汽車手動變速器的優(yōu)化設(shè)計分析與研究

倪海明 柳州上汽汽車變速器有限公司

引言：在汽車運行當中，手動變速器作為汽車底盤系統(tǒng)中十分重要的傳動部件，可以實現(xiàn)汽車的加速、減速、倒車等，司機通過操作變速桿控制變速器，將輸出動力、轉(zhuǎn)速傳給傳動軸，這樣即可為發(fā)動機提供動力，從而實現(xiàn)汽車的各項功能。變速器內(nèi)部包括變速操縱機構(gòu)、變速傳動機構(gòu)構(gòu)成。其中傳動機構(gòu)可以改變轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的方向與參數(shù)；操縱機構(gòu)可以將操作者換擋變速動作傳遞給傳動機構(gòu)，變換傳動比，實現(xiàn)汽車換擋，實現(xiàn)變速、變矩。為了能夠保證汽車的運行功能，需要進一步加強變速器優(yōu)化設(shè)計，保證汽車行駛的舒適度。

一、變速器主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案分析

變速器零件設(shè)計需要同時滿足性能、生產(chǎn)條件、維護以及“三化”要求。確定變速器結(jié)構(gòu)方案過程中，重點考慮齒輪形式、換擋結(jié)構(gòu)形式、軸承形式、潤滑、密封等多樣因素。

（一）齒輪形式。相比直齒圓柱齒輪來說，斜齒圓柱齒輪的使用壽命更長，工作噪聲低，但是制造工藝復(fù)雜，運行中存在著軸向力。變速器常嚙合齒輪多數(shù)都是采用斜齒圓柱齒輪，雖然會增加嚙合齒輪數(shù)量，提升傳動慣性，但是實用性更強。直齒圓柱齒輪多數(shù)應(yīng)用于抵擋、倒擋，本文的優(yōu)化設(shè)計方案中倒擋采用常嚙合方案，所以倒擋也采用斜齒輪傳動，只有一檔采用直齒圓柱齒輪。

（二）換擋結(jié)構(gòu)。直齒滑動齒輪換擋由于緊湊、結(jié)構(gòu)簡單，但是換擋過程不輕便、齒輪斷面受到較大的沖擊，會家具滑動花鍵磨損、齒輪壽命降低、噪聲大等因素，所以除了一檔、倒擋外，其他擋位不適用。

同步器換擋能夠確保換擋中不受沖擊，可以保證齒輪強度，操作輕便、換擋時間少，能夠提升汽車加速性、經(jīng)濟性、安全性，還能夠?qū)崿F(xiàn)自動化操縱。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，軸向尺寸大，但是隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，這些問題已經(jīng)逐步被解決。

本文設(shè)計采用了鎖環(huán)式同步器，可以通過摩擦作用實現(xiàn)同步。但是在結(jié)構(gòu)層面上可以保證結(jié)合套、待嚙合花鍵齒圈達到同步前不接觸，避免沖擊發(fā)生噪聲，從而保證變速器性能和使用壽命。

（三）設(shè)計要求。由于變速器設(shè)計當中需要考慮的因素非常多，例如怎樣布置變速器總體方案、總傳動比、各個擋位傳動比以及各個軸的長度、直徑和齒輪模數(shù)、齒數(shù)等。在設(shè)計當中需要針對性對各個零部件進行標準化設(shè)計，得出總裝配圖、零部件圖，還要對各個零部件強度進行校核，在此基礎(chǔ)上展開虛擬裝配、三維建模、運動仿真分析。為了能夠確保變速器具備以上功能，需要做到以下幾點要求：

1.確保變速器傳動比、擋位數(shù)滿足實際標準，確保和發(fā)動機參數(shù)相互配比，保證變速器動力性良好，并控制成本。2.設(shè)置空擋確保發(fā)動機和傳動系長時間分離。3.通過變速箱內(nèi)的倒擋實現(xiàn)汽車倒車。

二、科學(xué)設(shè)置變速器參數(shù)

（一）各個檔位速比配置。由于傳動比方法非常多，所以要科學(xué)選擇各擋速比配置。例如輕型貨車變速器傳動比范圍大約在5-6，所以在選擇最低擋傳動比過程中，需要結(jié)合汽車最大爬坡度、驅(qū)動齒輪與路面附著力、汽車最低穩(wěn)定性、減速比、驅(qū)動車輪滾動半徑等因素綜合考慮。

（二）齒輪設(shè)計。在齒輪設(shè)計當中，需要重點控制齒輪模數(shù)，最大荷載、疲勞強度決定了齒輪模數(shù)。在齒輪模數(shù)設(shè)計當中，如果增加齒輪寬度、減少模數(shù)方案，雖然這樣可以能降低變速器的運行噪聲，但也降低了變速器的性能，所以要適當?shù)脑黾幽?shù)、減小齒輪寬、中心距。齒寬對軸向尺寸、運行穩(wěn)定性、齒輪受力性、齒輪強度等都有直接影響，需要以根據(jù)齒輪模數(shù)確定齒輪寬度。在參數(shù)設(shè)計中想，需要考慮第二軸一檔齒輪數(shù)量、中間軸一檔齒輪數(shù)量、第二軸一檔齒輪與中間軸一檔齒輪螺旋角。本文通過對小貨車變速器設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，貨車齒數(shù)大約在12-17之間，第二軸一檔齒數(shù)最佳為49；中間軸一檔齒數(shù)為14。修正中心距，大約在116-118mm之間，主要是結(jié)合第二軸、中間軸中心距確定，從而得到常嚙合傳動齒輪副齒數(shù)。同時，常嚙合傳動齒輪與一檔齒輪中心距相同。最后，同樣采用相同方法確定其他檔位齒數(shù)以及倒擋齒輪齒數(shù)。其中，中間軸上倒擋傳動齒數(shù)相比一檔齒數(shù)略少一些。

齒輪變位系數(shù)也是設(shè)計中非常重要的一環(huán)。變位齒輪能夠避免齒輪出現(xiàn)根切、配湊中心距等，同時也會影響齒輪強度，提升使用平穩(wěn)性、耐磨性、抗膠合能力以及降低嚙合噪聲。總變位系數(shù)和齒輪厚度、齒根、抗彎度成正比，考慮到齒輪剛度低，容易吸收沖擊振動，所以適當?shù)慕档涂傋兾幌禂?shù)可以降低噪聲。因此，除了一檔、二擋、倒擋外，其他各擋齒輪總變位系數(shù)可以適當小一些，從而獲取更低的噪聲傳動。

（三）軸承選擇。在軸承選擇中，第一軸使用深溝球軸承，采用齒輪軸方法，在發(fā)送機分輪上固定一端齒輪軸；第二軸和花鍵主要是采用漸開線花鍵連接，由于漸開線花鍵齒根更厚，應(yīng)力集中度低、高強度、定心性好。同時，對每個工作元器件進行潤滑，第二軸滾針、齒輪應(yīng)用過盈配合方案，由于中間軸中具有非常多的花鍵，而應(yīng)用漸開線花鍵可以確保齒輪之間的配合性能。變速箱殼體為上下箱，為了保證變速箱接縫位置良好的密封性，需要在殼體接縫位置涂抹水玻璃、封閉油漆。如果是采用左右箱體的連接方案，可以將左箱體凸出位置卡在發(fā)動機上，該方法可以讓拆卸、安裝更加便捷。

結(jié)束語：綜上所述，為了能夠有效提升汽車變速器的設(shè)計效能，需要不斷加強變速器設(shè)計優(yōu)化工作，合理選擇變速器硬件、科學(xué)實際元器件參數(shù)。在設(shè)計前，要推出可行性方案，結(jié)合實際設(shè)計情況進行整改，采用計算機模擬校核確定最終設(shè)計方案，這樣才能夠改善變速器設(shè)計質(zhì)量。