手动五档汽车变速器毕业设计

手动五档汽车变速器设计

摘要

本设计的任务是设计一台用于越野车上的FR式的手动变速器。本设计采用中间轴式变速

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。

根据越野车的外形、轮距、轴距、最小离地间隙、最小转弯半径、车辆重量、满载重量

以及最高车速等参数结合自己选择的适合于该越野车的发动机型号可以得出发动机的最大功率、最大扭矩、排量等重要的参数。再结合某些越野车的基本参数，选择适当的主减速比。根据上述参数，再结合汽车设计、汽车理论、机械设计等相关知识，计算出相关的变速器参数并论证设计的合理性。

变速器的功用是：①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，同时使发动机在有利的工况下工作；②在发动机旋转方向不变的前提下，使汽车能倒退行驶；③利用空档，中断动力传递，以使发动机能够起动、怠速，并便于发动机换档或进行动力输出。

变速器的基本要求是：①保证汽车有必要的动力性和经济性。②换档迅速、省力、方便。

③工作可靠。变速器不得有跳档、乱档及换档冲击等现象发生。④变速器应有高的工作效率。⑤变速器的工作噪声低。

变速器由变速传动机构和操纵机构组成，变速器传动机构有前进档位数和轴的形式两种

分类方法。

根据前进档数 根据轴的型式 固定轴式

⎧三挡变速器⎧两轴式变速器⎪⎪⎪四挡变速器⎪中间轴式变速器⎧固定轴式⎨⎨⎪⎪五挡变速器⎪双中间轴式变速器⎨⎪多挡变速器⎪多中间轴上变速器⎪旋转轴式⎩ ⎩ ⎩

固定轴式应用广泛，其中两轴式变速器多用于发动机前置前轮驱动的汽车上，中间轴式

变速器多用于发动机前置后轮驱动的汽车上。

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。

关键词：变速器；锁环式同步器；传动比；齿轮。

目录

摘 要 ............................................................. 1

第一章 机械式变速器的概述及其方案的确定 ........................................................... 1

第一节 变速器的功用和要求 ..................................................................................... 1

第二节 变速器结构方案的确定 ................................................................................ 1

第三节 变速器主要零件结构的方案分析 .............................................................. 2

一 齿轮型式 ............................................................................................................... 2

二 换档结构型式 ...................................................................................................... 3

第二章 变速器主要参数的选择与主要零件的设计 .................................................. 5

第一节 变速器主要参数的选择 ................................................................................ 5

一 档数和传动比 .................................................................... 错误！未定义书签。

二 中心距 ................................................................................................................... 7

三 轴向尺寸 ............................................................................................................... 8

四 齿轮参数 ............................................................................................................... 8

第二节 各档传动比及其齿轮齿数的确定 .............................................................. 9

一 确定一档齿轮的齿数 ........................................................................................ 9

二 确定常啮合齿轮副的齿数 ............................................................................. 10

三 确定其他档位的齿数 ...................................................................................... 10

四 确定倒档齿轮的齿数 ...................................................................................... 11

第三节 齿轮变位系数的选择 ................................................................................... 11

第三章 变速器齿轮的强度计算与材料的选择 ......................................................... 12

第一节 齿轮的损坏原因及形式 .............................................................................. 12

第二节 齿轮的强度计算与校核 .............................................................................. 13

一 齿轮弯曲强度计算 ........................................................................................... 13

二 齿轮接触应力 .................................................................................................... 15

第四章 变速器轴的强度计算与校核 ........................................................................... 18

第一节 变速器轴的结构和尺寸 .............................................................................. 18

第二节 轴的校核 .......................................................................................................... 20

第五章 变速器同步器的设计 ......................................................................................... 23

第一节 同步器的结构 ................................................................................................. 23

第二节 同步环主要参数的确定 .............................................................................. 23

一 同步环锥面上的螺纹槽 .................................................................................. 23

二 锥面半锥角α .................................................................................................... 23

三 摩擦锥面平均半径R ...................................................................................... 24

四 锥面工作长度b ................................................................................................ 24

五 同步环径向厚度 ............................................................................................... 24

六 锁止角β ............................................................................................................. 25

七 同步时间t .......................................................................................................... 25

第六章 变速器的操纵机构.............................................................................................. 26

参考文献 .................................................................................................................................. 27

第一章 机械式变速器的概述及其方案的确定

第一节 变速器的功用和要求

变速器的功用是根据汽车在不同的行驶条件下提出的要求，改变发动机的扭矩和转速，

使汽车具有适合的牵引力和速度，并同时保持发动机在最有利的工况范围内工作。为保证汽车倒车以及使发动机和传动系能够分离，变速器具有倒档和空档。在有动力输出需要时，还应有功率输出装置。

变速器的设计要求：

第二节 变速器结构方案的确定

变速器由传动机构与操纵机构组成。

1．变速器传动机构的结构分析与型式选择

有级变速器与无级变速器相比，其结构简单、制造低廉，具有高的传动效率（η

=0.96~0.98），因此在各类汽车上均得到广泛的应用。

设计时首先应根据汽车的使用条件及要求确定变速器的传动比范围、档位数及各档的传动比，因为它们对汽车的动力性与燃料经济性都有重要的直接影响。

传动比范围是变速器低档传动比与高档传动比的比值。汽车行驶的道路状况愈多样，发

动机的功率与汽车质量之比愈小，则变速器的传动比范围应愈大。目前，轿车变速器的传动比范围为3.0~4.5；一般用途的货车和轻型以上的客车为5.0~8.0；越野车与牵引车为10.0~20.0。

通常，有级变速器具有3、4、5个前进档；重型载货汽车和重型越野汽车则采用多档变

速器，其前进档位数多达6~16个甚至20个。

三轴式和两轴式变速器得到的最广泛的应用。

2．倒档传动方案

图1-3为常见的倒挡布置方案。图1-6b所示方案的优点是换倒挡时利用了中间轴上的

一挡齿轮，因而缩短了中间轴的长度。但换挡时有两对齿轮同时进入啮合，使换挡困难。图1-3c所示方案能获得较大的倒挡传动比，缺点是换挡程序不合理。图1-3d所示方案针对前者的缺点做了修改，因而取代了图1-3c所示方案。图1-6f所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合齿轮，换挡更为轻便。为了充分利用空间，缩短变速器轴向长度，有的货车倒挡传动采用图1-3g所示方案。其缺点是一，倒挡须各用一根变速器拨叉轴，致使变速器上盖中的操纵机构复杂一些。

本设计采用图1-3f所示的传动方案。

图1-3 变速器倒档传动方案

第三节 变速器主要零件结构的方案分析

变速器的设计方案必需满足使用性能、制造条件、维护方便及三化等要求。在确定变速

器结构方案时，也要考虑齿轮型式、换档结构型式、轴承型式、润滑和密封等因素。

1 齿轮型式

与直齿圆柱齿轮比较，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长，工作时噪声低等优点；缺点是制造

时稍复杂，工作时有轴向力。变速器中的常啮合齿轮均采用斜齿圆柱齿轮，尽管这样会使常啮合齿轮数增加，并导致变速器的转动惯量增大。直齿圆柱齿轮仅用于低档和倒挡。但是，在本设计中由于倒档采用的是常啮合方案，因此倒档也采用斜齿轮传动方案，即除一档外，均采用斜齿轮传动。

换档结构分为直齿滑动齿轮、啮合套和同步器三种。

直齿滑动齿轮换档的特点是结构简单、紧凑，但由于换档不轻便、换档时齿端面受到很

大冲击、导致齿轮早期损坏、滑动花键磨损后易造成脱档、噪声大等原因，初一档、倒档外很少采用。

啮合套换档型式一般是配合斜齿轮传动使用的。由于齿轮常啮合，因而减少了噪声和动

载荷，提高了齿轮的强度和寿命。啮合套有分为内齿啮合套和外齿啮合套，视结构布置而选定，若齿轮副内空间允许，采用内齿结合式，以减小轴向尺寸。结合套换档结构简单，但还不能完全消除换档冲击，目前在要求不高的档位上常被使用。

采用同步器换档可保证齿轮在换档时不受冲击，使齿轮强度得以充分发挥，同时操纵轻

便，缩短了换档时间，从而提高了汽车的加速性、经济性和行驶安全性，此外，该种型式还有利于实现操纵自动化。其缺点是结构复杂，制造精度要求高，轴向尺寸有所增加，铜质同步环的使用寿命较短。目前，同步器广泛应用于各式变速器中。

3 变速器轴承

变速器轴承常采用圆柱滚子轴承、球轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、滑动轴套等。

变速器第一轴、第二轴的后部轴承以及中间轴前、后轴承，按直径系列一般选用中系列球轴承或圆柱滚子轴承。中间轴上齿轮工作时产生的轴向力，原则上由前或后轴承来承受都可以；但当在壳体前端面布置轴承盖有困难的时候，必须由后端轴承承受轴向力，前端采用圆柱滚子轴承来承受径向力。滚针轴承、滑动轴套用于齿轮与轴不固定连接，有相对转动的地方，比如高档区域同步器换档的第二轴齿轮与第二轴的连接，由于滚针轴承滚动摩擦损失小，传动效率高，径向配合间隙小，定位及运转精度高，有利于齿轮啮合，在不影响齿轮结构的情况下，应尽量使用滚针轴承

第二章 变速器主要参数的选择与主要零件的设计

第一节 变速器主要参数的选择

1 档书和传动比

近年来，为了降低油耗，变速器的档数有增加的趋势。目前，乘用车一般用4~5个档位

的变速器。本设计也采用5个档位。

选择最低档传动比时，应根据汽车最大爬坡度、驱动轮与路面的附着力、汽车的最低稳定车速以及主减速比和驱动轮的滚动半径等来综合考虑、确定。

汽车爬陡坡时车速不高，空气阻力可忽略，则最大驱动力用于克服轮胎与路面间的滚动

阻力及爬坡阻力。故有

TemaxigIi0ηT≥mg(fcosαmax+sinαmax)=mgψmax rr

则由最大爬坡度要求的变速器Ⅰ档传动比为 ig≥mgψmaxrr （2-1） Temaxi0ηT

式中 m----汽车总质量；

g----重力加速度；

ψmax----道路最大阻力系数；

rr----驱动轮的滚动半径；

Temax----发动机最大转矩；

i0----主减速比；

ηT----汽车传动系的传动效率。

根据驱动车轮与路面的附着条件

TemaxigIηT

r≤G2ϕr

求得的变速器I档传动比为： i G2 ϕr r

gI≤Temaxi0η

T

式中 G2----汽车满载静止于水平路面时驱动桥给路面的载荷；

φ----路面的附着系数，计算时取φ=0.5。

由已知条件：满载质量 2250kg，则G2=2250⨯9.8=22050（N）

rr=362.2mm；

Te max=190Nm；

i0=4.5；

ηT=0.95。

根据公式（2-2）可得：igI =4.92。

超速档的的传动比一般为0.7~0.8，本设计去五档传动比igⅤ=0.75。

中间档的传动比理论上按公比为：

q= (igmax=igI=4.91igmin=igV=0.75n=5)

2-2） （2-3） （

的等比数列，实际上与理论上略有出入，因齿数为整数且常用档位间的公比宜小些，另外还要考虑与发动机参数的合理匹配。根据上式可的出：q=1.6。

故有：

igII=3.07

igIII=1.92

igIV=1.2(修正为1)

2 中心距

中心距对变速器的尺寸及质量有直接影响，所选的中心距、应能保证齿轮的强度。三轴式变速器的中心局A可根据对已有变速器的统计而得出的经验公式初定：

A=K式中 K A----中心距系数。对轿车，KA；对货车，K A =8.6~9.6；对多档

主变速器，K A =9.5~11；

TI max ----变速器处于一档时的输出扭矩：

TImax=TemaxigIηg =895.58 N.m

轿车变速器的中心距在65～80mm范围内变化，而货车的变速器中心距在80～170mm范围内变化。

对于越野车，本设计中取KA=9.0，按照已有参数计算式（2-4）可得A=86.81mm。

3 轴向尺寸

变速器的横向外形尺寸，可根据齿轮直径以及倒档中间齿轮和换档机构的布置初步确定。

轿车四档变速器壳体的轴向尺寸3.0~3.4A。货车变速器壳体的轴向尺寸与档数有关：

四档(2.2~2.7)A

五档(2.7~3.0)A

六档(3.2~3.5)A

当变速器选用常啮合齿轮对数和同步器多时，中心距系数KA应取给出系数的上限。为检

测方便，A取整。

本次设计的5档变速器壳体的轴向尺寸取2.8A，则壳体的轴向尺寸为243mm。变速器壳体的最终轴向尺寸应由变速器总图的结构尺寸链确定。

4.1 齿轮模数

变速器用齿轮模数范围大致如下：微型和轻型轿车为2.25～2.75；中级轿车为2.75～3.0；重型货车为4.25～6.0。所选取的模数大小应符合JB111-60规定的标准值。建议用下列各式选取齿轮模数。

第一轴常啮合斜齿轮的法向模数mn

mn= (2-5) 其中Temax=190Nm，可得出mn=2.7。据JB111-60第一系列的标准值选取mn=2.5

一档直齿轮的模数m

m=mm (2-6)

通过计算m=3。

同步器和啮合套的接合大都采用渐开线齿形。由于制造工艺上的原因，同一变速器中的结合套模数都去相同，轿车和轻型货车取2~3.5。本设计取2.5。

4.2 齿形、压力角α、螺旋角β和齿宽b

汽车变速器齿轮的齿形、压力角、及螺旋角按表2-1选取。

表2-1 汽车变速器齿轮的齿形、压力角与螺旋角

压力角较小时，重合度大，传动平稳，噪声低；较大时可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。对轿车，为加大重合度已降低噪声，取小些；对货车，为提高齿轮承载力，取大些。在本设计中变速器齿轮压力角α取20°,啮合套或同步器取30°；斜齿轮螺旋角β取30°。

应该注意的是选择斜齿轮的螺旋角时应力求使中间轴上是轴向力相互抵消。为此，中间轴上的全部齿轮一律去右旋，而第一轴和第二轴上的的斜齿轮去左旋，其轴向力经轴承盖由壳体承受。

齿轮宽度b的大小直接影响着齿轮的承载能力，b加大，齿的承载能力增高。但试验表明，在齿宽增大到一定数值后，由于载荷分配不均匀，反而使齿轮的承载能力降低。所以，在保证齿轮的强度条件下，尽量选取较小的齿宽，以有利于减轻变速器的重量和缩短其轴向尺寸。

通常根据齿轮模数的大小来选定齿宽：

直齿 b=(4.5~8.0)m，mm

斜齿 b=(6.0~8.5)m，mm

啮合套或同步器接合齿的工作宽度初选时可取为2～4mm。

第一轴常啮合齿轮副齿宽的系数值可取大一些，使接触线长度增加，接触应力降低，以提高传动的平稳性和齿轮寿命。本设计中取第一轴一档齿轮的齿宽为21mm,其余齿轮的齿宽都取20mm。

第二节 各档传动比及其齿轮齿数的确定

在初选了中心距、齿轮的模数和螺旋角后，可根据预先确定的变速器档数、传动比和结构方案来分配各档齿轮的齿数。下面结合本设计来说明分配各档齿数的方法。

1 确定一档齿轮的齿数

一档齿轮9和10选用直齿圆柱齿轮

一档传动比

ZZigI=2⋅9

Z1Z10 （2-7）

为了确定Z9和Z10的齿数，先求其齿数和Z∑:

2AZ∑=（2-8） m

其中 A =86.81mm、m =3；故有Z∑=57.9，圆整为58。

轿车中间轴式变速器一挡齿轮齿数可在15～17之间选取；货车可在12～17之间选取。一挡大齿轮齿数用Z9=Z∑-Z10计算求得。取Z10=16，则可得出Z9=42。

上面根据初选的A及m计算出的Z∑可能不是整数，将其调整为整数后，从式（2-8）看出中心距有了变化，这时应从Z∑及齿轮变位系数反过来计算中心距A，再以这个修正后的中心距作为以后计算的依据。

这里Z∑修正为58，则根据式（2-8）反推出A=87mm。

由式（2-7）求出常啮合齿轮的传动比

（2-９） Z10Z2=igI⨯ZZ91

Z2=1由已经得出的数据可确定 .87 ① Z1

而常啮合齿轮的中心距与一档齿轮的中心距相等

（2-10） mn(Z1+Z2)A=2cosβ

由此可得：

2AcosβZ1+Z2=mn

而根据已求得的数据可计算出：Z1+Z2=60.3（圆整为60）。 ②

① 与②联立可得：Z1=21、Z2=39。

则根据式（2-7）可计算出一档实际传动比为： igI=4.875

3 确定其他档位的齿数

二档传动比

ZZig∏=2⋅7（2-12） Z1Z8而 故有： ig∏=3.07Z7 ③ =1.653Z8

2Acosβ对于斜齿轮， （2-13） Z∑=mn

故有：Z7+Z8=55.8 圆整为56 。 ④

联立③与④得：Z7=37、Z8=23

则根据式（2-12）可计算出二档实际传动比为i =2.988gII

按同样的方法可分别计算出：三档齿轮齿数Z5=30、Z6=30，实际传动比为igIII=1.875；四档齿轮实际传动比为iIV=1;五档齿轮齿数Z3=17、Z4=43，实际传动比为igV=0.734。 4 确定倒档齿轮的齿数

一般情况下，倒档传动比与一档传动比较为接近，在本设计中倒档传动比igr取4.5。中间轴上倒档传动齿轮的齿数比一档主动齿轮10略小，取Z12=13。