福克斯2.0轎車(chē)變速器的設(shè)計(jì)【中型轎車(chē)前置后驅(qū)式機(jī)械式手動(dòng)五擋中間軸式變速器】【鎖環(huán)式同步器的換擋方式】
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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
福克斯2.0轎車(chē)變速器的設(shè)計(jì)
系部名稱(chēng)： 汽車(chē)與交通工程學(xué)院
專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 車(chē)輛工程B07-8班
學(xué)生姓名： 劉璐
指導(dǎo)教師： 李榮
職 稱(chēng)： 講師
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一一年六月
The Graduation Thesis for Bachelor's Degree
Design on transmission of fox 2.0 car
Candidate：Liu Lu
Specialty：Vehicle engineering
Class：B07-8
Supervisor：lecturer . Li Rong
Heilongjiang Institute of Technology
2011-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
摘 要
變速器用來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目的是在原地起步、爬坡、轉(zhuǎn)彎、加速等各種行駛工況下使汽車(chē)獲得不同的牽引力和速度，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作。變速器設(shè)有空擋，可在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車(chē)滑行或停車(chē)時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力停止向驅(qū)動(dòng)輪傳輸。變速器設(shè)有倒擋，使汽車(chē)獲得倒退行駛能力。需要時(shí)，變速器還有動(dòng)力輸出功能。
本次設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一款用于中型轎車(chē)的前置后驅(qū)式機(jī)械式五擋變速器。手動(dòng)變速器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、功率大、制造成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，所以在中國(guó)乘用車(chē)市場(chǎng)一直占據(jù)著汽車(chē)變速器的主導(dǎo)地位。本次設(shè)計(jì)擬采用中間軸式變速器，其顯著優(yōu)點(diǎn)是直接擋利用率較高，在其他前進(jìn)擋位工作時(shí)一擋仍然有較大的傳動(dòng)比。但在其他前進(jìn)擋位工作時(shí)其傳動(dòng)效率略有降低，同時(shí)由于其操作復(fù)雜，會(huì)使駕駛員產(chǎn)生疲勞感，噪聲較大，這是它的缺點(diǎn)。
首先要選擇發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率、最大扭矩、最高轉(zhuǎn)速等重要參數(shù)，然后根據(jù)上述參數(shù)選擇最大及最小傳動(dòng)比，合理分配各擋傳動(dòng)比。結(jié)合運(yùn)用汽車(chē)設(shè)計(jì)、汽車(chē)?yán)碚?、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理等知識(shí)，計(jì)算出變速器各個(gè)齒輪及軸的參數(shù)并校核其強(qiáng)度，論證設(shè)計(jì)方案的合理性，最后要畫(huà)出變速器齒輪和軸的零件圖。
關(guān)鍵詞：變速器；傳動(dòng)比；齒輪；軸；計(jì)算；校核
ABSTRACT
The transmission gearbox is used to change torque and the rotate speed from engine to driving gear, In-situ start, the hill climbing, the curve, the acceleration and so on under each kind of travel operating mode, the goal is to obtain the different force of traction and the speed, meanwhile makes the engine to work in the most advantageous operating mode scope.The transmission gearbox is equipped with the neutral which can stop the power from the engine to the driving gear transmission when starting engine, the automobile glide or parking,The transmission gearbox is equipped with the reverse gear, makes the automobile to obtain reversing travel ability.When needed, the transmission gearbox also has the dynamic output function.
The task is to design one five-gear manual transmission used in the front engine rear drive intermediate.The manual transmission gearbox has many advantages including simple structure, high efficiency, big power, low production cost, therefore which is always occupying the automobile transmission gearbox dominant position in vehicle market of China.This design plans to use the middle shaft-type transmission gearbox which has the merit of high efficiency in the positive gear,and when working in the other forward gears position still has the great velocity ratio,but reduces the transmission efficiency, because of its complicated operation, it can make the pilot to have the weary feeling, the big noise, this is its shortcoming.
First we must choose the engine type, gain the maximum power, the maximum torque, the highest rotate speed, the important parameter and so on , then according to above parameter choose the biggest and the smallest velocity ratio, distribute all the velocity ratio rational.Using the knowledge about automobile design, automobile theory, machine design, mechanism and so on, we can calculate the parameter of each gear and the axis and examine its intensity, prove the paper’s rationality, finally must draw the part drawing of an gear and an axis.
Key words: Transmission；Transmission Ratio；Gear ；Shaft；Calculation；Check
I
目 錄
摘要................................................................................................................................I
Abstract.........................................................................................................................II
第1章 緒論.................................................................................................................1
1.1 汽車(chē)變速器的概述...........................................................................................1
1.2 汽車(chē)變速器研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)...................................................................1
1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀........................................................................................1
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀........................................................................................4
1.3 汽車(chē)變速器設(shè)計(jì)的目的和意義.......................................................................5
1.4 汽車(chē)變速器的設(shè)計(jì)方法和研究?jī)?nèi)容...............................................................5
第2章 變速器主要參數(shù)的選擇............................................................................7
2.1 變速器檔數(shù)及各檔傳動(dòng)比...............................................................................7
2.1.1 變速器檔數(shù)的確定................................................................................7
2.1.2 主要技術(shù)參數(shù)........................................................................................7
2.1.3 主減速比的確定....................................................................................7
2.1.4 變速器一檔傳動(dòng)比的確定....................................................................8
2.1.5 變速器各檔傳動(dòng)比的確定..................................................................10
2.2 變速器中心距的確定.....................................................................................10
2.3 變速器各檔齒輪參數(shù)的確定.........................................................................11
2.3.1 確定一檔齒輪齒數(shù)..............................................................................11
2.3.2 對(duì)中心距A進(jìn)行修正..........................................................................12
2.3.3確定常嚙合傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)...............................................................13
2.3.4 確定其他各檔的齒數(shù)..........................................................................15
2.3.5 確定倒檔齒輪齒數(shù)..............................................................................20
2.4 本章小結(jié).........................................................................................................21
第3章 變速器齒輪的設(shè)計(jì)及校核.....................................................................22
3.1 齒輪的材料選擇.............................................................................................22
3.1.1 齒輪損壞形式及避免方法..................................................................22
3.1.2 各檔齒輪的材料選擇..........................................................................23
3.2 計(jì)算各軸的轉(zhuǎn)矩.............................................................................................24
3.3 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算.............................................................................................24
3.3.1 輪齒的彎曲應(yīng)力公式..........................................................................25
3.3.2 輪齒接觸應(yīng)力公式..............................................................................26
3.3.3 各檔齒輪的強(qiáng)度計(jì)算及校核..............................................................28
3.4 各檔齒輪的受力計(jì)算.....................................................................................35
3.5 本章小結(jié).........................................................................................................38
第4章 變速器軸和軸承的設(shè)計(jì)及校核............................................................39
4.1軸的設(shè)計(jì)..........................................................................................................39
4.1.1 軸的作用及其設(shè)計(jì)要求......................................................................39
4.1.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)......................................................................................39
4.1.3 軸的尺寸計(jì)算......................................................................................40
4.2 軸的強(qiáng)度計(jì)算及校核..... ................................................................................41
4.2.1 軸的剛度計(jì)算及校核..........................................................................41
4.2.2 軸的強(qiáng)度計(jì)算及校核..........................................................................46
4.2.3 軸承的選擇及校核..............................................................................50
4.3 本章小結(jié).........................................................................................................52
第5章 同步器的確定............................................................................................53
5.1 鎖銷(xiāo)式同步器介紹.........................................................................................53
5.2 鎖環(huán)式同步器介紹.........................................................................................54
5.3 本章小結(jié).........................................................................................................55
第6章 操縱機(jī)構(gòu)和箱體的確定..........................................................................56
6.1 操縱機(jī)構(gòu)的功用.............................................................................................56
6.2 換檔位置示意圖.............................................................................................56
6.3 變速器箱體的設(shè)計(jì).........................................................................................56
6.4 本章小結(jié).........................................................................................................57
結(jié)論..............................................................................................................................58
參考文獻(xiàn).....................................................................................................................59
致謝..............................................................................................................................60
第1章 緒 論
1.1汽車(chē)變速器的概述
汽車(chē)是一種快速機(jī)動(dòng)的道路交通工具。一般是指自帶動(dòng)力裝置的可以獨(dú)立行駛并完成運(yùn)載任務(wù)的輪式車(chē)輛，具有四個(gè)或四個(gè)以上的車(chē)輪。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)規(guī)定，汽車(chē)可分為載貨汽車(chē)，越野汽車(chē)，自卸汽車(chē)，牽引汽車(chē)，專(zhuān)業(yè)汽車(chē)，客車(chē)，轎車(chē)等種類(lèi)。汽車(chē)的基本組成是相同的，均由發(fā)動(dòng)機(jī)，底盤(pán)，車(chē)身和電氣設(shè)備四大部分組成，現(xiàn)代汽車(chē)將以往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)為主要?jiǎng)恿υ矗l(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速與汽車(chē)的牽引力、車(chē)速要求之間的矛盾，靠現(xiàn)代汽車(chē)的內(nèi)燃機(jī)本身是無(wú)法解決的。為此，在汽車(chē)傳動(dòng)系中設(shè)置了變速器和主減速器。既可使驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的扭矩增大為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的若干倍，同時(shí)又可使其轉(zhuǎn)速減小到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的若干分之一。
變速器用于改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)汽車(chē)在起步、加速、行駛以及克服各種道路障礙等不同行駛條件下，滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)車(chē)輪牽引力及車(chē)速不同要求的需要。隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，今后要求汽車(chē)車(chē)型的多樣化、個(gè)性化、智能化已成為汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)。但變速器設(shè)計(jì)一直是汽車(chē)設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)之一，它是用來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作。因此它的性能影響到汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。變速器能使汽車(chē)以非常低的穩(wěn)定車(chē)速行駛，而這種低的車(chē)速只靠?jī)?nèi)燃機(jī)的最低穩(wěn)定車(chē)速是難以達(dá)到的。變速器的倒檔使汽車(chē)能倒退行駛；其空檔使汽車(chē)在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、停車(chē)和滑行時(shí)能長(zhǎng)時(shí)間將發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系分離。
變速器的結(jié)構(gòu)除了對(duì)汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性有影響同時(shí)對(duì)汽車(chē)操縱的可靠性與輕便性、傳動(dòng)的平穩(wěn)性與效率等都有直接影響。變速器與主減速器及發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)做優(yōu)化匹配，可得到良好的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性；采用自鎖及互鎖裝置，倒檔安全裝置，其他結(jié)構(gòu)措施，可使操縱可靠，不產(chǎn)生跳檔、亂檔、自動(dòng)脫檔和誤掛倒檔；采用同步器可使換檔輕便，無(wú)沖擊及噪聲；采用斜齒輪、修形及參數(shù)優(yōu)化等措施可使齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低，不同的傳動(dòng)比還可以使在其不同路面提高汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，使汽車(chē)和發(fā)動(dòng)機(jī)有良好的匹配性[1]。 1.2汽車(chē)變速器研究狀況、發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀
變速器作為傳遞動(dòng)力和改變車(chē)速的主要裝置，國(guó)外對(duì)其操縱的方便性和檔位數(shù)等方面的要求愈來(lái)愈高。目前，4檔特別是5檔變速器的用量有日漸增多的趨勢(shì)。同時(shí)，6檔變速器的裝車(chē)率也在上升。電子控制式自動(dòng)變速器是90年代人們關(guān)注的焦點(diǎn)。它是在機(jī)械變速器的基礎(chǔ)上，通過(guò)運(yùn)用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔、自動(dòng)控制離合器及油門(mén)動(dòng)作的種先進(jìn)的變速裝置。在該裝置中，有一個(gè)由半導(dǎo)體元件和集成電路組成的電子控制器，它是變速器的“指揮中心”，以模擬控制與數(shù)字控制兩種方式作用，能連續(xù)不斷地把車(chē)輛的實(shí)際行駛狀況與希望實(shí)現(xiàn)的狀況進(jìn)行比較，如果兩者不吻合，該控制器就會(huì)命令操縱機(jī)構(gòu)，改換變速器的檔位、離合器的分離與接合以及油門(mén)的開(kāi)度。通過(guò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇最佳檔位和最佳換檔時(shí)間，電控變速器可直接改善整車(chē)的操縱性，并使車(chē)輛在經(jīng)濟(jì)性最佳的范圍內(nèi)行駛。據(jù)悉，豐田電控變速器可節(jié)油5%左右。盡管電控自動(dòng)變速器從開(kāi)始研制至今僅20余年，但由于它既有機(jī)械變速器傳動(dòng)效率高和使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，又有液力機(jī)械自動(dòng)變速器動(dòng)力性好、油耗低和操作簡(jiǎn)單的好處，所以國(guó)外各大公司都很重視該產(chǎn)品的研制應(yīng)用。豐田公司開(kāi)發(fā)的ECT電控自動(dòng)變速器，起動(dòng)時(shí)和低、中速時(shí)的加速性都很好，而且變速平穩(wěn)、油耗低。日產(chǎn)研制的全新通檔電控自動(dòng)變速器，體積小,傳遞效率高，比同類(lèi)產(chǎn)品更能滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性要求，它在車(chē)速超過(guò)50km/h時(shí),無(wú)論在3檔或4檔都具有轉(zhuǎn)矩鎖定功能。三菱在其最新的電控自動(dòng)變速系統(tǒng)中，增加了“模糊控制”的新概念。當(dāng)電子控制器根據(jù)所收到的車(chē)輛行駛狀況信息，通過(guò)模糊邏輯進(jìn)行判斷之后，會(huì)白動(dòng)選擇最適當(dāng)?shù)膿Q檔方式，從而可以防止車(chē)輛上坡時(shí)或轉(zhuǎn)彎時(shí)自動(dòng)換人高檔，也可防止車(chē)輛下坡時(shí)自動(dòng)由高檔換到低檔。本田開(kāi)發(fā)的電控變速器也應(yīng)用了模糊控制概念，使變速控制非常簡(jiǎn)便、輕松，駕駛者簡(jiǎn)直難以覺(jué)察到檔位的變換。目前國(guó)外轎車(chē)的電控自動(dòng)變速器，主要有三種操縱方式，即電子控制氣動(dòng)操縱、電子控制液壓操縱和電子控制馬達(dá)操縱。
最近幾年,傳統(tǒng)的液力自動(dòng)變速器通過(guò)采用CAD/CAM技術(shù)來(lái)提高液力變矩器效率,增加行星齒輪變速器的檔位(四、五檔)以及電子技術(shù)的應(yīng)用,液力自動(dòng)變速器的性能已相當(dāng)完善。每年還有幾十項(xiàng)專(zhuān)利申請(qǐng),主要是在電子控制方面的,如消除汽車(chē)爬坡時(shí)因牽引力不足產(chǎn)生急劇減速造成的重復(fù)換檔;防止汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)因短時(shí)間速度下降產(chǎn)生重復(fù)換檔,有效地減小離合器和制動(dòng)器的使用頻率;因海拔高度變化引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降而對(duì)換檔時(shí)刻進(jìn)行修正;通過(guò)控制液壓系統(tǒng)壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩以抑制換檔沖擊等[2]。
現(xiàn)在的液力自動(dòng)變速器已能通過(guò)微電腦對(duì)整個(gè)動(dòng)力—傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制,可稱(chēng)得上是全電子控制的智能化產(chǎn)品。由各種電子傳感器和微電腦組成的電控單元可根據(jù)路況、駕駛方式等信息控制發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量,決定換檔時(shí)機(jī)和液力變矩器鎖定時(shí)刻,使動(dòng)力輸出達(dá)到最佳,既降低油耗,又減小換檔時(shí)的振動(dòng)。三菱公司新的自動(dòng)變速車(chē)“Fuzzy Shift 4AT”在自動(dòng)變速系統(tǒng)中加入了“模糊控制”的概念,變速器內(nèi)的微電腦會(huì)根據(jù)收集到的行駛狀況信息,通過(guò)模糊邏輯判斷后,自動(dòng)選擇最適當(dāng)?shù)膿Q檔方式。該公司的INVECS-Ⅱ自動(dòng)速器,控制參數(shù)擴(kuò)大到車(chē)輛的全部工作范圍,相關(guān)信息數(shù)量高達(dá)210個(gè),其電腦有記憶駕駛員的愛(ài)好和習(xí)慣的能力,可據(jù)此修改換檔程序。
液力自動(dòng)變速器的應(yīng)用范圍非常廣,與之匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)排量小至1L,大至10L以上;傳遞功率可從幾十千瓦到幾百千瓦;可以裝備轎車(chē)、客車(chē)、貨車(chē)、越野車(chē)等各種車(chē)型。僅就液力自動(dòng)變速器在轎車(chē)上的裝備率而言,目前美國(guó)為90%左右,日本接近80%。因此,液力自動(dòng)變速器在汽車(chē)自動(dòng)變速器行業(yè)占有主導(dǎo)地位。據(jù)預(yù)測(cè),隨時(shí)間的增加,日本自動(dòng)變速器的總裝車(chē)率將達(dá)到40%,美國(guó)將達(dá)到35%,不過(guò)在這當(dāng)中,AMT和CVT將要擠占部分份額。
進(jìn)入80年代,五十鈴、伊頓、ZF等公司研制電子控制機(jī)械自動(dòng)變速器并裝車(chē)成功后,福特公司、大眾公司、菲亞特公司、雷諾公司和豐田公司等也相繼開(kāi)展AMT的研究和開(kāi)發(fā)。1995年本田的部分Civic轎車(chē)裝用了AMT。1996年寶馬M3轎車(chē)所采用的“M序列式變速器”就是在原來(lái)的M3型6檔手動(dòng)機(jī)械變速器基礎(chǔ)上作了大幅度的改進(jìn),以全新的電液控制系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的機(jī)械式變速器的操縱系統(tǒng),并可選擇自動(dòng)變速和手動(dòng)變速兩種模式。ZF公司也推出了其電控機(jī)械自動(dòng)變速器新產(chǎn)品——ASTRONIC系列。由于機(jī)械式自動(dòng)變速器是采用現(xiàn)代電子技術(shù)改造傳統(tǒng)手動(dòng)變速器而得到的,其研究時(shí)的一個(gè)初衷就是考慮機(jī)械變速器部分可以借用原有的結(jié)構(gòu),因而新增生產(chǎn)設(shè)備較少。但這也限制了為改善自動(dòng)變速器性能所要求的一些結(jié)構(gòu)上的變化。
據(jù)統(tǒng)計(jì),截至1996年底,裝備金屬帶式CVT的轎車(chē)就已達(dá)120多萬(wàn)輛。最近,日本本田汽車(chē)公司和荷蘭的VDT(Van Doorne' s Transmissie B.V.)變速器公司共同研制的新型無(wú)級(jí)變速器已裝備在了本田1996Civic HX型轎車(chē)上。日產(chǎn)汽車(chē)公司原定在21世紀(jì)進(jìn)入CVT的實(shí)用化階段,但因該公司近幾年經(jīng)營(yíng)情況不理想,為有利于搶占市場(chǎng),現(xiàn)已明顯加快了CVT實(shí)用化步伐,電子控制的哈依帕CVT已裝在藍(lán)鳥(niǎo)等排量2L的轎車(chē)上。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前裝有CVT的轎車(chē)約120萬(wàn)輛,發(fā)動(dòng)機(jī)排量大多在0.6~3.3L。預(yù)計(jì)隨時(shí)間增加,無(wú)級(jí)變速器的裝車(chē)率,日本將達(dá)到15%,而美國(guó)將達(dá)到38%。這主要集中在中小排量的轎車(chē)上,用于大功率傳遞時(shí)仍有一些問(wèn)題需要解決。另外,美國(guó)一些高校的研究機(jī)構(gòu)以及裝備液力自動(dòng)變速器量最大的通用汽車(chē)公司也正在加緊CVT的研制和試裝車(chē)。由此可看出國(guó)外汽車(chē)企業(yè)對(duì)CVT的態(tài)度已由舉棋不定轉(zhuǎn)向了加速發(fā)展[3]。
1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國(guó)從60年代起,就在“紅旗”770轎車(chē)上使用了具有2個(gè)前進(jìn)檔的液力自動(dòng)變速器,1975年又研制出具有3個(gè)前進(jìn)檔的CA774液力自動(dòng)變速器。80年代初,老“紅旗”轎車(chē)因油耗高而停止生產(chǎn)。油耗高的原因除液力自動(dòng)變速器效率問(wèn)題外,更主要的要?dú)w因于其高達(dá)5.6L排量的發(fā)動(dòng)機(jī)。
此外,除在部分軍用車(chē)輛上使用了液力自動(dòng)變速器外,國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)幾乎與自動(dòng)變速器無(wú)緣。甚至有人認(rèn)為,中國(guó)在2000年以前不需要自動(dòng)變速器。
隨著中國(guó)的改革開(kāi)放,大量國(guó)外轎車(chē)進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng),其中許多中高檔轎車(chē)是帶有自動(dòng)變速器的,而其類(lèi)別幾乎全部是液力自動(dòng)變速器。這也使一大批汽車(chē)修理企業(yè)對(duì)液力自動(dòng)變速器的維修變得十分熟悉。
由于對(duì)自動(dòng)變速器良好性能的逐漸認(rèn)識(shí),用戶(hù)的需求量越來(lái)越大,使國(guó)內(nèi)汽車(chē)企業(yè)加快了自動(dòng)變速器的發(fā)展步伐。1998年,一汽大眾公司生產(chǎn)的“捷達(dá)王”已將自動(dòng)變速器列為選裝件。神龍汽車(chē)公司也在其“富康”1.6L的車(chē)型上推出了電控式液力自動(dòng)變速器。上海通用汽車(chē)公司在所生產(chǎn)的別克“世紀(jì)”轎車(chē)上裝備了目前最為先進(jìn)的一種液力自動(dòng)變速器——4T65E型四檔電控自動(dòng)變速驅(qū)動(dòng)橋。而廣州本田“雅閣”轎車(chē),自動(dòng)變速器幾乎是標(biāo)準(zhǔn)配置。因此,在國(guó)產(chǎn)車(chē)上選裝液力自動(dòng)變速器已成為必然之勢(shì)。
從研究與生產(chǎn)環(huán)節(jié)來(lái)看,CA770液力自動(dòng)變速器生產(chǎn)過(guò)近2000臺(tái),加之工程機(jī)械、軍用車(chē)輛采用動(dòng)力換檔的行星齒輪變速器已有很多年的歷史,近幾年,國(guó)內(nèi)也為大功率車(chē)輛研制成功電控自動(dòng)變速器,因此可以說(shuō),在液力自動(dòng)變速器的研究、生產(chǎn)以及修理方面均有一定的基礎(chǔ)。但目前國(guó)產(chǎn)轎車(chē)所裝用的液力自動(dòng)變速器全部都依靠進(jìn)口。不過(guò)通用汽車(chē)公司在上海的合資企業(yè)已開(kāi)始試生產(chǎn)4T65E型四檔電控自動(dòng)變速驅(qū)動(dòng)橋。當(dāng)然,完全國(guó)產(chǎn)化還有一段路要走。
在電子控制機(jī)械式自動(dòng)變速器方面,國(guó)內(nèi)有關(guān)部門(mén)也正在進(jìn)行研究，目前已生產(chǎn)出樣機(jī)。
至于機(jī)械式無(wú)級(jí)變速器,早在十年前,國(guó)內(nèi)就有高校購(gòu)買(mǎi)過(guò)國(guó)外樣機(jī)作分析研究,但苦于經(jīng)費(fèi)問(wèn)題,無(wú)法深入進(jìn)行。近一兩年一些高校才又開(kāi)始重新起步。根據(jù)國(guó)外目前CVT應(yīng)用的趨勢(shì)和所做的預(yù)測(cè),CVT可能是小功率(發(fā)動(dòng)機(jī)排量2L以下)液力自動(dòng)變速器最有威脅的挑戰(zhàn)者,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)前景不容忽視。但要想完全依靠國(guó)內(nèi)自己的力量做成實(shí)用的CVT,既不現(xiàn)實(shí),時(shí)間上也不允許。走技術(shù)引進(jìn)的道路是一條捷徑。
按照我國(guó)汽車(chē)工業(yè)產(chǎn)業(yè)政策的規(guī)劃,到2010年我國(guó)轎車(chē)產(chǎn)量將達(dá)400萬(wàn)輛,不過(guò)這個(gè)目標(biāo)可能過(guò)于樂(lè)觀。屆時(shí)年產(chǎn)200萬(wàn)輛轎車(chē)是完全有可能的,而由于大量非職業(yè)駕駛?cè)藛T的出現(xiàn)和對(duì)汽車(chē)性能要求的提高,裝備自動(dòng)變速器的至少占10%,再加上部分大客車(chē)也采用自動(dòng)變速器,對(duì)自動(dòng)變速器的需求量將在20萬(wàn)臺(tái)以上,這對(duì)于我國(guó)的汽車(chē)工業(yè)而言,將是一個(gè)極好的機(jī)遇,同時(shí)也是一場(chǎng)新的挑戰(zhàn)[4]。
1.3汽車(chē)變速器設(shè)計(jì)的目的和意義
21世紀(jì)，汽車(chē)工業(yè)成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，汽車(chē)企業(yè)對(duì)各系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)需求旺盛。其實(shí)，汽車(chē)與人一樣，也有著整套健康系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體。發(fā)動(dòng)機(jī)是心臟，車(chē)輪、底盤(pán)與懸掛是軀干和四肢，然而鏈接他們的，是類(lèi)似于人體經(jīng)脈的變速器系統(tǒng)。如果汽車(chē)喪失了變速器這個(gè)中心環(huán)節(jié)，心臟、四肢、與軀干再好，汽車(chē)也只能如同植物人般成為廢鐵一堆！可以說(shuō)，變速器是伴隨著汽車(chē)工業(yè)出現(xiàn)的必然產(chǎn)物，是汽車(chē)上的必需品。在完成了最基本的傳動(dòng)功能之外，我們對(duì)變速器的要求也越來(lái)越高，這是變速箱演變過(guò)程的首要催產(chǎn)素。由此可見(jiàn)，對(duì)汽車(chē)的變速器進(jìn)行研究具有十分重要的意義。
變速器是汽車(chē)的重要部件之一，主要實(shí)現(xiàn)汽車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中變速及倒車(chē)功能。通過(guò)改變傳動(dòng)比，改變發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)拒，適應(yīng)在起步、加速、行駛以及克服各種道路阻礙等不同行駛條件下對(duì)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪牽引力及車(chē)速不同要求的需要。變速器的好壞還體現(xiàn)在擋位區(qū)間是否清晰、換擋是否平順。道理很簡(jiǎn)單，一個(gè)擋位模糊、換擋艱澀的變速器是不會(huì)為汽車(chē)帶來(lái)流暢的動(dòng)力分配也不會(huì)為駕駛者帶來(lái)愜意的駕駛樂(lè)趣的。因此變速器的設(shè)計(jì)對(duì)汽車(chē)性能至關(guān)重要。變速器組成零件較多，零件之間的裝配關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜。對(duì)于車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的本科學(xué)生，通過(guò)本畢業(yè)設(shè)計(jì)可以充分復(fù)習(xí)所學(xué)知識(shí)，并能提高計(jì)算機(jī)及軟件使用水平，為以后的工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[5]。
汽車(chē)變速器用來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目的是在原地起步、爬坡、轉(zhuǎn)彎、加速等各種行駛工況下，使汽車(chē)獲得不同的牽引力和速度，同時(shí)是發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作。通過(guò)對(duì)福克斯2.0轎車(chē)變速器的設(shè)計(jì)，讓我充分了解變速器的構(gòu)造和設(shè)計(jì)過(guò)程，鍛煉我的動(dòng)手能力、獨(dú)立思考能力和繪圖能力。
1.4汽車(chē)變速器的設(shè)計(jì)方法和研究?jī)?nèi)容
在本次設(shè)計(jì)中，由于是對(duì)傳統(tǒng)的變速器進(jìn)行改進(jìn)型設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中參考其他?？怂罐I車(chē)的變速器，采用了鎖環(huán)式同步器的換擋方式。
在設(shè)計(jì)中，我除了對(duì)汽車(chē)變速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的布置外，還運(yùn)用了材料力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等知識(shí)，對(duì)變速器的重要零件—軸和齒輪進(jìn)行受力分析，強(qiáng)度、剛度的校核，以及為這些零件選擇合理的工程材料和熱處理方法，同時(shí)也為變速器選擇合理的同步器和操縱機(jī)構(gòu)[6]。
在設(shè)計(jì)的初期，我上網(wǎng)尋找變速器的相關(guān)資料，尤其是變速器的各部件的功用；在設(shè)計(jì)的第二階段，通過(guò)參考其他車(chē)型的的變速器，對(duì)變速器進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)布置，校核軸和齒輪的強(qiáng)度、剛度，選擇材料；在第三階段的主要任務(wù)是繪制變速器的裝配圖和重要的零件圖，確定個(gè)零件的精度等級(jí)及其它參數(shù)；最后，是對(duì)整體論文的編寫(xiě)整理整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的各種資料，以及對(duì)前期設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤做出修改。
本次設(shè)計(jì)主要是依據(jù)參考?？怂罐I車(chē)的參數(shù)，通過(guò)對(duì)變速器各部分參數(shù)的選擇和計(jì)算，設(shè)計(jì)出一種基本符合要求的手動(dòng)5擋變速器。本文主要完成下面一些主要工作：
（1）參數(shù)計(jì)算。包括變速器傳動(dòng)比計(jì)算、中心距計(jì)算、齒輪參數(shù)計(jì)算、各檔齒輪齒數(shù)的分配；
（2）變速器齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算。變速器齒輪尺寸計(jì)算；變速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算及校核；計(jì)算各軸的尺寸計(jì)算及校核；齒輪強(qiáng)度計(jì)算及檢驗(yàn)；
（3）變速器軸設(shè)計(jì)計(jì)算。包括各軸直徑及長(zhǎng)度計(jì)算、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸的強(qiáng)度計(jì)算；
（4）變速器軸承的選擇及校核；
（5）同步器的設(shè)計(jì)選用和參數(shù)選擇；
（6）變速器操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選用；
（7）變速器箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第2章 變速器主要參數(shù)的選擇
2.1變速器檔數(shù)及各檔傳動(dòng)比
2.1.1變速器檔數(shù)的確定
對(duì)不同類(lèi)型的汽車(chē)，具有不同的傳動(dòng)系檔位數(shù)，其原因在于它們的使用條件不同、對(duì)整車(chē)性能要求不同、汽車(chē)本身的比功率不同。而傳動(dòng)系的檔位數(shù)的多少對(duì)汽車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性影響很大。檔數(shù)多，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常在最大功率附近的轉(zhuǎn)速工作，而且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍小，發(fā)動(dòng)機(jī)平均功率高，故可提高汽車(chē)的動(dòng)力性。即提高汽車(chē)的加速能力和爬坡能力。檔數(shù)多也增加了發(fā)動(dòng)機(jī)在低油耗區(qū)工作的可能性，因而提高了汽車(chē)的燃料經(jīng)濟(jì)性。檔數(shù)多少還影響相鄰的低檔與高檔間傳動(dòng)比的比值。檔數(shù)多，則此比值小，換檔容易。相鄰的低檔與高檔間傳動(dòng)比的比值不應(yīng)大于1.8，而且高檔區(qū)相鄰檔位之間的傳動(dòng)比比值要比低檔區(qū)相鄰檔位之間的比值小。檔數(shù)多的缺點(diǎn)是使變速器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量增大、操縱不輕便等[7]。
近年來(lái)，為了降低油耗，變速器的檔數(shù)有增加的趨勢(shì)。目前，乘用車(chē)一般用4～6個(gè)檔位的變速器。發(fā)動(dòng)機(jī)排量大的乘用車(chē)變速器多用5個(gè)檔。商用車(chē)變速器采用4～5個(gè)檔或多檔?？傎|(zhì)量3.5t以下的貨車(chē)多采用四檔變速器，總質(zhì)量3.5～10.0t的貨車(chē)多采用五檔變速器。本次設(shè)計(jì)采用5檔變速器。
2.1.2 主要技術(shù)參數(shù)
排量 2.0L
車(chē)重1360Kg(空載) 滿(mǎn)載1360+65×4=1620Kg
發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率 104/5500KW/rpm
發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 180/4000N.m/rpm
輪胎規(guī)格195/65R15
長(zhǎng)寬高4342×1840×1500mm
2.1.3 主減速比的確定
(2.1)
式中: ——汽車(chē)行駛速度（km/h）；
——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；
——車(chē)輪滾動(dòng)半徑（m）；
——變速器傳動(dòng)比；
——主減速器傳動(dòng)比。
(2.2)
式中: ——發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩（N·m）；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率（Kw）；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率轉(zhuǎn)速（r/min）
——轉(zhuǎn)矩適應(yīng)系數(shù)=1.1～1.3
(2.3)
式中： ——發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速
已知：最高車(chē)速==185km/h；最高檔為直接檔，傳動(dòng)比=1；車(chē)輪滾動(dòng)半徑由所選用的輪胎規(guī)格195/65R15得到=0.32(m)；發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速=4000 (r/min)；轉(zhuǎn)矩適應(yīng)系數(shù)=1.1～1.3；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速= =5500（r/min）；由公式（2.1）得到主減速器傳動(dòng)比：
2.1.4 變速器一檔傳動(dòng)比的確定
在選擇最低檔傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)根據(jù)汽車(chē)最大爬坡度、驅(qū)動(dòng)車(chē)輪和地面的附著力、汽車(chē)的最低穩(wěn)定車(chē)速以及主減速比和驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的滾動(dòng)半徑等來(lái)綜合考慮來(lái)確定。
汽車(chē)行駛方程式
(2.4)
汽車(chē)爬坡時(shí)車(chē)速不高，空氣阻力可忽略，則最大驅(qū)動(dòng)力用于克服輪胎與路面間的滾動(dòng)阻力及爬坡阻力。故有：
(2.5)
一般貨車(chē)的最大爬坡度約為30%，即 =16.7°則由最大爬坡度要求的變速器1擋傳動(dòng)比為：
(2.6)
式中： ——汽車(chē)總質(zhì)量，Kg；
——重力加速度， m/s2；
——滾動(dòng)阻力系數(shù)， ；
——驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的滾動(dòng)半徑， m；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩， N?m
——主減速比， ；
——汽車(chē)傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率， 。
將各數(shù)據(jù)代入式(2.6)中得：
根據(jù)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪與路面的附著條件：
(2.7)
可求得變速器一檔傳動(dòng)比為：
(2.8)
式中： ——汽車(chē)滿(mǎn)載靜止與水平路面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷，因?yàn)檗I車(chē)后輪雙胎滿(mǎn)載時(shí)后軸的軸荷分配范圍為50%，所以G2=1620×9.8×50％=7938N
——道路的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取～；
其他參數(shù)同式(2.6)。
將各數(shù)據(jù)代入式(2.8)得：
通過(guò)以上計(jì)算可得到2.497＜＜3.279，國(guó)產(chǎn)汽車(chē)中，轎車(chē)變速器傳動(dòng)比變化范圍是3～4，中、輕型貨車(chē)約為5～6，其他貨車(chē)在7以上。所以在本設(shè)計(jì)中，取。
2.1.5 變速器各檔傳動(dòng)比的確定
變速器各檔傳動(dòng)比之間的關(guān)系基本是幾何級(jí)數(shù),故相鄰檔位傳動(dòng)比比值就是幾何級(jí)數(shù)的公比；但是實(shí)際上與理論值略有出入，因齒數(shù)為整數(shù)且常用檔位間的公比宜小些，另外還要考慮與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的合理匹配。
此變速器的最高檔為直接檔，其傳動(dòng)比為1.0，一檔傳動(dòng)比初選為3.25中間各檔的傳動(dòng)比按理論公式（其中n為檔位數(shù)）求得公比。
因?yàn)?，所以?
2.2變速器中心距的確定
對(duì)中間軸式變速器，是將中間軸與第二軸之間的距離稱(chēng)為變速器中心距 ；對(duì)兩軸式變速器，將變速器輸入軸與輸出軸線(xiàn)之間的距離稱(chēng)之為變速器中心距 。它是一個(gè)基本參數(shù)，其大小不僅對(duì)變速器的外形尺寸、體積和質(zhì)量大小有影響，而且對(duì)輪齒的接觸強(qiáng)度有影響。中心距越小，輪齒的接觸應(yīng)力越大，齒輪壽命越短。因此，最小允許中心距應(yīng)當(dāng)由保證輪齒有必要的接觸強(qiáng)度來(lái)確定。變速器軸經(jīng)軸承安裝在殼體上，從布置變速器的可能與方便和不因同一垂直面上的兩軸承孔之間的距離過(guò)小而影響殼體的強(qiáng)度考慮，要求中心距取大些。此外，受一檔小齒輪齒數(shù)不能過(guò)少的限制，要求中心距也要取大些。還有，變速器中心距取得過(guò)小，會(huì)使變速器長(zhǎng)度增加，并因此使軸的剛度被削弱和使齒輪的嚙合狀態(tài)變壞。
中間軸式變速器的中心距 (mm)可根據(jù)對(duì)已有變速器的統(tǒng)計(jì)而得出的經(jīng)驗(yàn)公式初選，經(jīng)驗(yàn)公式為：
(2.9)
式中：——中心距系數(shù)，乘用車(chē)： ，商用車(chē)：
——發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩(N·m)；
——變速器一擋傳動(dòng)比；
——變速器的傳動(dòng)效率，取96%；
將各數(shù)代入式(4.9)中得
所以,初選中心距=75mm
2.3變速器各檔齒輪參數(shù)的確定
圖2.1 變速器傳動(dòng)示意圖
在初選中心距、齒輪模數(shù)和螺旋角以后，可根據(jù)變速器的檔數(shù)、傳動(dòng)比和傳動(dòng)方案來(lái)分配各檔齒輪的齒數(shù)。應(yīng)該注意的是，各檔齒輪的齒數(shù)比應(yīng)該盡可能不是整數(shù)，以使齒面磨損均勻。
2.3.1確定一檔齒輪齒數(shù)
一檔齒輪選用斜齒圓柱齒輪，模數(shù)=3mm，初選螺旋角=25°。中間軸一檔齒輪齒數(shù)，乘用車(chē)可在15-17之間選用，取=16，一檔齒輪為斜齒輪。
一檔傳動(dòng)比為: (2.10)
為了求，的齒數(shù)，先求其齒數(shù)和，
斜齒:
==45.315取整為45
即=-=45-16=29
2.3.2對(duì)中心距A進(jìn)行修正
因?yàn)橛?jì)算齒數(shù)和后，經(jīng)過(guò)取整數(shù)使中心距有了變化，所以應(yīng)根據(jù)取定的和齒輪變位系數(shù)重新計(jì)算中心距A，再以修正后的中心距A作為各檔齒輪齒數(shù)分配的依據(jù)。
= =74.478mm取整為A=74mm。
對(duì)一檔齒輪進(jìn)行角度變位：
確定實(shí)際螺旋角：
端面壓力角 ：
端面嚙合角：
中心距變動(dòng)系數(shù)λn：
變位系數(shù)之和：
查變位系數(shù)線(xiàn)圖得：
齒頂降低系數(shù)σn：
計(jì)算一檔齒輪9、10參數(shù)：
分度圓直徑：
齒頂高：
齒根高：
齒全高：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
當(dāng)量齒數(shù)：
2.3.3確定常嚙合傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)
常嚙合齒輪選用斜齒圓柱齒輪，模數(shù)=3mm，初選螺旋角=25°。
由式(2.10)求出常嚙合傳動(dòng)齒輪的傳動(dòng)比
（2.12）
常嚙合傳動(dòng)齒輪的中心距與一檔齒輪的中心距相等，即
（2.13）
由式(2.12)、(2.13)得=16.01，=28.70取整為=16，=29，則：
對(duì)常嚙合齒輪進(jìn)行角度變位：
確定實(shí)際螺旋角：
理論中心距：
端面壓力角：
端面嚙合角：
中心距變動(dòng)系數(shù)λn：
變位系數(shù)之和：
查變位系數(shù)線(xiàn)圖得：
齒頂降低系數(shù)σn：
計(jì)算常嚙合齒輪1、2參數(shù)：
分度圓直徑：
齒頂高：
齒根高：
齒全高：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
當(dāng)量齒數(shù)：
2.3.4確定其他各檔的齒數(shù)
1．二檔齒輪為斜齒輪，模數(shù)=3mm，初選=25°
（2.14）
（2.15）
由式（2.14）、（2.15）得=25.59，=19.12取整為=26，=19
對(duì)二檔齒輪進(jìn)行角度變位：
確定實(shí)際螺旋角：
理論中心距：
端面壓力角 ：
端面嚙合角 ：
中心距變動(dòng)系數(shù)λn：
變位系數(shù)之和：
查變位系數(shù)線(xiàn)圖得：
齒頂降低系數(shù)σn：
計(jì)算二檔齒輪7、8參數(shù)：
分度圓直徑：
齒頂高：
齒根高：
齒全高：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
當(dāng)量齒數(shù)：
2. 三
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