车辆工程毕业设计160轻型货车变速器设计

摘要
本次设计的题目是轻型货车变速器设计，采用车型为长城风骏皮卡。

变速器由变速器传动机构和操纵机构组成，其基本功用是改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利的工况下工作;在发动机曲轴旋转方向不变的前提下使汽车能倒退行驶；利用空挡中断动力传递，以使发动机能够起动、怠速，并便于变速器换挡或进行动力输出。

采用中间轴式变速器，该变速器具有两个突出的优点：一是其直接档的传动效率高，磨损及噪声也最小；二是在齿轮中心距较小的情况下仍然可以获得较大的一档传动比。

这台变速器具有五个前进档（包括一个超速档五档）和一个倒档，并通过锁环式同步器来实现换档。

本设计论述了变速器的总体结构，在设计中完成了各挡齿轮和轴的计算和校核及CAD绘图等工作。

关键词：变速器，锁环式同步器，传动比，中间轴，第二轴，齿轮
ABSTRACT
The design is the subject of a light goods vehicle transmission design, the use of models for the Great Wall Wingle pickup. Transmission and transmission by the transmission control mechanism, whose basic skills is to change the gear ratio, wheel torque and speed to expand the scope of the changes to adapt to constantly changing driving conditions, while the engine in the favorable conditions of work; the engine crankshaft without changing the direction of rotation so that cars can travel backwards; the use of neutral interrupt power transmission to the engine to start, idle, and to facilitate the transmission shift or power output.
The use of intermediate shaft transmission, the transmission has two significant advantages: First, the direct file transmission efficiency, wear and noise are minimal; second gear center distance is smaller still can get a larger one file transmission ratio. This transmission has five forward gears (including a five-speed overdrive) and a reverse, and through the lock ring synchronizer to achieve the shift. Discusses the transmission of the overall design structure, completed in the design of gears and shafts of the gear and check calculations and CAD drawings and other work.
Keywords：Transmission, Locking ring type synchronizer,Gear ratio, Countershaft,Second axis, Gear
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第1章绪论 (1)
1.1 汽车变速器概述 (1)
1.2汽车变速器设计的目的和意义 (2)
1.3 汽车变速器国内外现状和发展趋势 (2)
1.3.1 变速器国内外的现状 (2)
1.3.2 汽车变速器的发展趋势 (3)
1.4 手动变速器的特点和设计要求及内容 (3)
1.4.1 手动变速器的特点 (3)
1.4.2 手动变速器的设计要求 (4)
1.4.3设计的主要内容 (4)
第2章变速器传动机构布置方案确定 (6)
2.1设计所依据的主要技术参数 (6)
2.2 变速器传动机构的结构分析和形式选择 (6)
2.2.1两轴式变速器的特点分析 (7)
2.2.2 中间轴式变速器特点分析 (7)
2.2.3 倒挡布置方案分析 (8)
2.2.4 传动机构布置的其他问题 (10)
2.3 零部件结构方案分析 (10)
2.3.1 齿轮形式 (10)
2.3.2 换挡机构形式 (10)
2.3.3 防止自动脱挡的结构 (11)
2.3.4 变速器轴承 (11)
2.4 本设计所采用的传动机构布置方案 (11)
2.5 本章小结 (12)
第3章变速器主要参数的选择和齿数分配 (13)
3.1 变速器各挡传动比的确定 (13)
3.1.1 变速器最低挡传动比的确定 (13)
3.1.2 变速器其他各挡传动比的确定 (14)
3.2中心距的确定 (14)
3.3变速器外形尺寸的初选 (15)
3.4 变速器齿轮参数的选择 (15)
3.4.1模数 (15)
3.4.2 齿形、压力角及螺旋角 (16)
3.4.3 齿宽 (16)
3.4.4 齿顶高系数 (17)
3.5 变速器各挡齿轮齿数的分配 (17)
3.5.1 确定一挡齿轮的齿数 (17)
3.5.2 对中心距进行修正 (18)
3.5.3 确定常啮合齿轮的齿数 (19)
3.5.4 确定其他各挡齿轮的齿数 (20)
3.6 本章小结 (23)
第4章变速器齿轮的设计计算 (24)
4.1变速器齿轮的几何尺寸计算 (24)
4.2 计算变速器各轴的扭矩和转速 (24)
4.3 齿轮的强度计算和材料选择 (25)
4.3.1 齿轮损坏的原因和形式 (25)
4.3.2 齿轮的材料选择 (26)
4.3.3 齿轮的强度计算 (27)
4.4 本章小结 (38)
第5章变速器轴和轴承的设计计算 (39)
5.1初选变速器轴的轴径和轴长 (39)
5.2 轴的结构设计 (39)
5.3 变速器轴的强度计算 (40)
5.3.1齿轮和轴上的受力计算 (40)
5.3.2 轴的强度计算 (41)
5.3.3 轴的刚度计算 (46)
5.4变速器轴承的选择和校核 (49)
5.4.1 第一轴轴承的选择和校核 (49)
5.4.2 第二轴轴承的选择和校核 (50)
5.4.3 中间轴轴承的选择和校核 (51)
5.5 本章小结 (51)
第6章同步器和操纵机构的设计选用 (52)
6.1 同步器的设计选用 (52)
6.1.1 锁环式同步器 (52)
6.1.2 锁销式同步器 (53)
6.1.3 锁环式同步器主要尺寸的确定 (54)
6.1.4 同步器主要参数的确定 (55)
6.2 变速器操纵机构的设计选用 (57)
6.2.1 变速器操纵机构的分类 (57)
6.2.2 变速器常用操纵机构分析 (58)
6.3 变速器箱体的设计 (59)
6.4 本章小结 (60)
结论 (61)
参考文献 (62)
致谢 (63)
附录A (64)
附录B (65)
第1章绪论
1.1 汽车变速器概述
自1886年世界上第一辆汽车诞生以来，汽车已经历了近120年的发展。

随着科学技术的日益发展，汽车的各项性能也日臻完善。

现代汽车已成为世界各国国民经济和社会生活中不可缺少的交通工具。

现代汽车除了装有性能优良的发动机外还应该有性能优异的传动系与之匹配才能将汽车的性能淋漓尽致的发挥出来，因此汽车变速器的设计显得尤为重要。

变速器在发动机和汽车之间主要起着匹配作用，通过改变变速器的传动比，可以使发动机在最有利的工况范围内工作。

变速器用于转变发动机曲轴的转矩和转速，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不同要求的需要。

用变速器转变发动机转矩、转速的必要性在于内燃机转矩-转速变化特性的特点是具有相对小的对外部载荷改变的适应性[1]。

变速器能使汽车以非常低的稳定车速行驶，而这种低的车速只靠内燃机的最低稳定车速是难以达到的。

变速器的倒挡使汽车能倒退行驶；其空挡使汽车在启动发动机、停车和滑行时能长时间将发动机和传动系分离。

变速器按其传动比的改变方式可分为有级、无级和综合式的。

有级变速器按其前进挡的挡位数分为三、四、五挡和多挡的；而按其轴中心线的位置又可分为固定轴线式、旋转轴线式和综合式的。

固定轴式变速器又分为两轴式、三轴式和多轴式的。

变速器按其操纵方式又可分为自动式、半自动式、预选式、指令式、直接操纵式和远距离操纵式[2]。

变速器的结构对汽车的动力性、经济性、操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率等都有直接影响。

变速器与主减速器及发动机的参数做优化匹配，可得到良好的动力性与经济性；采用自锁及互锁装置，倒挡安全装置，对接合齿采取倒锥齿侧措施以及其他结构措施，可使操纵可靠，不跳挡、乱挡、自动脱挡和误挂倒挡；采用同步器可使换挡轻便，无冲击及噪声；采用高齿、修形及参数优化等措施可使齿轮传动平稳、噪声低，降低噪声水平已成为提高变速器质量和设计、工艺水平的关键。

随着汽车技术的发展，增力式同步器，双、中间轴变速器，后置常啮合传动齿轮、短第二轴的变速器，各种自动、半自动以及电子控制的自动换挡机构等新结构也相继问世。

变速器多采用飞溅润滑，重型汽车有时强制润滑第一、二轴轴承等。

变速器都装有单向的通气阀以防壳内空气热胀而漏油及润滑油氧化。

壳底放油塞多放置磁铁以吸附油内铁屑。

1.2汽车变速器设计的目的和意义
进入90年代以来，科学技术的急速发展和市场竞争的日益加剧，促使汽车工业发生了根本性的变革，其生产组织方式从传统的大批量、少品种的刚性生产结构向着多品种、中小批量的柔性生产结构转变，以CAD/CAE/CAM为代表的现代汽车设计方法正逐渐代替传统的设计方法。

现代汽车上广泛采用内燃机作为动力源，其转矩和转速的变化范围很小，而复杂的使用条件要求汽车的驱动力和车速能在相当大的范围内变化。

为解决这一矛盾，在传动系统中设置了变速器，用来改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，如起步、加速、上坡等，同时使发动机在最有利的工况范围下工作；在发动机旋转方向不变的前提下，使汽车能倒退行驶；利用空挡，中断动力传递，以使发动机能够起动、怠速，并便于变速器换挡或进行动力输出。

变速器设计的目的就是为了满足上述的要求，使汽车在特定的工况下稳定的工作。

[9]变速器除了要能满足一定的使用要求外，还要保证使其和汽车能有很好的匹配性，可以提高汽车的动力性和经济性，保证发动机在有利的工况范围内工作提高汽车的使用寿命、降低能源消耗、减少汽车的使用噪声等。

这就要求设计人员依据汽车的技术参数，合理的选择变速器的参数，使所设计的变速器能和整车具有很好的匹配性。

1.3 汽车变速器国内外现状和发展趋势
1.3.1 变速器国内外的现状
早期的汽车传动系，从发动机到车轮之间的动力传动形式是很简单的。

1892年法国制造出第一辆带有变速器的汽车。

1921年英国人赫伯特·福鲁特采用耐用的摩擦材料进一步完善了变速器的性能。

现代汽车变速器是1894年由法国人路易斯·雷纳·本哈特和艾米尔·拉瓦索尔推广使用的。

目前为止，变速器经历了几个发展阶段，主要为：
1、手动变速器
手动变速器主要采用齿轮传动的降速原理。

变速器内有多组传动比不同的齿轮副，而汽车行驶时的换挡工作，也就是通过操纵机构使变速器内的不同的齿轮副工作。

手动变速器又称手动齿轮式变速器，含有可以在轴向滑动的齿轮，通过不同齿轮的啮合达到变速变矩的目的[3]。

手动变速器的换挡操作可以完全遵从驾驶者的意志，且结构简单、故障率相对较低、价廉物美。

2、自动变速器
自动变速器是根据车速和负荷（油门踏板的行程）来进行双参数控制，挡位根据上面的两个参数来自动升降。

自动变速器与手动变速器的共同点，就是二者都属于有级式变速器，只不过自动变速器可以根据车速的快慢来自动实现换挡，可以消除手动变速器“顿挫”的换挡感觉。

自动变速器是由液力变矩器、行星齿轮和液压操纵机构组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩的目的。

3、无级变速器
无级变速器又称为连续变速式无级变速器。

这种变速器与一般齿轮式自动变速器的最大区别，是它省去了复杂而又笨重的齿轮组合变速传动，而只用了两组带轮进行变速传动。

无级变速器结构比传统变速器简单，体积更小，它既没有手动变速器的众多齿轮副，也没有自动变速器复杂的行星齿轮组，主要靠主动轮、从动轮和传动带来实现速比的无级变化[3]。

4、无限变速式机械无级变速器（IVT）
无限变速式机械无级变速器与其它自动变速器的差别之一是不使用变矩器。

变矩器的作用是通过油液介质将发动机动力传递给变速器，它的传递效率通常只有80%。

IVT由于不使用变矩器，与其它变矩器比较，IVT具有效率高、不易打滑、油耗低、不需要工艺复杂造价高昂的金属传送带、结构简单、成本低等一系列优点，加上传递扭矩大，长时间使用也不会过度发热，不但使用于轿车，也使用于越野车，是一种新型变速器。

1.3.2 汽车变速器的发展趋势
回顾汽车变速器的发展可以清楚的知道，变速器作为汽车传动系统的重要组成部分，其技术的发展，是衡量汽车技术水平的一个重要依据。

现代汽车变速器的发展趋势，是向着可调自动变速器或无级变速器的方向发展。

自动变速器多挡化虽能扩大自动变速的范围，但它并非安全迅速。

理想的无级变速器是在整个传动范围内能连续的、无挡比的切换变速比，是变速器始终按最佳换挡规律自动变速。

无级化是对自动变速器的理想追求。

现代无级变速器传动效率提高，变速反应快、油耗低。

随着电子技术的发展，变速器的自动控制进一步完善，在各种使用工况下能实现发动机与传动系的最佳匹配，控制更加精确、有效，性能价格比大大提高。

无级变速器装有自动控制装置，行车中可以根据车速自动调整挡位，无需人工操作，省去了换挡及踩踏离合器踏板的操作。

其不足之处在于价格昂贵、维修费用很高，而且使用起来比手动挡车费油，尤其是低
速行驶或堵车中走走停停时，更会增大油耗[7]。

当今世界各大汽车公司对无级变速器的研究都十分活跃。

不久的将来，随着电子控制技术的进一步完善，电子控制式的无级变速器可望得到广泛的发展和应用。

1.4 手动变速器的特点和设计要求及内容
1.4.1 手动变速器的特点
手动变速器的挡数通常在6挡以下，当挡数超过6挡时，可以在6挡以下的主变速器的基础上，再行配置副变速器，通过两者的组合获得多挡变速器。

近年来，为了降低油耗，变速器的挡数有增加的趋势。

目前，乘用车一般采用4-5个挡位的变速器。

发动机排量大的乘用车多用5个挡。

商用车变速器采用4-5个挡或多挡。

载质量在2.0-3.5t的货车采用五挡变速器，载质量在4.0-8.0t的货车采用六挡变速器。

多挡变速器多用于总质量大些的货车和越野车上[6]。

某些汽车的变速器，设置有用在良好的路面上轻载或空车驾驶的场合的超速挡，超速挡的传动比小于1。

采用超速挡，可以提高汽车的燃油经济性。

但是如果发动机功率不高，则超速挡使用频率很低，节油效果不显著，甚至影响汽车的动力性。

从传动机构布置上来说，目前，两轴式和三轴式变速器都得到了广泛的应用。

其中，两轴式变速器多用于发动机前置前轮驱动的汽车上。

三轴式变速器的第一轴的常啮合齿轮与第二轴的各挡齿轮分别与中间轴的相应齿轮相啮合，且第一、第二轴同心。

将第一、第二轴直接连接起来传递转矩则称为直接挡。

此时，齿轮、轴承及中间轴均不承载，而第一、第二轴也仅传递转矩。

因此，直接挡的传动效率高，磨损及噪声也最小，因为直接挡的利用率要高于其它挡位，因此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和第二轴之间的距离（中心距）不大的情况下，一挡仍有较大的传动比；挡位高的齿轮采用长啮合齿轮传动，挡位低的齿轮可以采用或不采用长啮合齿轮传动；多数传动方案中除一挡以外的其它挡位的换挡机构，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。

手动变速器的发展趋势是增多常啮合齿轮副的数目，从而可采用斜齿圆柱齿轮。

斜齿圆柱齿轮比直齿圆柱齿轮有更长的寿命、更低的噪声，虽然其制造稍微复杂且在工作时有轴向力。

因此，在变速器中，除低挡及倒挡齿轮外，直齿圆柱齿轮已被斜齿圆柱齿轮所取代。

当然，常啮合齿轮副的增多将导致旋转部分总惯性力矩的增大。

1.4.2 手动变速器的设计要求
(1)、正确选择变速器的挡位数和传动比，使其和发动机参数优化匹配，以保证汽
车具有良好的动力性和经济性；
(2)、设置空挡以保证汽车在必要时能将发动机和传动系长时间分离，设置倒挡使汽车能倒退行驶；
(3)、操纵简单、方便、迅速、省力；
(4)、传动效率高，工作平稳、无噪声；
(5)、体积小、质量轻、承载能力强，工作可靠；
(6)、制造容易、成本低廉、维修方便、使用寿命长；
(7)、贯彻零件标准化、部件通用化及总成系列化等设计要求，遵守有关标准规定；
(8)、需要时应设置动力输出装置。

1.4.3设计的主要内容
本次设计主要是依据长城风骏皮卡的有关参数，通过变速器各部分参数的选择和计算，设计出一种基本符合要求的手动变速器。

本文主要完成下面一些主要工作：
1、参数计算。

包括变速器传动比计算、中心距计算、齿轮参数计算、各挡齿轮齿数的分配；
2、变速器齿轮设计计算。

变速器齿轮几何尺寸计算；变速器齿轮的强度计算及材料选择；计算各轴的扭矩和转速；齿轮强度计算及检验；
3、变速器轴设计计算。

包括各轴直径及长度计算、轴的结构设计、轴的强度计算、轴的加工工艺分析；
4、变速器轴承的选择及校核；
5、同步器的设计选用和参数选择；
6、变速器操纵机构的设计选用；
7、变速器箱体的设计。

第2章变速器传动机构布置方案确定
2.1设计所依据的主要技术参数
本设计是根据长城风骏皮卡的技术参数来设计一种轻型货汽车变速器，其具体参数如表2.1。

表2.1 长城风骏皮卡的主要技术参数
2.2 变速器传动机构的结构分析和形式选择
本设计应用在现今使用广泛的发动机前置、后轮驱动的4×2总体布置方案，发动机发出的动力依次经过离合器、变速器、万向传动装置（万向节和传动轴）、主减速器、差速器、半轴，传到驱动轮，如图2.1所示
1.离合器；
2.变速器；
3.万向传动装置；
4.驱动桥
图2.1 发动机前置后轮驱动汽车传动系
变速器由变速传动机构和操纵机构组成。

根据前进档数的不同，变速器有三、四、五和多档几种。

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、三轴式和多中间轴式变速器。

2.2.1两轴式变速器的特点分析
与中间轴式变速器相比较，两轴式变速器结构简单、紧凑且除最高挡外其他各挡的传动效率高、噪声低。

轿车多采用前置发动机前轮驱动的布置，因为这种布置使汽车的动力-传动系统紧凑、操纵性好且可使汽车质量减少6%～10%。

两轴式变速器则方便于这种布置且使传动系的结构简单。

两轴式变速器没有直接挡，因此在高挡工作时，齿轮和轴承均承载，因而噪声较大，也增加了磨损，这是它的缺点。

如图2.2a～c所示为发动机前置前轮驱动轿车的两轴式变速器传动方案。

其特点是：变速器输出轴与主减速器主动齿轮做成一体；多数方案的倒挡传动常用滑动齿轮，其它挡位均用常啮合齿轮传动。

图2.2c中的倒挡齿轮为常啮合齿轮，并用同步器换挡；图2-2a所示方案的变速器有辅助支承，用来提高轴的刚度。

图2.2 两轴式变速器传动方案
2.2.2 中间轴式变速器特点分析
中间轴式变速器多用于发动机前置后轮驱动汽车和发动机后置后轮驱动的客车上。

变速器第一轴的前端经轴承支承在发动机的飞轮上，第一轴上的花键用来装设离合器的从动盘，而第二轴的末端经花键与万向节连接。

如图2.3a～d所示为中间轴式变速器的传动方案，其中a～b为中间轴式五挡变速器，c～d为中间轴式六挡变速器的传动方案。

中间轴式变速器的共同特点为：变速器第一轴后端与常啮合主动齿轮做成一体。

绝大多数方案的第二轴前端经轴承支承在第一轴后端的孔内，且保证两轴轴线在同一直线上，经啮合套将它们连接后可得到直接挡。

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，可达到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要高于其他挡位，因而提高了变速器的使用寿命；在其他前进挡位工作时，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
轮可以不采用常啮合齿轮传动；多数传动方案件中除一挡以外的其他挡位的换挡机构，均采用同步器或接合套换挡，少数结构的一挡也采用同步器或接合套换挡，各挡同步器或接合套多数情况下装在第二轴上。

图2.3 中间轴式变速器传动方案
在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。

2.2.3 倒挡布置方案分析
与前进档位比较，倒档使用率不高，而且都是在停车状态下实现倒档，故多次数方案均采用直齿滑动齿轮方式换倒档。

为实现倒档传动，有些方案利用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；也有利用两个联体齿轮方案的。

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，并使倒档传动比略有增加。

也有少数变速器采用结构复杂和使成本增加的啮合套或同步器方案换入倒档。

（a）（b）（c）（d）
图2.4 倒档布置方案
图2.4为常见的倒档布置方案。

图2.4(a)所示方案的优点是换倒档时利用了中间轴上的一档齿轮，因而缩短了中间轴的长度；但换档时要求有两对齿轮同时进入啮合，使换档困难。

图 2.4(b)所示方案能获得较大的倒档传动比，缺点是换档程序不合理。

图2.4(c)所示方案是将中间轴上的一、倒档齿轮做成一体，将其齿宽加长。

图2.4（d）所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合的齿轮，换档更为轻便。

综上所述，方案(c)较为适合本设计
变速器的一档或倒档因传动比大，工作时在齿轮上作用的力增大，并导致变速器轴产生较大的挠度和转角，使工作齿轮啮合状态变坏，最终表现出齿轮磨损加快和工作噪声增加。

为此，无论是两轴式变速器还是中间轴式变速器的一档与倒档，都应当布置在靠近轴的支承处，以便改善上述不良状况，然后按照从抵档到高档的顺序布置各档齿轮，这样做既能使轴有足够大的刚性，又能保证容易装配。

倒档的传动比虽然与一档的传动比接近，但因为使用倒档的时间非常短，从这点出发有些方案将一档布置在靠近轴的支承处，然后再布置倒档。

此时在倒档工作时，轮齿磨损与噪声在短时间内略有增加，而在一档工作时轮齿的磨损与噪声有所减少。

4传动机构布置的其他问题
常用挡位的齿轮因接触应力过高而易造成表面点蚀损坏。

将高挡布置在靠近轴的两端支承中部区域较为合理，在该区域因轴的变形而引起的齿轮偏转角较小，齿轮可保持较好的啮合状态，以减少偏载并提高齿轮寿命[7]。

某些汽车的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的超速挡，能够更充分的利用发动机的功率，使汽车行驶1Km所需发动机曲轴的总转数减少，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、工作噪声增加。

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。