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本科生毕业论文（设计）
三轴五档汽车变速器结构改进设计
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学士学位论文原创性申明
本人郑重申明：所呈交的论文（设计）是本人在指导老师的指导下独立进
行研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文（设
计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做
出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申
明的法律后果由本人承担。
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江西科技学院本科生毕业论文（设计）
摘要
随着国民经济的持续发展，汽车工业也在不断地发展着，各种设备都在不断
地发展，创新着。特别是在汽车变速器方面，三轴五档汽车变速器的应用非常广
泛，在一些特定的工作场合，三轴五档汽车变速器体积小，变速灵活，价格成本
低廉很受欢迎，越来越多的驾驶人员选择三轴五档汽车变速器作为车辆的变速装
置。根据市场调查发现，三轴五档汽车变速器必须满足当今人们对机动车辆速度
调节方面的灵活性操控等需求，能够在不改变发动机的扭矩和转速的情况下，改
变机动车辆的驱动力和行驶速度；在发动机曲轴旋转方向不变的情况下，使机动
车辆前进或后退；在发动机不熄灭的情况下，可使机动车辆长时间停车或进行固
定作业。变速箱有自锁功能、互锁装置和倒挡锁装置。
目前市面上的三轴五档汽车变速器大多都是采用传统的变速结构，在某些特
定的区域，这种结构形式的三轴五档汽车变速器非常不受欢迎。由于以往的三轴
五档汽车变速器采用传统的结构形式，这样就造成传动精度不好控制，保养维护
费用较高; 同时存在一定的安全隐患。因此，对整机的安全性要求较高，操作时也
会给工作人员带来强烈的震动，使得操作很不舒服。虽然传通的三轴五档汽车变
速器传动效率较高，变速效果较好，但是价格也较昂贵，对于一般的用户难以接
受。所以研究一种新式的三轴五档汽车变速器势在必行！
本次设计的题目是三轴五档汽车变速器结构改进的设计，目前，国内三轴五
档汽车变速器的研发也在向朝着高稳定性、高传动效率的方向发展，通过对传统
的三轴五档汽车变速器进行内部结构的改进设计，使改进后的三轴五档变速器传
动效率和精度都更高。
关键词：汽车工业；三轴五档汽车变速器；结构；改进
Abstract
With the sustainable development of the national economy, the automobile industry is
constantly developing, and all kinds of equipment are constantly developing and innovating.
Especially in the automobile gearbox, triaxial fifth gear of automobile gearbox is widely used.
In some specific workplace, triaxial fifth automobile gearbox has the advantages of small
volume, flexible speed, low cost price is very popular, more and more drivers choose triaxial
fifth car gearbox as the vehicle speed change device. According to the market survey, three
shaft gear of automobile gearbox must meet today people of motor vehicle speed adjusting
flexibility control and needs to be without changing the engine torque and speed change motor
vehicle driving force and speed; engine crankshaft rotation direction in the same situation, the
motor vehicle forward or backward; in engine is not extinguished, the motor vehicle for a long
time parking or fixed operation. Transmission has self locking function, interlocking device and
reverse gear lock device.
Currently on the market, most of the motor vehicle transmission is using the traditional
transmission structure, in some specific areas, the structural form of motor vehicle transmission
is very unpopular. Because of the previous motor vehicle transmission using the traditional
structure, which caused the transmission accuracy is not good control, maintenance costs are
high; at the same time there is a certain security risk. Therefore, the safety requirements of the
whole machine is higher, the operation will give the staff a strong vibration, making the
operation is not comfortable. Although the transmission efficiency of the transmission of motor
vehicle transmission is higher, the effect is better, but the price is more expensive, it is difficult
for the average user to accept. So it is imperative to study a new kind of motor vehicle gearbox!
This design topic is triaxial fifth automobile transmission structure improvement design, at
present, research and development of domestic triaxial fifth gear of automobile gearbox also to
towards the direction of high stability, high transmission efficiency by of conventional triaxial
fifth automobile gearbox of the improved design of the internal structure, so that the improved
triaxial fifth gear transmission efficiency and accuracy are higher.
Abstract:Automobile industry; three axis five automobile gearbox; structure; improvement
目 录
第一章 绪 论 . ................................................... 1
1.1机动车辆发展现状 . ............................................... 1
1.1.1机动车辆结构形式的发展 . .................................... 3
1.1.2汽车变速器的发展状况 . ...................................... 4
第二章 三轴五档汽车变速器的总体方案设计 ..................... 7
2.1 变速箱的结构形式 . .............................................. 9
2.2.1变速箱内部传动系统的布局 . ................................ 10
第三章 三轴五档汽车变速器体传动系统的设计 ................... 12
3.1变速箱内部传动系统的具体结构 .................................. 13
3.2各档位的传动路线的确定 ........................................ 13
3.3各档位的传动比及其速度的计算 .................................. 15
3.3.1各档位的传动比的确定 ...................................... 16
3.3.2各档位速度确定 ............................................ 18
第四章 变速箱内部传动零件的设计 ................................ 20
4.1传动轴的设计计算 .............................................. 21
4.2传动齿轮的设计计算 ............................................ 21
第五章 变速箱内部主要传动零件的强度校核 ...................... 23
5.1传动轴的强度校核 .............................................. 24
5.2传动齿轮的强度校核 ............................................ 25
5.3轴承强度的校核 ................................................ 26
结 论 ............................................................. 27
参考文献 . ............................................................. 28
致 谢 ............................................................. 29
第一章 绪论
1.1 机动车辆发展现状
19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般还与土木工
程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。进入20
世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业
化的分支学科。这种分解的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达
到了最高峰。
综合-专业分化-再综合的反复循环，是知识发展的合理的和必经的过程。不同专业的
专家们各具有精湛的专业知识，又具有足够的综合知识来认识、理解其他学科的问题和工
程整体的面貌，才能形成互相协同工作的有力集体。
综合与专业是多层次的。在机械工程内部有综合与专业的矛盾；在全面的工程技术中
也同样有综合和专业问题。在人类的全部知识中，包括社会科学、自然科学和工程技术，
也有处于更高一层、更宏观的综合与专业问题。
在全球经济发展的大环境之下，我国各个行业在受到其他国家先进技术冲击的同时，
与国外品牌企业的沟通交流的机会也变的越来越多。机动车辆行业通过行业展会、科研合
作等多种途径，不断的提高了自身实力和核心竞争力，缩小与发达国家之间的差距。
在新的市场需求的驱动下，机动车辆设备的更新和优化升级更加迫切。国内机动车辆
设备生产企业充分挖掘市场潜力，大力发展大型环保节能的机动车辆械设备，在我国飞速
发展的农业从人工作业到机械化的转变中发挥着积极的作用。一般生产大型机动车辆设备
的企业对设备传动效率指数上都有严格的要求。各企业在生产设备时，都充分考虑到设备
在运行中可能会出现的种种问题，从而减少设备因为振动或者操作不当而引起的噪音大、
污染重等现象。
国内机动车辆设备的研发及制造要与全球号召的低碳经济、经久耐用主题保持一致。
加大机动车辆设备新型多样化的研发及生产是行业发展的大趋势，同时也迎合了国内基础
建设发展的需求。
机动车辆的发展与人类社会的进步和科学技术的水平密切相关。随着科学技术的发
展，各学科间相互渗透，各行业间相互交流，广泛使用新结构、新材料、新工艺，目前机
动车辆正向着大型、高效、可靠、节能、降耗和自动化方向发展。
1.1.1 机动车辆结构形式的发展
机动车辆的结构形式主要有一下几个方面：首先是发动机，发动机主要是动力来源，工作方式简单的说是，把氧气和柴油混合喷进燃烧室，然后压燃，产生动力通过飞轮传单变速箱。发动机后面是变速箱，变速箱主要是把发动机输出的单一速度转变成很多个速度级，然后根据不同的作业条件调整速度。原理就是改变传动比来改变行走速度还有需要的扭矩。变速箱后面是液压提升体统，液压提升系统主要是用于挂接所需农具使用，有的农具在使用过程中需要机动车辆把农具背起来作业，液压提升系统就可以。液压系统的工作原理就是利用液体不能压缩的原理工作的，液体动力来源于液压油泵，然后驱动液压油，因为液压油不能压缩，所以必须做功，然后通过改变油路，然后进到不同的油路，推动液压油缸做伸展运动。最后面还有动力输出，也就是机动车辆的二级动力，它是给机动车辆后面挂接的农具输出动力的，因为有的农具虽然背起来了，但是自己不会工作或者说没有动力源，然后机动车辆在后面给一个输出轴，作为后面农具的动力源，只要挂接传动轴就可以输出动力。
当今社会，机动车辆的发展不断地向着操作灵活，多样型，复合型发展，其具体结构形式的变更最主要的是体现在以下几个方面：
1）前轮小，后轮大。
传统的机动车辆的轮子基本上是一样大，但通过技术创新，改变了传动的结构形式，采用前轮小，后轮大的结构，这样更省力，操作起来也更方便。
2）机动车辆底盘上面安装有输出轴，可以直接给后面的需要工作的农业挂具提供动力。
3）橡胶履带式机动车辆
通常这样类型的机动车辆采用三角带传动，适合大功率，重负载的场合，目前西方资本主义国家正在着手研制。
1.1.2汽车变速器的发展状况
从广义上面来说，现在市场上不同机动车辆所配置的变速箱来看，主要分为：手动变速箱、负载换挡变速箱、自动变速箱。
一、手动变速箱(MT)
①手动变速箱：手动变速箱可以采用滑动齿轮、啮合套和同步器换挡等方式。滑动齿轮换挡变速箱的基本结构是主动齿轮在驱动轴上 滑动，使其与从动齿轮相啮合。啮合套
换挡是从动轴上的齿轮和主动轴上的空套齿轮经常处于啮合状态，移动主动轴花键上的啮合套，使空套齿轮与主动轴连接。与滑动齿轮相比，其滑动距离小，在圆周速
度低的部位啮合，故换挡较前者容易。以上两类换挡变速箱由于结构简单、加工制造成本低，在机动车辆发展早期，应用较为广泛。但由于这两类变速箱换挡时，两个齿轮的圆周速度不一致，挂挡时噪声大，若操作不当甚至会导致齿轮损坏，因此，自上世纪30年代同步器问世以来，这两类换挡变速箱在欧美机动车辆上逐步被淘汰。同步器换挡变速箱采用摩擦原理，使相啮合的齿轮的圆周速度迅速地相等后再挂挡，因此，其换挡平顺，减少了齿轮啮合时的互相撞击，延长了齿轮的使用寿命，在三轴五档汽车变速器发展史上占有重要的地位。
②负载换挡变速箱：负载换挡变速箱由于换挡过程简单且动力不中断，改善了机动车辆的操纵性能，提高了工作效率。自1959年Caterpillar 公司在D9D 机动车辆上首次成功地应用负载换挡以来，由于这种机构在换挡时所表现出的明显优点，吸引了许多厂家纷纷效仿。
自动变速箱：自动变速箱的换挡与人无关，以设计时给定的程序为基础，根据机动车辆行驶状态自动地进行变速。按所采取的传动形式不同，可分为液力机械式变速箱、静液压式变速箱和液压机械式变速箱。液力机械式变速箱是液力偶合器或液力变矩器与机械式变速箱串联的传动装置，它可以使机动车辆平稳起步及防止传动系过载，但其最大的缺点是传动效率低。静液压式变速箱由液压传动装置与机械式变速箱串联组成，发动机的功率全部通过液压传动装置。液压机械式变速箱是一种液压传动 装置与机械式变速箱并联的传动装置，通过差动机构功率合流或分流，这样，发动机功率仅部分通过液压传动装置，必要时又能将液压传动闭锁变为纯机械传动。因此，其总传动效率大大提高了，而且在低速区域可使机械传动输出为零，变为纯液压传动，有利于机动车辆的平稳起步。与液力机械式变速箱相比，它的传动效率高，且高效区宽。
当今机动车辆产业的发展，是非常迅速的，用户对于机动车辆性能的要求是越来越高的。三轴五档汽车变速器的发展也并不仅限于此，无级变速箱便是人们追求的“最高境界”。无级变速箱最早由荷兰人范·多尼斯（VanDoorne ’s ）发明。无级变速系统不像手动变速箱或自动变速箱那样用齿轮变速，而是用两个滑轮和一个钢带来变速，其传动比可以随意变化，没有换档的突跳感觉。它能克服普通自动变速箱“突然换档”、油门反应慢、
油耗高等缺点。通常有些朋友将自动变速箱称为无级变速箱，这是错误的。虽然它们有着共同点，但是自动变速箱只有换档是自动的，但它的传动比是有级的，也就是我们常说的档，一般自动变速箱有2～7个档。而无级变速箱能在一定范围内实现速比的无级变化，并选定几个常用的速比作为常用的“档”。装配该技术的发动机可在任何转速下自动获得最合适的传动比。从市场走向来看，虽然无级变速箱是一个技术分量比较高的部件，但是也已经走进了普通轿车的“身体”之中，广本两厢飞度每个排量都有一款配置了CVT 无级变速箱，既方便又省油，且售价也仅在9.68～11.68万元。而且奇瑞机动车辆销售公司表示QQ 无级变速箱型年底上市。看来无级变速箱在中档车中的运用将越为广泛。
第二章 三轴五档汽车变速器的总体方案设计
2.1 变速箱的结构形式
2.1.1 变速箱内部传动系统的布局
机动车辆广泛应用于农业、建筑行业等，适用于耕田、拖运，装运等等各个领域。它工作时，发动机通过V 带传动带动三轴五档汽车变速器转动，从而间接地带动了机动车辆轮子的转动，这样机动车辆就可以行驶了，通过改变变速箱理论的档位来实现机动车辆的前进、后退、加速、减速等等功能。在机动车辆的几个组成部分里，变速箱是最重要也是最核心的部分，其组成机构及传动系统的布局图如下图所示：
第三章 三轴五档汽车变速器传动系统的设计
3.1变速箱内部传动系统的具体结构
三轴五档汽车变速器体内部主要有各档位传动齿轮，各传动轴以及端盖，轴承等等零件组成，通过发动机驱动V 带传动，从而带动机动车辆内部的传动机构动作，继而实现机动车辆轮子的转动，于是机动车辆就可以行驶了。其具体内部传动结构图如下图所示：
江西科技学院本科生毕业论文（设计）
3.2各档位的传动路线的确定
江西科技学院本科生毕业论文（设计）
3.3 各档位的传动比及其速度的计算
3.3.1 各档位的传动比的确定
根据以上条件可知，该变速箱体主要有传动齿轮副，传动轴系等等零件组成，各档位的传动比计算如下：
i 1=Z
1
X Z 3
X Z 7
X Z X Z =48
1012
i 2=Z
1
X Z 3
X Z 5
X Z X Z =42
1012 X Z X Z =12 1012
i 3=Z
1
X Z 3
X Z 7
i 4=Z
1
X Z 322
X Z X Z 65
X Z X Z =16 1012X Z X Z =11 1012
i 5=Z
1
X Z X Z i 6=Z
1
X Z X Z X Z =6
61012
i 倒=Z
1
X Z X Z X Z =40
31012
3.3.3 各档位速度确定
由于机动车辆的各部分已经标准化了，根据标准，我们选择标准直径为600MM 的车轮，于是各档位的速度分别如下：
V 1=4. 6km /h
V 2=6. 3km /h V 3=15km /h V 4=11. 6km /h V 5=19km /h V 6=35km /h V 倒=5. 6km /h
第四章 变速箱内部传动零件的设计
4.1 传动轴的设计计算
（1）初步确定轴的直径
p 55
d ≥A 0=130⨯=45
n 0556
mm （3.32）
根据工作条件，取d =90mm （2）传动轴受力分析
F t =
2T d m 1
=
2⨯9. 26⨯105
360
=5144. 44
N （3.33）
F r =F t tg αcos δ1=5144. 44⨯tg 20 ⨯cos 22 22' 06' ' =1731. 54N （3.34） F a =F t tg αsin 22 22' 06' ' =5144. 44⨯tg 20 ⨯sin 22 22' 06' ' =712. 57N （3.35）
图4.1 传动轴的受力简图
（3）绘制传动轴的受力简图，如图所示，求支座反力 ①垂直面支反力： 由∑
M C =0
，得：
570
=02 （3.36）
R BY L 2-F r L 3-F a
R BY = 由∑
F r L 3+F a 360/21731. 54⨯202. 5+712. 57⨯360/2
==629. 13N
L 2761. 5 ，得：
Y =0
. 54+629. 13=2360. 67N （3.37） R CY =F r +R BY =1731②水平面支反力： 由∑
M C =0
，得：
R BZ L 2-F t L 3=0 （3.38）
R BZ =
F t L 35144. 44⨯202. 5
==1368. 02L 2761. 5N
由∑
Z =0
，得：
. 54+1368. 02=3099. 56N （3.39） R CZ =F r +R BZ =1731 （4）作弯矩图： ①垂直面弯矩M Y 图： C 点
. 495N ·mm （3.40） M CY =R BY L 2=629. 13⨯761. 5=479082②水平面弯矩M Z 图： C 点
. 67⨯202. 5=478035. 675N ·mm （3.41） M CZ =R BZ L 2=2360③合成弯矩M 图： C 点
22
M =M CY +M CZ =479082. 4952+478035. 6752=676785. 153
N ·mm （3.42）
（5）作转矩T 图：
6
T =3. 2⨯10N ·mm
（6）校核轴的强度： 按弯扭合成应力校核轴的强度
校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面C ）的强度。由文献[1，15-5]可知，取α=0. 6，轴的计算应力
σc α=
M 2+(αT 3) 2
W
676785. 1532+(0. 6⨯9. 26⨯105) 2==14. 3
0. 1⨯1503MPa （3.43）
选定轴的材料为45钢，调质处理，由文献[1]表15-1可知，[σ-1]=60MPa 。因此，
σca
（7）精确校核轴的疲劳强度 ①判断危险截面
从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面IV 和V 引起的应力集中最严重，而V 受的弯矩较大；从受载的情况来看，截面C 的应力最大，但应力集中不大，故C 面不用校核。只需校核截面V 。
②截面V 左侧
333
抗弯截面系数 W =0. 1d =0. 1⨯140=274400mm （3.44）
33
W =0. 2d =0. 2⨯140=548800mm 3 （3.45） T 抗扭截面系数
截面V 左侧的弯矩M 为
M =676785. 153⨯
705
=626570. 628761. 5Mpa （3.46）
截面V 上的扭矩T 为 T 1=3200000MPa
截面上的弯曲应
σb =
M 626570. 628==2. 28W 274400Mpa （3.47）
τT =
截面上的扭转切应力
T 13200000
==5. 83W T 548800MPa （3.48）
轴的材料为45钢，调质处理。由文献[1]表15-1可知，σB =640MPa ，σ-1=275MPa ，
τ-1=155MPa 。
由文献[1] 附表3-8可知，用插入法求出
k σ
8
k τ=0. 8⨯2. 8=2. 24
ε=2. σ，ετ
轴按精车加工，由文献[1] 附图3-4可知，表面质量系数为： βσ=βτ=0. 84 轴未经表面强化处理，βq =1
固得综合系数为
K =
k σ
1
σε+
σ
β-1=2. 8+
1
σ
0. 84-1=2. 99 K k τ
1
-1=2. 24+
1
0. 84-1=2. 43
τ=
ε+
τ
βτ
由文献[1] §3-1，§3-2可知，碳钢的特性系数 ϕσ=0. 1~0. 2 取ϕσ=0. 1 ϕτ=0. 05~0. 1 取ϕτ=0. 05 所以轴在截面V 左侧的安全系数为
S σσ=
-1275
K =⨯2. 28+0. 1⨯0=40. 34
σσb +ϕσσm 2. 99 S στ=τ-1K =275
=19. 02
ττa +ϕττm
2. 43⨯+0. 05⨯2
2
S S σS τca ==
40. 34⨯19. 02
S 2
2
σ+S τ
40. 342
+19. 02
2
=17. 22>S =1. 5
故该轴在截面V 左侧的强度是足够的。 ③截面V 右侧
抗弯截面系数 W =0. 1d 3=0. 1⨯1303=219700mm 3
抗扭截面系数 W T =0. 2d 3=0. 2⨯1303=439400mm 3
截面V 左侧的弯矩M 为
（3.49）
（3.50）
3.51）
（3.52）
（
M =676785. 153⨯
705
=626570. 628761. 5MPa
截面V 上的扭矩T 为 T =3200000MPa
截面上的弯曲应力
σb =
M 626570. 628
==2. 85W 219700MPa
τT =
截面上的扭转切应力
T 13200000==7. 28W T 439400MPa
截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数
r 3D 140
==0. 023==1. 08d 130d 130，，
ασ及ατ按文献[1]附表3-2查取。因
ασ=2. 05，ατ=1. 3
又由文献[1]附图3-1可得轴的材料的敏感系数为 q σ=0. 83，q τ=0. 87
故有效应力集中系数按文献[1，附3-4]为
k σ=1+q σ(ασ-1) =1+0. 83⨯(2. 05-1) =1. 87 （3.53） k τ=1+q τ(ατ-1) =1+0. 87⨯(1. 3-1) =1. 26 由文献[1]附图3-2可得轴的截面形状系数为εσ=0. 58
由文献[1]附图3-3可得轴的材料的敏感扭转剪切尺寸系数为ετ=0. 76 综合系数为
K σ=
k σ
εσ
+
+
1
βσ
-1=
1. 871
+-1=3. 410. 580. 84
K τ=
k τ
1
ετβτ
-1=
1. 261+-1=1. 840. 760. 84
所以轴在截面V 左侧的安全系数为
S σ=
σ-1275==28. 29
K σσa +ϕσσm 3. 41⨯2. 85+0. 1⨯0
S στ=
22
S σS τ28. 29⨯24. 96
S ca ===18. 72>S =1. 5
2222S σ+S τ28. 29+24. 96 故该轴在截面V 左侧的强度是足够的。 4.2 传动齿轮的设计计算
1初步计算 （1）材料选择
τ-1275
==24. 96
K ττa +ϕττm 1. 84⨯+0. 05⨯
因传动尺寸已经在图纸上面有注明，批量较小，故小齿轮用40Cr(调质），硬度241HB~286HB，平均取为280HB ，大齿轮用45钢（调质），硬度229HB~286HB,平均取为240HB 。选齿轮精度为7级。
（2）节锥角的计算
i =cot δ1 （3.11）
δ1=arc cot i =arc cot 1. 66=22 22' 06' ' （3.12）
δ2=90 -22 22' ' 06' ' =67 67' ' 54' ' （3.13）
由文献[2]表14-3-3可知，
z min
*2h a 2⨯1o =cos δ=cos 2222' 06" =15. 8122sin a sin 20 （3.14）
**h h a a 式中，齿顶高系数，=1。
取小齿轮齿数z 1=30，
z 2=iz 1=1. 66⨯30=49. 8 （3.15） 取大齿轮齿数z 2=50。
（3）根据工作条件的要求，大端模数为
m =12 （3.16） （4）齿轮分度圆的直径