电动汽车动力传动系统匹配设计说明

. .摘 要随着石油资源的日益减少和环境保护要求的提高,电动汽车的发展越来越受到人们的重视,以往对于纯电动汽车的研究主要集中在能量存储系统,电驱动系统和控制策略的研究开发方面。然而,在动力电池和其他技术取得有效突破之前,对动力传动系统部件的设计参数进行研究是提高电动汽车性能的重要手段之一。变速器是汽车重要的传动系组成,在较大围改变汽车行驶速度的大小和汽车驱动轮上扭矩的大小。本设计的变速箱采用两轴式两挡和锁环式同步器换挡,这种布置形式缩短了变速器轴向尺寸,在保证挡数不变的情况下,减少齿轮数目,从而使变速器结构更加紧凑。电动汽车的变速器与普通变速器相比,其结构有所不同。因为驱动电机的旋向可以通过电路控制实现变换,所以电动汽车无需燃机汽车变速器中的倒档而设置倒档轴,只需应用电机反转来实现倒车行驶。设计中利用已知参数确定变速器各挡传动比、中心矩,齿轮的模数、压力角、齿宽等参数,由中心矩确定箱体的长度、高度、轴径,对轴和各挡齿轮进行校核,绘制出装配图及零件图。结论表明,变速器齿轮及各轴尺寸达到设计要求,齿轮及各轴强度的校核满足强度要求,结构合理。 同时本设计对电动汽车的动力传动系统进行了匹配设计计算,计算结果表明达到性能要求。关键词： 电动汽车；传动系；变速箱；匹配48 / 57AbstractWith oil resources dwindling and environmental improvement, the development of electric vehicles is receiving increasing attention, in the past, pure electric vehicle for research mainly concentrated in the energy storage system, electric drive systems and control research and development strategy . However, in the motive power and other technical breakthroughs made effective before the powertrain components of the design parameters of the study is to improve the performance of electric vehicles, one of the important means. Transmission is important automotive powertrain components, a change in a wide range of size of vehicle speed and torque of the motor vehicle wheelsize. The design of a two-axis of the transmission block and the two lock ring synchronizer shift, the layout of the form of reducing the transmission of axial size, while ensuring the same block a few cases, to reduce the number of gears, so that transmission structure compact. The transmission of electric vehicles as compared with ordinary transmission, its structure is different. Because of the rotary drive motor circuit can be controlled to achieve the transformation, so no internal combustion engine for electric vehicles in the automobile transmission and set up reverse reverse axis, simply the application of inversion to achieve the reversing motor traffic. Known parameters of the design of transmission of the block to determine the transmission ratio, the center moment, the modulus gear, pressure angle, tooth width and other parameters determined by the central moment of the box length, height, shaft diameter, the gear shaft and the block to check, drawn plans and parts assembly. Concluded that the transmission gears and the shaft size to meet the design requirements, the gear shaft and checking the strength to meet the strength requirements of a reasonable structure.At the same time, the design of a matching calculation results show that the performance requirements to meet.Key words: electric vehicle ；gearbox； powertrain ；matchin目录第1章 绪论11.1电动汽车的简介11.2电动汽车传动装置的特点11.3电动汽车变速器的功用1第2章 电动汽车动力传动系统匹配计算12.1计算最高车速12.2车辆加速时间的计算22.3车辆爬坡的计算22.4续驶里程的计算2第3章 电动汽车变速器设计方案及论证33.1电动汽车变速器的要求：33.2变速器设计方案论证3第4章 变速器各主要参数的设计计算及校核64.1 主要参数设计64.2齿轮强度计算104.3确定轴的尺寸13第5章 同步器的设计155.1 同步器的工作原理155.2同步器的功用同步器的种类165.3 同步器的参数的确定165.3.1摩擦因数165.3.2同步环主要尺寸确定17第6章 变速器操纵机构196.1 对变速器操纵机构的要求196.2 直接操纵手动换挡变速器196.3 远距离操纵手动换挡变速器206.4 变速器自锁、互锁、倒挡锁装置206.4.1自锁装置206.4.2互锁锁装置21第6章变速器轴承22第8章 变速器的润滑与密封23第9章 零件的加工工艺249.1 齿轮轴加工工艺249.2齿轮加工工艺259.3端盖加工工艺26第10章结 论27参考文献28致 30附录1 计算程序31动力传动系统匹配程序31齿轮校核程序33齿轮参数计算程序33附录2 专业外文语翻译35译文一：纽约时报35译文二：42第1章 绪论1.1电动汽车的简介电动汽车是指以车载电源为动力,用电机驱动车轮行驶,符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。电动汽车的优点是：它本身不排放污染大气的有害气体,即使按所耗电量换算为发电厂的排放,除硫和微粒外,其它污染物也显著减少,由于电厂大多建于远离人口密集的城市,对人类伤害较少,而且电厂是固定不动的,集中的排放,清除各种有害排放物较容易,也已有了相关技术。由于电力可以从多种一次能源获得,如煤、核能、水力、风力等,解除人们对石油资源日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电,使发电设备日夜都能充分利用,大大提高其经济效益。有关研究表明,同样的原油经过粗炼,送至电厂发电,经充入电池,再由电池驱动汽车,其能量利用效率比经过精炼变为汽油,再经汽油机驱动汽车高,因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量,正是这些优点,使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个热点。1.2电动汽车传动装置的特点电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴,当采用电动轮驱动时,传动装置的多数部件常常可以忽略。因为电动机可以带负载启动,所以电动汽车上无需传统燃机汽车的离合器。因为驱动电机的旋向可以通过电路控制实现变换,所以电动汽车无需燃机汽车变速器中的倒档。当采用电动机无级调速控制时,电动汽车可以忽略传统汽车的变速器。在采用电动轮驱动时,电动汽车也可以省略传统燃机汽车传动系统的差速器。1.3电动汽车变速器的功用改变传动比,满足不同行驶条件对牵引力的需要,使发动机尽量工作在有利的工况下,满足可能的行驶速度要求。 在较大围改变汽车行驶速度的大小和汽车驱动轮上扭矩的大小。由于汽车行驶条件不同,要求汽车行驶速度和驱动扭矩能在很大围变化。例如,在高速路上车速应能达到100km/h,而在市区,车速常在50km/h左右。空车在平直的公路上行驶时,行驶阻力很小,则当满载上坡时,行驶阻力便很大。而汽车发动机的特性是转速变化围较小,而转矩变化围更不能满足实际路况需要。中断动力传递,在电动机起动,怠速运转,汽车换档或需要停车进行动力输出时,中断向驱动轮的动力传递。实现空档,当离合器接合时,变速箱可以不输出动力。例如,可以保证驾驶员在电动机不熄火时松开离合器踏板离开驾驶员座位。汽车变速器是通过改变传动比,适应在起步、加速、行驶以及克服各种道路阻碍等不同行驶条件下对驱动车轮牵引力及车速不同要求的需要。通俗上分为手动变速器,自动变速器, 手动/自动变速器,无级式变速器。变速器能汽车倒挡行驶；利用空挡,中断动力传递,能使汽车启动行驶,怠速,提高速度等。第2章 电动汽车动力传动系统匹配计算汽车的动力性是指汽车在良好的路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的,所能达到的平均行驶速度。汽车是一种高效率的运输工具,运输效率的高低在很大程度上取决于汽车的动力性。所以,动力性使汽车各种性能中最基本、最重要的性能。普通汽车的动力性能指标包括最高车速、加速时间、和最大坡度。但对于电动汽车还必须包括续驶里程。2.1计算最高车速 其中：为车辆行驶的总阻力,N；为出去电池组的整车质量,kg；=845kg；为电池组质量,kg；=400kg；f为滚动阻力系数；f=0.013；为坡道角；=15%；Cd为空气阻力系数；Cd=0.35；A为迎风面积；A=1.5；ua为行驶车速,km/h；ua=45；为车辆旋转质量换算系数：其中：为飞轮转动惯量,；为车轮转动惯量,；为主减速比,； km/h 其中：Ft=主驱动电机一最大限流工作时车辆获得的驱动力；为主驱动电机的工作转速,r/min；=3567rpm为主驱动电机的最高工作转速,r/min；=6000rpm为车轮半径；r=0.2724为主减速比；2.2车辆加速时间的计算 其中：加速行驶起始车速m/h, =0加速行驶终止车速m/h,=45 km/h2.3车辆爬坡的计算由公式计算得： = 15.5% 2.4续驶里程的计算 =113km 其中：E为电池组充满电时的总能量,kwh,E=16kwh；e为电动车辆单位里程能耗,kwh/kw；为电池比能量,wh/kg,=36.7 wh/kg；为电动车辆行驶的比耗,kwh/。第3章 电动汽车变速器设计方案及论证3.1电动汽车变速器的要求：正确选择变速器的挡位数和传动比,使之与电动机参数优化匹配,以保证电动汽车具有良好动力性能；1保证汽车有必要的动力性和经济性。2设置空挡,用来切断发动机动力向驱动轮的传输。3设置倒档,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。5换挡迅速,省力,方便。6工作可靠。汽车行驶过程中,变速器不得有跳挡,乱挡以及换挡冲击等现象发生。7变速器应当有高的工作效率。8变速器的工作噪声低。除此以外,变速器还应当达到轮廓尺寸和质量小,制造成本低,维修方便的目标。满足汽车有必要的动力性和经济性指标,这与变速器的档数,传动比围和各挡传动比有关。汽车工作的道路条件越复杂,比功率越小,变速器的传动比围越大。近年来,变速器操纵机构有向自动操纵方向发展的趋势。为满足以上使用性能要求,本变速器采用有级式变速器。变速器由变速传动机构和操纵机构构成。变速器传动机构包括换挡齿轮、传动齿轮、传动轴。实现操作需要避免、避免冲击布置的同步器,操纵机构还要求有自锁和互锁装置。轿车多采用两轴式变速器,货车多采用三轴式变速器。同步器设计采用锁环式同步器。3.2变速器设计方案论证1传动机构布置方案分析变速器传动机构有两种分类方法。根据轴的形式不同,分为固定轴式和旋转轴式常配合行星齿轮传动两类。固定轴式又分为两轴式,中间轴式,双中间轴式变速器。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。旋转轴式主要用于液力机械式变速器。与中间轴式变速器比较,两轴式变速器有结构简单,轮廓尺寸小,布置方便。此外,因为其经过一对齿轮啮合传递动力,故传动效率高同时噪声也低。三轴式变速器与两轴式相比各挡多了一对齿轮传动,因而传递机械效率低噪声大。所以选择本设计两轴式双挡变速器。 2变速器主要参数的选择 档数增加变速器的档数能改善汽车的动力性和经济性。档数越多,变速器的结构越复杂,并且是尺寸轮廓和质量加大。同时操纵机构复杂,而且在使用时换档频率也增高。由于电动汽车的发展起步晚,受技术限制所以选用两挡变速箱,倒挡由电机反转来实现。 传动比围变速器的传动比围是指变速器最低档传动比与最高档转动比的比值。转动比围的确定与选定的发动机参数,汽车的最高车速和使用条件等因素有关。 中心距A对两轴式变速器,是输入轴与第二轴之间的距离称为变速器中心距.其大小不仅对变速器的外形尺寸,体积和质量大小,而且对轮齿的接触强度有影响。中心距越小,齿轮的接触应力大,齿轮寿命短。最小允许中心距当有保证齿轮有必要的接触强度来确定。3各档齿轮齿数的分配在初选中心距,齿轮模数和螺旋角以后,可更据变速器的档数,传动比和传动方案来分配各档齿轮的齿数。两档变速器为例,说明分配齿数的方法。尽可能使各档齿轮的齿数比应该不是整数。4 变速器的设计与计算齿轮的损坏形式轮齿折断,齿面疲劳剥落,移动换档齿轮端部破坏。轮齿折断分两种：轮齿受足够大的冲击载荷作用,造成轮齿弯曲折断；轮齿再重复载荷作用下齿根产生疲劳裂纹,裂纹扩展深度逐渐加大,然后出现弯曲折断。前者在变速器中出现的很少,后者出现的多。齿轮强度计算与其他机械行业相比,不同用途汽车的变速器齿轮使用田间仍是相似 的。此外,机车变速器齿轮用的材料,热处理方法,加工方法,精度级别,支承方式也基本一致。如汽车变速器齿轮用低碳钢制作,采用剃赤和磨赤精加工 ,齿轮表面采用渗碳淬火热处理工艺,齿轮精度为17983,6级 和7级。5轴承的选择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。至于何处应当采用何种轴承,是受结构限制并随所承受的载荷特点不同而不同。汽车变速器结构紧凑,尺寸小,采用尺寸大些的轴承结构受限制,常在布置上有困难。如变速器的第二轴前端支承在第一轴常啮合齿轮的腔中,腔尺寸足够时可布置圆柱滚子轴承,若空间不足则采用滚针轴承。变速器第一轴前端支承在飞轮的腔里,因有足够大的空间长采用球轴承来承受向力。6变速器操纵机构根据汽车使用条件的需要,驾驶员利用变速器的操纵机构完成选挡和实现换挡或退到空挡的工作。变速器操纵机构应当满足如下主要要求：换挡时只能挂人一个挡位,换挡后应使齿轮在全齿长上啮合,防止自动脱挡或自动挂挡,防止误挂倒挡,换挡轻便。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、自锁和倒挡锁装置等主要件组成,并依靠驾驶员手力完成选挡、换挡或退到空挡工作,称为手动换挡变速器。第4章变速器各主要参数的设计计算及校核4.1 主要参数设计1传动比围变速器的传动比围是指变速器最低档传动比与最高档转动比的比值。最高档通常是直接挡,传动比为1.0;有的变速器最高档是超速档,传动比为0.70.8。本设计选用直接档,传动比为1,即减速比为1。 可得经传动系输出最小转矩为443.3178N*m。由得到2.4905。所以,新设计变速器两个档位传动比分别为1和2.4905取1和2.5。2中心距的计算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。两轴式变速器的中心距Amm可根据对已有变速器的统计而得出的经验公式初定：式中 KA-中心距系数。对轿车,KA =8.99.3；对货车,KA =8.69.6；对多档主变速器,KA =9.511；在此取KA =9.3。式中TI max -变速器处于一档时的输出扭矩：Nm故可得出初始中心距A=58.5mm,取60mm。3外型尺寸变速箱的横向外型尺寸,根据齿轮直径以及换挡机构的布置初步确定。影响变速箱壳体轴向尺寸的因素有挡数、换挡机构形式以及齿轮形式。另外根据变速箱在电动汽车中的安装空间来设计。4齿轮参数模数齿轮模数是一个重要参数,并且影响它的选取因素有很多,如齿轮的强度、质量、噪声和工艺要求等。根据变速器用齿轮模数的围见表4-1、表4-2及计算得本设计所用变速箱齿轮模数如下：斜齿轮：根据汽车设计书P91的表格选择第一系列的模数所以取直齿轮：表4-1汽车变速器齿轮的法向模数mm车型乘用车的发动机排量V/L货车的最大总质量ma/t1.0V1.61.6V2.56.0ma14.0模数ma/mm2.252.752.753.003.504.504.506.00表4-2汽车变速器常用的齿轮模数mm第一系列1.001.251.52.02.53.0第二系列1.752.252.75齿形、压力角、螺旋角和齿宽b 汽车变速器齿轮的齿形、压力角、及螺旋角按表4-3选取。表4-3 汽车变速器齿轮的齿形、压力角与螺旋角齿形压力角螺旋角轿车 高齿并修形的齿形14.5,1516,16.52545一般货车 GB1356-78规定的标准齿形202030重型车同上 低档、倒档齿轮22.5,25小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取15,啮合套或同步器取30；斜齿轮螺旋角取20。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=m,mm b=83=24mm斜齿 b=m,mm b=72.5=17.5mm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。5 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。图4.1 变速器结构简图确定一档齿轮的齿数如图3.1 一档传动比为了确定Z1和Z2的齿数,先求其齿数和:其中 A =59mm、m =3；故有；。取；。上面根据初选的A及m计算出的可能不是整数,将其调整为整数后,看出中心距有了变化,这时应从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。这里修正为39,反推出A=60mm。确定其他档位的齿数二档传动比的计算齿轮变位系数的选择齿轮的变位是齿轮设计中一个非常重要的环节。采用变位齿轮,除为了避免齿轮产生根切和配凑中心距以外,它还影响齿轮的强度,使用平稳性,耐磨性、抗胶合能力及齿轮的啮合噪声。变位齿轮主要有两类：高度变位和角度变位。高度变位齿轮副的一对啮合齿轮的变位系数的和为零。高度变位可增加小齿轮的齿根强度,使它达到和大齿轮强度想接近的程度。高度变位齿轮副的缺点是不能同时增加一对齿轮的强度,也很难降低噪声。角度变位齿轮副的变位系数之和不等于零。角度变位既具有高度变位的优点,有避免了其缺点。有几对齿轮安装在中间轴和第二轴上组合并构成的变速器,会因保证各档传动比的需要,使各相互啮合齿轮副的齿数和不同。为保证各对齿轮有相同的中心距,此时应对齿轮进行变位。当齿数和多的齿轮副采用标准齿轮传动或高度变位时,则对齿数和少些的齿轮副应采用正角度变位。由于角度变位可获得良好的啮合性能及传动质量指标,故采用的较多。对斜齿轮传动,还可通过选择合适的螺旋角来达到中心距相同的要求。变速器齿轮是在承受循环负荷的条件下工作,有时还承受冲击负荷。对于高档齿轮,其主要损坏形势是齿面疲劳剥落,因此应按保证最大接触强度和抗胶合剂耐磨损最有利的原则选择变位系数。为提高接触强度,应使总变位系数尽可能取大一些,这样两齿轮的齿轮渐开线离基圆较远,以增大齿廓曲率半径,减小接触应力。对于低档齿轮,由于小齿轮的齿根强度较低,加之传递载荷较大,小齿轮可能出现齿根弯曲断裂的现象。总变位系数越小,一对齿轮齿更总厚度越薄,齿根越弱,抗弯强度越低。但是由于轮齿的刚度较小,易于吸收冲击振动,故噪声要小些。根据上述理由,为降低噪声,变速器中除去一、二档和倒档以外的其他各档齿轮的总变位系数要选用较小的一些数值,以便获得低噪声传动。其中,一档主动齿轮10的齿数Z10,因此一档齿轮需要变位。变位系数 式中 Z为要变位的齿轮齿数。因为齿轮1的齿数为11,所以会发生根切,所以需要变位。变为系数为。4.2齿轮强度计算齿轮的强度计算与校核与其他机械设备使用的变速器比较,有所不同。但不同用途汽车的变速器齿轮使用条件仍是相似的。此外,汽车变速器齿轮所用的材料、热处理方法、加工方法、精度等级、支撑方式也基本一致。如汽车变速器齿轮用低碳合金钢制造,采用剃齿或齿轮精加工,齿轮表面采用渗碳淬火热处理工艺,齿轮精度不低于7级。因此,比用于计算通用齿轮强度公式更为简化一些的计算公式来计算汽车齿轮,同样、可以获得较为准确的结果。在这里所选择的齿轮材料为45。1直齿轮弯曲应力式中：-弯曲应力MPa；-一档齿轮1的圆周力N -节圆直径。mm-应力集中系数,可近似取1.65；-摩擦力影响系数,主动齿轮取1.1,从动齿轮取0.9；-齿宽mm,取24mm-端面齿距mm；y-齿形系数,如齿形系数图4.1图4.2齿形系数图 当处于一档时,故由 Nm mm N Mpa MPa 当计算载荷取作用到变速器第一轴上的最大扭矩时,一档直齿轮的弯曲应力在400850MPa之间。2 斜齿轮弯曲应力 式中为重合度影响系数,取2.0；其他参数均与直齿轮注释相同,选择齿形系数y时,按当量模数在齿形系数表中查得,y=0.14二档齿轮圆周力： Nm mm N Mpa Mpa当计算载荷取作用到第一轴上的最大扭矩时,对常啮合齿轮和高档齿轮,许用应力在180350MPa围,因此,上述计算结果均符合弯曲强度要求。2齿轮接触应力式中 -齿轮的接触应力MPa；-齿面上的法向力N,；-圆周力在N,；-节点处的压力角20；-齿轮螺旋角；E-齿轮材料的弹性模量MPa,材料为45可取；b-齿轮接触的实际宽度mm；直齿轮b=20mm、斜齿轮b=17.5mm-主、从动齿轮节点处的曲率半径mm；直齿轮： 斜齿轮： 其中,分别为主从动齿轮节圆半径mm。将作用在变速器第一轴上的载荷作为计算载荷时,变速器齿轮的许用接触应力见下表：表4-4 变速器齿轮的许用接触应力齿轮/MPa渗碳齿轮液体碳氮共渗齿轮一档和倒档190020009501000常啮合齿轮和高档13001400650700通过计算可以得出各档齿轮的接触应力分别如下：一档：1856.74MPa 二档：1290.45MPa 对照上表4-4可知,所设计变速器齿轮的接触应力基本符合要求。4.3确定轴的尺寸变速器轴的确定和尺寸,主要依据结构布置上的要求并考虑加工工艺和装配工艺要求而定。在草图设计时,由齿轮、换档部件的工作位置和尺寸可初步确定轴的长度。而轴的直径可参考同类汽车变速器轴的尺寸选定,也可由下列经验公式初步选定：第一轴： mm第二轴： mm与关系：一轴：二轴：所以,一轴 mm 二轴 mm轴的校核是评定变速器是否满足所要求的强度、刚度等条件,是否满足使用要求,是设计过程中的重要步骤,主要是为了对设计的数据校核,达到设计的要求。变速器齿轮在轴上的位置如图4-3所示：图4.3轴受力简图 轴在垂直面挠度为,在水平面为,转角为,则；为轮齿齿宽在中间平面上的圆周力。为齿轮齿宽在中间面上的径向力。为弹性模量,Mpa为惯性力矩,对于实心轴：为轴的直径,花键处按平均直径、为齿轮上作用力矩与支座A、B的距离为支座间的距离轴的全挠度为：在其作用下应力为：为抗弯截面系数轴在垂直面和水平面挠度的允许值为f=0.050.10mm,f=0.100.15mm.齿轮所在平面的转角不应超过0.002rad。经过计算校核后该轴满足要求。第5章 同步器的设计同步器有常压式、惯性式和惯性增力式三种。常压式同步器结构虽然简单,但有不能保证啮合件在同步状态下换挡的缺点,现已不用。得到广泛应用的是惯性式同步器。惯性式同步器是依靠摩擦作用实现同步的,在其上面设有专设机构保证接合套与待接合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触,从而避免了齿间冲击。由于变速器输入轴与输出轴以各自的速度旋转,变换挡位时合存在一个同步问题。两个旋转速度不一样齿轮强行啮合必然会发生冲击碰撞,损坏齿轮。因此,旧式变速器的换挡要采用两脚离合的方式,升挡在空挡位置停留片刻,减挡要在空挡位置加油门,以减少齿轮的转速差。但这个操作比较复杂,难以掌握精确。因此设计师创造出同步器,通过同步器使将要啮合的齿轮达到一致的转速而顺利啮合。变速器的换挡操作,尤其是从高挡向低挡的换挡操作比较复杂,而且很容易产生轮齿或花键齿间的冲击。为了简化操作,并避免齿间冲击,可以在换挡装置中设置同步器。5.1 同步器的工作原理同步器换挡过程由三个阶段组成。第一阶段：同步器离开中间位置,做轴向移动并靠在摩擦面上。摩擦面相互接触瞬间,假如齿轮3的角速度3,和滑动齿套1的角速度l不同,在摩擦力矩作用下锁销相对滑动齿套1转动一个不大的角度,并占据锁止位置。此时锁止面接触,阻止了滑动齿套向换挡方向移动。第二阶段：来自手柄传至换挡拨叉并作用在滑动齿套上的力F,经过锁止元件又作用到摩擦面上。由于,3和l不等,在上述表面产生摩擦力。滑动齿套1和齿轮3分别与整车和变速器输入轴转动零件相连接。于是,在摩擦力矩作用下,滑动齿套1和齿轮3的转速逐渐接近,其角速度差=|1-3|减小了。在=0瞬间同步过程结束。第三阶段：=0,摩擦力矩消失,而轴向力F仍作用在锁止元件上,使之解除锁止状态,此时滑动齿套和锁销上的斜面相对移动,从而使滑动齿套占据了换挡位置。相邻挡位相互转换时,应该采取不同操作步骤的道理同样适用于移动齿轮换挡的情况,只是前者的待接合齿圈与接合套的转动角速度要求一致,而后者的待接合齿轮啮合点的线速度要求一致,但所依据的速度分析原理是一样的。5.2同步器的功用同步器的种类同步器有常压式和惯性式。目前全部同步式变速器上采用的是惯性同步器,它主要由接合套、同步锁环等组成,它的特点是依靠摩擦作用实现同步。接合套、同步锁环和待接合齿轮的齿圈上均有倒角锁止角,同步锁环的锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触产生摩擦。锁止角与锥面在设计时已作了适当选择,锥面摩擦使得待啮合的齿套与齿圈迅速同步,同时又会产生一种锁止作用,防止齿轮在同步前进行啮合。当同步锁环锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触后,在摩擦力矩的作用下齿轮转速迅速降低或升高到与同步锁环转速相等,两者同步旋转,齿轮相对于同步锁环的转速为零,因而惯性力矩也同时消失,这时在作用力的推动下,接合套不受阻碍地与同步锁环齿圈接合,并进一步与待接合齿轮的齿圈接合而完成换挡过程。5.3 同步器的参数的确定5.3.1摩擦因数摩擦因数除与选用的材料有关外,还与工作面的表面粗糙度、润滑油种类和温度等因素有关。作为与同步环锥面接触的齿轮上的锥面部分与齿轮做成一体,用低碳合金钢制成。对锥面的表面粗糙度要求较高,用来保证在使用过程中摩擦因数变化小。若锥面的表面粗糙度差,在使用初期容易损害同步环锥面。同步环常选用能保证具有足够高的强度和硬度、耐磨性能良好的黄铜合金制造,如锰黄铜、铝黄铜和锡黄铜等。早期用青铜合金制造的同步环因使用寿命短,已遭淘汰。由黄铜合金与钢材构成的摩擦副,在油中工作的摩擦因数取为0.1。摩擦因数对换挡齿轮和轴的角速度能迅速达到相同有重要作用。摩擦因数大,换挡省力或缩短同步时间；摩擦因数小则反之,甚至失去同步作用。为此,在同步环锥面处制有破坏油膜的细牙螺纹槽及与螺纹槽垂直的泄油槽,用来保证摩擦面之间有足够的摩擦因数。5.3.2同步环主要尺寸确定同步环锥面上的螺纹槽 如果螺纹槽螺线的顶部设计得窄些,则刮去存在于摩擦锥面之间的油膜效果好。但顶部宽度过窄会影响接触面压强,使磨损加快。试验还证明：螺纹的齿顶宽对的影响很大, 随齿顶的磨损而降低,换挡费力,故齿顶宽不易过大。螺纹槽设计得大些,可使被刮下来的油存于螺纹之间的间隙中,但螺距增大又会使接触面减少,增加磨损速度。通常轴向泄油槽为612个,槽宽34mm。锥面半锥角摩擦锥面半锥角越小,摩擦力矩越大。但过小则摩擦锥面将产生自锁现象,避免自锁的条件是tana 。一般取 =68。 =6时,摩擦力矩较大,但在锥面的表面粗糙度控制不严时,则有粘着和咬住的倾向；在 =7时就很少出现咬住现象。锁止角锁止角选取的正确,可以保证只有在换档的两个部分之间角速度差达到零值才能进行换档。影响锁止角选取的因素主要有摩擦因数 擦锥面的平均半径R,锁止面平均半径和锥面半锥角 。已有结构的锁止角在2646围变化。摩擦锥面平均半径RR往往受结构限制,包括变速器中心距及相关零件的尺寸和布置的限制,尽可能将R取大些。同步时间同步器工作时,要连接的两个部分达到同步的时间越短越好。除去同步器的结构尺寸,转动惯量对同步时间有影响以外,变速器输入轴,输出轴的角速度差及作用在同步器摩擦追面上的轴向力,均对同步时间有影响。轴向力大,同步时间减少。而轴向力与作用在变速杆手柄上的力有关,不同车型要求作用到手柄上的力也不相同。为此,同步时间与车型有关,计算时可在下属围选取：对轿车变速器高档取0.150.30s,低档取00.80s;对货车变速器高档取0.300.80s,低档取1.001.50s转动惯量的计算换档过程中依靠同步器改变转速的零件统称为输入端零件,它包括第一轴及离合器的从动盘,中间轴及其上的齿轮,与中间轴上齿轮相啮合的第二周上的常啮合齿轮。其转动惯量的计算：首先求得各零件的转动惯量,然后按不同档位转换到被同步的零件上。对已有的零件,其转动惯量值通常用扭摆法测出;若零件未制成,可将这些零件分解为标准的几何体,并按数学公式合成求出转动惯量。第6章 变速器操纵机构变速器操纵机构能让驾驶员使变速器挂上或摘下某一档,从而改变变速器的工作状态。根据汽车使用条件的需要,驾驶员利用变速器的操纵机构完成选挡和实现换挡或退到空挡的工作。变速器操纵机构按照变速操纵杆位置的不同,可分为直接操纵式和远距离操纵式两种类型。变速器操纵机构应当满足如下主要要求：换挡时只能挂入一个挡位,换挡后应使齿轮在全齿长上啮合,防止自动脱挡或自动挂挡,防止误挂倒挡,换挡轻便。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、自锁等主要件组成,并依靠驾驶员手力完成选挡、换挡或退到空挡工作,称为手动换挡变速器。6.1 对变速器操纵机构的要求为了保证变速器的可靠工作,变速器操纵机构应能满足以下要求：1挂挡后应保证结合套于与结合齿圈的全部套合或滑动齿轮换挡时,全齿长都进入啮合。在振动等条件影响下,操纵机构应保证变速器不自行挂挡或自行脱挡。为此在操纵机构中设有自锁装置。2为了防止同时挂上两个挡而使变速器卡死或损坏,在操纵机构中设有互锁装置。3为了防止在汽车前进时误挂倒挡,导致零件损坏,在操纵机构中设有倒挡锁装置。6.2 直接操纵手动换挡变速器这种形式的变速器布置在驾驶员座椅附近,变速杆由驾驶室底板伸出,驾驶员可以直接操纵,本次设计的五挡变速器的操纵机构就采用这种形式,多用于发动机前置后轮驱动的车辆。 拨叉轴的两端均支承于变速器盖的相应孔中,可以轴向滑动。所有的拨叉和拨块都以弹性销固定于相应的拨叉轴上。三、四挡拨叉的上端具有拨块。拨叉和拨块的顶部制有凹槽。变速器处于空挡时,各凹槽在横向平面对齐,叉形拨杆下端的球头即伸人这些凹槽中。选挡时可使变速杆绕其中部球形支点横向摆动,则其下端推动叉形拨杆绕换挡轴的轴线摆动,从而使叉形拨杆下端球头对准与所选挡位对应的拨块凹槽,然后使变速杆纵向摆动,带动拨叉轴及拨叉向前或向后移动,即可实现挂挡。例如,横向摆动变速杆使叉形拨杆下端球头深入拨块顶部凹槽中,拨块连同拨叉轴和拨叉沿纵向向前移动一定距离,便可挂挡；若向后移动一段距离,则挂人另一挡。 各种变速器由于挡位数及挡位排列位置不同,其拨叉和拨义轴的数量及排列位置也不相同。例如,上述的五挡变速器的五个前进挡和一个倒挡用了三根拨叉轴,而东风解放CAl091的六挡变速器具有四根拨叉轴,其倒档占一根拨叉轴。6.3 远距离操纵手动换挡变速器在有些汽车上,由于变速器离驾驶员座位较远,则需要在变速杆与拨叉之间加装一些辅助杠杆或一套传动机构,构成远距离操纵机构。这种操纵机构多用于发动机前置前轮驱动的轿车,如桑塔纳2000轿车的五挡手动变速器,由于其变速器安装在前驱动桥处,远离驾驶员座椅,因此需要采用这种操纵方式。而在变速器壳体上则具有类似于直接操纵式的换挡机构。另外,有些轿车和轻型货车的变速器,将变速杆安装在转向柱管上。因此,在变速杆与变速器之间也是通过一系列的传动件进行传动,这也是远距离操纵方式。它具有变速杆占据驾驶室空间小,乘坐方便等优点。6.4 变速器自锁、互锁、倒挡锁装置6.4.1自锁装置自锁装置用于防止变速器自动脱挡或挂挡,并保证轮齿以全齿宽啮合。大多数变速器的自锁装置都是采用自锁钢球对拨叉轴进行轴向定位锁止。在变速器盖中钻有三个深,孔中装入自锁钢球和自锁弹簧,其位置正处于拨叉轴的正上方,每根拨叉轴对着钢球的表面沿轴向设有三个凹槽,槽的深度小于钢球的半径。中间的凹槽对正钢球时为空挡位置,前边或后边的凹槽对正钢球时则处于某一工作挡位置,相邻凹槽之间的距离保证齿轮处于全齿长啮合或是完全退出啮合。凹槽对正钢球时,钢球便在自锁弹簧的压力作用下嵌入该凹槽,拨叉轴的轴向位置便被固定,不能自行挂挡或自行脱挡。当需要换挡时,驾驶员通过变速杆对拨叉轴施加一定的轴向力,克服自锁弹簧的压力而将自锁钢球从拨叉轴凹槽中挤出并推回孔中,拨叉轴便可滑过钢球进行轴向移动,并带动拨叉及相应的接合套或滑动齿轮轴向移动,当拨叉轴移至其另一凹槽与钢球相对正时,钢球又被压入凹槽,驾驶员具有很强的手感,此时拨叉所带动的接合套或滑动齿轮便被拨入空挡或被拨入另一工作挡位。6.4.2互锁锁装置互锁装置用于防止同时挂上两个挡位。互锁装置由互锁钢球和互锁销组成。当变速器处于空挡时,所有拨叉轴的侧面凹槽同互锁钢球、互锁销都在一条直线上。当移动中间拨叉轴2时,轴2两侧的钢球从其侧凹槽中被挤出,而两外钢球则分别嵌入两根拨叉轴的侧面凹槽中,因而将两根拨叉轴刚性地锁止在其空挡位置。若欲移动拨叉轴,则应先将拨叉轴退回到空挡位置。于是在移动拨叉轴时,钢球便从轴的凹槽中被挤出,同时通过互锁销和其他钢球将轴和轴均锁止在空挡位置。同理,当移动拨叉轴时,则两根轴被锁止在空挡位置,由此可知,互锁装置：作用的机理是当驾驶员用变速杆推动某一拨叉轴时,即可自动锁止其余的拨叉轴,从而防止同时挂上两个挡位。第6章变速器轴承变速器轴承常用圆柱滚子轴承,球轴承,滚针轴承、圆锥滚针轴承、滑动轴套等,轴承在变速器中起支撑作用,其选择需依据轴的直径,公差配合,还要保证能够轴向定位,饶径向转动。本设计的变速器多处采用滚针轴承,在箱体处的支撑采用深沟球轴承。因此,其选用对变速器的实用性能有很大影响。一轴导向轴采用径12mm,外径32mm,厚10mm的深沟球轴承,即选自GB/T276-1994深沟球轴承,轴承型号为60000型02系列。二轴前采用径20mm,外径50mm,厚14mm深沟球轴承。即选自GB/T283-1994圆柱滚子轴承N型02系列。后面的圆柱滚子轴承采用径25mm,外径47mm,厚11mm的圆柱滚子轴承,即GB/T283-1994。轴承型号为N 202 E。本设计选用的轴承符合国家标准规定的系列,同时包括轴的直径,以齿轮作为选取轴承的标准,因为轴承是标准件。同时这样可实现系列化,并尽量能满足三化的要求。第8章 变速器的润滑与密封本设计在第一轴常啮合传动齿轮和第二轴上的齿轮上钻有径向油孔或是开有径向油槽,以便润滑所在部位的滚针轴承。为了防止润滑油从第一轴与轴承盖之间的间隙流入离合器而影响其摩擦性能,在轴承盖安装了橡胶油封,并在壳体上开有回油孔。为了防止润滑油从第二轴后端流到中央制动器的工作表面上,在变速器后盖也装有橡胶油封,并在各轴承盖、后盖、上盖等集合面间装入密封纸垫。近年来,在这些表面上又涂了密封胶,对防止漏油有明显效果。为了防止变速器工作时油温升高,气压增大而造成润滑油渗漏现象,在变速器上装有通气塞。为减少摩擦引起的零件磨损和功率损失,须在壳体注入齿轮油,采用飞溅方式润滑各齿轮副,轴与轴承等零件表面。因此,壳体一侧有加油口,壳体底部有放油塞,油面高度即由加油口控制。除此之外,对脂润滑与稀油润滑等予以区分,并掌握润滑方式和密封方式,他们对变速器的密封与润滑起决定性作用。采用的不同密封材料,对于掌握和进行设计有很好的帮助第9章 零件的加工工艺9.1 齿轮轴加工工艺齿轮轴是大批量生产的,而在大批生产中,一般多采用专用机床和常规加工方法。为了提高企业的竞争力,也应该注意采用数控机床、数显装置、柔性制造系统FMS以及成组技术等先进设备和先进的加工方法。齿轮轴的毛坯均应选用45号钢。10. 下料45棒料20. 车端面及外圆30. 滚齿40. 磨外圆50. 磨齿60. 检验。图9.1 齿轮轴9.2齿轮加工工艺齿轮为大批量生产件,材料为45见图9.2。10.下料20.粗车外圆及端面,留余量1.52mm,钻镗轴承底孔拉花键孔30.钳工去毛刺40.上芯轴,精车外圆,端面检验50.滚齿60.插齿70.倒角80.钳工去毛刺90.剃齿100.剃齿110.齿部高频淬火推孔120.珩齿130.总检入库图10.2 齿轮9.3端盖加工工艺端盖从材料及强度等的多方面考虑材料选用08F见图10.3、图10.4。10.下料20.冲压30.去毛刺40.最终检查图9.3 端盖简图1图9.4 端盖简图2第10章 结 论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,同时使发动机再最有利工况围工作。变速器设有两挡,倒档由电机的反转来实现。需要时变速器还有动力输出功能。汽车传动系是汽车的主要组成部分,变速器又是传动系的重要部件,它们的任务就是充分发挥发动机的性能,使发动机发出的动力有效而经济地传到驱动轮,以满足汽车行驶上的各项要求。变速器的优劣是决定汽车整车性能的重要因素。因而,变速器的设计与制造历来受到汽车界的极大重视。变速器设计和一些主要参数选择结构紧凑、尺寸小、重量轻、传动效率高、工作可靠、寿命长、噪音低等。而传统设计方法缺乏严密的科学性,如为了强调零件可靠性,往往取较大安全系数,结果增加了设计零件的重量。并且生产周期长,方法上依然沿袭传统设计方法。现代汽车技术的发展对传动装置的设计工作提出了更高的要求。在这种情况下,传动装置的设计,不但要满足动力性和经济性指标,而且要求设计质量低,材料消耗大。因而采用传统设计法进行变速器设计已不能满足汽车发展的客观需要,必须采用现代设计方法。本次设计的变速器,在保证零件的强度、刚度、使用寿命等条件下,以减少重量和体积作为目标,运用材料力学轴、轴承等参数进行校核与优化,将对汽车动力性和燃料经济性有所改善,使换挡轻便,冲击噪声小,提高设计效率,具有实际应用意义。变速器的结构设计的合理性直接影响到汽车动力性和经济性。该设计达到换挡迅速、省力、方便、有较高的工作效率、工作噪声低的要求。通过对该传动系统匹配计算的结果与原车的要求结果比较,可以看出本设计是符合要求的。参考文献1 汽车工程手册设计篇M.人民交通,20012 姬芬竹,高峰,吴志新.电动汽车传动系参数设计及动力性仿真J. 航空航天大学学报, 20063 军求,逢春,承宁等. 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