摘 要

变速器是汽车不可或缺的部件，其能改变发动机的转速和扭矩，使发动机在最合适的工况下工作^[1]，因此变速器对汽车的动力性、燃油经济性、整车排放有着重要的影响^[2]；随着科学技术的不断进步和人类生活水平的逐渐提高，汽车消费者们对汽车动力性和燃油经济性的要求也越来越高，本文在认识到市场这种变化的基础上，充分了解变速器的开发流程，设计、计算、设计出一款适用于紧凑车型的五档手动变速器，提高汽车的动力性和燃油经济性，降低整车排放。

本文设计内容有结合紧凑车型选择合适的变速器型式、档位布置和操纵型式，综合考虑汽车动力性、燃油经济性，运用机械设计、机械制造等方面的知识，运用相关计算公式计算变速器的传动数据、齿轮的几何尺寸及其它零件尺寸数据并反复优化，使用solidworks建模软件建立变速器各种结构的三维模型并进行装配，并按照国家标准绘制出二维工程图，整理分析及计算材料并编写设计说明书。

关键词：五档手动变速器；动力性；紧凑车型；建模。

Abstract

Transmission is an indispensable part of the car, it can change the speed and torque of the engine, so that the engine can work in the most suitable operating conditions ^[1], so the transmission have an important impact on the car's power, fuel economy, vehicle emissions ^[2]. With the progress of science and technology and the improvement of human living standards, consumers are also becoming more and more demanding in this regard, This paper is based on the recognition of this change in the market, fully understand the transmission development process, design, calculation, design of a compact model for the five-gear manual transmission, effectively improve the car's power and fuel economy, reduce vehicle emissions.

The main design contents of this paper are combined with compact models to choose the appropriate transmission type, gear layout and manipulation type, comprehensive consideration of automotive power, fuel economy, use mechanical design, machinery manufacturing and other knowledge, use relevant calculation formulas to calculate transmission data, gear geometry and other parts size data and repeated optimization, use SolidWorks modeling software to establish the transmission of various structures of three-dimensional model and assembly, and according to national standards to draw two-dimensional engineering drawings, collation analysis and calculation of materials and write design instructions.

Key Words：Five-gear manual transmission; power; compact model; modeling.

目录

第1章 绪论 1

1.1 论文研究的背景、目的和意义 1

1.2 国内外研究现状分析 1

1.3 论文主要研究内容和预期目的 2

第2章 常用变速器型式的优缺点分析和方案选择 3

2.1变速器的设计要求 3

2.2常用机械式变速器型式及其优缺点分析 3

2.2.1两轴式变速器 3

2.2.2中间轴式变速器 4

2.3结构方案的选择 5

2.3.1变速器型式的选择 5

2.3.2各档换档方式的选择 5

2.4本章小结 5

第3章 变速器传动参数的设计计算 6

3.1参考车型信息 6

3.2传动比的确定 6

3.3变速器及齿轮相关参数的选取和确定 8

3.3.1变速器及齿轮基本参数的确定 8

3.3.2各齿轮齿数的计算、优化 11

3.4齿轮主要几何尺寸的计算和强度校核 13

3.4.1齿轮几何尺寸的计算 13

3.4.2变速器齿轮材料和热处理方式的确定 15

3.4.3变速器齿轮失效形式 15

3.4.4各档齿轮强度校核 15

3.5本章小结 22

第4章 轴的设计与计算 23

4.1变速器轴尺寸的选择标准 23

4.2轴的强度和刚度校核 23

4.2.1齿轮受力计算 23

4.2.2轴的刚度校核 25

4.2.3轴的强度校核 29

4.3轴承的选择 31

4.4轴承使用寿命计算 31

4.5锁环式惯性同步器的结构和工作原理 33

4.5.1锁环式惯性同步器的结构 33

4.5.2锁环式惯性同步器的工作原理 34

4.6本章小结 34

第5章 总结与展望 35

5.1工作总结 35

5.2 展望 35

参考文献 36

致谢 37

第1章 绪论

1.1 论文研究的背景、目的和意义

自1885年以来，汽车已经过了百余年的进步发展，成为人类社会生活中最重要的现代化的交通工具，为人类社会的进步产生了重大的影响，成为了人类生活中不可或缺的一部分^[1][2]。人类在日常生活中使用汽车的情况比较复杂，需要汽车能够在较大的牵引力和较高的车速之间自由切换，以使汽车能够适应不同的路况，并且有时也需要汽车实现倒退行驶，但是，汽车通常采用内燃机作为其动力装置，其转矩与转速只能在较小的范围内改变，这就要求一个有一个机构在汽车动力传递过程中发挥转化作用，这是变速器存在的原因，也是存在的必然性所在^[3]。

变速器除具有改变发动机的转速和转矩、利用空档切断动力传递、使汽车实现倒退行驶的功能外，其自身的性能还对汽车的操作性、动力性、燃油经济性、整车排放等有着重要的影响^[1]，特别是随着科技的进步和人们生活水平的提高，人们对这些特性也越来越注重，因此，我们有必要对汽车变速器进行研究。

目前，汽车上多使用自动变速器、无级变速器、机械式手动变速器等型式的变速器；机械式手动变速器具有众多优点：开发工艺成熟、结构较简单、具有很高的传动效率、生产制造成本低、工作可靠等^[4]，仍是市场上占有率最高、不可替代的变速器型式。本文将以某款紧凑型汽车为参考模型，对机械式手动变速器进行研究，希望能有效改善汽车的动力性、燃油经济性、整车排放，提升汽车的驾驶体验。

1.2 国内外研究现状分析

本文将全球汽车市场大致分为四个大的区域：欧洲、北美、日本和中国。

第一辆汽车在欧洲诞生，欧洲作为全球较大汽车厂商的根据地，也是汽车新技术重要的诞生地。欧洲汽车厂商在机械式手动变速器的基础上，开始研发双离合自动变速器的技术，双离合自动变速器换档时间短，并且在换档的期间里不需要切断动力的传递，发动机可以一直工作在适宜的范围，燃油经济性更好，而且双离合自动变速器换档时无顿挫感，乘员乘坐体验更好；但双离合自动变速器也有其自身的缺点：其结构复杂，成本高，限制了其大规模的使用；双离合自动变速器的效率目前还是比机械式手动变速器的效率低，并且得按档位顺序换档^[3]。欧洲厂商虽然在研发燃油经济性更好的双离合自动变速器，但机械式手动变速器也是不可舍弃的路线。

在北美市场，消费者一直很注重汽车的动力性和乘坐舒适性，但随着能源危机意识在人们心中的普遍加深，并且面对着偏高的油价，北美消费者和汽车生产厂商也开始关注汽车的燃油经济性，关注度也开始从机械式手动变速器慢慢转向燃油经济性表现更好的自动变速器。

日本由于国土狭小，资源贫瘠，一直以来都追求资源最大程度的利用，在汽车方面，节油一直是日本汽车厂商的目标，也是消费者对日本汽车最普遍的印象。日本汽车厂商为了实现最大程度的节油，在无级变速器上专研已久，并且颇有建树。无级变速器主要结构有传动带、工作直径可以变化的锥形主动轮和从动轮，其结构保证其传动比可以随工作直径连续变化，因此发动机可以工作在最佳区域，燃油经济性更好^[5]。无级变速器在对速度变化的反应上没有机械式手动变速器快速灵敏；限于无级变速器的结构，其对转矩的改变范围较小，因此只能适用于小型轿车上，无法在大排量汽车上得到使用；无级变速器的传动比小，传动效率低，并且其结构复杂，制造工艺和维修起来都很复杂。

在我国，汽车工业较欧洲，北美市场起步晚，对于汽车主要技术上研究和积累也没有欧美市场多，目前市场上的机械式手动变速器份额虽有所下降，但占比仍最高，中国汽车厂商也主要从研究结构更简单的手动变速器开始，一步步追赶，以求在汽车上的主要技术上有所突破。机械式手动变速器研发制造工艺更成熟，传动效率相比自动变速器更高，并且久经市场的考验，可靠性高。手动变速器发展方向有：在机械式手动变速器上应用更新型的材料，以求机械式手动变速器有更好的性能；加深对变速器操纵机构和传动机构的研究，减小质量和其传动时的碰撞和噪声，提升乘坐体验；变速器的电子化和智能化，利用电子控制技术对变速器的运行状况、特性和汽车的行驶状况进行监测和控制。

虽然全球汽车市场均已开始研究机械式手动变速器之外的其它型式的变速器，但由于机械式手动变速器众多优点及其在某些汽车上的不可替代性，研发能有效提高汽车动力性，降低汽车排放的手动变速器，仍是各大汽车厂商的主要路线^[6]。

1.3 论文主要研究内容和预期目的

本设计在对机械式手动变速器的构造、原理、及效率影响因素做充分研究的基础上，参考国外同类汽车变速箱的研发流程,结合国内同等变速箱的研发设计情况,根据车型的主要参数，经过计算、校核、优化，得到该变速器主要零件尺寸，并对主要零件进行三维建模、装配，最终设计出一款适用于紧凑车型的五档变速器，降低整车排量，提高燃油经济性，使其更好地满足消费者的需求，达到节能减排的目的。

第2章 常用变速器型式的优缺点分析和方案选择

2.1变速器的设计要求

为保证变速器能够工作良好，变速器基本的设计要求有：

（1）应保证整车具有良好的动力性和燃油经济性；

（2）设置有空档和倒档，能够切断动力传递和实现倒退行驶；

（3）换档操作迅速、省力、方便；

（4）工作稳定可靠，汽车行驶过程中，变速器不得跳档、乱档；

（5）设置有动力输出装置，必要时可以进行动力输出；

（6）工作效率高，噪声低^[7]。

2.2常用机械式变速器型式及其优缺点分析

变速器主要有变速器壳体、传动机构、变速器操纵机构和换档机构组成。常用的机械式变速器型式有两轴式变速器和中间轴式变速器（三轴式变速器）^[1]。

2.2.1两轴式变速器

图2.1 两轴式变速器

两轴式变速器结构简单、体积小、容易布置；并且两轴式变速器各档只需一对齿轮进行传动，因此其传动效率更高。但两轴式变速器不能像三轴式变速器一样设有直接档，并且两轴式变速器用高档位工作时，工作噪声很大，齿轮和轴承都易遭到损坏；限于两轴式变速器的结构，其一档传动比不能设置得很大^[8][9]，且输入转矩和输出转矩的方向不同。

2.2.2中间轴式变速器

中间轴变速器的显著优点是其第一轴和第二轴可以经啮合套直接连接起来构成直接档将发动机转矩进行输出，而不经过任何啮合齿轮，因此此时变速器传动效率较高，噪声低，传动机构磨损较小。但中间轴式变速器在除直接档之外的其它档位工作时，因经过两次的齿轮传动，传动效率略微降低，并且相比两轴式变速器，结构复杂，尺寸较大^[7]。

图2.2 中间轴式变速器

2.3结构方案的选择

2.3.1变速器型式的选择

现实中，两轴式变速器经常被用在发动机前置前驱的乘用车上，而在发动机后置后驱的客车和货车上和前置后驱的乘用车上则普遍使用中间轴式变速器^[7]。本文是为某款紧凑车型做变速器设计，因此本设计选择的变速器型式为两轴式变速器。

2.3.2各档换档方式的选择

目前，变速器常使用的换档方式主要有三种，即采用直齿滑动齿轮换档、使用同步器换档及使用啮合套换档。

（1）采用直齿滑动齿轮换档会产生轮齿冲击和噪声，并且加剧齿轮磨损，影响乘坐舒适性；但其结构简单、制造容易^[7]。

（2）同步器换档机构复杂，制造精度高，但这种换档方式与驾驶员的操作技术无关，换档时间短、无冲击、无噪声，改善了汽车的动力性、提高了燃油经济性和驾驶体验 ^[10]，目前得到了广泛应用。

（3）啮合套换档方式结构简单、制造容易，改进了直齿滑动齿轮换档的缺点，不会造成轮齿过早磨损，但不能消除换档冲击，仍需要驾驶员有熟练的操作技术。此换档方式目前多用在重型货车变速器上^[7]。

经综合考虑：本设计倒档采用直齿滑动齿轮换档，其余各档采用同步器换档，以改善汽车的动力性，降低燃油消耗，提升驾驶体验。

2.4本章小结

本章概述了变速器的设计要求，分析了常见型式变速器的结构及优缺点，并针对变速器不同档位分析了不同换档方式的优缺点，并作出选择。

第3章 变速器传动参数的设计计算

3.1参考车型信息

本设计选择市面上主流的紧凑车型信息作为设计数据，具体如下：

表3.1 参考车辆信息表

计算得：汽车总质量：Ma=M0 65×n 10×n，对于乘用车，n取5，Ma=1515Kg；

迎风面积：A=2.51m²。

3.2传动比的确定

（1）一档传动比的确定