【某轎車變速箱優(yōu)化設(shè)計12000字（論文）】

某轎車變速箱優(yōu)化設(shè)計摘要：在汽車變速箱100多年的歷史中，主要經(jīng)歷了從手動到自動的發(fā)展過程。目前，市場上應(yīng)用程度最高的自動變速器類型為CVT、AT、DCT，但由于地域、駕駛習(xí)慣的不同，各個地區(qū)的自動變速器發(fā)展互有差異。AT的發(fā)展趨勢是提高變速器效率，主要的技術(shù)手段是擴(kuò)大鎖止范圍、減少關(guān)鍵零部件損失、擴(kuò)大速比范圍等。其中，提高液力變矩器效率、升級潤滑系統(tǒng)、增加檔位數(shù)量尤為關(guān)鍵，另外還可通過與怠速啟停相結(jié)合的方式進(jìn)一步高效使用發(fā)動機(jī)從而實現(xiàn)節(jié)油。汽車變速箱作為汽車動力總成系統(tǒng)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)形狀相當(dāng)復(fù)雜。由于不同車型的動力學(xué)性能、動力總成空間布置的多樣性，從而導(dǎo)致了變速箱殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計空間的不確定性以及殼體軸承座上載荷分配的復(fù)雜性。整體而言，目前轎車變速箱設(shè)計研究領(lǐng)域零散設(shè)計方法較多，系統(tǒng)設(shè)計方法較少，且缺乏可操作再制造設(shè)計支持工具，產(chǎn)品面向再制造的設(shè)計工作開展困難。因此，亟需開發(fā)可操作的設(shè)計輔助工具，將零散的再制造設(shè)計理論與方法融入到軟件工具中，為轎車變速箱再制造設(shè)計人員提供有效的設(shè)計支持工具。關(guān)鍵詞：轎車變速器；軸類件；優(yōu)化設(shè)計；多工位目錄TOC\o"1-3"\h\u5000第一章緒論 1148381.1課題背景 1272581.2國內(nèi)外變速器的研究現(xiàn)狀 2316701.2.1國內(nèi)變速器的研究現(xiàn)狀 2299811.2.2國外轎車變速箱生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀 23231.3本章小結(jié) 313486第二章變速箱優(yōu)化滿足的理論特性 441022.1汽車動力性 4260232.1.1最高車速 452372.1.2汽車的加速時間 412532.1.3汽車的爬坡能力 5228422.2汽車燃油經(jīng)濟(jì)性 5222052.3本章小結(jié) 627738第三章變速器的總體方案設(shè)計 8184383.1變速器的功用及設(shè)計要求 8191183.2變速器傳動機(jī)構(gòu)布置方案

8323.2.1三軸式變速器與兩軸式變速器

8277083.2.2倒檔的布置方案

9298223.3變速器主要零件的結(jié)構(gòu)方案分析

10246183.3.1齒輪型式

1044173.3.2換檔結(jié)構(gòu)型式

10238983.3.3自動脫檔

11265943.3.4軸承型式

1153743.3.5變速器操縱機(jī)構(gòu)布置方案

1171713.4傳動方案的最終設(shè)計

1216026第四章變速箱模型的建立和仿真 14183894.1仿真軟件介紹 14208174.2變速箱仿真模型構(gòu)建 1573614.3應(yīng)用Pro/E軟件對變速箱模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析 16154804.4整車性能仿真及結(jié)果分析 1727181第五章結(jié)論 1916822參考文獻(xiàn) 20第一章緒論1.1課題背景隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，全球經(jīng)濟(jì)逐漸一體化，中國加入世貿(mào)組織以來，汽車工業(yè)有了較大發(fā)展，旺盛的市場需求也給中國汽車工業(yè)帶來了巨大的發(fā)展機(jī)遇。近年來，國內(nèi)汽車消費市場的持續(xù)升溫，尤其是私家車的增多，中國轎車私有化的不斷攀升，汽車保有量迅猛增長，同時消費者對汽車性能和質(zhì)量提出了更高的要求。面對激烈的競爭，汽車制造商必須在滿足技術(shù)法規(guī)的約束條件下，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，縮短新車型設(shè)計開發(fā)周期，推出性能價格比優(yōu)越的產(chǎn)品。這就要求運用現(xiàn)代先進(jìn)的設(shè)計手段，運用計算機(jī)CAD技術(shù)，使設(shè)計過程更加自動化，以滿足產(chǎn)品設(shè)計的要求。參數(shù)化設(shè)計是CAD技術(shù)在實際應(yīng)用中提出的課題，它不僅可使CAD系統(tǒng)具有交互式繪圖功能，還具有自動繪圖的功能。利用參數(shù)化設(shè)計手段開發(fā)的專用產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)，可以大大提高設(shè)計速度，并減少信息的存儲量。機(jī)械設(shè)計是一門古老而成熟的學(xué)科，自第一次工業(yè)革命以來，經(jīng)過幾百年的發(fā)展，現(xiàn)在以臻于完善。然而，傳統(tǒng)的手工進(jìn)行計算繪圖的設(shè)計方法在日新月異的社會發(fā)展需求面前捉襟見肘，力不從心。以計算機(jī)為代表的信息技術(shù)推動整個社會各個方面發(fā)展的同時也為機(jī)械設(shè)計帶來了新的生機(jī)。借助計算機(jī)提供的信息化平臺，機(jī)械設(shè)計得以擺脫傳統(tǒng)手工繪圖和計算設(shè)計的繁瑣和落后，變得高低自動化和精確化?？梢哉fCAD技術(shù)在繼承成熟的機(jī)械設(shè)計理論的同時已經(jīng)徹底顛覆了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計幾百年的人工模式。汽車變速箱是傳動系的重要組成部件，因此變速箱的設(shè)計十分重要。用傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計汽車變速箱是一項非常費時和艱苦的工作，由于科學(xué)技術(shù)的急速發(fā)展和市場競爭的日益加劇，以CAD/CAE/CAM為代表的現(xiàn)代汽車變速器的設(shè)計方法正逐漸代替手工傳統(tǒng)的設(shè)計方法，許多汽車變速器的設(shè)計軟件不斷出現(xiàn)。這些大型軟件包含的設(shè)計內(nèi)容從零件建模到參數(shù)選取，尺寸計算，有限元分析到零件參數(shù)優(yōu)化設(shè)計以及模擬仿真，通過建立虛擬樣機(jī)，縮短開發(fā)周期，節(jié)省設(shè)計成本。利用虛擬樣機(jī)設(shè)計手段開發(fā)的專用產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)，可使設(shè)計人員從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來，可以大大提高設(shè)計速度，并減少信息的存儲量。1.2國內(nèi)外變速器的研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)變速器的研究現(xiàn)狀國內(nèi)對變速箱的研究做了大量的工作。李瑰賢等建立了單自由度扭振動力學(xué)模型，分析了齒輪副誤差及剛度激勵作用下系統(tǒng)的扭振特性。王立華、李潤方等針對斜齒輪傳動系統(tǒng)，建立了振動動力學(xué)模型，推導(dǎo)了振動方程，計算了動態(tài)響應(yīng)。文獻(xiàn)采用多體動力學(xué)的方法，建立了變速箱齒輪傳動系統(tǒng)的動力學(xué)模型，分析了上檔齒輪變剛度作用下和未上檔齒輪在其自由慣量和齒測隙下產(chǎn)生的振動特性。文獻(xiàn)研究討論了齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)型式對振動模態(tài)的影響。文獻(xiàn)從設(shè)計的角度出發(fā)，分析了變速箱齒輪本體、軸系、箱體對降低齒輪振動的作用。鄭泉、馬強(qiáng)等基于遺傳算法，建立了以體積最小為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計變量和約束條件。蔣春明等在保證零件剛度、可靠性等要求的條件下，按體積最小和齒輪重合度最大建立了多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型。唐增寶、陳久榮采用齒輪動態(tài)模擬的方法，對不同的修形曲線、修形量和修形長度的齒輪進(jìn)行動態(tài)性能分析。文獻(xiàn)針對斜齒輪的齒廓修形，以最小傳動誤差為優(yōu)化目標(biāo)確定了最佳的齒廓修形曲線，并通過試驗證明了齒廓修形在減小齒輪振動方面有突出的作用。文獻(xiàn)根據(jù)汽車動力性要求，在保證變速箱可靠使用的條件下，按照變速器質(zhì)量最小建立了優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)根據(jù)設(shè)計要求和特點建立了汽車變速箱的優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，在保證零件的剛度和強(qiáng)度條件下，使變速箱齒輪和軸系的質(zhì)量最小。1.2.2國外轎車變速箱生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀國外對汽車變速箱的研究較早。研究發(fā)現(xiàn)變速箱齒輪嚙合及其傳動過程中必然產(chǎn)生振動，基于減振并按動力學(xué)設(shè)計成為研究重點內(nèi)容。1967年，英國研究者H.Optiz從齒輪的動力學(xué)角度，對其振動產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了函數(shù)分析。在這個時期，齒輪的振動分析主要集中在扭轉(zhuǎn)振動，并且簡化為單自由度或雙自由度系統(tǒng)。1984年，日本研究者梅澤清彥對齒輪系統(tǒng)進(jìn)行了振動分析、動態(tài)建模、計算機(jī)仿真研究。1989年，Choy將模態(tài)分析法用于多級齒輪傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析，每一齒輪軸用多質(zhì)量轉(zhuǎn)子—軸承離散模型模擬，用傳遞矩陣法分析其橫向振動和扭轉(zhuǎn)振動，通過齒輪的嚙合將它們耦合。1991年Kahraman考慮時變嚙合剛度和直齒輪傳動的間隙非線性因素，用三自由度的彎扭耦合模型分析了非線性時變振動系統(tǒng)的響應(yīng)。1996年，P.Velex和M.Maatar針對安裝誤差和輪齒誤差，研究其對齒輪副振動和噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)輪齒齒廓誤差的幅值和相位對齒輪副振動影響很大，而且齒輪基節(jié)誤差、齒向誤差和壓力角誤差及安裝偏心的影響亦很顯著。1998年，Paclot基于齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)橫向振動和扭轉(zhuǎn)振動的耦合，做了針對性的研究，并考察了單級、兩級傳動及軸承彈性支承的影響。研究表明，由于軸具有橫向柔度，與非耦合狀態(tài)相比系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)將發(fā)生變化，即使不考慮陀螺效應(yīng)或軸為剛性、軸承為彈性支承，系統(tǒng)都將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動與橫向振動的耦合。2003年，OgawaYuichi等針對具有螺旋線偏差的直齒圓柱齒輪副，研究了齒向修形對振動特性的影響，結(jié)果表明適當(dāng)?shù)凝X向修鼓能夠保證齒輪系統(tǒng)設(shè)計的振動特性。2005年，OguzKayabasi采用有限元法對齒輪表面做應(yīng)力應(yīng)變分析，確定最大應(yīng)力位置，從而實現(xiàn)輪齒形狀的最優(yōu)化，達(dá)到提高變速箱壽命的目的。2010年，MehmetBozca研究提出基于扭矩振動模型并利用變速箱幾何設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計來降低噪聲。1.3本章小結(jié)本章是論文的源頭，包含著本課題的研究背景、研究意義和研究現(xiàn)狀。通過搜集各方面的資料，為我接下來的課題研究打下基礎(chǔ)。通過對國內(nèi)外的技術(shù)進(jìn)行分析對比，提高了這次課題研究的可行性。

第二章變速箱優(yōu)化滿足的理論特性2.1汽車動力性變速箱用來改變發(fā)動機(jī)傳動到驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，動力輸出，目的是在各種工況下，使轎車獲得不同的牽引力和速度，同時使發(fā)動機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作。要求傳動效率高，結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低。以DSG雙離合器變速箱為例，該型變速箱又稱為直接換檔變速箱，集成了兩組離合器和兩組換檔齒輪，相當(dāng)于由兩個平行的變速器所組成的一套變速系統(tǒng)，交替將發(fā)動機(jī)的驅(qū)動力傳遞至驅(qū)動輪。其中，離合器1負(fù)責(zé)控制奇數(shù)齒輪和倒檔齒輪，離合器2負(fù)責(zé)控制偶數(shù)齒輪，換檔過程快速而且平順，動力傳輸感覺不到間斷，車輛動力性能得到完全發(fā)揮。2.1.1最高車速《汽車?yán)碚摗分?，最高車速為行駛阻?車速曲線與不同檔位中驅(qū)動力-車速曲線的焦點。然而焦點附近瞬態(tài)加速度du/dt趨近于0，做積分時加速時間t將趨于+∞，故此最高車速點必須具備一定加速度值。實際計算中，變速箱輸出軸，經(jīng)分動器、傳動軸到車橋輸入軸之間零部件轉(zhuǎn)速區(qū)間為傳動系轉(zhuǎn)速風(fēng)險區(qū)，需要事先判斷此類總成的最高許用轉(zhuǎn)速下限，并作為最高車速計算中的另一限制條件。2.1.2汽車的加速時間加速時間是指從一指令速度加速到另一指令速度所需要的時間。分為0~100km/h加速時間，80~140km/h可換檔超車加速時間及最高檔80-140km/h超車加速時間(中國地區(qū)最高車速限制為120km/h，設(shè)定時應(yīng)有富余量，一汽內(nèi)部設(shè)定規(guī)范采用140km/h作為上限)。特別對于豪華轎車而言，加速時間是考核整車動力性指標(biāo)中最為關(guān)鍵的項目，如何充分利用發(fā)動機(jī)外特性，在此處表現(xiàn)的淋漓盡致。國內(nèi)研究表明，6檔以下變速箱，一般在2檔達(dá)到100km/h車速；8檔變速箱，均在3檔達(dá)到100km/h車速。對于乘用車0~100km/h加速時間不應(yīng)超過3檔，否則換擋過于頻繁，影響加速時間。而140km/h車速均出現(xiàn)在100km/h車速對應(yīng)檔位的下一檔(6檔以下變速箱一般在3檔，8檔變速箱在4檔)。否則檔位間車速落差過小。加速時檔位切換過于頻繁。在0~100km/h加速與80~140km/h超車加速計算過程分析中，發(fā)現(xiàn)應(yīng)盡量讓100km/h車速和140km/h車速對應(yīng)轉(zhuǎn)速靠近發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速，這樣可充分利用該檔位的驅(qū)動力。當(dāng)100km/h與140km/h車速與檔位關(guān)系均滿足理想速比設(shè)定時，0~100km/h加速與80~140km/h加速均可充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)驅(qū)動功率，達(dá)到理論最優(yōu)狀態(tài)。2.1.3汽車的爬坡能力在一般變速箱中，各檔位的傳動比并不是嚴(yán)格按照等比數(shù)列進(jìn)行排布。為了提高車輛的起步能力與爬坡能力，變速箱的低檔位傳動比極差必須大于最優(yōu)傳動比極差，以保證變速箱能夠傳遞足夠的扭矩和功率。車輛使用過程中，高檔位使用時間長，換檔頻繁，為提高車輛換檔的舒適性，變速箱高檔位的傳動比極差必須小于最優(yōu)傳動比極差。最大爬坡度計算前，需先確認(rèn)1檔驅(qū)動力與地面附著力關(guān)系。四驅(qū)車型附著力計算中還需增加附著系數(shù)利用率計算(主要針對電子限滑差速器限扭設(shè)計)，作為附著力向發(fā)動機(jī)扭矩-轉(zhuǎn)速圖轉(zhuǎn)化的最終輸出，同時應(yīng)保證爬坡行駛時車速有20km/h以上的可變區(qū)間，并且其最低車速點應(yīng)低于發(fā)動機(jī)外特性曲線與0.9速比時液力變矩器透過曲線的交點。交點以下，借助液力變矩器降速增扭功能，使其具備加速爬坡能力，車速越小，后備加速度越大。利用液力變矩器扭矩放大特性，防止實車最大爬坡時，因駕駛員疏忽而導(dǎo)致車速低于最低車速目標(biāo)時沒有足夠的驅(qū)動力而出現(xiàn)溜車的現(xiàn)象。如果采用AT以外不帶液力變矩器的變速箱，或液力變矩器鎖止時，最低車速點應(yīng)保證在10~15km/h之間(越低越好)，為駕駛員應(yīng)急時預(yù)留足夠的預(yù)判時間。2.2汽車燃油經(jīng)濟(jì)性汽車動力性與燃油經(jīng)濟(jì)性的好壞，在很大程度上取決于發(fā)動機(jī)的性能和傳動系型式及參數(shù)的選擇，即取決于汽車動力傳動系統(tǒng)合理匹配的程度。即使一臺發(fā)動機(jī)具有良好的性能，如果沒有一個與之合理匹配的傳動系，也不能充分發(fā)揮其性能。能與發(fā)動機(jī)合理匹配的傳動系可以使發(fā)動機(jī)經(jīng)常在其理想工作區(qū)附近工作。這樣不僅可以減少燃油消耗，減輕發(fā)動機(jī)磨損，提高發(fā)動機(jī)的使用壽命，而且可以取得良好的排放效果。往往是一流的內(nèi)燃機(jī)加上一流的底盤不一定等于一流的汽車。其中的關(guān)鍵是“匹配”問題。據(jù)文獻(xiàn)資料表明：目前大部分車用內(nèi)燃機(jī)均工作在遠(yuǎn)離最佳經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)。在發(fā)動機(jī)整個持續(xù)工作時間內(nèi)其平均工作效率僅為11～18%而對于四沖程汽車發(fā)動機(jī)而言，其最佳效率為30～35%。這主要是由于發(fā)動機(jī)與傳動系參數(shù)匹配不當(dāng)所造成的。這些因素都對車輛的動力性燃油經(jīng)濟(jì)性有著重大作用。對汽車的動力性和燃料經(jīng)濟(jì)性影響最大的是發(fā)動機(jī)的運行特性以及傳動系統(tǒng)的速比和效率。目前，發(fā)動機(jī)技術(shù)以相對成熟。于是，解決問題的主要技術(shù)方案便鎖定為對傳動系統(tǒng)速比（變速器速比、主減速器速比）等參數(shù)進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計，希望通過調(diào)整變速器各擋速比和主減速器速比，使發(fā)動機(jī)盡可能地在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)運轉(zhuǎn),從而降低整車的燃料消耗量,同時保持汽車原來的動力性。但是，由于汽車零部件的加工制造誤差或者汽車經(jīng)用戶使用一段時間后零件的磨損、老化和精度下降，汽車的質(zhì)量性能就會下降，所以必須考慮引起汽車質(zhì)量性能波動的非確定性因素的影響，這是一個典型的考慮不確定性因素的產(chǎn)品質(zhì)量性能問題。表2-1優(yōu)化變速箱對比表發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）最高車速（km/m）加速時間（s）未優(yōu)化變速箱車輛4120349.424111346.47急加速優(yōu)化后變速箱車輛4155326.06急加速4156328.992.3本章小結(jié)變速箱關(guān)系到發(fā)動機(jī)的動力能否高效、平順的輸出，同時也會影響駕駛樂趣、舒適性等諸多方面。同時也因為它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致維修的成本高和提高維修的困難性。所以在做變速箱優(yōu)化的過程中，要盡量把各方面的問題考慮進(jìn)去。首先就如上述基本的五大特性，在保證動力系統(tǒng)的匹配，使優(yōu)化后的變速箱能夠在不同道路情況下具有相對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩跟轉(zhuǎn)速。在保證了最高車速、爬坡能力、加速性能等因素中，變速箱還盡可能使發(fā)動機(jī)在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)中運轉(zhuǎn)。這就是本次課題研究的初衷。第三章變速器的總體方案設(shè)計3.1變速器的功用及設(shè)計要求變速器用來改變發(fā)動機(jī)傳到驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目是在原地起步、爬坡、轉(zhuǎn)彎、加速等各種行駛工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時使發(fā)動機(jī)在最有利的范圍內(nèi)工作。變速器設(shè)有空擋，可在啟動發(fā)動機(jī)、汽車滑行或停車時使發(fā)動機(jī)的動力停止向驅(qū)動輪傳輸。變速器設(shè)有空擋，使汽車獲得倒退行駛能力。需要時，變速器還有動力輸出功能。

為保證變速器具有良好的工作性能，對變速器應(yīng)提出如下設(shè)計要求

保證汽車有必要的動力性和經(jīng)濟(jì)性。

設(shè)置空擋，用來切斷發(fā)動機(jī)動力向驅(qū)動輪的傳輸。

設(shè)置倒檔，使汽車能倒退行駛。

設(shè)置動力輸出裝置，需要時能進(jìn)行功率輸出。

換擋迅速，省力，方便。

工作可靠。汽車行駛過程中，變速器不得有跳擋，亂擋以及換擋沖擊等現(xiàn)象發(fā)生。

變速器應(yīng)當(dāng)有高的工作效率。

變速器的工作噪聲低

除此以外，變速器還應(yīng)當(dāng)滿足輪廓尺寸和質(zhì)量小，制造成本低，維修方便等要求。滿足汽車有必要的動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，這與變速器的檔數(shù)，傳動比范圍和各擋傳動比有關(guān)。汽車工作的道路條件越復(fù)雜，比功率越小，變速器的傳動比范圍越大。

3.2變速器傳動機(jī)構(gòu)布置方案

機(jī)械式變速器因具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、制造成本低和工作可靠等優(yōu)點，故在不同形式的汽車上得到廣泛應(yīng)用。3.2.1三軸式變速器與兩軸式變速器

現(xiàn)代汽車變速器中兩軸式和中間軸式變速器應(yīng)用廣泛。以下是三軸式和兩軸式變速器的傳動方案。

三軸式變速器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傳遞扭矩則稱為直接檔。此時，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。其他前進(jìn)檔需依次經(jīng)過兩對齒輪傳遞轉(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比，這是三軸式變速器的另一優(yōu)點。其缺點是：除直接檔外其他各檔的傳動效率有所下降。

兩軸式變速器與三軸式變速器相比，其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊且除最高檔外其他各檔的傳動效率高、噪聲低。轎車多采用發(fā)動機(jī)前置前輪驅(qū)動，因為這種布置使汽車的動力-傳動系統(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系的結(jié)構(gòu)簡單。兩軸式變速器的第二軸（即輸出軸）與主減速器主動齒輪做成一體，當(dāng)發(fā)動機(jī)縱置時，主減速器可用螺旋錐齒輪或雙面齒輪；當(dāng)發(fā)動機(jī)橫置時則可用圓柱齒輪，從而簡化了制造工藝，降低了成本。兩軸式變速器沒有直接檔，因此在高檔工作時，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。另外，低檔傳動比取值的上限（igⅠ=4.0~4.5）也受到較大限制,但這一缺點可通過減小各檔傳動比同時增大主減速比來取消。

綜上所述，由于此次設(shè)計的是家庭經(jīng)濟(jì)型變速器，驅(qū)動形式屬于發(fā)動機(jī)前置前輪驅(qū)動，且可布置變速器的空間較小，對變速器的要求較高，要求運行噪聲小，設(shè)計車速高，故選用二軸式變速器作為傳動方案。選擇5檔變速器，并且五檔為超速檔。

3.2.2倒檔的布置方案

常見的倒檔結(jié)構(gòu)方案有以下幾種：圖3-1a為常見的倒擋布置方案。在前進(jìn)檔的傳動路線中，加入一個傳動，使結(jié)構(gòu)簡單，但齒輪處于正負(fù)交替對稱變化的彎曲應(yīng)力狀態(tài)下工作。此方案廣泛用于轎車和輕型貨車的四檔全同步器式變速器中。

圖3-1b所示方案的優(yōu)點是換倒擋時利用了中間軸上的一擋齒輪，因而縮短了中間軸的長度。但換擋時有兩對齒輪同時進(jìn)入嚙合，使換擋困難。某些輕型貨車四檔變速器采用此方案。

圖3-1c所示方案能獲得較大的倒擋傳動比，缺點是換擋程序不合理。

圖3-1d所示方案針對前者的缺點做了修改，因而經(jīng)常在貨車變速器中使用。圖3-1e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。

圖3-1f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，縮短變速器軸向長度，有的貨車倒擋傳動采用圖3-1g所示方案。其缺點是一、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。

綜合考慮，本次設(shè)計采用圖3-1f所示方案的倒檔換檔方式。圖3-1常見的倒檔結(jié)構(gòu)3.3變速器主要零件的結(jié)構(gòu)方案分析

變速器的設(shè)計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，也要考慮齒輪型式、換檔結(jié)構(gòu)型式、軸承型式等因素。

3.3.1齒輪型式

齒輪形式有直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪。

與直齒圓柱齒輪比較，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長，工作時噪聲低等優(yōu)點；缺點是制造時稍復(fù)雜，工作時有軸向力。變速器中的常嚙合齒輪均采用斜齒圓柱齒輪，盡管這樣會使常嚙合齒輪數(shù)增加，并導(dǎo)致變速器的轉(zhuǎn)動慣量增大。

直齒圓柱齒輪僅用于低檔和倒擋。但是，在本設(shè)計中由于各檔采用的是常嚙合方案，因此全部采用斜齒輪傳動方案。

3.3.2換檔結(jié)構(gòu)型式

變速器換檔機(jī)構(gòu)有直齒滑動齒輪、嚙合套和同步器換檔三種形式。

采用軸向滑動直齒齒輪換檔，會在輪齒端面產(chǎn)生沖擊，齒輪端部磨損加劇并過早損壞，并伴隨著噪聲。因此，除一檔、倒檔外已很少使用。

常嚙合齒輪可用移動嚙合套換檔。因承受換檔沖擊載荷的接合齒齒數(shù)多，嚙合套不會過早被損壞，但不能消除換檔沖擊。目前這種換檔方法只在某些要求不高的檔位及重型貨車變速器上應(yīng)用。

使用同步器能保證換檔迅速、無沖擊、無噪聲，而與操作技術(shù)的熟練程度無關(guān)，從而提高了汽車的加速性、燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性。同上述兩種換檔方法比較，雖然它有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度要求高、軸向尺寸大等缺點，但仍然得到廣泛應(yīng)用。通過比較，考慮汽車的操縱性能，本設(shè)計全部檔位均選用同步器換檔。

3.3.3自動脫檔

自動脫檔是變速器的主要障礙之一。為解決這個問題，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：

將嚙合套做得長一些或者兩接合齒的嚙合位置錯開，這樣在嚙合時使接合齒端部超過被接合齒約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，以阻止自動脫檔。

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，從而減少自動脫檔。

將接合齒的工作面設(shè)計并加工成斜面，形成倒錐角（一般傾斜20-30），使接合齒面產(chǎn)生阻止自動脫檔的軸向力。這種結(jié)構(gòu)方案比較有效，采用較多。

3.3.4軸承型式

變速器軸承常采用圓柱滾子軸承、球軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承、滑動軸套等。

滾針軸承、滑動軸承套主要用在齒輪與軸不是固定連接，并要求兩者有相對運動的地方。

變速器中采用圓錐滾子軸承雖然有直徑較小、寬度較大因而容量大、可承受高負(fù)荷等優(yōu)點，但也有需要調(diào)整預(yù)緊、裝配麻煩、磨損后軸易歪斜而影響齒輪正確嚙合的缺點。

由于本設(shè)計的變速器為兩軸變速器，具有較大的軸向力，所以設(shè)計中變速器輸入軸、輸出軸的前、后軸承按直徑系列均選用圓錐滾子軸承。

3.3.5變速器操縱機(jī)構(gòu)布置方案

根據(jù)汽車使用條件的需要，駕駛員利用操縱機(jī)構(gòu)完成選檔和實現(xiàn)換檔或退到空檔。變速器操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足如下主要要求：換檔時只能掛入一個檔位，換檔后應(yīng)使齒輪在全齒長上嚙合，防止自動脫檔或自動掛檔，防止誤掛倒檔，換檔輕便。

變速器操縱機(jī)構(gòu)通常裝在頂蓋或側(cè)蓋內(nèi)，也有少數(shù)是分開的。變速器操縱機(jī)構(gòu)操縱第二軸上的滑動齒輪、嚙合套或同步器得到所需不同檔位。

用于機(jī)械式變速器的操縱機(jī)構(gòu)，常見的是由變速桿、撥塊、撥叉、變速叉軸及互鎖、自鎖和倒檔裝置等主要零件組成，并依靠駕駛員手力完成選檔、換檔或推到空檔工作，稱為手動換檔變速器。

直接操縱式手動換檔變速器

當(dāng)變速器布置在駕駛員座椅附近時，可將變速桿直接安裝在變速器上，并依靠駕駛員手力和通過變速桿直接完成換檔功能的手動換檔變速器，稱為直接操縱變速器。這種操縱方案結(jié)構(gòu)最簡單，已得到廣泛應(yīng)用。近年來

，單軌式操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)用較多，其優(yōu)點是減少了變速叉軸，各檔同用一組自鎖裝置，因而使操縱機(jī)構(gòu)簡化，但它要求各檔換檔行程相等。

遠(yuǎn)距離操縱手動換檔變速器

平頭式汽車或發(fā)動機(jī)后置后輪驅(qū)動汽車的變速器，受總體布置限制，變速器距駕駛員座位較遠(yuǎn)，這時需要在變速桿與撥叉之間布置若干傳動件，換檔手力經(jīng)過這些轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)才能完成換檔功能。這種手動換檔變速器，稱為遠(yuǎn)距離操縱手動換檔變速器。

電動自動換檔變速器

20世紀(jì)80年代以后，在固定軸式機(jī)械變速器基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用計算機(jī)和電子控制技術(shù)，使之實現(xiàn)自動換檔，并取消了變速桿和離合器踏板。駕駛員只需控制油門踏板，汽車在行駛過程中就能自動完成換檔，這種變速器成為電動自動換檔變速器。

由于所設(shè)計的變速器為兩軸變速器，采用發(fā)動機(jī)前置前輪驅(qū)動，變速器離駕駛員座椅較近，所以采用直接操縱式手動換檔變速器。

3.4傳動方案的最終設(shè)計

通過對變速器型式、傳動機(jī)構(gòu)方案及主要零件結(jié)構(gòu)方案的分析與選擇，并根據(jù)設(shè)計任務(wù)與要求，最終確定的傳動方案如圖3-2所示。其傳動路線：圖3-2變速器傳動路線圖第四章變速箱模型的建立和仿真4.1仿真軟件介紹系統(tǒng)分析軟件ADAMS（Automatic

Dynamic

Analysis

of

Mechanical

System）軟件，是由美國機(jī)械動力公司（Mechanical

Dynamics

Inc.）開發(fā)的最優(yōu)秀的機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件，是目前世界上最具權(quán)威性的，使用范圍最廣的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件。ADAMS軟件是美國學(xué)者蔡斯（Chace）等人利用多剛體動力學(xué)理論，選取系統(tǒng)內(nèi)每個剛體的質(zhì)心在慣性參考系中的三個直角坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角為廣義坐標(biāo)編制的計算程序。ADAMS軟件中應(yīng)用了吉爾（Gear）等解決剛性積分問題的算法，并采用稀疏矩陣技術(shù)提高了計算效率。

ADAMS

軟件采用模擬樣機(jī)技術(shù)，將多體動力學(xué)的建模方法與大位移、非線性分析求解功能相結(jié)合，并提供與其它

CAE

軟件如控制分析軟件

Matrix，有限元分析軟件

NASTRAN

等的集成模塊擴(kuò)展設(shè)計手段。用戶利用ADAMS軟件可以建立和測試虛擬樣機(jī)，實現(xiàn)在計算機(jī)上仿真分析復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運動性能。目前ADAMS軟件在汽車、航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

ADAMS使用交互式圖形環(huán)境和部件庫、約束庫、力庫，用堆積木式的方法建立三維機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)化模型，并通過對其運動性能的仿真分析和比較來研究“虛擬樣機(jī)”可供選擇的設(shè)計方案。ADAMS仿真可用于估計機(jī)械系統(tǒng)性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的載荷輸入。利用

ADAMS

軟件，用戶可以快速、方便地創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型。該模型可以是在

ADAMS

軟件中直接建造的簡化幾何模型，也可以是從其它CAD

軟件中傳過來的造型逼真的幾何模型；然后，在幾何模型上施加力/力矩和運動激勵；最后執(zhí)行一組與實際狀況十分接近的運動仿真測試，得到實際機(jī)械系統(tǒng)工作過程的運動仿真。ADAMS一方面是機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真的應(yīng)用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬樣機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)分析。另一方面，又是機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析的二次開發(fā)工具平臺，具體地說,ADAMS軟件具有如下特點：

ADAMS

具有先進(jìn)的數(shù)值分析技術(shù)和強(qiáng)有力的求解器，其動力學(xué)數(shù)值積分有極強(qiáng)的適應(yīng)性，積分步長和輸出步長無關(guān)，用戶可以成功地進(jìn)行高頻輸出。

分析類型包括運動學(xué)、靜力學(xué)、準(zhǔn)靜力學(xué)、動力學(xué)分析。其靜平衡法包括多種級別積分，因此當(dāng)一種積分方法失效后，軟件就自動開始進(jìn)行第二次積分。解算器可以處理病態(tài)矩陣。

具有二維和三維建模能力。

具有五十多種聯(lián)結(jié)副、力和運動發(fā)生器組成的庫。

具有組裝、分析和動態(tài)顯示不同模型或同一模型的某一變化過程。

具有開發(fā)式結(jié)構(gòu)，允許用戶集成自己的子程序。

具有一個強(qiáng)大的函數(shù)庫，供用戶自定義力和運動發(fā)生器。

有限元載荷的輸出接口，ADAMS

運動時，剛體和柔性體模型的載荷都可直接輸出

ANSYS、NASTRAN

或

ABAQUS

兼容的格式。

表面接觸功能可自動檢測接觸是否發(fā)生并作出響應(yīng)。

（10）通過采用全局定位圖識別過約束系統(tǒng)，功能更強(qiáng)，精度更高。4.2變速箱仿真模型構(gòu)建ADAMS/VIEW環(huán)境下需要借助外界CAD軟件建立變速箱模型，此采用Pro/Engineer軟件對建立的變速箱模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

應(yīng)用Pro/E軟件建立與實物相對應(yīng)的變速箱三維實體模型，在利用多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS與Pro/E之間接口MECHANISM/Pro將所建立的三維實體模型傳送到ADAMS/View模塊中。根據(jù)各子系統(tǒng)工作原理在MSC.ADAMS平臺上施加合理的約束，并建立各子系統(tǒng)虛擬樣機(jī)，保證傳動系統(tǒng)虛擬樣機(jī)與真實樣機(jī)的工作原理相一致。建立變速箱虛擬樣機(jī)流程圖如圖4-1所示。圖4-1

變速箱虛擬樣機(jī)仿真分析流程圖4.3應(yīng)用Pro/E軟件對變速箱模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析Pro/Engineer是一套由設(shè)計至生產(chǎn)的機(jī)械自動化軟件，是新一代產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。其采用參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計者提供了在設(shè)計上從未有過的簡易和靈活。

Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不像一些傳統(tǒng)的

CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作。換言之，在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上，以確保所有的零件和各個環(huán)節(jié)保持一致性和協(xié)調(diào)性。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應(yīng)在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)合起來。

變速箱位于傳動部分中央，由箱體、主動軸總成（包括一級錐齒輪傳動）、中間軸總成（包

括中間軸和各級變速齒輪的主動齒輪）、主軸總成（包括主軸和各級變速齒輪的被動齒輪）、倒擋軸總成和換擋機(jī)構(gòu)組成，如圖4-2所示為變速箱結(jié)構(gòu)裝配圖：圖4-2變速箱結(jié)構(gòu)裝配圖4.4整車性能仿真及結(jié)果分析以5擋變速箱虛擬樣機(jī)為例，利用多體動力學(xué)仿真軟件提供的模型校核驗證工具，對所建立變速箱子系統(tǒng)進(jìn)行模型驗證，其結(jié)果為：5擋變速箱子系統(tǒng)在給定速度下運行時，是按照給定的速度行駛，所建立模型沒有多余約束，模型驗證成功。同樣，對其余5個擋位的虛擬樣機(jī)子系統(tǒng)模型進(jìn)行驗證，保證所建立的虛擬樣機(jī)不存在多余約束，說明模型驗證成功。

由于變速箱子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在整個傳動系統(tǒng)中占有重要地位，因此對建立的變速箱虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真分析，其分析結(jié)果曲線如圖4-3。變速箱發(fā)動機(jī)輸出力矩

(2)

變速箱五擋主動齒輪角速度及其角加速度對比

圖4-3變速箱五擋位動力學(xué)仿真分析由圖4-3對變速箱系統(tǒng)五擋位運動狀態(tài)比較可以得出如下結(jié)論：變速箱系統(tǒng)五擋位虛擬樣機(jī)都可以完成初速度給定情況下的穩(wěn)態(tài)動力學(xué)仿真試驗，并且根據(jù)五擋位虛擬樣機(jī)所得到的擋位傳動比，與設(shè)計傳動比之間相比誤差很小，因此可以確定所建立變速箱系統(tǒng)五擋位虛擬樣機(jī)模型是精確合理的，可以代表其傳動系統(tǒng)物理樣機(jī)并進(jìn)行仿真試驗，對其中的關(guān)鍵重要的零部件進(jìn)行動力學(xué)仿真、壽命預(yù)測及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面研究。應(yīng)用變速箱各子系統(tǒng)零件相對應(yīng)的三維實體模型，利用接口技術(shù)基于ADAMS仿真平臺軟件建立了與實物樣機(jī)相對應(yīng)的虛擬樣機(jī)，并對各子系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行了樣機(jī)校核驗證，以保證所建立虛擬樣機(jī)合理性。通過對所建立好的變速箱各擋位虛擬樣機(jī)在給定初始條件作用下進(jìn)行動力學(xué)仿真，通過仿真分析，表明仿真結(jié)果與試驗結(jié)果有良好的一致性。初步驗證了變速箱虛擬樣機(jī)與真實變速箱實驗的一致性，可以用本文所建立的變速箱虛擬樣機(jī)來代替實物樣機(jī)對其進(jìn)行試驗，為進(jìn)行磨損失效周期確定、疲勞壽命預(yù)測及動態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面研究奠定了基礎(chǔ)，為下一步對傳動系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性能分析和虛擬試驗研究打下堅實可信的基礎(chǔ)。第五章結(jié)論汽車變速箱是傳動系的重要組