汽车手动变速器毕业设计

汽车手动变速器设计

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

目 录

第一章 机械式变速器的概述及其方案的确定 ........................................................... 1 第一节 变速器的功用和要求 ..................................................................................... 1 第二节 变速器结构方案的确定 ................................................................................. 1 第三节 变速器主要零件结构的方案分析............................................................... 1 第二章 变速器主要参数的选择与主要零件的设计 .................................................. 7 第一节 变速器主要参数的选择 ................................................................................. 8 第二节 各档传动比及其齿轮齿数的确定............................................................. 10 第三节 齿轮变位系数的选择 ................................................................................... 13 第三章 变速器齿轮的强度计算与材料的选择 ......................................................... 14 第一节 齿轮的损坏原因及形式 ............................................................................... 14 第二节 齿轮的强度计算与校核 ............................................................................... 14 第四章 变速器轴的强度计算与校核 ............................................................................ 17 第一节 变速器轴的结构和尺寸 ............................................................................... 17 第二节 轴的校核 .......................................................................................................... 19 第五章 变速器同步器的设计 ......................................................................................... 22 第六章 变速器的操纵机构 .............................................................................................. 24 参考文献 .................................................................................................................................. 25

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

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。

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。

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。

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，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：除直接档外

由于所设计的汽车是发动机前置，后轮驱动，因此采用中间轴式变速器。 图1-1示出了几种中间轴式五档变速器传动方案。它们的共同特点是：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档。在其它前进档位工作时，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，一档仍然有较大的传动比；；多数传动方案中除一档以外的其他档位的换档机构，均采用同步器或啮合套换档，少数结构的一档也采用同步器或啮合套换档，还有各档同步器或啮合套多数情况下装在第二轴上。在档数相同的条件下，各种中间轴式变速器主要在常啮合齿轮对数，换档方式和到档传动方案上有差别。

图1-1a所示方案，除一，倒档用直齿滑动齿轮换档外，其余各档为常啮合齿轮传动。图1-1b、c、d所示方案的各前进档，均用常啮合齿轮传动；图1-1d所示方案中的倒档和超速档安装在位于变速器后部的副箱体内，这样布置除可以提高轴的刚度，减少齿轮磨损和降低工作噪声外，还可以在不需要超速档的条件下，很容易形成一个只有四个前进档的变速器。

图1-1 中间轴式五档变速器传动方案

其他各档的传动效率有所下降。

以上各种方案中，凡采用常啮合齿轮传动的档位，其换档方式可以用同步器或啮合套来

实现。同一变速器中，有的档位用同步器换档，有的档位用啮合套换档，那么一定是档位高的用同步器换档，档位低的用啮合套换档。

发动机前置后轮驱动的轿车采用中间轴式变速器，为缩短传动轴长度，可将变速器后端加长。伸长后的第二轴有时装在三个支承上，其最后一个支承位于加长的附加壳体上。如果在附加壳体内，布置倒挡传动齿轮和换挡机构，还能减少变速器主体部分的外形尺寸。

综上所述选择第1-1b种传动方案，前进挡，均用常啮合齿轮传动

2.倒档传动方案

图1-2为常见的倒挡布置方案。图1-2b所示方案的优点是换倒挡时利用了中间轴上的一挡齿轮，因而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1-2c所示方案能获得较大的倒挡传动比，缺点是换挡程序不合理。图1-2d所示方案针对前者的缺点做了修改，因而取代了图1-2c所示方案。图1-2e所示方案是将中间轴上的一，倒挡齿轮做成一体，将其齿宽加长。图1-2f所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合齿轮，换挡更为轻便。为了充分利用空间，缩短变速器轴向长度，有的货车倒挡传动采用图1-2g所示方案。其缺点是一，倒挡须各用一根变速器拨叉轴，致使变速器上盖中的操纵机构复杂一些。

本设计采用图1-2f所示的传动方案。

图1-2变速器倒档传动方案

因为变速器在一挡和倒挡工作时有较大的力，所以无论是两轴式变速器还是中间轴式变速器的低档与倒挡，都应当布置在在靠近轴的支承处，以减少轴的变形，保证齿轮重合度下降不多，然后按照从低档到高挡顺序布置各挡齿轮，这样做既能使轴有足够大的刚性，又能保证容易装配。倒挡的传动比虽然与一挡的传动比接近，但因为使用倒挡的时间非常短，从这点出发有些方案将一挡布置在靠近轴的支承处。

1.3变速器主要零件结构的方案分析

变速器的设计方案必需满足使用性能、制造条件、维护方便及三化等要求。在确定变速器结构方案时，也要考虑齿轮型式、换档结构型式、轴承型式、润滑和密封等因素。

1.齿轮型式

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档和倒挡。但是，在本设计中由于倒档采用的是常啮合方案，因此倒档也采用斜齿轮传动方案，即除一档外，均采用斜齿轮传动。

2.换档结构型式

换档结构分为直齿滑动齿轮、啮合套和同步器三种。

直齿滑动齿轮换档的特点是结构简单、紧凑，但由于换档不轻便、换档时齿端面受到很大冲击、导致齿轮早期损坏、滑动花键磨损后易造成脱档、噪声大等原因，除一档、倒档外很少采用。

采用同步器换档可保证齿轮在换档时不受冲击，使齿轮强度得以充分发挥，同时操纵轻便，缩短了换档时间，从而提高了汽车的加速性、经济性和行驶安全性，此外，该种型式还有利于实现操纵自动化。其缺点是结构复杂，制造精度要求高，轴向尺寸有所增加，铜质同步环的使用寿命较短。目前，同步器广泛应用于各式变速器中。

自动脱档是变速器的主要障碍之一。为解决这个问题，除工艺上采取措施外，在结构

上，目前比较有效的方案有以下几种：

1） 将啮合套做得长一些或者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。使用中因接触部分挤压和磨损，因而在接合齿端部形成凸肩，以阻止自动脱档。

2）将啮合套齿座上前齿圈的齿厚切薄（0.3~0.6mm），这样，换档后啮合套的后端面便被后齿圈的前端面顶住，从而减少自动脱档（图1-3）。3）将接合齿的工作面加工成斜齿面，形成倒锥角（一般倾斜20~30），使接合齿面产生阻止自动脱档的轴向力。这种结构方案比较有效， 采用较多。

此段切薄

图1-3 防止自动脱档的结构措施Ⅱ

在本设计中所采用的是锁环式同步器，该同步器是依靠摩擦作用实现同步的。但它可以从结构上保证结合套与待啮合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，以免齿间冲击和发生噪声。同步器的结构如图1-5所示：

图1-4器 l、4-同步

器齿鼓;3-接合套;5-弹簧;6—滑块;7-止动球;8-卡环;9—输出轴;10、11-齿轮

环;2-同步锁环式同步

第二章 变速器主要参数的选择与主要零件的设计

2.1 变速器主要参数的选择

一、档数和传动比范围

近年来，为了降低油耗，变速器的档数有增加的趋势。目前，乘用车一般用4~5个档位的变速器。本设计也采用5个档位。

选择最低档传动比时，应根据汽车最大爬坡度、驱动轮与路面的附着力、汽车的最

低稳定车速以及主减速比和驱动轮的滚动半径等来综合考虑、确定。

则由最大爬坡度要求的变速器Ⅰ档传动比为

i?mg?max? （2-1）

Tmaxi0?式中 m----汽车总质量； g----重力加速度；

ψmax----道路最大阻力系数； rr----驱动轮的滚动半径；

Temax----发动机最大转矩； i0----主减速比； η----汽车传动系的传动效率。

根据驱动车轮与路面的附着条件

Tmaxi??G2? rr求得的变速器I档传动比为：

i?G2?r （2-2）

Tmaixo?式中 G2----汽车满载静止于水平路面时驱动桥给路面的载荷； φ----路面的附着系数，计算时取φ=0.5~0.6。 由已知条件：满载质量 1800kg；

rr=337.25mm； Te max=170Nm； i0=4.782； η=0.95。 根据公式（2-2）可得：igI =3.85。

超速档的的传动比一般为0.7~0.8，本设计取五档传动比igⅤ=0.75。 中间档的传动比理论上按公比为： q??1igmaxigmin （2-3）

的等比数列，实际上与理论上略有出入，因齿数为整数且常用档位间的公比宜小些，另外还要考虑与发动机参数的合理匹配。根据上式可的出：q=1.51。

故有：igII?2.55 igIII?1.69 igIV?1.12(修正为1)

二、中心距

中心距对变速器的尺寸及质量有直接影响，所选的中心距、应能保证齿轮的强度。三轴式变速器的中心局A（mm）可根据对已有变速器的统计而得出的经验公式初定：

A?KA3TImax (2-4)

式中 K A----中心距系数。对轿车，K A =8.9~9.3；对货车，K A =8.6~9.6；对多档

主变速器，K A =9.5~11；

TI max ----变速器处于一档时的输出扭矩：

TI max=Te max igI η =628.3N﹒m

故可得出初始中心距A=77.08mm。

三、轴向尺寸

变速器的横向外形尺寸，可根据齿轮直径以及倒档中间齿轮和换档机构的布置初步确定。轿车四档变速器壳体的轴向尺寸3.0~3.4A。货车变速器壳体的轴向尺寸与档数有关：四档(2.2~2.7) A五档(2.7~3.0)A 六档(3.2~3.5)A

当变速器选用常啮合齿轮对数和同步器多时，中心距系数KA应取给出系数的上限。为检测方便，KA取整。

本次设计采用5+1手动挡变速器，其壳体的轴向尺寸是3?77.08mm=231.24mm， 变速器壳体的最终轴向尺寸应由变速器总图的结构尺寸链确定。

四、齿轮参数

（1）齿轮模数 建议用下列各式选取齿轮模数，所选取的模数大小应符合JB111-60规定的标准值。第一轴常啮合斜齿轮的法向模数mn

mn?0.437Temamm (2-5) x其中Temax=170Nm，可得出mn=2.5。

一档直齿轮的模数m

m?0.333T1mamm (2-6) x通过计算m=3。

同步器和啮合套的接合大都采用渐开线齿形。由于制造工艺上的原因，同一变速器中的结合套模数都相同，轿车和轻型货车取2~3.5。本设计取2.5。 （2）齿形、压力角α、螺旋角β和齿宽b

汽车变速器齿轮的齿形、压力角、及螺旋角按表2-1选取。 表2-1 汽车变速器齿轮的齿形、压力角与螺旋角

项目 车型 轿车

齿形 高齿并修形的齿形 压力角α 14.5°，15°，16°16.5° 螺旋角β 25°~45° 一般货车 重型车 GB1356-78规定的标准齿形 同上 20° 20°~30° 小螺旋角 低档、倒档齿轮22.5°，25° 压力角较小时，重合度大，传动平稳，噪声低；较大时可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。对轿车，为加大重合度已降低噪声，取小些；对货车，为提高齿轮承载力，取大些。在本设计中变速器齿轮压力角α取20°,啮合套或同步器取30°；斜齿轮螺旋角β取30°。

通常根据齿轮模数的大小来选定齿宽： 直齿 b=(4.5~8.0) mm斜齿 b=(6.0~8.5) mm

2.2各档传动比及其齿轮齿数的确定

1.确定一档齿轮的齿数

一档传动比

igI?Z2Z9 （2-7） ?Z1Z10 为了确定Z9和Z10的齿数，

先求其齿数和Z?: Z?=

图2-1 五档变速器示意图

2A （2-8） m 其中 A =77.08mm、m =3；故有Z??51.4。

当轿车三轴式的变速器igI?3.5~3.9时，则Z10可在15~17范围内选择，此处取Z10=16，则可得出Z9=35。

上面根据初选的A及m计算出的Z?可能不是整数，将其调整为整数后，从式（2-8）看出中心距有了变化，这时应从Z?及齿轮变位系数反过来计算中心距A，再以这个修正后的中心距作为以后计算的依据。

这里Z?修正为51，则根据式（2-8）反推出A=76.5mm。

2.确定常啮合齿轮副的齿数由式（2-7）求出常啮合齿轮的传动比

ZZ2?igI?10 （2-9） Z1Z9由已经得出的数据可确定

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