轿车变速箱设计说明书

轿车变速箱设计

摘 要

本设计的任务是设计一台用于轿车上的FR式的手动变速器。本设计采用中间

轴式变速器，该变速器具有两个突出的优点：一是其直接档的传动效率高，磨损及

噪声也最小；二是在齿轮中心距较小的情况下仍然可以获得较大的一档传动比。

根据轿车的外形、轮距、轴距、最小离地间隙、最小转弯半径、车辆重量、满

载重量以及最高车速等参数结合自己选择的适合于该轿车的发动机型号可以得出

发动机的最大功率、最大扭矩、排量等重要的参数。再结合某些轿车的基本参数，

选择适当的主减速比。根据上述参数，再结合汽车设计、汽车理论、机械设计等相

关知识，计算出相关的变速器参数并论证设计的合理性。

它功用是：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，如起步、加速、上坡等，同时使发动机在有利的工况下工作；②在

发动机旋转方向不变的前提下，使汽车能倒退行驶；③利用空档，中断动力传递，

以使发动机能够起动、怠速，并便于发动机换档或进行动力输出。这台变速器具有

五个前进档（包括一个超速档五档）和一个倒档，并通过锁环式同步器来实现换档。

关键词：变速器，锁环式同步器，传动比，中间轴，第二轴，齿轮

THE DESIGN OF SALOON GEARBOX

ABSTRACT

The duty of this design is to design a FR type manual transmission used

in the saloon,It’s the countershaft-type transmission gearbox.This

transmission has two prominent merits: Firstly,the transmission efficiency

of the direct drive keeps off high, the attrition and the noise are also

slightest;Secondly ,it’s allowed to obtain in the biger gear ratio of the

first gear when the center distance is smaller.

According to the contour,track，wheel base，the smallest ground

clearance,the smallest turning radium,the vehicles weight, the all-up

weight as well as the highest speed and so on, union the choosing engine

model we can obtain the important parameters of the max power,the max torque,

the displacement and so on. According to the basic parameters of the certain

saloon,choose the suitable final drive ratio.According to the above

parameters,combining the knowledge of automobile design, automobile theory,

machine design and so on, calculate the correlated parameters of the gearbox

and proof the rationality of the design.

Its function is:①Changing gear ratio,expanding the torque of the

driving wheel and the range of the rotational speed,to adapt the travel

condition which frequently changes, like start, acceleration, climbing and

so on, simultaneously causes the engine to work under the advantageous

operating mode;②Under the premise of the invariable rotation, enables the

automobile to travel back;③Using neutral, severances the power

transmission, to make the engine start, idle, and is advantageous for the

engine to shift gears or to carry on the dynamic output. This gearbox has

five (including over drive—fifth gear) and a reverse gear, and through the

inertial type of synchronizer to realize shift gears.

KEY WORDS：transmission, inertial type of synchronizer,gear ratio,

countershaft,second axis, gear

目 录

符号说明................................................... 1

前言....................................................... 3

第一章 机械式变速器的概述及其方案的确定................. 6

§1.1 变速器的功用和要求............................... 6

§1.2 变速器结构方案的确定............................. 6

§1.3 变速器主要零件结构的方案分析.................... 12

第二章 变速器主要参数的选择与主要零件的设计............ 15

§2.1 变速器主要参数的选择............................ 15

§2.2 各档传动比及其齿轮齿数的确定.................... 19

§2.3 齿轮变位系数的选择.............................. 21

第三章 变速器齿轮的强度计算与材料的选择................ 22

§3.1 齿轮的损坏原因及形式............................ 22

§3.2 齿轮强度计算与校核.............................. 22

第四章 变速器轴的强度计算与校核........................ 25

§4.1 变速器轴的结构和尺寸............................ 25

§4.2 轴的校核........................................ 27

第五章 变速器同步器的设计.............................. 30

第六章 变速器的操纵机构................................ 33

结论......................................................34

参考文献..................................................35

致谢......................................................36

符 号 说 明

m 汽车总质量 kg

g 重力加速度 N/kg

max 道路最大阻力系数

rr 驱动轮的滚动半径 mm

Temax 发动机最大扭矩 N·m

i0 主减速比

汽车传动系的传动效率

igI 一档传动比

G2 汽车满载载荷 N

路面附着系数

A 第一轴与中间轴的中心距 mm

A 中间轴与倒档轴的中心距 mm

A 第二轴与中间轴的中心距 mm

KA 中心距系数

m 直齿轮模数

mn 斜齿轮法向模数

齿轮压力角 °

斜齿轮螺旋角 °

b 齿轮宽度 mm

Zx 齿轮齿数

齿轮变位系数

W 齿轮弯曲应力 MPa

j 齿轮接触应力 MPa

Ft 齿轮所受圆周力 N

Fa 轴向力 N

Fr 径向力 N

Tg 计算载荷 N·m

K 应力集中系数

Kf 摩擦力影响系数

E 齿轮材料的弹性模量 MPa

K 重合度影响系数

rz 主动齿轮节圆半径 mm

rb 从动齿轮节圆半径 mm

z 主动齿轮节圆处的曲率半径 mm

b 从动齿轮节圆处的曲率半径 mm

T 扭转切应力 MPa

WT 轴的抗扭截面系数 mm3

G 轴的材料的剪切弹性模量 MPa

IP 轴截面的极惯性矩 mm4

fc 垂直面内的挠度 mm

fs 水平面内的挠度 mm

前 言

现在，每当人们观看F1大赛，总会被那种极速的感觉所折服。此刻，大家似

乎谈论得最多的就是发动机的性能以及车手的驾驶技术。而且，不忘在自己驾车的

时候体会一下极速感觉或是在买车的时候关注一下发动机的性能，这似乎成为了横

量汽车品质优劣的一个标准。的确，拥有一颗“健康的心”是非常重要的，因为它

是动力的缔造者。但是，掌控速度快慢的，却是它身后的变速器。

从现在市场上不同车型所配置的变速器来看，主要分为：手动变速器（MT）、

自动变速器（AT）、手动/自动变速器（AMT）、无级变速器（CVT）。

一、手动变速器(MT)

手动变速器（Manual Transmission）采用齿轮组，每档的齿轮组的齿数是固定

的，所以各档的变速比是个定值(也就是所谓的“级” )。比如，一档变速比是3.85,

二档是2.55,再到五档的0.75,这些数字再乘上主减速比就是总的传动比，总共只有5

个值(即有5级)，所以说它是有级变速器。

曾有人断言，繁琐的驾驶操作等缺点，阻碍了汽车高速发展的步伐，手动变速

器会在不久“下课”，从事物发展的角度来说，这话确实有道理。但是从目前市场

的需求和适用角度来看，笔者认为手动变速器不会过早的离开。

首先，从商用车的特性上来说，手动变速器的功用是其他变速器所不能替代的。

以卡车为例，卡车用来运输，通常要装载数吨的货品，面对如此高的“压力”，除

了发动机需要强劲的动力之外，还需要变速器的全力协助。我们都知道一档有“劲”，

这样在起步的时候有足够的牵引力量将车带动。特别是面对爬坡路段，它的特点显

露的非常明显。而对于其他新型的变速器，虽然具有操作简便等特性，但这些特点

尚不具备。

其次，对于老司机和大部分男士司机来说，他们的最爱还是手动变速器。从我

国的具体情况来看，手动变速器几乎贯穿了整个中国的汽车发展历史，资历郊深的

司机都是“手动”驾车的，他们对手动变速器的认识程度是非常深刻的，如果让他

们改变常规的做法，这是不现实的。虽然自动变速器以及无级变速器已非常的普遍，

但是大多数年轻的司机还是崇尚手动，尤其是喜欢超车时手动变速带来的那种快

感，所以一些中高档的汽车（尤其是轿车）也不敢轻易放弃手动变速器。另外，现

在在我国的汽车驾驶学校中，教练车都是手动变速器的，除了经济适用之外，关键

是能够让学员打好扎实的基本功以及锻炼驾驶协调性。

第三，随着生活水平的不断提高现在轿车已经进入了家庭，对于普通工薪阶级

的老百姓来说，经济型轿车最为合适，手动变速器以其自身的性价比配套于经济型

轿车厂家，而且经济适用型轿车的销量一直在车市名列前茅。例如，夏利、奇瑞、

吉利等国内厂家的经济型轿车都是手动变速的车，它们的各款车型基本上都是5档

手动变速。

二、自动变速器（AT）

自动变速器（AutomaticTransmission），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。虽说自动变速汽车没有离合器，但自动变速器中有很多离合器，这些离合器

能随车速变化而自动分离或合闭，从而达到自动变速的目的。

在中档车的市场上，自动变速器有着一片自己的天空。使用此类车型的用户希

望在驾驶汽车的时候为了简便操作、降低驾驶疲劳，尽可能的享受高速驾驶时快乐

的感觉。在高速公路上，这是个体现地非常完美。而且，以北京市来说，现在的交

通状况不好，堵车是经常的事情，有时要不停地起步停步数次，司机如果使用手动

档，则会反复地挂档摘档，操作十分烦琐，尤其对于新手来说更是苦不堪言。使用

自动档，就不会这样麻烦了。

在市场上，此类汽车销售状况还是不错的，尤其是对于女性朋友比较适合，通

常女性朋友驾车时力求便捷。而我国要普及这种车型，关键要解决的是路况问题，

现在的路况状况不均匀，难以发挥自动档汽车的优势。

三、手动/自动变速器（AMT）

其实通过对一些车友的了解，他们并不希望摒弃传统的手动变速器，而且在某

些时候也需要自动的感觉。这样手动/自动变速器便由此诞生。这种变速器在德国保

时捷车厂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。

自动—手动变速系统向人们提供两种驾驶方式—为了驾驶乐趣使用手动档，而

在交通拥挤时使用自动档，这样的变速方式对于我国的现状还是非常适合的。笔者

曾在上面提到，手动变速器有着很大的使用群体,而自动变速器也能适应女士群体以

及解决交通堵塞带来的麻烦，这样对于一些夫妻双方均会驾车的家庭来说，可谓是

兼顾了双方，体现了“夫妻档”。虽然这种二合一的配置拥有较高的技术含量，但

这类的汽车并不会在价格上都高不可攀，比如广州本田飞度1.3L CVT 两厢、南京

菲亚特2004派力奥1.3 HL Speedgear、南京菲亚特 西耶那Speedgear EL这些“二

合一”的车型价格均在10万元左右，这个价格层面还比较低的。 所以，手动/

自动车在普及上还是具有相当的优势。而汽车厂商和配套的变速器厂家应该以此为

契机，根据市场要求精心打造此类变速器。因为这类变速器是有比较广阔的市场的。

四、无级变速器

当今汽车产业的发展，是非常迅速的，用户对于汽车性能的要求是越来越高的。

汽车变速器的发展也并不仅限于此，无级变速器便是人们追求的“最高境界”。无

级变速器最早由荷兰人范·多尼斯（VanDoorne’s）发明。无级变速系统不像手动

变速器或自动变速器那样用齿轮变速，而是用两个滑轮和一个钢带来变速，其传动

比可以随意变化，没有换档的突跳感觉。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。通常有些朋友将自动变速器称为无级变速器，这是错

误的。虽然它们有着共同点，但是自动变速器只有换档是自动的，但它的传动比是

有级的，也就是我们常说的档，一般自动变速器有2～7个档。而无级变速器能在

一定范围内实现速比的无级变化，并选定几个常用的速比作为常用的“档”。装配

该技术的发动机可在任何转速下自动获得最合适的传动比。

从市场走向来看，虽然无级变速器是一个技术分量比较高的部件，但是也已经

走进了普通轿车的“身体” 之中，广本两厢飞度每个排量都有一款配置了CVT无

级变速器，既方便又省油，且售价也仅在9.68～11.68万元。而且奇瑞汽车销售公司

表示QQ无级变速器型年底上市。看来无级变速器在中档车中的运用将越为广泛。

本设计是根据东方之子1.8L手动豪华车型而开展的，设计中所采用的相关参数

均来源于此种车型：

主减速比：4.782

最高时速：190km/h

轮胎型号：205/65R15

发动机型号：SQR481FC

最大扭矩：170Nm/4500

最大功率：95kw/5750

最高转速：6000r/min 奇瑞东方之子1.8L豪华型

第一章 机械式变速器的概述及其方案的确定

§1.1 变速器的功用和要求

变速器的功用是根据汽车在不同的行驶条件下提出的要求，改变发动机的扭矩

和转速，使汽车具有适合的牵引力和速度，并同时保持发动机在最有利的工况范围

内工作。为保证汽车倒车以及使发动机和传动系能够分离，变速器具有倒档和空档。

在有动力输出需要时，还应有功率输出装置。

对变速器的主要要求是：

1. 应保证汽车具有高的动力性和经济性指标。在汽车整体设计时，根据汽车

载重量、发动机参数及汽车使用要求，选择合理的变速器档数及传动比，来满足这

一要求。

2. 工作可靠，操纵轻便。汽车在行驶过程中，变速器内不应有自动跳档、乱

档、换档冲击等现象的发生。为减轻驾驶员的疲劳强度，提高行驶安全性，操纵轻

便的要求日益显得重要，这可通过采用同步器和预选气动换档或自动、半自动换档

来实现。

3. 重量轻、体积小。影响这一指标的主要参数是变速器的中心距。选用优质

钢材，采用合理的热处理，设计合适的齿形，提高齿轮精度以及选用圆锥滚柱轴承

可以减小中心距。

4. 传动效率高。为减小齿轮的啮合损失，应有直接档。提高零件的制造精度

和安装质量，采用适当的润滑油都可以提高传动效率。

5. 噪声小。采用斜齿轮传动及选择合理的变位系数，提高制造精度和安装刚

性可减小齿轮的噪声。

§1.2 变速器结构方案的确定

变速器由传动机构与操纵机构组成。

1．变速器传动机构的结构分析与型式选择

有级变速器与无级变速器相比，其结构简单、制造低廉，具有高的传动效率

（η=0.96~0.98），因此在各类汽车上均得到广泛的应用。

设计时首先应根据汽车的使用条件及要求确定变速器的传动比范围、档位数及

各档的传动比，因为它们对汽车的动力性与燃料经济性都有重要的直接影响。

传动比范围是变速器低档传动比与高档传动比的比值。汽车行驶的道路状况愈

多样，发动机的功率与汽车质量之比愈小，则变速器的传动比范围应愈大。目前，

轿车变速器的传动比范围为3.0~4.5；一般用途的货车和轻型以上的客车为5.0~8.0；

越野车与牵引车为10.0~20.0。

通常，有级变速器具有3、4、5个前进档；重型载货汽车和重型越野汽车则采

用多档变速器，其前进档位数多达6~16个甚至20个。

变速器档位数的增多可提高发动机的功率利用效率、汽车的燃料经济性及平均

车速，从而可提高汽车的运输效率，降低运输成本。但采用手动的机械式操纵机构

时，要实现迅速、无声换档，对于多于5个前进档的变速器来说是困难的。因此，

直接操纵式变速器档位数的上限为5档。多于5个前进档将使操纵机构复杂化，或

者需要加装具有独立操纵机构的副变速器，后者仅用于一定行驶工况。

某些轿车和货车的变速器，采用仅在好路和空载行驶时才使用的超速档。采用

传动比小于1（0.7~0.8）的超速档，可以更充分地利用发动机功率，降低单位行驶

里程的发动机曲轴总转数，因而会减少发动机的磨损，降低燃料消耗。但与传动比

为1的直接档比较，采用超速档会降低传动效率。

有级变速器的传动效率与所选用的传动方案有关，包括传递动力的齿轮副数

目、转速、传递的功率、润滑系统的有效性、齿轮及轴以及壳体等零件的制造精度、

刚度等。

三轴式和两轴式变速器得到的最广泛的应用。

三轴式变速器如图1-1所示，其第一轴的常啮合齿轮与第二轴的各档齿轮分别

与中间轴的相应齿轮相啮合，且第一、第二轴同心。将第一、第二轴直接连接起来

传递扭矩则称为直接档。此时，齿轮、轴承及中间轴均不承载，而第一、第二轴也

传递转矩。因此，直接档的传递效率高，磨损及噪音也最小，这是三轴式变速器的

主要优点。其他前进档需依次经过两对齿轮传递转矩。因此。在齿轮中心距（影响

变速器尺寸的重要参数）较小的情况下仍然可以获得大的一档传动比，这是三轴式

变速器的另一优点。其缺点是：处直接档外其他各档的传动效率有所下降。

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