汽車機(jī)械式變速器的現(xiàn)代化設(shè)計方法研究

鄭建標(biāo)

摘要：機(jī)械式變速器在汽車中的應(yīng)用非常廣泛，而設(shè)計的好壞與否直接決定了該設(shè)計是否會在未來的變化中贏得勝利，運作效率低的變速器無疑將被淘汰。變速器的設(shè)計無論在學(xué)術(shù)上還是市場應(yīng)用上都是十分重要的。因此，進(jìn)行機(jī)械式變速器的現(xiàn)代化設(shè)計方法研究是必不可少的。本文對機(jī)械式比變速器的原理、概況、以及現(xiàn)代化設(shè)計時應(yīng)該考慮的因素做出了概括性的描述。

關(guān)鍵詞：機(jī)械式變速器；變速器；齒輪；檔位

一、機(jī)械式變速器的基本原理

汽車機(jī)械式變速器，又稱手動式變速器。手動變速器是汽車底盤系統(tǒng)中的關(guān)鍵傳動部件，綜合汽車起步、加速、減速、上坡、下坡、倒車和道路天氣狀況，操作者通過操作變速桿讓變速器工作，將發(fā)動機(jī)輸入的動力和速度優(yōu)化為實時需要的輸出動力和轉(zhuǎn)速傳遞給傳動軸，實現(xiàn)汽車的變速、前進(jìn)倒車轉(zhuǎn)換和空擋停車，如下如圖一所示。

在手動變速器中，飛輪是連接在發(fā)動機(jī)曲軸并繞著它旋轉(zhuǎn)的。離合器摩擦片是在壓盤和飛輪之間，在壓板的壓力下固定在飛輪的相反位置。當(dāng)發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)時，離合器也開始運作，飛輪旋轉(zhuǎn)離合器片，因此可以變速。當(dāng)離合器踏板踩下時，拋出軸承被激活，從而導(dǎo)致壓力板停止施加壓力，這使得離合器停止從發(fā)動機(jī)機(jī)接收功率，使齒輪可以不破壞傳輸轉(zhuǎn)移。

現(xiàn)代汽車手動變速器通常使用四到六個前進(jìn)檔和一個倒檔，消費者的汽車手動變速箱有多達(dá)七齒輪的。重型卡車和其他重型設(shè)備通常有8到25個齒輪傳動可以使發(fā)動機(jī)在功率頻帶內(nèi)有效的停止運行齒輪和齒輪比變速器。

二、機(jī)械式變速器分類與結(jié)構(gòu)

手動變速器由變速傳動機(jī)構(gòu)、變速器殼體、操縱機(jī)構(gòu)組成。變速傳動機(jī)構(gòu)可按前進(jìn)擋數(shù)或軸的形式不同分類。按照前進(jìn)擋數(shù)可以分為三檔、四檔、五檔、多檔變速器；按照軸的形式可以分為固定軸式和旋轉(zhuǎn)軸式[3]。主要分為兩軸式手動變速器和中間軸式手動變速器。而自動變速器通常分為壓力自動變速器，機(jī)械無極自動變速器，雙離合器變速器，主要是根據(jù)原理進(jìn)行分類。

兩軸式手動變速器沒有中間軸，這是和中間軸式手動變速器的最大區(qū)別。中間軸式的手動變速器的中間軸則是位于輸入軸和輸出軸中間的。通常情況下說的直接檔就是指通過連接方式使得發(fā)動機(jī)動力直接通過一軸傳給二軸，起到直接控制的作用。

三、機(jī)械式變速器傳統(tǒng)設(shè)計

3.1齒輪設(shè)計

在手動式變速器中，齒輪的作用是不可或缺的。它是手動變速器的基本零件之一，因此如何進(jìn)行齒輪的設(shè)計，如何設(shè)置齒輪的參數(shù)，以及如何調(diào)整齒輪之間的連接使得機(jī)械式變速器的性能達(dá)到最優(yōu)，是一個十分值得研究的課題。機(jī)械式變速器使用的齒輪一般是直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪。這兩種齒輪各有優(yōu)缺點，根據(jù)不同的設(shè)計目的結(jié)合實際的車型進(jìn)行選擇。相對于直齒圓柱齒輪.斜齒圓柱齒輪雖然在加工制造上較為復(fù)雜且工作時有軸向力.但仍以其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、運作噪聲低及壽命長的優(yōu)點廣泛應(yīng)用于變速器上。

除了在齒輪的類別上的選擇要謹(jǐn)慎考慮之外，齒輪設(shè)計的參數(shù)在齒輪的應(yīng)用中也起到至關(guān)重要的作用。齒輪的結(jié)構(gòu)分類一般有輪齒、齒槽、端面、法面、齒頂圓、齒根圓、基圓、分度圓。描述齒輪的主要參數(shù)有齒數(shù)，螺旋角，齒距，模數(shù)，壓力角，分度圓直徑，齒項高系數(shù)和頂隙系數(shù)。在汽車的機(jī)械式變速器設(shè)計當(dāng)中，只要關(guān)心如下幾個參數(shù)即可：齒輪的模數(shù)與壓力角、齒輪寬度與螺旋角的設(shè)計、齒輪齒數(shù)與變位系數(shù)。這些參數(shù)除了在設(shè)計的時候要格外重視之外，在設(shè)計好的時候為了確保這些參數(shù)的正確性，應(yīng)進(jìn)行反復(fù)的驗證與修正。因為其性能恰恰取決于這些參數(shù)設(shè)置正確與否。修正時應(yīng)注意不要過度修正，使得齒輪性能不升反降。

3.1.1齒輪模數(shù)與壓力角

模數(shù)是指相鄰兩輪齒同側(cè)齒廓間的齒距p與圓周率π的比值（m=p/π），以毫米為單位。模數(shù)是模數(shù)制輪齒的一個最基本參數(shù)，直齒、斜齒和圓錐齒齒輪的模數(shù)皆可參考標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（GB/T 1357-1987）。

其計算公式為 ：

在兩齒輪節(jié)圓相切點P處，兩齒廓曲線的公法線（即齒廓的受力方向）與兩節(jié)圓的公切線（即P點處的瞬時運動方向）所夾的銳角稱為壓力角，也稱嚙合角。其計算公式為：

在機(jī)械式手動變速器中，高檔齒輪壓力角一般為16度、18度、20度，大型汽車齒輪為提高承載力，低檔齒輪采用23.5度或26度。

3.1.2螺旋角

齒輪的螺旋角用β齒輪的軸寬，軸寬大于0，為左旋；軸寬小于0，為右旋。螺旋角越大，表示齒輪的傾斜程度越大。螺旋角這一參數(shù)通常用于描述斜齒輪。斜齒輪的優(yōu)勢在于承載能力較大。螺旋角對減少齒輪工作噪音，提高齒輪強(qiáng)度和嚙合性能，增加齒輪的軸向力能產(chǎn)生直接影響。

3.2換擋機(jī)構(gòu)設(shè)計方法分析

手動變速器換擋機(jī)結(jié)構(gòu)目前來說可以主要有三種：同步器、嚙合套和齒滑動輪。目前應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)是同步器。常見的五檔便是采用的這種結(jié)構(gòu)。換擋機(jī)構(gòu)首先要面臨的問題就是擋位數(shù)設(shè)置多少的問題。擋位數(shù)越多，就能夠應(yīng)對更多的情況，但是換擋機(jī)構(gòu)的設(shè)計也就變的更加復(fù)雜，設(shè)計成本與生產(chǎn)成本都會隨之上升。由于生活中汽車換擋的情況大致也就分為上坡，停車，變速等幾種，過多的檔位設(shè)計反而會增加不便。而擋位數(shù)設(shè)置過少則會使得汽車在面對不同情況需要換擋時，無法找到合適的檔位，帶來的后果更為嚴(yán)重和災(zāi)難性的。日常生活中，根據(jù)不同的情況，一般采用五檔位。

五檔位的計算時設(shè)計人員通過一檔的傳動比確定的，其設(shè)計公式如下：

傳動比是指變速器一檔的傳動比和最高檔傳動比之間的比值。

四、結(jié)束結(jié)

在我國，駕照考試采用的都是機(jī)械式變速器，但是自動變速器在普通生活中更受青睞。除了對變速器相當(dāng)了解的人，大部分人哪個換擋點換擋都是不清楚的，檔位的設(shè)置很好的解決了這個問題。而自動擋更是省去了手動操縱變速桿才能改變檔位的確定。實現(xiàn)了某種意義上的"傻瓜式"開車。雖然自動變速器有著手動變速器無法做到的有點，但是手動變速器的長期存在也表明了其自身有著不可替代的優(yōu)點。

手動變速器的成本低廉，并且檔位的設(shè)置有著無限的可能，還可以自己設(shè)置傳動比，對于專業(yè)車手以及汽車有著自己性能要求的人群來說，手動變速器是一個非常合適的選擇。

參考文獻(xiàn)

[1]李靖.機(jī)械式變速器用同步器同步性能測試試驗臺設(shè)計與研究[D]. 武漢理工大學(xué)，2011-05-08.

[2]段明序.混合動力客車機(jī)械式自動變速器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法研究[D].吉林大學(xué)，2013-05-01.

[3]劉延偉.新型無動力中斷機(jī)械式自動變速器的機(jī)理與控制研究[D].華南理工大學(xué)，2012-04-01.