中小型货车变速器的设计全套毕业作品.docx

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中小型货车变速器的设计全套毕业作品

BIYESHEJI

（二零届）

中小型货车变速器的设计

所在学院

专业班级机械设计制造及自动化

学生姓名学号

指导教师职称

完成日期年月

摘要

变速器作为汽车传动系的核心部件，对汽车的动力性、经济性、舒适性操纵稳定性等要求不断提高。

虽然传统的手动变速器有着换档冲击载荷大，操纵麻烦，体积大等诸多缺点，但到目前，手动变速器始终凭借传动效率高、成本低、生产制造工艺成熟等优点应用在现代汽车上。

本次以NissanD22型皮卡2.5L版为例，针对其设计一台手动变速器。

本文在深入学习了变速器的开发流程和相关的设计理论知识前提下，根据这些理论知识确定了该手动变速器的结构方案，合理布置了轴和齿轮的分布形式、合理选择换档操纵机构及其换档布置形式等；根据货车所配对的发动机基本参数，并考虑到货车的动力性能、经济性和强度上要求，完成了对齿轮、轴及键的设计，并对设计参数进行分析，找出了影响手动变速器性能的因素，为以后有效优化设计变速器打下基础。

关键词：

手动变速器，设计，货车。

Thetrucktransmissiondesignofsmallandmedium

Abstract

字典

1.名词

1.power

2.force

3.propulsion

4.motion

Gearboxasacorecomponentofautomobiletransmission,thecar'spower,economy,comfort,handlingandstabilityandotherrequirementscontinuetoincrease.Althoughtraditionalmanualtransmissionhasalargeimpactloadwhenusershifts,controlcomplex,bulky,andmanyothershortcomings,buttothepresent,manualtransmissionhasalwaysbeenwithdrivehighefficiency,lowcost，manufacturingprocessesmature,etc.usedinmodernvehicles.

OfexamplethistypeofpickuptrucktoNissanD222.5Lversion，designingamanualtransmissionforit.Thisthesisin-depthstudyofthetransmissionofthedevelopmentprocessofteransmissionandrelateddesigntheory,andaccordingtothesetheoriestodeterminethestructureofthemanualtransmissionprogram,rationalarrangementoftheshaftandgeardistributionform,areasonablechoiceofgearshiftoperationmechanismlayout,etc.;accordingtotheengineunderthetruckthebasicparametersofthepair,takingintoaccountthedynamicperformanceoftruck,economyandstrengthrequirements,completedtothegears,shaftsandkeys’s.WiththedesignparametersaanalysistofoundtheimpactofmanualTransmissionperformancefactors.Optimizethedesignforthefuturelaythefoundationfortransmission.

Keywords:

manualtransmission,design,truck.

1、前言

汽车问世百余年来，特别是从汽车的大批量生产及汽车工业的大发展以来，汽车已为世界经济的发展、为人类进入现代生活，产生了无法估量的巨大影响，为人类社会的进步做出了不可磨灭的巨大贡献，掀起了一场划时代的革命[1]。

发动机是汽车的核心，发动机产生的动力必须经过传动系统才能驱动车轮转动。

传动系统的核心是变速器。

目前汽车上广泛采用的往复活塞式内燃机，具有体积小、质量轻、工作可靠和使用方便等优点，但其转矩和转速变化范围较小，而汽车的现实行驶道路条件非常复杂，因此要求汽车的牵引力和行驶速度的变化范围广。

故其性能与汽车的动力性和经济性之间存在着较大的矛盾，这对矛盾靠现代汽车的内燃机本身是无法解决的。

另外，发动机的曲轴始终是向一个方向转动的，而在特定情况下，汽车需要倒向行驶。

因此，在汽车传动系中设置了变速器和主减速器，以达到减速增矩的目的。

1.1手动变速器

在中国，手动变速器因为其低廉的价格和给驾驶者的良好的操控感，一直以来都占据看变速器的主流[2]。

手动变速器（ManualTransmission）采用齿轮组，每档的齿轮组的齿数是固定的，所以各档的变速比是个固定值（即所谓“级”）。

一档变速比是3.85，二档是2.55，再到五但是0.75，这些数字再乘上主减速比就是总的传动比，总共只有5个值（即5级），因此说它是有级变速器。

如图1-1为奔驰C级SportCoupe6速手动变速箱

“繁琐的驾驶操作等缺点，阻碍可汽车高速发展的步伐。

”这话有道理。

但从目前的需求和适用角度来看，手动变速器不会过早的离开。

首先，从商用车的特性上来说，手动变速器的功用是其他变速器所不能替代的。

以卡车为例，卡车用来运输，通常要装载数顿的货品，面对如此高的“压力”，除了发动机需要强劲的动力之外，还需要变速器的全力协助。

我们都知道一档有“劲”，这样在起步的时候有足够的牵引力将车带动。

特别是面对爬坡路段，它的特点显露的非常明显。

而对于其他新型的变数器，虽然具有操作简便等特性，但这些特点尚不具备。

其次，对于老司机和大部分男士司机来说，他们的最爱还是手动变速器。

从我国的具体情况来看，手动变速器几乎贯穿理整个中国的汽车发展历史，资深较深的司机都是“手动”驾车的，他们对手动变速器的认识程度是非常深刻的，如果让他们改变常规的做法，这是不现实的。

虽然自动变速器以及无级变速器已非常的普遍，但是大多数年轻的司机还是崇尚手动，尤其是喜欢超车时手动变速带来的那种快感，所以一些中高档的汽车（尤其是轿车）也不敢轻易放弃手动变速器。

另外，现在在我国的汽车驾驶学校中，教练车都是手动变速器的，处理经济适用之外，关键是能够让学员大好扎实的基本功以及锻炼驾驶协调性。

第三，随着生活水平的不断提高现在轿车已经进入了家庭，对于普通工薪阶级的老百姓来说，经济型轿车最为合适，手动变速器以其自身的性价比配套于经济型轿车厂家，而且经济适用型轿车的销量一直在车市名列前茅。

例如，夏利、奇瑞、吉利等国内厂家的经济型轿车都是手动变速的车，他们的各款车型基本上都是5档手动变速。

1.2自动变速器

在汽车工业的发展史中，传动系自动变速一直是人们追求的目标，而变速器自动化技术更是世界各大汽车厂商和研究机构努力的方向[3]。

汽车的变速器的任务是传递动力。

并在动力传递过程中改变传动比。

以调节,转换发动机的动力性能，同时通过变速以适应不同的驾驶状况。

自动变速器可使汽车快速实现车速和扭矩的变化，并简化操作。

降低驾驶员疲劳程度和减少环境污染。

自动变速器的特点主要有下几个方面：

（1）高速行驶安全性及其良好的行车控制性能。

行车过程中。

驾驶员根据路况的变化必须对行车方向和行车速度进行连续不断的机械操作来改变和调节行驶状态。

但是，这会导致驾驶员产生行车疲劳导致注意力不集中，最后发生交通事故。

然而，装有自动变速器的车辆，替代了驾驶员对离合器踏板和换档操纵杆的频繁操作，只要控制油门大小就能实现自动变速，从而减轻了驾驶员的疲劳强度。

使驾驶员更能注意路况的变化，避免注意力不集中引发的交通事故，达到高速行驶安全性。

自动变速器换档快且平稳。

由液力传动和微电脑控制的换档方式可以减轻或消除动力载荷和动力传递冲击，使行车的舒适性得到大大的提高。

（2）快捷的操纵。

自动变速器是由液力传动和微电脑控制的变速器，因此可以进行自动加档或自动减档．取消了起步和换档时踩踏离合器踏板、手动变换档位和放松油门等复杂的机械操作规程，大大减小了驾驶员的劳动强度。

提高了行车的平顺性和行车的动力性和通过性，减小了误车的可能性；避免了行车过程中的违规操作。

（3）良好的燃油经济性和高环保。

发动机在怠速和高速运行时，排放的尾气中，有害气体浓度较高。

然而，自动变速器能够通过系统的优化设计使发动机经常处在经济转速的区域内运转，从而获得最佳的燃油经济性和动力性。

进而降低了尾气对环境的污染程度，保护了环境。

其缺点是结构复杂，零件加工难度大，成本高，维护麻烦，传动效率不高。

现在市场上的车型繁多，配备的自动变速器种类也繁多，但是其控制和实现方法是差不多的。

早些年，在国产车型中最常见的是4个前速档位的自动变速器，现在许多车型更新换代，也配备了5个前速档位自动变速器，奥迪A4甚至还配备了6个前速档位的自动变速器。

自动变速器看似复杂，事实上自动变速器的奥秘在一些简单的参数上，只要了解这些参数，那么在选购汽车时，我们就可一目了然的分辨出自动变速器的好坏。

自动变速器最重要的参数就是档位的个数。

这一点凡是开过车的人都能理解，谁都愿意开档位多的车。

如果档位越多，变速器与发动机动力的配合就会越紧密，能够把发动机的性能发挥得更好。

但光看档位的个数是不够的。

事实上一台自动变速器的档位多少并不是技术的核心，因为简单的增加行星齿轮组就能增加档位。

像奔驰，沃尔沃的商用货车，有的档位甚至多达20多个。

自动变速器的技术核心在它的控制机构。

因为一台好的自动变速器，它的换档品质必须做到响应速度快，换档冲击小等特点。

而这一切都需要靠设计和改进性能优良的控制机构得以实现。

本设计的主要在于分析已有的变速器的结构并测量其尺寸，对手动变速器的结构从外到内进行系统的了解，更深入的分析和了解变速器的工作原理。

根据现有的变速器进行中小型货车变速器的设计。

此次的设计能更加深入的了解变速器的工作原理和现有变速器的构造，设计出满足要求的变速器。

汽车变速器是汽车的主要装置之一，汽车行驶速度随工况、负荷的反复变化而不断变化，因此需要汽车变速器传动比的适应范围尽量宽。

只有选择合适的变速器才能满足，实现传动比的平稳变化，使汽车行驶条件与发动机负载实现匹配最优化，充分发挥发动机的潜力，使汽车具有最理想的动力性能，提高汽车的经济性，降低排放污染及噪音。

1.3手动/自动变速器

它是由液力变矩器和行星齿轮式变速器组成的液力机械式变速器，其传动比可在最大值与最小值之间的几个间断的范围内作无级变化，目前应用较多。

目前，汽车市场上装备性能更佳、功能更多的自动变速器（AT）轿车占主要份额，但其油耗高、动力性能低的确定令其不尽人意。

为此，汽车厂商设计了多种可供选择的使用模式，使其适应不同驾驶需要。

在运动模式下，其设计的换档规律曲线是控制变速器在发动机转速较高时换档，获取更多的发动机功率，达到提高整车动力性能的目的。

在经挤模式下，电控单元通过控制变速器的执行机构在发动机转速较低时即时按设定的规律曲线完成换档，以减少功率输出达到降低油耗的目的。

但上述智能化设计，还是不能最终解决AT油耗高传动效率低的问题。

因为，无论采用哪种模式，都会对发动机功率或油耗作出选择取舍。

尽管普通手动齿轮变速器（MT），存在许多不足，但因其结构简单、效率高、功率大的优点，现在仍大量使用。

为解决上述矛盾，为在动力性和经济性上超过MT的汽车变速器出现了CVT（ContimuoulyBariableTransmission）无级变速技术。

1.4无极变速器

CVT是理想的传动方式之一，在汽车上已实用化的CVT分为传动带型与牵引驱动型两种，它们都是应用摩擦力传递动力[4]。

无极变速器的传动比在一定的数值范围内可连续变化，多采用液力变矩器以及锥形轮带传动来完成。

目前在汽车上广泛使用的将液力变矩器和行星齿轮系组合的自动变速器技术也存在着明显的缺点：

传动比不连续，只能实现分段范围内的无级变速；液力传动的效率较低，影响了整车的动力性能与燃料经济性；增加变速器的档位数来扩大无级变速覆盖范围，就必须采用较多的执行元件来控制行星齿轮系的动力传递路线，导致自动变速器零部件数量过多，结构复杂，保养和维护不便。

CVT（ContinuoslvVariableTransmission）技术即无级变速技术，采用传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合传递动力。

由于CVT可以实现传动比的连续改变，从而得到传动系与发动机工况的最佳匹配，提高整车的燃油经济性，改善驾驶员的操纵方便性和乘员的乘坐舒适性，是理想的汽车传动装置。

迫于全球性能源（燃油经济性）与排放限制的压力和汽车市场的激烈竞争，各汽车厂商都在投入，以利于研发性能更好的变速器满足市场的多样化、多层次需求，在汽车市场上新的变速器品种将会不断出现[5]。

2、机械式手动变速器的概述及其方案的确定

2.1汽车变速器的作用和特点

汽车变速器是根据汽车在不同行驶条件下提出的要求而设计的。

改变发动机的扭矩和转速，使汽车具有合适的牵引力和速度，并同时保持发动机在最有利的工况范围内工作。

变速器的主要功能表现为以下几点：

（1）改变汽车的传动比，扩大驱动车轮转矩和转速的范围，使车辆适应各种变化的行驶工况，同时使发动机在理想的工况下工作；

（2）在发动机转矩方向不变的前提下，实现汽车的倒退行驶；

（3）实现空档，中断发动机传递给车轮的动力，使发动机能够起动、怠速；

（4）利用变速器作为动力输出装置驱动其他机构，如自卸车的液压举升装置等。

对汽车变速器的主要要求：

（1）工作可靠，操纵方便。

汽车在行驶时，变速器不应有自动跳档，乱档，换档冲击的现象

（2）重量轻，体积小，噪音小，传动效率高。

（3）保证汽车具有高的动力性和经济性指标。

2.2变速器结构方案的确定

目前，由于各国情况不同，对汽车的使用要求也不同，所以汽车上采用的变速器结构形式也多种多样，但一般的结构形式是具有很多共同点的。

变速器的设计必须满足使用性能，制造条件，维修方便及工业化的要求，尽可能的考虑产品的系列化、通用化和标准化。

在确定变速器结构方案时，应从齿轮型式，变数器的径向尺寸，换档结构形式，轴的型式及布置，轴承型式，变速器的效率，润滑和密封以及倒档布置等方面综合考虑，得出合理的结构方案。

2.2.1变速器传动机构的结构分析与型式选择

轴的型式及布置

采用三轴式变速器，两轴式变速器只用于发动机前置、前轮驱动或发动机后置、后轮驱动的轿车上。

各档换档部件装在第二轴上，第二轴的前端支承在第一轴常啮合齿轮内腔的轴承上。

如图2-1所示：

2.2.2倒档传动方案

倒档传动方案

图2-1所示为常见倒档布置方案。

图2b所示方案的优点是换档时利用了中间轴上的一档齿轮因而缩短了中间轴的产度。

但换档时有两对齿轮同时进入啮合，使换档困难。

图2c所示方案能获得较大的倒档传动比，缺点是换档程序不合理。

图2d所示方案针对前者的缺点做了修改，因而取代了图2c所示方案。

图2e方案是将中间轴上的一档，倒档做成一体，将其齿宽加长。

图f方案适用于全部齿轮副均为常啮合齿轮，换档更为轻便。

图g能充分利用空间，缩短轴向长度，有些货

图2-1常见倒档布置方案

车采用g方案。

缺点是一档，倒档须各用一根变速器拔叉轴，致使变速器上盖中的操纵机构复杂[6]。

本次设计采用方案e。

（1）齿轮型式有直齿和斜齿，直齿由于啮合性能较差，重合系数小，强度低，噪声低。

因此一档及倒档采用直齿。

其它档位采用斜齿。

（2）换档结构形式

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、换档时齿轮端面受到很大冲击、导致齿轮早期驯化、滑动花键磨损后易造成脱档、噪声大等原因，因此一档及倒档采用直齿滑动齿轮换档。

啮合套换档，可将构成某传动比的一对齿轮，制成常啮合的斜齿轮。

而斜齿轮上另外有一部分做成直的接合齿，用来与啮合套相啮合。

这种结构既具有斜齿轮传动的优点，同时克服了滑动齿轮换档时，冲击力集中在1～2个齿轮上的缺陷。

因为在换档时，由于啮合套以及相啮合的接合齿上所有的齿轮共同承担所受到的冲击，所以啮合套和接合齿的轮齿所受的冲击损伤和磨损较小。

由于它增大了变速器的轴向尺寸，未能彻底消除齿轮端面所受到的冲击。

因此二档采用啮合套换档。

现在大多数汽车的变速器都采用同步器。

使用同步器可减轻接合齿在换档时引起的冲击及零件的损坏。

并且具有操纵轻便，经济性和缩短换档时间等优点，从而改善了汽车的加速性，经济性和山区行驶的安全性。

其缺点是零件增多，结构复杂，轴向尺寸增加，制造要求高，同步环磨损大，寿命低。

因此三，四档采用同步器换档。

2.3变速器主要零件结构的方案分析

（1）齿轮型式有直齿和斜齿，直齿由于啮合性能较差，重合系数小，强度低，噪声低。

因此一档及倒档采用直齿。

其它档位采用斜齿。

（2）换档结构形式

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、换档时齿轮端面受到很大冲击、导致齿轮早期驯化、滑动花键磨损后易造成脱档、噪声大等原因，因此一档及倒档采用直齿滑动齿轮换档。

啮合套换档，可将构成某传动比的一对齿轮，制成常啮合的斜齿轮。

而斜齿轮上另外有一部分做成直的接合齿，用来与啮合套相啮合。

这种结构既具有斜齿轮传动的优点，同时克服了滑动齿轮换档时，冲击力集中在1～2个齿轮上的缺陷。

因为在换档时，由于啮合套以及相啮合的接合齿上所有的齿轮共同承担所受到的冲击，所以啮合套和接合齿的轮齿所受的冲击损伤和磨损较小。

由于它增大了变速器的轴向尺寸，未能彻底消除齿轮端面所受到的冲击。

因此二档采用啮合套换档。

现在大多数汽车的变速器都采用同步器。

使用同步器可减轻接合齿在换档时引起的冲击及零件的损坏。

并且具有操纵轻便，经济性和缩短换档时间等优点，从而改善了汽车的加速性，经济性和山区行驶的安全性。

其缺点是零件增多，结构复杂，轴向尺寸增加，制造要求高，同步环磨损大，寿命低。

因此三，四档采用同步器换档。

（3）轴承型式：

轴的固定采用深沟球轴承，齿轮的固定采用滚针轴承。

（4）润滑和密封：

采用飞溅式润滑。

为保证密封，在轴承盖内装有油封或开设回油槽，壳体与盖的密封采用橡胶密封条，为防止油温过高，气压过大，造成渗油现象，一般在顶盖上装有通气塞。

3、变速器主要参数的选择与主要零件的设计

3.1变速器主要参数的选择

3.1.1档数和传动比

本次设计采用4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。

本次设计参照货车型号为：

NisanD22型皮卡如图3-1。

主要参数如下：

整车总量（满载）：

2550Kg

发动机型号：

YD25直列四缸水冷

最大功率（kw/rpm）：

98/3600

最大扭矩（N.m/rpm）：

294/2000

主减速比：

4.11

轮胎型号：

215/75R15

汽车爬坡时车速不高，故空气阻力忽略不计，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。

则可根据《变速器》[7]公式：

则最大爬坡度要求的变速器Ⅰ档传动比为

（3-1）

式中m为货车总质量；

g为重力加速度，取9.8N/；

为道路最大阻力系数；

为驱动轮的滚动半径；

为发动机最大扭矩；

为主减速比；

为货车传动系的传动效率。

根据驱动车轮与路面的附着条件得：

（3-2）

得出变速器的Ⅰ档传动比为：

（3-3）

式中为汽车整装重量，=2550kg；

为路面的附着系数，=0.5～0.6，本次取0.5；

=351.75mm，由经验公式：

轮胎宽度（215）×轮胎扁平率（65%）+轮毂直径（15英寸）/2得出；

=294Nm；

=4.11；

=0.96。

由此得出。

中间档的传动比理论上可按公式：

（3-4）

其中=3.9，=1.0。

理论上略有出入，得出q=1.574。

得出：

=2.478，=1.574，==1。

3.1.2中心距

三轴变速器的中心距A（mm）可根据对已有变速器的统计而得出的经验公式初定：

（3-5）

式中为中心距系数。

对轿车，=8.9～9.3；对货车，=8.6～9.6；对多档主变速器，=9.5～11；此处取9.0。

为变速器处于一档时的输出扭矩：

则可得出初始中心距A=92.926mm。

3.1.3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。

货车变数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；

本次设计中小型货车4+1手动变速器。

故壳体的轴向尺寸取四档（2.2～2.7）A。

3.1.4齿轮参数

（1）齿轮模数

根据下列公式选取齿轮模数：

第一轴常啮合齿轮的法向模数：

（3-6）

得出=3.125，查《机械设计手册》[8]表16.2-3取=3.5。

一档直齿轮的模数m：

（3-7）

计算得出m=3.407，查《机械设计手册》表16.2-3取m=3.5。

（2）齿形，压力角与螺旋角

根据表3-1得，取压力角，螺旋角。

表3-1汽车变速器齿轮的齿形、压力角与螺旋角

项目

车型

齿形

压力角

螺旋角

轿车

高齿并修形的齿形

，，，

～

一般货车

GB1356-78规定的标准齿形

～

重型车

同上

低档、倒档，

小螺旋角

（3）齿宽：

根据计算后取的模数选定齿宽：

直齿b=（4.5～8.0）m,mm

斜齿b=（6.0～8.5）m,mm

3.2各档传动比及其齿轮齿数的确定

初选中心距，模数，压力角以及螺旋角后，根据传动比计算各档齿轮的齿数。

3.2.1确定一档齿轮的

一档传动比

（3-8）

直齿（3-8）；取。

当时，取，则。

修正中心距。

3.2.2确定常啮合齿轮副的齿数

由（3-7）式得出：

（3-9）

得出①，

则常啮合齿轮中心距和一档齿轮中心距相等：

（3-10）

计算得出②，①与②联立方程组，计算得出：

为保证A=92.75mm，=0.906，得出。

3.2.3确定其他档位的齿数

（1）确定二档齿数

二档传动比

（3-11）

由，得出

③

根据，得出④，取51。

联立方程组后，得出，。

从抵消或减少中间轴的轴向力出发，齿数还必须满足下列关系式：

（3-12）

联解后得出：

基本满足要求修正。

（2）确定三档齿数

根据上部计算过程可联立出方程组：

其中取，取51。

解的：

根据式（3-13）联解后得出：

基本满足，修正中心距：

3.2.4确定倒档齿轮的齿数

一档、倒档齿轮常选用相同的模数。

倒档齿数的齿数，一般在21～33之间，初选后可计算中间轴与倒档的中心距:

计算得出，