变速器设计说明书，课程设计、毕业设计使用

目录

前言 .......................................................................... 1 1 总体方案设计 ...................................................... 3

1.1 汽车参数的选择 ............................................ 3 1.2 变速器设计应满足的基本要求 ................................ 3

2 变速器传动机构布置方案 .................................. 4

2.1 传动机构布置方案分析 ...................................... 4 2.1.1 固定轴式变速器 ....................................... 4 2.1.2 倒挡布置方案 ......................................... 5 2.1.3 其他问题 ............................................. 7

3 零部件结构方案分析 .......................................... 8

3.1 齿轮形式 .................................................. 8 3.2 换挡机构形式 .............................................. 8 3.3 变速器轴承 ............................................... 10

4变速器设计和计算 ............................................. 11

4.1 挡数 ..................................................... 11 4.2 传动比范围 ............................................... 11 4.3 中心距A ................................................. 11 4.4 外形尺寸 ................................................. 12 4.5 轴的直径 ................................................. 12 4.6 齿轮参数 ................................................. 12

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4.6.1 模数的选取 .......................................... 12 4.6.2 压力角? ............................................ 13 4.6.3 螺旋角? ............................................ 13 4.6.4 齿宽b .............................................. 14 4.6.5 变位系数的选择原则 .................................. 15 4.7 各挡齿轮齿数的分配 ....................................... 16 4.7.1 确定一挡齿轮的齿数 .................................. 16 4.7.2 对中心距进行修正 .................................... 17 4.7.3 确定常啮合传动齿轮副的齿数 .......................... 17 4.7.4 确定其他各挡的齿数 .................................. 17 4.7.5 确定倒挡齿轮齿数 .................................... 18

5 变速器的校核 .................................................... 19

5.1 齿轮的损坏形式 ........................................... 19 5.2 齿轮强度计算 ............................................. 19 5.2.1 齿轮弯曲强度计算 .................................... 19 5.2.2 轮齿接触应力计算 .................................... 21 5.2.3 轴的强度计算 ........................................ 23

6 同步器的选型 .................................................... 26

6.1 锁销式同步器 ............................................. 26 6.1.1 锁销式同步器结构 .................................... 26 6.1.2 锁销式同步器工作原理 ................................ 27 6.2 锁环式同步器 ............................................. 27

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6.2.1 锁环式同步器结构 .................................... 27 6.2.2 锁环式同步器工作原理 ................................ 28 6.2.3 锁环式同步器主要尺寸的确定 .......................... 29

7 变速器操纵机构 ................................................ 32

7.1 直接操纵手动换挡变速器 ................................... 32 7.2 远距离操纵手动换挡变速器 ................................. 32

参考文献 ................................................................ 33

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前言

现代汽车的动力装置，几乎都采用往复活塞式内燃机。它具有相当多的优点，如体积小，质量轻，工作可靠，使用方便等。但其性能与汽车的动力性和经济性之间存在着较大的矛盾。如在坡道上行驶时，所需的牵引力往往是发动机所能提供的牵引力的数倍。而且一般发动机如果直接与车轮相连，其输出转速换算到对应的汽车车速上，将达到现代汽车极限速度的数倍。上述发动机牵引力、转速与汽车牵引力、车速要求之间的矛盾，单靠现代汽车内燃机本身是无法解决的。因此就出现了车用变速箱和主减速器。它们的共同努力使驱动轮的扭矩增大到发动机扭矩的若干倍，同时又可使其转速减小到发动机转速的几分之一。

另外，现代汽车的使用条件极为复杂，在不同场合下有不同的要求。往往要受到如载运量、道路坡度、路面好坏及交通是否通畅等条件的影响。这就要求汽车的牵引力和车速能在较大范围内变化，以适应使用的要求。在条件良好的平直路面上要能以高速行驶，而在路面不平和有较大坡度时能提供较大的扭矩。变速箱的多挡位选择就能满足这些需求。此外，发动机在不同工况下，燃油的消耗量也是不一样的。驾驶员可以根据具体情况，选择变速箱的某一挡位，来减少燃油的消耗。在某些情况下，汽车还需要能倒向行驶。发动机本身是不可能倒转的，只有靠变速箱的倒挡齿轮来实现。

变速箱是由变速传动机构和操纵机构组成。根据前进挡数的不同，变速箱有三、四、五和多挡几种。根据轴的不同类型，分为固定轴式和旋转轴式两大类。而前者又分为两轴式、中间轴式和多中间轴式变速箱。

现在汽车变速器的发展趋势是向着可调自动变速箱或无级变速器方向发展。无级变速机构由两组锥形轮组成，包括一对主动锥形轮（锥形轮组1）和一对被动锥形轮（锥形轮组2） 同时有一根链条运行在两对锥形轮V形沟槽中间，链条的运动如同动力传递单元。锥形轮组1由发动机的辅助减速机构驱动，发动机的动力通过链条传递给锥形轮组2直至终端驱动。在每组锥形轮中有一个锥形轮可以在轴向移动，调整链条在锥形轮的工作直径并传递速比。两组锥形轮必须保持相同的调整，以保证链条始终处与涨紧状态，使传递扭矩时锥形轮接触充分的压力。采用无级变速器可以节约燃料，使汽车单位油耗的行驶里程提高30%。通过选择最佳传动比，获得最有利的功率输出，它的传动比比传统的变速器轻，结构更简单而紧凑。世界各大汽车制造商正竞相开发无级变速器。专家预计2003至2005年间无级变速器将成为世界各大汽车制造商的技术开发重点。目前一些著名汽车制造商

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（如福特、通用、本田、克莱斯勒等）正致力于无级变速器的开发工作。现在全球CVT的产量约为50万台，而普通型自动变速器的产量约为2,500万台，双向通讯和线控技术的应用，无级变速器有无比的优势，预计不久将来中国各大汽车制造商也将生产自己的CVT无级变速器，并广泛应用于国产轿车。

在此次设计中对变速器作了总体设计，对变速器的传动方案进行了选择，变速器的齿轮和轴做了详细的设计计算，对同步器和一些标准件做了选型设计。

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1 总体方案设计

1.1 汽车参数的选择

根据变速器设计所选择的汽车基本参数如下表

表1-1设计基本参数表

Tablet 1-1 able basic design parameters

项目 发动机： 挡数:

最大功率(kW/n)： 最大扭矩(N·m/n)：

参数值 2.5L V6 5 1526 245/3500

1.2 变速器设计应满足的基本要求

对变速器如下基本要求.

1）保证汽车有必要的动力性和经济性。

2）设置空挡，用来切断发动机动力向驱动轮的传输。 3）设置倒档，使汽车能倒退行驶。

4）设置动力输出装置，需要时能进行功率输出。 5）换挡迅速，省力，方便。

6）工作可靠。汽车行驶过程中，变速器不得有跳挡，乱挡以及换挡冲击等现象发生。 7）变速器应当有高的工作效率。

除此以外，变速器还应当满足轮廓尺寸和质量小，制造成本低，维修方便等要求。满足汽车有必要的动力性和经济性指标，这与变速器的档数，传动比范围和各挡传动比有关。汽车工作的道路条件越复杂，比功率越小，变速器的传动比范围越大。

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2 变速器传动机构布置方案

机械式变速器因具有结构简单，传动效率高，制造成本低和工作可靠等优点，在不同形式的汽车上得到 广泛应用。

2.1 传动机构布置方案分析

2.1.1 固定轴式变速器

固定轴式又分为两轴式，中间轴式，双中间轴式变速器。固定轴式应用广泛，其中两轴式变速器多用于发动机前置前轮驱动的汽车上，中间轴式变速器多用于发动机前置后轮驱动的汽车上。与中间轴式变速器比较，两轴式变速器有结构简单，轮廓尺寸小，布置方便，中间挡位传动效率高和噪声低等优点。因两轴式变速器不能设置直接挡，所以在高挡工作时齿轮和轴承均承载，不仅工作噪声增大，且易损坏。此外，受结构限制，两轴式变速器的一挡速比不可能设计得很大。所以我选择的是中间轴式的变速器。

图2-1，分别示出了几种中间轴式五挡变速器传动方案。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挡。使用直接挡，变速器的齿轮和轴承及中间轴均不承载，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。因为直接挡的利用率高于其它挡位，因而提高了变速器的使用寿命；在其它前进挡位工作时，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，一挡仍然有较大的传动比；挡位高的齿轮采用常啮合齿轮传动，挡位低的齿轮（一挡）可以采用或不采用常啮合齿轮传动；多数传动方案中除一挡以外的其他挡位的换挡机构，均采用同步器或啮合套换挡，少数结构的一挡也采用同步器或啮合套换挡，还有各挡同步器或啮合套多数情况下装在第二轴上。再除直接挡以外的其他挡位工作时，中间轴式变速器的传动效率略有降低，这是它的缺点。在挡数相同的条件下，各种中间轴式变速器主要在常啮合齿轮对数，换挡方式和到档传动方案上有差别。

图2-1a所示方案，除一，倒挡用直齿滑动齿轮换挡外，其余各挡为常啮合齿轮传动。图2-1b，c，d所示方案的各前进挡，均用常啮合齿轮传动；图2-1d所示方案中的倒挡和超速挡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挡的条件下，很容易形成一个只有四个前进挡的变速器。

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图2-1 中间轴式五挡变速器传动方案 Figure 2 -1 middle coaxial five block Transmission

以上各种方案中，凡采用常啮合齿轮传动的挡位，其换挡方式可以用同步器或啮合套来实现。同一变速器中，有的挡位用同步器换挡，有的挡位用啮合套换挡，那么一定是挡位高的用同步器换挡，挡位低的用啮合套换挡。

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2种传动方案，前进挡，均用常啮合齿轮传动。

2.1.2 倒挡布置方案

与前进挡位比较，倒挡使用率不高，而且都是在停车状态下实现换倒挡，故多数方案采用直齿滑动齿轮方式换倒挡。为实现倒挡传动，有些方案利用在中间轴和第二轴上的齿轮传动路线中，加入一个中间传动齿轮的方案。前者虽然结构简单，但是中间传动齿轮的轮齿，是在最不利的正，负交替对称变化的弯曲应力状态下工作，而后者是在较为有利的单向循环弯曲应力状态下工作，并使倒挡传动比略有增加。

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图2-2 倒挡布置方案

Figure 2 -2 reverse gear layout program

图2-2为常见的倒挡布置方案。图2-2b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2-2c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2-2d所示方案针对前者的缺点做了修改，因而取代了图2-2c所示方案。图2-2e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2-2f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2-2g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。

综上所述选择第四种倒挡布置方案。

图2-3 倒挡轴位置与受力分析 Figure 2 -3 reverse gear axles and Analysis

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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，然后按照从低挡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，然后再布置倒挡。此时在倒挡工作时，齿轮磨损与噪声在短时间内略有增加，与此同时在一挡工作时齿轮的磨损与噪声有所减少。

除此以外，倒挡的中间齿轮位于变速器的左侧或右侧对倒挡轴的受力状况有影响，见图2-3所示。

2.1.3 其他问题

经常使用的挡位，其齿轮因接触应力过高而造成表面电蚀损坏。将高挡布置在靠近轴的支承中部区域较为合理，在该区因轴的变形而引起的齿轮偏转角较小，齿轮保持较好的啮合状态，偏载减少能提高齿轮寿命。

某些汽车变速器有仅在好路或空车行驶时才使用的超速挡。使用传动比小于1（为0.7~0.8）的超速挡，能够充分地利用发动机功率，使汽车行驶1KM所需发动机曲轴的总转速降低，因而有助于减少发动机磨损和降低燃料消耗。但是与直接挡比较，使用超速挡会使传动效率降低，噪声增大。

机械式变速器的传动效率与所选用的传动方案有关，包括传递动力时处于工作状态的齿轮对数，每分钟转速，传递的功率，润滑系统的有效性，齿轮和壳体等零件的制造精度等。

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3 零部件结构方案分析

3.1 齿轮形式

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。

我的设计中一挡和倒挡用的是直齿轮，其他挡都是斜齿轮。

3.2 换挡机构形式

变速器换挡机构有直齿滑动齿轮，啮合套和同步器换挡三种形式。汽车行驶时各挡齿轮有不同的角速度，因此用轴向滑动直齿齿轮的方式换挡，会在轮齿端面产生冲击，并伴随有噪声。这使齿轮端部磨损加剧并过早损坏，同时使驾驶员精神紧张，而换挡产生的噪声又使乘坐舒适性降低。只有驾驶员用熟练的操作技术（如两脚离合器），时齿轮换挡时无冲击，才能克服上述缺点。但是该瞬间驾驶员注意力被分散，会影响行驶安全性。因此，尽管这种换挡方式结构简单，但除一挡，倒挡外已很少使用。

由于变速器第二轴齿轮与中间轴齿轮处于常啮合状态，所以可用移动啮合套换挡。这时，因同时承受换挡冲击载荷的接合齿齿数多。而轮齿又不参与换挡，它们都不会过早损坏，但不能消除换挡冲击，所以仍要求驾驶员有熟练的操作技术。此外，因增设了啮合套和常啮合齿轮，使变速器旋转部分的总惯性矩增大。

因此，目前这种换挡方法只在某些要求不高的挡位及重型货车变速器上应用。这是因为重型货车挡位间的公比较小，则换挡机构连件之间的角速度差也小，因此采用啮合套换挡，并且还能降低制造成本及减小变速器长度。

使用同步器能保证迅速、无冲击、无噪声换挡，而与操作技术的熟练程度无关，从而提高了汽车的加速性、燃油经济性和行驶安全性。同上述两种换挡方法比较，虽然它有机构复杂、制造精度要求高、轴向尺寸大等缺点，但仍然得到广泛应用。

使用同步器或啮合套换挡，其换挡行程要比滑动齿轮换挡行程小。在滑动齿轮特别宽的情况下，这种差别就更为明显。为了操纵方便，换入不同挡位的变速杆行程要求尽可能一样。

自动脱挡是变速器的主要故障之一。为解决这个问题，除工艺上采取措施外，目前在结构上采取措施比较有效的方案有以下几种：

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图3-1防止自动脱挡的机构措施Ⅰ

Figure 3 -1 prevent automatic block from the institutional measures Ⅰ

图3-2防止自动脱挡的机构措施Ⅱ

Figure 3 -2 prevent automatic block from the institutional measures II

图3-3防止自动脱挡的机构措施Ⅲ

Figure 3 -3 prevent automatic block from the institutional measures Ⅲ

1）将两接合齿的啮合位置错开，见图3-1。这样在啮合时，使接合齿端部超过被接合齿约1~3mm。使用中接触部分挤压和磨损，因而在接合齿端部形成凸肩，用来阻止接合齿

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自动脱挡。

2）将啮合套齿座上前齿圈的齿厚切薄（切下0.3~0.6mm），这样，换挡后啮合套的后端面被后齿圈的前端面顶住，从而减少自动脱挡，见图3-2。

3）将接合齿的工作面加工成斜面，形成倒锥角（一般倾斜2°~3°），使接合齿面产生阻止自动脱挡的轴向力，见图3-3。这种方案比较有效，应用较多。

3.3 变速器轴承

变速器轴承常采用圆柱滚子轴承，球轴承，滚针轴承，圆锥滚子轴承，滑动轴套等。至于何处应当采用何种轴承，是受结构限制并随所承受的载荷特点不同而不同。

汽车变速器结构紧凑，尺寸小，采用尺寸大些的轴承结构受限制，常在布置上有困难。如变速器的第二轴前端支承在第一轴常啮合齿轮的内腔中，内腔尺寸足够时可布置圆柱滚子轴承，若空间不足则采用滚针轴承。变速器第一轴前端支承在飞轮的内腔里，因有足够大的空间长采用球轴承来承受向力。作用在第一轴常啮合齿轮上的轴向力，经第一轴后部轴承传给变速器壳体，此处常用轴承外圈有挡圈的球轴承。第二轴后端常采用球轴承，以轴向力和径向力。中间轴上齿轮工作时产生的轴向力，原则上由前或后轴承来承受都可以，但当在壳体前端面布置轴承盖有困难的时候，必须由后端轴承承受轴向力，前端采用圆柱滚子轴承来承受径向力。

变速器中采用圆锥滚子轴承虽然有直径小，宽度较宽因而容量大，可承受高负荷等优点，但也有需要调整预紧，装配麻烦，磨损后轴易歪斜而影响齿轮正确啮合的缺点。

变速器第一轴，第二轴的后部轴承以及中间轴前，后轴承，按直径系列一般选用中系列球轴承或圆柱滚子轴承。轴承的直径根据变速器中心距确定，并要保证壳体后壁两轴承孔之间的距离不小于6~20mm，下限适用于轻型车和轿车。

滚针轴承，滑动轴套主要用在齿轮与轴不是固定连接，并要求两者有相对运动的地方。滚针轴承有滚动摩擦损失小，传动效率高，径向配合间隙小，定位及运转精度高，有利于齿轮啮合等优点。滑动轴套的径向配合间隙大，易磨损，间隙增大后影响齿轮的定位和运转精度并使工作噪声增加。滑动轴套的优点是制造容易，成本低。

在本次设计中主要选用了圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承和滚针轴承。

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4变速器设计和计算

4.1 挡数

增加变速器的挡数能改善汽车的动力性和经济性。挡数越多，变速器的结构越复杂，并且是尺寸轮廓和质量加大。同时操纵机构复杂，而且在使用时换挡频率也增高。

在最低挡传动比不变的条件下，增加变速器的当属会是变速器相邻的低挡与高挡之间传动比比值减小，是换挡工作容易进行。要求相邻挡位之间的传动比比值在1.8以下,该制约小换挡工作越容易进行。要求高挡区相邻挡位之间的传动比比值要比低挡区相邻挡位之间的传动比比值小。

近年来为了降低油耗，变速器的挡数有增加的趋势。目前轿车一般用4~~5个挡位，级别高的轿车变速器多用5个挡，货车变速器采用4~~5个挡位或多挡。装载质量在2~3.5T的货车采用5挡变速器，装载质量在4~8T的货车采用6挡变速器。多挡变速器多用于重型货车和越野车。

选用的是5挡变速器。

4.2 传动比范围

变速器的传动比范围是指变速器最低挡传动比与最高挡转动比的比值。传动比范围的确定与选定的发动机参数，汽车的最高车速和使用条件等因素有关。

目前轿车的传动比范围在3~4之间，轻型货车在5~6之间，其他货车则更大。 轿车的传动比范围为3.6：1

4.3 中心距A

对中间轴式变速器，是将中间轴与第二轴之间的距离成为变速器中心距。其大小不仅对变速器的外形尺寸，体积和质量大小，而且对轮齿的接触强度有影响。中心距越小，齿轮的接触应力大，齿轮寿命短。最小允许中心距当有保证齿轮有必要的接触强度来确定。变速器轴经轴承安装在壳体上，从布置轴承的可能与方便和不影响壳体的强度考虑，要求中心距取大些。此外受一挡小齿轮齿数不能过少的限制，要求中心距也要大些。

A=KA3Temaxi1?g （4-1）

=9?3410?3.6?0.96=230mm

式中，A为中心距（mm）；KA为中心距系数，轿车：KA=8.9~9.3； Temax为发动机最大转

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度。考虑到壳体上的第一轴轴孔尺寸的限制和装配的可能性，该齿轮齿数又不宜取多。

中间轴上小齿轮的最少齿数，还受中间轴轴经尺寸的限制，即受刚度的限制。在选定时，对轴的尺寸及齿轮齿数都要统一考虑。轿车中间轴式变速器一挡传动比i1=3.5~3.8时，中间轴上一挡齿轮数可在15~17间取，货车在2~17间取。

因为i1=3.6取中间轴上一挡齿轮z10=15

输出轴上一挡齿轮z9=zh-z10=38-15=23

4.7.2 对中心距进行修正

因为计算齿数和zh后，经过取整数使中心距有了变化，所以应根据zh和齿轮变位系数新计算中心距，在以修正后的中心距作为各挡齿轮齿数分配的依据。

故修正后中心距A取85mm

4.7.3 确定常啮合传动齿轮副的齿数

求出传动比

zz2?i110 （4-9） z1z9z215?3.6 z123而常啮合传动齿轮中心距和一档齿轮的中心距相等，即

A=mn(z1?z2)/2cos? （4-10） 85=3（z2+z1）/2cos28?

求得五挡齿轮齿数为 z1=15 z2=35 各挡传动比分别为 i2?4i13?43.63?2.6

i3?4i12?43.62=1.9 i4?4i1?43.6?1.4 i5?1

4.7.4 确定其他各挡的齿数

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二挡齿轮是斜齿轮

z7z15?i21?2.6? z8z235A?mn(z7?z8)3.0?(z7?z8)??85

2cos?2cos28?求得二挡齿轮齿数为 z7?26 z8?24 三挡齿轮齿数

z6z15?i31?1.9? z5z235A?mn(z5?z6)3.0?(z5?z6)??85 ?2cos?2cos28求得 z5?28 z6?22 四挡齿轮齿数

z4z22?i41?1.4? z3z228A?mn(z3?z4)3.0?(z3?z4)??85 ?2cos?2cos28求得 z3?24 z4?26

4.7.5 确定倒挡齿轮齿数

取中间轴上的倒挡齿轮z12和中间轴上一挡齿轮齿数相同，即z12=z10=15 有中心距A?m(z11?z12) 求得 z11=40 2倒挡齿轮选用的模数往往与一档相同，倒挡齿轮z13的齿数，一般在21-22之间，初选

z13后，可计算出中间轴与倒挡轴的中心距A?

取z13=21 A?=

m(z12?z13)3?(15?21)==54mm 22为保证倒挡齿轮的啮合和不产生运动干涉，齿轮14和12的齿顶圆之间应保持有0.5mm以上的间隙，则齿轮14的齿顶圆直径应为

De14?2A??De12?1=2?54?51?1=56mm

所以 求出 z14=16

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5 变速器的校核

5.1 齿轮的损坏形式

齿轮的损坏形式分三种：轮齿折断，齿面疲劳剥落，移动换挡齿轮端部破坏。 轮齿折断分两种：轮齿受足够大的冲击载荷作用，造成轮齿弯曲折断；轮齿再重复载荷作用下齿根产生疲劳裂纹，裂纹扩展深度逐渐加大，然后出现弯曲折断。前者在变速器中出现的很少，后者出现的多。

齿轮工作时，一对相互啮合，齿面相互挤压，这时存在齿面细小裂缝中的润滑油油压升高，并导致裂缝扩展，然后齿面表层出现块状脱落形成齿面点蚀。他使齿形误差加大，产生动载荷，导致轮齿折断。

用移动齿轮的方法完成换挡的抵挡和倒挡齿轮，由于换挡时两个进入啮合的齿轮存在角速度差，换挡瞬间在齿轮端部产生冲击载荷，并造成损坏。

5.2 齿轮强度计算

与其他机械行业相比，不同用途汽车的变速器齿轮使用条间仍是相似的。此外，汽车变速器齿轮用的材料，热处理方法，加工方法，精度级别，支承方式也基本一致。如汽车变速器齿轮用低碳合金钢制作，采用剃齿和磨齿精加工 ，齿轮表面采用渗碳淬火热处理工艺，齿轮精度为JB179—83，6级 和7级。因此，用于计算通用齿轮强度公式更为简化一些的计算公式来计算汽车齿轮，同样可以获得较为准确的结果。下面介绍的是计算汽车变速器齿轮强度用的简化计算公式。

5.2.1 齿轮弯曲强度计算

1） 直齿轮弯曲应力

?w?F1K?Kfbty （5-1）

式中，?w为弯曲应力；F1为圆周力，F1?2Tg/d；Tg为计算载荷；d为节圆直径；K?为应力集中系数，可近似取K?=1.65；Kf为摩擦力影响系数，主、从动齿轮在啮合点上的摩擦力方向不同，对弯曲应力的影响也不同：主动齿轮Kf=1.1，从动齿轮Kf=0.9；b为齿宽；t为端面齿距，t??m，m为模数；y为齿形系数，如图5-1所示。

因为齿轮节圆直径d=mz，z为齿数，带入式（5-1）得

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?w?一挡从动齿轮

2TgK?Kf?mzKcy3 （5-2）

2?245?103?1.65?0.9?w???333MPa?400MPa 33?mzKcy3.14?3?42?5?0.152TgK?Kf一挡主动齿轮

2?245?103?1.65?1.1?w???762.9MPa?850MPa

?m3zKcy3.14?33?15?5?0.152TgK?Kf一、倒挡直齿轮作用弯曲应力在400~850N/mm

故直齿轮弯曲应力均符合要求 2） 斜齿轮弯曲应力

?w?F1K? （5-3） btyK?式中，F1为圆周力，F1?2Tg/d；Tg为计算载荷；d为节圆直径，d?mnz ，mn为法向cos?模数；z为齿数；?为斜齿轮螺旋角；K?为应力集中系数，K?=1.50；b为齿面宽；t为法向齿距，t??mn；y为齿形系数，可按当量齿数za?影响系数，K?=2.0。

将上述有关参数代入式（5-3），整理后得斜齿轮弯曲应力为

?w?五挡齿轮弯曲应力

2?245?103?cos28??1.5??165.7MPa?180MPa ?w?3?zmnyKcK?3.14?22?33?0.15?7?2.02Tgcos?K?2Tgcos?K?z在图5-1中查得；K?为重合度3cos??zmyKcK?3n （5-4）

当计算载荷Tg取作用到变速器第一轴上的最大转矩Temax时，对乘用车常啮合齿轮和高挡齿轮，许用应力在180～350MPa范围。 符合要求。

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图5-1 齿形系数图

（假定载荷作用在齿顶??20，f??1）

Figure 5 -1 Profile coefficient map

(Assuming the load in top gear ??20，f??1)

??5.2.2 轮齿接触应力计算

轮齿接触应力

δj =0.418FE11

b( ρ + ρ ) （5-5）

zb

F1 ；F1为圆周力，

cos?cos?式中，?j为轮齿的接触应力；F为齿面上的法向力，F?F1?2Tg/d；Tg为计算载荷；d为节圆直径；?为节点处压力角，?为齿轮螺旋角；E为

齿轮材料的弹性模量；b为齿轮接触的实际宽度；?z 、?b为主、从动齿轮节点处的曲率半径，直齿轮?z?rzsin? 、?b?rbsin?，斜齿轮?z?为主、从动齿轮节圆半径。

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rbsin?rzsin??? ， ；rz 、rbb22cos?cos?

一挡齿轮接触应力 δj =0.418FE11 b( ρ + ρ )

zb

245?103?2.1?10522?(?) ?0.418????3?42?3?(cos28cos20)3?15?sin203?42?sin20 =1955.3MPa 五挡齿轮接触应力 δj =0.418FE11 b( ρ + ρ )

zb

245?103?2.1?10522?3?sin20?28?3?sin20??(?) ?0.418?????22?3?3(cos28cos20)2?cos282?cos28 =1341.8MPa

校核都在范围之内，符合要求 将作用在变速器第一轴上的载荷Temax2作为计算载荷时，变速器齿轮的许用接触应力

?j见表5-1。

表5-1 变速器齿轮许用接触应力 Table 5 -1 transmission gear allowable contact stress

齿 轮 一挡和倒挡 常啮合齿轮和高挡

?j／MPa 渗碳齿轮 1900--2000 1300--1400

液体碳氮共渗齿轮 950--1000 650--700

变速器齿轮多数采用渗碳合金钢，其表层的高硬度与芯部的高韧性相结合，能大大提高齿轮的耐磨性及抗弯取疲劳和接触疲劳的能力。在选用钢材及热处理时，对切削加工性能及成本也应考虑。值得指出的是，对齿轮进行强力喷丸处理以后，齿轮弯曲疲劳寿命和接触疲劳寿命都能提高。齿轮在热处理之后进行磨齿，能消除齿轮热处理的变形；磨齿齿轮精度高于热处理前剃齿和挤齿齿轮精度，使得传动平稳、效率提高；

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在同样负荷的条件下，磨齿的弯曲疲劳寿命比剃齿的要高。

国内汽车变速器齿轮材料主要用20CrMnTi、20Mn2TiB、16MnCr5、20MnCr5、25MnCr5。渗碳齿轮表面硬度为58～63HRC，芯部硬度为33～48HRC。

5.2.3 轴的强度计算

变速器工作时，由于齿轮上有圆周力、径向力和轴向力作用，其轴要承受转矩和弯矩。变速器的轴应有足够的刚度和强度。因为刚度不足的轴会产生弯曲变形，破坏了齿轮的正确啮合，对齿轮的强度、耐磨性和工作噪声等均有不利影响。所以设计变速器轴时，其刚度大小应以保证齿轮能实现正确的啮合为前提条件。

对齿轮工作影响最大的是轴在垂直面内产生的挠度和轴在水平面内的转角。前者使齿轮中心距发生变化，破坏了齿轮的正确啮合；后者使齿轮相互歪斜，如图5-2所示，致使沿齿长方向的压力分布不均匀。

图5-2 变速器轴的变形简图

a) 轴在垂直面内的变形 b）轴在水平面内的变形

Figure 5 -2 transmission shaft deformation schematic

a) axis in the vertical plane deformation b) axis in the horizontal plane deformation

初步确定轴的尺寸以后，可对轴进行刚度和强度验算。欲求中间轴式变速器第一轴的

支点反作用力，必须先求第二轴的支点反力。挡位不同，不仅圆周力、径向力和轴向力不同，而且力到支点的距离也有变化，所以应当对每个挡位都进行验算。验算时将轴看做铰接支承的梁。作用在第一轴上的转矩应取Temax。

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轴的挠度和转角可按《材料力学》有关公式计算。计算时仅计算齿轮所在位置处轴的挠度和转角。第一轴常啮合齿轮副，因距离支承点近、负荷又小，通常挠度不大，故可以不必计算。变速器齿轮在轴上的位置如图5-3所示时，可分别用下式计算

图5-3 变速器轴的挠度和转角

Figure 5 -3 transmission shaft and the deflection angle

F1?a2?b2fc? (5-6)

3EIL2?245?103?tan20??2162?612?3?42?cos28 ?=0.08mm 43.14?443?2.1?105??27764F2?a2?b2fs? (5-7)

3EIL2?245?103?2162?6123?42 ?=0.13mm 43.14?443?2.1?105?27764??F1?a?b(b?a) (5-8)

3EIL2?245?103?tan20??216?61?(216?61)?3?42?cos28 ?=0.0008rad 43.14?443?2.1?105??2776424

式中，F1为齿轮齿宽中间平面上的圆周力；F2为齿轮齿宽中间平面上的径向力；E为弹性模量，E=2.1X105MPa；I为惯性矩，对于实心轴：I=πd4/64；d为轴的直径，花键处按平均直径计算；a、b为齿轮上作用力距支座A、B的距离；L为支座间距离。

轴的全挠度f为f?fc2?fs2?0.082?0.132=0.15mm?0.2mm。

轴在垂直面和水平面挠度的允许值为fc=0．05～0．10mm，fs=0．10～0．15mm。齿轮所在平面的转角不应超过0.002rad。

校核都在范围内，符合要求。

与中间轴齿轮常啮合的第二轴上的齿轮，常通过青铜衬套或滚针轴承装在轴上，也有的省去衬套或滚针轴承直接装在轴上，这就能够增大轴的直径，因而使轴的刚度增加。

作用在齿轮上的径向力和轴向力，使轴在垂直面内弯曲变形，而圆周力使轴在水平面内弯曲变形。在求取支点的垂直面和水平面内的支反力Fc和Fs之后，计算相应的弯矩Mc、Ms。轴在转矩Tn和弯矩同时作用下，其应力为

??M32M (5-9) ?W?d332?158333.1=18.94MPa?400MPa 3??44 =

式中，M?Mc2?Ms2?Tn2；d为轴的直径，花键处取内径；W为抗弯截面系数。 · 在低挡工作时，σ≤400MPa

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6 同步器的选型

同步器有常压式、惯性式和惯性增力式三种。常压式同步器结构虽然简单，但有不能保证啮合件在同步状态下(即角速度相等)换挡的缺点，现已不用。得到广泛应用的是惯性式同步器。惯性式同步器中有锁销式、锁环式、滑块式、多片式、和多锥式几种。

6.1 锁销式同步器

6.1.1 锁销式同步器结构

图6-1所示锁销式同步器的摩擦元件是同步环2和齿轮3上的凸肩部分，分别在它们的内圈和外圈设计有相互接触的锥形摩擦面。锁止元件位于滑动齿套1的圆盘部分孔中做出的锥形肩角和装在上述孔中、在中部位置处有相同角度的斜面锁销4。锁销与同步环2刚性连接。弹性元件是位于滑动齿套1圆盘部分径向孔中的弹簧7。在空挡位置，钢球5在弹簧压力作用下处在销6的凹槽中，使之保持滑动齿套与同步环之间没有相对移动。

图6-1 锁销式同步器结构方案 1-滑动齿套 2-同步环 3-齿轮 4-锁销 5-钢球 6-销 7-弹簧

Figure 3 -1 Lock pin synchronous structure for the program

1-sliding gear sets 2-synchronous Central 3-Gear 4-Lockpin 5-Ball 6-Pin 7-Spring

在惯性式同步器中，弹性元件的重要性仅次于摩擦元件和锁止元件，它用来使有关部分保持在中立位置的同时，又不妨碍锁止、解除锁止和完成换挡的进行。

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6.1.2 锁销式同步器工作原理

同步器换挡过程由三个阶段组成。

第一阶段，同步器离开中间位置，作轴向移动并靠在摩擦面上。摩擦面相互接触瞬间，如图6-1所示，由于齿轮3的角速度?3和滑动齿套1的角速度?1不同，在摩擦力矩作用下琐销4相对滑动齿套1转动一个不大的角度，并占据图上所示的锁止位置。此时锁止面接触，阻止了滑动齿套向换挡方向移动。

第二阶段，来自手柄传至换挡拨叉并作用在滑动齿套上的力F，经过锁止元件又作用到摩擦面上。由于?3和?1不等，在上述表面产生摩擦力。滑动齿套1和齿轮3分别与整车和变速器输入轴转动零件相连。于是，在摩擦力矩作用下，滑动齿套1和齿轮3的转速逐渐接近，其角速度差??=|?1-?3|减小了。在??=0瞬间同步过程结束。

第三阶段，??=0，摩擦力矩消失，而轴向力F仍作用在锁止元件上，使之解除锁止状态，此时滑动齿套和锁削上的斜面相对移动，从而使滑动齿套占据了换挡位置。

锁销式同步器的优点是零件数量少，摩擦锥面平均半径较大，使转矩容量增加。这种

同步器轴向尺寸长是它的缺点。锁销式同步器多用于中、重型货车的变速器中。

6.2 锁环式同步器

6.2.1 锁环式同步器结构

如图6-2所示，锁环式同步器的结构特点是同步器的摩擦元件位于锁环1或4和齿轮5或8凸肩部分的锥形斜面上。作为锁止元件是做在锁环1或4上的齿轮和做在啮合套7上的齿的端部，且端部均为斜面称为锁止面。弹性元件是位于啮合套座两侧的弹簧圈。弹簧圈将置于啮合套座花键上中部呈凸起状的滑块压向啮合套。在不换挡的中间位置，滑块凸起部分嵌入啮合套中部的内环槽中，使同步器用来换档的零件保持在中立位置上。滑块两端伸入锁环缺口内，而缺口的尺寸要比滑块宽一个接合齿。

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图6-2 锁环式同步器

1、4—锁环 2—滑块 3—弹簧圈 5、8—齿轮 6—啮合套座 7—啮合套 Figure 3 -2 lock ring Synchronizer

1、4-locked Central 2-slider 3-coil 5、8-Gear 6-mesh sets Block 7-mesh sets

6.2.2 锁环式同步器工作原理

换挡时，沿轴向作用在啮合套上的换挡力，推啮合套并带动滑块和锁环移动，直至锁环锥面与被接合、齿轮上的锥面接触为止。之后，因作用在锥面上的法向力与两锥面之间存在角速度??，致使在锥面上作用有摩擦力矩，它使锁环相对啮合套和滑块转过一个角度，并由滑块予以定位。接下来，啮合套的齿端与锁环齿端的锁止面接触（图6-3a）,使啮合套的移动受阻，同步器处在锁止状态，换挡的第一阶段工作至此已完成。换挡力将锁环继续压靠在锥面上，并使摩擦力矩增大，与此同时在锁止面处作用有与之方向相反的拨环力矩。齿轮与锁环的角速度逐渐接近，在角速度相等的瞬间，同步过程结束，完成了换挡过程的第二阶段工作。之后，摩擦力矩随之消失，而拨环力矩使锁环回位，两锁止面分开，同步器解除锁止状态，啮合套上的接合齿在换挡力作用下通过锁环去与齿轮上的接合齿啮合(图6-3b)完成同步换挡。

锁环式同步器有工作可靠，零件耐用等优点，但因结构布置上的限制，转矩容量不大，而且由于锁止面在锁环的接合齿上，会因齿端磨损而失效，因而主要用于乘用车和总质量不大的货车变速器中。

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图6-3 锁环式同步器工作原理 a) 同步器锁止位置 b) 同步器换挡位置 1—锁环 2—啮合套 3—啮合套上的接合齿 4—滑块 Figure 6 -3 lock ring Synchronizer Principle

a) Synchronizer Locking location b) Shifting position Synchronizer

1-locked Central 2-mesh sets 3-meshing gears bearing 4-slider

6.2.3 锁环式同步器主要尺寸的确定

（1） 接近尺寸 b 同步器换挡第一阶段中间，在滑块侧面压在锁环缺口侧边的同时，且啮合套相对滑块作轴向移动前，啮合套接合齿与锁环接合齿倒角之间的轴向距离b（图6-4），称为接近尺寸。尺寸b应大于零，取b=0.2～0.3mm。

图6-4 接近尺寸和分度尺寸

1—啮合套接合齿 2—滑块 3—锁环 4—齿轮接合齿 Figure 6 -4 close to the size and degree Dimensions

1-meshing gears sets 2-slider 3-locked Central 4-gear gear

（2） 分度尺寸 a 滑块侧面与锁环缺口侧边接触时，啮合套接合齿与锁环接合齿中心线间的距a（图6-4） ,称为分度尺寸。尺寸a应等于1/4接合齿齿距。

尺寸a和b是保证同步器处于正确锁止位置的重要尺寸，应予以控制。

（3） 滑块转动距离 c （图6-5）滑块在锁环缺口内转动距离c影响分度尺寸a。滑块

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宽度d、滑块转动距离c与缺口宽度尺寸E之间的关系如下

E=d+2c （6-1）

滑块转动距离c与接合齿齿距t的关系如下 c?R1t （6-2） 4R2式中，R1为滑块轴向移动后的外半径（即锁环缺口外半径）；R2为接合齿分度圆半径。

图6-5 滑块转动距离

1—啮合套 2—锁环 3—滑块 4—锁环缺口 Figure 6 -5 slider rotation distance

1-mesh sets 2-locked Central 3-slider 4-locked Central gap

（4）滑块端隙?1 滑块端隙?1系指滑块端面与锁环缺口端面之间的间隙，如图6-6所示，同时，啮合套端面与锁环端面的间隙为?2，要求?2>?1。若?20,应使?2>?1，通常取?1=0.5mm左右。

锁环端面与齿轮接合齿端面应留有间隙?3（图6-6），并可称之为后备行程。 预留后备行程?3的原因是锁环的摩擦面会因摩擦而磨损，并在接下来的换挡时，锁环要向齿轮方向增加少量移动。随着磨损的增加，这种移动量也逐渐增多，导致间隙?3逐渐减少，直至为零；此后，两摩擦锥面间会在这种状态下出现间隙和失去摩擦力矩。而此刻，若锁环上的摩擦锥面还未达到许用磨损的范围，同步器也会因失去摩擦力矩而不能实现锁环等零件与齿轮同步后换挡，故属于因设计不当而影响同步器寿命。一般应

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取?3=1.2～2.0mm。

在空挡位置，锁环锥面的轴向间隙应保持在0.2～0.5mm。

图3-6 滑块端隙?1 Figure 3 -6 slider-gap?1

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7 变速器操纵机构

根据汽车使用条件的需要，驾驶员利用变速器的操纵机构完成选挡和实现换挡或退到空挡的工作。

变速器操纵机构应当满足如下主要要求：换挡时只能挂人一个挡位，换挡后应使齿轮在全齿长上啮合，防止自动脱挡或自动挂挡，防止误挂倒挡，换挡轻便。

用于机械式变速器的操纵机构，常见的是由变速杆、拨块、拨叉、变速叉轴及互锁、自锁和倒挡锁装置等主要件组成，并依靠驾驶员手力完成选挡、换挡或退到空挡工作，称为手动换挡变速器。

7.1 直接操纵手动换挡变速器

当变速器布置在驾驶员座椅附近，可将变速杆直接安装在变速器上，并依靠驾驶员手力和通过变速杆直接完成换挡功能的手动换挡变速器，称为直接操纵变速器。这种操纵方案结构最简单，已得到广泛应用。近年来，单轨式操纵机构应用较多，其优点是减少了变速叉轴，各挡同用一组自锁装置，因而使操纵机构简化，但它要求各挡换挡行程相等。

7.2 远距离操纵手动换挡变速器

平头式汽车或发动机后置后轮驱动汽车的变速器，受总体布置限制变速器距驾驶员座位较远，这时需要在变速杆与拨叉之间布置若干传动件，换挡手力经过这些转换机构才能完成换挡功能。这种手动换挡变速器称为远距离操纵手动换挡变速器。

图7-1 远距离操纵手动换挡变速器工作原理简图

Figure 7 -1 remote controlled manually shifting transmission principle schematic

图7-1示出远距离操纵手动换挡变速器的工作原理简图。这时要求整套系统有足够的刚性，且各连接件之间间隙不能过大，否则换挡手感不明显，并增加了变速杆颤动的可能

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性。此时，变速杆支座应固定在受车架变形、汽车振动影响较小的地方，最好将换挡传动机构、发动机、离合器、变速器连成一体，以避免对操纵有不利影响。

根据直接操纵手动换挡方案的优点，选用直接操纵手动换挡方案。

8 结论

1） 变速器的传动比为1.0，五挡为直接挡且是最高挡。

2） 使用直接挡，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。

3） 变速器在一挡和倒挡工作时有较大的力，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。

4） 五挡变速器可提高发动机的功率利用率、汽车的燃油经济性及平均车速，从而可提高汽车的运输效率，降低运输成本。

5） 降低噪声水平对轿车很重要，所以在选择齿轮模数时应该小些。

6） 当螺旋角?=28?时，齿轮啮合的重合系数增大，工作平稳、降低噪声同时提高齿轮强度。

7） 变速器设计计算中，齿轮的损坏形式主要有：轮齿折断、齿面疲劳剥落、移动换挡齿轮端部破坏及齿面胶合。在对轮齿强度计算中，轮齿弯曲强度和轮齿接触应力都符合了要求。对轴的强度计算也都基本达到了要求。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/avh7.html