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附 錄
Manual Transmission
It’s no secret that cars with manual transmissions are usually more fun to drive than the automatic-equipped counterparts. If you have even a passing interest in the act of driving, then chances are you also appreciate a fine-shifting manual gearbox. But how does a manual transmission actually work?
A history hows that manual transmissions preceded automatics by several decades. In fact, up until General Motors offered an automatic in 1938, all cars were of the shift-it-yourself variety. While it’s logical for many types of today’s vehicles to be equipped with an automatic---such as a full-size sedan, SUV or pickup----the fact remains that nothing is more of a thrill to drive than a tautly suspended sport sedan, sport coupe or two-seater equipped with a precise-shifting five-or six-speed gearbox.
We know which types of cars have manual trannies. Now let’s take a look at how they work. From the most basic four-speed manual trannies. Now let’s take a look at how they work.From the most basic four-speed manual in a car from the’60s to the most high-tech six-speed one in a car of today, the principles of a manual gearbox are the same. The driver must shift from gear to gear. Normally, a manual transmission bolts to a clutch housing ,in turn, bolts to the back of the engine. If the vehicle has front-wheel drive, the transmission still attaches to the engine in a similar fashion but is usually referred to as a transaxle. This is because the transmission, differential and drive axles are one complete unit. In a front-wheel-drive car, the transmission also serves as part of the front axle for the front wheels. In the remaining text, a transmission and a transaxle will both be referred to using the term transmission.
The function of any transmission is transferring engine power to the driveshaft and rear wheels . Gears inside the transmission change the vehicle’s drive-wheel speed and torque in relation to inside the transmission change the vehicle’s drive-wheel speed and torque in relation to engine speed and torque. Lower gear ratios serve as torque multipliers and help the engine to develop enough power to accelerate from a standstill.
Initially, power and torque from the engine comes into the front of the transmission and rotates the main drive gear, which meshes with the cluster or counter shaft gear----a series of gears forged into one piece that resembles a cluster of gears. The cluster-gear assembly rotates any time the clutch is engaged to a running engine, whether or not the transmission is in gear or in neutral.
There are two basic types of manual transmissions. The sliding-gear type and the constant-mesh design. With the basic---and now obsolete---sliding-gear type, nothing is turning inside the transmission case except the main drive gear and cluster gear when the trans is in neutral. In order to mesh the gears and apply engine power to move the vehicle, the driver presses the clutch pedal and moves the shifter handle, which in turn moves the shift linkage and forks to slide a gear along the mainshaft, which is mounted directly above the cluster. Once the gears are meshed, the clutch pedal is released and the engine’s power is sent to the drive wheels. There can be several gears on the mainshaft of different diameters and tooth counts, and the transmission shift linkage is designed so the driver has to unmesh one gear before being able to mesh another. With these older transmissions, gear clash is a problem because the gears are all rotating at different speeds.
All modern transmissions are of the constant-mesh type, which still uses a similar gear arrangement as the sliding-gear type. However, all the mainshaft gears are in constant mesh with the cluster gears. This is possible because the gears on the mainshaft are not splined to the shaft, but are free to rotate on it. With a constant-mesh gearbox, the main drive gear, cluster gear and all the mainshaft gears are always turning, even when the transmission is in neutral.
Alongside each gear on the mainshaft is a dog clutch, with a hub that’s positively splined to the shaft and an outer ring that can slide over against each gear. Both the mainshaft gear and the ring of the dog clutch have a row of teeth. Moving shift linkage moves the dog clutch against the adjacent mainshaft gear, causing the teeth to interlock and solidly lock the gear to the mainshaft.
To prevent gears from grinding or clashing during engagement, a constant-mesh, fully “synchronized”manual transmission is equipped with synchronizers. A synchronizer typically consists of an inner-splined hub, an outer sleeve, shifter plates, lock rings and blocking rings. The hub is splined onto the mainshaft between a pair of main drive gears. Held in place by the lock rings, the shifter plates position the sleeve over the hub while also holding the floating blocking rings in proper alignment.
A synchro’s inner hub and sleeve are made of steel, but the blocking ring----the part of the synchro that rubs on the gear to change its speed----is usually made of a softer material, such as brass. The blocking ring has teeth that match the teeth on the dog clutch. Most synchros perform double duty----they push the synchro in one direction and lock one gear to the mainshaft. Push the synchro the other way and it disengages from the first gear, passes through a neutral position, and engages a gear on the other side.
That’s the basics on the inner workings of a manual transmission. As for advances, they have been extensive over the years, mainly in the area of additional gears. Back in the’60s,four-speeds were common in American and European performance cars. Most of these transmissions had 1:1 final-drive ratios with no overdrives. Today, overdriven five-speeds are standard on practically all passenger cars available with a manual gearbox.
Overdrive is an arrangement of gearing that provides more revolutions of the driven shaft than the driving shaft. For example, a transmission with a fourth-gear ratio of 1:1 and a fifth-gear ratio of 0.70:1 will reduce engine rpm by 30 percent, while the vehicle maintains the same road speed. Thus, fuel efficiency will improve and engine wear will be notably reduced. Today, six-speed transmissions are becoming more and more common. One of the first cars sold in America with a six-speed was the’89Corvette. Designed by Chevrolet and Zahnradfabrik Friedrichshafen and built by ZF in Germany, this tough-as-nails six-speed was available in the Corvette up to the conclusion of the’96 model year. Today, the Corvette uses a Tremec T56 six-speed mounted at the back of the car.
Many cars are available today with six-speeds, including the Mazda Miata, Porsche Boxster S and 911, Dodge Viper, Mercedes-Benz SLK320, Honda S2000,Toyota Celica GT-S and many others. Some of these gearboxes provide radical 50-percent sixth-gear overdrives such as in the Viper and Corvette, while others provide tightly spaced gear ratios like in the S2000 and Celica for spirited backroad performance driving. While the bigger cars mentioned above such as the Viper and Vette often have two overdrive ratios the smaller cars like the Celica and S2000 usually have one overdriven gear ratio and fifth is 1:1.
Clearly a slick-shifting manual transmission is one of the main components in a fun-to-drive car, along with a powerful engine, confidence-inspiring suspension and competent brakes.
手動(dòng)變速器
駕駛手動(dòng)變速器汽車比駕駛自動(dòng)裝置的汽車更有樂(lè)趣，這顯然已經(jīng)不是什么秘密了。如果你有駕駛興趣，那么你就會(huì)更喜歡手動(dòng)變速箱。但是手動(dòng)變速箱到底是如何工作的呢？
手動(dòng)變速器要早于自動(dòng)變速器幾十年。事實(shí)上，直到1938年通用汽車公司提供自動(dòng)變速器以前，所有的轎車都采用的手動(dòng)變速器?，F(xiàn)在的很多車輛都裝備了自動(dòng)變速器，如全尺寸轎車，運(yùn)動(dòng)型多功能車或皮卡車——事實(shí)上是沒(méi)有什么能比駕駛配備了五擋或六擋變速箱的跑車或運(yùn)動(dòng)雙座跑車更令人興奮的了。
我們知道哪些類型的車配備有手動(dòng)變速箱。現(xiàn)在讓我們來(lái)看看他們是如何工作的。我們從最基本的六十年代的四擋手動(dòng)變速箱到今天最高技術(shù)的六擋變速箱來(lái)看，其手動(dòng)變速箱的工作原理是相同的。駕駛員必須從一檔換到另一檔。通常，從一個(gè)手動(dòng)變速器的螺栓到離合器殼體，反過(guò)來(lái)，從螺栓到發(fā)動(dòng)機(jī)的背面。如果車輛前輪驅(qū)動(dòng)，變速器仍依附于發(fā)動(dòng)機(jī)工作，但通常又被送交給變速驅(qū)動(dòng)橋。這是因?yàn)樽兯倨?，差速器和?qū)動(dòng)軸是一個(gè)完整的裝置。在剩下的文章中，變速器和變速驅(qū)動(dòng)橋都將由術(shù)語(yǔ)傳動(dòng)裝置來(lái)表示。
變速器的功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳送到傳動(dòng)軸和后輪。變速器中的傳動(dòng)裝置以及與變速器內(nèi)部相關(guān)聯(lián)的扭矩改變了汽車驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速。低扭矩齒輪可使扭矩倍增，并且?guī)椭鎻撵o止?fàn)顟B(tài)加速來(lái)發(fā)出足夠的動(dòng)力。
起初，來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和扭矩進(jìn)入到變速器的前部，并且使主驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，它與齒輪組或副軸齒輪——一組單片齒輪組成的齒輪組共同嚙合。齒輪組旋轉(zhuǎn)時(shí)離合器就開(kāi)始運(yùn)行引擎，無(wú)論是否在傳送動(dòng)力中的齒輪還是處于空擋中的齒輪。
手動(dòng)變速箱的基本類型有兩種?；瑒?dòng)齒輪類型和常嚙合設(shè)計(jì)類型。隨著基礎(chǔ)型號(hào)滑動(dòng)齒輪式的淘汰，當(dāng)傳動(dòng)裝置設(shè)置在空擋時(shí)，除了主動(dòng)齒輪和齒輪組以外，其余皆沒(méi)有什么變化。為了嚙合齒輪并使發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力來(lái)移動(dòng)車輛，司機(jī)按下離合器踏板以及移動(dòng)換檔手柄，從而改變聯(lián)動(dòng)，使撥叉沿主軸移動(dòng)。一旦齒輪嚙合時(shí)，離合器踏板被釋放，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力便被傳送到了驅(qū)動(dòng)輪。這里可以有若干不同直徑和齒數(shù)的齒輪，變速器換擋桿被設(shè)計(jì)成在能夠嚙合另一個(gè)齒輪前，使這個(gè)齒輪處于非嚙合狀態(tài)。隨著這些舊變速箱，齒輪沖突是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗械凝X輪都在以不同的速度旋轉(zhuǎn)著。
所有現(xiàn)代的傳輸都是常嚙合類型，仍然使用的是滑動(dòng)齒輪式的安排。但是，所有的主軸齒輪都以齒輪組的形式常嚙合。這是很有可能的，因?yàn)辇X輪在主軸上不是用花鍵鏈接，只要能夠自由旋轉(zhuǎn)就可以了。以常嚙合變速箱，即使是處于空擋狀態(tài)，主傳動(dòng)齒輪、所有中間軸齒輪和主軸齒輪總是轉(zhuǎn)動(dòng)。
在主軸上的每個(gè)齒輪旁邊是牙嵌式離合器，用這輪轂和外環(huán)可以針對(duì)每個(gè)齒輪滑動(dòng)通過(guò)樞紐。主軸齒輪和牙嵌式離合器有一排齒。移動(dòng)的聯(lián)動(dòng)裝置使與主軸齒輪相對(duì)的牙嵌式離合器移動(dòng)，導(dǎo)致齒互鎖并牢固地鎖定齒輪的主軸。
為了防止在工作中的研磨和沖突，常嚙合完全使手動(dòng)變速箱齒輪與同步器配備相協(xié)調(diào)。同步器通常由花鍵轂，外套筒，換檔板，鎖環(huán)和阻斷環(huán)組成。該輪轂是在一對(duì)主動(dòng)齒輪之間的花鍵上鏈接。同時(shí)保持浮動(dòng)的鎖環(huán)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
一個(gè)同步器的中心和套筒是由鋼鐵制成，但鎖環(huán)----同步器上的一部分在齒輪上的摩擦來(lái)改變它的速度——鎖環(huán)通常是由較軟的材料制成，如黃銅。阻斷環(huán)上的齒與牙嵌式離合器上的齒相匹配。大多數(shù)同步器執(zhí)行雙重任務(wù)----他們推向一個(gè)方向同步并將一個(gè)齒輪鎖定在主軸上。同步推進(jìn)的其他方式，它從一檔脫離接觸，通過(guò)空檔，并嚙合到另一側(cè)的齒輪上。
這是關(guān)于手動(dòng)變速箱的內(nèi)部運(yùn)作的基本知識(shí)。至于進(jìn)展，他們已經(jīng)發(fā)展多年，主要是在齒輪領(lǐng)域。早在六十年代，四速變速箱在美國(guó)和歐洲的汽車中就普遍使用。大多數(shù)的變速箱都是一比一的傳動(dòng)比，無(wú)超速傳動(dòng)。今天，超速轉(zhuǎn)動(dòng)的五速變速箱是幾乎所有手動(dòng)變速箱的標(biāo)準(zhǔn)配置。
超速傳動(dòng)是為了提供給驅(qū)動(dòng)軸更多的轉(zhuǎn)數(shù)。例如，一個(gè)1:1的第四齒輪和一個(gè)傳動(dòng)比0.70:1第五齒輪傳動(dòng)比將減少百分之三十發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，而保持同樣的道路車輛的速度。因此，燃油效率就會(huì)提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損會(huì)明顯減少。今天，六速變速箱正變得越來(lái)越普遍。在美國(guó)出售的配備有六速變速箱汽車是89Corvette。這款車是由雪佛蘭和Zahnradfabrik Friedrichshafen在德國(guó)建立的。這種六速變速器是在克維特牌轎車96年車型上使用的。如今，克爾維特在車的后座上使用Tremec T56六速變速箱。
今天許多汽車配備有六速變速箱，包括馬自達(dá)Miata，保時(shí)捷的Boxster S和911，道奇Viper，奔馳SLK320，本田S2000，豐田Celica的GT - S和其他品牌車輛。這些變速箱的六擋超速擋能夠達(dá)到百分之五十的傳動(dòng)比，如Viper和科威特這類汽車，而其他變速器則提供間隔緊密的齒輪比，如S2000和賽利卡這樣的汽車。然而，上面提到的這些較大Viper和科威特汽車有兩個(gè)超速擋，而小型的汽車像塞利卡和S2000這樣的汽車通常有一個(gè)是超速擋，而第五擋的傳動(dòng)比為1：1。
顯然，對(duì)于一輛駕駛起來(lái)有樂(lè)趣的車來(lái)說(shuō)，一個(gè)靈活的手動(dòng)變速箱是其主要組成部分之一，與此同時(shí)，一個(gè)強(qiáng)大的引擎以及令人充滿信心和激情的懸掛和剎車能力也是駕駛員的樂(lè)趣所在。
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車輛與動(dòng)力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
符 號(hào) 說(shuō) 明
汽車總質(zhì)量 kg
重力加速度 N/kg
道路最大阻力系數(shù)
驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑 mm
發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩 N·m
主減速比
汽車傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率
一檔傳動(dòng)比
汽車滿載載荷 N
路面附著系數(shù)
第一軸與中間軸的中心距 mm
中間軸與倒檔軸的中心距 mm
第二軸與中間軸的中心距 mm
中心距系數(shù)
直齒輪模數(shù)
斜齒輪法向模數(shù)
齒輪壓力角 °
斜齒輪螺旋角 °
齒輪寬度 mm
齒輪齒數(shù)
齒輪變位系數(shù)
齒輪彎曲應(yīng)力 MPa
齒輪接觸應(yīng)力 MPa
齒輪所受圓周力 N
軸向力 N
徑向力 N
計(jì)算載荷 N·m
應(yīng)力集中系數(shù)
摩擦力影響系數(shù)
齒輪材料的彈性模量 MPa
重合度影響系數(shù)
主動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑 mm
從動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑 mm
主動(dòng)齒輪節(jié)圓處的曲率半徑 mm
從動(dòng)齒輪節(jié)圓處的曲率半徑 mm
扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 MPa
軸的抗扭截面系數(shù)
軸的材料的剪切彈性模量 MPa
軸截面的極慣性矩
垂直面內(nèi)的撓度 mm
水平面內(nèi)的撓度 mm
前 言
現(xiàn)在，每當(dāng)人們觀看F1大賽，總會(huì)被那種極速的感覺(jué)所折服。此刻，大家似乎談?wù)摰米疃嗟木褪前l(fā)動(dòng)機(jī)的性能以及車手的駕駛技術(shù)。而且，不忘在自己駕車的時(shí)候體會(huì)一下極速感覺(jué)或是在買(mǎi)車的時(shí)候關(guān)注一下發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，這似乎成為了橫量汽車品質(zhì)優(yōu)劣的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。的確，擁有一顆“健康的心”是非常重要的，因?yàn)樗莿?dòng)力的締造者。但是，掌控速度快慢的，卻是它身后的變速器。
從現(xiàn)在市場(chǎng)上不同車型所配置的變速器來(lái)看，主要分為：手動(dòng)變速器（MT）、自動(dòng)變速器（AT）、手動(dòng)/自動(dòng)變速器（AMT）、無(wú)級(jí)變速器（CVT）。
一、手動(dòng)變速器(MT)
手動(dòng)變速器（Manual Transmission）采用齒輪組，每檔的齒輪組的齒數(shù)是固定的，所以各檔的變速比是個(gè)定值(也就是所謂的“級(jí)” )。比如，一檔變速比是3.85,二檔是2.55,再到五檔的0.75,這些數(shù)字再乘上主減速比就是總的傳動(dòng)比，總共只有5個(gè)值(即有5級(jí))，所以說(shuō)它是有級(jí)變速器。
曾有人斷言，繁瑣的駕駛操作等缺點(diǎn)，阻礙了汽車高速發(fā)展的步伐，手動(dòng)變速器會(huì)在不久“下課”，從事物發(fā)展的角度來(lái)說(shuō)，這話確實(shí)有道理。但是從目前市場(chǎng)的需求和適用角度來(lái)看，筆者認(rèn)為手動(dòng)變速器不會(huì)過(guò)早的離開(kāi)。
首先，從商用車的特性上來(lái)說(shuō)，手動(dòng)變速器的功用是其他變速器所不能替代的。以卡車為例，卡車用來(lái)運(yùn)輸，通常要裝載數(shù)噸的貨品，面對(duì)如此高的“壓力”，除了發(fā)動(dòng)機(jī)需要強(qiáng)勁的動(dòng)力之外，還需要變速器的全力協(xié)助。我們都知道一檔有“勁”，這樣在起步的時(shí)候有足夠的牽引力量將車帶動(dòng)。特別是面對(duì)爬坡路段，它的特點(diǎn)顯露的非常明顯。而對(duì)于其他新型的變速器，雖然具有操作簡(jiǎn)便等特性，但這些特點(diǎn)尚不具備。
其次，對(duì)于老司機(jī)和大部分男士司機(jī)來(lái)說(shuō)，他們的最愛(ài)還是手動(dòng)變速器。從我國(guó)的具體情況來(lái)看，手動(dòng)變速器幾乎貫穿了整個(gè)中國(guó)的汽車發(fā)展歷史，資歷郊深的司機(jī)都是“手動(dòng)”駕車的，他們對(duì)手動(dòng)變速器的認(rèn)識(shí)程度是非常深刻的，如果讓他們改變常規(guī)的做法，這是不現(xiàn)實(shí)的。雖然自動(dòng)變速器以及無(wú)級(jí)變速器已非常的普遍，但是大多數(shù)年輕的司機(jī)還是崇尚手動(dòng)，尤其是喜歡超車時(shí)手動(dòng)變速帶來(lái)的那種快感，所以一些中高檔的汽車（尤其是轎車）也不敢輕易放棄手動(dòng)變速器。另外，現(xiàn)在在我國(guó)的汽車駕駛學(xué)校中，教練車都是手動(dòng)變速器的，除了經(jīng)濟(jì)適用之外，關(guān)鍵是能夠讓學(xué)員打好扎實(shí)的基本功以及鍛煉?cǎi){駛協(xié)調(diào)性。
第三，隨著生活水平的不斷提高現(xiàn)在轎車已經(jīng)進(jìn)入了家庭，對(duì)于普通工薪階級(jí)的老百姓來(lái)說(shuō)，經(jīng)濟(jì)型轎車最為合適，手動(dòng)變速器以其自身的性價(jià)比配套于經(jīng)濟(jì)型轎車廠家，而且經(jīng)濟(jì)適用型轎車的銷量一直在車市名列前茅。例如，夏利、奇瑞、吉利等國(guó)內(nèi)廠家的經(jīng)濟(jì)型轎車都是手動(dòng)變速的車，它們的各款車型基本上都是5檔手動(dòng)變速。
二、自動(dòng)變速器（AT）
自動(dòng)變速器（AutomaticTransmission），利用行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行變速，它能根據(jù)油門(mén)踏板程度和車速變化，自動(dòng)地進(jìn)行變速。而駕駛者只需操縱加速踏板控制車速即可。雖說(shuō)自動(dòng)變速汽車沒(méi)有離合器，但自動(dòng)變速器中有很多離合器，這些離合器能隨車速變化而自動(dòng)分離或合閉，從而達(dá)到自動(dòng)變速的目的。
在中檔車的市場(chǎng)上，自動(dòng)變速器有著一片自己的天空。使用此類車型的用戶希望在駕駛汽車的時(shí)候?yàn)榱撕?jiǎn)便操作、降低駕駛疲勞，盡可能的享受高速駕駛時(shí)快樂(lè)的感覺(jué)。在高速公路上，這是個(gè)體現(xiàn)地非常完美。而且，以北京市來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在的交通狀況不好，堵車是經(jīng)常的事情，有時(shí)要不停地起步停步數(shù)次，司機(jī)如果使用手動(dòng)檔，則會(huì)反復(fù)地掛檔摘檔，操作十分煩瑣，尤其對(duì)于新手來(lái)說(shuō)更是苦不堪言。使用自動(dòng)檔，就不會(huì)這樣麻煩了。
在市場(chǎng)上，此類汽車銷售狀況還是不錯(cuò)的，尤其是對(duì)于女性朋友比較適合，通常女性朋友駕車時(shí)力求便捷。而我國(guó)要普及這種車型，關(guān)鍵要解決的是路況問(wèn)題，現(xiàn)在的路況狀況不均勻，難以發(fā)揮自動(dòng)檔汽車的優(yōu)勢(shì)。
三、手動(dòng)/自動(dòng)變速器（AMT）
其實(shí)通過(guò)對(duì)一些車友的了解，他們并不希望摒棄傳統(tǒng)的手動(dòng)變速器，而且在某些時(shí)候也需要自動(dòng)的感覺(jué)。這樣手動(dòng)/自動(dòng)變速器便由此誕生。這種變速器在德國(guó)保時(shí)捷車廠911車型上首先推出，稱為T(mén)iptronic，它可使高性能跑車不必受限于傳統(tǒng)的自動(dòng)檔束縛，讓駕駛者也能享受手動(dòng)換檔的樂(lè)趣。此型車在其檔位上設(shè)有“+”、“-”選擇檔位。在D檔時(shí)，可自由變換降檔(-)或加檔(+)，如同手動(dòng)檔一樣。
自動(dòng)—手動(dòng)變速系統(tǒng)向人們提供兩種駕駛方式—為了駕駛樂(lè)趣使用手動(dòng)檔，而在交通擁擠時(shí)使用自動(dòng)檔，這樣的變速方式對(duì)于我國(guó)的現(xiàn)狀還是非常適合的。筆者曾在上面提到，手動(dòng)變速器有著很大的使用群體,而自動(dòng)變速器也能適應(yīng)女士群體以及解決交通堵塞帶來(lái)的麻煩，這樣對(duì)于一些夫妻雙方均會(huì)駕車的家庭來(lái)說(shuō)，可謂是兼顧了雙方，體現(xiàn)了“夫妻檔”。雖然這種二合一的配置擁有較高的技術(shù)含量，但這類的汽車并不會(huì)在價(jià)格上都高不可攀，比如廣州本田飛度1.3L CVT 兩廂、南京菲亞特2004派力奧1.3 HL Speedgear、南京菲亞特 西耶那Speedgear EL這些“二合一”的車型價(jià)格均在10萬(wàn)元左右，這個(gè)價(jià)格層面還比較低的。 所以，手動(dòng)/自動(dòng)車在普及上還是具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。而汽車廠商和配套的變速器廠家應(yīng)該以此為契機(jī)，根據(jù)市場(chǎng)要求精心打造此類變速器。因?yàn)檫@類變速器是有比較廣闊的市場(chǎng)的。
四、無(wú)級(jí)變速器
當(dāng)今汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是非常迅速的，用戶對(duì)于汽車性能的要求是越來(lái)越高的。汽車變速器的發(fā)展也并不僅限于此，無(wú)級(jí)變速器便是人們追求的“最高境界”。無(wú)級(jí)變速器最早由荷蘭人范·多尼斯（VanDoorne’s）發(fā)明。無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)不像手動(dòng)變速器或自動(dòng)變速器那樣用齒輪變速，而是用兩個(gè)滑輪和一個(gè)鋼帶來(lái)變速，其傳動(dòng)比可以隨意變化，沒(méi)有換檔的突跳感覺(jué)。它能克服普通自動(dòng)變速器“突然換檔”、油門(mén)反應(yīng)慢、油耗高等缺點(diǎn)。通常有些朋友將自動(dòng)變速器稱為無(wú)級(jí)變速器，這是錯(cuò)誤的。雖然它們有著共同點(diǎn)，但是自動(dòng)變速器只有換檔是自動(dòng)的，但它的傳動(dòng)比是有級(jí)的，也就是我們常說(shuō)的檔，一般自動(dòng)變速器有2～7個(gè)檔。而無(wú)級(jí)變速器能在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)速比的無(wú)級(jí)變化，并選定幾個(gè)常用的速比作為常用的“檔”。裝配該技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)可在任何轉(zhuǎn)速下自動(dòng)獲得最合適的傳動(dòng)比。
從市場(chǎng)走向來(lái)看，雖然無(wú)級(jí)變速器是一個(gè)技術(shù)分量比較高的部件，但是也已經(jīng)走進(jìn)了普通轎車的“身體” 之中，廣本兩廂飛度每個(gè)排量都有一款配置了CVT無(wú)級(jí)變速器，既方便又省油，且售價(jià)也僅在9.68～11.68萬(wàn)元。而且奇瑞汽車銷售公司表示QQ無(wú)級(jí)變速器型年底上市?？磥?lái)無(wú)級(jí)變速器在中檔車中的運(yùn)用將越為廣泛。
本設(shè)計(jì)是根據(jù)東方之子1.8L手動(dòng)豪華車型而開(kāi)展的，設(shè)計(jì)中所采用的相關(guān)參數(shù)均來(lái)源于此種車型：
主減速比：4.782
最高時(shí)速：190km/h
輪胎型號(hào)：205/65R15
發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)：SQR481FC
最大扭矩：170Nm/4500
最大功率：95kw/5750
最高轉(zhuǎn)速：6000r/min 奇瑞東方之子1.8L豪華型
第一章 機(jī)械式變速器的概述及其方案的確定
§1.1 變速器的功用和要求
變速器的功用是根據(jù)汽車在不同的行駛條件下提出的要求，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速，使汽車具有適合的牽引力和速度，并同時(shí)保持發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作。為保證汽車倒車以及使發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系能夠分離，變速器具有倒檔和空檔。在有動(dòng)力輸出需要時(shí)，還應(yīng)有功率輸出裝置。
對(duì)變速器的主要要求是：
1. 應(yīng)保證汽車具有高的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。在汽車整體設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)汽車載重量、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及汽車使用要求，選擇合理的變速器檔數(shù)及傳動(dòng)比，來(lái)滿足這一要求。
2. 工作可靠，操縱輕便。汽車在行駛過(guò)程中，變速器內(nèi)不應(yīng)有自動(dòng)跳檔、亂檔、換檔沖擊等現(xiàn)象的發(fā)生。為減輕駕駛員的疲勞強(qiáng)度，提高行駛安全性，操縱輕便的要求日益顯得重要，這可通過(guò)采用同步器和預(yù)選氣動(dòng)換檔或自動(dòng)、半自動(dòng)換檔來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3. 重量輕、體積小。影響這一指標(biāo)的主要參數(shù)是變速器的中心距。選用優(yōu)質(zhì)鋼材，采用合理的熱處理，設(shè)計(jì)合適的齒形，提高齒輪精度以及選用圓錐滾柱軸承可以減小中心距。
4. 傳動(dòng)效率高。為減小齒輪的嚙合損失，應(yīng)有直接檔。提高零件的制造精度和安裝質(zhì)量，采用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑油都可以提高傳動(dòng)效率。
5. 噪聲小。采用斜齒輪傳動(dòng)及選擇合理的變位系數(shù)，提高制造精度和安裝剛性可減小齒輪的噪聲。
§1.2 變速器結(jié)構(gòu)方案的確定
變速器由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與操縱機(jī)構(gòu)組成。
1． 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與型式選擇
有級(jí)變速器與無(wú)級(jí)變速器相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造低廉，具有高的傳動(dòng)效率（η=0.96~0.98），因此在各類汽車上均得到廣泛的應(yīng)用。
設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)根據(jù)汽車的使用條件及要求確定變速器的傳動(dòng)比范圍、檔位數(shù)及各檔的傳動(dòng)比，因?yàn)樗鼈儗?duì)汽車的動(dòng)力性與燃料經(jīng)濟(jì)性都有重要的直接影響。
傳動(dòng)比范圍是變速器低檔傳動(dòng)比與高檔傳動(dòng)比的比值。汽車行駛的道路狀況愈多樣，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與汽車質(zhì)量之比愈小，則變速器的傳動(dòng)比范圍應(yīng)愈大。目前，轎車變速器的傳動(dòng)比范圍為3.0~4.5；一般用途的貨車和輕型以上的客車為5.0~8.0；越野車與牽引車為10.0~20.0。
通常，有級(jí)變速器具有3、4、5個(gè)前進(jìn)檔；重型載貨汽車和重型越野汽車則采用多檔變速器，其前進(jìn)檔位數(shù)多達(dá)6~16個(gè)甚至20個(gè)。
變速器檔位數(shù)的增多可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利用效率、汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性及平均車速，從而可提高汽車的運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本。但采用手動(dòng)的機(jī)械式操縱機(jī)構(gòu)時(shí)，要實(shí)現(xiàn)迅速、無(wú)聲換檔，對(duì)于多于5個(gè)前進(jìn)檔的變速器來(lái)說(shuō)是困難的。因此，直接操縱式變速器檔位數(shù)的上限為5檔。多于5個(gè)前進(jìn)檔將使操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜化，或者需要加裝具有獨(dú)立操縱機(jī)構(gòu)的副變速器，后者僅用于一定行駛工況。
某些轎車和貨車的變速器，采用僅在好路和空載行駛時(shí)才使用的超速檔。采用傳動(dòng)比小于1（0.7~0.8）的超速檔，可以更充分地利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，降低單位行駛里程的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸總轉(zhuǎn)數(shù)，因而會(huì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，降低燃料消耗。但與傳動(dòng)比為1的直接檔比較，采用超速檔會(huì)降低傳動(dòng)效率。
有級(jí)變速器的傳動(dòng)效率與所選用的傳動(dòng)方案有關(guān)，包括傳遞動(dòng)力的齒輪副數(shù)目、轉(zhuǎn)速、傳遞的功率、潤(rùn)滑系統(tǒng)的有效性、齒輪及軸以及殼體等零件的制造精度、剛度等。
三軸式和兩軸式變速器得到的最廣泛的應(yīng)用。
三軸式變速器如圖1-1所示，其第一軸的常嚙合齒輪與第二軸的各檔齒輪分別與中間軸的相應(yīng)齒輪相嚙合，且第一、第二軸同心。將第一、第二軸直接連接起來(lái)傳遞扭矩則稱為直接檔。此時(shí)，齒輪、軸承及中間軸均不承載，而第一、第二軸也傳遞轉(zhuǎn)矩。因此，直接檔的傳遞效率高，磨損及噪音也最小，這是三軸式變速器的主要優(yōu)點(diǎn)。其他前進(jìn)檔需依次經(jīng)過(guò)兩對(duì)齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩。因此。在齒輪中心距（影響變速器尺寸的重要參數(shù)）較小的情況下仍然可以獲得大的一檔傳動(dòng)比，這是三軸式變速器的另一優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：處直接檔外其他各檔的傳動(dòng)效率有所下降。
圖1-1 轎車中間軸式四檔變速器
1— 第一軸；2—第二軸；3—中間軸
兩軸式變速器如圖1-2所示。與三軸式變速器相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊且除最到檔外其他各檔的傳動(dòng)效率高、噪聲低。轎車多采用前置發(fā)動(dòng)機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)的布置，因?yàn)檫@種布置使汽車的動(dòng)力-傳動(dòng)系統(tǒng)緊湊、操縱性好且可使汽車質(zhì)量降低6%~10%。兩軸式變速器則方便于這種布置且傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。如圖所示，兩軸式變速器的第二軸（即輸出軸）與主減速器主動(dòng)齒輪做成一體，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)，主減速器可用螺旋錐齒輪或雙面齒輪；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)橫置時(shí)則可用圓柱齒輪，從而簡(jiǎn)化了制造工藝，降低了成本。除倒檔常用滑動(dòng)齒輪（直齒圓柱齒輪）外，其他檔均采用常嚙合斜齒輪傳動(dòng)；個(gè)檔的同步器多裝在第二軸上，這是因?yàn)橐粰n的主動(dòng)齒輪尺寸小，裝同步器有困難；而高檔的同步器也可以裝在第一軸的后端，如圖示。
兩軸式變速器沒(méi)有直接檔，因此在高檔工作時(shí)，齒輪和軸承均承載，因而噪聲比較大，也增加了磨損，這是它的缺點(diǎn)。另外，低檔傳動(dòng)比取值的上限（igⅠ=4.0~4.5）也受到較大限制,但這一缺點(diǎn)可通過(guò)減小各檔傳動(dòng)比同時(shí)增大主減速比來(lái)取消。
圖1-2 兩軸式變速器
1— 第一軸；2—第二軸；3—同步器
有級(jí)變速器結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)是增多常嚙合齒輪副的數(shù)目，從而可采用斜齒輪。后者比直齒輪有更長(zhǎng)的壽命、更低的噪聲，雖然其制造稍復(fù)雜些且在工作中有軸向力。因此，在變速器中，除低檔及倒檔外，直齒圓柱齒輪已經(jīng)被斜齒圓柱齒輪所代替。但是在本設(shè)計(jì)中，由于倒檔齒輪采用的是常嚙式，因此也采用斜齒輪。
由于所設(shè)計(jì)的汽車是發(fā)動(dòng)機(jī)前置，后輪驅(qū)動(dòng)，因此采用中間軸式變速器。
圖1-3、圖1-4、圖1-5分別示出了幾種中間軸式四，五，六檔變速器傳動(dòng)方案。它們的共同特點(diǎn)是：變速器第一軸和第二軸的軸線在同一直線上，經(jīng)嚙合套將它們連接得到直接檔。使用直接檔，變速器的齒輪和軸承及中間軸均不承載，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速器第一軸和第二軸直接輸出，此時(shí)變速器的傳動(dòng)效率高，可達(dá)90%以上，噪聲低，齒輪和軸承的磨損減少因?yàn)橹苯訖n的利用率高于其它檔位，因而提高了變速器的使用壽命；在其它前進(jìn)檔位工作時(shí)，變速器傳遞的動(dòng)力需要經(jīng)過(guò)設(shè)置在第一軸，中間軸和第二軸上的兩對(duì)齒輪傳遞，因此在變速器中間軸與第二軸之間的距離（中心距）不大的條件下，一檔仍然有較大的傳動(dòng)比；檔位高的齒輪采用常嚙合齒輪傳動(dòng)，檔位低的齒輪（一檔）可以采用或不采用常嚙合齒輪傳動(dòng)；多數(shù)傳動(dòng)方案中除一檔以外的其他檔位的換檔機(jī)構(gòu)，均采用同步器或嚙合套換檔，少數(shù)結(jié)構(gòu)的一檔也采用同步器或嚙合套換檔，還有各檔同步器或嚙合套多數(shù)情況下裝在第二軸上。再除直接檔以外的其他檔位工作時(shí)，中間軸式變速器的傳動(dòng)效率略有降低，這是它的缺點(diǎn)。在檔數(shù)相同的條件下，各種中間軸式變速器主要在常嚙合齒輪對(duì)數(shù)，換檔方式和到檔傳動(dòng)方案上有差別。
圖1-3 中間軸式四檔變速器傳動(dòng)方案
如圖1-3中的中間軸式四檔變速器傳動(dòng)方案示例的區(qū)別：圖1-3a、b所示方案有四對(duì)常嚙合齒輪，倒檔用直齒滑動(dòng)齒輪換檔；圖1-3c所示傳動(dòng)方案的二，三，四檔用常嚙合齒輪傳動(dòng)，而一檔和倒檔用直齒滑動(dòng)齒輪換檔。
圖1-4a所示方案，除一，倒檔用直齒滑動(dòng)齒輪換檔外，其余各檔為常嚙合齒輪傳動(dòng)。圖1-4b、c、d所示方案的各前進(jìn)檔，均用常嚙合齒輪傳動(dòng)；圖1-4d所示方案中的倒檔和超速檔安裝在位于變速器后部的副箱體內(nèi)，這樣布置除可以提高軸的剛度，減少齒輪磨損和降低工作噪聲外，還可以在不需要超速檔的條件下，很容易形成一個(gè)只有四個(gè)前進(jìn)檔的變速器。
圖1-4 中間軸式五檔變速器傳動(dòng)方案
圖1-5a 所示方案中的一檔、倒檔和圖b所示方案中的倒檔用直齒滑動(dòng)齒輪換檔，其余各檔均用常嚙合齒輪。
圖1-5 中間軸式六檔變速器傳動(dòng)方案
以上各種方案中，凡采用常嚙合齒輪傳動(dòng)的檔位，其換檔方式可以用同步器或嚙合套來(lái)實(shí)現(xiàn)。同一變速器中，有的檔位用同步器換檔，有的檔位用嚙合套換檔，那么一定是檔位高的用同步器換檔，檔位低的用嚙合套換檔。
發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)的轎車采用中間軸式變速器，為縮短傳動(dòng)軸長(zhǎng)度，可將變速器后端加長(zhǎng)，如圖1-3a、b所示。伸長(zhǎng)后的第二軸有時(shí)裝在三個(gè)支承上，其最后一個(gè)支承位于加長(zhǎng)的附加殼體上。如果在附加殼體內(nèi)，布置倒檔傳動(dòng)齒輪和換檔機(jī)構(gòu)，還能減少變速器主體部分的外形尺寸。
變速器用圖1-4c所示的多支承結(jié)構(gòu)方案，能提高軸的剛度。這時(shí)，如用在軸平面上可分開(kāi)的殼體，就能較好地解決軸和齒輪等零部件裝配困難的問(wèn)題。圖1-4c所示方案的高檔從動(dòng)齒輪處于懸臂狀態(tài)，同時(shí)一檔和倒檔齒輪布置在變速器殼體的中間跨距里，而中間檔的同步器布置在中間軸上是這個(gè)方案的特點(diǎn)。
2． 倒檔傳動(dòng)方案
圖1-6為常見(jiàn)的倒擋布置方案。圖1-6b所示方案的優(yōu)點(diǎn)是換倒擋時(shí)利用了中間軸上的一擋齒輪，因而縮短了中間軸的長(zhǎng)度。但換擋時(shí)有兩對(duì)齒輪同時(shí)進(jìn)入嚙合，使換擋困難。圖1-6c所示方案能獲得較大的倒擋傳動(dòng)比，缺點(diǎn)是換擋程序不合理。圖1-6d所示方案針對(duì)前者的缺點(diǎn)做了修改，因而取代了圖1-6c所示方案。圖1-6e所示方案是將中間軸上的一，倒擋齒輪做成一體，將其齒寬加長(zhǎng)。圖1-6f所示方案適用于全部齒輪副均為常嚙合齒輪，換擋更為輕便。為了充分利用空間，縮短變速器軸向長(zhǎng)度，有的貨車倒擋傳動(dòng)采用圖1-6g所示方案。其缺點(diǎn)是一，倒擋須各用一根變速器撥叉軸，致使變速器上蓋中的操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜一些。
本設(shè)計(jì)采用圖1-6f所示的傳動(dòng)方案。
圖1-6 變速器倒檔傳動(dòng)方案
因?yàn)樽兯倨髟谝粨鹾偷箵豕ぷ鲿r(shí)有較大的力，所以無(wú)論是兩軸式變速器還是中間軸式變速器的低檔與倒擋，都應(yīng)當(dāng)布置在在靠近軸的支承處，以減少軸的變形，保證齒輪重合度下降不多，然后按照從低檔到高擋順序布置各擋齒輪，這樣做既能使軸有足夠大的剛性，又能保證容易裝配。倒擋的傳動(dòng)比雖然與一擋的傳動(dòng)比接近，但因?yàn)槭褂玫箵醯臅r(shí)間非常短，從這點(diǎn)出發(fā)有些方案將一擋布置在靠近軸的支承處。
§1.3變速器主要零件結(jié)構(gòu)的方案分析
變速器的設(shè)計(jì)方案必需滿足使用性能、制造條件、維護(hù)方便及三化等要求。在確定變速器結(jié)構(gòu)方案時(shí)，也要考慮齒輪型式、換檔結(jié)構(gòu)型式、軸承型式、潤(rùn)滑和密封等因素。
1.齒輪型式
與直齒圓柱齒輪比較，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長(zhǎng)，工作時(shí)噪聲低等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是制造時(shí)稍復(fù)雜，工作時(shí)有軸向力。變速器中的常嚙合齒輪均采用斜齒圓柱齒輪，盡管這樣會(huì)使常嚙合齒輪數(shù)增加，并導(dǎo)致變速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大。直齒圓柱齒輪僅用于低檔和倒擋。但是，在本設(shè)計(jì)中由于倒檔采用的是常嚙合方案，因此倒檔也采用斜齒輪傳動(dòng)方案，即除一檔外，均采用斜齒輪傳動(dòng)。
2.換檔結(jié)構(gòu)型式
換檔結(jié)構(gòu)分為直齒滑動(dòng)齒輪、嚙合套和同步器三種。
直齒滑動(dòng)齒輪換檔的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，但由于換檔不輕便、換檔時(shí)齒端面受到很大沖擊、導(dǎo)致齒輪早期損壞、滑動(dòng)花鍵磨損后易造成脫檔、噪聲大等原因，初一檔、倒檔外很少采用。
嚙合套換檔型式一般是配合斜齒輪傳動(dòng)使用的。由于齒輪常嚙合，因而減少了噪聲和動(dòng)載荷，提高了齒輪的強(qiáng)度和壽命。嚙合套有分為內(nèi)齒嚙合套和外齒嚙合套，視結(jié)構(gòu)布置而選定，若齒輪副內(nèi)空間允許，采用內(nèi)齒結(jié)合式，以減小軸向尺寸。結(jié)合套換檔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但還不能完全消除換檔沖擊，目前在要求不高的檔位上常被使用。
采用同步器換檔可保證齒輪在換檔時(shí)不受沖擊，使齒輪強(qiáng)度得以充分發(fā)揮，同時(shí)操縱輕便，縮短了換檔時(shí)間，從而提高了汽車的加速性、經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性，此外，該種型式還有利于實(shí)現(xiàn)操縱自動(dòng)化。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，軸向尺寸有所增加，銅質(zhì)同步環(huán)的使用壽命較短。目前，同步器廣泛應(yīng)用于各式變速器中。
自動(dòng)脫檔是變速器的主要障礙之一。為解決這個(gè)問(wèn)題，除工藝上采取措施外，在結(jié)構(gòu)上，目前比較有效的方案有以下幾種：
1） 將嚙合套做得長(zhǎng)一些（如圖1-7a）
或者兩接合齒的嚙合位置錯(cuò)開(kāi)（圖1-7b），這樣在嚙合時(shí)使接合齒端部超過(guò)被接合齒約1~3mm。使用中因接觸部分?jǐn)D壓和磨損，因而在接合齒端部形成凸肩，以阻止自動(dòng)脫檔。
2）將嚙合套齒座上前齒圈的齒厚切?。?.3~0.6mm），這樣，換檔后嚙合套的后端面便被后齒圈的前端面頂住，從而減少自動(dòng)脫檔（圖1-8）。
3）將接合齒的工作面加工成斜齒面，形成倒錐角（一般傾斜20~30），使接合齒面產(chǎn)生阻止自動(dòng)脫檔的軸向力 a b
（圖1-9）。這種結(jié)構(gòu)方案比較有效， 圖1-7 防止自動(dòng)脫檔的結(jié)構(gòu)措施Ⅰ
采用較多。
此段切薄
圖1-8 防止自動(dòng)脫檔的結(jié)構(gòu)措施Ⅱ
加工成斜面
圖1-9 防止自動(dòng)脫檔的結(jié)構(gòu)措施Ⅲ
在本設(shè)計(jì)中所采用的是鎖環(huán)式同步器，該同步器是依靠摩擦作用實(shí)現(xiàn)同步的。但它可以從結(jié)構(gòu)上保證結(jié)合套與待嚙合的花鍵齒圈在達(dá)到同步之前不可能接觸，以免齒間沖擊和發(fā)生噪聲。同步器的結(jié)構(gòu)如圖1-10所示：
圖1-10 鎖環(huán)式同步器
l、4-同步環(huán);2-同步器齒鼓;3-接合套;5-彈簧;6—滑塊;
7-止動(dòng)球;8-卡環(huán);9—輸出軸;10、11-齒輪
第二章 變速器主要參數(shù)的選擇與主要零件的設(shè)計(jì)
§2.1 變速器主要參數(shù)的選擇
一、檔數(shù)和傳動(dòng)比
近年來(lái)，為了降低油耗，變速器的檔數(shù)有增加的趨勢(shì)。目前，乘用車一般用4~5個(gè)檔位的變速器。本設(shè)計(jì)也采用5個(gè)檔位。
選擇最低檔傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)根據(jù)汽車最大爬坡度、驅(qū)動(dòng)輪與路面的附著力、汽車的最低穩(wěn)定車速以及主減速比和驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑等來(lái)綜合考慮、確定。
汽車爬陡坡時(shí)車速不高，空氣阻力可忽略，則最大驅(qū)動(dòng)力用于克服輪胎與路面間的滾動(dòng)阻力及爬坡阻力。故有
則由最大爬坡度要求的變速器Ⅰ檔傳動(dòng)比為
（2-1）
式中 m ----汽車總質(zhì)量；
g----重力加速度；
ψmax----道路最大阻力系數(shù)；
rr----驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑；
Temax----發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；
i0----主減速比；
η----汽車傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率。
根據(jù)驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著條件
求得的變速器I檔傳動(dòng)比為：
（2-2）
式中 G2----汽車滿載靜止于水平路面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給路面的載荷；
φ----路面的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取φ=0.5~0.6。
由已知條件：滿載質(zhì)量 1800kg；
rr=337.25mm；
Te max=170Nm；
i0=4.782；
η=0.95。
根據(jù)公式（2-2）可得：igI =3.85。
超速檔的的傳動(dòng)比一般為0.7~0.8，本設(shè)計(jì)去五檔傳動(dòng)比igⅤ=0.75。
中間檔的傳動(dòng)比理論上按公比為：
（2-3）
的等比數(shù)列，實(shí)際上與理論上略有出入，因齒數(shù)為整數(shù)且常用檔位間的公比宜小些，另外還要考慮與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的合理匹配。根據(jù)上式可的出：=1.51。
故有：
二、中心距
中心距對(duì)變速器的尺寸及質(zhì)量有直接影響，所選的中心距、應(yīng)能保證齒輪的強(qiáng)度。三軸式變速器的中心局A（mm）可根據(jù)對(duì)已有變速器的統(tǒng)計(jì)而得出的經(jīng)驗(yàn)公式初定：
(2-4)
式中 K A----中心距系數(shù)。對(duì)轎車，K A =8.9~9.3；對(duì)貨車，K A =8.6~9.6；對(duì)多檔
主變速器，K A =9.5~11；
TI max ----變速器處于一檔時(shí)的輸出扭矩：
TI max=Te max igI η =628.3N﹒m
故可得出初始中心距A=77.08mm。
三、軸向尺寸
變速器的橫向外形尺寸，可根據(jù)齒輪直徑以及倒檔中間齒輪和換檔機(jī)構(gòu)的布置初步確定。
轎車四檔變速器殼體的軸向尺寸3.0~3.4A。貨車變速器殼體的軸向尺寸與檔數(shù)有關(guān)：
四檔(2.2~2.7)A
五檔(2.7~3.0)A
六檔(3.2~3.5)A
當(dāng)變速器選用常嚙合齒輪對(duì)數(shù)和同步器多時(shí)，中心距系數(shù)KA應(yīng)取給出系數(shù)的上限。為檢測(cè)方便，A取整。
本次設(shè)計(jì)采用5+1手動(dòng)擋變速器，其殼體的軸向尺寸是377.08mm=231.24mm，
變速器殼體的最終軸向尺寸應(yīng)由變速器總圖的結(jié)構(gòu)尺寸鏈確定?！?
四、齒輪參數(shù)
（1）齒輪模數(shù)
建議用下列各式選取齒輪模數(shù)，所選取的模數(shù)大小應(yīng)符合JB111-60規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。
第一軸常嚙合斜齒輪的法向模數(shù)mn
(2-5)
其中=170Nm，可得出mn=2.5。
一檔直齒輪的模數(shù)m
mm (2-6)
通過(guò)計(jì)算m=3。
同步器和嚙合套的接合大都采用漸開(kāi)線齒形。由于制造工藝上的原因，同一變速器中的結(jié)合套模數(shù)都去相同，轎車和輕型貨車取2~3.5。本設(shè)計(jì)取2.5。
（2）齒形、壓力角α、螺旋角β和齒寬b
汽車變速器齒輪的齒形、壓力角、及螺旋角按表2-1選取。
表2-1 汽車變速器齒輪的齒形、壓力角與螺旋角
項(xiàng)目
車型
齒形
壓力角α
螺旋角β
轎車
高齒并修形的齒形
14.5°，15°，16°16.5°
25°~45°
一般貨車
GB1356-78規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)齒形
20°
20°~30°
重型車
同上
低檔、倒檔齒輪22.5°，25°
小螺旋角
壓力角較小時(shí)，重合度大，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低；較大時(shí)可提高輪齒的抗彎強(qiáng)度和表面接觸強(qiáng)度。對(duì)轎車，為加大重合度已降低噪聲，取小些；對(duì)貨車，為提高齒輪承載力，取大些。在本設(shè)計(jì)中變速器齒輪壓力角α取20°,嚙合套或同步器取30°；斜齒輪螺旋角β取30°。
應(yīng)該注意的是選擇斜齒輪的螺旋角時(shí)應(yīng)力求使中間軸上是軸向力相互抵消。為此，中間軸上的全部齒輪一律去右旋，而第一軸和第二軸上的的斜齒輪去左旋，其軸向力經(jīng)軸承蓋由殼體承受。
齒輪寬度b的大小直接影響著齒輪的承載能力，b加大，齒的承載能力增高。但試驗(yàn)表明，在齒寬增大到一定數(shù)值后，由于載荷分配不均勻，反而使齒輪的承載能力降低。所以，在保證齒輪的強(qiáng)度條件下，盡量選取較小的齒寬，以有利于減輕變速器的重量和縮短其軸向尺寸。
通常根據(jù)齒輪模數(shù)的大小來(lái)選定齒寬：
直齒 b=(4.5~8.0)m，mm
斜齒 b=(6.0~8.5)m，mm
第一軸常嚙合齒輪副齒寬的系數(shù)值可取大一些，使接觸線長(zhǎng)度增加，接觸應(yīng)力降低，以提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性和齒輪壽命。
§2.2各檔傳動(dòng)比及其齒輪齒數(shù)的確定
在初選了中心距、齒輪的模數(shù)和螺旋角后，可根據(jù)預(yù)先確定的變速器檔數(shù)、傳動(dòng)比和結(jié)構(gòu)方案來(lái)分配各檔齒輪的齒數(shù)。下面結(jié)合本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)明分配各檔齒數(shù)的方法。
1.確定一檔齒輪的齒數(shù)
一檔傳動(dòng)比
（2-7）
為了確定Z9和Z10的齒數(shù)，
先求其齒數(shù)和:
（2-8）
其中 A =77.08mm、m =3；故
有。
圖2-1 五檔變速器示意圖
當(dāng)轎車三軸式的變速器時(shí)，則，此處取=16，則可得出=35。
上面根據(jù)初選的A及m計(jì)算出的可能不是整數(shù)，將其調(diào)整為整數(shù)后，從式（2-8）看出中心距有了變化，這時(shí)應(yīng)從及齒輪變位系數(shù)反過(guò)來(lái)計(jì)算中心距A，再以這個(gè)修正后的中心距作為以后計(jì)算的依據(jù)。
這里修正為51，則根據(jù)式（2-8）反推出A=76.5mm。
2.確定常嚙合齒輪副的齒數(shù)
由式（2-7）求出常嚙合齒輪的傳動(dòng)比
（2-9）
由已經(jīng)得出的數(shù)據(jù)可確定 ①
而常嚙合齒輪的中心距與一檔齒輪的中心距相等
（2-10）
由此可得：
(2-11)
而根據(jù)已求得的數(shù)據(jù)可計(jì)算出： 。 ②
① 與②聯(lián)立可得：=19、=34。
則根據(jù)式（2-7）可計(jì)算出一檔實(shí)際傳動(dòng)比為： 。
3.確定其他檔位的齒數(shù)
二檔傳動(dòng)比
（2-12）
而 ，故有：
③
對(duì)于斜齒輪， （2-13）
故有： ④
③ 聯(lián)立④得：。
按同樣的方法可分別計(jì)算出：三檔齒輪 ；四檔齒輪
。
4.確定倒檔齒輪的齒數(shù)
一般情況下，倒檔傳動(dòng)比與一檔傳動(dòng)比較為接近，在本設(shè)計(jì)中倒檔傳動(dòng)比取3.7。中間軸上倒檔傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)比一檔主動(dòng)齒輪10略小，取。
而通常情況下，倒檔軸齒輪取21~23，此處取=23。
由
（2-14）
可計(jì)算出。
故可得出中間軸與倒檔軸的中心距
A′= (2-15)
=50mm
而倒檔軸與第二軸的中心:
(2-16)
=72.5mm。
§2.3 齒輪變位系數(shù)的選擇
齒輪的變位是齒輪設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。采用變位齒輪，除為了避免齒輪產(chǎn)生根切和配湊中心距以外，它還影響齒輪的強(qiáng)度，使用平穩(wěn)性，耐磨性、抗膠合能力及齒輪的嚙合噪聲。
變位齒輪主要有兩類：高度變位和角度變位。高度變位齒輪副的一對(duì)嚙合齒輪的變位系數(shù)的和為零。高度變位可增加小齒輪的齒根強(qiáng)度，使它達(dá)到和大齒輪強(qiáng)度想接近的程度。高度變位齒輪副的缺點(diǎn)是不能同時(shí)增加一對(duì)齒輪的強(qiáng)度，也很難降低噪聲。角度變位齒輪副的變位系數(shù)之和不等于零。角度變位既具有高度變位的優(yōu)點(diǎn)，有避免了其缺點(diǎn)。
有幾對(duì)齒輪安裝在中間軸和第二軸上組合并構(gòu)成的變速器，會(huì)因保證各檔傳動(dòng)比的需要，使各相互嚙合齒輪副的齒數(shù)和不同。為保證各對(duì)齒輪有相同的中心距，此時(shí)應(yīng)對(duì)齒輪進(jìn)行變位。當(dāng)齒數(shù)和多的齒輪副采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪傳動(dòng)或高度變位時(shí)，則對(duì)齒數(shù)和少些的齒輪副應(yīng)采用正角度變位。由于角度變位可獲得良好的嚙合性能及傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)，故采用的較多。對(duì)斜齒輪傳動(dòng)，還可通過(guò)選擇合適的螺旋角來(lái)達(dá)到中心距相同的要求。
變速器齒輪是在承受循環(huán)負(fù)荷的條件下工作，有時(shí)還承受沖擊負(fù)荷。對(duì)于高檔齒輪，其主要損壞形勢(shì)是齒面疲勞剝落，因此應(yīng)按保證最大接觸強(qiáng)度和抗膠合劑耐磨損最有利的原則選擇變位系數(shù)。為提高接觸強(qiáng)度，應(yīng)使總變位系數(shù)盡可能取大一些，這樣兩齒輪的齒輪漸開(kāi)線離基圓較遠(yuǎn)，以增大齒廓曲率半徑，減小接觸應(yīng)力。對(duì)于低檔齒輪，由于小齒輪的齒根強(qiáng)度較低，加之傳遞載荷較大，小齒輪可能出現(xiàn)齒根彎曲斷裂的現(xiàn)象。
總變位系數(shù)越小，一對(duì)齒輪齒更總厚度越薄，齒根越弱，抗彎強(qiáng)度越低。但是由于輪齒的剛度較小，易于吸收沖擊振動(dòng)，故噪聲要小些。
根據(jù)上述理由，為降低噪聲，變速器中除去一、二檔和倒檔以外的其他各檔齒輪的總變位系數(shù)要選用較小的一些數(shù)值，以便獲得低噪聲傳動(dòng)。其中，一檔主動(dòng)齒輪10的齒數(shù)Z10〈17，因此一檔齒輪需要變位。
變位系數(shù)
（2-17）
式中 Z為要變位的齒輪齒數(shù)。
第三章 變速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算與材料的選擇
§3.1 齒輪的損壞原因及形式
齒輪的損壞形式分三種：輪齒折斷、齒面疲勞剝落和移動(dòng)換檔齒輪端部破壞。
輪齒折斷分兩種：輪齒受足夠大的沖擊載荷作用，造成輪齒彎曲折斷；輪齒再重復(fù)載荷作用下齒根產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展深度逐漸加大，然后出現(xiàn)彎曲折斷。前者在變速器中出現(xiàn)的很少，后者出現(xiàn)的多。
齒輪工作時(shí)，一對(duì)相互嚙合，齒面相互擠壓，這是存在齒面細(xì)小裂縫中的潤(rùn)滑油油壓升高，并導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展，然后齒面表層出現(xiàn)塊狀脫落形成齒面點(diǎn)蝕。他使齒形誤差加大，產(chǎn)生動(dòng)載荷，導(dǎo)致輪齒折斷。
用移動(dòng)齒輪的方法完成換檔的抵擋和倒擋齒輪，由于換檔時(shí)兩個(gè)進(jìn)入嚙合的齒輪存在角速度茶，換檔瞬間在齒輪端部產(chǎn)生沖擊載荷，并造成損壞。
§3.2 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算與校核
與其他機(jī)械設(shè)備使用的變速器比較，不同用途汽車的變速器齒輪使用條件仍是相似的。此外，汽車變速器齒輪所用的材料、熱處理方法、加工方法、精度等級(jí)、支撐方式也基本一致。如汽車變速器齒輪用低碳合金鋼制造，采用剃齒或齒輪精加工，齒輪表面采用滲碳淬火熱處理工藝，齒輪精度不低于7級(jí)。因此，比用于計(jì)算通用齒輪強(qiáng)度公式更為簡(jiǎn)化一些的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算汽車齒輪，同樣、可以獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。在這里所選擇的齒輪材料為40Cr。
1. 齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算
（1） 直齒輪彎曲應(yīng)力
（3-1）
式中，----彎曲應(yīng)力（MPa）；
----一檔齒輪10的圓周力（N）， ；其中 為計(jì)算載荷（N·mm），d為節(jié)圓直徑。
----應(yīng)力集中系數(shù)，可近似取1.65；
----摩擦力影響系數(shù)，主動(dòng)齒輪取1.1，從動(dòng)齒輪取0.9；
b----齒寬（mm），取20
t----端面齒距（mm）；
y----齒形系數(shù)，如圖3-1所示。
圖3-1 齒形系數(shù)圖
當(dāng)處于一檔時(shí)，中間軸上的計(jì)算扭矩為：
（3-2）
=17010002.181.78
=659668Nm
故由 可以得出；再將所得出的數(shù)據(jù)代入式（3-1）可得
當(dāng)計(jì)算載荷取作用到變速器第一軸上的最大扭矩時(shí)，一檔直齒輪的彎曲應(yīng)力在400~850MPa之間。
（2） 斜齒輪彎曲應(yīng)力
（3-3）
式中 為重合度影響系數(shù)，取2.0；其他參數(shù)均與式（3-1）注釋相同，，
選擇齒形系數(shù)y時(shí)，按當(dāng)量模數(shù)在圖（3-1）中查得。
二檔齒輪圓周力： （3-4）
根據(jù)斜齒輪參數(shù)計(jì)算公式可得出：=6798.8N
齒輪8的當(dāng)量齒數(shù)=47.7，可查表（3-1）得：。
故
同理可得： 。
依據(jù)計(jì)算二檔齒輪的方法可以得出其他檔位齒輪的彎曲應(yīng)力，其計(jì)算結(jié)果如下：
三檔：
四檔：
五檔：
當(dāng)計(jì)算載荷取作用到第一軸上的最大扭矩時(shí)，對(duì)常嚙合齒輪和高檔齒輪，許用應(yīng)力在180~350MPa范圍內(nèi)，因此，上述計(jì)算結(jié)果均符合彎曲強(qiáng)度要求。
2. 齒輪接觸應(yīng)力
（3-5）
式中， ----齒輪的接觸應(yīng)力（MPa）；
F----齒面上的法向力（N），；
----圓周力在（N）， ；
----節(jié)點(diǎn)處的壓力角（°）；
----齒輪螺旋角（°）；
E----齒輪材料的彈性模量（MPa），查資料可??；
b----齒輪接觸的實(shí)際寬度，20mm；
----主、從動(dòng)齒輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑（mm）；
直齒輪： （3-6）
（3-7）
斜齒輪： （3-8）
（3-9）
其中，分別為主從動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑（mm）。
將作用在變速器第一軸上的載荷作為計(jì)算載荷時(shí)，變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力見(jiàn)下表：
表3-1 變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力
齒輪
/MPa
滲碳齒輪
液體碳氮共滲齒輪
一檔和倒檔
1900~2000
950~1000
常嚙合齒輪和高檔
1300~1400
650~700
通過(guò)計(jì)算可以得出各檔齒輪的接觸應(yīng)力分別如下：
一檔：
二檔：
三檔：
四檔：
五檔：
倒檔：
對(duì)照上表可知，所設(shè)計(jì)變速器齒輪的接觸應(yīng)力基本符合要求。
第四章 變速器軸的強(qiáng)度計(jì)算與校核
§4.1變速器軸的結(jié)構(gòu)和尺寸
1. 軸的結(jié)構(gòu)
第一軸通常和齒輪做成一體，前端大都支撐在飛輪內(nèi)腔的軸承上，其軸徑根據(jù)前軸承內(nèi)徑確定。該軸承不承受軸向力，軸的軸向定位一般由后軸承用卡環(huán)和軸承蓋實(shí)現(xiàn)。第一軸長(zhǎng)度由離合器的軸向尺寸確定，而花鍵尺寸應(yīng)與離合器從動(dòng)盤(pán)轂的
內(nèi)花鍵統(tǒng)一考慮。第一軸如圖4-1所示：
圖4-1 變速器第一軸
中間軸分為旋轉(zhuǎn)軸式和固定軸式。本設(shè)計(jì)采用的是旋轉(zhuǎn)軸式傳動(dòng)方案。由于一檔和倒檔齒輪較小，通常和中間軸做成一體，而高檔齒輪則分別用鍵固定在軸上，以便齒輪磨損后更換。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：
一檔齒輪 倒檔齒輪
圖4-2 變速器中間軸
2. 確定軸的尺寸
變速器軸的確定和尺寸，主要依據(jù)結(jié)構(gòu)布置上的要求并考慮加工工藝和裝配工藝要求而定。在草圖設(shè)計(jì)時(shí)，由齒輪、換檔部件的工作位置和尺寸可初步確定軸的長(zhǎng)度。而軸的直徑可參考同類汽車變速器軸的尺寸選定，也可由下列經(jīng)驗(yàn)公式初步選定：
第一軸和中間軸：
（4-1）
第二軸：
（4-2）
式中 ----發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩，N·m
為保證設(shè)計(jì)的合理性，軸的強(qiáng)度與剛度應(yīng)有一定的協(xié)調(diào)關(guān)系。因此，軸的直徑d與軸的長(zhǎng)度L的關(guān)系可按下式選?。?
第一軸和中間軸： d/L=0.160.18；
第二軸： d/L=0.180.21。
§4.2 軸的校核
由變速器結(jié)構(gòu)布置考慮到加工和裝配而確定的軸的尺寸，一般來(lái)說(shuō)強(qiáng)度是足夠的，僅對(duì)其危險(xiǎn)斷面進(jìn)行驗(yàn)算即可。對(duì)于本設(shè)計(jì)的變速器來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，軸的強(qiáng)度和剛度都留有一定的余量，所以，在進(jìn)行校核時(shí)只需要校核一檔處即可；因?yàn)檐囕v在行進(jìn)的過(guò)程中，一檔所傳動(dòng)的扭矩最大，即軸所承受的扭矩也最大。由于第二軸結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故作為重點(diǎn)的校核對(duì)象。下面對(duì)第一軸和第二軸進(jìn)行校核。
1. 第一軸的強(qiáng)度與剛度校核
因?yàn)榈谝惠S在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，所受的彎矩很小，可以忽略，可以認(rèn)為其只受扭矩。此中情況下，軸的扭矩強(qiáng)度條件公式為
（4-3）
式中：----扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；
T----軸所受的扭矩，N·mm；
----軸的抗扭截面系數(shù)，；
P----軸傳遞的功率，kw；
d----計(jì)算截面處軸的直徑，mm；
[]----許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。
其中P =95kw，n =5750r/min,d =24mm；代入上式得：
由查表可知[]=55MPa，故[]，符合強(qiáng)度要求。
軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長(zhǎng)的扭轉(zhuǎn)角來(lái)表示。其計(jì)算公式為：
（4-4）
式中，T ----軸所受的扭矩，N·mm；
G ----軸的材料的剪切彈性模量，MPa,對(duì)于鋼材，G =8.1MPa；
----軸截面的極慣性矩，，；
將已知數(shù)據(jù)代入上式可得： 。
對(duì)于一般傳動(dòng)軸可?。还室卜蟿偠纫?。
2. 第二軸的校核計(jì)算
1）軸的強(qiáng)度校核
計(jì)算用的齒輪嚙合的圓周力、徑向力及軸向力可按下式求出：
（4-5）