结构？功用？《汽车构造》变速器功用：（1）改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利(功率较高而油耗较低)的工况下工作；（2）在发动机旋转方向不变情况下，使汽车能倒退行驶；（3）利用空挡，中断动力传递，以发动机能够起动、怠速，并便于变速器换档或进行动力输出。组成：变速器是由变速传动机构和操纵机构组成，需要时，还可以加装动力输出器。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。变速器的分类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旋转轴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。第二节变速器传动机构布置方案1、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。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。两轴式变速器多用于前置前驱、后置后驱型式汽车。结构特点：（1）输出轴与主减速主动齿轮成一体；（2）除倒挡外，其它挡均用常啮合齿轮传动；（3）同步器多数装在输出轴上；（4）各前进挡均经过一对齿轮传递动力；（5）只有两个轴。两轴五档变速器组成与传动简图1-输入轴2-接合套3-里程表齿轮4-同步环5-半轴6-主减速器被动齿轮7-差速器壳8-半轴齿轮9-行星齿轮10、十字轴11-输出轴12-主减速器主动齿轮13-花键毂与传统的三轴变速器相比，由于省去了中间轴，所以一般档位传动效率要高一些；但是任何一档的传动效率又都不如三轴变速器直接档的传动效率高。两轴式变速器基本结构动力传递路线一档2.中间轴式变速器多用于前置后驱的型式汽车。结构特点：（1）第一轴和第二轴的轴线在同一直线上，可以布置直接挡；（2）除直接挡外其他各挡均经过两对齿轮传递动力，故在中心距不大的情况下，可以提高传动比；(3)一挡有较大的传动比；(4)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；(5)除一挡以外，其他挡位采用同步器或啮合套换挡；(6)除直接挡以外，其他挡位工作时的传动效率略低。三轴五档变速器传动简图（参图15—1、15—12）。1-输入轴2-轴承3-接合齿圈4-同步环5-输出轴6-中间轴7-接合套8-中间轴常啮合齿轮此变速器有五个前进档和一个倒档，由壳体、第一轴（输入轴）、中间轴、第二轴（输出轴）、倒档轴、各轴上齿轮、操纵机构等几部分组成。输入轴与输出轴平行共线。输入轴输出轴倒档轴中间轴三轴五档变速器剖视图输入轴输出轴倒档轴换档杆轴（操纵机构）中间轴图3-2中的中间轴式四挡变速器传动方案示例的区别为图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。图3-2中间轴式四挡变速器传动方案凡采有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，挡位高的用同步器换挡，挡位低的用啮合套换挡。各种中间轴式变速器区别：（1）常啮合齿轮对数不同；（2）换挡方式不同；（3）倒挡传动方案不同。中间轴式变速器的特点图3-4为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。图3-4中间轴式六挡变速器传动方案两轴式与中间轴式的比较：形式两轴式中间轴式结构复杂程度简单复杂工作噪声低高传动效率高低传动比范围小大有无直接档没有有二、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、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。（一）齿轮形式的选择斜齿直齿工作时有轴向力工作时无轴向力寿命长短噪声低高用于二档以上用于低档、倒档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。直齿滑动齿轮缺点：换挡时齿轮端面有冲击噪声，使驾驶员紧张，舒适性降低优点：结构简单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、防止自动脱挡的结构措施：►（1）啮合套做的长些►（2）前齿圈齿厚切薄►（3）将接合齿工作面加工成斜面234．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。圆锥滚子轴承因有直径较小、宽度较宽因而容量大、可承受高负荷和通过轴承预紧能消除轴向间隙及轴向跳动等优点，故在一些变速器上得到广泛应用。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。►5、其它问题►1.挡位布置：考虑到径向力对轴的影响，1挡布置在靠近壳体的位置；►2.变速器孔口：开在上方，侧面►3.加油孔：考虑油量确定油孔位置►4.变速器壳体易设计制造，装拆和调整方便第二节结束第三节变速器主要参数的选择一、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。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：相邻挡位之间的传动比比值在1.8以下。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，乘用车一般用4～5个挡位变速器，商用车变速器采用4～5个挡或多挡，多挡变速器多用于重型货车和越野汽车。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。ig超速档轿车3.0~4.50.7~0.8货、大客5.0~8.0越野、牵引车10~20最高挡通常是直接挡，传动比为1.0；有的变速器最高档位超速挡，传动比为0.7~0.8。影响最低档传动比选取的因素有：发动机的最大转矩、要求的最大爬坡能力、主减速器的减速比、要求的最低稳定车速。三、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。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。g初选中心距A时，可根据下面的经验公式计算31maxgeAiTKA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。乘用车变速器的中心距在65～80mm范围内变化，而商用车的变速器中心距在80～170mm范围内变化。中心距系数KA乘用车8.9～9.3A＝65～80mm商用车8.6～9.6A＝80～170mm四、外形尺寸变速器横向尺寸，可根据齿轮直径及换挡机构初步确定；乘用车四挡变速器壳体的轴向尺寸为（3.0～3.4）A。商用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。变速器前端面到后端面的距离L，对传动轴的夹角、传动轴的长度、质量有影响，与挡数、换挡方式有关系，同步器长则轴向尺寸长。货车四挡（2.2～2.7）A五挡（2.7～3.0）A轿车六挡（3.2～3.5）A四挡（3.0～3.4）A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，对中间轴，d/L≈0.16～0.18，对第二轴，d/L≈0.18～0.21。第一轴花键直径d（mm）可按下式初选式中：K为经验系数，K=4.0～4.6；Temax为发动机最大转矩（N·m）。3maxeTKd六、齿轮参数1．模数的选取齿轮模数选取的一般原则：1）为了减少噪声应合理减小模数，同时增加齿宽；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。对于轿车，减少工作噪声较为重要，因此模数应选得小些；对于货车，减小质量比减小噪声更重要，因此模数应选得大些。变速器齿轮模数范围大致如下：微型、普通级轿车中级轿车中型货车重型货车2.25～2.752.75～3.003.5～4.54.5～6.0所选模数值应符合国家标准的规定。车型微、轻型轿车中级以上轿车中型货车重型货车模数2.25~2.752.75~3.03.5~4.54.5~6.02．压力角α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，应选用14.5°、15°、16°、16.5°等小些的压力角。对货车，为提高齿轮强度，应选用22.5°或25°等大些的压力角。国家规定的标准压力角为20°，所以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。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。试验证明：随着螺旋角的增大，齿的强度相应提高，但当螺旋角大于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。斜齿轮螺旋角选用范围：轿车变速器：两轴式为20°～25°中间轴式为22°～34°货车变速器：18°～26°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。根据图3-7可知，欲使中间轴上两个斜齿轮的轴向力平衡，须满足下述条件：Fa1=Fn1tanβ1Fa2=Fn2tanβ2由于T=Fn1r1=Fn2r2，为使两轴向力平衡，必须满足图3-7中间轴轴向力的平衡2121tantanrr式中，Fa1、Fa2为作用在