摘 要

本文按照传统的变速器设计方法，为丰田卡罗拉2017款改款，1.6L，手动GL车型设计了一款经济、紧凑可靠的两轴式手动五档变速器。设计项目包括变速箱的选型，档位、传动比设计，轴系、齿轮的设计，壳体，操纵机构、同步器的选型与设计。在选型、设计完成以后，先通过计算校核寿命与强度，在满足要求的情况下再用ansys软件对模型进行应力校核，并对比两种校核方式的差异。之后利用catia软件进一步完成建模与装配设计，利用其中的DMU模块对装配体进行运动仿真，在各项分析校核合格的情况下，完成草图绘制。

关键词：汽车；手动变速器；传动比；同步器；DMU运动仿真

Abstract

In accordance with the traditional transmission design method, this paper designed an economical, compact and reliable two-axis manual five-speed transmission for the Toyota Corolla 2017 model, 1.6L, manual GL model. Design projects include gearbox selection, gear position, gear ratio design, shaft, gear design, housing, handling mechanism, synchronizer selection and design. After the selection and design, the calibration life and strength are calculated first. Then, we use the software ANSYS to analysis the stress of the transmission. When the requirements are met, and the differences between the two calibration methods are compared. After modeling and assembly, the DMU module in CATIA is used to perform motion analysis on the assembly. Under the condition that each analysis is qualified, the AutoCAD software is used for sketching.

Keywords: car； manual transmission； gear ratio； synchronizer； DMU motion simulatio

目 录

第1章 绪论 1

1.1变速器的组成与功用 1

1.2常见变速器的特点 1

1.3变速器的设计意义 2

第2章 车型选择 3

2.1相关参考参数 3

第3章 变速箱结构布置方案 4

3.1结构选择 4

3.2档位布置 4

3.3换挡结构 4

第4章 主要零件设计 6

4.1发动机外特性的拟合 6

4.2传动比的设计 6

4.2.1传动比阔度 7

4.2.2一档传动比的选择 7

4.2.3五档传动比的选择 8

4.2.4中间档位传动比的选择 9

4.2.5倒挡传动比的选择 9

4.3齿轮设计 9

4.3.1齿轮设计要求 9

4.3.2齿轮参数设计 9

4.3.3各挡齿数的选择 11

4.3.4齿轮材料的选择 14

4.3.5齿轮强度校核 14

4.4轴的设计 15

4.4.1轴的设计准则 15

4.4.2最小轴径初选 15

4.4.3输入轴设计 16

4.4.4输出轴设计 17

4.4.5轴的强度校核 17

4.4.6轴的刚度校核 19

4.5轴承的寿命计算 21

第5章 同步器的设计 23

5.1同步器的功用 23

5.2同步器的设计要求 23

5.3常见同步器的分类 23

5.4同步器的工作原理 23

5.5同步器的参数设计 24

5.6 壳体的设计 26

第6章 建模与DMU分析 27

6.1DMU运动分析 27

6.2建模与草图绘制 29

第7章 结论 31

参考文献 32

致 谢 33

第1章 绪论

1.1变速器的组成与功用

传统的变速箱包含有两大组成结构，其分别是传动机构与操纵机构。传统的操纵机构由变速杆、拨叉、拨叉轴及自锁、互锁装置组成，可以实现按照驾驶员意愿换挡，同时防止自动脱档或同时挂入两档。变速器的传动功能通常是使用齿轮啮合来得以实现，也有部分变速器是采用行星齿轮传动。通.过不同齿轮对的分别啮合，实.现不同的传动比传动，进而改变输出的扭矩与转速，通过传动轴、减速器、半轴传递.到车轮，以改变汽车行驶的速度.以及传递到车轮上的扭矩，从而可以.使汽车适应各种路况，更高效地利用发动.机提供的能量^[1]。除此之外，变速器还可以.用于倒车、带档下坡，防止.刹车失灵^[2]。

综上所述，变速器的功能可以归纳为：

改变传动比，从而扩.大发动机输出的扭矩转速.范围，使汽车能够适应各.种复杂的路况，保证发动.机在高效率、高动率区间.运行^[3]。

实现倒挡，使输出轴反转，汽车倒车

实现空挡，使汽车可以空挡滑行，空挡停车及起步，从而可以在不必要的时候中断动力，减少消耗，提高燃油经济性。

由此看来，变速器在整车结构中作用必不可少。

1.2常见变速器的特点

当今汽车市场上使用.率较高的变速器可以归为.5个类别：手动变速器（MT,如.东风雪铁龙 爱丽舍），液力.自动变速器（AT,如宝马5系），电控.机械式自动变速箱（AMT,代.表为宝骏510），无极变.速箱（CVT， 如日产 轩逸），双离合变.速.箱（DCT，如大众 迈腾）^[4]。

上述变速器由于其构.造性能的不同，适用的领域也往.往不同。例如，液力自动变.速器（Automatic Transmission）的传动比变.化范围大，省去了机械式离.合器部分，操纵轻.便、简单，且结构紧.凑^[5]，通常用于普通客车和重型.车。电控机械式自动变.速箱（Automated Mechanical Transmission）一方面不需.要手动换挡，另一方面，保留了.大部分传统手动.变速箱的齿轮结构，制造工艺成.熟，成本低.廉，传动效率也高^[6]。无极变.速箱（Continuously Variable Transmission）将实现变速比的齿轮结构改换成了一对滑轮加钢带的结构 ^[7]。可以实现无级传动，消除了换挡时的顿挫感，驾驶平顺.性好^[8]。但其钢带承受.力有限，故.障率较高，目前的控制策略还不够完.善，传动效率通常在70~95％^[9]。双离合.变速箱（Dual Clutch Transmission）则可以减少换挡时间，同时换挡时动.力也不会停滞，或停滞的时间非常短，实现动力换.挡^[10]。这些较先进的变速器往往在舒适性，动力性等性能上有更高的追求，而不得不在燃油经济性，成本造价上有所妥协，因而一般装配于中高端车型。

手动变速器（Manual Transmission）在现在较流行的有三轴式或二轴式，包括换挡杆，同步器，输出轴，输入轴，中间轴，倒挡轴以及各档位的对应齿轮。小型轿车中较常见的有5档和6档^[11]，档位数越多，轿车在最佳经济转速转速区间工作的几率越高，但是同时操作更加繁琐，换挡也更加频繁。MT的发展时间长，工艺成熟，因而造价低且工作可靠，由于其依靠齿轮传动，传动效率往往也较高，一般用经济型轿车或者对操控体验有较高要求的赛车^[12]。

所以，本设计中对于小型轿车的变速箱设计，在考虑了成本造价与可靠性后，选择三轴式5档的手动变速箱进行设计。

1.3变速器的设计意义

手动变速器目前在国内市场占比达到1/2以上，主要是由于其设计、制造方便，工作可靠，成本低廉，尤其是对于中小型、经济型轿车非常合适^[13]。同时，手动变速箱有助于提升驾驶者的驾驶技能，适用于驾考车辆。如果是对于有一定驾驶经验的驾驶员，使用MT的油耗相对于其他的大多自动变速器会低一些，尤其是在目前自动变速器的换挡策略不那么完善的情况下，手动变速器则体现出它可靠性的优势，能够充分依据驾驶者的意愿，平衡汽车的动力性与经济性。

因此，对于小型轿车，选择设计一款经济、可靠的手动变速器是符合现在国内的实际需求与经济形势的。本设计在选型、结构参数设计上将贯彻经济、可靠的理念，用最少的成本，最小的体积，最轻的重量完成可靠的动力传输。设计出一款结构紧凑，工作可靠，制造方便，同时满足轻量化、动力性、经济性要求，适用于小型轿车的手动变速箱。

第2章 车型选择

本文设计要求是小型轿车，设计理念上主要考虑的是低油耗，布置紧凑以及成本低本，面向的大众是中低档消费群体，所以这里的参考车型选择一汽丰田的卡罗拉。一方面，卡罗拉在的售价区间在10.78-17.58万之间，这个价位是目前中国大多数人的选择^[14]。而且卡罗拉在这一价位中，销售量近10年来一直处于领先地位。另一方面，卡罗拉的结构经典，是一款在外观、空间、油耗、动力等方面都十分均衡的汽车。因此，它具有代表性，以卡罗拉的参数为基准设计出的手动变速箱能够切合目标群体的预期，适用面广。

2.1相关参考参数

本文所选择的车型为丰田卡罗拉2017款改款，1.6L，手动GL。这里，通过查阅该车的使用说明手册，可以得到其部分设计参数，如下表所示。

表2-1.卡罗拉2017款，1.6L 手动GL 相关参数

第3章 变速箱结构布置方案

3.1结构选择

手动变速箱一般分为两轴式和三轴式，其区别主要在于是否有中间轴，两轴式的变速器输入输出平行，但是不在同一直线上，传输力矩为反向。三轴式变速箱则多出一个中间轴，高速时传动效率更高^[15]。三轴式变速箱结构更复杂，体积也相对更大，出于油经济性以及目前机械制造较水平的考虑，这里选择更紧凑的两轴式变速箱进行设计。

3.2档位布置

档位数过低时，燃油消耗率较高，档位数过高时，则换挡次数过多，会带来驾驶员的疲劳。从目前的市场调研来看，6档变速箱用于少数高级别的轿车和重型卡车，5档变速箱多用于中小型轿车。综合来看，选择目前市场上较常见的5档布置更为合理。

档位布置的合理与否关系着变速箱的外形、体积，进而影响轻量化，同时也影响驾驶员的操纵感受。因此，我们在布置档位的时侯，不仅仅要考虑驾驶员的使用习惯还要参考整车的实际排布。

在通常的档位布置中，1至5档一般会按顺序排列，因为驾驶员换挡一般是逐级递增、或者逐级递减这样的话可以方便换挡平顺。同时倒车档位布置的时候一定不应该与其他的档位发生相互干涉。通常将倒挡与一档布置在一起，这样更加安全，不至于高档位变档时错挂入倒挡，同时，出于轻量化与紧凑布置的考量，倒挡与一档应该不结合，这样可以减小箱体的径向尺寸。

常见的五档变速器布置方案如下：

图3-1.常见变速器布置方案

综上，选择布置方式a。

3.3换挡结构

常见的换挡布局有三种：①直齿滑动齿轮换挡，②啮合套换挡，③同步器换挡。直齿滑动齿轮换挡方式的结构是最简单的，也最容易生产制造，但是换挡过程噪声、冲击大，安全性较低，所以现在使用的很少，一般也只用于一档或者倒挡，因为一档、倒挡的换挡过程中，汽车大都是停滞状态，便于挂挡。啮合套换挡方式成本低同时结构紧凑，但是任然不能消除换挡冲击，对驾驶员的驾驶水平要求过高，安全性、舒适性都不太好。同步器换挡方式是目前应用最广泛的，他换挡迅速，同时能够很好地消除冲击与噪声，对驾驶员的操作没有过高要求，经济性、安全性也不错^[16]。

综上，这里选择用同步器换挡，这样的换挡结构经济、可靠，换挡行程小，操纵方便。

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