汽車機械式變速器的現代化設計方法研究

鄭建標

摘要：機械式變速器在汽車中的應用非常廣泛，而設計的好壞與否直接決定了該設計是否會在未來的變化中贏得勝利，運作效率低的變速器無疑將被淘汰。變速器的設計無論在學術上還是市場應用上都是十分重要的。因此，進行機械式變速器的現代化設計方法研究是必不可少的。本文對機械式比變速器的原理、概況、以及現代化設計時應該考慮的因素做出了概括性的描述。

關鍵詞：機械式變速器；變速器；齒輪；檔位

一、機械式變速器的基本原理

汽車機械式變速器，又稱手動式變速器。手動變速器是汽車底盤系統中的關鍵傳動部件，綜合汽車起步、加速、減速、上坡、下坡、倒車和道路天氣狀況，操作者通過操作變速桿讓變速器工作，將發動機輸入的動力和速度優化為實時需要的輸出動力和轉速傳遞給傳動軸，實現汽車的變速、前進倒車轉換和空擋停車，如下如圖一所示。

在手動變速器中，飛輪是連接在發動機曲軸并繞著它旋轉的。離合器摩擦片是在壓盤和飛輪之間，在壓板的壓力下固定在飛輪的相反位置。當發動機運轉時，離合器也開始運作，飛輪旋轉離合器片，因此可以變速。當離合器踏板踩下時，拋出軸承被激活，從而導致壓力板停止施加壓力，這使得離合器停止從發動機機接收功率，使齒輪可以不破壞傳輸轉移。

現代汽車手動變速器通常使用四到六個前進檔和一個倒檔，消費者的汽車手動變速箱有多達七齒輪的。重型卡車和其他重型設備通常有8到25個齒輪傳動可以使發動機在功率頻帶內有效的停止運行齒輪和齒輪比變速器。

二、機械式變速器分類與結構

手動變速器由變速傳動機構、變速器殼體、操縱機構組成。變速傳動機構可按前進擋數或軸的形式不同分類。按照前進擋數可以分為三檔、四檔、五檔、多檔變速器；按照軸的形式可以分為固定軸式和旋轉軸式[3]。主要分為兩軸式手動變速器和中間軸式手動變速器。而自動變速器通常分為壓力自動變速器，機械無極自動變速器，雙離合器變速器，主要是根據原理進行分類。

兩軸式手動變速器沒有中間軸，這是和中間軸式手動變速器的最大區別。中間軸式的手動變速器的中間軸則是位于輸入軸和輸出軸中間的。通常情況下說的直接檔就是指通過連接方式使得發動機動力直接通過一軸傳給二軸，起到直接控制的作用。

三、機械式變速器傳統設計

3.1齒輪設計

在手動式變速器中，齒輪的作用是不可或缺的。它是手動變速器的基本零件之一，因此如何進行齒輪的設計，如何設置齒輪的參數，以及如何調整齒輪之間的連接使得機械式變速器的性能達到最優，是一個十分值得研究的課題。機械式變速器使用的齒輪一般是直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪。這兩種齒輪各有優缺點，根據不同的設計目的結合實際的車型進行選擇。相對于直齒圓柱齒輪.斜齒圓柱齒輪雖然在加工制造上較為復雜且工作時有軸向力.但仍以其運轉平穩、運作噪聲低及壽命長的優點廣泛應用于變速器上。

除了在齒輪的類別上的選擇要謹慎考慮之外，齒輪設計的參數在齒輪的應用中也起到至關重要的作用。齒輪的結構分類一般有輪齒、齒槽、端面、法面、齒頂圓、齒根圓、基圓、分度圓。描述齒輪的主要參數有齒數，螺旋角，齒距，模數，壓力角，分度圓直徑，齒項高系數和頂隙系數。在汽車的機械式變速器設計當中，只要關心如下幾個參數即可：齒輪的模數與壓力角、齒輪寬度與螺旋角的設計、齒輪齒數與變位系數。這些參數除了在設計的時候要格外重視之外，在設計好的時候為了確保這些參數的正確性，應進行反復的驗證與修正。因為其性能恰恰取決于這些參數設置正確與否。修正時應注意不要過度修正，使得齒輪性能不升反降。

3.1.1齒輪模數與壓力角

模數是指相鄰兩輪齒同側齒廓間的齒距p與圓周率π的比值（m=p/π），以毫米為單位。模數是模數制輪齒的一個最基本參數，直齒、斜齒和圓錐齒齒輪的模數皆可參考標準模數系列表（GB/T 1357-1987）。

其計算公式為 ：

在兩齒輪節圓相切點P處，兩齒廓曲線的公法線（即齒廓的受力方向）與兩節圓的公切線（即P點處的瞬時運動方向）所夾的銳角稱為壓力角，也稱嚙合角。其計算公式為：

在機械式手動變速器中，高檔齒輪壓力角一般為16度、18度、20度，大型汽車齒輪為提高承載力，低檔齒輪采用23.5度或26度。

3.1.2螺旋角

齒輪的螺旋角用β齒輪的軸寬，軸寬大于0，為左旋；軸寬小于0，為右旋。螺旋角越大，表示齒輪的傾斜程度越大。螺旋角這一參數通常用于描述斜齒輪。斜齒輪的優勢在于承載能力較大。螺旋角對減少齒輪工作噪音，提高齒輪強度和嚙合性能，增加齒輪的軸向力能產生直接影響。

3.2換擋機構設計方法分析

手動變速器換擋機結構目前來說可以主要有三種：同步器、嚙合套和齒滑動輪。目前應用較多的結構是同步器。常見的五檔便是采用的這種結構。換擋機構首先要面臨的問題就是擋位數設置多少的問題。擋位數越多，就能夠應對更多的情況，但是換擋機構的設計也就變的更加復雜，設計成本與生產成本都會隨之上升。由于生活中汽車換擋的情況大致也就分為上坡，停車，變速等幾種，過多的檔位設計反而會增加不便。而擋位數設置過少則會使得汽車在面對不同情況需要換擋時，無法找到合適的檔位，帶來的后果更為嚴重和災難性的。日常生活中，根據不同的情況，一般采用五檔位。

五檔位的計算時設計人員通過一檔的傳動比確定的，其設計公式如下：

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。

四、結束結

在我國，駕照考試采用的都是機械式變速器，但是自動變速器在普通生活中更受青睞。除了對變速器相當了解的人，大部分人哪個換擋點換擋都是不清楚的，檔位的設置很好的解決了這個問題。而自動擋更是省去了手動操縱變速桿才能改變檔位的確定。實現了某種意義上的"傻瓜式"開車。雖然自動變速器有著手動變速器無法做到的有點，但是手動變速器的長期存在也表明了其自身有著不可替代的優點。

手動變速器的成本低廉，并且檔位的設置有著無限的可能，還可以自己設置傳動比，對于專業車手以及汽車有著自己性能要求的人群來說，手動變速器是一個非常合適的選擇。

參考文獻

[1]李靖.機械式變速器用同步器同步性能測試試驗臺設計與研究[D]. 武漢理工大學，2011-05-08.

[2]段明序.混合動力客車機械式自動變速器參數優化設計方法研究[D].吉林大學，2013-05-01.

[3]劉延偉.新型無動力中斷機械式自動變速器的機理與控制研究[D].華南理工大學，2012-04-01.