重型汽車用變速器齒輪修形的控制

孫鵬，徐連河

前言

在重型汽車用變速器中，齒輪傳遞功率和扭矩都比較大，齒輪的承載負荷很高，受載變形引起角速度脈動變化而產生沖擊和噪音，即使加工精度盡可能接近理論齒形，也難滿足傳遞要求；為了解決以上問題，采用硬齒面齒輪，即進行滲碳、氮化及高頻淬火處理；對齒輪進行齒廓修形和齒向修形，通過修形提高齒輪的承載能力，可以有效的改善嚙合的性能，提高傳動平穩性、降低噪聲延長使用壽命。

圓柱齒輪修形分類：通常可分為齒廓修形和齒向修形兩大類。齒廓修形(如圖1)又可以分為修緣，即一種在齒頂附近對齒廓形狀進行有意識的修削；修根，即一種在齒根附近曲面對齒廓形狀進行有意識的修削。而齒向修形(如圖2)又可以分為齒端修薄，即對輪齒一端或兩端在一小段齒寬范圍內，按照朝齒端逐漸加大削薄量的要求將齒厚予以削??；鼓形修整，即采用齒向修形或同時采用齒廓修形的辦法，使齒輪在齒面中部區域與相嚙合齒面接觸。

1、齒廓修形的控制

汽車變速器齒輪為動力傳動齒輪，在承載狀態下運轉。齒輪僅具有一定的幾何精度尚難滿足汽車齒輪的特定要求，即均勻安靜的運轉。大量的研究、試驗與實際應用表明，輪齒的齒廓對汽車齒輪的運轉噪聲起著決定性的影響。相同精度等級的齒輪，不同的特定齒廓曲線在相同的工作條件下，即在相同的轉速和扭矩的試驗表明：在相同的工作與測試條件下，以具有正壓力角誤差、凸形漸開線、凹形漸開線和負壓力角誤差的各種特定修行的齒輪（如圖3）。

作噪聲測試時，當上述各種修行的齒輪處于從動時，其噪聲的反映以正壓力角誤差為佳，凸形漸開線次之、凹形漸開線又次之，而以負壓力角誤差為最劣。而當上述修形的齒輪由從動變為主動時，正壓力角誤差齒輪的噪聲為最劣，負壓力角誤差的噪聲有所降低，凹形漸開線的噪聲有所增高，而凸形漸開線的噪聲基本不變。承載條件下的的噪聲反映亦各異。隨著載荷增加，當處于從動時，正壓力角誤差、凹形漸開線及準確漸開線齒輪的噪聲均增高，凸形漸開線及負壓力角誤差的齒輪噪音則有所降低。

另一方面，從提高齒輪輪齒表面壽命出發，降低嚙合時齒面的瞬時溫度，改善工作過程中嚙合過程的潤滑條件，提高齒面抗膠合能力和承載能力均為采取修形輪齒齒頂與齒根，即凸形漸開線的修形。

因而為適應汽車變速器齒輪的工作條件，即變速、變載與主、從動地位的頻繁變換，較理想的齒廓曲線修形，（即齒廓設計），取凸形漸開線的修形是適宜的。

一種雙中間軸變速器齒輪齒廓曲線是按照美國標準的要求設計的，要求設計齒廓曲線均為凸形的齒廓曲線修形，不同齒輪其曲線形狀特征均相似，僅具體的數值不同而已。當然，實際生產的質量控制中僅有定性的形狀要求是不夠的，必須定量的確定允差范圍，即確定容許的齒廓曲線修行的“允差場”。

按齒輪嚙合的幾何關系，齒廓曲線的凸形修形應保證輪齒在嚙入及嚙出時平穩過渡。且不應過早過晚的進入或退出嚙合，導致不應有的沖擊、干涉或脫開嚙合。因而齒頂修緣與齒根修形量及起始、終止點均應控制在一定的范圍內。根據輪齒承載及輪齒剛度可以計算出相應的修形理論值，或取輪齒嚙合的單齒承載范圍的起始與終止點，如圖4中的A2、A1。但由于實際工作條件下載荷的多變和各種輪齒誤差存在的隨機性，實際應用時多以理論計算的數據為基礎，按各特定使用要求，試驗確定適宜的修形曲線及容許范圍。大量的實驗研究與實際應用表明：凸形的齒廓曲線修形，而將其齒頂與齒根修形之起始與終止點控制在有效齒高的中部，將獲得良好的噪聲效果。如圖5中，輪齒齒廓曲線凸形峰點控制位于有效齒高中點之上下各h/4范圍內，即為要求的齒廓曲線修形“允差場”，而誤差值的大小則按相應精度級別齒廓誤差的限值而定。實踐證明，此種齒廓曲線的控制與適宜的精度等級相結合，可以取得滿意的噪聲效果和承載性能。

也有汽車齒輪制造廠家針對不同的使用條件，不同檔位的齒輪提出了特定的設計齒廓和“允差場”，但其基本規律與要求與上述一致，僅有一些特定的限制而已。

2、齒向修形的控制

按照我國齒輪標準，齒向誤差屬于控制齒輪接觸的誤差項目，主要影響傳遞載荷分布的均勻性，其直接效果將反映在輪齒磨損或表面失效的正常與否。同時齒輪運轉中傳遞載荷分布的均勻性亦將影響運轉的平穩性，反映于齒輪的運轉噪聲大小。試驗與實踐表明，良好的輪齒齒廓修形但齒向誤差控制不當亦將導致不良的噪聲效果。齒向誤差控制不當導致輪齒接觸的偏差引起輪齒非正常損毀更是惡劣的后果。一些汽車齒輪制造廠家根據齒輪在變速器結構中所處的檔位、承受的載荷及支撐狀況進行分析計算或實驗，確定各個齒輪的特定齒向誤差控制的要求。根據美、德、日、法等一些汽車齒輪制造廠家對齒向誤差控制要求的統計，均采用鼓形的設計齒廓。從而使輪齒由于承載變形或受支承剛度的影響而于載荷變化時引起承載齒面沿齒向的變化，導致沿齒端的偏載及載荷局部集中，從而造成齒輪失效損壞。在控制鼓形齒向誤差時，其“允差場”亦必需在齒寬的一定范圍內方能保證達到上述的要求。根據統計，此鼓形的峰點位于有效齒寬距中點各四分之一齒寬的范圍內能得到理想的效果（如圖6）。有效計量齒寬按德國DIN3961標準的規定和一些工廠的實踐，齒寬兩端各減去10%齒寬的范圍。而容許的誤差值（Dc與Df）則按相應齒輪精度標準級別的規定。

3、齒輪修形

對由于齒輪制造、輪齒受載后產生的彈性變形及高速運轉熱變形的綜合結果產生的齒距和齒形誤差的修整稱齒形變形。即對漸開線齒頂和齒根修緣（ 其形式如圖4 所示）。以下介紹實際中常用的齒頂修形量和修形高度的計算方法。

（1）齒頂修形量

根據齒輪傳動載荷的大小及輪齒彈性變形量來確定齒頂修形量。即按齒輪副傳遞的轉矩或功率計算出單位齒寬上的載荷， 再計算出齒頂修形量的最小和最大值， 取其中間值作為修形量（單位mm）。

小齒輪 S3min=（2+0.015 99W）×25.4×10-4

小齒輪 S3min=（5+0.015 99 W）×25.4×10-4

大齒輪 S3min=（0+0.015 99 W）×25.4×10-4

大齒輪 S3min=（3+0.015 99 W）×25.4×10-4

式中：

W—— 輪齒單位齒寬上作用的圓周力

W =Ft/B（N/mm）。

（2）修形高度

從減小沖擊、平滑嚙合、彌補彎曲彈性變形而產生沖擊的觀點出發， 修形高度越大越好，但越過一定限度就保證不了正常的嚙合。一般可以按照修形高度h=1/3mn 來計算， 但要驗證εa ≥ 1， 即修形后的嚙合線長度大于端面基節，否則應適當調整修形高度h 的值。

4、小結

本文根據國內外的標準和實際使用的經驗，簡單的評述了齒廓修形和齒向修形的分析方法，探究了齒廓修形和齒向修形控制在改善齒輪傳動性能方面的重要性。齒輪修形技術是國內外齒輪領域的前沿研究課題，在齒輪設計和制造中能否采用該項技術是評定一個國家或企業齒輪設計和制造工藝水平的一項重要指標，是提高齒輪承載能力、降低振動和噪聲的有效手段。國內外齒輪齒廓修形技術發展非常之快。傳統人工誤差評估的方式已根本無法滿足現代齒輪修形設計的需要。因此如何用有效的方法對齒輪進行修行具有重要的指導作用。

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