轿车变速箱设计-毕业论文.doc

长春工业大学人文信息学院毕业论文 姓 名 马炤杰 学 号 11101117 题 目 轿车变速箱设计 系 别 机械工程系 专 业 机械工程及自动化 班 级 111011 指导教师 何秀媛 完成日期 5月5日 43摘 要传统的汽车变速器设计是由经验丰富的设计人员按经验公式来确定变速器的关键尺寸,这样设计的变速器往往结构笨重、传动效率不高、且材料的运用过于保守。而现代汽车变速器的设计趋势之一却是小型轻量化，因此采用全新的设计方法来优化汽车变速器就成了本文研究的目标。本文以SJ汽车变速器为例，首先通过传统的设计方法对变速器的结构及具体参数进行初步设计，然后通过MATLAB优化工具箱中的最优化函数来重新校验变速器的设计。根据设计要求和特点，在满足变速器可靠性的前提下，建立了汽车变速器的优化设计数学模型，使变速器齿轮和轴系的配合最合理化，变速器壳体的利用率达到最大化，从而减小了变速器的整体体积，同时也降低了变速器整体的质量，达到了预期优化的目的。结果表明：采用优化设计方法，可以缩短设计周期、减轻质量和降低成本，这是传统设计方法所不具备的，因此这种优化设计的方法是具有可行性的。关键词 变速器 优化 传动比ABSTRACTThe traditional design of Automobile gearbox used empirical formula to make sure the key sizes of gearbox，these designs always outdated，have lower efficiency，and the usage of material was too conservative. Along with the development of modern automobile industry，the design trends of gearbox are to request smaller volume and better function. So a new method which can get a small and lightweight gearbox becomes our target.In this thesis，SJ automobile gearbox was taken as an example. Firstly, traditional design was used to get the key sizes of gearbox；and then CAD was used to design its structure，such as shell、shaft、selector mechanism and so on；at last the toolbox of MATLAB was used to optimize the parameters of gearbox. The result manifests that using new method can shorten the design period，lower the costs for design，and the weight of gearbox can be reduced too. In conclusion，a satisfactory result can be achieved through optimizing the parameters of gearboxKeywords gearbox optimization transmitting ratio长春工业大学人文信息学院 机械工程及自动化专业目 录第1章 绪 论11.1 SJ汽车变速器的设计与优化1 1.2 SJ汽车变速器介绍21.3 齿轮变速器的变速原理31.4 汽车变速器的设计趋势5第2章 SJ汽车变速器的设计72.1 变速器的设计要求72.2 变速器传动方案的确定82.3 变速器零部件型式的确定132.4 变速器传动部分结构的确定152.5 变速器主要参数的设计172.6 变速器的操纵机构设计252.7 变速器壳体的设计262.8 SJ变速器的CAD设计28第3章 SJ汽车变速器优化313.1 优化设计与传统设计的比较313.2 优化设计理论323.3 优化软件介绍36 第59页第1章 绪 论1.1 SJ汽车变速器的设计与优化随着时间的流逝，昔日的辉煌渐渐落下了尘埃；当轻轻的掸去岁月留下的痕迹，闪露的就是历史的光华。卡尔奔驰和戈特利布戴姆勒就是尘封于汽车工业史上的两个伟大的名字。1886年，德国人奔驰自行设计了四行程发动机，并将其安装在一辆皮带传动的三轮车上，然后成功的驱动了它。同年，德国的戴姆勒将其自行发明的立式发动机安装在改装后的四轮马车上，也成功的驾驶了它。这两位同一国家，但素不相识的人，几乎同时发明了汽车，自此使人类跨入了汽车的时代。光阴似箭，时光如梭，在经历了100多年的变革和发展后，汽车已成为人类生活中必不可缺的元素，交通运输、代步工具、时尚娱乐等等都有其独特的优势。随着我国社会经济的发展和人民生活水平的提高，汽车保有量迅猛增长，同时也对汽车的性能和质量提出了更高的要求。汽车制造商不仅面临着用户对产品性能与质量越来越高的要求，而且面临着严格的技术法规约束以及降低产品成本等压力，这就迫使企业必须缩短产品开发周期。因此在汽车开发过程中，进一步使用各种先进的技术和理论方法，使设计过程自动化，以满足产品设计的需要就显得十分重要了。汽车变速器是完成传动系任务的重要部件，也是决定汽车整车性能的主要部件之一，开展汽车变速器的优化设计，对提高汽车的整车性能和设计质量无疑有着重要的意义。目前从国内来看，大部分的汽车采用的还是手动换档的机械式变速器，其设计和一些主要参数选择的方法却依然沿袭传统设计方法经验类比法。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，而且要求结构紧凑、尺寸小、重量13长春工业大学人文信息学院 机械工程系机械工程及自动化专业轻、传动效率高、工作可靠、寿命长、噪音低等等。而传统设计的方法不但缺乏严密的科学性，如为了强调零件的可靠性，往往选取较大的安全系数，结果增大了设计零件的重量，而且设计生产周期长，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。采用优化设计的方法确定汽车变速器的结构参数，可减小变速器的体积，得到良好的汽车动力性和燃料经济性，使换档轻便、无冲击噪声。同时也使设计者从大量的、繁琐的、重复的计算工作中解脱出来，使之有更多的精力从事创造性的工作，并可大大缩短设计周期，提高设计效率。所以，采用优化设计的方法进行汽车变速器的设计是十分必要的。1.2 SJ汽车变速器介绍现代汽车通常采用活塞式内燃机，其特点是扭矩变化范围比较小。但是汽车复杂的使用条件却要求汽车的驱动力和车速必须在相当大的范围内变化。这就需要在汽车的传动系中设置一个能够改变发动机扭矩和转速的装置，从而适应汽车经常变化的行驶条件，使汽车具有良好的动力性和经济性。汽车变速器就是传动系中能够达到这一功能的装置。其主要功用为：(A)改变传动比，扩大驱动轮扭矩和转速变化范围，以适应各种行驶条件，并使发动机在有利的工况下工作；(B)在发动机旋转方向不变的前提下，使汽车能倒向行驶；(C)利用空档，中断动力传递，使发动机能够迅速起动，保持怠速、并便于发动机的换档或进行动力输出。变速器在分类上通常有两种方式：按传动比变化方式和按操纵方式的不同来分。A.按传动比变化方式来分：(1)有级式变速器：是目前使用最广的一种。它采用齿轮传动，具有若干个定值传动比。按所用轮系型式不同，有轴线固定式变速器(普通变速器)和轴线旋转式变速器(行星齿轮变速器)两种。目前，轿车和轻、中型货车变速器的传动比通常有35个前进档和一个倒档，在重型货车用的组合式变速器中，则有更多档位。(2)无级式变速器：其传动比在一定的数值范围内可按无限多级变化，常见的有电力式和液力式(动液式)两种。电力式无级变速器的变速传动部件为直流串激电动机，除在无轨电车上应用外，在超重型自卸车传动系中也有广泛采用的趋势。动液式无级变速器的传动部件为液力变矩器。(3)综合式变速器 是指由液力变矩器和齿轮式有级变速器组成的液力机械式变速器，其传动比可在最大指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。B.按操纵方式来分：(1)强制操纵式变速器：是靠驾驶员直接操纵变速杆进行换档。(2)自动操纵式变速器：其传动比选择和换档是自动进行的，所谓“自动”，是指机械变速器每个档位的变换是借助反映发动机负荷和车速的信号系统来控制换档系统的执行元件而实现的。驾驶员只需操纵加速踏板以控制车速。(3)半自动操纵式变速器：有两种型式：一种是常用的几个档位自动操纵，其余档位则由驾驶员操纵；另一种是预选式，即驾驶员预先用按钮选定档位，在踩下离合器踏板或松开加速踏板时，接通一个电磁装置或液压装置来进行换档。1.3 齿轮变速器的变速原理一个普通的齿轮式变速器是利用不同齿数的齿轮啮合传动，以实现转速和转矩改变的。由齿轮传动的原理可知，一对齿数不同的齿轮啮合传动时可以变速。而且两齿轮的转速与其齿数成反比。设主动齿轮转速为n1，齿数为Z1，从动齿轮转速为n2，齿数为Z2。主动轮(即输入轴)转速与从动轮(即输出轴)转速之比值称为传动比。用字母i12表示。即: (1.1)因而, (1.2)如图1.1a所示。当以小齿轮为主动轮(即Z1Z2),其转速经大齿轮传出时就降低了，即n2n1，称为减速传动，此时传动比i1如图1.1b所示，当以大齿轮为主动轮(即Z1Z2)，其转速经小齿轮传出时就升高了，即n2n1,称为增速传动，此时传动比i1。这就是齿轮传动的变速原理。 （a） （b）图1-1 齿轮传动的变速原理一对齿轮传动只能得到一个固定的传动比。从而得到一种输出转速，并构成一个档位。为了扩大变速器输出转速的变化范围，普通齿轮变速器通常都采用多组大小不同的齿轮啮合传动。这样就构成了多个不同的档位。对应于不同的档位，均有不同的传动比值，从而可得到多种不同的输出转速。一般轿车和轻、中型客货车辆的变速器通常有36个前进档和一个倒档。所谓变速器档数就是指其前进档数。传动比值i1的档位称为降速档，即其输出轴转速低于发动机转速，而且传动比越大则输出转速越低；i1的档位称为直接档，即其输出轴转速与发动机转速相等；i1的档位称为超速档，即其输出轴转速超过发动机的转速。习惯上把变速器传动比值较小的档位称为高档，传动比值较大的档位称为低档；变速器档位的变换称为换档，由低档向高档变换称为加档(或升档)。反之称为减档（或降档)。变速器就是通过档位变换来改变传动比，从而实现多级变速的。由齿轮传动的原理可知，一对齿轮啮合传动时，齿轮的齿数愈多，其转速就愈低，而其转矩愈大；反之，齿轮的齿数愈少，其转速就愈高，而其转拒则愈小，就是说齿轮传动的转矩与其转速成反比。设主动轮的转速为n1，转矩为M1,；从动轮的转速为n2，转矩为M2,即: (1.3)由于， 所以： (1.4)由此可见，齿轮式变速器在改变转速的同时也改变了输出转矩，而且随着输出转速的降低，输出转矩反而增大；当输出转速升高时，输出转矩减小。汽车变速器就是利用这一原理，通过改变各档的传动比来改变输出转速，从而改变其输出转矩，以适应汽车行驶阻力的变化。由齿轮传动的原理可知，多级齿轮传动的传动比为: (1.5)1.4 汽车变速器的设计趋势汽车变速器自诞生以来，已随着汽车技术的发展，产生了日新月异的变化，出现了许多设计思路完全不同的变速器。但归根结底，现代汽车变速器技术的主要设计趋势是：小型轻量化、多档化、低噪声化。(1)小型轻量化汽车的质量由于涉及到汽车的油耗，所以在现代汽车的设计当中通常占有及其重要的地位。试验表明：汽车质量降低1 ，油耗可降低0.7。所以致力于减轻汽车所有部件的质量成为了汽车设计的基本准则。减小汽车变速器的质量因此也成为了现代变速器的设计趋势。铝、镁合金具有比强度高、比重小等诸多优点，是实现轻量化较为理想的材料， 目前已经广泛应用于变速器壳体、离合器壳体、操纵盖以及换档拨叉等零件。镁合金的密度为1.8g/cm3，是铝合金的2/3，不足钢的1/4，是实际应用的材料中最轻的合金。而且镁合金的切削性、比强度、比刚度好，尺寸稳定性好，吸振能力好，有利于减振和降低噪声。早在1938年，德国大众第一次对甲壳虫轿车的变速器壳体使用镁合金材料；1972年奥迪在014型手动变速器的壳体采用镁合金材料。目前，大众汽车公司和奥迪汽车公司启动了使用镁合金的战略，福特汽车公司也在其轻型载货车的离合器壳体中使用了镁合金。(2)多档化通常5档变速器最小速比(超速档时)为0.7，最大速比的增加可提高汽车的加速性能，当档位数大于6或1档速比大于4时，对加速性能的提高作用已不明显；档位数和速比范围对燃油经济性的影响：通常5档变速器的最大速比(1档时)取3.0，增加速比可提高燃油经济性，当档位数大于6或最小速比低于0.7时，对燃油经济性提高影响很小。为了提高汽车的动力性、经济性和驾驶平稳性，就要求变速器增加速比范围， 减少速比间隔。(3)低噪声化在汽车的诸多噪声源中，传动系的噪声仅次于发动机和排气系统的噪声，齿轮噪声又是变速器上的主要噪声源，在降低变速器噪声中扮演着非常重要的角色。几十年来，人们对齿轮的低噪声化进行了大量的研究工作，取得了明显的成效。在齿轮参数的降噪设计中，通过提高齿轮重合度来降低高速档齿轮的噪声，小模数、小压力角、大齿高的齿轮设计已成为潮流；许多公司为此开发了专门的优化设计程序。另外变速器箱体在降低变速器噪声方面也发挥着重要的作用，改进箱体的截面形状，从而改善箱体的振动特性，可有效地降低变速器的噪声。第2章 SJ汽车变速器的设计2.1 变速器的设计要求汽车变速器作为汽车传动系统的关键总成，其主要的功能是改变发动机曲轴的转矩及转速，以适应汽车在起步、加速、行驶以及克服各种道路障碍时对驱动车轮牵引力及车速的不同需求。变速器的结构对汽车的动力性、经济性、操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率等都有直接的影响。为保证变速器具有良好的工作性能，对变速器应提出如下设计要求：(1)变速器的档位数和传动比，必须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)设置空档以保证汽车在必要时能将发动机与传动系长时间分离；设置倒档使汽车可以倒退行驶；(3)操纵简单、方便、迅速、省力；(4)传动效率高，工作平稳、无噪声；(5)体积小、质量轻、承载能力强，工作可靠；(6)制造容易、成本低廉、维修方便、使用寿命长；(7)贯彻零件标准化、部件通用化及总成系列化等设计要求，遵守有关标准规定；(8)需要时应设置动力输出装置。本设计要求设计手动齿轮式变速器，变速器应用于发动机前置、前轮驱动的轿车上（具体参数见表2.1）。表2-1 SJ汽车变速器的设计原始参数参数数值发动机功率(P)66KW发动机最大转速（n）5600r/min发动机最大扭矩（）145 (n=3500r/min)主减速器传动比（）4.111整车总质量（m）1360kg车轮半径 (r)0.432m最大爬坡度（）30% (16.7)传动系机械效率(）0.962.2 变速器传动方案的确定2.2.1 轴数的选择手动变速器与自动变速器相比，其结构简单、造价低廉，因此在各种类型的汽车上均得到了广泛的应用。其中两轴式和三轴式变速器在手动式变速器中得到了最广泛的应用。三轴式变速器的第一轴常啮合齿轮与第二轴的各档齿轮分别与中间轴的相应齿轮相啮合，且第一、二轴同心。将第一、二轴直接连接起来传递转矩则称为直接档。此时，齿轮、轴承及中间轴均不承载，而第一、二轴也仅传递转矩因此，直接档的传动效率高，磨损及噪声也最小，这是三轴式变速器的主要优点。其他前进档需依次经过两对齿轮传递转矩。因此，在齿轮中心距(影响变速器尺寸的重要参数)较小的情况下仍然可以获得大的一档传动比，这是三轴式变速器的另一优点。其缺点是：除直接档外其他各档的传动效率有所降低。两轴式变速器与三轴式变速器相比，其结构简单、紧凑且除最高档外其他各档的传动效率高、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传动系统紧凑、操纵性好且可使汽车的质量减少6l0。两轴式变速器的输出轴与主减速器主动齿轮做成一体，当发动机纵置时，主减速器可用螺旋锥齿轮或双曲面齿轮；当发动机横置时则可用圆柱齿轮，从而简化了制造工艺、降低了成本。除倒档常用滑动齿轮(直齿圆柱齿轮)外，其他档位均采用常啮合齿轮(斜齿圆柱齿轮)传动。根据设计要求，本文拟选用两轴式的手动变速器作为设计对象。2.2.2 倒档型式的选择为实现倒档传动，采用在前进档的传动路线中，加入一个中间传动齿轮的方案，进行倒档的动力传递。由于倒档使用率不高，本设计采用直齿滑动齿轮方案换入倒档。2.2.3 传动路线的确定传动路线的设计应首先考虑轴的受力情况，再根据变速器的结构形式来进行布置。图2.1为设计的SJ变速器的传动方案简图。当离合器接合时，发动机的动力传至输入轴，带动三/四档同步器、二档、一档、倒档主动齿轮和五档接合套一起旋转，二档和一档从动齿轮绕输出轴空转。由于此时所有同步器接合套未与任何齿轮接合，倒档轴上的第2倒档齿轮亦未拨到与第1和第3倒档齿轮啮合的位置，因此，发动机动力不能传到输出轴，变速器处于空档位置，车辆不能起步行驶。图2-1 SJ五档机械变速器传动方案简图1.四档主动齿轮；2.三档主动齿轮；3.二档主动齿轮；4.倒档主动齿轮；5.一档主动齿轮；6.五档主动齿轮；7.输入轴；8.五档从动齿轮；9.输出轴；10.一档从动齿轮；11.倒档中间齿轮；12.二档从动齿轮；13.三档从动齿轮；14.四档从动齿轮；第3章 SJ汽车变速器优化第5章 结 论在本次SJ变速器的设计与优化中，首先按照设计要求确定变速器的轴数、倒档型式以及传动方案，然后对变速器的主要零部件的型式进行确定（包括齿轮、轴承、换档型式等），并按传统的设计方法初步设计其技术参数，完成变速器操纵机构和壳体的设计。其次，利用计算机的辅助设计CAD技术，对变速器的外形、内部结构具体化，初步完成变速器的设计，为后面的优化计算作好准备。第三，选取变速器体积最小作为目标函数，取齿轮的传动比、模数、螺旋角、齿数作为设计变量，选取中心距、传动系最大传动比、变速器使用性能、斜齿重叠系数、齿轮最小不根切齿数、模数、螺旋角、齿宽等作为约束条件，基于MATLAB优化工具箱的计算方法，建立优化模型，对SJ汽车变速器进行优化设计。通过本次的优化设计，将变速器的一、三档的传动比适当减小，同时增大二、四、五档的传动比，将一四档的模数减小，齿宽b从16mm调整到15.5mm，最后按照各档中心距一致得原则，重新调整各个齿轮的齿数Z与螺旋角，就能将变速器的体积由原来的805900mm3减小为632300mm3，减小了21.5的体积，证明这次的优化设计是可行的。结果标明：该方法对提高设计效率、减轻变速器质量和体积、降低产品成本等具有重要意义。参 考 文 献1 张宝生,李杰,林明芳.汽车优化设计理论与方法M.北京：机械工业出版社,2000.2 王望予.汽车设计M.北京：机械工业出版社,2005.3 余志生.汽车理论M.北京：机械工业出版社,2005.4 刘海江，于信汇，沈斌.汽车齿轮M.上海：同济大学出版社,1997.5 陈立德.机械设计基础M.北京：高等教育出版社,2004.6 王昆，何小柏，汪信远.机械设计课程设计M. 北京：高等教育出版社,2005.7 苏金明，阮沈勇.MATLAB 6.1实用指南M.北京：电子工业出版社，2002.8 薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用M.北京：清华大学出版社,2002.9 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