铃木雨燕轿车三轴式手动变速器设计

铃木雨燕轿车三轴式手动变速器设计 西安工业大学北方信息工程学院 毕业设计(论文)开报告 题目:铃木雨燕轿车三轴式手动变速器设计 系 (部): 机电信息系 专 业: 机械设计制造及其自动化 班 级: B060202 学 生: 刘军 学 号: B06020213 指导教师: 程文冬 2009年12月2日 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告 一、毕业设计(论文)综述 1.题目背景 改革开放30年来，我国汽车变速器行业随着整车行业的快速发展而不断发展壮大，形成了一批颇具规模的变速器企业。大多数本土变速器企业在引进消化吸收国外先进技术方面取得了突出成绩，并不断坚持自主创新，在手动变速器领域,，尤其是在重型车用和微型车用手动变速器上，涌现了大量自主创新的产品。另外，一些跨国公司独资或合资的变速器企业开始陆续在中国设厂，为满足持续高速增长的中 [1]国汽车市场需求作出了非常大的贡献。 2.研究意义 21世纪，汽车工业成为中国经济发展的支柱产业之一，汽车企业对各系统部件的设计需求旺盛。其实，汽车与人一样，也是有着整套健康系统的有机结合体。发动机是心脏，车轮、底盘与悬挂是躯干与四肢，然而连接它们的，是类似于人体经脉的变速器系统。如果汽车丧失了变速器这个中心环节，心脏、四肢与躯干再好，汽车只能如同植物人般成为废铁一堆～可以说，变速器是伴随着汽车工业出现的必然产物，是汽车上的必需品。在完成了最基本的传动功能之外，我们对变速器的要 [2]求也是越来越高，这是变速箱演变过程的首要催产素。由此可见，对汽车的变速器进行研究具有十分重要的意义。 3.国内外相关研究情况 在中国，手动变速器仍然是车用变速器的主流。具体有两个原因:首先，目前国内企业已经基本掌握对手动变速器的开发，所以在一定程度上加大了手动变速器的价格优势;另外，绝大多数中国驾驶者在学车时就用的是手动车，他们更加享受手动车带来的驾驶乐趣。在自动变速器方面，除吉利汽车开发出有自主知识产权的液压控制的三速自动变速器外，其他企业尚没有一家具有自主知识产权，悉数依赖 [2]国外技术和进口。 从技术、节能和基础设施角度，对各种变速器在中国和国外的发展情况作以下简要分析: (1)手动变速器(MT):手动变速器应该说是最为节能的变速方式，另外由于中国企业已经掌握该技术，而且在生产方面也积累了长期经验，从而在价格和质量 1 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告 方面会有较大优势。所以在短期内仍将是变速器主流。其不足在于操控上的不便，尤其是在城市工况。 (2)自动手动变速器(AMT):自动手动变速器实际上是由一个机器系统来完成操作离合器和选挡这两个动作。AMT的汽车驾驶简单，省去了离合器踏板，驾驶者只要踩油门，选速器系统会自动选择换挡的最佳时机，从而消除了发动机、离合器和变速器的错误使用，以避免错换挡位。这一点对新手和整车的可靠性都非常重要。选速器大大简化了驾驶的复杂性，令AMT汽车驾驶更加简便、省心，且能够保证最低的动力损耗。由选速器完成驾驶者踩离合器换挡的动作，选择的换挡时机要比驾驶者完成得更准确。因此，在能源日益紧缺和CO排放压力越来越大这一背景下，2 AMT顺应了“节能减排”这一趋势，是一项非常适合中国市场的先进技术。AMT的制造成本远低于电液控自动变速器，国内的很多车型都准备采用这一领先技术，即有可能随着中国汽车工业的迅猛发展，将有更多车型采用AMT。中国也将会取代欧洲和美洲，成为世界上最大的AMT的应用市场。 (3)电子控制液力自动变速器(AT):电子控制液力自动变速器近些年新技术也不断在使用，它正朝着多挡位、数字化控制等方面发展。 日本最大的自动变速器生产商AISIN AW公司2006年成功推出型号为AA80E型8前速自动变速器，目前被使用在雷克萨斯LS460车上。这就形成了更大的总传动比范围，同时各个传动比之间也比5速变速器更加接近。因此，驾驶员几乎在各种行驶条件中都可以选择最佳传动比。电子控制模块可以选择更多的传动比，传动比取决于行驶条件，从而降低了油耗并提高了换挡平顺性。发动机转速与行驶状态的最优化匹配意味着发动机提高了动力、燃油经济性并降低了运行噪声。 (4)无级变速器(CVT):无级变速器则只需两组可移动锥轮以及传动带或传动链，即可实现无数个前进挡的变速过程。CVT采用传动带、传动链和可变槽宽的锥轮进行动力传递及传动比的选择，即当锥轮变化槽宽时，相应改变主动轮与从动轮上传动带的接触半径进行变速。CVT是真正无级化了，与AT相比具有较高的运行效率，油耗较低。通过近几年市场上的应用看，其发展势头也比较迅猛，目前在我国应用的车型已迅速发展到5、6种以上。 目前，全世界各大汽车厂商为了提高产品的竞争力都在大力进行CVT的研发工作，NISSAN、TOYOTA、FORD、GM、AUDI等著名汽车品牌中都配备CVT的轿车销售， 2 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告 全世界CVT轿车的年产量已达到近50万辆。值得注意的一点是，装备有CVT的汽车市场，由最初的日本、欧洲已经渗透到北美市场，CVT汽车已经成为当今汽车发展的主要趋势。 (5)双离合器变速器(DCT):双离合器变速器最早是德国大众技术，因此在大众车系里又称DSG变速器。它可以说是目前世界上最先进的、具有革命性的变速器系统，大众汽车在2002年于德国沃尔夫斯堡首次向世界展示了这一技术创新。DSG变速器旨在满足消费者对驾驶运动感和车辆节油的双重要求，为那些酷爱手动变速器的驾驶者们提供了一个最佳选择。DSG在带来低油耗的同时，在车辆性能方面却没有任何损失，同样具有出色的加速性和最高时速，并且与传统自动变速器一样可以实现顺畅换挡而不影响牵引力。因此，既保证了其舒适性，同时还体现其动感加 [3]速性。 DSG变速器的特点如下: (1)新一代DSG变速器采用了2个离合器和6个前进挡的传统齿轮变速器作为动力传送部件，这是目前世界上较先进的、具有革命性的自动变速器; (2)DSG变速器没有液力变扭器，也没有离合器踏板; (3)DSG变速器在传动过程中的能耗损失非常有限，大大提高了车辆的燃油经济性; (4)DSG变速器的反应非常灵敏，具有良好的驾驶乐趣; (5)车辆在加速过程中不会有动力中断的感觉，使车辆的加速更加强劲、圆滑。100km的加速时间比传统手动变速器还短; (6)DSG变速器的动力传送部件是一台三轴式6前进挡的传统齿轮变速器，增加了传动比的分配; (7)DSG变速器的多片湿式双离合器是由电子液压控制系统来操控的，两个离合器的工作过程是互锁的，也就是说一个离合器工作，一个不工作，不会同时出现两个离合器都参与工作; (8)双离合器的使用，可以使变速器同时有两个挡位啮合，使换挡操作更加快捷; (9)DSG变速器也有手动和自动两种控制模式，除了挂挡杆可以控制外，方向盘上还配备有手动控制的换挡按钮，行驶中两种控制模式之间可以随时切换; 3 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告 (10)选用手动模式时，如果不提供升挡操作，即使将油门踩到底，DSG变速器也不会作出升挡反应; (11)模糊逻辑控制可以根据司机的意愿进行换挡控制; (12)在手动控制模式下，可以跳跃降挡。 根据我国汽车变速器的技术条件和市场情况，对于未来20年的中国市场，可以得出以下结论:手动变速器在短期内仍将主导市场，但自动变速器将不断受到市场青睐，其中，双离合器技术潜力巨大。 二、本课题研究的主要和拟采用的研究、研究方法或措施 1.主要内容 1.1变速器概述 1.1.1变速器的功用 目前汽车上广泛采用的动力装置是汽油发动机和柴油发动机，它们的转矩与转速变化范围都较小，而汽车的行驶条件非常复杂，行驶速度和行驶阻力的变化范围很大。为了解决这一矛盾，在汽车传动系统中设置了变速器。 变速器的主要功用是: (1)实现变速、变扭 改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应汽车在各种行驶条件下所需的牵引力和合适的行驶速度，并使发动机能够经常在功率较高而油耗率较低的有利工况下工作。因此，变速器中应具有合理的挡位数和合适的传动比; (2)实现倒车 现在的内燃活塞式发动机，其旋转方向都是不变的(面对曲轴前端看，为顺时针旋转)，为了使汽车能倒向行驶，变速器中设有倒档; (3)实现中断动力传递 在发动机启动、怠速运转、变速器换挡和进行动力输出时，都要中断发动机至传动系的动力传递，故变速器中设有空挡; [4]此外，还可以作为其他动力的输出装置，如举升、起吊等。 1.1.2变速器的分类 变速器可以按照传动比变化方式或操纵方式来分类。 (1)按传动比变化方式分 ?有级式变速器 ?无级式变速器 4 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告 ?综合式变速器 (2)按操纵方式不同分 ?手动换挡式变速器 ?自动操纵式变速器 ?手动自动一体变速器 变速器的基本构造包括:变速传动机构和操纵机构两部分。变速传动机构的主要作用是改变转矩的数值和方向;操纵机构的作用是实现传动比的变换——换挡。 1.2变速器的变速传动机构 变速传动机构是变速器的主体，按工作轴的数量(不包括倒档轴)可分为两轴式变速器和三轴式变速器。 1.2.1两轴式变速器 两轴式变速器用于发动机前置前轮驱动的汽车，一般与驱动桥(前桥)合称为手动变速驱动桥。目前，常见的几种国产轿车均采用发动机前置前轮驱动，如桑塔纳、捷达、奥迪、富康等。其中，两轴式变速器根据发动机的布置形式可分为两种: (1)发动机纵向布置的两轴式变速器; (2)发动机横向布置的两轴式变速器。 1.2.2三轴式变速器 三轴式变速器适用于发动机前置后轮驱动的布置形式，多用于中型载货汽车。该种变速器设置有第一轴(输入轴)、第二轴(输出轴)和中间轴。第一轴前端通过离合器与发动机曲轴相连，第二轴后端通过凸缘连接万向传动装置， [4]而中间轴则主要用来固定安装各档的变速传动齿轮。三轴式5挡手动机械变速器的结构图如图1所示。 5 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告 图1 5挡手动变速器的结构图 1.2.3变速器换挡装置 普通齿轮式变速器的换挡装置常见的有直齿滑动齿轮式和同步器式两种结构形式。 (1)直齿滑动齿轮式换挡装置 对于采用直齿齿轮传动的挡位，常采用这种换挡形式。它是通过直接移动啮合齿轮副中的一个齿轮，使之于另一个齿轮进入啮合或退出啮合，从而实现挂档或退档。由于直齿齿轮传动冲击大、噪声大、承载能力低，所以在变速器中很少采用。 (2)同步器式换挡装置 它是在接合套换挡机构的基础上又加装了同步元件而构成的一种换挡装置，可以保证在换挡时使接合套与待接合齿圈的圆周速度迅速相等，即迅速达到同步状态，并防止二者在同步之前进入啮合，从而可消除换挡的冲击，并使换挡操作简洁和轻便。 1.2.4变速器的润滑与密封 变速器中各齿轮副、轴与轴系等运动部件均有较高的运动速度，因此，必须要有可靠的润滑。大多数普通齿轮变速器采用飞溅润滑，只有少数重型汽车变速器采用压力润滑。 1.3组合式变速器 为保证重型汽车具有良好的动力性、经济型和加速性，要求变速器有较多的挡 6 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告 位，以扩大传动比的范围，常采用两个变速器串联的方式构成组合式变速器，其中，配挡方式又可分为分段式配挡和插入式配挡两类。 1.4同步器 1.4.1同步器的作用 同步器的作用:一是使接合套与待接合齿圈迅速同步，以缩短换挡时间;二是起到锁止作用，保证接合套与待接合齿圈在达到同步之前不可能啮合，从而避免换挡齿间冲击。 1.4.2同步器的分类、构造及工作原理 目前所采用的同步器几乎都是摩擦式惯性同步器，按锁止装置不同，可分为锁环式惯性同步器和锁销式惯性同步器。 (1)锁环式惯性同步器 ?构造:主要由接合套、花键毂、锁环、滑块、定位销及弹簧组成。 ?工作原理:摩擦工作面接触产生摩擦力矩——锁环转动一个角度——锁止元件起锁止作用，阻止接合套前移——摩擦力矩增长至同步——惯性力矩消失——锁止作用消失——接合套进入啮合完成换挡。 锁环式惯性同步器由于尺寸小、结构紧凑、摩擦力矩也小，多用于轿车和轻型车辆，其结构图如图2所示。 图2 锁环式惯性同步器 7 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告 (2)锁销式惯性同步器 ?构造:主要由摩擦锥盘、摩擦锥环、定位销、接合套、第一轴齿轮、第二轴齿轮、二轴、锁销、花键毂、钢球及弹簧组成。 ?工作原理:与锁环式惯性同步器基本相同，该种同步器多采用在中、重型载 [5]货汽车上，其结构图如图3所示。 图3 锁销式惯性同步器 1.5变速器的变速操纵机构 1.5.1功用与要求 变速器操纵机构的功用是根据汽车使用条件帮助驾驶员随时将变速器换上或摘下某个挡位。为了保证在任何情况下变速器都能准确、安全、可靠地工作，对变速器操纵机构有以下要求: a(设自锁装置，防止变速器自动脱挡，并保证轮齿以全齿宽啮合; b(设互锁装置，防止变速器同时挂入两个档位，以免造成发动机熄火或损坏零部件; c(设倒挡锁，防止误挂倒档，以免发生安全事故。 1.5.2变速器操纵机构的构造 变速器操纵机构按照变速操纵杆(变速杆)位置的不同，可分为直接操纵式和远距离操纵式两种类型。 (1)直接操纵式 8 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告 这种形式的变速器布置在驾驶员座椅附近，变速杆由驾驶室底板伸出，驾驶员可以直接操纵，这种操纵机构一般由变速杆、拨块、拨叉、拨叉轴以及安全装置等组成，多集装于变速器上盖或侧盖内，它多用于发动机前置后轮驱动的车辆。直接拨动式换挡操纵机构如图4所示。 图4 直接拨动式换挡操纵机构 (2)远距离操纵式 当驾驶员座位离变速器较远或变速杆布置在转向盘下方(某些轿车)的转向管柱上时，通常在变速杆与换挡拨叉之间增加若干个传动件，组成远距离操纵机构，这种操纵机构多用于发动机前置前轮驱动的轿车。 1.5.3换挡锁装置 为了保证变速器在任何情况下都能准确、安全、可靠地工作，变速器操纵机构一般都具有换挡锁装置，包括自锁装置、互锁装置和倒挡锁装置。 (1)自锁装置 自锁装置用于防止变速器自动脱挡或挂档，并保证轮齿以全齿宽啮合。大多数变速器的自锁装置都是采用自锁钢球对拨叉轴进行轴向定位锁止。 (2)互锁装置 互锁装置用于防止同时挂上两个挡位，由互锁钢球和互锁销组成。 (3)倒挡锁装置 倒挡锁的作用是当驾驶员挂倒挡时，必须对变速杆施加较大的力，才可以换上倒挡， [6]起提醒作用，以防误挂倒挡。变速器上多采用弹簧锁销式倒挡锁。 1.6分动器 1.6.1分动器的功用 多轴驱动的越野汽车装用分动器。其功用是将变速器输出的动力分配到各驱动 9 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告 桥。目前，多数越野汽车装用两挡分动器。分动器兼起副变速器的作用。 1.6.2分动器的结构 分动器由齿轮传动机构和操纵机构两部分组成。 (1)齿轮传动机构 其中的三输出轴式分动器可将动力分别传给前桥、中桥和后桥。多数轻型越野汽车装用两输出轴式分动器，分别驱动前桥和后桥。该种分动器齿轮机构有普通齿轮式和行星齿轮式两种。 [7](2)操纵机构 分动器的操纵机构由操纵杆、传动杆、摇臂及轴等组成。 2. 采用的研究方案、研究方法或措施 2.1研究方案 (1)了解汽车变速系统的现状，熟悉其发展状况、详细构造和工作原理; (2)根据铃木雨燕汽车的主要参数，对其变速系统的操纵机构和变速机构进行结构设计，实现汽车的变速功能并满足动力性要求; (3)运用AutoCAD软件绘制变速器总装配图以及主要部件的零件图; (4)运用三维设计软件，对变速器的主要部件进行三维建模与装配。 2.2研究方法 本次设计的题目中的车型为铃木雨燕轿车，其基本参数如下表所示。 铃木雨燕轿车的基本参数 最大功率最大扭矩 最高车速车重 最大功率最大扭矩车型名称 转速转速 (km/h) (kg) (kw) (N?m) (rpm) (rpm) 雨燕07 款1.5炫175 1050 76 6000 138 4000 锐版MT 2.2.1三轴式变速器的设计 (一)传动方案和零部件方案的确定 根据题目便可以知道，需要设计的变速器类型为三轴式多挡位机械式变速器。 1.初步确定传动方案 2.确定零部件的结构方案 (1)齿轮形式 10 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告 (2)换挡机构形式 (3)变速器轴承 (二)主要参数的选择和计算 1.先确定最小传动比 2.确定最大传动比 3.挡位数确定 4.中心距A 5.外形尺寸 6.齿轮参数 (1)模数的选取 (2)压力角α (3)螺旋角β (4)齿宽b (5)齿轮变位系数的选择 (6)齿顶高系数 (7)格挡齿轮齿数的分配 ?确定1挡齿轮的齿数 ?对中心距A进行修正 ?确定常啮合传动齿轮副的齿数 ?确定其他各挡齿轮的齿数 ?确定倒挡齿轮的齿数及中心距 2.2.2主要零部件的设计与计算 (一)变速器齿轮强度计算 1.轮齿弯曲强度计算 (1)直齿轮弯曲应力σ (2)斜齿轮弯曲应力σ 2.轮齿接触强度计算 (二)齿轮材料及热处理 (三)轴的强度计算 11 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告 1.初选轴的直径 2. 轴的强度验算 (1)轴的刚度验算 [8](2)轴的强度验算 三、本课题研究的重点及难点，前期已开展工作 1.重点及难点 (1)重点掌握三轴式变速器的变速原理以及动力传递路线; (2)掌握同步器的功用、结构以及工作原理; (3)了解变速器操纵机构的功用与要求、构造形式及操纵原理; (4)运用三维软件建立变速器的三维模型并进行装配。 2.前期已开展工作 在撰写开题报告之前已在图书馆等查阅了大量关于汽车变速器方面的书籍、期刊和手册，并且在互联网上搜索了一些汽车变速器及其主要零部件的视频、图片和文字等信息，通过进行了这些前期工作，使我对汽车变速器的功用、结构和工作原理都有了进一步的了解和认识，相信自己能够比较完满地完成这次毕业设计。 四、完成本课题的及进度(按周次填写) 第1,2周:消化课题题目，收集资料，明确设计的任务及要求; 第 3 周:撰写开题报告; 第4,5周:熟悉AutoCAD软件和确定设计方案; 第6,9周:设计计算变速器的主要零部件; 第10,11周:熟悉三维建模软件; 第12,13周:应用AutoCAD软件绘制变速器总装配图以及主要部件的零件图; 第14,15周:运用三维设计软件，对变速器主要部件进行三维建模与装配; 第16,18周:进行毕业设计总结，编写毕业设计论文，并做好答辩的准备。 五、参考文献 [1] 余志生. 汽车理论. 3版. 北京:机械工业出版社，2000. [2] 王望予. 汽车设计. 北京:机械工业出版社，2004. [3] 陈家瑞. 汽车构造. 北京:机械工业出版社，2002. [4] 郑劲，张子成. 汽车底盘构造与维修. 北京:化学工业出版社，2009. 12 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告 [5] 关文达. 汽车构造. 北京:机械工业出版社，2004. [6] 张 毅. 离合器及机械变速器. 北京:化学工业出版社，2005. [7] 王宏雁，陈君毅. 汽车车身设计基础. 北京:北京大学出版社，2009. [8] 王丰元，马明星. 汽车设计课程设计指导书. 北京:中国电力出版社，2009. [9] 王振军. 汽车典型结构图册. 北京:人民交通出版社，2008. [10] Volker Schindler，Immo Sievers. Forschung fuer das Auto von morger，Springer，2008. [11] [英] Julian Happian-Smith.现代汽车设计概论 [M].张金柱译.北京:化学工业出版社，2007. 13