汽車機械式變速器的現代化設計方法研究

李 祥

（廣東工業大學，廣東 廣州 510080）

隨著我國汽車產業的發展，變速器的種類也越來越多，主要有手動變速器、自動變速器、無極變速器、自動變速的手動變速器。其中機械式變速箱產生于二十世紀初，其技術已經發展的相當成熟，汽車機械式變速箱的現代設計方法提升了變速器的性能，對變速器的齒輪、檔位、傳動比以及其他關鍵部件的分析研究，不但能夠提高機械式變速器的性能，改善汽車的動力狀況，更為我國汽車業的發展提供了很好的前景與趨勢。

一、機械式變速箱概述

機械變速器也稱手動變速器，是指汽車在行駛過程中，駕駛員在換擋時，人為的操縱變速桿變換各檔齒輪的位置，從而實現換擋、改變傳動軸的旋轉角速度與車橋半軸的旋轉角速度之比的目的。在變速器產生之初，機械式變速器也只有3個檔位，只有駕駛技術成熟的駕駛員才能實現熟練變擋。在二十世紀中期，美國首次設計出5個檔位的變速器，目前全世界大部分汽車均采用五檔變速，且多配備了同步器。機械式變速器是采用齒輪組固定，且每檔的齒數是固定不變的，而各檔的齒數呈等差數列變化，變速器每個檔的變速比是一個固定值。例如，一檔變速比是3.75，二檔則是2.55，再到三檔的1.25，汽車總的傳動比就是這些固定值乘以主減速比，大部分汽車總共有5個級，因此它是有級變速器。

機械變速器的主要功能是改變汽車的傳動比，提高車輪轉矩與轉速的變化幅度，以實現駕駛員對不同車速的需求，同時保持汽車發動機工作的穩定性；變速器可以在發動機曲軸轉動方向不變的情況下，完成汽車的倒退行駛；此外，變速器在離合器分開的情況下，實現汽車空檔狀態，中斷發動機動力的傳遞，以便實現快速換擋、汽車自由滑行的目的。

機械式變速器的功能優勢相對于其他變速器是顯而易見的，首先，機械式變速器能夠協助發動機，使發動機產生強大動力，例如，在駕駛重型卡車方面，大型卡車通常裝載的貨物較多，需要發動機提供強大的動力，此時變速器通過變換檔位可以協助發動機，汽車起步時，我們可以將變速桿調到“一檔”，這樣起步時就能產生強大的牽引力，特別是在陡坡路段，這一優勢特別明顯。其次，在大部分駕校中，汽車均采用機械式變速器，這種變速器對于提高學院駕駛技能，鍛煉駕駛的穩定性有重要意義。再次，一些年輕的司機喜愛手動變速器，尤其是在超車、加速時機械式變速器帶來的刺激感，同時，機械式變速器因工藝可靠、成本低等優勢被大部分經濟型轎車采用，對于普通百姓來說，經濟適用性轎車最為適合。因此，像吉利、夏利、大眾等一些中低檔轎車都采用機械式變速器。最后，雖然自動變速器在迅速發展，但對于一些老司機來說，他們最為鐘愛機械式變速器，要改變他們的看法，需要相當長的時間。

二、變速器齒輪的設計

齒輪是變速器的基本零件之一，其質量的好壞影響著整個變速器系統的功能，對汽車行駛的穩定性有重要作用。因此，設計人員一方面通過優化齒輪的設計參數，例如齒輪的齒數、壓力角、螺旋角等追求齒輪的最大承載力，另一方面，通過對齒輪以及齒根的曲線形狀進行修向、修形來提升齒輪的承載力。齒輪的設計要考慮的因素有很多，例如，齒輪的寬度、齒數、齒輪之間的距離、齒輪的螺旋角、齒輪模數等等。正確選擇齒輪的設計參數可以盡可能的彌補機械式變速器設計的一些缺陷，使齒輪保持良好的工作狀態，且便于制造、降低變速器噪音。

（一）齒輪的模數與壓力角的選擇

齒輪模數是齒輪尺寸計算的一個基本參數，用M表示，它是相鄰齒輪同側齒廓間的齒距與π的比值，計算公式是：

表1

M=T/π

一般模數越大，輪齒就越厚越高，為保障齒輪性能與良好的工作狀態，設計者最好保證每對齒輪都有相應的模數，如果考慮齒輪的加工成本與設計加工的便捷性，設計人員最好選擇一致的齒輪模數，模數的選擇首先要根據傳遞扭矩的大小與齒輪的材料確定最小的中心距，在根據國家規定的齒輪模數進行選擇，變速器的低檔一般采用大模數，高檔采用較小的模數。表1是常用的齒輪模式。

齒輪的壓力角是漸開線運動方向與受力方向的夾角，漸開線上的每個點的壓力角各有不同，離基圓越遠，壓力角越大。基圓的壓力角為0，分度圓上的壓力角一般為20°。（圖）壓力角的選擇一般要從變速器的噪音與承載力兩方面考慮，如果壓力角增大，齒輪的沖力與嚙合力也隨著增大，這會導致齒輪震蕩，發生噪音。機械式變速器的高檔齒輪的壓力角一般為16°、18°、20°，大型汽車齒輪為提高承載力，低檔齒輪采用23.5°或26°，目前，大多數高檔齒輪設計的壓力角小于等于20°，低檔齒輪壓力角一般大于等于20°，一般的設計人員采用20°的壓力角。

（二）齒輪寬度與螺旋角的設計

齒輪寬度是指齒輪的厚度，計算公式是齒寬系數乘以分度圓直徑。齒寬的設計應盡可能保障齒輪的平穩工作，又保證減輕變速器重量。齒寬太小，會導致齒輪的承載力過大，降低傳動的平穩性，不利于變速器的平穩工作，同時齒輪太寬，雖然會增大承載能力，但也會加大變速器的軸向的尺寸，從而增加設計成本。因此，我們在保證齒輪強度與變速器穩定運行的前提下，應選擇合適的齒寬。

圖1

齒輪的螺旋角是指斜齒輪的螺旋角，它表示的輪齒的傾斜程度，是由導程（L）與圓柱分度圓的直徑（d）決定的，把斜齒輪按一條直線縱切展開形成一個長方形，如右圖所示，陰影部分是圓柱體所截的斷面，非陰影部分是齒槽，β表示齒輪的軸寬，2πd是分度圓的周長。分度圓與輪齒齒面形成的螺旋線是一條斜直線，它與軸線形成的夾角，即是齒輪的螺旋角。斜齒輪的優勢在于承載能力較大。螺旋角對減少齒輪工作噪音，提高齒輪強度和嚙合性能，增加齒輪的軸向力能產生直接影響。

（三）齒輪齒數與變位系數

齒輪齒數是指在齒輪整個圓周上輪齒的總數，通常用z表示，影響齒數的分配的因素有變速器的擋數、各變速組的傳動比、結構方案來確定，齒數和不應太小，最小齒輪不能產生根切現象，同時要保持主傳動運動的平穩性。對于機械式變速器的齒輪，一般最小齒數Zmin≥15～20。主軸的最小齒輪Zmin=20，而高速齒輪的齒數一般在25左右。

齒輪的變位系數是指在加工變位齒輪時，齒條中線和齒輪的分度圓相切位置會產生偏移距離，我們用xm表示，其中X就是變位系數。齒輪變位是提高齒輪壽命的有效途徑，變位系數的定與選擇非常復雜，它與變速器的整體結構、強度、齒輪的嚙合性能等方面有緊密的關系。采用變位齒輪，能夠減少傳動尺寸，可以提高齒根的彎曲強度，有效避免根切現象的出現，同時能夠提高齒輪的耐磨損能力。

（四）齒輪的修整與驗證

齒輪的性能取決于其齒數參數的正確與否，對齒輪進行修形可以提高齒輪的性能，不恰當的修整，會阻礙齒輪潛在性能的發揮，良好設計與優秀的齒輪修形方法可以使齒輪性能發揮到到最佳狀態，結合齒輪的基本設計參數與齒輪的修形，設計人員能夠開發尺寸、軸向相同，但其傳動能力可以提升兩倍且內部噪音較低的高性能齒輪。

研究實驗表明，由于齒輪輪齒制造參數的不同與技術人員的安裝誤差，在變速器使用過程中，輪齒的扭轉變形與熱變形等因素，這造成齒輪在嚙合時，兩個齒輪會產生沖擊力、噪音。齒輪傳動研究的進一步深入與制造技術的發展，在驗證齒輪的的性能時，修形技術受到了廣大設計人員的廣泛應用，修形技術使輪齒之間的承載力分配更加合理，通過修形技術提高齒輪的嚙合性能，使輪齒載荷的變化更加平穩，提高了齒輪的承載力，減少了齒輪的噪聲與振動，同時延長了齒輪的壽命。

三、變速器檔位的優化設計

隨著汽車行業的發展，汽車種類越來越多，不同類型汽車的使用狀況與用途各有區別，因此，汽車對性能的要求千差萬別。機械式變速器與汽車的穩定性、經濟性、動力性關系密切。變速器檔位的設計與各檔的傳動比對變速器的性能有著重要影響。

（一）變速器檔數的設計

變速器的擋數關系著汽車動力性能的高低，增加檔數可以提高汽車的動力，增加檔位的優勢主要有以下兩個方面：首先擋數增加會增加發動機提供最大功率的機會，提高汽車爬坡能力和提速時間。其次，增加擋數，可以降低汽車油耗，節約汽車使用成本，但擋數越多也有一定缺陷，它會使變速器的結構變得復雜，且質量和尺寸增大，同時增加了換擋頻率，這增大的操作的難度，也增加了檔位損壞后的維修成本。因此，設計人員要合理設計檔位，在保證變速器穩定的前提下，相鄰兩檔的傳動比率要控制在1.9以下，高檔相鄰檔位的傳動比要低于低檔的傳動比。設計人員可利用一檔的傳動比確定擋數，其設計公式如下：

I1=1.35n-1

其中n表示檔位數，I表示一檔的傳動比。

（二）檔位傳動比的計算

傳動比是指變速器一檔的傳動比和最高檔傳動比之間的比值。傳動比的確定與汽車發動機的設計參數，汽車的使用條件等因素有關。當前，小轎車傳動比在2～5之間，小型貨車在6～8之間，重型貨車因對動力要求較高，其傳動比更大。

（三）一檔傳動比的計算

汽車的一檔提供的動力較大，因此其傳動比要根據爬坡度確定，汽車在爬坡時車速較慢，其驅動力用來克服輪胎與路面的阻力，因此，計算汽車一檔的傳動比要計算汽車通過的最大坡度，其計算公式如下：

通過計算一檔的傳動比，設計人員利用各檔位之間的傳動速比，我們可以計算出最高檔位的傳動比，其計算公式如下：

四、變速器其他關鍵結構的設計

（一）中心距選擇

在機械式變速器中，相互嚙合的齒輪圓心之間的距離被稱為中心距。中心距是變速器設計中的關鍵參數之一，中心距的大小影響著變速器的質量、體積、外部尺寸，對齒輪的嚙合精度也有影響。中心距越大，齒輪的接觸面積越小，壽命就越短，反之，中心距越小，齒輪的壽命越短，中心距在確定時，要考慮齒輪的接觸強度，從安裝軸承的便捷性考慮，中心距要適當增大。綜合考慮，中心距的設計可以按如下公式計算：

（二）傳動軸的尺寸設計

變速器傳動軸在開始設計時，由于軸承距離、軸的內部結構不確定，無法進行扭彎組合計算，當齒輪的齒數確定后，我們可以根據齒輪強度與剛度條件估算軸的半徑，初步確定軸的結構后，再根據軸傳遞的扭矩進行計算，按照強度條件設計的軸徑計算公式如下：

其中Tmax表示軸傳遞的最大扭矩。

機械式變速器的設計是一個系統工程，齒輪中心距的確定、傳動軸的尺寸設計都關系著變速器的性能，設計人員對這些關鍵結構要設計精確，保證變速器的穩定性。

結語

當前，機械式變速器仍是大部分汽車普遍采用的變速器，其功能的穩定性直接關系著汽車的動力性能，因此，研究人員必須對機械式變速器進行深入研究，充分了解機械式變速器的情況，優化設計變速器的齒輪、檔位、傳動軸等核心部件。我們要通過嚴格的設計程序和先進的設計方法，保證變速器的安全性與穩定性，提高我國汽車的動力水平，大幅度提高機械式變速器的設計能力。

[1]蔡炳炎.機械式汽車變速器速比優化設計及扭轉振動分析[D].武漢：武漢理工大學，2005.

[2]岳亮亮.基于MATLAB和VC++混合編程的汽車動力與傳動系統匹配研究[D].武漢：武漢理工大學，2010.