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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
雙離合器式自動(dòng)變速器
的六檔齒輪變速器設(shè)計(jì)
院系名稱： 汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)班級(jí)： 車輛工程07-7班
學(xué)生姓名： 趙國(guó)慶
指導(dǎo)教師： 趙雨旸
職 稱： 副教授
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一一年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Design on six-speed gear transmission of dual-clutch automatic transmission
Candidate：Zhao Guoqing
Specialty：Vehicle engineering
Class： B07-7
Supervisor：Associate Prof. Zhao Yuyang
Heilongjiang Institute of Technology
2011-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1課題研究的目的和意義 1
1.2課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3雙離合器式自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理 4
1.3.1雙離合器式自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 4
1.3.2雙離合器式自動(dòng)變速器的工作原理 7
1.4課題研究的主要內(nèi)容與技術(shù)路線 8
第2章 雙離合器式變速器設(shè)計(jì)方案的選擇 10
2.1變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和布置方案的確定 10
2.1.1兩軸式變速器和中間軸式變速器的特點(diǎn)分析 10
2.1.2變速器倒檔布置方案分析 11
2.2變速器零、部件結(jié)構(gòu)方案分析確定 12
2.2.1齒輪形式 12
2.2.2變速器自動(dòng)脫檔機(jī)構(gòu)形式分析 12
2.3本章小結(jié) 13
第3章 變速器主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 14
3.1變速器各檔傳動(dòng)比確定 14
3.1.1設(shè)計(jì)的給定參數(shù) 14
3.1.2主減速比的確定 14
3.1.3 變速器一檔傳動(dòng)比的確定 15
3.1.4變速器各檔傳動(dòng)比的確定 16
3.2變速器中心距的確定 17
3.3變速器的齒輪參數(shù)的確定 18
3.3.1齒輪模數(shù) 18
3.3.2壓力角及螺旋角 18
3.3.3齒寬 19
3.3.4齒頂高系數(shù) 19
3.3.5齒輪的修正 20
3.4變速器各檔齒輪齒數(shù)的分配 21
3.4.1確定各檔齒輪齒數(shù)及其參數(shù) 21
3.5本章小結(jié) 24
第4章 變速器齒輪的材料選擇及校核計(jì)算 25
4.1 齒輪的材料選擇 25
4.1.1 齒輪的失效形式 25
4.1.2 齒輪的常用材料及材料的選擇 26
4.2齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 26
4.2.1輪齒的彎曲應(yīng)力 27
4.2.2輪齒接觸應(yīng)力 29
4.2.3各檔齒輪的強(qiáng)度計(jì)算校核 30
4.3本章小結(jié) 33
第5章 變速器軸和軸承的設(shè)計(jì)及校核計(jì)算 34
5.1軸的設(shè)計(jì) 34
5.1.1軸的功用及其設(shè)計(jì)要求 34
5.1.2軸的尺寸 34
5.2軸的剛度驗(yàn)算 35
5.2.1軸剛度計(jì)算公式 35
5.2.2一檔主動(dòng)齒輪處軸的剛度計(jì)算 36
5.2.3一擋從動(dòng)齒輪處軸的剛度校核 37
5.2.4二檔主動(dòng)齒輪處軸的剛度計(jì)算 39
5.2.5二擋從動(dòng)齒輪處軸的剛度校核 40
5.2.6三檔主動(dòng)齒輪處軸的剛度計(jì)算 42
5.2.7三擋從動(dòng)齒輪處軸的剛度校核 43
5.2.8四檔主動(dòng)齒輪處軸的剛度計(jì)算 45
5.2.9四擋從動(dòng)齒輪處軸的剛度校核 46
5.2.10五檔主動(dòng)齒輪處軸的剛度計(jì)算 48
5.2.11五擋從動(dòng)齒輪處軸的剛度校核 49
5.2.12六檔從動(dòng)齒輪處軸的剛度計(jì)算 51
5.2.13倒擋的剛度校核 53
5.3軸的強(qiáng)度計(jì)算 57
5.3.1實(shí)心輸入軸的強(qiáng)度校核 58
5.3.2一擋輸出軸段的強(qiáng)度校核 59
5.3.3空心輸入軸的強(qiáng)度校核 61
5.3.4倒檔軸的強(qiáng)度校核 63
5.3.5倒擋輸出軸段的強(qiáng)度校核 64
5.4軸承的選擇及校核 66
5.4.2一擋輸出軸承的校核 68
5.4.3倒擋軸軸承的校核 69
5.4.4倒擋時(shí)輸出軸承的校核 70
5.5本章小結(jié) 71
第6章 同步器的確定 72
6.1鎖環(huán)式同步器 72
6.2本章小結(jié) 76
結(jié)論 77
參考文獻(xiàn) 78
致謝 80
附錄 81
附錄A 外文文獻(xiàn)原文 81
附錄B 外文文獻(xiàn)中文翻譯 84
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
本設(shè)計(jì)是雙離合式自動(dòng)變速器的六擋齒輪變速器設(shè)計(jì)，根據(jù)前期的資料收集，可以了解到DSG結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)和其傳動(dòng)原理，根據(jù)收集的資料DSG大體可分為三種結(jié)構(gòu)形式，分別為單輸出軸式、雙輸出軸式、三輸出軸式。對(duì)于單輸出軸式由于軸向尺寸大，多用于后驅(qū)車上，對(duì)于雙輸出軸式和三輸出軸式由于軸向尺寸小多用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)上。本文設(shè)計(jì)研究了三輸出軸式六擋齒輪變速器，其目的主要是將汽車設(shè)計(jì)材料力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖等相關(guān)知識(shí)的有機(jī)結(jié)合、熟練運(yùn)用。對(duì)變速器中的相關(guān)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，用AutoCAD軟件繪制裝配圖和零件圖等。設(shè)計(jì)過(guò)程完成以下內(nèi)容：撰寫(xiě)變速器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，了解國(guó)內(nèi)外變速器的發(fā)展現(xiàn)狀。結(jié)合收集的資料選著傳動(dòng)方案，明確所設(shè)計(jì)變速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理。結(jié)合任務(wù)書(shū)中所給定的數(shù)據(jù)進(jìn)行齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括齒輪基本參數(shù)計(jì)算以及齒輪的強(qiáng)度校核計(jì)算。軸和軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括軸的剛度校核和強(qiáng)度校核。強(qiáng)度校核要畫(huà)出相應(yīng)的彎矩、扭矩圖。對(duì)同步器的工作原理、設(shè)計(jì)過(guò)程及選擇方法進(jìn)行闡述，以便選擇合適的同步器。
關(guān)鍵詞：雙離合器；齒輪變速器；自動(dòng)變速器；軸；齒輪；變位系數(shù)
ABSTRACT
This design is a dual-clutch six-speed automatic transmission. According to the preliminary data collection, I understand the structural characters of DSG and its drive principle. DSG can be roughly divided into three stractural forms, single-output shaft, dual-output shaft and three-output shaft. Because of the big size of the single-output shaft, it is usually used on the back opposite the other two. This thesis discuss six-speed gear transmission of the three-output shift. The purpose is to put design material, mechanics automatic design and mechanicle drawing together. This article calculates the relevant parts of the transmission and draws patterns by Auto CAD. Following completion of the design process,Write transmission’s history current situation and comprehend the development of transmission in and out our country. Pick out the plan according to the data and make clear the stracture features and working principle. Calculate the gear on the basic parameter and gear strength check calculation. The calculation of shaft and bearing including the stiffness and strength. In order to pick out the right synchronizer, this article expounds the synchronizer’s working principle, design process and selection methods.
Key words: dual- clutch;gear transmission ;automatic transmission ;axis;gear ;variable coefficient
II
第1章 緒 論
1.1課題研究的目的和意義
雙離合器自動(dòng)變速器(Dual Clutch Transmission，即DCT)是一種機(jī)械式自動(dòng)變速器，采用液壓以及電子系統(tǒng)控制檔位的變換，能夠有效的縮短換檔時(shí)間，有效提高換檔品質(zhì)。而且這種換檔方式也可以方便的應(yīng)用于混合動(dòng)力車輛，具有優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用前景，是一種很新的技術(shù)雙離合器自動(dòng)變速器既繼承了手動(dòng)變速箱傳動(dòng)效率高、安裝空間緊湊、重量輕、價(jià)格便宜等許多優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)了換檔過(guò)程的動(dòng)力換檔，即在換檔過(guò)程中不中斷動(dòng)力，在換檔過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力始終不斷的被傳遞到車輪，所以這樣完成的換檔過(guò)程為動(dòng)力換檔。車輛實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力換檔過(guò)程，將大大提高換檔舒適性，同時(shí)也保證車輛具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，使車輛油耗和排放等方面得到改善，所以對(duì)節(jié)能減排具有重大意義。通過(guò)對(duì)雙離合器式自動(dòng)變速器設(shè)計(jì)過(guò)程的了解，使我對(duì)其結(jié)構(gòu)形式原理都有了深刻的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也對(duì)變速器的發(fā)展進(jìn)以及發(fā)展形勢(shì)程有了一定的了解，這也能鍛煉我獨(dú)立思考和繪圖的能力，在變速器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，變速器的基本參數(shù)的選擇是十分重要的，因?yàn)檫@些與汽車的動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性，行駛穩(wěn)定性等都是密切相關(guān)的，通過(guò)對(duì)雙離合式自動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)讓我更加的了解變速器參數(shù)的選擇過(guò)程對(duì)汽車性能的影響，變速器的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，所以這對(duì)設(shè)計(jì)者有著較高的要求，同時(shí)也使我對(duì)雙離合式自動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)過(guò)程以及設(shè)計(jì)方法有了一定的認(rèn)識(shí)。
1.2課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
現(xiàn)今的汽車變速器發(fā)展的十分迅速，各大公司紛紛推出新的產(chǎn)品，但是變速器技術(shù)的每次革新都與汽車相關(guān)科學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)，計(jì)算機(jī)技術(shù),先進(jìn)制造技術(shù)，機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)，模擬仿真材料科學(xué)等都為變速器的發(fā)展提供了有力的保障，同時(shí)變速器的發(fā)展也為相關(guān)科學(xué)技術(shù)提出了更高的要求。
1894年，一個(gè)法國(guó)工程師給一輛汽車裝上世界上第一個(gè)變速器至今，汽車變速器已經(jīng)經(jīng)過(guò)了一百多年的發(fā)展。變速器，英文Transmission，作為汽車重要的組成部分，是承擔(dān)放大發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，實(shí)現(xiàn)理想動(dòng)力傳遞，從而適應(yīng)各種路況實(shí)現(xiàn)汽車行駛的主要裝置。從最初采用側(cè)鏈傳動(dòng)到手動(dòng)變速器，及至液力自動(dòng)變速器和電控機(jī)械式自動(dòng)變速器，再到現(xiàn)在無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器的普及，在汽車工業(yè)技術(shù)不斷前進(jìn)的同時(shí)，變速器也向著更平順、更省油、更富駕駛樂(lè)趣的方向不斷發(fā)展。直至雙離合自動(dòng)變速器的出現(xiàn)，變速器技術(shù)又伴隨著速度和夢(mèng)想，邁向了一個(gè)全新的高度[3]。
人們所熟知的變速器一般有手動(dòng)變速器和自動(dòng)變速器。傳統(tǒng)的變速器利用不同的齒輪搭配實(shí)現(xiàn)了上述目的，而齒輪搭配的變換就只有靠腳踩離合手拉擋桿來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就是所謂的手動(dòng)變速器。為實(shí)現(xiàn)輕松換擋，取消離合腳踏和手動(dòng)掛擋的AT(AutomaticTransmission)變速器出現(xiàn)了，它主要利用液力變扭器配合傳統(tǒng)機(jī)械齒輪箱實(shí)現(xiàn)換擋功能。人們通常所說(shuō)的自動(dòng)變速汽車就是使用了這種AT。
隨著市場(chǎng)對(duì)于車輛平順舒適、高效節(jié)能的要求不斷升級(jí)，大眾公司和博格華納攜手突破技術(shù)界限，打造出了一款換檔平順動(dòng)感，大幅度減少能耗，且能夠配合于大扭矩，大排量發(fā)動(dòng)機(jī)的變速器——DSG雙離合自動(dòng)變速器。
雙離合器自動(dòng)變速器(DCT)是一種機(jī)械式自動(dòng)變速器，它保持了AMT的各種優(yōu)點(diǎn)，但其動(dòng)力傳遞通過(guò)兩個(gè)離合器聯(lián)結(jié)兩根輸入軸，相鄰各檔的被動(dòng)齒輪交錯(cuò)與兩輸入軸齒輪嚙合，配合兩離合器的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)在不切斷動(dòng)力的情況下轉(zhuǎn)換傳動(dòng)比，從而縮短換檔時(shí)間，有效提高換檔品質(zhì)。而且這種換檔方式也可以方便的應(yīng)用于混合動(dòng)力車輛，具有優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用前景，是一種很新的技術(shù) 。雙離合器自動(dòng)變速器既繼承了手動(dòng)變速箱傳動(dòng)效率高、安裝空間緊湊、重量輕、價(jià)格便宜等許多優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)了換檔過(guò)程的動(dòng)力換檔，即在換檔過(guò)程中不中斷動(dòng)力，保留了AT,CVT等換檔品質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)電控機(jī)械式自動(dòng)速器來(lái)說(shuō)，是一個(gè)巨大的進(jìn)步[1]。
雙離合器自動(dòng)變速器具有高效率和舒適性，自從問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)取得了巨大的市場(chǎng)。開(kāi)發(fā)雙離合自動(dòng)變速器技術(shù)的核心就在于雙離合器模塊、扭振減震器模塊和控制模塊的技術(shù)。這些模塊是雙離合器自動(dòng)變速器中的關(guān)鍵零部件，是這種先進(jìn)的自動(dòng)變速器的心臟和大腦。2003年世界首款雙離合器自動(dòng)變速器投放市場(chǎng)，使用的就是美國(guó)博格華納公司生產(chǎn)的模塊。目前雙離合變速器的核心技術(shù)掌握在美國(guó)博格華納(BorgWarner)和德國(guó)舍弗勒(Schaeffler)集團(tuán)手中。博格華納是大眾第一代六速DSG（大眾的DCT）關(guān)鍵技術(shù)的提供者，為大眾DSG提供濕式雙離合。大眾推出了新一代干式七速雙離合變速器，由德國(guó)舍弗勒集團(tuán)旗下的LucK公司提供。
2003年初率先在GolfR32和AudiTT3.2兩款車型上使用。博格華納因其產(chǎn)品創(chuàng)新和加工精細(xì)而贏得了2005年度北美供應(yīng)商超級(jí)大獎(jiǎng)。雙離合器自動(dòng)變速技術(shù)使得手動(dòng)變速器具備自動(dòng)性能，同時(shí)大大改善了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)用該技術(shù)可以保證變速器在換檔時(shí)消除汽車動(dòng)力中斷現(xiàn)象。
DCT工作時(shí)，車輛先以某個(gè)與一個(gè)離合器相連的檔位運(yùn)行，車輛自動(dòng)變速器電控單元可以根據(jù)相關(guān)傳感器的信號(hào)判斷即將進(jìn)入工作的與另一個(gè)離合器相連的下一檔位，因該檔位還未傳遞動(dòng)力，故指令液壓控制電磁閥十分方便的控制換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)，預(yù)先嚙合這一檔位，在車輛運(yùn)行達(dá)到換檔點(diǎn)時(shí)，只需要將正在工作的離合器分離，同時(shí)將另一個(gè)離合器接合，則使汽車以下一個(gè)檔位行駛。在換檔過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力始終不斷的被傳遞到車輪，所以這樣完成的換檔過(guò)程為動(dòng)力換檔。車輛實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力換檔過(guò)程，將大大提高換檔舒適性，同時(shí)也保證車輛具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，使車輛油耗和排放等方面得到改善[1]。
早在上世紀(jì)80年代，汽車工程界就弄出了一個(gè)雙離合系統(tǒng)變速器，簡(jiǎn)稱DSG（英文全稱：Direct Shift Gearbox），裝配在賽車上，能消除換檔離合時(shí)的動(dòng)力傳遞停滯現(xiàn)象。例如 布加迪EBl6.4 Veyron的新型7速變速器是裝置了雙離合器，從一個(gè)檔位換到另一個(gè)檔位，時(shí)間不會(huì)超過(guò)0.2秒?，F(xiàn)在，這種雙離合器已經(jīng)從賽車應(yīng)用到一般跑車上。奧迪汽車公司的新型奧迪TT跑車和新奧迪A3都已經(jīng)裝置了這種DSG。這些汽車裝配DSG的目的是可以比自動(dòng)變速器更加平順地?fù)Q檔，不會(huì)有遲滯現(xiàn)象。
到了20世紀(jì)90年代末期，大眾公司和博格華納攜手合作生產(chǎn)第一個(gè)適用于大批量生產(chǎn)和應(yīng)用于主流車型的DualTronic(R) 技術(shù)雙離合變速器，稱之為DSG。博格華納公司通過(guò)使用新的電子液壓元件使DCT變成了實(shí)用性很強(qiáng)的變速器。2002年，DSG應(yīng)用在德國(guó)大眾高爾夫R32和奧迪TT V6上。2003年，其相繼推廣到高爾夫等其他車型上?！?
在我國(guó)汽車市場(chǎng)規(guī)模的高速增長(zhǎng)的情況下，汽車關(guān)鍵零部件進(jìn)入高速發(fā)展期。變速器作為汽車動(dòng)力總成的重要組成部分，也得到了很大的發(fā)展，自動(dòng)變速器，自從1939年被美國(guó)通用汽車公司首次在轎車上應(yīng)用，至今已經(jīng)成為全球汽車業(yè)的主流選擇。目前在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中實(shí)際得到應(yīng)用的自動(dòng)變速器主要有四種類型：液力自動(dòng)變速器（AT）、機(jī)械自動(dòng)變速器（AMT）、無(wú)極變速器（CVT）、雙離合自動(dòng)變速器（DCT）。四類自動(dòng)變速器關(guān)鍵技術(shù)相似，各有特色部件，制造難易程度不同，使用性能各有優(yōu)缺點(diǎn)，適應(yīng)不同的細(xì)分市場(chǎng)。現(xiàn)今，日本多倡導(dǎo)CVT，北美市場(chǎng)則是AT占主導(dǎo)，在歐洲則是DCT被大量采用。上汽與GIF科技公司合作開(kāi)發(fā)DCT，正是采用技術(shù)合作聯(lián)合開(kāi)發(fā)的模式。而GIF公司針對(duì)我國(guó)汽車市場(chǎng)對(duì)節(jié)能環(huán)保小排量車的需求，又通過(guò)其獨(dú)資企業(yè)GRC吉孚動(dòng)力技術(shù)（中國(guó)）有限公司將專門(mén)為經(jīng)濟(jì)型小車設(shè)計(jì)的KRG變速器技術(shù)帶到中國(guó)市場(chǎng)，希望尋找整車廠進(jìn)行技術(shù)合作。這種變速器由于沒(méi)有液壓裝置，成本可以降低一半，同時(shí)又可以滿足降低油耗和二氧化碳排放的要求，是非常適合小型車的自動(dòng)變速器。表1.1 為對(duì)各型變速器在歐洲市場(chǎng)占有率的預(yù)估。
表1.1 各種變速器市場(chǎng)占有率
變速器型式
市場(chǎng)占有率
2000年
2010年
AT
11.9%
25%
CVT
0.5%
5%
MT
87%
45%
AMT
0.6%
12%
DCT
0%
13%
我國(guó)汽車工業(yè)起步較晚，現(xiàn)在的生產(chǎn)線也多以生產(chǎn)手動(dòng)擋變速器為主，高檔的自動(dòng)變速器主要依靠進(jìn)口，而生產(chǎn)DCT變速器可以充分利用原有手動(dòng)變速器的生產(chǎn)設(shè)備，新增投資較少，比較適合我國(guó)國(guó)情[4]。
1.3雙離合器式自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理
1.3.1雙離合器式自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
DCT主要包括帶扭轉(zhuǎn)減振器的濕式離合器系統(tǒng)、按DCT工作原理配置的變速器及換擋系統(tǒng)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)。
（1）扭轉(zhuǎn)減振系統(tǒng)
由于在DCT中沒(méi)有使用液力變矩器等可以吸收系統(tǒng)振動(dòng)的元件，所以需要采用扭轉(zhuǎn)減振器來(lái)吸收系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
在DCT系統(tǒng)中，可以采用普通的單級(jí)或多級(jí)扭轉(zhuǎn)減振器，其安裝位置在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪與DCT動(dòng)力輸入部件之間，因此需要將飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與DCT動(dòng)力輸入件的慣量綜合匹配，并確定系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度來(lái)設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)減振器。
但是，為了使整車實(shí)現(xiàn)更高的舒適性，可以將扭轉(zhuǎn)減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)為帶有雙質(zhì)量飛輪式的扭轉(zhuǎn)減振器，這樣可以非常有效地控制汽車動(dòng)力傳動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及噪聲。與傳統(tǒng)的離合器從動(dòng)盤(pán)式扭轉(zhuǎn)減振器相比，雙質(zhì)量飛輪式扭轉(zhuǎn)減振器還可加大減振彈簧位置半徑，降低減振彈簧剛度并允許增大轉(zhuǎn)角，不僅在常用車速范圍內(nèi)的減振和隔振效果好，而且對(duì)怠速噪聲也能實(shí)現(xiàn)更有效的控制，堪稱高效能廣譜減振器。裝備這種減振器的德國(guó)BMW324D汽車曾被稱之為“世界上最安靜的柴油車”。圖1.1分別為采用傳統(tǒng)減振器與采用雙質(zhì)量飛輪式扭轉(zhuǎn)減振器時(shí)變速器后端振動(dòng)加速度的比較[2]。
圖1.1 變速器后端振動(dòng)加速比較
（2）離合器系統(tǒng)
在DCT中，既可以采用干式離合器，也可以采用濕式離合器，但兩者的工作特性存在較大的差別。
干式離合器可以通過(guò)壓板和飛輪吸收較大熱量，對(duì)滑磨產(chǎn)生熱量的速度不敏感，但因?yàn)榭諝馍彷^慢，熱量不易在短時(shí)間內(nèi)散發(fā)出去，因此它受滑磨產(chǎn)生的總熱量的限制。干式離合器適于在短時(shí)間內(nèi)結(jié)合，這樣滑磨時(shí)間短，產(chǎn)生熱量少。其滑磨功特性曲線如圖1.2（a）所示[2]。
濕式離合器用油冷卻摩擦片，它受限于產(chǎn)生熱量的速度，但不受產(chǎn)生的總熱量的限制，所以適用于離合器結(jié)合過(guò)程中壓力逐步增加、發(fā)熱速度較慢的場(chǎng)合。其滑磨功特性如圖1.2（b）,所示。在設(shè)計(jì)中可以選用較小的離合器儲(chǔ)備系數(shù)，并控制加壓油缸的油壓增長(zhǎng)速度，使摩擦扭矩逐步增加。
另外，干式離合器的結(jié)構(gòu)尺寸較大，特別是軸向尺寸長(zhǎng)，這樣，在車上布置2個(gè)干式離合器，而且還要布置2個(gè)離合器的操縱機(jī)構(gòu)時(shí)需要的空間很大并且，在離合器片磨損后，需要定期更換摩擦片。這都給DCT采用干式離合器帶來(lái)了困難。
相對(duì)而言，在DCT中使用濕式離合器更具有優(yōu)勢(shì)：其傳遞扭矩大，可以通過(guò)增加摩擦片數(shù)來(lái)提高摩擦扭矩；結(jié)構(gòu)布置方便，摩擦片磨損均勻，使用中不需要專門(mén)調(diào)整摩擦片間隙；可以較容易的通過(guò)控制濕式離合器的工作壓力來(lái)控制其傳遞扭矩的大小，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的扭矩控制。類似于變扭器，濕式多片式離合器是利用液壓壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)齒輪。當(dāng)離合器結(jié)合時(shí)，離合器活塞內(nèi)的液壓使一組螺旋彈簧零件受力，這將驅(qū)使一組離合器盤(pán)和摩擦盤(pán)壓在固定的壓力盤(pán)上，油壓的建立是由變速箱控制器指令電磁閥來(lái)控制的。摩擦片內(nèi)緣處有內(nèi)花鍵齒，以便與離合器鼓上的外花鍵相嚙合。離合器鼓與齒輪組相連，這樣就可以接受傳遞過(guò)來(lái)的力。為分離離合器，離合器活塞中的液壓就會(huì)降低，在彈簧的作用下，離合器就會(huì)分開(kāi)。奧迪的DSG變速箱在濕式多片式離合器中既有小的螺旋彈簧也有大的膜片彈簧。雙離合器變速箱(DCT)中有2個(gè)離合器，他們的工作狀態(tài)是相反的，不會(huì)發(fā)生2個(gè)離合器同時(shí)接合的情形。
（a）干式 （b）濕式
圖1.2 干式、濕式離合器產(chǎn)生的滑磨功
（3）液壓控制系統(tǒng)
DCT的液壓控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接受電控系統(tǒng)的控制指令，對(duì)離合器和變速器的換擋機(jī)構(gòu)進(jìn)行操縱。液壓控制系統(tǒng)主要包括：雙離合器控制部分、換擋機(jī)構(gòu)控制部分和冷卻部分。
雙離合器控制部分是通過(guò)對(duì)離合器油缸充入和釋放高壓油來(lái)實(shí)現(xiàn)離合器的分離和接合的。離合器油缸通過(guò)直接使用電磁閥或采用電磁閥做先導(dǎo)閥進(jìn)行動(dòng)作控制，并且也可以使用線性電磁閥對(duì)離合器接合實(shí)現(xiàn)壓力控制，這對(duì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的扭矩控制有利。
雙離合器變速箱(DCT)的檔位切換是由檔位選擇器來(lái)操作的，檔位選擇器實(shí)際上是個(gè)液壓馬達(dá)，推動(dòng)撥叉就可以進(jìn)入相應(yīng)的檔位，由液壓控制系統(tǒng)來(lái)控制它們的工作。以一個(gè)典型的6檔雙離合器變速箱(DCT)為例，液壓控制系統(tǒng)中有6個(gè)油壓調(diào)節(jié)電磁閥，用來(lái)調(diào)節(jié)2個(gè)離合器和4 個(gè)檔位選擇器中的油壓壓力，還有5 個(gè)開(kāi)關(guān)電磁閥，分別控制檔位選擇器和離合器的工作。
在DCT中，必須實(shí)現(xiàn)換擋過(guò)程的自動(dòng)化，這就要增加自動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)來(lái)完成換擋任務(wù)。通常使用多個(gè)換擋油缸直接控制每一個(gè)同步器，其控制過(guò)程與 AMT類同。
（4）電子控制系統(tǒng)
DCT的電子控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集車輛運(yùn)行信息、駕駛員的操作指令，實(shí)時(shí)在線的對(duì)車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合處理和判斷，并控制DCT的運(yùn)行。同時(shí)，電控系統(tǒng)還要負(fù)責(zé)與發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元以及其它系統(tǒng)的電控單元協(xié)調(diào)工作。圖1.3為電子控制系統(tǒng)框圖[2]。
圖1.3 DCT 電子控制系統(tǒng)框圖
1.3.2雙離合器式自動(dòng)變速器的工作原理
雙離合器變速箱使用兩個(gè)離合器，但沒(méi)有離合器踏板。最新的電子系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)控制著離合器，正如標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)變速箱中的一樣。在雙離合器變速箱中，離合器是獨(dú)立工作的。一個(gè)離合器控制了奇數(shù)檔位(如：1 檔、3 檔、5 檔和倒檔)，而另一個(gè)離合器控制了偶數(shù)檔位(如：2檔、4檔和6檔)。使用了這個(gè)布局，由于變速箱控制器根據(jù)速度變化，提前嚙合了下一個(gè)順序檔位，因此換檔時(shí)將沒(méi)有動(dòng)力中斷。其中最具創(chuàng)意的核心部分是雙離合器和機(jī)械部分變速箱中的兩軸式的輸入軸。這個(gè)精巧的兩軸式結(jié)構(gòu)分開(kāi)了奇數(shù)檔和偶數(shù)檔。不象傳統(tǒng)的手動(dòng)變速箱將所有檔位集中在一根輸入軸上，雙離合器變速箱(DCT)將奇數(shù)檔和偶數(shù)檔分布在兩根輸入軸上。 以6檔變速箱為例，內(nèi)部輸入軸上安裝了1檔、3檔、5檔和倒檔的齒輪，外部輸入軸上安裝了2檔、4檔和6檔的齒輪。這使得快速換檔成為可能，維持了換檔時(shí)的動(dòng)力傳遞。標(biāo)準(zhǔn)的手動(dòng)變速箱是做不到這點(diǎn)的，因?yàn)樗仨毷褂靡粋€(gè)離合器來(lái)控制所有的奇數(shù)檔和偶數(shù)檔。以DSG變速箱為例，簡(jiǎn)單介紹雙離合器變速箱(DCT)的工作過(guò)程：在 1 檔起步行駛時(shí)，動(dòng)力傳遞路線如下圖中直線和箭頭所示，外部離合器接合，通過(guò)內(nèi)部輸入軸到1 檔齒輪，再輸出到差速器。同時(shí)，圖中虛線和箭頭所示的路線是2 檔時(shí)的動(dòng)力傳輸路線，由于離合器2是分離的，這條路線實(shí)際上還沒(méi)有動(dòng)力在傳輸，是預(yù)先選好檔位，為接下來(lái)的升檔做準(zhǔn)備的。當(dāng)變速器進(jìn)入2 檔后，退出1 檔，同時(shí)3 檔預(yù)先結(jié)合。所以在DSG 變速器的工作過(guò)程中總是有2 個(gè)檔位是結(jié)合的，一個(gè)正在工作，另一個(gè)則為下一步做好準(zhǔn)備如圖1.4所示。DSG變速器在降檔時(shí)換擋過(guò)程同升擋過(guò)程。DSG變速器的升檔或降檔是由變速箱控制器(TCU)進(jìn)行判斷的，踩油門(mén)踏板時(shí)，變速箱控制器(TCU)判定為升檔過(guò)程，作好升檔準(zhǔn)備；踩制動(dòng)踏板時(shí)，變速箱控制器(TCU)判定為降檔過(guò)程，作好降檔準(zhǔn)備。一般變速器升檔總是一檔一檔地進(jìn)行的，而降檔經(jīng)常會(huì)跳躍地降檔，DSG 變速器在手動(dòng)控制模式下也可以進(jìn)行跳躍降檔。在跳躍降檔時(shí)，如果起始檔位和最終檔位屬于同一個(gè)離合器控制的，則會(huì)通過(guò)另一離合器控制的檔位轉(zhuǎn)換一下，如果起始檔位和最終檔位不屬于同一個(gè)離合器控制的，則可以直接跳躍降至所定檔位。
圖1.4 DCT變速器
1.4課題研究的主要內(nèi)容與技術(shù)路線
我在設(shè)計(jì)中參考了大眾車系02E直接換擋變速器，采用了鎖環(huán)式同步器的換檔。在設(shè)計(jì)中，除了對(duì)汽車變速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的布置外，還運(yùn)用了汽車設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料力學(xué)等知識(shí)，對(duì)變速器的重要零件—軸和齒輪進(jìn)行受力分析，由于變速器齒輪的損壞形式主要有：輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、移動(dòng)換擋齒輪端部破壞以及齒面膠合。故對(duì)對(duì)齒輪進(jìn)行了彎曲疲勞強(qiáng)度校核和接觸疲勞強(qiáng)度校核，對(duì)于軸來(lái)說(shuō)，變速器工作時(shí)，由于齒輪上有圓周力、徑向力和軸向力的作用，變速器的軸要承受轉(zhuǎn)矩和彎矩。要求變速器的軸應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度。因?yàn)閯偠炔蛔爿S會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，結(jié)果破壞了齒輪的正確嚙合，對(duì)軸的強(qiáng)度、耐磨性和工作噪聲等均有不利影響，因此要對(duì)變速器的軸進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度校核，同時(shí)也要考慮零件選擇合理的工程材料和熱處理方法，使其獲得良好的力學(xué)性能，同時(shí)確定同步器的主要參數(shù)，選擇同步器。查閱相關(guān)資料，了解DSG變速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及其總體的布置形式，綜合各種布置形式，結(jié)合任務(wù)書(shū)中的數(shù)據(jù)以及參考車型確定變速器的總體布置方案，
本次設(shè)計(jì)主要是依據(jù)參考的大眾車系02E直接換擋變速器，通過(guò)對(duì)變速器各組成部分參數(shù)的選擇和計(jì)算，設(shè)計(jì)出一種基本符合要求的手動(dòng)6擋變速器。本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：
（1）變速器基本參數(shù)的計(jì)算。包括變速器滾動(dòng)半徑的近似計(jì)算、傳動(dòng)比的范圍計(jì)算、各檔位傳動(dòng)比分配計(jì)算、初選中心距計(jì)算、確定中心距計(jì)算、各檔齒輪齒 數(shù)的分配、齒輪參數(shù)計(jì)算；
（2）變速器齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算。變速器齒輪幾何尺寸計(jì)算；變速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算及材料選擇；
（3）變速器軸設(shè)計(jì)計(jì)算。包括各軸直徑及長(zhǎng)度計(jì)算、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸的強(qiáng)度校核、剛度計(jì)算；
（4）變速器軸承的選擇及校核；
（5）同步器的主要參數(shù)的確定與選擇；
第2章 雙離合器式變速器設(shè)計(jì)方案的選擇
2.1變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和布置方案的確定
由于DSG實(shí)際是在傳統(tǒng)的機(jī)械式變速器的基礎(chǔ)上結(jié)合雙離合技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋的變速器，可將DSG拆分為機(jī)械式變速器和雙離合器兩部分。故其變速器部分設(shè)計(jì)方法同機(jī)械式變速器，而機(jī)械式變速器的傳動(dòng)效率與所選用的傳動(dòng)方案有關(guān)，包括齒輪副的數(shù)目、齒輪的轉(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。
通常，變速器的擋數(shù)可在3~20個(gè)擋位范圍內(nèi)變化。通常變速器的擋數(shù)在6擋以下，當(dāng)擋數(shù)超過(guò)6擋以后，可在6擋以下的主變速器基礎(chǔ)上，再行配置副變速器，通過(guò)兩者的組合獲得多擋變速器。增加變速器的擋數(shù)，能夠改善汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性以及平均車速。擋數(shù)越多，變速器的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，并且是輪廓尺寸和質(zhì)量加大，同時(shí)操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜，而且相鄰擋位之間的比值在1.8以下，該值越小換擋工作越容易進(jìn)行。因高擋使用頻率高，所以又要求高擋區(qū)相鄰擋位之間的傳動(dòng)比比值，要比低擋區(qū)相鄰擋位之間的傳動(dòng)比比值小。今年來(lái)，為了降低油耗，變速器的擋數(shù)有增加的趨勢(shì)。目前乘用車一般用4~5個(gè)擋位的變速器，發(fā)動(dòng)機(jī)排量大的乘用車多用5個(gè)擋。商用車變速器采用4~5個(gè)擋或是多擋。載質(zhì)量在2.0~3.5t的貨車采用五擋變速器，載質(zhì)量在4.0~8.0t的貨車采用六擋變速器。多檔變速器多用于總質(zhì)量大些的貨車和越野車上。變速器的傳動(dòng)比范圍是指變速器最低擋傳動(dòng)比與最高擋傳動(dòng)比的比值。最高擋通常是直接擋，傳動(dòng)比為1.0；有的變速器最高擋是超速擋，傳動(dòng)比為0.7~0.8。影響最低擋傳動(dòng)比選取的因素有：發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速所要求的汽車最大爬坡能力（這里取最大爬坡度為16.7°）、驅(qū)動(dòng)輪與路面間的附著力、主減速比和驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑以及所要求達(dá)到的的最低穩(wěn)定行駛車速等。目前乘用車的傳動(dòng)比范圍在3.0~4.5之間，總質(zhì)量輕些的商用車在5.0~8.0之間，其他商用車則更大。
2.1.1兩軸式變速器和中間軸式變速器的特點(diǎn)分析
DSG的機(jī)械變速器部分與兩軸式和中間軸式變速器的結(jié)構(gòu)上是不同的，但DSG中齒輪布置、軸的設(shè)計(jì)計(jì)算均可借鑒于兩軸軸式和中間軸變速器，所以在這里要簡(jiǎn)單的了解一下兩軸及中間軸式變速器的特點(diǎn)。
1．兩軸式變速器 固定軸式變速器中的兩軸式和中間軸式變速器應(yīng)用廣泛。其中兩軸式變速器多用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)汽車上。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輪廓尺寸小和容易布置等優(yōu)點(diǎn)，此外，各中間擋位因?yàn)橹唤?jīng)一對(duì)齒輪傳遞動(dòng)力，故傳動(dòng)效率高同時(shí)噪聲也低。因兩軸式變速器不能設(shè)置直接擋，所以在高擋工作時(shí)齒輪和軸承均承載，不僅工作噪聲增大，也增加了磨損，這是它的缺點(diǎn)。另外，低擋傳動(dòng)比取值上限也受到較大限制，但這一缺點(diǎn)可以通過(guò)減小各高擋傳動(dòng)比同時(shí)增大主減速比來(lái)消除。還有，受結(jié)構(gòu)限制，兩軸式變速器的一擋速比不可能設(shè)計(jì)得很大。對(duì)于前進(jìn)擋，兩軸式變速器輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反；而中間軸式變速器的第一軸與輸出州的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。
2．中間軸式變速器 中間軸式變速器多用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)后置后輪驅(qū)動(dòng)的汽車上。其特點(diǎn)是：變速器一軸后端與常嚙合齒輪做成一體。絕大多數(shù)方案的第二軸前端經(jīng)軸承支承在第一軸后端的孔內(nèi)，且保持兩軸軸線在同一條直線上，經(jīng)嚙合套將它們連接后可得到直接檔，使用直接檔，變速器齒輪和軸承及中間軸不承載，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的利用率要高于其他檔位，因而提高了變速器的使用壽命；在其他前進(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)方案中除了一檔以外的其他檔位的換擋機(jī)構(gòu)，均采用同步器或嚙合套換擋，少數(shù)結(jié)構(gòu)的一檔也采用同步器或結(jié)合套換擋，還有各檔同步器或結(jié)合套多數(shù)情況下裝在第二軸上[17]。
2.1.2變速器倒檔布置方案分析
與前進(jìn)檔位比較，倒檔使用率不高，而且都是在停車狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)換倒檔，故多數(shù)方案采用直齒滑動(dòng)齒輪方式換倒檔。為實(shí)現(xiàn)倒檔傳動(dòng)，有些方案利用在中間軸和第二軸上的齒輪傳動(dòng)路線中，加入一個(gè)中間傳動(dòng)齒輪的方案；也有利用兩個(gè)聯(lián)體齒輪方案的。前者雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是中間傳動(dòng)齒輪的輪齒，是在最不利的正、負(fù)交替對(duì)稱變化的彎曲應(yīng)力狀態(tài)下工作；而后者是在較為有利的單向循環(huán)彎曲應(yīng)力狀態(tài)下工作，并使倒檔傳動(dòng)比略有增加。也有少數(shù)變速器采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜和使成本增加的嚙合套或同步器方案換入倒檔。
圖2.1為常見(jiàn)的倒檔布置方案。圖2.1b所示方案的優(yōu)點(diǎn)是換倒檔時(shí)利用了中間軸上的一檔齒輪，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，使換檔困難。圖2.1c所示方案能獲得較大的倒檔傳動(dòng)比，缺點(diǎn)是換檔程序不合理。圖2.1d所示方案適用于全部齒輪副均為常嚙合齒輪，換檔更為輕便，且能獲得較大的倒檔傳動(dòng)比。圖2.1e所示方案針對(duì)圖2.1c所示方案的缺點(diǎn)做了修改，因而取代了圖2.1c所示方案。圖2.1f所示方案是將中間軸上的一、倒檔齒輪做成一體，將其齒寬加長(zhǎng)。圖2.1g所示方案適用于全部齒輪副均為常嚙合齒輪，換檔更為輕便。為了充分利用空間，縮短變速器軸向長(zhǎng)度，有的貨車倒檔傳動(dòng)采用圖2.1h所示方案。其缺點(diǎn)是一、倒檔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。
2.2變速器零、部件結(jié)構(gòu)方案分析確定
圖2.1 倒檔布置方案
2.2.1齒輪形式
變速器齒輪有直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪兩種。與直齒圓柱齒輪比較,斜齒圓柱齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、作時(shí)噪聲低等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是制造時(shí)工藝復(fù)雜，工作時(shí)有軸向力，這對(duì)軸承不利。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檔[17]。
2.2.2變速器自動(dòng)脫檔機(jī)構(gòu)形式分析
自動(dòng)脫檔是變速器的主要故障之一。由于接合齒磨損、變速器剛度不足以及振動(dòng)等原因，都會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)脫檔。為解決這個(gè)問(wèn)題，除工藝上采取措施以外，目前在結(jié)構(gòu)上采取措施且行之有效的方案有以下幾種：
1．將兩接合齒的嚙合位置錯(cuò)開(kāi)，如圖2.2a所示。這樣在嚙合時(shí)，使接合齒端部超過(guò)被接合齒的1～3mm。使用中兩齒接觸部分受到擠壓同時(shí)磨損，并在接合齒端部形成凸肩，可用來(lái)阻止接合齒自動(dòng)脫檔。
2．將嚙合齒套齒座上前齒圈的齒厚切?。ㄇ邢?.3～0.6mm），這樣，換檔后嚙合套的后端面被后齒圈的前端面頂住，從而阻止自動(dòng)脫檔，如圖2.2b所示。
3．將接合齒的工作面設(shè)計(jì)并加工成斜面，形成倒錐角（一般傾斜2～3°），使接合齒面產(chǎn)生阻止自動(dòng)脫檔的軸向力，如圖2.2c所示。這種方案比較有效，應(yīng)用較多。將接合齒的齒側(cè)設(shè)計(jì)并加工成臺(tái)階形狀，也具有相同的阻止自動(dòng)脫檔的效果[16]。
a） b) c)
圖2.2防止自動(dòng)脫擋的機(jī)構(gòu)措施
2.3本章小結(jié)
本章主要針對(duì)變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析和布置方案方案的確定以及變速器零、部件的結(jié)構(gòu)的確定，為總體設(shè)計(jì)提供必要依據(jù)。
第3章 變速器主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1變速器各檔傳動(dòng)比確定
3.1.1設(shè)計(jì)的給定參數(shù)
選擇最低擋傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)根據(jù)汽車最大爬坡度、驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著力、汽車的最低穩(wěn)定車速以及主減速比和驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑等來(lái)綜合考慮確定。對(duì)于本設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中已給出擋位數(shù)目為6擋變速器。
根據(jù)現(xiàn)在任務(wù)書(shū)中提供的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表3.1。
表3.1 任務(wù)書(shū)給定參數(shù)
發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率
96KW
發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩
220N·m
發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速
1750~3500RPM
發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率轉(zhuǎn)速
5000RPM
汽車最高車速
200Km/h
輪胎類型與規(guī)格
205/55R16
汽車前軸負(fù)荷
8000N
汽車后軸負(fù)荷
7000N
3.1.2主減速比的確定
(3.1)
式中； ——汽車行駛速度（km/h）；
——車輪滾動(dòng)半徑（m）；
——變速器傳動(dòng)比；
——主減速器傳動(dòng)比。
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率轉(zhuǎn)速（r/min）
已知：最高車速==200km/h；最高檔為直接檔，傳動(dòng)比=0.8；車輪滾動(dòng)半徑由所選用的輪胎規(guī)格205/55R16得到==0.31595m；發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率轉(zhuǎn)速n==5000(r/min)發(fā)動(dòng)機(jī)；得到主減速器傳動(dòng)比：
3.1.3 變速器一檔傳動(dòng)比的確定
在選擇最低檔傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)根據(jù)汽車最大爬坡度、驅(qū)動(dòng)車輪和地面的附著力、汽車的最低穩(wěn)定車速以及主減速比和驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑等來(lái)綜合考慮來(lái)確定。
汽車行駛方程式
(3.2)
汽車爬坡時(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。由最低穩(wěn)定車速，最高擋通常是直接擋，傳動(dòng)比為1.0；有的變速器最高擋是超速擋，傳動(dòng)比為0.7~0.8，本設(shè)計(jì)取最高擋傳動(dòng)比為=0.8故有：
一般貨車的最大爬坡度約為30%，即=16.7°則由最大爬坡度要求的變速器1擋傳動(dòng)比為：
式中：——汽車載荷，；
——道路附著系數(shù)，；
——驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑，m；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N·m
——主減速比，；
——汽車傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率，。
將各數(shù)據(jù)代入公式：
根據(jù)驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著條件：
(3.3)
可求得變速器一檔傳動(dòng)比為：
(3.4)
式中：——汽車滿載靜止與水平路面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷，在任務(wù)書(shū)中已給出前軸載荷為8000N
——附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取；
將各數(shù)據(jù)代入上述公式得：
通過(guò)以上計(jì)算可得到1.84＜＜2.6008，，轎車變速器傳動(dòng)比變化范圍是3~4，中、輕型貨車約為5~6，其他貨車在7以上。所以在本設(shè)計(jì)中，取。
3.1.4變速器各檔傳動(dòng)比的確定
變速器各檔傳動(dòng)比之間的關(guān)系基本是幾何級(jí)數(shù),實(shí)際上，汽車傳動(dòng)系各擋的傳動(dòng)比大體上是按等比級(jí)數(shù)分配的。按等比級(jí)數(shù)分配傳動(dòng)比的主要目的還在于充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)提供的功率，提高汽車的動(dòng)力性。當(dāng)汽車需要大功率時(shí)，若排擋選擇恰當(dāng)，具有按等比分配傳動(dòng)比的變速器，能使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常在接近外特性最大功率處的大功率范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而增加了汽車的后備功率，提高了汽車的加速或上坡能力。
本設(shè)計(jì)變速器的最高檔為超速擋，其傳動(dòng)比為0.8，一檔傳動(dòng)比初選為2.4，中間各檔的傳動(dòng)比按理論公式 （其中n為檔位數(shù)）求得公比。
因?yàn)?，滿足要求（擋數(shù)多少影響擋與擋之間的傳動(dòng)比比值，比值越大會(huì)造成換擋困難，一般認(rèn)為比值不宜大于1.7~1.8）。所以：
3.2變速器中心距的確定
中心距是一個(gè)基本參數(shù)，其大小不僅對(duì)變速器的外形尺寸、體積和質(zhì)量大小有影響，而且對(duì)輪齒的接觸強(qiáng)度有影響。中心距越小，輪齒的接觸應(yīng)力越大，齒輪壽命越短。因此，最小允許中心距應(yīng)當(dāng)由保證輪齒有必要的接觸強(qiáng)度來(lái)確定。變速器軸經(jīng)軸承安裝在殼體上，從布置變速器的可能與方便和不因同一垂直面上的兩軸承孔之間的距離過(guò)小而影響殼體的強(qiáng)度考慮，要求中心距取大些。此外，受一檔小齒輪齒數(shù)不能過(guò)少的限制，要求中心距也要取大些。還有，變速器中心距取得過(guò)小，會(huì)使變速器長(zhǎng)度增加，并因此使軸的剛度被削弱和使齒輪的嚙合狀態(tài)變壞。
變速器的中心距(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)公式初選，經(jīng)驗(yàn)公式為：
(3.5)
式中：——中心距系數(shù)，乘用車： ，商用車：
——發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩(N·m)；
——變速器一擋傳動(dòng)比；
——變速器的傳動(dòng)效率，取96%；
將各數(shù)代入式(4.9)中得
取A=75mm
3.3變速器的齒輪參數(shù)的確定
3.3.1齒輪模數(shù)
齒輪模數(shù)由輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度或最大載荷作用下的靜強(qiáng)度所決定。選擇模數(shù)時(shí)應(yīng)考慮到當(dāng)增大齒寬而減小模數(shù)時(shí)將降低變速器的噪聲，而為了減小變速器的質(zhì)量，則應(yīng)增大模數(shù)并減小齒寬和中心距。降低噪聲水平對(duì)轎車很重要，而對(duì)載貨汽車則應(yīng)重視減小質(zhì)量。
表3.2 汽車變速器齒輪的法向模數(shù)（mm）
車型
乘用車的發(fā)動(dòng)機(jī)排量V/L
貨車的最大總質(zhì)量/t
1.0＞V≤1.6
1.6＜V≤2.5
6.0＜≤14.0
＞14.0
模數(shù)/mm
2.25～2.75
2.75～3.00
3.50～4.50
4.50～6.00
設(shè)計(jì)時(shí)所選模數(shù)應(yīng)符合國(guó)標(biāo)GB1357-78規(guī)定（表3.2）并滿足強(qiáng)度要求。
表3.3汽車變速器常用齒輪模數(shù)（mm）
一系列
1.00
1.25
1.5
2.00
2.50
3.00
4.00
5.00
6.00
二系列
1.75
2.25
2.75
（3.25）
3.50
（3.75）
4.50
5.50
—
嚙合套和同步器的接合齒多數(shù)采用漸開(kāi)線。由于工藝上的原因，同一變速器中的接合齒模數(shù)相同。其取值范圍是：乘用車和總質(zhì)量在1.8～14.0t的貨車為2.0～3.5mm；總質(zhì)量大于14.0t的貨車為3.5～5.0mm。選取較小的模數(shù)值可使齒數(shù)增多，有利于換檔。
3.3.2壓力角及螺旋角
壓力角較小時(shí)，重合度較大并降低了輪齒剛度，為此能減少進(jìn)入嚙合和退出嚙合時(shí)的動(dòng)載荷，使傳動(dòng)平穩(wěn)，利于降低噪聲；壓力角較大時(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。實(shí)際上，因國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為20°，所以變速器齒輪普遍采用的壓力角為20°。嚙合套或同步器的接合齒壓力角有20°、25°、30°等，但普遍采用30°壓力角。
斜齒輪在變速器中得到廣泛的應(yīng)用。選斜齒輪的螺旋角，要考慮它對(duì)齒輪工作噪聲、齒輪的強(qiáng)度和軸向力的影響。從提高低檔齒輪的抗彎強(qiáng)度出發(fā)，不希望用過(guò)大的螺旋角，以15°~25°為宜；而從提高高檔齒輪的接觸強(qiáng)度著眼，應(yīng)選用較大螺旋角。
斜齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，要產(chǎn)生軸向力并作用到軸承上。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求中間軸上同時(shí)工作的兩對(duì)齒輪產(chǎn)生軸向力平衡，以減少軸承負(fù)荷，提高軸承壽命。
3.3.3齒寬
在選擇齒寬時(shí)，應(yīng)該注意齒寬對(duì)變速器的軸向尺寸、質(zhì)量、齒輪工作平穩(wěn)性、齒輪強(qiáng)度和齒輪工作時(shí)的受力均勻程度等均有影響。
考慮到盡可能縮短變速器的軸向尺寸和減少質(zhì)量，應(yīng)該選用較小的齒寬。另一方面，齒寬減小使斜齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)被削弱，此時(shí)雖然可以用增加齒輪螺旋角的方法給予補(bǔ)償，但這時(shí)軸承承受的軸向力增大，使其壽命降低。齒寬窄又會(huì)使齒輪的工作應(yīng)力增加。選用寬些的齒寬，工作時(shí)會(huì)因軸的變形導(dǎo)致齒輪傾斜，使齒輪沿齒寬方向受力不均勻造成偏載，導(dǎo)致承載能力降低，并在齒寬方向磨損不均勻。
通常根據(jù)齒輪模數(shù)m(mn)的大小來(lái)選定齒寬
直齒，為齒寬系數(shù)，取為4.5～8.0；
斜齒，取為6.0～8.5。
采用嚙合套或同步器換檔時(shí)，其接合齒的工作寬度初選時(shí)可取為2～4mm。
第一軸常嚙合齒輪副的齒寬系數(shù)可取大些，使接觸線長(zhǎng)度增加，接觸應(yīng)力降低，以提高傳動(dòng)平穩(wěn)性和齒輪壽命。對(duì)于模數(shù)相同的各檔齒輪，檔位低的齒輪的齒寬系數(shù)取的稍大。
3.3.4齒頂高系數(shù)
齒頂高系數(shù)對(duì)重合度、輪齒強(qiáng)度、工作噪聲、輪齒相對(duì)滑動(dòng)速度、輪齒根切和齒頂厚度等有影響。若齒頂高系數(shù)小，則齒輪重合度小，工作噪聲大；但因輪齒受到的彎矩減小，輪齒的彎曲應(yīng)力也減少。因此，從前因齒輪加工精度不高，并認(rèn)為輪齒上受到的載荷集中齒頂上，所以曾采用過(guò)齒頂高系數(shù)為0.75～0.80的短齒制齒輪。我國(guó)規(guī)定，齒頂高系數(shù)取為1。
3.3.5齒輪的修正
為了改善齒輪傳動(dòng)的某些性能，常對(duì)齒輪進(jìn)行修正。修正的方法有三種：
1．加工時(shí)改變刀具與齒輪毛坯的相對(duì)位置，又稱變位；
2．改變刀具的原始齒廓參數(shù)；
3．改變齒輪齒廓的局部漸開(kāi)線，又稱修形。
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)，又避免了其缺點(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)度和抗膠合及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)齒輪齒根總厚度越薄，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，對(duì)于變速器中除去一、二檔和倒檔以外的其它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)。
3.4變速器各檔齒輪齒數(shù)的分配
變速器的傳動(dòng)示意圖見(jiàn)下圖3.1
圖3.1變速器傳動(dòng)示意圖
在初選中心距、齒輪模數(shù)和螺旋角以后，可根據(jù)變速器的檔數(shù)、傳動(dòng)比和傳動(dòng)方案來(lái)分配各檔齒輪的齒數(shù)。應(yīng)該注意的是，各檔齒輪的齒數(shù)比應(yīng)該盡可能不是整數(shù)，以使齒面磨損均勻。
取各擋的模數(shù)均為2.75mm，壓力角均為20°，螺旋角均為20°。
3.4.1確定各檔齒輪齒數(shù)及其參數(shù)
一檔齒輪選用斜齒圓柱齒輪，模數(shù)=2.75mm，壓力角20°螺旋角=20°
先求其齒數(shù)和
斜齒:
==51.26取整為51
即15，51-15=36 一擋實(shí)際傳動(dòng)比為
當(dāng)量齒數(shù)為：
總的邊位系數(shù)為：
齒頂高變動(dòng)系數(shù)：
由當(dāng)量齒數(shù)和查表可得：
==74.6257mm取整為=75mm。
對(duì)一檔齒輪進(jìn)行變位：
端面壓力角：
端面嚙合角：
中心距變動(dòng)系數(shù)：
變位系數(shù)之和：
查變位系數(shù)線圖得：
齒頂降低系數(shù)σn：
計(jì)算一檔齒輪、參數(shù)：
分度圓直徑：
齒頂高：
齒根高：
齒全高：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
節(jié)圓直徑:
其余各齒輪參數(shù)見(jiàn)下表3.4
注：當(dāng)z1與z2嚙合時(shí)，節(jié)圓半徑為44.12mm。當(dāng)z1與z13嚙合時(shí)，節(jié)圓半徑為43.96mm。當(dāng)z7與z8嚙合時(shí)，節(jié)圓半徑為68.08mm。當(dāng)z7與z12嚙合時(shí)，節(jié)圓半徑為68.08mm。當(dāng)z18與z16嚙合時(shí)，節(jié)圓半徑為47.33mm。當(dāng)z18與z17嚙合時(shí)，節(jié)圓半徑為69.38mm?；蛘咄ㄟ^(guò)各軸的中心距推算，也可算出z1、z7、z18與齒輪嚙合時(shí)的節(jié)圓半徑。
一、二、三、四擋中心距為75mm,五、六擋中心距為74mm,倒擋輸入軸與倒擋軸及倒擋軸與倒檔輸出軸中心距均為63mm.
表3.4 各齒輪基本參數(shù)
邊位系數(shù)xn
齒頂高h(yuǎn)a mm
齒根高 hf mm
分度圓直