湿式双离合器五挡自动变速器结构设计
摘 要
顾名思义，双离合变速器的技术关键就在于双离合，也就是有两个离合器，可以想象为将两台手动变速箱的功能合二为一，并建立在单一的系统内，它没有液力变矩器也没有行星齿轮组。从齿轮部分乍一看很像一台手动变速器，因为它有同步器，但不同的是它用“双”离合器控制与发动机动力的通断，这两台自动控制的离合器，由电子控制及液压推动，能同时控制两组离合器的运作。本设计是湿式双离合式五挡自动齿轮变速器设计，根据前期的资料收集，可以了解到湿式双离合式变速器结构上的特点和其传动原理，根据收集的资料湿式双离合式变速器大体可分为三种结构形式，分别为单输出轴式、双输出轴式、三输出轴式。对于单输出轴式由于轴向尺寸大，多用于后驱车上，对于双输出轴式和三输出轴式由于轴向尺寸小多用于发动机前置前驱上。本文设计研究了三输出轴式五挡齿轮变速器，其目的主要是将汽车设计材料力学、机械设计、机械制图等相关知识的有机结合、熟练运用。对变速器中的相关部件进行设计计算，用AutoCAD软件绘制装配图和零件图等。设计过程完成以下内容：撰写变速器的研究现状和发展趋势，了解国内外变速器的发展现状。结合收集的资料选着传动方案，明确所设计变速器的结构特点及工作原理。结合任务书中所给定的数据进行齿轮的设计计算，包括齿轮基本参数计算以及齿轮的强度校核计算。轴和轴承的设计计算，包括轴的刚度校核和强度校核。强度校核要画出相应的弯矩、扭矩图。对同步器的工作原理、设计过程及选择方法进行阐述，以便选择合适的同步器。
关键词：双离合器；齿轮变速器；自动变速器；轴；齿轮；变位系数
ABSTRACT
As the name implies, the key of the dual clutch transmission is the double clutch, that is, two clutch, which can be imagined to combine the functions of the two manual transmission, and set up in a single system without a torque converter or a planetary gear group. From the gear section at first glance, it is like a manual transmission because it has a synchronizer, but it is different from the "double" clutch control and engine power. The two automatic control clutch, driven by electronic control and hydraulic pressure, can simultaneously control the operation of the two groups of clutch. This design is a wet double clutch type five gear automatic gear transmission design. According to the previous data collection, we can understand the characteristics and transmission principle of the wet double clutch transmission. According to the data collected, the wet double clutch transmission can be divided into three structural forms, which are single output shaft and double output, respectively. Shaft type and three output shaft type. For the large axial size of the single output shaft, and for the rear drive, the double output shaft and the three output shaft are much smaller for the front drive of the engine, because the axial size is small. The three output shaft type five gear gear transmission is designed and studied in this paper. The purpose of this paper is to combine the related knowledge of automobile design materials mechanics, mechanical design, mechanical drawing and so on. Design and calculate the relevant parts of the transmission, and use AutoCAD software to draw assembly drawings and parts drawings. The design process completes the following contents: writing the research status and development trend of the transmission, and understanding the development status of the transmission at home and abroad. The transmission scheme is selected according to the collected data, and the structural characteristics and working principle of the designed transmission are clearly defined. Combined with the data given in the task book, the design calculation of the gear is carried out, including the calculation of the basic parameters of the gear and the checking calculation of the gear's strength. The design and calculation of shaft and bearing include the rigidity checking and strength checking of the shaft. Strength check should draw corresponding bending moment and torque diagram. The working principle, design process and selection method of synchronizer are described in order to select suitable synchronizer.
Key words: dual clutch; gear transmission; automatic transmission; shaft; gear; modification coefficient
目 录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1课题研究的目的和意义 1
1.2课题国内外研究现状 1
1.3湿式双离合式变速器的结构特点及工作原理 4
1.3.1湿式双离合式变速器的结构特点 4
1.3.2湿式双离合式变速器的工作原理 7
1.4课题研究的主要内容与技术路线 8
第2章 五档湿式双离合式自动变速器设计方案的选择 10
2.1变速器传动机构分析和布置方案的确定 10
2.1.1两轴式变速器和中间轴式变速器的特点分析 10
2.1.2变速器倒档布置方案分析 11
2.2变速器零、部件结构方案分析确定 12
2.2.1齿轮形式 12
2.2.2变速器自动脱档机构形式分析 12
2.3本章小结 13
第3章 变速器主要参数的设计计算 14
3.1变速器各档传动比确定 14
3.1.1设计的给定参数 14
3.1.2主减速比的确定 14
3.1.3 变速器一档传动比的确定 15
3.1.4变速器各档传动比的确定 16
3.2变速器中心距的确定 17
3.3变速器的齿轮参数的确定 18
3.3.1齿轮模数 18
3.3.2压力角及螺旋角 18
3.3.3齿宽 19
3.3.4齿顶高系数 19
3.3.5齿轮的修正 20
3.4变速器各档齿轮齿数的分配 21
3.4.1确定各档齿轮齿数及其参数 21
3.5本章小结 24
第4章 变速器齿轮的材料选择及校核计算 25
4.1 齿轮的材料选择 25
4.1.1 齿轮的失效形式 25
4.1.2 齿轮的常用材料及材料的选择 26
4.2齿轮的强度计算 26
4.2.1轮齿的弯曲应力 27
4.2.2轮齿接触应力 29
4.2.3各档齿轮的强度计算校核 30
4.3本章小结 33
第5章 变速器轴和轴承的设计及校核计算 34
5.1轴的设计 34
5.1.1轴的功用及其设计要求 34
5.1.2轴的尺寸 34
5.2轴的刚度验算 35
5.2.1轴刚度计算公式 35
5.2.2一档主动齿轮处轴的刚度计算 36
5.2.3一挡从动齿轮处轴的刚度校核 37
5.2.4二档主动齿轮处轴的刚度计算 39
5.2.5二挡从动齿轮处轴的刚度校核 40
5.2.6三档主动齿轮处轴的刚度计算 42
5.2.7三挡从动齿轮处轴的刚度校核 43
5.2.8四档主动齿轮处轴的刚度计算 45
5.2.9四挡从动齿轮处轴的刚度校核 46
5.2.10五档主动齿轮处轴的刚度计算 48
5.2.11五挡从动齿轮处轴的刚度校核 49
5.2.12倒挡的刚度校核 53
5.3轴的强度计算 57
5.3.1实心输入轴的强度校核 58
5.3.2一挡输出轴段的强度校核 59
5.3.3空心输入轴的强度校核 61
5.3.4倒档轴的强度校核 63
5.3.5倒挡输出轴段的强度校核 64
5.4轴承的选择及校核 66
5.4.2一挡输出轴承的校核 68
5.4.3倒挡轴轴承的校核 69
5.4.4倒挡时输出轴承的校核 70
5.5本章小结 71
第6章 同步器的确定 72
6.1锁环式同步器 72
6.2本章小结 76
结论 77
参考文献 78
致谢 80
第1章 绪 论
1.1课题研究的目的和意义
双离合器自动变速器(Dual Clutch Transmission，即DCT)是一种机械式自动变速器，采用液压以及电子系统控制档位的变换，能够有效的缩短换档时间，有效提高换档品质。而且这种换档方式也可以方便的应用于混合动力车辆，具有优异的性能和广阔的应用前景，是一种很新的技术双离合器自动变速器既继承了手动变速箱传动效率高、安装空间紧凑、重量轻、价格便宜等许多优点，而且实现了换档过程的动力换档，即在换档过程中不中断动力，在换档过程中，发动机的动力始终不断的被传递到车轮，所以这样完成的换档过程为动力换档。车辆实现了动力换档过程，将大大提高换档舒适性，同时也保证车辆具有良好的燃油经济性，使车辆油耗和排放等方面得到改善，所以对节能减排具有重大意义。通过对湿式双离合式变速器设计过程的了解，使我对其结构形式原理都有了深刻的认识，同时也对变速器的发展进以及发展形势程有了一定的了解，这也能锻炼我独立思考和绘图的能力，在变速器的设计过程中，变速器的基本参数的选择是十分重要的，因为这些与汽车的动力性，经济性，行驶稳定性等都是密切相关的，通过对湿式双离合式自动变速器的设计让我更加的了解变速器参数的选择过程对汽车性能的影响，变速器的设计是一个复杂的过程，所以这对设计者有着较高的要求，同时也使我对湿式双离合式自动变速器的设计过程以及设计方法有了一定的认识。
1.2课题国内外研究现状
现今的汽车变速器发展的十分迅速，各大公司纷纷推出新的产品，但是变速器技术的每次革新都与汽车相关科学的发展密切相关，计算机技术,先进制造技术，机械自动化技术，模拟仿真材料科学等都为变速器的发展提供了有力的保障，同时变速器的发展也为相关科学技术提出了更高的要求。
1894年，一个法国工程师给一辆汽车装上世界上第一个变速器至今，汽车变速器已经经过了一百多年的发展。变速器，英文Transmission，作为汽车重要的组成部分，是承担放大发动机扭矩，实现理想动力传递，从而适应各种路况实现汽车行驶的主要装置。从最初采用侧链传动到手动变速器，及至液力自动变速器和电控机械式自动变速器，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。直至双离合自动变速器的出现，变速器技术又伴随着速度和梦想，迈向了一个全新的高度[3]。
人们所熟知的变速器一般有手动变速器和自动变速器。传统的变速器利用不同的齿轮搭配实现了上述目的，而齿轮搭配的变换就只有靠脚踩离合手拉挡杆来实现，这就是所谓的手动变速器。为实现轻松换挡，取消离合脚踏和手动挂挡的AT(AutomaticTransmission)变速器出现了，它主要利用液力变扭器配合传统机械齿轮箱实现换挡功能。人们通常所说的自动变速汽车就是使用了这种AT。
随着市场对于车辆平顺舒适、高效节能的要求不断升级，大众公司和博格华纳携手突破技术界限，打造出了一款换档平顺动感，大幅度减少能耗，且能够配合于大扭矩，大排量发动机的变速器——湿式双离合式变速器双离合自动变速器。
双离合器自动变速器(DCT)是一种机械式自动变速器，它保持了AMT的各种优点，但其动力传递通过两个离合器联结两根输入轴，相邻各档的被动齿轮交错与两输入轴齿轮啮合，配合两离合器的控制，能够实现在不切断动力的情况下转换传动比，从而缩短换档时间，有效提高换档品质。而且这种换档方式也可以方便的应用于混合动力车辆，具有优异的性能和广阔的应用前景，是一种很新的技术 。双离合器自动变速器既继承了手动变速箱传动效率高、安装空间紧凑、重量轻、价格便宜等许多优点，而且实现了换档过程的动力换档，即在换档过程中不中断动力，保留了AT,CVT等换档品质好的优点，这对电控机械式自动速器来说，是一个巨大的进步[1]。
双离合器自动变速器具有高效率和舒适性，自从问世以来，已经取得了巨大的市场。开发双离合自动变速器技术的核心就在于双离合器模块、扭振减震器模块和控制模块的技术。这些模块是双离合器自动变速器中的关键零部件，是这种先进的自动变速器的心脏和大脑。2003年世界首款双离合器自动变速器投放市场，使用的就是美国博格华纳公司生产的模块。目前双离合变速器的核心技术掌握在美国博格华纳(BorgWarner)和德国舍弗勒(Schaeffler)集团手中。博格华纳是大众第一代六速湿式双离合式变速器（大众的DCT）关键技术的提供者，为大众湿式双离合式变速器提供湿式双离合。大众推出了新一代干式七速双离合变速器，由德国舍弗勒集团旗下的LucK公司提供。
2003年初率先在GolfR32和AudiTT3.2两款车型上使用。博格华纳因其产品创新和加工精细而赢得了2005年度北美供应商超级大奖。双离合器自动变速技术使得手动变速器具备自动性能，同时大大改善了汽车的燃油经济性，应用该技术可以保证变速器在换档时消除汽车动力中断现象。
DCT工作时，车辆先以某个与一个离合器相连的档位运行，车辆自动变速器电控单元可以根据相关传感器的信号判断即将进入工作的与另一个离合器相连的下一档位，因该档位还未传递动力，故指令液压控制电磁阀十分方便的控制换档执行机构，预先啮合这一档位，在车辆运行达到换档点时，只需要将正在工作的离合器分离，同时将另一个离合器接合，则使汽车以下一个档位行驶。在换档过程中，发动机的动力始终不断的被传递到车轮，所以这样完成的换档过程为动力换档。车辆实现了动力换档过程，将大大提高换档舒适性，同时也保证车辆具有良好的燃油经济性，使车辆油耗和排放等方面得到改善[1]。
早在上世纪80年代，汽车工程界就弄出了一个双离合系统变速器，简称湿式双离合式变速器（英文全称：Direct Shift Gearbox），装配在赛车上，能消除换档离合时的动力传递停滞现象。例如 布加迪EBl6.4 Veyron的新型7速变速器是装置了双离合器，从一个档位换到另一个档位，时间不会超过0.2秒。现在，这种双离合器已经从赛车应用到一般跑车上。奥迪汽车公司的新型奥迪TT跑车和新奥迪A3都已经装置了这种湿式双离合式变速器。这些汽车装配湿式双离合式变速器的目的是可以比自动变速器更加平顺地换档，不会有迟滞现象。
到了20世纪90年代末期，大众公司和博格华纳携手合作生产第一个适用于大批量生产和应用于主流车型的DualTronic(R) 技术双离合变速器，称之为湿式双离合式变速器。博格华纳公司通过使用新的电子液压元件使DCT变成了实用性很强的变速器。2002年，湿式双离合式变速器应用在德国大众高尔夫R32和奥迪TT V6上。2003年，其相继推广到高尔夫等其他车型上。
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