车辆工程毕业设计(论文)-二轴五档手动变速器设计【全套图纸】

摘要

变速器是汽车传动系统中比较关键的部件，它的设计好坏将直接影响到汽车的实际使用性能。变速器用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，目的是在原地起步，爬坡，转弯，加速等各种行驶工况下，使汽车获得不同的牵引力和速度，同时使发动机在最有利工况范围内工作。变速器设有空挡和倒挡。需要时变速器还有动力输出功能。

因为变速箱在低档工作时作用有较大的力，所以一般变速箱的低档都布置靠近轴的后支承处，然后按照从低档到高档顺序布置各档位齿轮。这样做既能使轴有足够大的刚性，又能保证装配容易。变速箱整体结构刚性与轴和壳体的结构有关系。一般通过控制轴的长度即控制档数，来保证变速箱有足够的刚性。

本文设计研究了两轴式五挡手动变速器，对变速器的工作原理做了阐述，变速器的各挡齿轮和轴做了详细的设计计算，并进行了强度校核，对一些标准件进行了选型。变速器的传动方案设计并讲述了变速器中各部件材料的选择。

关键词挡数；传动比；齿轮；轴；强度校核

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Abstract

Transmission is more cruical in automotive driveline components, it is dseigned to ditectly affect the quality of the actual use of performance automobiles. Transmission to change the engine reached on the driving wheel torque and speed, is aimed at marking start, climbing, turning, accelerate various driving conditions, the car was different traction and speed Meanwhile engine in the most favorable working conditions within the scope of the work. And the trans mission in neutral gear with reverse gear. Transmission also need power output function.

Gearbox because of the low-grade work at a larger role, In general, the low-grade gearbox layout are close to the axis after support, Following from low-grade to high-grade order of the layout of stalls gear. This will not only allow axis are large enough for a rigid, but also ensures easy assembly. Gear box overall structure and rigid axle and the shell structure of relations. Generally through the control shaft length control over several stalls to ensure that adequate gear box rigid.

This paper describes the design of two-axis five block manual trans mission,

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the transmission principle of work elaborated, Transmission of the gear shaft and do a detailed design, and the intensity of a school. For some standard parts for the selection. Transmission Trans mission program design. A brief description of the trans mission of all components of the material choice.

Keywords Block Transmission ratio Gear Axis Checking

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目录

摘要........................................................ I Abstract ....................................................... II 第1章绪论.. (1)

1.1 概述 (1)

1.1.1 设计二轴五档变速器的目的和意义 (2)

1.1.2 汽车变速器设计要求 (2)

1.1.3 研究变速的现状 (3)

1.2 变速器的设计思想 (3)

第2章变速器传动机构与操纵机构的布置 (5)

2.1 变速器传动机构的布置方案 (5)

2.1.1 变速器传动方案分析与选择 (5)

2.1.2 倒档布置方案 (6)

2.2 操纵机构布置方案 (7)

2.2.1 概述 (7)

2.2.2 典型的操纵机构以及锁止装置 (8)

2.3 本章小结 (10)

第3章变速器设计的总体方案 (11)

3.1 变速器主要参数的选择 (11)

3.1.1 档数 (11)

3.1.2 传动比范围 (11)

3.1.3 变速器各档传动比确定 (12)

3.1.4 中心距的选择 (14)

3.1.5 齿轮参数的选择 (14)

3.1.6 各挡齿轮的分配及传动比的计算 (15)

3.2 变速器齿轮强度校核 (22)

3.2.1 变速器齿轮弯曲强度的校核 (22)

3.2.2 轮齿接触应力的校核 (23)

3.2.3 变速器齿轮的材料及热处理 (24)

3.3 轴的结构和尺寸设计 (25)

3.3.1 初选轴的直径 (25)

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3.3.2 轴的强度验算 (26)

3.4 主减速比的计算 (34)

3.4.1 主减速齿轮计算载荷的确定 (34)

3.4.2 主减速器基本参数的选择 (35)

3.4.3 主减速器螺旋锥齿轮的强度计算 (37)

3.4.4 主减速器齿轮的材料及热处理 (40)

3.5 差速器设计 (40)

3.5.1 差速器齿轮的基本参数选择 (41)

3.5.2 差速器齿轮的几何尺寸计算与强度计算 (42)

3.6 本章小结 (45)

第4章变速器同步器其它零件设计 (47)

4.1 运惯性式同步器 (47)

4.1.1 锁环式同步器的结构 (47)

4.1.2 锁环式同步器的工作原理 (47)

4.1.3 锁环式同步器主要尺寸的确定 (48)

4.2 主要参数的确定 (49)

4.2.1 摩擦因数f (49)

4.2.2 同步环主要尺寸的确定 (50)

4.2.3 锁止角 (51)

4.2.4 同步时间 (51)

4.3 变速器箱体设计原则 (51)

4.4 本章小结 (52)

结论 (53)

致谢 (54)

参考文献 (55)

附录1 .......................................... 错误！未定义书签。附录2 .......................................... 错误！未定义书签。

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第1章绪论

1.1概述

随着社会的快速发展和人们生活水平的迅速提高，汽车（尤其是轿车）作为一种必不可少的交通工具已走进千家万户。总之，汽车工业的发展水平直接代表着一个国家基础工业和国民经济的实力。中国未来10年，经济型轿车至少应翻一番。因此设计一种适合我国国情的经济型轿车的变速器具有十分重要的意义，而且也符合全球对环境保护的要求，小排量低排放的经济型轿车肯定是未来汽车的主力。汽车的发展经历了三大革命，动力革命（内燃机的使用），传动革命（机械传动的完善和液体传动的使用）和控制革命（用传感器、微机和电液阀进行信息处理）。

从先进国家来看，动力革命和传动革命已经完成，目前正处于控制革命阶段，要解决的主要是机械太“机械”，没有灵性的问题，过去机械全靠人来操纵控制，然而人的生理和心理能力（感觉器官的功能、头脑分析的能力和体能）是有限的，操纵汽车这样复杂的机械对于人来说体力和脑力负担是很重要的，更主要的是单靠人力操纵将阻碍汽车的发展和其性能的提高。因此必须对汽车各部分（发动机、变速器、悬架、制动和转向机构等）进行自动控制，并从各部分的单独控制向整车一体化控制发展，从一般控制向智能控制发展。要解决机械信息处理能力问题，机械本身是无能为力的，液压控制在性能上也达不到要求，必须引入具有良好控制性能和信息处理能力的电子技术。但是仅仅采用机电液技术还不够，还需要应用声学、光学、和化学等多学科技术才能使机械具有良好的信息处理能力，实现高度自动化。

变速器是汽车传动系中一个比较关键的部件，它设计的好坏直接影响到汽车的使用性能。随着汽车工业的告诉发展和现汽车现代设计方法的开发和应用，人们对汽车变速器的设计要求是越来越高。其中，减少变速器体积，提高变速器可靠性以及改善其与发动机的匹配更是当前急需解决的重要问题！

两轴式变速器与三变速器相比，其结构简单、紧凑且除到档外其他

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各档的传动效率高、噪声低。轿车多采用前置发动机前轮驱动的布置，因为这种布置使汽车的动力—传动系统紧凑、操纵性好且使汽车质量降低6%~10%。两轴式变速器纵置时，传动系的结构简单（即输出轴与主减速器主动齿轮做成一体从而简化了制造工艺，降低了成本）。

1.1.1设计二轴五档变速器的目的和意义

变速器是汽车传动系中一个比较关键的部件，它设计的好坏直接影响到汽车的使用性能。随着汽车工业的告诉发展和现汽车现代设计方法的开发和应用，人们对汽车变速器的设计要求是越来越高。其中，减少变速器体积，提高变速器可靠性以及改善其与发动机的匹配更是当前急需解决的重要问题！

本课题将可靠优化二轴五档变速器设计理论应用汽车机械式变速器齿数系的设计中，根据汽车的动力性要求，在保证零件结构强度和刚度可靠使用的条件下，以变速器体积最小化和功率使用最大化为目标函数，通过可靠性优化设计结果与原始数据的对比，使变速器设计得到一个更可靠的优化。

1.1.2汽车变速器设计要求

汽车传动系是汽车的核心组成部分。其任务是调节、变换发动机的性能，将动力有效而经济地传至驱动车轮，以满足汽车的使用要求。变速器是完成传动系任务的重要部件，也是决定整车性能的主要部件之一。变速器的结构要求对汽车的动力性、燃料经济性、换档操纵的可靠性与轻便性、传动平稳性与效率等都有直接的影响。随着汽车工业的发展，轿车变速器的设计趋势是增大其传递功率与重量之比，并要求其具有更小的尺寸和良好的性能。在汽车变速器的设计工作开始之前，首先要根据变速器运用的实际场合来对一些主要参数做出选择。主要参数包括中心距、变速器轴向尺寸、轴的直径、齿轮参数、各档齿轮的齿数等。

（1）正确选择变速器的档位数和传动比，使之与发动机参数优化匹配，以保证汽车具有良好的动力性与经济性；

（2）设置空挡，用来切断发动机动力向驱动轮的传输；

（3）设置倒挡，使汽车能倒退行驶；

（4）设置动力输出装置，需要时能进行功率输出；

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（5）换挡迅速、省力、方便；

（6）工作可靠；

（7）变速器应有高的工作效率；

（8）变速器的工作噪声低。

除此之外，变速器还应当满足轮廓尺寸和质量小、制造成本低、拆装容易、维修方便等要求。

1.1.3研究变速的现状

众所周知，中国国内市场的轿车车型，90%都来自日本和德国技术，更确切地说，是来自于日本丰田和德国大众技术。国内的许多车厂在研发、生产方式上，或是购买技术，或是与德·日方联合经营，自主独立开发的能力相对欠缺。因此，我国的轿车车型及所属关紧部件的研发方面的发展相对滞后，进而造成国内的许多老型产品一干就是十几年，甚至二十几年的尴尬局面。但是根据我们国家的实际现状，目前中国市场对轿车的需求，在短时间内，甚至相当长的一段时间内轿车仍然具有一定的发展的空间。

汽车变速器发展经历了100多年，从最初采用侧链传动到手动变速器，到现在的液力自动变速器和电控机械式自动变速器，再向无级自动变速器方向发展。变速器是汽车传动系的重要组成部分，其发展无疑代表着汽车工业的发展，它的设计也是汽车设计的一个重要部分。手动变速器(MT)主要采用齿轮传动的降低原理，变速器内有多组传动比不同的齿轮副，汽车行驶时的换挡就是通过操纵机构使变速器内不同的齿轮副工作。

我国汽车工业采用CAD技术，从无到有，至今已有十多年的历史。与其他机械产品相比，汽车行业在计算机应用的投入比较多。各汽车厂纷纷引进软硬件并逐步建立了计算机辅助系统。AutoCAD在用户的心目中也变成了二维设计软件的缩影。

1.2变速器的设计思想

根据发动机匹配的轿车的基本参数，及发动机的基本参数。

（1）发动机排量2.0升；

（2）五个前进挡，一个倒档；

（3）输入、输出轴保证两点支承；

（4）采用同步器，保证可靠平稳换挡；

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（5）齿轮、轴及轴承满足使用要求。

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第2章变速器传动机构与操纵机构的布置

2.1变速器传动机构的布置方案

2.1.1变速器传动方案分析与选择

机械式变速器具有结构简单、传动效率高、制造成本底和工作可靠等优点，故在不同形式的汽车上得到广泛应用。机械式变速器传动机构布置方案主要有两种：两轴式变速器和中间轴式变速器。

其中两轴式变速器多用于发动机前置前轮驱动的汽车上。与中间轴式变速器相比，它具有轴和轴承数少，结构简单、轮廓尺寸小、易布置等优点。此外，各中间档因只经一对齿轮传递动，故传动效率高，同时噪声小。但两轴式变速器不能设置直接档，所以在工作时齿轮和轴承均承载，工作噪声增大且易损坏，受结构限制其一档速比不能设计的很大。其特点是：变速器输出轴与主减速器主动齿轮做成一体，发动机纵置时直接输出动力。

而中间轴式变速器多用于发动机前置后轮驱动汽车和发动机后置后轮驱动的汽车上。其特点是：变速器一轴后端与常啮合齿轮做成一体绝大多数方案的第二轴与一轴在同一条直线上，经啮合套将它们连接后可得到直接档，使用直接档变速器齿轮和轴承及中间轴不承载，此时噪声低，齿轮、轴承的磨损减少。

对不同类型的汽车，具有不同的传动系档位数，其原因在于它们的使用条件不同、对整车性能要求不同、汽车本身的比功率不同[5]。而传动系的档位数与汽车的动力性、燃油经济性有着密切的联系。就动力性而言，档位数多，增加了发动机发挥最大功率附近高功率的机会，提高了汽车的加速和爬坡能力。就燃油经济性而言，档位数多，增加了发动机在低燃油消耗率区下作的能力，降低了油耗。从而能提高汽车生产率，降低运输成木。不过，增加档数会使变速器机构复杂和质量增加，轴向尺寸增大、成本提高、操纵复杂。

综上所述，此次设计变速器是驱动形式属于发动机前置前轮驱动，且可布置变速器的空间较小，对变速器的要求较高，要求运行噪声小，设计车速高，故选用二轴式变速器作为传动方案。选择5档变速器，并且五档为超速

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档。大体结构可参考如图2-1所示的结构。

图2-1 发动机前置前轮驱动布置示意图

2.1.2倒档布置方案

常见的倒档布置方案如图2-2所示。图2-2b方案的优点是倒档利用了一档齿轮，缩短了中间轴的长度。但换档时有两对齿轮同时进入啮合，使换档困难；图2-2c方案能获得较大的倒档传动比，缺点是换档程序不合理；图2-2d方案对2-2c的缺点做了修改；图2-2e所示方案是将一、倒档齿轮做成一体，将其齿宽加长；图2-2f所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合的齿轮，换档换更为轻便。

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图2-2 倒档的布置方案

综合考虑以上因素，为了换档轻便，减小噪声，倒档传动采用图 2.2f 所示方案。

2.2操纵机构布置方案

2.2.1概述

根据汽车使用条件的需要，驾驶员利用操纵机构完成选档和实现换档或退到空档。变速器操纵机构应当满足如下主要要求[9]：换档时只能挂入一个档位，换档后应使齿轮在全齿长上啮合，防止自动脱档或自动挂档，防止误挂倒档，换档轻便。

变速器操纵机构通常装在顶盖或侧盖内，也有少数是分开的。变速器操纵机构操纵第二轴上的滑动齿轮、啮合套或同步器得到所需不同档位。

用于机械式变速器的操纵机构，常见的是由变速杆、拨块、拨叉、变速叉轴及互锁、自锁和倒档装置等主要零件组成，并依靠驾驶员手力完成选档、换档或推到空档工作，称为手动换档变速器。

直接操纵式手动换档变速器当变速器布置在驾驶员座椅附近时，可将变速杆直接安装在变速器上，并依靠驾驶员手力和通过变速杆直接完成换档功能的手动换档变速器，称为直接操纵变速器。这种操纵方案结构最简单，已得到广泛应用。近年来，单轨式操纵机构应用较多，其优点是减少了变速叉轴，各档同用一组自锁装置，因而使操纵机构简化，但它要求各档换档行程相等。

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2.2.2典型的操纵机构以及锁止装置

图2-3 典型的操纵机构图

定位装置的作用是将被啮合件保持在一定位置上，并防止自动啮合和分离，一般采

用弹簧和钢球式机构。

1、换档机构

变速器换档机构有直齿滑动齿轮、啮合套和同步器换档三种形式。

采用轴向滑动直齿齿轮换档，会在轮齿端面产生冲击，齿轮端部磨损加剧并过早损坏，并伴随着噪声。因此，除一档、倒档外已很少使用。

常啮合齿轮可用移动啮合套换档。因承受换档冲击载荷的接合齿齿数多，啮合套不会过早被损坏，但不能消除换档冲击。目前这种换档方法只在某些要求不高的档位及重型货车变速器上应用。

使用同步器能保证换档迅速、无冲击、无噪声，而与操作技术的熟练程度无关，从而提高了汽车的加速性、燃油经济性和行驶安全性。同上述两种换档方法比较，虽然它有结构复杂、制造精度要求高、轴向尺寸大等缺点，但仍然得到广泛应用。利用同步器或啮合套换档，其换档行程要比滑动齿轮换档行程小。

通过比较，考虑汽车的操纵性能，本设计全部档位均选用同步器换档。

2、防脱档设计

互锁装置是保证移动某一变速叉轴时，其它变速叉轴互被锁住，该机构的作用是防止同时挂入两档，而使挂档出现重大故障。常见的互锁机构有：（1）互锁销式

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图2-4是汽车上用得最广泛的一种机构，互锁销和顶销装在变速叉轴之间，用销子的长度和凹槽来保证互锁。

图2-4，a为空档位置，此时任一叉轴可自由移动。图2-4，b、c、d为某一叉轴在工作位置，而其它叉轴被锁住。

（2）摆动锁块式

图2-5为摆动锁块式互锁机构工作示意图，锁块用同心轴螺钉安装在壳体上，并可绕螺钉轴线自由转动，操纵杆的拨头置于锁块槽内，此时，锁块的一个或两个突起部分A档住其它两个变速叉轴槽，保证换档时不能同时挂入两档。

（3）转动钳口式

图2-6为与上述锁块机构原理相似的转动钳口式互锁装置。操纵杆拨头置于钳口中，钳形板可绕A轴转动。选档时操纵杆转动钳形板选入某一变速叉轴槽内，此时钳形板的一个或两个钳爪抓住其它两个变速叉，保证互锁作用。

图2-5 摆动锁块式互锁机构

图2-6转动钳口式互锁机操纵机

构还应设有保证不能误挂倒档的机构。通常是在倒档叉或叉头上装有弹簧机构，使司机在换档时因有弹簧力作用，产生明显的手感。

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锁止机构还包括自锁、倒档锁两个机构。

自锁机构的作用是将滑杆锁定在一定位置，保证齿轮全齿长参加啮合，并防止脱档和挂档。自锁机构有球形锁定机构与杆形锁定机构两种类型。

倒档锁的作用是使驾驶员必须对变速杆施加更大的力，方能挂入倒档，起到提醒注意的作用，以防误挂倒档，造成安全事故。本次设计属于前置前轮驱动的轿车，操纵机构采用直接操纵方式，锁定机构全部采用，即设置自锁、互锁、倒档锁装置。采用自锁钢球来实现自锁，通过互锁销实现互锁。倒档锁采用限位弹簧来实现，使驾驶员有感觉，防止误挂倒档。

2.3本章小结

本章主要介绍了变速器传动机构的布置方案和零、部件结构方案进行了系统的分析，并给出了此次设计的具体方案，即设计两轴式变速器，倒挡布置方案如图2-2（f）所示，前进挡皆为斜齿圆柱齿轮，倒挡为直齿圆柱齿轮，采用全同步器式换挡形式，圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承。并且对操纵机构做了详细的介绍，说明了常用的锁止机构的结构及原理。

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