桑塔纳五档变速器设计

丁家宝

摘要：汽车的动力来自于发动机，而发动机输出的转矩和转速变化范围较小。因此，在汽车传动系统中设置了变速器，主要是为了改变发动机传至汽车驱动轮上的扭矩和转速，以满足汽车的各种行驶工况。

汽车变速器的设计趋势是增大其传递功率，并要求其具有更小的尺寸和良好的性能。本次设计部分叙述了变速器的功用与设计要求，对变速器的选取进行了方案论证。确定了变速器的基本结构，设计传动部分的各零部件，主要包括齿轮、轴、同步器等零部件的设计,并对各齿轮和各轴的强度、刚度进行校核，从而保证变速器的安全使用。同时对操纵机构和同步器的结构进行设计。设计计算完成后采用制图软件CAD对所设计的变速器进行绘图。

本次设计的是桑塔纳的变速器，选用了机械两轴式变速器,由五个前进挡和一个倒挡组成。这种变速器具有结构简单、容易布置和传动效率高等优点。

关键词：变速器；设计；校核；操纵机构

1绪论

汽车变速器经历了100多年的发展，已经成为了汽车上最重要的部件之一。从最初采用侧链传动到手动变速器，再到现在无级自动变速器的普及，在汽车工业技术不断前进的同时，变速器也向着更平顺、更省油、更富驾驶乐趣的方向不断发展。纵观市场情况而言，手动变速器是经典不衰的变速器。早期的手动变速器操作远不如现在方便，因为不带同步器，所以换挡要判断发动机转速和汽车速度是否同步才能进行。直到后来在相邻齿轮间装上了同步器，换挡才不需要再去判断车速了。手动变速器几乎贯穿了汽车的整个发展历史，而在今后很长的一段时间内是不会被市场淘汰的，因为手动变速器的功用是其他变速器所不能替代的。[1]

虽然自动变速器以及无级变速器已经普遍，但还是有很多的司机喜欢开手动变速器的车，尤其是喜欢超车时手动变速器带来的优点，所以汽车厂家也不敢轻易放弃使用手动变速器。另外，现在在我国的汽车驾驶学校中，教练车都是用手动变速器的，这样除了经济比较适用之外，主要是能让学员打好扎实的驾驶基本功

2 变速器传动机构

2.1变速器传动方案分析与选择

机械式变速器的传动机构布置方案主要有两种：两轴式变速器和中间轴式（三轴式）变速器。两轴式变速器大多用在发动机前置前轮驱动的汽车上。与中间轴式（三轴式）变速器相比较，两轴式变速器的轴和轴承数较少，所以有结构简单、外形尺寸小和布置方便等优点。而且由于各档只经过一对齿轮传递动力，所以传动的效率高，工作的噪声小。但是两轴式变速器没有直接档，所以在各档工作时的齿轮和轴承都承受载荷，而且受到结构的限制，其一档速比不能设计的很大。

两轴式变速器如图2-1所示。

 

1.第一轴；2.第二轴；3.同步器

图2-1 两轴式变速器

不同类型的汽车具有不同的传动档位数，原因是它们的使用条件不相同、对整车性能要求不相同，还有汽车本身的比功率也不相同[4]。传动系的档位数与汽车的动力性和经济性有着密切的联系。以动力性来说，档位数多，使发动机发挥最大功率的机会就增加，这样就提高了汽车的加速能力和爬坡能力。以燃油经济性来说，档位数多，会使发动机在低燃油消耗率下工作的机会增加，降低了油耗。但是采用手动的机械式操纵机构时，要实现迅速的换档，对于多于5个前进档的变速器来说是困难的。所以，太多的档位数会使变速器的尺寸以及质量增加、成本提高和操纵变得复杂。

综上所述，由于此次设计的是桑塔纳变速器，该车型是发动机前置而且是前轮驱动的形式，可布置变速器的空间较小，并且要求工作的噪声也小，所以选用两轴式变速器作为传动方案，档位的选择是五个前进档和一个倒档。

3 变速器主要参数的选择和主要零件的设计

本设计是根据桑塔纳展开的五档手动变速器。设计是在给定主要整车参数的情况下进行的，通过查阅资料已知，整车主要技术参数如下表3-1所示：

表3-1桑塔纳 整车主要技术参数

发动机最大功率	74kw	最大功率时转速	5200r/min
发动机最大转矩	155N·m	最大转矩时转速	3800r/min
总质量	1210kg	最高车速	175km/h

各档传动比如下表3-2所示：

表3-2各档传动比

档位	传动比
一档	3.455
二档	1.944
三档	1.286
四档	0.969
五档	0.80
倒档	3.167

3.1各档齿轮齿数的确定

在初选了中心距、齿轮的模数和螺旋角之后，就可以根据变速器的档位数、传动比和传动方案布置来确定各档齿轮的齿数。应当注意的是，各档齿轮的齿数比应该尽可能不是整数，以使齿面的磨损较均匀。

在确定变速器各档齿轮的齿数时，应该考虑：①符合动力性和经济性对各档传动比的要求；②最少齿数应不至于根切；③齿数多，可降低齿轮传动的噪声。[6]

根据两轴式五档变速器传动机构示意图3-1分别确定各挡齿轮的齿数。

1-一档主动齿轮 2-一档从动齿轮  3-二档主动齿轮 4-二档从动齿轮 5-三档主动齿轮 6-三档从动齿轮 7-四档主动齿轮 8-四档从动齿轮 9-五档主动齿轮 10-五档从动齿轮 11-倒档主动齿轮 12-倒档中间轴齿轮 13-倒档输出轴齿轮

图3-1 五档变速器传动方案简图

4 变速器齿轮的强度校核

4.1齿轮材料的选用原则

（1）满足工作条件的要求。变速器的工作条件不同，对齿轮传动的要求也不同，所以对齿轮的材料也有不同的要求。但是对于一般的齿轮，要求其材料应有足够的强度和耐磨性。

（2）合理选择材料的配对。比如硬度较小的软齿面齿轮，要使两啮合齿轮的寿命相互接近，小齿轮所用材料的硬度应该略高于大齿轮。而且为了提高抗胶合的性能，大齿轮和小轮应该采用不同钢号的材料。

（3）应该考虑加工的工艺和热处理工艺。尺寸较大的齿轮一般采用的是铸造毛坯，可以选择铸钢或铸铁；中等尺寸齿轮常采用的是锻造毛坯，可以选择锻钢制作。而齿轮的尺寸较小时，可以选用圆钢作毛坯。软齿面齿轮常采用中碳钢或中碳合金钢，经正火或调质处理后，再进行切削加工即可；硬齿面齿轮常采用低碳合金钢，切齿后再表面渗碳淬火即可。为消除热处理后对已切轮齿造成的齿面变形需要进行磨齿。但若采用渗氮处理，其齿面变形小，可不磨齿，故可以适用于内齿轮等无法磨齿的齿轮。

变速器齿轮的损坏形式通常有以下几种形式：1.齿轮折断 2.齿面点蚀 3.齿面胶合[7]。

轮齿折断有两种情况，一种是轮齿受到足够大的突然载荷的冲击作用，导致轮齿断裂；另一种是受到多次重复载荷的作用，齿根受拉面的最大应力区出现疲劳裂缝，裂缝逐渐扩展到一定深度后，轮齿突然折断。

齿面点蚀是因闭式齿轮在润滑油中工作，齿面长期受到脉动的接触应力作用，会逐渐产生大量与齿面成尖角的小裂缝。而裂缝中充满润滑油，啮合时，由于齿面互相挤压，裂缝中油压增高，使裂缝继续扩展，最后导致齿面表层一块块剥落，齿面出现大量的扇形小麻点。

汽车变速器齿轮常用中碳合金钢制作，其表层的高硬度与心部的高韧度相结合，能大大提高齿轮的耐磨性及抗弯曲和抗疲劳的能力。本次设计齿轮材料取为40Cr，齿轮表面采用表面淬火热处理，齿轮的精度不低于7级。对齿轮的弯曲强度和齿面接触应力进行校核计算。

5 变速器同步器的设计及操纵机构

5.1同步器的功用及分类

目前所有的同步器几乎都是摩擦同步器，它的功用是使工作表面产生摩擦力矩，以克服被啮合零件的惯性力矩，使之在最短的时间内达到同步状态。

同步器有常压式、惯性式和惯性增力式三种。常压式同步器结构虽然简单，但有不能保证啮合件在同步状态下（即角速度相等）换档的缺点，现已不用。得到广泛应用的是惯性式同步器。

惯性式同步器能做到换档时，在两换档元件之间的角速度达到完全相等之前不允许换档，因而能很好地完成同步器的功能和实现对同步器的基本要求。

按结构分，惯性式同步器有锁销式、滑块式、锁环式、多片式和多锥式几种。虽然它们结构不同，但是它们都有摩擦元件、锁止元件和弹性元件。

考虑到本设计为轿车变速器，故选用锁环式同步器。

5.2锁环式同步器

5.2.1锁环式同步器结构

1、4-锁环（同步锥环） 2-滑块  3-弹簧圈

5、8-齿轮  6-啮合套座  7-啮合套

图5-1 锁环式同步器

如图5-1所示，锁环式同步器的结构特点是同步器的摩擦元件是位于锁环1或4和齿轮5或8凸肩部分的锥形斜面上。锁止元件是做在锁环1或4上的齿和做在啮合套7上齿的端部，且端部均为斜面，称为锁止面。弹性元件是位于啮合套座两侧的弹簧圈。弹簧圈将置于啮合套座花键上中部呈凸起状的滑块压向啮合套。在不换档的中间位置时，滑块凸起的部分嵌入啮合套中部的内环槽中，使同步器用来换档的零件保持在中立位置上。滑块两端伸入锁环缺口内，而缺口的尺寸要比滑块宽一个接合齿[8]。

5.2.2锁环式同步器工作原理

同步换挡运动分为三个阶段。第一阶段，换挡时，变速杆推动结合套移向齿轮，并与花键毂逐渐结合；第二阶段，结合套的运动使滑块将锁环压在齿轮的锥面上；第三阶段，同步环完成其与齿轮锥面配合的摩擦，齿轮随着同步组件成为相同的速度。结合套在齿轮上滑动，并将齿轮和其同步器组件锁定在轴上。

锁环式同步器的优点是工作稳定、零件耐用，但因为结构布置上的限制，转矩容量不大，而且由于锁止面在锁环的接合齿上，会因齿端面磨损而失效，因而主要用于轿车和总质量较小的货车变速器中。

结   论

本次的设计是桑塔纳车型的机械式变速器，设计论文主要完成了以下的工作：

叙述了手动变速器的应用及其优缺点。然后根据已查知的桑塔纳性能参数，第一步进行了变速器的方案确定。在变速器的总体方案确定后，对变速器的总体尺寸、各档齿轮的几何尺寸等进行了设计计算。第二步，对各档齿轮以及各轴、键的强度和刚度进行了校核。经过校核，所设计的零件均为合格。第三步，完成了变速器操纵机构的设计。第四步，在设计校核完成之后，采用制图软件CAD绘制装配图和零件图。

本次设计的变速器加工和装配方便，由于此变速器全部采用同步器换档，所以具有换档轻便，噪声低等优点。但由于知识与设计方法的原因，本次设计还有可以继续优化设计的地方。

参考文献

[1] 晓青.汽车变速器的百年变迁[J].汽车运用，2013(12): 8-16.

[2] 姚占辉. 方海峰.汽车变速器发展趋势［Ｊ］.《汽车与配件》,2021:41-49.

[3] 常明，邹经湘.汽车底盘构造．第1版.国防工业出版社，2015.

[4] 陈家瑞.汽车构造.第5版.北京：人民交通出版社，2018.

[5] 王国权,龚国庆.汽车设计课程设计指导书.北京:机械工业出版社,2019.

[6] 张福润，徐鸿本等.机械制造技术基础．第2版.华中科技大学出版社，2015.

[7] 刘海江，于信汇等.汽车齿轮[M].上海：同济大学出版社，2017:15-26.

[8] 龚桂义.渐开线圆柱齿轮强度计算与结构设计[M].北京：机械工业出版社， 2020:56-71.