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毕业设计 文献综述 院（系）名称 交通学院 专业名称 车辆工程 学生姓名 孔阳阳 指导教师 张永学     2015年 03 月10 日 机械变速器设计文献综述 摘 要 车辆的经济性、动力性、驾乘舒适性不仅仅取决于汽车的发动机，而且在很大程度上依赖于变速器，以及变速器与发动机的匹配。本文对国内外的变速器产业发展情况，国内外先进的变速器设计方法、科学的设计开发等做了简要的介绍，根据我国变速器产业的发展现状提出一些问题，并提出了一些合理的解决方案。 关键词：变速器，牵引力，功率，无级变速，先进设计方法 1.前言 汽车工业已经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。变速器是伴随着汽车工业出现的必然产物，是汽车上的必需品而变速器设计是汽车设计中重要的环节之一。它是用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速, 目的是在各种行驶工况下, 使汽车获得不同的牵引力和速度, 同时使发动机在最有利的工况范围内工作。因此它的性能影响到汽车的动力性和经济性指标。在完成了最基本的传动功能之外，我们对变速器的要求也是越来越高，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。 2.变速器的设计背景及目的 现代汽车的动力设置，几乎都采用往复活塞式内燃机。它具有体积小，质量轻，工作可靠，使用方便等优点。但其性能与汽车的动力性和经济性之间存在着较大的矛盾。大家知道，汽车需要克服作用在它上面的阻力，才能起步和正常的行驶。即使在平坦的柏油路上，汽车以低速等速直线行驶，也需要克服约占汽车总质量1.5%的滚动阻力。 例如，NJ130汽车，满载时总质量为5360kg，其滚动阻力为800N左右。若需要满载汽车在坡度为9%的道路上等速上坡行驶，仅上坡阻力就达4824N。如果用发动机直接带动汽车驱动轮，则发动机需要发出2050N·m.的扭矩。而NJ130汽车发动机的最大扭矩只有205N·m，此时，所产生的最大牵引力为482N，和上坡阻力相差10倍之多。显然，如此小的牵引力，不仅不能上坡行驶，即使在平坦的道路上也不能行驶。 另一方面，NJ130汽车发动机，最大功率为51.5kW，此时曲轴的转速为2800r/min。如发动机和车轮直接相连，则对应于该转速所换算的汽车速度，竟达到458km/h.。显然，这样高的车速是不能实现的。 上述发动机的扭矩、转速与汽车的牵引力、车速要求之间的矛盾，靠现代汽车的内燃机本身是无法解决的。为此，在汽车传动系中设置了变速器和主减速器。既可使驱动车轮的扭矩增大为发动机扭矩的若干倍，同时又可使其转速减小到发动机转速的若干分之一。 此外，汽车的使用条件颇为复杂，变化很大。如汽车的载货量、道路坡度、路面好坏以及交通情况等。这就要求汽车的牵引力和车速具有较大的变化范围，以及适应使用的需要。当汽车在平坦的道路上，以高速行驶时，可挂入变速器的高速档；而在不平的路上或爬较大的坡道时，则应挂入变速器的低速档。根据汽车的使用条件，选择合适的变速器档位，不仅是汽车动力性的要求，而且也是汽车燃料经济性的要求。例如，汽车在同样的载货量、道路、车速等条件下行时，往往可挂入较高的变速器档位，也可挂入较低的档位工作。此时只是发动机的节气门开度和转速或大或小而已，可是发动机在不同的工况下，燃料的消耗量是不一样的。一般变速器具有四个或更多的档位，驾驶员可根据情况选择合适的档位，使发动机燃料消耗量减小。 汽车发动机不能倒转工作，因此在变速器设立倒档。此外，变速器还设有空档，可中断动力传递，以满足汽车暂时停止行驶和对发动机检查调整的需要。 对变速器的要求。除一般便于制造、使用、维修以及质量轻、尺寸紧凑外，主要还有以下几点： 1）保证汽车有必要的动力性和经济性。 2）设置空挡，用来切断发动机动力向驱动轮的传输。 3）设置倒档，使汽车能倒退行驶。 4）设置动力输出装置，需要时能进行功率输出。 5）换挡迅速，省力，方便。 6）工作可靠。汽车行驶过程中，变速器不得有跳挡，乱挡以及换挡冲击等现象发生。 7）变速器应当有高的工作效率。 8）变速器的工作噪声低。 3.国内外研究状况及成果 现代汽车工业的飞速发展以及人们对汽车的要求不断的变化，机械式变速器不能满足人们的需要。从40年代初，美国成功研制出两挡的液力-机械变速器以来，自动变速器技术得到了迅速发展。80年代，美国已将液力自动变速器作为轿车的装备。1983年时，美国通用汽车公司的自动变速器装车率已经达到了94%。近些年来，由于电子技术和电子计算机技术的发展，自动变速器技术已经达到了相当高的水平。自动变速器与机械式变速器相比，具有许多不可比拟的优势：提高发动机和传动系的使用寿命；提高汽车的通过性；具有良好的自适应性；操纵更加方便。 目前，国内变速器厂商都朝无级变速器和自动变速器方向发展，国内现已有好几款轿车已经应用上无级变速器，而重型汽车则采用多中间轴的形式，将低速档和高速档区分开。  汽车行驶的速度是不断变化的，这就要求汽车的变速器的变速比要尽量多，这就是无级变速(Continuously Variable Transmission简称"CVT") 。尽管传统的齿轮变速箱并不理想，但其以结构简单、效率高、功率大三大显着优点依然占领着汽车变速箱的主流地位。  在跨越了三个世纪的一百多年后的今天，汽车还没有使用上满意的无级变速箱。这是汽车的无奈和缺憾。但是,人们始终没有放弃寻找实现理想汽车变速器的努力,各大汽车厂商对无级变速器(CVT)表现了极大的热情，极度重视CVT在汽车领域的实用化进程。这是世界范围尚未根本解决的难题，也是汽车变速器的研究的终极目标。 围绕汽车变速箱四个研究方向，各国汽车变速器专家展开了激烈的角逐。 （1） 摩擦传动CVT  金属带式无级变速箱(VDT-CVT)的传动功率已能达到轿车实用的要求，装备金属带式无级变速箱的轿车已达100多万辆。据报道：大排量6缸内燃机（2.8L）的奥迪A6轿车上装备的金属带式无级变速箱Multitronic CVT ，能传动142kw（193bhp）功率，280Nm扭矩。这是真正意义的无级变速器。  另一种摩擦传动CVT(名为Extroid CVT)是滚轮转盘式。日产把它装在概念车XVL上首次于去年东京车展展示，新款公爵(Cedric)车也装用这种CVT。可与3L以上排量的大马力内燃机(XVL的引擎输出为330Nm/194kw)搭配使用，可谓汽车变速箱发展史上又一重要进步。  从V形橡胶带CVT到V型金属带CVT再到滚轮转盘式CVT，摩擦传动CVT的研究已持续了整整一个世纪，尽管摩擦传动无级变速器的发展已经达到很高的水平，也已经装备上汽车达到了实用的水平。但齿轮变速箱依然占据着半壁河山，这至少说明了四个问题：  1）无级变速（CVT）是汽车变速箱始终追逐的目标。 2）摩擦传动CVT实现大功率的无级变速传动是极为困难的。  3）摩擦传动CVT传动效率低是必然的。  4）摩擦传动CVT的效率，功率无法与齿轮变速相比。 （2）液力传动  人们经常把液力自动变速器（AT）和无级变速器（CVT）两个概念混为一谈。实际上这两种变速器工作原理完全不同。液力自动变速器免除了手动变速器繁杂的换档和脚踩离合器踏板的频繁操作，使开车变得简单、省力。但是, 液力自动变速器（AT）不是无级变速，是有级变速的自动控制，没有从根本上满足汽车对变速器的要求。从原始橡胶带无级变速箱到现代金属链无级变速箱、滚轮转盘式CVT，百年大回转说明：无级变速箱是汽车变速箱的最终归属，液力自动变速器只不过是一种过渡产品。 （3）电控机械式自动变速器  电控机械式自动变速器(Automated Mechanical Transmission简称"AMT")和液力自动变速器（AT）一样，不是无级变速器，是有级变速器的自动换档控制。其特点是机械传动部分沿用了传统的有级变速箱，但控制参量太多，实现自动控制相当困难。  （4）齿轮无级变速器  齿轮无级变速器（Gear Continuously Variable Transmission）这是一种全新的设计思想，是利用齿轮传动实现高效率、大功率的无级变速传动。 据最新消息：一种"齿轮无级变速装"(Gear Continuously Variable Transmission简称"G-CVT")已经试制成功，并已经进行了多次样机试验。"齿轮无级变速装置"结构相当简单，只有不足20种非标零件，51个零件，生产成本甚至低于手动变速箱。预计今年进行装车试验。  齿轮无级变速器的优势表现为：  1）传动功率大，200KW的传动功率是很容易达到的；  2）传动效率高，90%以上的传动效率是很容易达到的；  3）结构简单，大幅度降低生产成本，相当于自动变速箱的1/10；  4）对汽车而言，提高传动效率，节油20%；  5）发动机在理想状态下工作，燃料燃烧完全，排放干净，极大的减少了对环境的污染。 4.我国当前面临的问题  变速器是传统汽车和混合动力电动汽车动力传动系统的重要部件。变速器的性能对整车的动力性、经济性、舒适性等有着重要的影响。近年来， 随着汽车保有量的大幅上升，驾驶经验欠缺的司机数量的急剧增加以及石油价格的不断上涨，能源危机似乎一触即发，人们迫切需要一种操纵简便、节能环保的汽车。随着人们对车辆驾驶舒适性的要求不断提高，自动变速器的应用越来越广泛。自主开发自动变速器是近年来国内变速器企业面临的又一巨大挑战，同时也是关系到未来我国变速器行业发展的核心问题[10]。  中国自动变速器产业受阻的主要原因是，专业化、模块化、机电液气配套产业链没有形成以及数控化加工与检测线的短缺。中国国内变速器产业正面临由手动到自动的快速转型期，如果不能较快地实现自主产品的产业化，自主的自动变速器产业将有被摧垮的危险。随着中国市场对外开放程度的加大以及我国汽车工业的持续高速发展，诸多国际变速器巨头，包括采埃孚、伊顿、艾里逊、博格华纳等，纷纷涌入中国抢占市场。中国变速器企业面临的挑战日益严峻，很多的国际自动变速器巨头已经完成了其在中国的战略布局。只卖产品、不卖核心技术的手段使中国的自动变速器产业对外资依赖性日益加强，每年的进口额已达100亿元左右。随着这种局面的加剧，预计未来3到5年我国的变速器行业将面临深度的洗牌和市场整合。因此我国汽车企业在变速器领域的研发投入，布局和技术创新显得尤为重要。 5.应对方案  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。国内外的汽车制造与销售数据显示，人们对汽车驾乘的舒适性越来越重视。在欧洲市场，原本是手动变速器的市场，不断被自动变速器占领。可以预见，带有自动功能变速器的汽车是未来市场的主导产品，发展和掌握自动变速器制造技术是追赶世界变速器制造潮流的方向。变速器将成为企业提高产品竞争力的利器以及消费者购车行为中关注的重点，汽车企业在变速器领域的技术创新将是关系到汽车企业发展竞争的关键，而且还将影响到未来整车竞争的格局[9]。  60年前，我国一穷二白，还不具备汽车生产能力。但是经过了60年的发展，国内手动变速器的开发、生产能力已接近国际先进水平。目前我国汽车业的“十二五”规划正在制定中，总体目标仍是强调我国汽车工业发展要从汽车大国向汽车强国转变。未来五年，中国汽车业将从过去的做大规模转向做强实力。具体来看，一方面提倡发展包括新能源汽车在内的节能汽车；另一方面，提倡通过兼并重组、淘汰落后产能来解决结构性产能过剩问题。而就变速器产业来看，虽然目前自动变速器成为中国变速器行业进一步发展的拦路虎，但是我国已发展成为全球性的汽车产销大国。只要我们继续加大对汽车专业人才培养的支持力度，坚定不移地坚持自主开发，采取更科学的开发流程，多利用先进的计算机辅助方法来参与设计，中国变速器企业定能够突破自动变速器的技术瓶颈，为变速器行业新的征程开个好头。 6.变速器的设计方法和研究  在本次设计中，由于是对传统的变速器进行改进性设计，我们在设计中参考了东风汽车有限公司生产的EQ1090E和一汽集团的CA10两种类型的中型货车的变速器，采用了锁环式同步器与锁销式同步器相结合的换档方式。  在设计中，我们除了对汽车变速器的结构进行了合理的布置外，还运用了材料力学、机械原理、机械设计等知识，对变速器的重要零件—轴和齿轮进行受力，强度、刚度的校核，以及为这些零件选择合理的工程材料和热处理方法，同时也为变速器选择合理的同步器和操纵机构。  在设计的初期，我们专门去东风公司的特约维修站参观汽车的整体构造尤其是变速器的各部件的功用；在设计的第二阶段，通过参考以上提及的两种类型的变速器，对变速器进行整体结构布置，校核轴和齿轮的强度、刚度，选择材料和热处理方法；在第三阶段的主要任务是绘制变速器的装配图和重要的零件图，确定个零件的精度等级及其它参数；最后，是对整体的编写整理整个设计过程中的各种资料，以及对前期设计中的错误做出修改。 参考文献 [1] 王望予. 汽车设计[M].第4版. 北京：机械工业出版社，2004:78-113.  [2] 陈家瑞. 汽车构造(下)[M].第3版. 北京：机械工业出版社，2009:41-97  [3] 吴修义.国内组合式机械变速器的现状与发展.重型汽车[J],2003(6):11-14  [4] 王力.中国汽车变速器行业发展的五大阶段.中国汽车报[J],2009(8):12-16  [5] 吴修义.国内组合式机械变速器的现状与发展.重型汽车[J],2003(6):35-41  [6] 张  轶. 变速器产品设计开发流程探讨.汽齿科技[J]，2008(1):23-29  [7] 马超圣.对汽车机械变速器齿轮设计中几个问题的探讨.汽车研究与开发[J],2003(3):44-48  [8] 高维山. 变速器[M]. 北京: 人民交通出版社,2004:40-77  [9] 吴光强,孙贤安.汽车自动变速器发展综述.同济大学学报[J], 第38 卷第10 期:44-48  [10]汪志远,高飞,张开龙.变速器发展动态及应用前景.汽齿科技[J]，2010(10):34-38  [11]吴修义.机械变速器在汽车上的安装要求.轻型汽车技[J],1998(5):22-27  [12]郭占正,孙冬梅,苑士华,杜玖玉.轻型汽车变速操纵系统及其设计[J]. 拖拉机与农用运输车,2008(7):36-41