汽車變速器齒輪設計及問題研討

徐欣 孫延兵

摘要：齒輪載荷譜的制定、齒輪的修形、以及齒輪噪聲指標的確定和重合度是汽車變速箱齒輪設計過程中的重要內容，本文針對這四個方面進行一些初步的探討。

關鍵詞：齒輪載荷譜、壓力角、齒輪噪聲指標、齒形修整、重合度

中圖分類號：TH132.41 文獻識別碼：A

在實際的汽車變速器齒輪的設計應用中，強度和結構這兩個重要的原因使變位齒輪的使用越來越廣泛。其中值得進行探討的是高硬度齒面正變位齒輪的設計，其設計具有一定的獨特之處，下面對這幾個問題進行探討。

確定模數、壓力角、齒輪齒數、螺旋角等參數是傳統機械式汽車變速箱齒輪設計中直接影響齒輪的噪聲和強度的重要因素。變速箱的選用中有對以上參數的相關計算公式。同時齒輪的相關尺寸和強度也可以依據相關公式得到準確的數據，本文就不再重復。由于計算機的快速發展及普及，在汽車變速箱齒輪的設計上應用計算機軟件進行齒輪的設計成為可能，同時也更加精確。但是不能僅僅依賴軟件，它只是輔助計算的一種工具，更加合理地齒輪還是必須由人來進行研究設計。

一、齒輪載荷譜的制定

齒輪強度計算中最重要的一步是齒輪載荷譜的制定。齒輪承受應力是利用理論最大載荷計算得出并與齒輪材料的許用應力進行比較，從而得到汽車齒輪的“安全系數”。不過通過理論計算得出的結果與齒輪實際使用過程中還是有很大的差別。以下列舉一些差別：

1、齒輪載荷的差別

在齒輪的現實使用中，因為緊急停車、起步、以及路況等因素，齒輪不會總是恒定地承載額定的載荷，這樣就會讓變速箱等傳動系零部件，造成大大高出額定載荷的沖擊載荷。但是汽車在路面狀況良好的狀態下行駛時載荷又小于額定載荷。因此在確定試驗方式時，在技術上要進行精確的處理。比如除去大于120%以上和小于50%以下的峰值載荷或者直接用額定載荷。

2、齒輪工作循環次數的差別

不同檔位的齒輪工作循環次數在實際的使用過程中一定是不同的。不同車型即使使用同一變速箱其使用工況也是有差異的。例如工程自卸車和牽引車，他們的使用有著本質的不同。

工程自卸車高檔區齒輪的使用效率較牽引車低，這是因為牽引車通常是在高速公路或者路況比較好的路面行駛。同時牽引車的倒檔以及低檔的利用效率又比工程車低。因此變速箱的所匹配車型的具體使用用途對于制定載荷譜來說是很重要的。盡量做到“因車而異”

基于以上兩點差別，在實際的齒輪設計中，工程技術設計人員通常要對同類產品進行對比并根據自己多年的經驗進行設定一個相對安全允許強度即“經驗值”。同時其他方面也有很多的不同，比如制造工藝、工況、檔位、材料甚至許用值也是不同的，這些只能定量的計算，只能定性的分析。

既然有這么多的不同，那怎樣才能在設計過程中根據道路載荷譜精確的確定設計載荷譜呢？通過試驗可以確定齒輪材料的抗疲勞性能，這是基本的常識，疲勞破壞經歷的不同循環次數N，是在不同應力下產生的。這樣就可以得到關于循環次數N和應力的疲勞曲線，高周疲勞通常會引起車輛變速箱齒輪的失效，因此齒輪材料的循環次數不能低于 高周疲勞有限壽命。

二、齒輪噪聲指標的研究

減少齒面嚙合的摩擦力和滑動比的兩個突變量是齒輪設計過程中降低噪聲的兩個主要因素。由于齒輪齒面嚙合時的接觸滑動很大，齒輪基圓周圍的漸開線的曲率變化也非常大，所以在基圓周圍齒輪傳遞力的時候，力受齒輪齒面光潔度的影響很大，同時力也變化的非常激烈，這樣就很容易使齒輪牙齒產生振動，在齒輪運轉過程中發出很大的噪聲。為了避免產生很大的噪聲，在齒輪設計時，應使基圓和嚙合起始圓ds之間保持很遠的距離，越遠越好。不過距離很遠的話這樣就與齒形重合度和長齒制有了矛盾，因為齒形重合度和長齒制也可以降低齒輪噪聲，所以在設置遠離基圓的距離是要有一定的范圍。有的企業把基圓的徑向與嚙合起始圓的距離設置在不小于0.010英寸，而有的公司規定嚙合起始壓角大于8度。而一般采用的是 與 的徑向距離大于1/5的法向齒距。總之不管哪個公司采用什么樣的標準進行設計，總的原則都是使嚙合起始圓 盡量的遠離基圓。如果想要計算嚙合起始點距離基圓的距離或嚙合起始壓角，可以借助計算機以及相關軟件進行精確的計算。

1、噪聲指標

相配齒輪的齒頂圓直徑 的大小決定了嚙合起始圓 的大小，相配齒輪的外直徑越小，嚙合起始圓 越大，距基圓的距離越遠。而變位系數的大小和齒高系數 的大小又決定了相配齒輪的外直徑，所以，要合適的分配兩個齒輪的變位系數應滿足 這樣的條件。

2、噪聲指標

降低噪聲還有另一個噪聲指標 ，這是針對升速較大的齒輪采用的一種方法，因為采用一個辦法達不到降低噪聲的目的，因此通過控制 和 兩種噪聲指標來達到降低噪聲的目的。

進弧區是嚙合起始圓到主動齒輪的節圓的這節齒形部分，退弧區是齒頂到齒輪節圓的這節齒形部分。齒輪在嚙合傳動中，齒面會產生摩擦力，并發出噪聲。噪聲最大的時候是齒面的接觸由進弧轉到退弧，這時發生突變針對這一突變，為了降低噪聲，要采用進弧小于退弧的設計，當進弧區不大于零的齒輪副時，噪聲是最低的。因此增大主動齒輪的外直徑和減小從動齒輪的外直徑，滿足 的設計

三 齒輪重合度對齒輪的影響

齒輪在運行中齒數是改變的齒輪載荷發生突變和形成沖擊力，是因為齒輪接觸的齒數通常是發生變化的，此時也是嚙合噪聲和齒輪強度影響最大的時候。在無尺寸偏差、無變形的幾何齒輪的嚙合基礎上，載荷越平穩，噪聲越低這是理論結果，但是在實際中未必是這樣的。

四、齒輪的修形

減小齒輪的振動噪聲，齒輪的修形是必不可少的，做好齒輪修形對于延長齒輪的使用壽命和提高齒輪的承載力都有很大的好處。

通過計算齒形重合度進行確定齒形修整 。 原則就是將齒形內的多齒嚙合區修形 。 通常認為修形后理論嚙合全部為單齒嚙合。 以下介紹三種種方法 ：

① 車輛配對齒輪不修，只修齒根和單個齒輪齒頂兩個部位

② 修形兩個齒頂

③ 一對齒根、齒輪齒頂都修形

在實際的修形過程中為了讓每個齒輪的修整量都小一些，對兩個齒輪同時修整是比較常用的，載荷突變的起始點是修形的起始高度，開始從單齒嚙合區向齒頂修形，起始圓半徑的計算法如下：

式中：

結束語：

本文針對汽車變速器齒輪的設計進行一些問題的粗淺的探討研究，通過對齒輪載荷譜的制定、齒輪的修形、以及齒輪噪聲指標的確定和重合度的設計計算，更加的了解到齒輪在設計過程中的精密性以及對車輛安全行駛的重要性，同時也了解到一些理論的計算結果與實際的使用過程中還是有很大的差別的，在設計過程中有的計算運用到計算機及相關軟件計算出結果，但是在實際的運用過程中并不是很合理。因此在設計時一定要結合實際進行研究設計，設計出的齒輪才有實際用處才能更加符合匹配車輛的使用。

參考文獻：

[1] 王軍偉，褚超美，吳佐銘，佟欣. 基于Web技術的汽車變速器軸承校核系統應用開發[J]. 上海理工大學學報. 2008（06）

[2] 錢林寶. 重型汽車變速器無內外圈無保持架圓柱滿滾子軸承圓周間隙問題探討[J]. 機電工程. 2001（05）

[3] 薛慶文. 利用振動信號診斷汽車軸承故障[J]. 佳木斯大學學報（自然科學版）. 2003（01）

[4] 蔣春明，阮米慶. 汽車機械式變速器多目標可靠性優化設計[J]. 汽車工程. 2007（12）

[5] 羅春香. 汽車變速器設計中速比分配問題的研究[J]. 西南民族大學學報（自然科學版）. 2004（03）