汽車機(jī)械式變速器的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法研究

李 祥

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510080）

隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(jī)械式變速箱產(chǎn)生于二十世紀(jì)初，其技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，汽車機(jī)械式變速箱的現(xiàn)代設(shè)計(jì)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(guān)鍵部件的分析研究，不但能夠提高機(jī)械式變速器的性能，改善汽車的動力狀況，更為我國汽車業(yè)的發(fā)展提供了很好的前景與趨勢。

一、機(jī)械式變速箱概述

機(jī)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(shí)，人為的操縱變速桿變換各檔齒輪的位置，從而實(shí)現(xiàn)換擋、改變傳動軸的旋轉(zhuǎn)角速度與車橋半軸的旋轉(zhuǎn)角速度之比的目的。在變速器產(chǎn)生之初，機(jī)械式變速器也只有3個(gè)檔位，只有駕駛技術(shù)成熟的駕駛員才能實(shí)現(xiàn)熟練變擋。在二十世紀(jì)中期，美國首次設(shè)計(jì)出5個(gè)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(jī)械式變速器是采用齒輪組固定，且每檔的齒數(shù)是固定不變的，而各檔的齒數(shù)呈等差數(shù)列變化，變速器每個(gè)檔的變速比是一個(gè)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(gè)級，因此它是有級變速器。

機(jī)械變速器的主要功能是改變汽車的傳動比，提高車輪轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的變化幅度，以實(shí)現(xiàn)駕駛員對不同車速的需求，同時(shí)保持汽車發(fā)動機(jī)工作的穩(wěn)定性；變速器可以在發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)汽車空檔狀態(tài)，中斷發(fā)動機(jī)動力的傳遞，以便實(shí)現(xiàn)快速換擋、汽車自由滑行的目的。

機(jī)械式變速器的功能優(yōu)勢相對于其他變速器是顯而易見的，首先，機(jī)械式變速器能夠協(xié)助發(fā)動機(jī)，使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)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(fā)動機(jī)提供強(qiáng)大的動力，此時(shí)變速器通過變換檔位可以協(xié)助發(fā)動機(jī)，汽車起步時(shí)，我們可以將變速桿調(diào)到“一檔”，這樣起步時(shí)就能產(chǎn)生強(qiáng)大的牽引力，特別是在陡坡路段，這一優(yōu)勢特別明顯。其次，在大部分駕校中，汽車均采用機(jī)械式變速器，這種變速器對于提高學(xué)院駕駛技能，鍛煉駕駛的穩(wěn)定性有重要意義。再次，一些年輕的司機(jī)喜愛手動變速器，尤其是在超車、加速時(shí)機(jī)械式變速器帶來的刺激感，同時(shí)，機(jī)械式變速器因工藝可靠、成本低等優(yōu)勢被大部分經(jīng)濟(jì)型轎車采用，對于普通百姓來說，經(jīng)濟(jì)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(jī)械式變速器。最后，雖然自動變速器在迅速發(fā)展，但對于一些老司機(jī)來說，他們最為鐘愛機(jī)械式變速器，要改變他們的看法，需要相當(dāng)長的時(shí)間。

二、變速器齒輪的設(shè)計(jì)

齒輪是變速器的基本零件之一，其質(zhì)量的好壞影響著整個(gè)變速器系統(tǒng)的功能，對汽車行駛的穩(wěn)定性有重要作用。因此，設(shè)計(jì)人員一方面通過優(yōu)化齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)，例如齒輪的齒數(shù)、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(jìn)行修向、修形來提升齒輪的承載力。齒輪的設(shè)計(jì)要考慮的因素有很多，例如，齒輪的寬度、齒數(shù)、齒輪之間的距離、齒輪的螺旋角、齒輪模數(shù)等等。正確選擇齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)可以盡可能的彌補(bǔ)機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)的一些缺陷，使齒輪保持良好的工作狀態(tài)，且便于制造、降低變速器噪音。

（一）齒輪的模數(shù)與壓力角的選擇

齒輪模數(shù)是齒輪尺寸計(jì)算的一個(gè)基本參數(shù)，用M表示，它是相鄰齒輪同側(cè)齒廓間的齒距與π的比值，計(jì)算公式是：

表1

M=T/π

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

齒輪的壓力角是漸開線運(yùn)動方向與受力方向的夾角，漸開線上的每個(gè)點(diǎn)的壓力角各有不同，離基圓越遠(yuǎn)，壓力角越大?；鶊A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(dǎo)致齒輪震蕩，發(fā)生噪音。機(jī)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(shù)高檔齒輪設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員采用20°的壓力角。

（二）齒輪寬度與螺旋角的設(shè)計(jì)

齒輪寬度是指齒輪的厚度，計(jì)算公式是齒寬系數(shù)乘以分度圓直徑。齒寬的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能保障齒輪的平穩(wěn)工作，又保證減輕變速器重量。齒寬太小，會導(dǎo)致齒輪的承載力過大，降低傳動的平穩(wěn)性，不利于變速器的平穩(wěn)工作，同時(shí)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(shè)計(jì)成本。因此，我們在保證齒輪強(qiáng)度與變速器穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，應(yīng)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(dǎo)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(gè)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(yōu)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(qiáng)度和嚙合性能，增加齒輪的軸向力能產(chǎn)生直接影響。

（三）齒輪齒數(shù)與變位系數(shù)

齒輪齒數(shù)是指在齒輪整個(gè)圓周上輪齒的總數(shù)，通常用z表示，影響齒數(shù)的分配的因素有變速器的擋數(shù)、各變速組的傳動比、結(jié)構(gòu)方案來確定，齒數(shù)和不應(yīng)太小，最小齒輪不能產(chǎn)生根切現(xiàn)象，同時(shí)要保持主傳動運(yùn)動的平穩(wěn)性。對于機(jī)械式變速器的齒輪，一般最小齒數(shù)Zmin≥15～20。主軸的最小齒輪Zmin=20，而高速齒輪的齒數(shù)一般在25左右。

齒輪的變位系數(shù)是指在加工變位齒輪時(shí)，齒條中線和齒輪的分度圓相切位置會產(chǎn)生偏移距離，我們用xm表示，其中X就是變位系數(shù)。齒輪變位是提高齒輪壽命的有效途徑，變位系數(shù)的定與選擇非常復(fù)雜，它與變速器的整體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、齒輪的嚙合性能等方面有緊密的關(guān)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(qiáng)度，有效避免根切現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時(shí)能夠提高齒輪的耐磨損能力。

（四）齒輪的修整與驗(yàn)證

齒輪的性能取決于其齒數(shù)參數(shù)的正確與否，對齒輪進(jìn)行修形可以提高齒輪的性能，不恰當(dāng)?shù)男拚?，會阻礙齒輪潛在性能的發(fā)揮，良好設(shè)計(jì)與優(yōu)秀的齒輪修形方法可以使齒輪性能發(fā)揮到到最佳狀態(tài)，結(jié)合齒輪的基本設(shè)計(jì)參數(shù)與齒輪的修形，設(shè)計(jì)人員能夠開發(fā)尺寸、軸向相同，但其傳動能力可以提升兩倍且內(nèi)部噪音較低的高性能齒輪。

研究實(shí)驗(yàn)表明，由于齒輪輪齒制造參數(shù)的不同與技術(shù)人員的安裝誤差，在變速器使用過程中，輪齒的扭轉(zhuǎn)變形與熱變形等因素，這造成齒輪在嚙合時(shí)，兩個(gè)齒輪會產(chǎn)生沖擊力、噪音。齒輪傳動研究的進(jìn)一步深入與制造技術(shù)的發(fā)展，在驗(yàn)證齒輪的的性能時(shí)，修形技術(shù)受到了廣大設(shè)計(jì)人員的廣泛應(yīng)用，修形技術(shù)使輪齒之間的承載力分配更加合理，通過修形技術(shù)提高齒輪的嚙合性能，使輪齒載荷的變化更加平穩(wěn)，提高了齒輪的承載力，減少了齒輪的噪聲與振動，同時(shí)延長了齒輪的壽命。

三、變速器檔位的優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著汽車行業(yè)的發(fā)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(qū)別，因此，汽車對性能的要求千差萬別。機(jī)械式變速器與汽車的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、動力性關(guān)系密切。變速器檔位的設(shè)計(jì)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(shù)的設(shè)計(jì)

變速器的擋數(shù)關(guān)系著汽車動力性能的高低，增加檔數(shù)可以提高汽車的動力，增加檔位的優(yōu)勢主要有以下兩個(gè)方面：首先擋數(shù)增加會增加發(fā)動機(jī)提供最大功率的機(jī)會，提高汽車爬坡能力和提速時(shí)間。其次，增加擋數(shù)，可以降低汽車油耗，節(jié)約汽車使用成本，但擋數(shù)越多也有一定缺陷，它會使變速器的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，且質(zhì)量和尺寸增大，同時(shí)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(shè)計(jì)人員要合理設(shè)計(jì)檔位，在保證變速器穩(wěn)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(shè)計(jì)人員可利用一檔的傳動比確定擋數(shù)，其設(shè)計(jì)公式如下：

I1=1.35n-1

其中n表示檔位數(shù)，I表示一檔的傳動比。

（二）檔位傳動比的計(jì)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(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，汽車的使用條件等因素有關(guān)。當(dāng)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?qū)恿σ筝^高，其傳動比更大。

（三）一檔傳動比的計(jì)算

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

通過計(jì)算一檔的傳動比，設(shè)計(jì)人員利用各檔位之間的傳動速比，我們可以計(jì)算出最高檔位的傳動比，其計(jì)算公式如下：

四、變速器其他關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（一）中心距選擇

在機(jī)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(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)之一，中心距的大小影響著變速器的質(zhì)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(shí)，要考慮齒輪的接觸強(qiáng)度，從安裝軸承的便捷性考慮，中心距要適當(dāng)增大。綜合考慮，中心距的設(shè)計(jì)可以按如下公式計(jì)算：

（二）傳動軸的尺寸設(shè)計(jì)

變速器傳動軸在開始設(shè)計(jì)時(shí)，由于軸承距離、軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不確定，無法進(jìn)行扭彎組合計(jì)算，當(dāng)齒輪的齒數(shù)確定后，我們可以根據(jù)齒輪強(qiáng)度與剛度條件估算軸的半徑，初步確定軸的結(jié)構(gòu)后，再根據(jù)軸傳遞的扭矩進(jìn)行計(jì)算，按照強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)的軸徑計(jì)算公式如下：

其中Tmax表示軸傳遞的最大扭矩。

機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，齒輪中心距的確定、傳動軸的尺寸設(shè)計(jì)都關(guān)系著變速器的性能，設(shè)計(jì)人員對這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)要設(shè)計(jì)精確，保證變速器的穩(wěn)定性。

結(jié)語

當(dāng)前，機(jī)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(wěn)定性直接關(guān)系著汽車的動力性能，因此，研究人員必須對機(jī)械式變速器進(jìn)行深入研究，充分了解機(jī)械式變速器的情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)變速器的齒輪、檔位、傳動軸等核心部件。我們要通過嚴(yán)格的設(shè)計(jì)程序和先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，保證變速器的安全性與穩(wěn)定性，提高我國汽車的動力水平，大幅度提高機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)能力。

[1]蔡炳炎.機(jī)械式汽車變速器速比優(yōu)化設(shè)計(jì)及扭轉(zhuǎn)振動分析[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

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