汽車變速器潤滑系統(tǒng)設計分析

宋友成

（唐山愛信齒輪有限責任公司，河北唐山 063033）

0 引言

變速器的潤滑分為強制潤滑和飛濺潤滑，對中、重型卡車和客車來說，由于變速器使用環(huán)境較為惡劣，傳遞轉(zhuǎn)矩較大，為確保使用壽命，多采用強制潤滑方式[1-2]。而對普通乘用車來說，由于使用工況相對較好及轉(zhuǎn)矩較為適中，多采用飛濺潤滑。在具體設計中并沒有明顯界定，只有依據(jù)實際情況綜合考慮，才能設計出優(yōu)秀的變速器產(chǎn)品。

變速器的潤滑設計是一個復雜的系統(tǒng)工作，既要考慮單個零件的結(jié)構(gòu)，又要分析零件之間的影響，還要考慮到成本因素，考驗的是設計者的綜合實力。

1 變速器潤滑系統(tǒng)整體設計思路

1.1 考慮需要潤滑的零件

在變速器中有相對運動的零件之間就需要潤滑，這樣可以將零件之間摩擦產(chǎn)生的熱量及時帶走以避免發(fā)生燒傷[3]。在變速器中零件摩擦面很多，如軸承滾道、齒輪各相對運動面、油封唇口、花鍵等，這些部位都要考慮潤滑。

1.2 從結(jié)構(gòu)上考慮潤滑

在結(jié)構(gòu)上可以將游動齒輪布局在殼體下部，齒輪浸泡在潤滑油中，潤滑環(huán)境較好，減少需要潤滑的零件個數(shù)。圖1所示為較好的變速器結(jié)構(gòu)設計，4個擋位的游動齒輪均浸泡在潤滑油中，只需考慮5擋、6擋的潤滑即可。但擋位布局還要考慮攪油損失及操縱布局的方便性，不能因為潤滑而影響其它性能或增加成本。

圖1 FF變速器潤滑整體結(jié)構(gòu)式樣

1.3 潤滑零件的使用

設計者要充分利用殼體的結(jié)構(gòu)來改善潤滑環(huán)境，它不僅可以減少潤滑零件數(shù)量，還可以減少變速器的整體成本，對開發(fā)者的智慧是個考驗。圖2所示為利用殼體結(jié)構(gòu)進行潤滑的結(jié)構(gòu)。

圖2 殼體中的潤滑結(jié)構(gòu)

如果已充分考慮到潤滑方式，還不能滿足零件的潤滑，就要考慮采用專用零件進行潤滑，如導油槽、集油盒等，如圖3所示。

圖3 常見的潤滑零件

潤滑設計中油品也是要考慮的方面，特別是油的運動黏度、耐極壓性、高低溫性能等[4]，有興趣的讀者可參考相關文獻。

2 變速器主要部件的潤滑設計分析

2.1 軸承的潤滑設計

軸承按潤滑環(huán)境可分為開放式和密封式，開放式軸承就是軸承滾道與變速器內(nèi)腔相通，在運行中飛濺的油可以對軸承的內(nèi)/外圈滾道、滾珠進行潤滑，提高軸承的使用壽命。

變速器在運轉(zhuǎn)中會產(chǎn)生很多雜質(zhì)，如果較硬的雜質(zhì)隨著油進入滾道，會給開放式軸承的壽命帶來嚴重的后果，這時就要考慮采用密封式軸承。

密封式軸承是在軸承兩端內(nèi)外圈之間增加密封蓋，在軸承裝配前會在滾道上均勻涂布潤滑脂，在運行時它可以起到很好的潤滑作用，確保軸承的使用壽命[3]。密封蓋有2個作用：1）阻止?jié)櫥鞒鲚S承滾道外，初期確保軸承滾道得到有效潤滑；2）可以防止變速器內(nèi)過大的雜質(zhì)進入滾道。密封蓋并不是完全密封的，需要保留小排氣孔，是因為在高速運轉(zhuǎn)時，熱膨脹的作用，軸承內(nèi)氣壓會升高，氣孔可以降低滾道內(nèi)壓力，保持氣壓平衡，從而使軸承蓋不脫落。由于高溫及高壓的作用，密封蓋內(nèi)的潤滑脂在使用一段時間就會流失，后續(xù)仍然要靠潤滑油來實現(xiàn)潤滑，密封蓋只保證在運行初期軸承的潤滑，設計者對于這一點要有清醒認識。

2.2 齒輪的潤滑設計

齒輪的潤滑設計相對復雜，是因為齒輪與其它零件的相對運動面較多，所以要考慮的因素也多。

2.2.1 齒輪端面的潤滑

齒輪端面同時涉及到內(nèi)孔的潤滑，所以應從多方面考慮它的設計。在本擋位運轉(zhuǎn)時，齒輪與周邊零件及支撐軸同步運動，無相關運動，無需考慮潤滑。

非本擋運轉(zhuǎn)時，齒輪端面、內(nèi)孔與相關零件的端面有相對轉(zhuǎn)動，會產(chǎn)生大量摩擦熱。潤滑設計考慮的就是這種情況下的潤滑。通常在齒輪端面開出油槽即可以將油導入端面，實現(xiàn)端面潤滑，常見的齒輪端面油槽形狀如圖4所示。

油槽數(shù)量越多，導入到內(nèi)孔的油也越充足，端面潤滑環(huán)境越好，但油槽數(shù)過多會帶來新的問題，齒輪端面面壓會增大，反而會增加端面壓潰風險，所以油槽的數(shù)量也要依據(jù)實際情況來定。某公司幾款變速器端面面壓的統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。

圖5 齒輪端面面壓統(tǒng)計圖

油槽的數(shù)量最好為2～4個，油槽的截面形狀為“U”形的較多。也可以根據(jù)齒輪旋轉(zhuǎn)方向把油槽形狀設計成螺旋型（如圖4（d）），在齒輪旋轉(zhuǎn)中主動把油導入到端面及內(nèi)孔中，這種結(jié)構(gòu)導入效果非常好。

圖4 齒輪端面油槽形狀

2.2.2 齒輪內(nèi)孔的潤滑設計

齒輪的內(nèi)孔潤滑相對復雜，設計原理很簡單，保持內(nèi)孔油路暢通，可以帶走產(chǎn)生的熱量，確保齒輪內(nèi)孔的耐燒傷性及耐久性即可。

但實際情況比這復雜得多，因為內(nèi)孔是一個相對封閉的空間，徑向間隙只有0.02～0.04 mm，在如此狹小的空間讓油順暢地流動并不容易。要保證油能持續(xù)順暢流動，必須在內(nèi)孔形成通暢的油路，既有進油通道，又有出油通道。

進油通道是通過齒輪的端面實現(xiàn)的，齒輪的端面油槽不僅關系到端面潤滑，也關系到內(nèi)孔潤滑，是相當重要的。

如果齒輪端面導油效果不好，不能滿足內(nèi)孔潤滑油量要求，可以在支撐齒輪的軸上增加油孔，進行中心潤滑。中心潤滑有個前提，支撐軸是中空的，軸的端面也有潤滑油的存在，那么在旋轉(zhuǎn)時，齒輪的轉(zhuǎn)動會使軸上的孔部形成負壓，通過虹吸作用，軸中心的油就可以抽到齒輪內(nèi)孔，達到潤滑內(nèi)孔。由于齒輪內(nèi)孔和軸之間還有滾針軸承，所以軸上的潤滑油孔直徑是有要求的，一般依據(jù)滾針軸承的滾針直徑來決定。因為滾針在齒輪運轉(zhuǎn)時既要公轉(zhuǎn)也要自轉(zhuǎn)，油孔的直徑要小于滾棒直徑，否則滾針公轉(zhuǎn)時容易卡滯在孔的邊緣，導致滾針不能公轉(zhuǎn)，在高速運轉(zhuǎn)后，由于變速器振動容易形成微振磨損，失效模式表現(xiàn)為支撐滾針軸承的軸和齒輪內(nèi)孔出現(xiàn)與滾針軸承滾子數(shù)相同的壓痕，通過臺架試驗可以方便地驗證這個故障模式[5]。

但油孔過小，進入的油量不能帶走產(chǎn)生的熱量時，也會產(chǎn)生內(nèi)孔燒傷，這時可以通過增加油孔個數(shù)來解決這個問題，通常設計1～3個油孔即可。

如果齒輪的布局不能實現(xiàn)中心孔潤滑時，就要多考慮如何從端面進行潤滑了，如果還不能解決滾針壓痕問題，就要從滾針的形式上去配合解決，通常采用剖分式滾針軸承就可以很好地解決，如圖6所示。

圖6 滾針軸承的式樣

前面介紹的是進油通道的設計，下面介紹出油通道的設計。齒輪端面的油槽，一端是進油口，另一端作為出油口而存在，具體的作用要依據(jù)齒輪兩端面的油量情況而定，在此不作論述。

由于空間所限，有時端面的出油效果并不理想，這時就要在齒輪齒根與內(nèi)孔間設計出孔來作為出油通道。圖7所示就是設計較合理的排油孔式樣，通過離心作用可以實現(xiàn)很好的出油功能。

圖7 齒輪上的油孔設計式樣

2.2.3 聯(lián)結(jié)齒輪的潤滑設計

在常規(guī)的變速器結(jié)構(gòu)中，聯(lián)齒和齒輪間距離足夠，齒輪運轉(zhuǎn)時攪動的油可以到達聯(lián)結(jié)齒齒面，它的潤滑不是問題。但為適應用戶對換擋舒適性要求，換擋行程越來越短，為保證搭載性，變速器總長變短，齒套掛入聯(lián)齒后，完全覆蓋住聯(lián)齒，運轉(zhuǎn)時攪拌的油被齒套擋住而不能到達聯(lián)齒齒面，聯(lián)結(jié)齒齒面要傳遞力矩，卻得不到潤滑，最終會導致微振磨損而帶來脫擋甚至斷齒的風險，這時就要考慮到聯(lián)齒的潤滑，簡單的方法是利用離心力作用和周圍零件的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)（如圖8），可以解決聯(lián)齒微振磨損的問題。

圖8 錐面的設計式樣

2.2.4 齒輪其它部位的潤滑

因為齒輪其它部位（如齒面、錐面）都與變速器內(nèi)腔相通，而且高速運轉(zhuǎn)時飛濺的油可以到達，所以對它的潤滑不用特別關注，只需稍加考慮即可。

2.3 花鍵的潤滑設計

花鍵通常有間隙配合及過盈配合2種配合形式。如果是過盈配合，就需要通過外力壓入，配合零件之間不會發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，不需要潤滑。如果是間隙配合，由于運轉(zhuǎn)時振動的存在，會發(fā)生微振磨損，就需要考慮潤滑的問題。通常通過中心潤滑的方式或端面浸油的方式就能解決，此種潤滑較為簡單，可以參考相關文獻。

3 結(jié)語

根據(jù)多年工作經(jīng)驗對變速器的潤滑設計進行了綜述，具有很強的參考意義，但不同的結(jié)構(gòu)及式樣也有各自的特點，一定要依據(jù)實際情況進行適當調(diào)整。本文提出的方法只是一個參考性的建議，開發(fā)者在設計時也要考慮成本因素，不能為了潤滑而增加過多零件，為保證變速器潤滑性能，采用最簡單的方式保證潤滑性能才是最優(yōu)的設計方案。