三軸變速器的設(shè)計(jì)

張斌斌 李繼良

摘 要：目前在世界汽車行業(yè)內(nèi)，自動(dòng)變速器的發(fā)展越來越快，但是在國(guó)內(nèi)和全球汽車當(dāng)中，傳統(tǒng)手動(dòng)變速器仍占有相當(dāng)大的保有量。手動(dòng)變速器具有許多自動(dòng)變速器無法取代的優(yōu)點(diǎn)，如成熟的技術(shù)、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、高效率的傳動(dòng)和駕車的娛樂性。本文設(shè)計(jì)了一款某轎車三軸五擋變速器，給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟，目標(biāo)是使這款變速器滿足變速變扭、倒車和空擋停車。

關(guān)鍵詞：手動(dòng)變速器；齒輪；軸；校核；同步器

1 前言

在國(guó)內(nèi)，手動(dòng)變速器的應(yīng)用仍是現(xiàn)在汽車行業(yè)的主流。手動(dòng)變速器獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和其帶來的駕駛娛樂性是自動(dòng)變速器不能代替的。從現(xiàn)在國(guó)內(nèi)手動(dòng)變速器的保有量、作用和優(yōu)勢(shì)來說，設(shè)計(jì)手動(dòng)變速器還是有很大意義的。

本次研究的目的是通過對(duì)某款車上的三軸五擋手動(dòng)變速器設(shè)計(jì)，掌握手動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)和工作原理；給出設(shè)計(jì)手動(dòng)變速器的基本方法，使設(shè)計(jì)出的這款三軸五擋手動(dòng)變速器能滿足變速變扭、實(shí)現(xiàn)倒車和空擋停車。

2 選擇總傳動(dòng)布置方案

變速器主要分為2部分，一是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變速變扭，改變動(dòng)力傳遞方向和大小。主要包括齒輪、軸、軸承和同步器各個(gè)零件；二是操縱機(jī)構(gòu)，駕駛?cè)藛T利用它來進(jìn)行換擋，獲得需要的動(dòng)力和速度。

2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案

本設(shè)計(jì)采用的是齒輪都處于常嚙合狀態(tài)的布置方案。所有齒輪處于常嚙合狀態(tài)，這樣可以保證換擋的輕便。設(shè)計(jì)直接擋傳動(dòng)，提高了傳動(dòng)效率。直接擋傳動(dòng)時(shí)，齒輪、軸承及中間軸均不承載。所以，相對(duì)其他擋位數(shù)來說，直接擋具有傳遞效率高，磨損和噪音小的優(yōu)點(diǎn)；而且總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、制造和維修方便。由于本次設(shè)計(jì)的是三軸手動(dòng)變速器，對(duì)換擋輕便性要求較高，倒擋布置方案也選用常嚙合的方案。

2.2 主要零件結(jié)構(gòu)的選擇

在變速器當(dāng)中，各個(gè)零件有著舉足輕重的作用。各個(gè)零部件是否合適，是否能實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的功能，對(duì)變速器影響很大。

（1）齒輪形式：在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，一擋、倒擋選擇直齒輪傳動(dòng)，其他擋位選擇斜齒輪傳動(dòng)。

（2）換擋結(jié)構(gòu)形式：在本次設(shè)計(jì)中，換擋結(jié)構(gòu)形式選擇鎖環(huán)式同步器。這種同步器的工作原理是，靠同步環(huán)和結(jié)合齒圈摩擦，嚙合套逐漸結(jié)合齒圈嚙合，最后實(shí)現(xiàn)同步作用。

（3）變速器軸承：本設(shè)計(jì)當(dāng)中，變速器的三根軸都選擇后軸承固定形式。第一軸采用深溝球軸承固定形式。第二軸齒輪選用滾針軸承。中間軸前軸承采用圓錐滾子軸承，中間軸后軸承也采用圓錐滾子軸承。

3 變速器主要參數(shù)的確定

本設(shè)計(jì)中所采用的相關(guān)參數(shù)：最高時(shí)速為155km/h，輪胎型號(hào)為215/65R16，r?=342.09mm，最大扭矩為168Nm/4500，最大功率為89kW/5500，最高轉(zhuǎn)速為6000r/min，汽車質(zhì)量為1900kg。

3.1 擋位數(shù)和傳動(dòng)比

現(xiàn)在，為了充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率和使汽車經(jīng)常在經(jīng)濟(jì)車速下行駛，理論上擋位數(shù)越多越好。但是在設(shè)計(jì)時(shí)要聯(lián)系實(shí)際情況，不能一味增加擋位數(shù)。如果綜合考慮換擋帶來的疲勞和駕車的舒適性，小型車輛以4～5個(gè)前進(jìn)擋為宜。本設(shè)計(jì)采用5個(gè)

3.2 中心距

變速器中心距是指中間軸與三軸軸線之間的距離，它是變速器設(shè)計(jì)當(dāng)中非常重要的一個(gè)參數(shù)，直接影響變速器尺寸、體積和質(zhì)量。根據(jù)如下公式初定：

式中，為變速器中心距（mm）；為中心距系數(shù)，=8.9～9.3；為發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩；為變速器傳動(dòng)比；為變速器傳動(dòng)效率，取0.96。將各參數(shù)代入式（1）可得

3.3 軸向尺寸

本次設(shè)計(jì)選取的是五個(gè)前進(jìn)擋的三軸式手動(dòng)變速器。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，初選變速器整體的軸向尺寸為

3.4 齒輪參數(shù)

綜合考慮汽車使用要求、模數(shù)選取原則，從自己所設(shè)計(jì)內(nèi)容的實(shí)際出發(fā)。除三擋、五擋齒輪模數(shù)為2.5mm外，其余各個(gè)擋位齒輪模數(shù)均為3.0mm。同步器、嚙合套接合齒模數(shù)為2.5 mm。由于我國(guó)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為20°，所以本設(shè)計(jì)也按照規(guī)定選擇20°的壓力角，同步器選擇30°的壓力角。螺旋角初定范圍為β=17°～25°，初選為18°和25°兩種。根據(jù)以上參數(shù)可以計(jì)算得到各個(gè)擋位齒輪的齒數(shù)。一擋齒輪副主從動(dòng)齒輪的齒數(shù)分別分15和36；二擋齒輪副主從動(dòng)齒輪的齒數(shù)分別分19和30；三擋齒輪副主從動(dòng)齒輪的齒數(shù)分別分28和29；第一軸常嚙合齒輪副主從動(dòng)齒輪的齒數(shù)分別分17和28；五擋齒輪副主從動(dòng)齒輪的齒數(shù)分別分36和17。

4 齒輪的材料選擇與校核

4.1 材料的選擇

本設(shè)計(jì)所選擇的齒輪材料為20CrMnTi。

4.2 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算與校核

接下來對(duì)齒輪的強(qiáng)度和接觸應(yīng)力進(jìn)行校核。如果不滿足設(shè)計(jì)要求，則要重新確定齒輪參數(shù)，直到滿足要求為止。

在計(jì)算直齒輪彎曲應(yīng)力時(shí)，可根據(jù)下式計(jì)算，即

式中，為彎曲應(yīng)力；為圓周力（N），；為應(yīng)力集中系數(shù)，為1.65；為計(jì)算載荷（N·mm）；為節(jié)圓直徑，直齒，斜齒；為摩擦力影響系數(shù)，主動(dòng)齒輪=1.1，從動(dòng)齒輪=0.9；為齒寬（mm）；為端面齒數(shù)（mm），，為模數(shù)；為齒形系數(shù)。

在計(jì)算斜齒輪彎曲應(yīng)力時(shí)，可根據(jù)下式計(jì)算，即

式中，為計(jì)算載荷（N·mm）；mn為法向模數(shù)（mm）；為齒數(shù)；為斜齒輪螺旋角（°）；為應(yīng)力集中系數(shù)，=1.50；為齒形系數(shù)；為齒寬系數(shù)，=6.0；為重合度影響系數(shù)，=2.0。

對(duì)于乘用車來說，當(dāng)計(jì)算載荷為的時(shí)候，常嚙合齒輪和各擋齒輪，許用應(yīng)力在之間。所以分別對(duì)各個(gè)齒輪進(jìn)行彎曲應(yīng)力的計(jì)算，在這個(gè)范圍內(nèi)，則符合設(shè)計(jì)要求。

5 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算

齒輪設(shè)計(jì)完成后，接下來進(jìn)行軸的設(shè)計(jì)計(jì)算。軸的設(shè)計(jì)思路如下：選擇材料→估算直徑→結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)→驗(yàn)算工作能力→繪畫。如果工作能力不合格，則重新開始進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

5.1 材料的選擇

綜合考慮各個(gè)因素和所設(shè)計(jì)變速器的實(shí)際情況，由于合金鋼具有很好的性能，故本設(shè)計(jì)選擇軸材料為20CrMnTi。

5.2 初選軸的直徑

設(shè)計(jì)來到這里，中心距A前面已經(jīng)確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在變速器設(shè)計(jì)當(dāng)中，第二軸和中間軸中部直徑d為。利用經(jīng)驗(yàn)公式，初選第一軸直徑，即

式中，K 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K=4.0～4.6；為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)距（N·mm）。

第一軸直徑初選，取mm；取第二軸最大軸徑為46 mm；取中間軸最大軸徑為43 mm。

5.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，軸直徑與支承間距離的比值，對(duì)中間軸來說，d / l ≈（0.15～0.18）；對(duì)第二軸來說d / l ≈（0.18～0.21）。所以，中間軸長(zhǎng)度取mm；第二軸長(zhǎng)度取mm；第一軸長(zhǎng)度取mm。

5.4 驗(yàn)算工作能力

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，軸的各部分有了合理的形狀和尺寸，下一步進(jìn)行軸工作能力的驗(yàn)算。工作能力的驗(yàn)算分為強(qiáng)度驗(yàn)算和剛度驗(yàn)算。

根據(jù)《材料力學(xué)》知識(shí)，所設(shè)計(jì)的軸在驗(yàn)算強(qiáng)度時(shí)，要看作簡(jiǎn)支梁。利用平衡條件和某點(diǎn)合力矩為零，求出支點(diǎn)反力。確定外載荷和支點(diǎn)反力后，做出軸的受力分析及繪制彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖，就可以確定危險(xiǎn)截面。對(duì)于危險(xiǎn)截面，根據(jù)強(qiáng)度校核公式和已知條件進(jìn)行校核。作用在第一軸上的轉(zhuǎn)矩應(yīng)取。經(jīng)校核，滿足設(shè)計(jì)要求。

軸受載后會(huì)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，變形的大小與軸的剛度有關(guān)，如果剛度不夠，變形過大，往往會(huì)帶來不良后果。軸的剛度驗(yàn)算，一般是通過計(jì)算軸受載后的變形量，與允許值比較。如果小于允許值，則滿足要求；反之，不滿足。

根據(jù)《材料力學(xué)》可以知道，簡(jiǎn)支梁在受載后，用撓度和轉(zhuǎn)角來表示軸的變形量。所以在校核軸的剛度時(shí)，只需要計(jì)算軸的變形后的撓度和轉(zhuǎn)角，并把它們控制在許用的范圍內(nèi)，就可以符合設(shè)計(jì)要求了。經(jīng)計(jì)算，符合設(shè)計(jì)要求。

6 操縱機(jī)構(gòu)

對(duì)于本次設(shè)計(jì)手動(dòng)三軸式五擋變速器，操縱機(jī)構(gòu)選擇直接操縱式。為了滿足設(shè)計(jì)操縱的要求，使用互鎖裝置來保證換擋時(shí)只能掛入一個(gè)擋；使用自鎖裝置，來保證換擋后不會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)脫擋和自動(dòng)掛擋的現(xiàn)象；在向前行駛時(shí)誤換入倒擋中，不僅容易發(fā)生危險(xiǎn)，而且齒輪間將會(huì)發(fā)生很大的沖擊，為了防止這情況發(fā)生，設(shè)置了倒擋鎖。

7 結(jié)論

從我國(guó)國(guó)情和市場(chǎng)保有量以及駕車樂趣來說，研究手動(dòng)變速器，進(jìn)而優(yōu)化手動(dòng)變速器對(duì)我國(guó)汽車行業(yè)的發(fā)展還是有很大意義的。本文設(shè)計(jì)出來的變速器，主要作用是變速變扭，實(shí)現(xiàn)倒車和空擋停車。除了滿足變速器的基本要求外，本次設(shè)計(jì)的變速器還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)、維修價(jià)格低，直接擋傳動(dòng)效率高，噪音低等特點(diǎn)。本著實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的原則，設(shè)計(jì)當(dāng)中在選擇參數(shù)時(shí)，都采用比較開放的標(biāo)準(zhǔn)，這會(huì)導(dǎo)致安全系數(shù)不高。由于能力有限，筆者在設(shè)計(jì)時(shí)仍然采用傳統(tǒng)手工計(jì)算，參數(shù)也沒有辦法優(yōu)化到最佳組合，設(shè)計(jì)出的變速器沒有使人眼前一亮的創(chuàng)新點(diǎn)。所以，今后要利用現(xiàn)代新技術(shù)、新材料來逐漸優(yōu)化手動(dòng)變速器，使變速器性能越來越好，質(zhì)量越來越輕。

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（作者單位：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院）