汽车五档变速器设计分析解析

目录引言 (1)1变速器设计的概况 (1)1.1变速器设计的目的及意义 (1)1.2变速器的发展现状 (2)1.3变速器设计面临的主要问题 (2)2变速器的总体方案设计 (2)2.1毕业设计任务及要求 (2)2.2变速器的功用及设计要求 (2)2.3变速器传动机构的型式选择与结构分析 (3)2.4变速器主要零件的结构方案分析 (3)2.5传动方案的最终设计 (4)3变速器主要参数的选择与齿轮设计 (4)3.1 变速器主要参数的选择 (5)3.2各档传动比及其齿轮齿数的确定 (9)4变速器齿轮强度计算与材料的选择 (11)4.1 齿轮的损坏形式 (11)4.2轮齿强度计算 (11)5变速器轴的设计与校核 (15)5.1轴的工艺要求 (16)5.2 初选轴的尺寸 (16)5.3轴的结构 (16)5.4轴的校核 (18)5.5键的校核 (26)5.6变速器轴承寿命的计算 (28)6变速器同步器的设计及操纵机构 (29)6.1 同步器的结构 (29)6.2同步环主要参数的确定 (30)6.3变速器的操纵机构 (31)总结 (33)参考文献 (34)附件1 (36)附件2 (37)附件3 (38)汽车五档变速器设计103车辆工程学生张凤超指导老师李进摘要：变速器最作为汽车上不可或缺的部分，通过改变发动机传递到驱动轮上的转矩和转速，使汽车获得不同的牵引力和速度，让汽车能在各种工况下平顺的工作，而随着汽车的发展变速器也发展出很多种类与形式。

本文主要内容是对一款用于轿车上的五档手动变速器的设计。

主要设计内容包括：变速器总体方案的确定；变速器传动机构的布置；变速器主要参数的选择，其中有档数、传动比、齿轮参数、各档传动比的分配；轮齿强度的计算、轴的强度的计算；同步器的选择等，运用CAD软件绘制变速器的零件图与装配图。

关键词：变速器；传动比；传动机构；同步器引言大家都知道汽车发动机的好坏是衡量汽车优劣的一个重要标准，就如同人一样，拥有一颗好的心脏和健康的体魄，是做任何事不能缺少的，然而变速器作为汽车动力总成的重要组成部分，却犹如人的大脑一样掌控着汽车的一切，一个人的心脏和身体再好，如果没有一个聪明的大脑来支配他，那也是会一事无成的。

从现在市场上不同车型所配置的变速器来看，变速器主要分为：手动变速器(MT)、自动变速器(AT)、手动／自动变速器(AMT)、无级变速器(CVT)。

1变速器设计的概况1.1变速器设计的目的及意义随着经济和科学技术的不断发展和我国加入WTO，汽车工业也渐渐成为我国支柱产业，汽车的使用已经遍布全国。

我国汽车工业起步较晚，加入世界贸易组织后汽车工业面临着更大的机遇和挑战。

随着我国汽车工业不断的壮大，以及汽车行业持续快速的发展，如何设计出经济实惠，工作可靠，性能优良，且符合中国国情的汽车已经是当前汽车设计者的紧迫问题。

经过几年的刻苦学习，我掌握了多门基础知识和专业知识。

在大学毕业，即将走向工作岗位之际，进行了对轿车五档变速器的设计。

毕业设计是对每个大学生进行知识掌握与实际运用的一次大检阅，充分体现了个设计者的知识掌握程度和创新思想。

通过本次设计，我将进一步巩固所学的知识，提高实际运用能力，并为以后参加工作打下良好的基础。

1.2变速器的发展现状在汽车变速箱一百多年的历史中，主要经历了从手动到自动的发展过程。

目前世界土使用最多的汽车变速器为手动变速器(MT)、自动变速器(AT)、手自一体变速器(AMT)、无级变速器(CVT)、双离合变速器(DCT)五种型式。

在我国，据调查2007年手动变速器的市场比重为74%，占据较大的市场份额。

另外在消费者调查中最受关注的汽车配件中，第一名是安全气囊，第二就是自动档的变速器。

在中国，自动档变速器的市场是十分乐观的。

同时手动档变速器的节能型，经济性以及驾驶娱乐性也决定了其不可替代性。

1.3变速器设计面临的主要问题在汽车工业高速发展的今天，随着世界燃油价格的日益上涨和运用在汽车各种配件上的技术日趋成熟，变速器发展面临的主要问题如下：(1)、如何设计出更加节能环保、经济型的变速器，将是变速器乃至汽车发展所要面临的一个巨大问题。

(2)、自动变速器之所以发展如此迅速是因为它操纵起来简单方便，但同时也减少了驾车的乐趣。

因此，在不减少驾车娱乐性的同时，又能使操纵更加方便快捷，也是变速器设计时要考虑的一个重要问题。

(3)、如何设计出结构更简单、传动效率更高、使汽车车速变化更加平稳以及驾车舒适性更高的变速器，则一直都是变速器设计所要攻克的技术难关。

2变速器的总体方案设计2.1毕业设计任务及要求本次毕业设计的任务是设计一台用于轿车上的五档变速器，其主要指标参考大众桑塔纳2000手动变速器。

因此本设计所选用的变速器型式为FR式手动五档变速器，是基于桑塔纳2000GSI而开展的，设计中所采用的相关参数详见第三章。

要求完成变速器的造型设计、尺寸计算并绘制相关图纸。

2.2变速器的功用及设计要求变速器作为汽车动力系统重要的组成部分，主要用于转变从发动机曲轴传出的转矩和转速，以适应汽车在起步、加速、行驶以及克服各种道路障碍等不同行驶条件下对驱动车轮牵引力及车速的不同需求。

为保证变速器具有良好的工作性能，对变速器应提出如下设计要求。

(1)、应保证汽车具有高的动力性和经济性指标。

(2)、设置空档，以保证汽车在必要时能将发动机与传动系长时间分离；设置倒档，使汽车可以倒退行驶。

(3)、工作可靠，操纵轻便。

(4)、重量轻、体积小。

（5)、传动效率高。

(6)、噪声小。

(7)、贯彻零件标准化、部件通用化和变速器总成系列化等设计要求。

2.3变速器传动机构的型式选择与结构分析变速器的种类很多，按其传动比的改变方式可以分为有级、无级和综合式的。

而按其轴中心线的位置又分为固定轴线式、螺旋轴线式和综合式的。

其中固定轴式应用广泛，有两轴式和三轴式之分，前者多用于发动机前置前轮驱动的汽车上，而后者多用于发动机前置后轮驱动的汽车上。

现代汽车大多都采用三轴式变速器。

以下是三轴式和两轴式变速器的传动方案。

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。

三轴式变速器的主要优点有：直接档的传递效率高、磨损及噪音也最小、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。

其缺点是：处直接档外其他各档的传动效率有所下降。

两轴式变速器与三轴式变速器相比，其结构简单、紧凑且除最到档外其他各档的传动效率高、噪声低。

第二轴（即输出轴）与主减速器主动齿轮做成一体，简化了制造工艺，降低了成本。

缺点：没有直接档，因此在高档工作时，齿轮和轴承均承载，因而噪声比较大，也增加了磨损、低档传动比较小。

由于本设计的汽车是发动机前置、后轮驱动，因此采用三轴式变速器。

2.4变速器主要零件的结构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、轴承型式等因素。

2.4.1齿轮型式齿轮形式有直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮。

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。

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。

2.4.2换档结构型式现在大多数汽车的变速器都采用同步器换档。

其优点是：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。

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。

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。

其结构及工作原理将在第六章重点讲解。

2.4.3轴承型式在本设计中，第一轴常啮合齿轮及第二轴上齿轮由于内腔尺寸较小，所以采用滚针轴承。

变速器第一轴、第二轴的后部轴承按直径系列选用深沟球轴承或圆柱滚子轴承。

中间轴前、后轴承采用深沟球轴承。

2.5传动方案的最终设计通过对变速器型式、传动机构方案及主要零件结构方案的分析与选择，并根据设计任务与要求，最终确定的传动方案如图2-4所示。

其传动路线：一档：一轴——2——中间轴——10——9——9、11间同步器一二轴——输出。

二档：一轴——2——中间轴——8-——7——5、7间同步器——二轴一输出。

三档：一轴——1——2——中间轴——6——5—5、7间同步器一二轴——输出四档：一轴——1、3间同步器一二轴——输出。

五档：一轴——2——中间轴——4——3——l、3间同步器一二轴——输出。

倒档：一轴——2——中间轴——12——13——11——14——9、14间同步器一二轴一输出。

图2-4五档变速器的结构简图3变速器主要参数的选择与齿轮设计本设计是根据新捷达桑塔纳2000 GSI展开的，设计中采用的相关参数均来源于此种车型：主减速比4.444最高车速175km/h轮胎型号195/60 R14 85H整备质量1120kg满载质量1540kg发动机型号 1.8升4缸2气门电子燃油喷射发动机额定功率/转速74KW/5200rpm最大转矩/转速155Nm/3800rpm3.1 变速器主要参数的选择3.1.1档位数变速器挡位数的增加，可以改善汽车动力性和燃油经济性以及平顺性。

但是，档位数的增加会使变速器的结构变得复杂，轮廓和质量加大，同事操纵机构变得复杂，增加了换挡难度。

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，大排量的汽车变速器多用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。

本设计是以乘用车桑塔纳2000为例，为了获得良好的经济性，与驾驶舒适性，故选择5个档位。

3.1.2传动比范围变速器传动比范围是指变速器最低档传动比与最高档传动比的比值，最低档传动比选取时，要根据汽车发动机的最大转矩，最低稳定转速所要求的最大爬坡能力、驱动轮与路面的附着力、主减速比和驱动的滚动半径，以及所要求达到的最低行驶车速等。

汽车在爬坡时，车速不高，空气阻力可以忽略，则最大驱动力只用于克服轮胎与路面间的滚动阻力及爬坡阻力。

故有 ()max max max 0max sin cos ψααηmg f mg r i i T r TgI e =+≥ (3-1) 满足最大爬坡度要求，则一档传动比T e r gI i T r m g i ηψ0max max ≥(3-2) 式中： m ——汽车总质量g ——重力加速度max ψ——道路最大阻力系数r r ——驱动轮的滚动半径max e T ——发动机最大转矩0i ——主减速比η——汽车传动系的传动效率 根据驱动车轮与路面附着力条件ϕη2max G r i T r tgI e ≤ 求得变速器一档传动比为：Te r gI i T r G i ηϕ0max 2≤ （3-3） 式中 2G ——汽车满载静止于水平路面上的载荷ϕ——路面的附着系数，计算时取ϕ=0.5~0.6已知条件：桑塔纳2000满载质量 1560kg;r r =294.8mm;Nm T e 155max =;444.40=i ;95.0=η5.0=ϕ由公式（3-3）可得：51.3≤gI i 取45.3=gI i超速档传动比一般在0.7~0.8范围内，本设计取五档传动比为75.0=gv i中间各挡传动比理论上按公比为：1min max -=n g g i i q （3-4）的等比数列，实际因齿数为整数且常用档位间的公比应小一些，还要考虑与发动机的合适匹配，故与理论上略有出入。