三軸變速器的設計

張斌斌 李繼良

摘 要：目前在世界汽車行業內，自動變速器的發展越來越快，但是在國內和全球汽車當中，傳統手動變速器仍占有相當大的保有量。手動變速器具有許多自動變速器無法取代的優點，如成熟的技術、簡單的結構、高效率的傳動和駕車的娛樂性。本文設計了一款某轎車三軸五擋變速器，給出了詳細的設計步驟，目標是使這款變速器滿足變速變扭、倒車和空擋停車。

關鍵詞：手動變速器；齒輪；軸；校核；同步器

1 前言

在國內，手動變速器的應用仍是現在汽車行業的主流。手動變速器獨特的優勢和其帶來的駕駛娛樂性是自動變速器不能代替的。從現在國內手動變速器的保有量、作用和優勢來說，設計手動變速器還是有很大意義的。

本次研究的目的是通過對某款車上的三軸五擋手動變速器設計，掌握手動變速器的結構和工作原理；給出設計手動變速器的基本方法，使設計出的這款三軸五擋手動變速器能滿足變速變扭、實現倒車和空擋停車。

2 選擇總傳動布置方案

變速器主要分為2部分，一是傳動機構，實現變速變扭，改變動力傳遞方向和大小。主要包括齒輪、軸、軸承和同步器各個零件；二是操縱機構，駕駛人員利用它來進行換擋，獲得需要的動力和速度。

2.1 傳動機構布置方案

本設計采用的是齒輪都處于常嚙合狀態的布置方案。所有齒輪處于常嚙合狀態，這樣可以保證換擋的輕便。設計直接擋傳動，提高了傳動效率。直接擋傳動時，齒輪、軸承及中間軸均不承載。所以，相對其他擋位數來說，直接擋具有傳遞效率高，磨損和噪音小的優點；而且總體結構簡單，安裝、制造和維修方便。由于本次設計的是三軸手動變速器，對換擋輕便性要求較高，倒擋布置方案也選用常嚙合的方案。

2.2 主要零件結構的選擇

在變速器當中，各個零件有著舉足輕重的作用。各個零部件是否合適，是否能實現應有的功能，對變速器影響很大。

（1）齒輪形式：在本次設計當中，一擋、倒擋選擇直齒輪傳動，其他擋位選擇斜齒輪傳動。

（2）換擋結構形式：在本次設計中，換擋結構形式選擇鎖環式同步器。這種同步器的工作原理是，靠同步環和結合齒圈摩擦，嚙合套逐漸結合齒圈嚙合，最后實現同步作用。

（3）變速器軸承：本設計當中，變速器的三根軸都選擇后軸承固定形式。第一軸采用深溝球軸承固定形式。第二軸齒輪選用滾針軸承。中間軸前軸承采用圓錐滾子軸承，中間軸后軸承也采用圓錐滾子軸承。

3 變速器主要參數的確定

本設計中所采用的相關參數：最高時速為155km/h，輪胎型號為215/65R16，r?=342.09mm，最大扭矩為168Nm/4500，最大功率為89kW/5500，最高轉速為6000r/min，汽車質量為1900kg。

3.1 擋位數和傳動比

現在，為了充分利用發動機功率和使汽車經常在經濟車速下行駛，理論上擋位數越多越好。但是在設計時要聯系實際情況，不能一味增加擋位數。如果綜合考慮換擋帶來的疲勞和駕車的舒適性，小型車輛以4～5個前進擋為宜。本設計采用5個

3.2 中心距

變速器中心距是指中間軸與三軸軸線之間的距離，它是變速器設計當中非常重要的一個參數，直接影響變速器尺寸、體積和質量。根據如下公式初定：

式中，為變速器中心距（mm）；為中心距系數，=8.9～9.3；為發動機最大扭矩；為變速器傳動比；為變速器傳動效率，取0.96。將各參數代入式（1）可得

3.3 軸向尺寸

本次設計選取的是五個前進擋的三軸式手動變速器。根據經驗公式，初選變速器整體的軸向尺寸為

3.4 齒輪參數

綜合考慮汽車使用要求、模數選取原則，從自己所設計內容的實際出發。除三擋、五擋齒輪模數為2.5mm外，其余各個擋位齒輪模數均為3.0mm。同步器、嚙合套接合齒模數為2.5 mm。由于我國規定的標準壓力角為20°，所以本設計也按照規定選擇20°的壓力角，同步器選擇30°的壓力角。螺旋角初定范圍為β=17°～25°，初選為18°和25°兩種。根據以上參數可以計算得到各個擋位齒輪的齒數。一擋齒輪副主從動齒輪的齒數分別分15和36；二擋齒輪副主從動齒輪的齒數分別分19和30；三擋齒輪副主從動齒輪的齒數分別分28和29；第一軸常嚙合齒輪副主從動齒輪的齒數分別分17和28；五擋齒輪副主從動齒輪的齒數分別分36和17。

4 齒輪的材料選擇與校核

4.1 材料的選擇

本設計所選擇的齒輪材料為20CrMnTi。

4.2 齒輪的強度計算與校核

接下來對齒輪的強度和接觸應力進行校核。如果不滿足設計要求，則要重新確定齒輪參數，直到滿足要求為止。

在計算直齒輪彎曲應力時，可根據下式計算，即

式中，為彎曲應力；為圓周力（N），；為應力集中系數，為1.65；為計算載荷（N·mm）；為節圓直徑，直齒，斜齒；為摩擦力影響系數，主動齒輪=1.1，從動齒輪=0.9；為齒寬（mm）；為端面齒數（mm），，為模數；為齒形系數。

在計算斜齒輪彎曲應力時，可根據下式計算，即

式中，為計算載荷（N·mm）；mn為法向模數（mm）；為齒數；為斜齒輪螺旋角（°）；為應力集中系數，=1.50；為齒形系數；為齒寬系數，=6.0；為重合度影響系數，=2.0。

對于乘用車來說，當計算載荷為的時候，常嚙合齒輪和各擋齒輪，許用應力在之間。所以分別對各個齒輪進行彎曲應力的計算，在這個范圍內，則符合設計要求。

5 軸的設計計算

齒輪設計完成后，接下來進行軸的設計計算。軸的設計思路如下：選擇材料→估算直徑→結構的設計→驗算工作能力→繪畫。如果工作能力不合格，則重新開始進行結構的設計。

5.1 材料的選擇

綜合考慮各個因素和所設計變速器的實際情況，由于合金鋼具有很好的性能，故本設計選擇軸材料為20CrMnTi。

5.2 初選軸的直徑

設計來到這里，中心距A前面已經確定。根據經驗，在變速器設計當中，第二軸和中間軸中部直徑d為。利用經驗公式，初選第一軸直徑，即

式中，K 為經驗系數K=4.0～4.6；為發動機最大轉距（N·mm）。

第一軸直徑初選，取mm；取第二軸最大軸徑為46 mm；取中間軸最大軸徑為43 mm。

5.3 結構設計

根據經驗，軸直徑與支承間距離的比值，對中間軸來說，d / l ≈（0.15～0.18）；對第二軸來說d / l ≈（0.18～0.21）。所以，中間軸長度取mm；第二軸長度取mm；第一軸長度取mm。

5.4 驗算工作能力

結構設計完成后，軸的各部分有了合理的形狀和尺寸，下一步進行軸工作能力的驗算。工作能力的驗算分為強度驗算和剛度驗算。

根據《材料力學》知識，所設計的軸在驗算強度時，要看作簡支梁。利用平衡條件和某點合力矩為零，求出支點反力。確定外載荷和支點反力后，做出軸的受力分析及繪制彎矩圖和轉矩圖，就可以確定危險截面。對于危險截面，根據強度校核公式和已知條件進行校核。作用在第一軸上的轉矩應取。經校核，滿足設計要求。

軸受載后會產生彎曲和扭轉變形，變形的大小與軸的剛度有關，如果剛度不夠，變形過大，往往會帶來不良后果。軸的剛度驗算，一般是通過計算軸受載后的變形量，與允許值比較。如果小于允許值，則滿足要求；反之，不滿足。

根據《材料力學》可以知道，簡支梁在受載后，用撓度和轉角來表示軸的變形量。所以在校核軸的剛度時，只需要計算軸的變形后的撓度和轉角，并把它們控制在許用的范圍內，就可以符合設計要求了。經計算，符合設計要求。

6 操縱機構

對于本次設計手動三軸式五擋變速器，操縱機構選擇直接操縱式。為了滿足設計操縱的要求，使用互鎖裝置來保證換擋時只能掛入一個擋；使用自鎖裝置，來保證換擋后不會出現自動脫擋和自動掛擋的現象；在向前行駛時誤換入倒擋中，不僅容易發生危險，而且齒輪間將會發生很大的沖擊，為了防止這情況發生，設置了倒擋鎖。

7 結論

從我國國情和市場保有量以及駕車樂趣來說，研究手動變速器，進而優化手動變速器對我國汽車行業的發展還是有很大意義的。本文設計出來的變速器，主要作用是變速變扭，實現倒車和空擋停車。除了滿足變速器的基本要求外，本次設計的變速器還具有結構簡單，生產、維修價格低，直接擋傳動效率高，噪音低等特點。本著實用性和經濟性的原則，設計當中在選擇參數時，都采用比較開放的標準，這會導致安全系數不高。由于能力有限，筆者在設計時仍然采用傳統手工計算，參數也沒有辦法優化到最佳組合，設計出的變速器沒有使人眼前一亮的創新點。所以，今后要利用現代新技術、新材料來逐漸優化手動變速器，使變速器性能越來越好，質量越來越輕。

參考文獻

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[2]羅永革，馮櫻.汽車設計[M].北京.機械工業出版社，2011.

[3]肇潤東，孔祥慧.邴麗華.汽車變速器的發展及先進制造技術的應用[J].汽車工藝與材料，2011，（9）：15-20.

（作者單位：內蒙古工業大學機械學院）