汽车机械式 5 档手动变速器的运动仿真与优化设计
摘 要：本文以汽车 5 档手动变速器为研究对象，设计出了一种满足新时代需求的汽
车5档手动变速器。首先基于汽车设计参数得到5档手动变速器传动方案为中间轴类型、
齿轮方案采用的是斜齿轮、换挡机构方案、各档传动比分别为 4.95、3.09、1.93、1、0.7，
倒挡传动比为 3.18，中心距为 124mm。然后对手动变速器的关键零部件进行了计算分
析及强度校验，主要进行了各齿轮设计参数的确定、选取合适的材质，并对变速器各档
位时的齿数分配设计进行了系统研究、各变速器轴转矩计算分析、各轴齿轮弯曲强度和
接触强度校核。再对 5 档手动变速器轴开展系统研究，包括确定其构造方案、尺寸参数，
另外又针对其支撑长度进行了确定。然后以此为基础，对每个轴的强度、刚度等进行了
计算检验，也对变速器各轴轴承选型后进行受力分析，并校核得到各轴承寿命都合格。
使用 CATIA 完成了汽车 5 档手动变速器的零件建模和结构装配。使用 UG 完成了变速
器的运动仿真。使用 ANSYS 完成了对倒挡齿轮的结构强度分析，优化后的倒挡齿轮强
度不仅满足要求，且安全系数合理。
关键词：汽车；机械式变速器；运动仿真；优化设计
目 录
第 1 章 绪 论....................................................................................................... 1
1.1 研究背景...................................................................................................................... 1
1.2 研究目的及意义.......................................................................................................... 1
1.2.1 研究目的.......................................................................................................... 1
1.2.2 研究意义.......................................................................................................... 2
1.3 国内外研究现状.......................................................................................................... 2
1.3.1 国内研究现状.................................................................................................. 2
1.3.2 国外研究现状.................................................................................................. 3
1.4 研究内容及方法.......................................................................................................... 3
1.4.1 研究内容.......................................................................................................... 3
1.4.2 研究方法.......................................................................................................... 4
1.5 本文拟解决问题.......................................................................................................... 4
1.6 本章小结...................................................................................................................... 4
第 2 章 汽车 5 档手动变速器方案设计............................................................. 5
2.1 手动变速器设计原始参数.......................................................................................... 5
2.2 手动变速器传动系统方案确定.................................................................................. 5
2.2.1 确定变速器传动机构类型.............................................................................. 5
2.2.2 变速器倒挡设计.............................................................................................. 5
2.2.3 变速器齿轮方案.............................................................................................. 6
2.3 确定汽车变速器总体方案.......................................................................................... 6
2.4 本章小结...................................................................................................................... 7
第 3 章 汽车变速器核心参数计算..................................................................... 8
3.1 计算各档传动比........................................................................................................... 8
3.2 中心距 A....................................................................................................................... 9
3.3 齿轮基本参数............................................................................................................. 10
3.3.1 齿轮模数......................................................................................................... 10
3.3.2 压力角
......................................................................................................... 10
3.3.3 螺旋角
......................................................................................................... 11
3.3.4 齿顶高系数..................................................................................................... 11
3.3.5 齿宽
b .............................................................................................................. 11
3.4 各挡齿轮齿数计算..................................................................................................... 11
3.4.1 确定一挡齿轮各个参数................................................................................. 12
3.4.2 常啮合齿轮..................................................................................................... 12
3.4.3 二挡齿轮齿数 ................................................ 13
3.4.4 二档齿轮变位系数......................................................................................... 13
3.4.5 二挡齿轮......................................................................................................... 13
3.4.6 三档齿轮齿数................................................................................................. 14
3.4.7 三档齿轮变位系数......................................................................................... 14
3.4.8 三挡齿轮......................................................................................................... 14
3.4.9 五档齿轮齿数................................................................................................. 15
3.4.10 五档齿轮变位系数....................................................................................... 15
3.4.11 五档齿轮....................................................................................................... 16
3.4.12 确定倒挡齿轮各个参数............................................................................... 16
3.5 螺旋方向选择............................................................................................................. 17
3.6 轮齿强度校核............................................................................................................. 18
3.6.1 齿轮材料选择................................................................................................. 18
3.6.2 轮齿弯曲强度校核......................................................................................... 18
3.6.3 轮齿接触应力
j
............................................................................................ 21
3.7 各轴转矩..................................................................................................................... 25
3.8 本章小结.................................................................................................................... 25
第 4 章 变速器轴计算和检验............................................................................27
4.1 变速器二轴计算......................................................................................................... 27
4.2 变速器中间轴计算..................................................................................................... 27
4.3 轴修正......................................................................................................................... 27
4.4 轴材料选择与工艺要求............................................................................................. 28
4.5 轴校核......................................................................................................................... 28
4.5.1 各档齿轮受力................................................................................................. 28
4.5.2 刚度计算......................................................................................................... 30
4.5.3 轴强度计算..................................................................................................... 34
4.6 本章小结..................................................................................................................... 35
第 5 章 变速器三维建模以及运动仿真............................................................36
5.1 三维设计软件简介.................................................................................................... 36
5.2 变速器零件建模........................................................................................................ 36
5.2.1 齿轮零件建模................................................................................................ 36
5.2.2 轴的建模........................................................................................................ 39
5.2.3 其余各部件建模............................................................................................ 40
5.3 变速器装配建模........................................................................................................ 42
5.4 运动仿真介绍............................................................................................................. 43
5.5 变速器运动仿真......................................................................................................... 44
5.51 运动仿真步骤................................................................................................... 44
5.52 运动仿真结果................................................................................................... 44
5.6 本章小结..................................................................................................................... 46
第 6 章 变速器关键零部件仿真分析及优化....................................................47
6.1 ANSYS 简介............................................................................................................... 47
6.2 建立齿轮有限元模型................................................................................................. 47
6.3 倒挡齿轮载荷分析..................................................................................................... 47
6.4 倒挡齿轮静力学分析结果......................................................................................... 48
6.5 倒挡齿轮结构优化..................................................................................................... 49
6.6 倒挡齿轮优化后静力学分析结果............................................................................. 49
6.7 本章小结..................................................................................................................... 50
第 7 章 经济性成本分析..................................................................................51
7.1 政策环境..................................................................................................................... 51
7.2 经济环境..................................................................................................................... 51
7.3 消费环境..................................................................................................................... 51
7.4 技术环境..................................................................................................................... 51
7.5 本章小结..................................................................................................................... 52
第 8 章 总结与展望............................................................................................53
8.1 总结............................................................................................................................. 53
8.2 展望............................................................................................................................. 53
参考文献............................................................................................................. 54
致谢..................................................................................................................... 55
第 1 章 绪 论
1.1 研究背景
汽车变速器作为一种关键的传动机构，是一种可以调节引擎转速及实际的轮子旋转
速度的机械系统，可以使引擎达到最好的运行状态。它的主要作用就是根据实际情况将
引擎的运转速度输出为需要的车轮速度，从而便于司机实现对车辆的操纵。低速时能产
生很大的转矩，高速时效率较高，但转矩偏小。因此，正常车辆起动时，一般都是先用
低速档起动，等转速提高后，再转入高速档行驶。这样可以保持较高的效率，另外因为
引擎直驱转矩的波动范围比较小，所以车辆在起步和上坡时需要很大的转矩，而在高速
时需要很小的转矩。所以，如果将发动机和车轮采用直连的方式来给汽车提供动力；汽
车的起步、上坡或高速都会变得非常困难。而且，车子要倒车，就得用到这种传动装置。
它的功能包括三个方面：一是通过改变传动比来增大转矩和速度的变化幅度；二是在保
持引擎不改变的前提下，使车辆可以向后行驶；三是通过使用空挡，可以切断引擎的能
量传输，从而实现引擎的启动和怠速。因此变速器传动系统是一种很重要的结构，对车
辆的操控性、舒适性和燃油经济性都有很大影响。也是一种能够使引擎的旋转速度与实
际的轮子运行速度相匹配的传动结构，它是使引擎性能达到最佳状态的机械部件，占汽
车成本总价值的 10％-25％。
1.2 研究目的及意义
1.2.1 研究目的
本文主要针对汽车机械式变速器设计。随着时代的不断发展，科技的不断进步，新
时代的汽车领域对变速器提出了更高的要求，装备高性能变速器的汽车，可以有效减少
地面不平产生的冲击载荷，提高车辆行驶的换档平顺性和驾驶员的操作稳定性等。但不
同程度存在加工难度大、工艺性能差、成本昂贵等问题。为解决新时代下变速器零部件
加工难度大、工艺性能差、成本昂贵差等问题，本文以汽车机械式变速器研究对象，意
在设计出一种满足新时代需求的汽车机械式变速器。
1.2.2 研究意义
本研究课题为针对轿车的手动变速器，主要应用于轿车的传动总成。尤其是在车辆
的实际运行和传动过程中，变速器都起着非常关键的作用。该组件能够通过调整发动机
的转速和转矩，使汽车能够适应各种路况，以达到最优的行驶工况。在整个车辆系统中，
它是极其重要和不可缺少的组成部分。另外由于其可以实现不同的转矩和不同的转速，
因此，变速器的性能直接影响到汽车的动力性指标。近年来，各种科学技术都在不断发
展，对于汽车变速器来说，除了满足基本的变速、传动要求之外，还须在其他性能指标
上达到更高的要求，比如说更加静音，更加安全。这也在一定程度上反映了人们在汽车
的综合性能指标方面的需求越来越高。当今 21 世纪，人民的生活水平不断提高，追求
物质的享受也是越来越大。本设计的汽车手动变速器针对汽车变速器的研究是具有很大
意义的。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国内研究现状
目前，国内有 50 多个在运营的变速器生产企业，其中，用在乘用车上的变速箱生
产企业就有 30 多个。总体看来，这些公司基本上可分为两大类。一是些大型汽车厂商
的下属分公司，主要用于给所属集团制造各种型号的变速器。二是那些没有加入任何一
个汽车制造企业的独立的传动装置制造商。在国内市场的需要以及引进了国外的技术的
情况下，我国的变速箱生产企业也对其进行了大量的研究，并取得了一定的成绩。自从
吉利集团并购了澳大利亚的 DSI 之后，目前已经发展出了 7 档双离合变速箱和 6 档液
压自动变速箱。奇瑞研发了 6 档自动变速器以及无级变速器 19/无级变速器 2320。北汽
集团通过与博世的协作研发，成功研制出一款新型的 CVT 原型系统。东风与德国格特
拉克公司于 2018 年成立了一家合资企业，致力于研发低扭力双离合自动变速箱。2019
年，江铃陆风 X5 搭载了盛瑞公司的 8 AT 变速箱，并进行了一定程度的升级。江淮集
团于 2019 年完成了对双离合自动变速箱的开发与测试，并于次年在海南正式推出了瑞
风 S5 II 型轿车，这款轿车将作为第一款与之匹配的自动变速箱。预计 2023 年，国内将
有 30 多个大规模的自动变速器制造项目投入使用，或进行技术改造、产线更新。上述
结果表明，中国客车工业已逐步突破外国汽车工业的技术封锁，并逐步实现了外国汽车
工业对中国汽车工业的垄断。
1.3.2 国外研究现状
相对而言，国外在此方面的制造厂商较多，相关的研发结果也较多。其具有代表性
的制造商包括：爱信，现代，通用，本田等等。近年来， ZF、爱信等企业通过对常规
变速箱的传动系统进行结构改造，实现了具有多种档位的自动变速器的优化设计，同时
大大改善了之前常规自动变速箱的经济性差、运行效率低等弊端。而吉普车自由光，路
虎极光则是他们的首次应用车型，也是外国车企中第一个使用 9 速自动变速箱的车型。
尤其是 ZF 公司研发的 9 挡自动变速箱，是世界上首款 9 挡自动变速箱的批量生产产品，
目前只有少数几款车型才会采用，想要真正推广，还有很长一段路要走。该公司生产的
这款 9 档自动变速箱是专门为前横置式汽车设计的，相比于常规的 6 挡自动变速器，能
够节省 16%的燃料消耗，同时也大大提升了车辆的整体性能和乘坐舒适性。德国 IAV
集团在 2018 年成功研发了 2 挡双级行星式电动变速器 EV80 （2 AT）。在客车和轻型
商业车辆中，欧力康/格拉斯公司已研制出 2 挡位的自动变速箱，分别适合于上述两种
车辆。韩国现代和成均馆大学在 2019 年联合研发了一种具有 2 挡多轴传动结构的电动
变速箱，其整体构造类似于双离合自动变速箱。现代集团的 Jeon, Byeong Wook 等人通
过对车辆的学习和储存，针对不同司机的驾驶习惯，对其进行了个性化的换挡标准设计，
并对其进行了系统研究，主要包括了车辆在进行远程驾驶及运动模式切换时的换挡规
范；进行了分析。德国车企舍弗勒研发了双挡 DCT，并在整车上进行了试验，经比较
发现双挡 DCT 驱动的整车续航能力较单一级减速驱动的整车可提升 10%左右。在电动
传动系统的研发领域。荷兰车企安东诺夫科技公司已经研发出能够和 4 档双离合自动变
速箱配合使用的电力传动系统。之后到了 2019 年，通用与福特联手开发了 9 速与 10 速
的自动变速箱。而在同一年，大众也宣布了他们的 10 速双离合自动变速箱的试制消息。
宝马 i8 首次使用了两挡自动变速箱，这使得他们的车辆加速性能大大提高，特别是在
中速的时候，有着非常明显的提升效果。
1.4 研究内容及方法
1.4.1 研究内容
本设计针对汽车机械式变速器展开系统方案研究，具体包括以下几方面：
（1）确定总体方案。包括确定主要结构尺寸、构型样式、中心距以及齿轮参量的
确定，轴的尺寸，各挡齿轮齿数的分配及传动比的计算等；
（2）关键参数确定和齿轮设计；
（3）变速器轴的设计、校核；
（4）汽车机械式变速器的齿轮强度计算与材料选择。
（5）绘制其关键零部件的 3D 模型；
（6）对倒挡齿轮的系统方案进行优化设计；
（7）绘制汽车机械式变速器三维总装配和二维零件图。
1.4.2 研究方法
（1）文献资料法：利用图书馆和网络资源，进行文献检索、搜集。对于该研究课
题来说，所参考的文献包括：《汽车构造》，《机械设计》等。
（2）比较研究法：运用多种思维方式，来分析出多种不同的方案，并对它们的优
点和不足展开对比，从中选择出最优的方案。
1.5 本文拟解决问题
本文针对汽车机械式变速器进行系统方案研究，其中关键的拟解决问题包括以下几
点：
（1）确定整体方案；
（2）对其主要系统及零部件进行结构设计；
（3）基于设计参数绘制汽车机械式变速器装配和零件图。
（4）汽车机械式变速器关键零部件的仿真与优化。
1.6 本章小结
本章主要对机械式变速器的研究背景和国内外研究现状进行了概述，再次基础上制
定了本设计的研究内容，为后续设计提供了参考。
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