三轴变速器的设计

张斌斌 李继良

摘 要：目前在世界汽车行业内，自动变速器的发展越来越快，但是在国内和全球汽车当中，传统手动变速器仍占有相当大的保有量。手动变速器具有许多自动变速器无法取代的优点，如成熟的技术、简单的结构、高效率的传动和驾车的娱乐性。本文设计了一款某轿车三轴五挡变速器，给出了详细的设计步骤，目标是使这款变速器满足变速变扭、倒车和空挡停车。

关键词：手动变速器；齿轮；轴；校核；同步器

1 前言

在国内，手动变速器的应用仍是现在汽车行业的主流。手动变速器独特的优势和其带来的驾驶娱乐性是自动变速器不能代替的。从现在国内手动变速器的保有量、作用和优势来说，设计手动变速器还是有很大意义的。

本次研究的目的是通过对某款车上的三轴五挡手动变速器设计，掌握手动变速器的结构和工作原理；给出设计手动变速器的基本方法，使设计出的这款三轴五挡手动变速器能满足变速变扭、实现倒车和空挡停车。

2 选择总传动布置方案

变速器主要分为2部分，一是传动机构，实现变速变扭，改变动力传递方向和大小。主要包括齿轮、轴、轴承和同步器各个零件；二是操纵机构，驾驶人员利用它来进行换挡，获得需要的动力和速度。

2.1 传动机构布置方案

本设计采用的是齿轮都处于常啮合状态的布置方案。所有齿轮处于常啮合状态，这样可以保证换挡的轻便。设计直接挡传动，提高了传动效率。直接挡传动时，齿轮、轴承及中间轴均不承载。所以，相对其他挡位数来说，直接挡具有传递效率高，磨损和噪音小的优点；而且总体结构简单，安装、制造和维修方便。由于本次设计的是三轴手动变速器，对换挡轻便性要求较高，倒挡布置方案也选用常啮合的方案。

2.2 主要零件结构的选择

在变速器当中，各个零件有着举足轻重的作用。各个零部件是否合适，是否能实现应有的功能，对变速器影响很大。

（1）齿轮形式：在本次设计当中，一挡、倒挡选择直齿轮传动，其他挡位选择斜齿轮传动。

（2）换挡结构形式：在本次设计中，换挡结构形式选择锁环式同步器。这种同步器的工作原理是，靠同步环和结合齿圈摩擦，啮合套逐渐结合齿圈啮合，最后实现同步作用。

（3）变速器轴承：本设计当中，变速器的三根轴都选择后轴承固定形式。第一轴采用深沟球轴承固定形式。第二轴齿轮选用滚针轴承。中间轴前轴承采用圆锥滚子轴承，中间轴后轴承也采用圆锥滚子轴承。

3 变速器主要参数的确定

本设计中所采用的相关参数：最高时速为155km/h，轮胎型号为215/65R16，r?=342.09mm，最大扭矩为168Nm/4500，最大功率为89kW/5500，最高转速为6000r/min，汽车质量为1900kg。

3.1 挡位数和传动比

现在，为了充分利用发动机功率和使汽车经常在经济车速下行驶，理论上挡位数越多越好。但是在设计时要联系实际情况，不能一味增加挡位数。如果综合考虑换挡带来的疲劳和驾车的舒适性，小型车辆以4～5个前进挡为宜。本设计采用5个

3.2 中心距

变速器中心距是指中间轴与三轴轴线之间的距离，它是变速器设计当中非常重要的一个参数，直接影响变速器尺寸、体积和质量。根据如下公式初定：

式中，为变速器中心距（mm）；为中心距系数，=8.9～9.3；为发动机最大扭矩；为变速器传动比；为变速器传动效率，取0.96。将各参数代入式（1）可得

3.3 轴向尺寸

本次设计选取的是五个前进挡的三轴式手动变速器。根据经验公式，初选变速器整体的轴向尺寸为

3.4 齿轮参数

综合考虑汽车使用要求、模数选取原则，从自己所设计内容的实际出发。除三挡、五挡齿轮模数为2.5mm外，其余各个挡位齿轮模数均为3.0mm。同步器、啮合套接合齿模数为2.5 mm。由于我国规定的标准压力角为20°，所以本设计也按照规定选择20°的压力角，同步器选择30°的压力角。螺旋角初定范围为β=17°～25°，初选为18°和25°两种。根据以上参数可以计算得到各个挡位齿轮的齿数。一挡齿轮副主从动齿轮的齿数分别分15和36；二挡齿轮副主从动齿轮的齿数分别分19和30；三挡齿轮副主从动齿轮的齿数分别分28和29；第一轴常啮合齿轮副主从动齿轮的齿数分别分17和28；五挡齿轮副主从动齿轮的齿数分别分36和17。

4 齿轮的材料选择与校核

4.1 材料的选择

本设计所选择的齿轮材料为20CrMnTi。

4.2 齿轮的强度计算与校核

接下来对齿轮的强度和接触应力进行校核。如果不满足设计要求，则要重新确定齿轮参数，直到满足要求为止。

在计算直齿轮弯曲应力时，可根据下式计算，即

式中，为弯曲应力；为圆周力（N），；为应力集中系数，为1.65；为计算载荷（N·mm）；为节圆直径，直齿，斜齿；为摩擦力影响系数，主动齿轮=1.1，从动齿轮=0.9；为齿宽（mm）；为端面齿数（mm），，为模数；为齿形系数。

在计算斜齿轮弯曲应力时，可根据下式计算，即

式中，为计算载荷（N·mm）；mn为法向模数（mm）；为齿数；为斜齿轮螺旋角（°）；为应力集中系数，=1.50；为齿形系数；为齿宽系数，=6.0；为重合度影响系数，=2.0。

对于乘用车来说，当计算载荷为的时候，常啮合齿轮和各挡齿轮，许用应力在之间。所以分别对各个齿轮进行弯曲应力的计算，在这个范围内，则符合设计要求。

5 轴的设计计算

齿轮设计完成后，接下来进行轴的设计计算。轴的设计思路如下：选择材料→估算直径→结构的设计→验算工作能力→绘画。如果工作能力不合格，则重新开始进行结构的设计。

5.1 材料的选择

综合考虑各个因素和所设计变速器的实际情况，由于合金钢具有很好的性能，故本设计选择轴材料为20CrMnTi。

5.2 初选轴的直径

设计来到这里，中心距A前面已经确定。根据经验，在变速器设计当中，第二轴和中间轴中部直径d为。利用经验公式，初选第一轴直径，即

式中，K 为经验系数K=4.0～4.6；为发动机最大转距（N·mm）。

第一轴直径初选，取mm；取第二轴最大轴径为46 mm；取中间轴最大轴径为43 mm。

5.3 结构设计

根据经验，轴直径与支承间距离的比值，对中间轴来说，d / l ≈（0.15～0.18）；对第二轴来说d / l ≈（0.18～0.21）。所以，中间轴长度取mm；第二轴长度取mm；第一轴长度取mm。

5.4 验算工作能力

结构设计完成后，轴的各部分有了合理的形状和尺寸，下一步进行轴工作能力的验算。工作能力的验算分为强度验算和刚度验算。

根据《材料力学》知识，所设计的轴在验算强度时，要看作简支梁。利用平衡条件和某点合力矩为零，求出支点反力。确定外载荷和支点反力后，做出轴的受力分析及绘制弯矩图和转矩图，就可以确定危险截面。对于危险截面，根据强度校核公式和已知条件进行校核。作用在第一轴上的转矩应取。经校核，满足设计要求。

轴受载后会产生弯曲和扭转变形，变形的大小与轴的刚度有关，如果刚度不够，变形过大，往往会带来不良后果。轴的刚度验算，一般是通过计算轴受载后的变形量，与允许值比较。如果小于允许值，则满足要求；反之，不满足。

根据《材料力学》可以知道，简支梁在受载后，用挠度和转角来表示轴的变形量。所以在校核轴的刚度时，只需要计算轴的变形后的挠度和转角，并把它们控制在许用的范围内，就可以符合设计要求了。经计算，符合设计要求。

6 操纵机构

对于本次设计手动三轴式五挡变速器，操纵机构选择直接操纵式。为了满足设计操纵的要求，使用互锁装置来保证换挡时只能挂入一个挡；使用自锁装置，来保证换挡后不会出现自动脱挡和自动挂挡的现象；在向前行驶时误换入倒挡中，不仅容易发生危险，而且齿轮间将会发生很大的冲击，为了防止这情况发生，设置了倒挡锁。

7 结论

从我国国情和市场保有量以及驾车乐趣来说，研究手动变速器，进而优化手动变速器对我国汽车行业的发展还是有很大意义的。本文设计出来的变速器，主要作用是变速变扭，实现倒车和空挡停车。除了满足变速器的基本要求外，本次设计的变速器还具有结构简单，生产、维修价格低，直接挡传动效率高，噪音低等特点。本着实用性和经济性的原则，设计当中在选择参数时，都采用比较开放的标准，这会导致安全系数不高。由于能力有限，笔者在设计时仍然采用传统手工计算，参数也没有办法优化到最佳组合，设计出的变速器没有使人眼前一亮的创新点。所以，今后要利用现代新技术、新材料来逐渐优化手动变速器，使变速器性能越来越好，质量越来越轻。

参考文献

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[2]罗永革，冯樱.汽车设计[M].北京.机械工业出版社，2011.

[3]肇润东，孔祥慧.邴丽华.汽车变速器的发展及先进制造技术的应用[J].汽车工艺与材料，2011，（9）：15-20.

（作者单位：内蒙古工业大学机械学院）