變速器結(jié)構(gòu)及主參數(shù)設(shè)計(jì)

第一篇變速器結(jié)構(gòu)及主參數(shù)設(shè)計(jì)

第一章 變速器齒輪傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)第一節(jié) 變速器齒輪傳動(dòng)的功能及要求汽車的使用條件，諸如汽車的實(shí)際裝載質(zhì)量、道路坡度、路面狀況，以及道路寬度和曲率、交通情況所允許的車速等等，都在很大范圍內(nèi)不斷變化。這就要求汽車牽引力和速度也有相當(dāng)大的變化范圍。另一方面，就活塞式內(nèi)燃機(jī)而言，在其整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩的變化不大，而功率及燃油消耗率的變化卻很大， 因而保證發(fā)動(dòng)機(jī)功率較大而燃料消耗率較低的曲軸轉(zhuǎn)速范圍， 即有利轉(zhuǎn)速范圍是很窄的。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)能保持在有利轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作， 而汽車牽引力和速度又能在足夠大的范圍內(nèi)變化，應(yīng)當(dāng)使傳動(dòng)系的傳動(dòng)比能在最大值與最小值之間變化， 即傳動(dòng)系應(yīng)起變速作用。變速器就是汽車傳動(dòng)系中起變速作用的一個(gè)重要零部件，它有以下幾點(diǎn)功能。一、 實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的變化。一般機(jī)械式變速器都是有級變速的，即傳動(dòng)比檔數(shù)是有限的。轎車和輕、中型貨車的傳動(dòng)比有36檔，越野汽車和重型貨車的傳動(dòng)比可多達(dá) 816檔。實(shí)現(xiàn)有級變速的措施，是靠變速箱中若干對齒輪來實(shí)現(xiàn)的。各擋的傳動(dòng)比各不相同， 當(dāng)汽車在平坦的道路上， 以高速行駛時(shí)可掛入變速器的高檔齒輪，在不好的路況下或爬坡時(shí)應(yīng)掛入變速器的低檔齒輪，為此，根據(jù)需要，可選擇不同速比的檔位。二、 與發(fā)動(dòng)機(jī)合理匹配，實(shí)現(xiàn)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。例如汽車在同樣的載貨量、道路、車速等條件下行駛即可在高速檔行駛，也可在低速擋行駛。而此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門（油門）和轉(zhuǎn)速大小不同。發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的工況下，燃料的消耗量是不一樣的。所以根據(jù)路況，通過選擇齒輪不同的檔位，來減小發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料的消耗。是變速器齒輪傳動(dòng)的一個(gè)重要功能。三、 實(shí)現(xiàn)倒退的功能。汽車不僅要有前進(jìn)的功能，還要有倒退的功能。但發(fā)動(dòng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，此時(shí)，可通過齒輪傳動(dòng)來改變輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向。從而實(shí)現(xiàn)汽車的倒退功能。四、 實(shí)現(xiàn)空擋的功能。為了滿足汽車暫時(shí)停車、起步和對發(fā)動(dòng)機(jī)檢查調(diào)整的需要，變速器還要有空擋的功能。五、 對機(jī)械式變速器齒輪傳動(dòng)還要滿足以下幾點(diǎn)要求：1） 、便于制造、使用和維修。2） 、質(zhì)量輕、中心距小及結(jié)構(gòu)緊湊。3） 、具有高的傳動(dòng)效率和疲勞壽命。4） 、換擋輕便，噪音小、工作可靠。5） 、具有前進(jìn)檔、空擋和倒擋。6） 、為了滿足高速時(shí)行車，還應(yīng)設(shè)有超速檔，以此提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。第二節(jié) 變速器齒輪傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)機(jī)械式變速器的齒輪傳動(dòng)一般分為三軸式和兩軸式兩種， 兩軸式的變速器用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置、前輪驅(qū)動(dòng)（FF）或發(fā)動(dòng)機(jī)后置、后輪驅(qū)動(dòng)（RR的乘用車上。三軸式一般用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置、后輪驅(qū)動(dòng)（FR或發(fā)動(dòng)機(jī)后置、后輪驅(qū)動(dòng)（RR的商用車上。 我公司的機(jī)械變速器三軸式和兩軸式的變速器都有，兩軸式變速器以MF86A為代表，圖1.2-1為MF86A變速器的傳動(dòng)剖面圖， 三軸式變速器以LC5T97為代表，圖1.2-2為LC5T97變速器的傳動(dòng)剖面圖。 另外，重型汽車采用組合式的齒輪傳動(dòng)，我公司的LC10T150就是其中一種。圖1.2-1一、 兩軸變速器齒輪傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)從圖中可以看出，該兩軸式變速器有五對前進(jìn)檔齒輪，且有一對倒檔齒輪傳動(dòng)。動(dòng)力傳遞路線為（以一檔為例）：輸入軸--1/2檔同步器齒套--1/2檔同步器齒轂--輸出一檔齒一輸出軸。變速器共有兩根軸，輸入軸1和輸出軸2平行布置。且輸出軸與主減速齒輪的主動(dòng)齒輪做成一體?？墒菇Y(jié)構(gòu)緊湊，工藝簡化、成本降低。一檔齒與倒檔齒均布置在軸承附近，因?yàn)橐粨鹾偷箼n的傳動(dòng)比較大，所以傳遞的扭矩也較大，這樣，在傳動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生較大的徑向力。如果將一擋和倒檔布置的遠(yuǎn)離軸承位置，則會(huì)產(chǎn)生較大的軸的撓度和轉(zhuǎn)角，使齒輪的嚙合質(zhì)量下降，噪音加大。輸出倒檔齒設(shè)計(jì)在一二檔齒套上，這樣減小變速箱的軸向尺寸。倒檔傳遞路線為：輸入軸一倒檔齒一1/2檔齒套--1/2檔齒轂一輸出軸。由于沒有直接檔（傳動(dòng)比為 1），所以每一檔都經(jīng)過齒輪嚙合，這必然會(huì)有功率損失，降低了變速箱的效率。這是兩軸變速器的缺點(diǎn)。二、三軸式變速器齒輪傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)圖1.2-2從圖中可以看出，該三軸式變速器有五對前進(jìn)擋齒輪和一對倒擋齒輪， 變速器動(dòng)力傳遞路線為（以一檔為例）：一軸一中間軸主動(dòng)齒一中間軸一中間軸一檔齒一二軸一檔齒一 1/R檔同步器齒套一1/R檔同步器齒轂--二軸一二軸法蘭盤--后橋。變速器共有三根軸：一軸、二軸、中間軸，其中一、二軸共線并與中間軸平行，由于一軸和二軸在一根軸線上，所以，在四檔位置扭矩可以直接從一軸傳遞給二軸，其傳遞路線為：一軸一4/5檔齒套--4/5檔齒轂--二軸一二軸法蘭盤一后橋。中間沒有齒輪傳動(dòng)，從而減少能量損失，因此，直接檔時(shí)，三軸式變速器比兩軸式變速器的傳動(dòng)效率高。在中間軸的側(cè)面設(shè)計(jì)了一倒檔軸， 在其上空套著倒檔齒，倒檔齒同時(shí)和中間軸倒檔齒及二軸倒檔齒嚙合，經(jīng)過兩次嚙合后使二軸的轉(zhuǎn)向與一軸轉(zhuǎn)向相反，從而實(shí)現(xiàn)倒車功能。三、組合式變速器齒輪傳動(dòng)方案介紹重型汽車的裝載質(zhì)量大，使用條件復(fù)雜。欲保證重型汽車具有良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和加速性，必須擴(kuò)大變速器的傳動(dòng)比范圍并增加擋位數(shù)。 為避免變速器的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜和便于系列化生產(chǎn)，多采用組合式變速器。即以一兩種 46檔變速器為主箱，通過與不同的副箱配合，得到不同傳動(dòng)比、不同檔位數(shù)的變速器。根據(jù)副箱的配合布置方式，可以分為前置副變速器組合、后置副變速器組合、前置、后置兼用的副變速器組合。1、 前置副變速器組合前置副變速器（見圖1.2-3）用于分割主變速器相鄰檔位間的間隔，并獲得兩倍于主變速器的檔位數(shù)，組合后的變速器也只有兩對齒同時(shí)嚙合，因此，傳動(dòng)效率不變。圖1.2-32、 后置副變速器組合后置副變速器組合的方案用于需要顯著地提高驅(qū)動(dòng)車輪的牽引力。 它分為兩種結(jié)構(gòu)方案，固定軸線式和行星齒輪式見圖（1.2-4）。圖1.2-4、前置、后置兼用的副變速器組合主變速器前、后各放置一副變速器的方案簡圖見圖 1.2-5圖1.2-54、組合式機(jī)械變速器的傳動(dòng)比搭配方式組合式機(jī)械變速器的傳動(dòng)比搭配方式分為倍檔（分段式配檔） 、半檔（插入式配擋）、和倍檔與半檔的組合（綜合式）（1）、倍檔組合式機(jī)械變速器是在主變速器后串聯(lián)一個(gè) 2檔（高檔和低檔）副變速器，其特點(diǎn)是主變速器的傳動(dòng)比間隔較小， 將主變速器的速比與副變速器的速比相乘就得到新增加的變速器速比。如圖1.2-6所示。圖中虛線表示副箱高檔時(shí)的高速范圍，實(shí)線表示副箱低檔時(shí)的低速范圍。（2） 、半檔組合式機(jī)械變速器是將副變速器的傳動(dòng)比均勻地插入傳動(dòng)比間隔大的主變速器的各檔傳動(dòng)比之間，使變速器的速比增加一倍，其特點(diǎn)是主變速器的傳動(dòng)比間隔較大， 副變速器的傳動(dòng)比均勻地插入其中。主副變速器交替換檔。如圖 1.2-7所示。圖中，虛線表示副箱高檔時(shí)的組合傳動(dòng)比，實(shí)線表示副箱低檔時(shí)的組合傳動(dòng)比。（3） 、綜合式多檔變速器是倍檔與半檔組合變速器的綜合，使傳動(dòng)比的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。如圖1.2-8所示第二章變速器齒輪傳動(dòng)主參數(shù)的設(shè)計(jì)第一節(jié)變速器各檔傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)一、變速器檔位數(shù)的確定：變速器的檔位數(shù)的多少，根據(jù)汽車的類型來設(shè)計(jì)，其原因在于它們的使用條件不同；對整車性能要求的不同； 汽車本身的比功率不同。 而變速器的檔位數(shù)與汽車的動(dòng)力性、 燃油經(jīng)濟(jì)性又有著密切的關(guān)系。就動(dòng)力性而言，檔位數(shù)多，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮最大功率附近高功率的機(jī)會(huì)， 提高了汽車的加速與爬坡能力。就燃油經(jīng)濟(jì)性而言，檔位數(shù)多，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)在低燃油消耗率區(qū)工作的可能性，降低了油耗。所以增加檔位數(shù)會(huì)改善汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。檔數(shù)多少還影響到檔與檔之間的傳動(dòng)比比值。 比值過大會(huì)造成換檔困難。設(shè)計(jì)時(shí)，一般比值不宜大于1.71.8。因此如最大傳動(dòng)比與最小傳動(dòng)比之比值愈大，檔位數(shù)也應(yīng)愈多。對于轎車而言，由于其行駛車速高，比功率大，最高檔的后備功率也大，即最高檔的動(dòng)力因素大，所以其最高檔與起動(dòng)檔的動(dòng)力因素間的變化范圍較小。 因此在過去轎車常用三檔或四檔變速箱。近年來，為了進(jìn)一步節(jié)省燃油，裝有手動(dòng)變速箱的轎車多已采用五檔變速箱。我公司的MF86A（B）變速器就是5檔的。對于輕型貨車（總質(zhì)量 1.86t）而言，由于比功率小，所以一般采用五檔變速箱。中型貨車（總質(zhì)量614t）,一般采用六檔變速箱，重型貨車（總質(zhì)量》 14t）的比功率更小，使用條件也更復(fù)雜，所以一般采用六檔至十幾個(gè)檔的變速箱， 以適應(yīng)復(fù)雜的使用條件，從而使汽車具有足

夠的動(dòng)力性和良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。我公司的變速器檔位數(shù)參見表2.1-1。表2.1-1變速器分類變速器型號(hào)各檔速比備注1檔2檔3檔4檔5檔6檔R擋乘用車變速器MF86A3.9171.951.30.9410.753.462MF86B3.9171.951.30.9410.753.462MF70BLC5T80（汽油）3.9862.1551.41410.8133.814柴油4.2712.2831.41410.8133.814強(qiáng)化4.1512.2221.41410.8133.702商用車變速器LC5T975.7882.9981.73510.7765.798LC5T304.7162.4691.42910.7284.774LC5T354.9362.5611.51810.7834.816LC5T885.5942.8141.66010.7945.334LC6T466.3143.9132.2621.39310.7885.874LC6T1607.2634.2072.5261.56910.6996.857MSC-5S5.0892.7891.63910.7724.782、變速器傳動(dòng)比及中心距的確定1、最高傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)汽車大多數(shù)時(shí)間是以最高檔行駛的，即用最小傳動(dòng)比的檔位行駛的。因此最小傳動(dòng)比的選定是很重要的。兩軸式變速器的最高檔一般小于 1,可取0.70.8三軸式變速器有直接檔，最高檔速比可取 1,但在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，為了提高汽車的經(jīng)濟(jì)性，三軸式變速器一般設(shè)有超速檔。超速檔(最高檔)的速比一般取 0.70.8。例如：LC5T97變速器的超速檔速比為： 0.7662、最低檔傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)確定最低檔傳動(dòng)比時(shí)，要考慮下列因素：汽車最大爬坡度，驅(qū)動(dòng)輪與路面附著力，汽車最低穩(wěn)定車速及主傳動(dòng)比等。下面假設(shè)主傳動(dòng)比已經(jīng)確定。(1)根據(jù)最大爬坡度確定一檔傳動(dòng)比：汽車在最大上坡路面行駛時(shí)， 最大驅(qū)動(dòng)力應(yīng)能克服輪胎與路面間滾動(dòng)阻力及上坡阻力。 由于汽車上坡行駛時(shí)，車速不高，故忽略空氣阻力。式中：Fkmax又,ffmax=式中：Memax-------r最大驅(qū)動(dòng)力；Ffmemax訃0-發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩；汽車傳動(dòng)系總效率；式中：Fkmax又,ffmax=式中：Memax-------r最大驅(qū)動(dòng)力；Ffmemax訃0-發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩；汽車傳動(dòng)系總效率；mg(fcos:maxSin:max)=m9-滾動(dòng)阻力；Fimax 最大上坡阻力;i〔——x變mg器一檔傳動(dòng)比；Fff吧傳血;m汽車總質(zhì)量；g重力加速度；i.i-mg'rMemaxi0(1-1)2—道路最大阻力系數(shù)；amax-道路最大上坡角。(2)根據(jù)驅(qū)動(dòng)輪與地面的附著力確定一檔傳動(dòng)比：汽車行駛時(shí)，為了使驅(qū)動(dòng)輪不打滑，必須使驅(qū)動(dòng)力等于或小于驅(qū)動(dòng)輪與路面間的附著力。式中：°--道路附著系數(shù)，取°=0.5~0.6;N——驅(qū)動(dòng)力垂直反力，用下列公式計(jì)算：其中：X、S 后輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，X=a,S=+1;前輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，X=b,S=-1;驅(qū)動(dòng)輪滾動(dòng)半徑；滾動(dòng)阻力系數(shù);N=(Xcostnsgsin:)乍四輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，X=L,S=0;a—a、bL—hg-路面坡度角；一重心至前后軸距離；軸距;滿載時(shí)重心高度。(3)根據(jù)最低穩(wěn)定車速確定一檔傳動(dòng)比:對于越野汽車，為了避免在松軟的路面上行駛，imax應(yīng)保證汽車能在極低車速下穩(wěn)定行駛。設(shè)最低車速為由于土壤受沖擊剪切破壞而損失地面附著力,vmin。0.377rnminii'分動(dòng)器低檔傳動(dòng)比。n=0.9r=0.375mimaxVaminioi式中：r 車輪滾動(dòng)半徑；nmin——發(fā)動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速；舉例說明：LC5T88變速器一擋速比的確定。已知：Memax=202Nmm=i04448隔f=0.015 g=9.8N/Kg初定變速器一檔速比？ amax>16-7，取17解：1、根據(jù)最大爬坡度確定的一檔傳動(dòng)比由式：i mg(fCOS：睥，S'n：3「i1—memaxi0v'帶入數(shù)據(jù)，得：4415*9.8*(0.015cos17sin17)*0.375ii 202*4.875*0.9 踞偉3、變速器中心距的設(shè)計(jì)變速箱齒輪的中心距是變速箱很重要的參數(shù)，它對變速箱的整體尺寸、體積和質(zhì)量有很大的影響。通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式初選中心距 阿(單位m):a=kcWMemaxS式中：k——中心距系數(shù)，對轎車， k=8.9、9.3，對貨車，k=8.6、9.6;Miemax 變速箱在一檔時(shí)，第二軸輸出的轉(zhuǎn)矩， Miemax=Memaxi1g，單位Nm;Memax 發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，單位 Nm;i1--變速箱一檔傳動(dòng)比；%--變速箱傳動(dòng)效率，取0.96。此外，變速箱的中心距還要受到齒輪接觸強(qiáng)度、 幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)要求等的制約。 所以按上式計(jì)算的值只是初始值，最后還要根據(jù)實(shí)際進(jìn)行圓整。舉例：LC5T97變速器的一檔速比5.788，匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩 216Nm,變速箱傳動(dòng)效率0.96，為使變速器有較小的尺寸，中心距系數(shù) k取8.6。根據(jù)公式：maxi1帶入數(shù)據(jù)：解得：A=92.64修整圓整后得中心距97mm我公司的變速器中心距見表 2.1-2:序號(hào)變速器型號(hào)中心距(mm1LC5T97972LC5T30973LC5T88884 :LC6T46 —114.9355LC5T8079.3486「MF86A(B)867LC6T701358LC6T1601679MF70B7010MSC-5S77.5表2.1-24、其余各檔速比的確定最高檔傳動(dòng)比與一擋傳動(dòng)比確定后，可確定檔位數(shù)及中間各檔速比的分配。理論上，汽車各檔傳動(dòng)比大體按等比級數(shù)分配。定義相鄰兩檔的速比之比值為速比階K,K=i1/i2。nP'i1速比階的計(jì)算：K= n---直接擋擋數(shù)如SH760車速比各檔按等比級數(shù)分配。一檔： 3.52,二檔：2.32，三檔：1.52,四檔：1.00；相鄰兩檔的速比均為 1.52,即速比階為K=1.52。按等比級數(shù)分配傳動(dòng)比的主要目的在于充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率 ，提高汽車的動(dòng)力性。當(dāng)汽車需要大功率時(shí)，如全力加速或上坡，若排擋選擇恰當(dāng)，具有按等比級數(shù)分配傳動(dòng)比的變速器，能使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常在接近發(fā)動(dòng)機(jī)外特性最大功率 Pemax處的大功率范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而增加了汽車的后備功率，提高了汽車的加速或上坡能力。但由于汽車的工況不同，各檔的工作時(shí)間和使用頻次各不相同 ，按等比級數(shù)分配傳動(dòng)比，易造成燃料浪費(fèi)和操縱滯重?，F(xiàn)代汽車?yán)碚撜J(rèn)為 ：速比階越小越節(jié)油，換檔也越輕便；且汽車多在高檔位置工作，換檔頻次也大大多于低檔，因此，高檔的速比階應(yīng)比低檔小。一般認(rèn)為高檔與低檔速比階應(yīng)該不一樣，高檔的公比較小，為1.31.45,低檔的要比較大一些，為1.71.8范內(nèi)。第二節(jié) 變速器傳動(dòng)比與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配計(jì)算變速器匹配整車動(dòng)力性的計(jì)算汽車的動(dòng)力性是指汽車在良好路面上直線行駛時(shí)由汽車受到的縱向外力決定的、所能達(dá)到的平均行駛速度。汽車動(dòng)力性指標(biāo)有以下三個(gè)1、最周速度1、最周速度Uamax2、加速時(shí)間t3、最大爬坡度imax變速器與整車匹配時(shí)一般計(jì)算最高速度 Uamax與最大爬坡度imax。例：MSB-5M變速器匹配江淮帥鈴輕卡的整車動(dòng)力性的計(jì)算：已知參數(shù)：總質(zhì)量：M=4415Kg總重量：G=4415*9.8=43267N滾動(dòng)阻力系數(shù)（低速時(shí)）：f=0.015滾動(dòng)阻力：Ff=43267*0.015=649.015N空氣阻力系數(shù)：Cd=0.816迎風(fēng)面積:A=4.65m2主減速比：i0=4.875—檔速比:i1=5.594五檔速比）1=0.794傳動(dòng)效率：n=0.9輪胎滾動(dòng)半徑：r=750/2=375mm=0.375m發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩：T=202Nm發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速：n=2200rpm發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率：P=57KW發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率點(diǎn)轉(zhuǎn)