苏ICP备112451047180号-6
三轴式三进一倒变速器设计
一、课题来源（背景）
我国汽车工业经过改革开放40年的快速发展，现已成为世界汽车产销大国。但对标高质量发展要求，仍存在着发展不平衡不充分和大而不强的问题。要通过创新驱动，加快推动传统汽车改造提升，加快节能与新能源汽车发展。要加快产学研用结合，培育和提升创新能力，为汽车产业发展提供新动能。要加大重要核心技术和关键零部件的技术攻关力度。汽车变速器是汽车传动系中最主要的部件之一。如今，中国汽车变速器市场正处于高速发展期。
二、选题意义
汽车变速器是用于协调发动机的转速和车轮的实际行驶速度的变速装置，用于发挥发动机的最佳性能。汽车变速器可以在汽车行驶过程中，在发动机和车轮之间产生不同的变速比，通过换档可以使发动机在其最佳的动力性能状态下工作。汽车变速器是由变速传动机构和操纵机构组成。它的主要原理是通过不同尺寸及齿数的齿轮互相啮合，为不同车速提供必需的动力输出。其主要功能有：①改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，同时使发动机在有利（功率较高而油耗较低）的工况下工作；②在发动机旋转方向不变情况下，使汽车能倒退行驶；③利用空档，中断动力传递，使发动机能够起动、怠速，并便于变速器换档或进行动力输出。
汽车变速器，按操纵方式分类，可以划分为手动变速器和自动变速器两大类。自动变速器又可细分为电控机械式变速器（AMT）、双离合器自动变速器（DCT）、无级变速器（CVT）和液力自动变速器（AT）。
手动变速器传动效率高，燃油经济性好，制造及维修成本低，驾驶者操纵感强，但其操作相对复杂；自动变速器操作简单，使用方便，但其缺点在于造价高，结构复杂，维修成本高。
三轴式变速器是手动变速器中比较经典的款式，从早期的桑塔纳等车型系列，到日产锐骐。以及我国的一汽、二汽以及大众途观等。小到微型轿车大到货车等。得到广泛应用，演变也是从四档、五档、六档以及更高的挡位发展，换挡方式也从单纯的手动换挡变为液压换挡、电子换挡。
三、文献综述
（1）研究相关资料，充分了解和掌握汽车变速箱的类型、布置形式、结构特点、应用场合、制造工艺、各自主要优缺点、常见故障以及其他减速机构的形式等；
（2）查阅相关文献熟悉变速器设计规范，根据初始条件和基本设计参数，合理选择总体结构形式并确定变速器材料；
（3）根据参考资料掌握减速器的设计过程、计算方法以及校核方法。将这些方法运用到设计的过程中；
四、设计任务（研究内容）
1、按照毕业实习大纲的要求认真完成毕业实习及实习报告，了解和掌握汽车变速箱的类型、布置形式、结构特点、应用场合、制造工艺、各自主要优缺点、常见故障以及其他减速机构的形式等；了解国内外汽车变速箱的现状和发展趋势；
2、按照《应查阅的参考资料》的要求，搜集、借阅、查阅有关参考资料及设计手册；
3、规范完成翻译相关英语原文资料的任务；
4、完成CAD、UG.、机电控制工程等相关软件、计算机语言及相关课程的学习与准备；
5、根据初始条件和基本设计参数，合理选择总体结构形式；
6、确定变速器的材料、总体结构；
7、计算动力性与驱动性之间的匹配（传动比）；
8、设计、计算并校核减速器；
9、完成相应的图形绘制；
10、完成设计说明书；
五、进度计划
1、资料收集、借阅、查阅；
2、外文资料翻译；
3、选择总体结构形式、确定变速器的材料、总体结构、计算动力性与驱动性之间的匹配；
4、设计、计算并校核减速器；
5、完成相应的图形绘制和设计说明书；
六、参考文献（10篇左右，含2篇以上外文文献）
[1]王雪涛.关于汽车变速器的发展分析[J]. 装备制造(1):109.
[2]刘怡然.汽车机械式变速器优化设计实现路径分析[J].南方农机,2019,50(24):32.
[3]陈芳.基于可靠性的汽车机械式变速器变速传动机构设计[J].微型电脑应用,2020,36(02):138-140.
[4]张斌斌,李继良.三轴变速器的设计[J]. 科技尚品, 2016,000(002):125-126.
[5]王惠娟.变速器的结构设计[J].科技致富向导,2013(36):43-43.
[6]曾越海.变速器传动比设计[C].2015年海南机械科技学术年会.2015.
[7]曹智.汽车变速箱故障诊断[J].佳木斯职业学院学报,2016,No.160(03):502.
[8]刘意气,陈建,罗大国.国内外变速器齿轮材料的对比[J].汽车工程师,2017(10).
[9]杨琪.减速器的优化设计[J].中国科技博览,2013(13):9-9.
[10]单辉祖. 材料力学. 高等教育出版社，2016.
[11]濮良贵. 机械设计. 高等教育出版社，2013.
[12]Adekomaya Oludaisi. Adaption of green composite in automotive part replacements: discussions on material modification and future patronage.[J]. Environmental science and pollution research international,2020,27(8).
[13]Tiancheng Ouyang,Guicong Huang,Shuoyu Li,Jingxian Chen,Nan Chen. Dynamic modelling and optimal design of a clutch actuator for heavy-duty automatic transmission considering flow force[J]. Mechanism and Machine Theory,2020,145.
[14]K Barathiraja,G Devaradjane,Anup Bhattacharya,V Sivakumar,Vivek Yadav. Automotive Transmission Gearbox Synchronizer Sintered Hub Design[J]. Engineering Failure Analysis,2020,107.
目 录
第一章 绪论 1
1.1 变速箱概述 1
1.2研究现状 1
1.3选题意义 2
1.4变速箱设计要求 3
第二章 变速器方案的确定 4
2.1两轴式和三轴式变速器 4
2.2换挡的结构型式 5
2.3自动脱档 6
2.4齿轮安排 7
2.4.1 驾驶员的使用习惯 7
2.4.2提高平均传动效率 7
2.4.3整车的总体布置 7
2.4.4改善齿轮的受载情况 7
2.5 倒挡传动方案的确定 7
2.6 变速器轴承 9
第三章 变速器主要参数的选择与主要零件的设计 11
3.1传动比 11
3.1.1变速器各档传动比的确定 11
3.1.2中心距的选择 12
3.1.3变速器的外形尺寸 13
3.1.4齿轮参数的选择 13
3.2各档齿轮齿数的分配 16
3.2.1确定一档齿轮的齿数 16
3.2.2对中心距的修正 17
3.2.3确定常啮合齿轮副的齿数 17
3.2.4确定其他各档的齿数 18
3.2.5确定倒挡齿轮的齿数 18
3.3各档齿轮参数 19
3.3齿轮变位系数的选择 20
第四章 变速器齿轮的抵抗变形的能力计算校核和材料的选择 21
4.1齿轮的损坏形式及原因 21
4.2齿轮材料的选择原则 21
4.2.1满足工作条件的要求 21
4.2.2合理选择材料的配对 21
4.2.3考虑加工工艺及热处理工艺 21
4.3计算各轴的转矩 22
4.4齿轮的抵抗变形的能力计算与校核 22
第五章 变速器轴的计算与校核 30
5.1轴的工艺要求 30
5.2轴的结构与尺寸 30
5.2.1轴的结构 30
5.2.2确定轴的尺寸 31
5.3轴的校核 31
5.3.1第一轴的抵抗变形的能力与抵抗弯曲的能力验算 31
5.3.2第二轴的抵抗变形的能力和的抵抗弯曲的能力验算 32
第六章 变速器同步器的设计 36
6.1 惯性式同步器 36
6.1.1 锁环式同步器的结构 36
6.1.2锁环式同步器工作原理 36
6.1.3 锁环式同步器只要尺寸的确定 37
6.2主要参数的确定 38
6.2.1摩擦系数 38
6.2.2确定同步环制造过程中的主要尺寸 38
6.2.3 锁止角 40
6.2.4 同步时间t 40
6.2.5 转动惯量的计算 40
第七章 变速器操纵机构的选择和箱体设计原则 41
7.1 变速器操纵机构的选择 41
7.2 变速器箱体设计原则 41
第八章 总结 43
参考文献 44
致谢 45
第一章绪论
1.1变速箱概述
速度改变装置是一种可以改变发动机速度和扭矩的装置，可以锁定或改变输出轴与输入轴的比率。变速器包括传动机构和控制机构，在某些汽车中还包括动力输出机构。大多数驱动器由常规齿轮驱动，但有些驱动器则由行星齿轮驱动。传动机构通常包括滑动和同步传动。
依据传动比的变动，传输可分为三种类型，即有级式、无级式和综合式，在步进齿轮中，使用了几个附加的固定传动比。此外，还能够分为常用相互啮合的有齿的机械零件速度改变装置的牢固齿轮轴和局部相互啮合的有齿的机械零件（行星齿轮）轴旋转的行星相互啮合的有齿的机械零件变速器两种。非极式速度改变装置：速比在一定范围内能够不断波动。常见的有液压，机械和电气类型。集成式改变速度装置：由无极速度改变装置和有级速度改变装置组成，其变速箱速度可以达到不同的最大和最小的区域内达到不同的级别。根据工作模式，变速器分为三种类型。强制速度改变：驾驶员可以直接进行挡位的改变。自转向变速器：选择非主动速度改变装置和主动速度改变装置。驾驶员仅踩下油门踏板，变速箱根据发动机负载信号和速度信号控制液压油以完成挡位的改变。半自动驾驶变速箱：某些相互啮合的有齿的机械零件可分为两个范围，其中一些相互啮合的有齿的机械零件处于活动状态，一些相互啮合的有齿的机械零件处于手动状态，当释放离合器踏板或加速踏板时启动。如果该机构自动改变挡位，则必须通过按钮预先选择其位置。手动速度改变装置的破坏性，工作强度和驾驶员的注意力缓慢，加剧了危险因素。主动速度改变装置根据行驶安全，交通安全和排气性能，根据道路状况自动改变速度和扭矩。
1.2研究现状
在欧洲和美国，自动变速器的钻研和生产开始于20世和40年代，特别是20世纪初和90年代，许多电子技术的使用导致手动变速器的发展缓慢。20世纪80年代我国开始研讨主动改变速度装置的项目，但由于各种条件的限制，我国的自动变速器严重依赖进口。在2002年，这个数字已经达到了3700万美元。
最近人们对政府和公司的非机械化越来越感兴趣。中国有关部门在主动进行速度改变装置的发展方面取得了很大的进步。
今天，汽车市场发展迅速，自动变速器(AT)车越来越多，因为其装备性能越来越好，功能也越来越多。为了解决高燃油经济性和低功率性能的问题，汽车制造商可以满足各种驾驶需求的各种智能的AT设计。然而，解决自动变速器(AT)油耗高传动效率低的问题仍然是全世界的各个大厂商的挑战。由于高的难度和相对缓慢的发展，无级变速器的汽车商业化。链与链轮轮齿的啮合式无级速度改变装置(CVT)、电子式主动速度改变装置(AMT)、双离合（既传递动力，又能切断动力的传动机构）传动(DCT)和环板轮牵引式无级改变速度的装置(IVT)等各种传动方式都有各自的好处但其中人们所期盼的是金属带样式的非有级速度改变装置。ECT，主动改变速度装置转换机机油(ATF)的自动转换是因为油液分子间、机油分子以及各嵌入器表面内部磨擦之间的内部摩擦，使狭窄的涡轮盖能够润滑机油罐的温度上升。能源消耗。复杂的设计，高成本和高维护的复杂性。欧洲的GETRAG速度改变装置开发出来的电子主动速度改变装置(AMT)克服了AT传动不平稳的缺点，虽然AMT的设计好处比AT更大，但是AMT仍然需要精细的电子控制系统。不久AMT将掌握市场。
1.3选题意义
现代汽车普遍采纳活塞式内燃机作为动力源。电动机的输出转速非常快，旋转齿槽和转速的变化幅度比较小。然而，复杂的应用条件要求汽车的驱动力和速度在一定范围内变动，最大工作的效率和最大扭动的力矩会出现在固定不变的速度区。在设计时必须安装一套改变速度的设备，经过调节能够把其它形式的能转化为机械能的机器工作中的转动速度和车轮运动的规定速度起到发挥发动机的最好功效的作用。汽车在道路上运动过程中，通过不断改变转矩和转速的范围使其适用于各种工作环境。挡位改变的作用就是使发动机(能够把其它形式的能转化为机械能的机器)的工作形态处于最好。汽车动车组的引擎主要旋转机件一般只能向一个方向旋转，有的时侯可将汽车不再向前运动，利用安装在变速器上的退车档来进行向后运动。使用空挡（变速杆不放入任何前进或后退挡位）停止动力能源的传动，使停车启动发动机（(能够把其它形式的能转化为机械能的机器）、速度不快，便于传动转换和传动的输出。
简单地说，齿轮上的变速比有差异的齿轮副，行驶中车辆的变速动作是通过换挡机构启动齿轮的其他相互啮合的有齿的机械零件。如运动速度低时让速比大的齿轮副工作，速度高的时候让齿轮副速比小的工作。自动改变速度装置采纳的是变速器降速原理，用于发动机开始工作、加速、改变速度装置的驱动、汽车车速的要求等各种不同的行驶条件，以克服道路上的各种障碍，以不同的变速器传动比，适应不同的工作条件。
1.4变速箱设计要求
在变速器计划过程中提出的最重要的标准就是能够可以保证汽车在运动过程中具备高的传动性能和较低的成本。在汽车全部设计时车辆完成了装车、发动机和合适的变速器速比和档位数，并根据车辆的要求来满足运输成本的需求。
运行工作时稳定，工作操纵容易。在行驶过程中，汽车变速器不会产生自动变速，混乱，变速冲击及其他现象。
在动力性和经济保障的前提下，变速器要尽可能地重量轻一点，体积小一点。影响这一指标的主要参数是传输的核心间隔。
变速箱传动效率要高，车辆的加速和减速时间相对较短，几乎所有的工作时间都处在稳定行驶操作的状态下。在扩展功能的同时，齿轮传动装置的损耗相对较小，可以使传动平稳、传动比大。此外，还能够使零件的安装更加精密以及制造更加精确，利用适当的润滑油使运行更加稳定。在其他变速箱之前使传动平稳也是保证车辆具有高传动性能和适中价格的有效手段。
越是工作的时候，变速器的噪音越小。由此，可以保证驾驶者和搭乘人员的舒适度。通过选择标准的齿轮和电动且合理的变位系数来提高制作的精度，能够有效地减少致命的车轮噪音。