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摘要
汽车传动系统中变速器扮演了重要的角色，变速器是完成传动系任务的重要部件，也是决定整车性能的主要部件之一。它主要来改变由发动机传到驱动轮上的转矩和转速，变速器设计的好坏会直接影响汽车本身的使用性能。变速器的设计水平对汽车的动力性、燃料经济性、换挡操纵的可靠性与轻便性、传动平稳性与效率等都有直接的影响。随着汽车工业的发展，增大传递功率与重量之比，有更小的尺寸和良好的性能，是轿车变速器的设计趋势。设计中叙述了机械式变速器的功用、要求，参考已有数据参数基础上，主要通过计算分析对比确定结构方案和主要参数。说明了变速器主要参数的确定方法、齿轮的几何计算和校核过程、轴的尺寸确定和校核过程和同步器的选用方法。
关键词：乘用车；变速器；轴；齿轮；计算；
Abstract
Transmission is the core components of automobile.Its task is transforming and regulateing the performance of engine. It can be used to change the engine driving wheel on the spread of torque and speed. Transmission is the important part of drivetrain components to complete the tasks. as well as one of the main factor to decide the whole performance of vehicle. The standards of Transmission designing can directly impact the vehicle dynamics, fuel economy, the reliability and portability of shifting , the smoothness and efficiency of Transmiting. Along with the development of the automobile industry,the trend of car transmission designing is to increase its transmission power and decrese its weight,and hope have smaller size and excellent performance. The design based on the FAW-Volkswagen Automotive Company Passenger car Transmission, In conditions that knowing the engine output torque,speed of engine and maximum speed of vehicles, maximum degree, focus on the designing of transmission gear structural parameters, axis geometry design computation; as well as the transmission and drive program structure design; Meanwhile on the structure of components to manipulation and synchronous design; thereby enhancing the overall performance of cars.
Key words: : Passenger car ；Transmission；Gear ；Compute；Structure
目录
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究的目的
1.2 国内外研究现况
2 变速器 设计方案
2.1 变速器结构方案的确定
2.1.1 变速器传动机构的结构分析与型式选择
2.1.2 倒挡传动方案
2.2 变速器零、部件的结构分析与形式选择
2.2.1 齿轮型式 2.2.2 轴的结构与分析
2.2.3 轴承形式
2.2.4 换挡机构的结构形式与分析
2.3 变速器操纵机构的选定 3 变速器 基本 参数的 确定
3.1 变速器基本参数的确定
3.1.1 挡数和传动比
3.1.2 中心距
3.1.3 轴向尺寸
3.1.4 齿轮参数
3.1.5 各档齿轮齿数的分配 4 4 零部件的计算
4.1 齿轮的设计计算
4.1.1 齿轮几何尺寸的计算
4.2 变速器齿轮的强度计算与材料的选择
4.2.1 齿轮的损坏形式及原因
4.2.2 齿轮的强度计算与校核
4.3 变速器轴的选择与校核
4.3.1 变速器轴的计算
4.3.2 轴的校核
4.4 轴承的选择与校核
4.4.1 轴承的选择
4.4.2 轴承的校核
4.5 变速器同步器的选择
4.5.1 同步器的结构类型 4.5.2 同步器理论分析与计算
4.5.3 同步器摩擦副的材料 结论
致谢
参考文献
附录 1 1
附录 2 2
1
绪论
1.1 选题的背景及意义
随着汽车保有量的迅速增长，轻型乘用车性能和质量也有了更高的要求。制造商不仅面临着用户对产品质量和性能越来越高的要求，而且也面临着严格的技术法规约束以及降低产品成本等压力。汽车在设计和开发过程中，广泛采用了各种先进的技术和理论，以满足产品设计的需要。传动系是汽车中最重要的部分，而手动变速器又是传动系中的重要部件，近年来，随着汽车市场需求多元化发展，手动变速器技术呈现出多样化趋势，手动变速器多档位技术有了长足进步，预计未来手动变速器的操纵平顺性、降低油耗等方面将展开技术升级。因此我们要更加全面的了解手动变速器的性能，尤其是它的设计。
2 1.2 研究的内容
首先是汽车手动变速器设计方案的确定，包括齿轮和轴的总布置形式、换档操纵机构及档位布置形式等；其次根据所配发动机的基本参数以及考虑到整车动力性和经济性要求的传动比，设计计算出变速器主要零件的相关参数。完成齿轮、轴和轴承等主要零件以及同步器同步过程的分析。
2 变速器设计方案
1 2.1 变速器设计方案的确定
2.1.1 变速器传动机构的结构分析与型式选择
机械式变速器具结构简单、制造成本低，传动效率（η=0.96~0.98），故在各类汽车上应用。我们在设计时第一应根据汽车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，因为它们直接影响着汽车的动力性与燃料经济性。
传动比范围是变速器低档传动比与高档传动比的比值。汽车行驶时的道路状况越多样，发动机的功率与汽车质量之比与变速器的传动比范围成反比。目前，一般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[4] 。
一些轿车和货车的变速器，超速档仅在平坦道路和空载行驶时使用。对于传动比小于 1（0.7-0.8）的超速档，能够降低单位行驶里程的发动机曲轴的总转数，可以使发动机的效率得到的利用，减少发动机的磨损，降低燃料消耗。与传动比是 1 的直接档相比，超速档可能会降低传动效率。对于有级变速器来说，传动效率的高低与传动方案的选用有很大关系，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、刚度等都会对传动效率造成影响。
增多变速器的档位数对于发动机的功率利用效率、汽车的燃料经济性及平均车速来说都可以提高，因此可提高汽车的运输效率，来降低运输成本。但是对于采用手动的机械式操纵机构时，如果说要实现声音小速度快，那么对多于 5 个前进档位的变速器来说是非常困难的,所以直接操纵式变速器档位数的上限一般为5 档。多于 5 个前进档那么使操纵机构复杂化，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[5] 。
三轴式和两轴式变速器应用的比较广泛。
下面说的三轴式变速器如图 2-1 所示，第一、二轴的常啮合齿轮分别与中间轴的相应齿轮啮合，一、二轴同心。第一、二轴直接连接起来传递扭矩的档位称为直接档。直接档时齿轮、轴承及中间轴都不承受力，此时第一、二轴也传递转矩。所以直接档的特点是传递效率高、磨损及噪音小，同时这也是三轴式变速器的主要优点。其它的前进档必须要依次经过两对齿轮的啮合来传递转矩。所以，在两个齿轮的中心距（影响变速器尺寸的重要参数）比较小的情况下仍然可以获
得大的低档传动比，这是三轴式变速器的另一大优点。除了直接档其他各档的传动效率有所下降是它的缺点。
1— 第一轴；2—第二轴；3—中间轴 图 2-1
轿车中间轴式四挡变速器 如图 2-2 所示，是我们经常所说的二轴式。它的结构简单、紧凑并且除了最低档外其他各档的传动效率高、噪声低。前置发动机前轮驱动的布置是轿车经常采用的，这种布置使汽车的动力-传动系统结构紧凑、好操纵且可降低 6%~10%的汽车质量。如图所示，第二轴（即输出轴）与主减速器的主动齿轮做成一体，若发动机是纵置的，主减速器可采用螺旋锥齿轮或双面齿轮；发动机横置时则可用圆柱齿轮，这样一来既简化了制造工艺又降低了成本。除倒档常用滑动齿轮（直齿圆柱齿轮）外，其他档均采用常啮合斜齿轮传动；由于一档主动齿轮尺寸小，同步器不好安装，所以一档的同步器大多装在第二轴上；高档的同步器也可以装在第一轴的后端。
对于两轴式的变速器来说没有直接档，所以高档在进行工作时，齿轮和轴承都会承受载荷，噪声大，增加了磨损，这是它的缺点。此外，低档传动比取值的上限（gIi =4.0~4.5）也受到较大限制,通过减小各档传动比的同时增大主减速比来改善它的缺点 [6] 。
1—第一轴；2—第二轴；3—同步器 图 2-2 两轴式变速器
增加常啮合齿轮副的数目是有级变速器结构的发展趋势，这样可以采用斜齿轮啮合。斜齿轮比直齿轮的寿命更长、更噪声也更低。所以，在变速器中，除低档及倒档外，大多数的直齿圆柱齿轮已经被斜齿圆柱齿轮所代替。对于本设计，由于倒档齿轮采用常啮式，所以也采用斜齿轮。
图 2-3、图 2-4、图 2-5 分别列出了四，五，六档中间轴式变速器传动方案。它们的共同点是：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。当在直接档的时候，变速器的齿轮和轴承及中间轴均不承载，汽车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档的利用率高于其它档位，因而提高了变速器的使用寿命；其它档位在进行时候，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，使得一档仍然具有较大的传动比；档位高的齿轮采用常啮合齿轮传动，档位低的齿轮（一档）可以采用或不采用常啮合齿轮传动；大多数传动方案中均都采用同步器或啮合套换档，当然除了一档。很少一部分变速器结构的一档也采用同步器或啮合套换档，第二轴上通常装有同步器或啮合套。除了直接档以外的其他档位进行工作时，中间轴式变速器的传动效率略有降低，缺点就在这。档数相同的情况下，各种中间轴式变速器主要在常啮合齿轮对数，换档方式和倒档传动方案上有差别。
如图 2-3 中的中间轴式四档变速器传动方案示例的区别：图 2-3a、b 所示方
案有四对常啮合齿轮，倒档用直齿滑动齿轮换档；图 2-3c 所示传动方案的二，三，四档用常啮合齿轮传动，而一档和倒档用直齿滑动齿轮换档。
图 2-4a 所示方案，除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 2-4b、c、d 所示方案的各前进档，均用常啮合齿轮传动；图 2-4d 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。在图 2-5a 所示方案中的一档、倒档和图 b 中的倒档都是用直齿滑动齿轮换档，剩下各档均用常啮合齿轮。
综合所讲的方案中，如果采用常啮合齿轮传动，那么其换档方式可以用同步器或啮合套来实现。在同一种型号的变速器中，可能有的档位用同步器换档，还有的档位用啮合套换档，可以确定的是档位高的用同步器换档，档位低的用啮合图 2-3 中间轴式四档变速器传动方案 图 -4 中间轴式五档变速器传动
套换档。
中间轴式变速器通常用于发动机前置后轮驱动的轿车，为了缩短传动轴的长度，将变速器后端加长，如图 2-3a、b 所示。伸长后的第二轴一般装在三个支承上，其最后一个支承位于加长后的附加壳体上。这样如果在附加壳体内，布置倒档传动齿轮和换档机构，变速器主体尺寸会减少很多。
图 2-4c 所示的多支承结构方案用于变速器当中，轴刚度能提高。但是，在轴平面上开可分开的壳体的话，那么就能比较好地解决轴和齿轮等零部件装配困难的问题。图 2-4c 方案中的高档从动齿轮处于悬臂状态，同时一档和倒档齿轮布置在变速器壳体的中间跨距里，同步器在中间档的时候被分到中间轴上，这是一个很好的方案。
2.1.2 倒档传动方案
下面给出了常见的倒挡布置方案，2-6a 是常见的倒档方案。2-6b 所示方案优点是换倒挡时巧妙利用中间轴上的一挡齿轮，所以缩短中间轴长度。因为在换挡的时候有两对齿轮同时参加啮合，所以造成换挡困难。2-6c 所示方案在工作过程中可以得到较大的倒挡传动比，但是在工作过程中会使换挡程序不合理。2-6d 所示方案针对之前说的不足和缺点做了改善，所以可以代替 2-6c 所示方案。2-6e 所示方案是将一、倒挡齿轮做成一体，来加长它的齿宽。当全部齿轮副均为常啮合齿轮时采用 2-6f 所示方案，这种方案换挡更为简单方便。有时候为了最大程度的利用空间，将变速器轴向的长度缩短到最小，有的货车倒挡传动采用图 2-6g 所示方案。但是这就造成了变速器上盖操纵机构复杂化了，这是因为倒挡需要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[7] 。
本设计采用图 2-6f 所示的传动方案。考虑到在工作时候一档和倒档承受比图 2-5 中间轴式六档变速器传动方案
较大的力，因此不管是中间轴式还是两轴的倒档与低档，它们的方案布置尽力地靠近轴的支承处，从而减少轴的形状变化，以此来保证齿轮的重合度不会...
