戚文強(qiáng)（上海工程技術(shù)大學(xué)汽車工程學(xué)院,上海 201620）

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淺談汽車變速器中的齒輪設(shè)計(jì)

戚文強(qiáng)
（上海工程技術(shù)大學(xué)汽車工程學(xué)院,上海 201620）

摘 要：齒輪作為汽車變速器的重要組成部件，其設(shè)計(jì)的好壞對(duì)變速器起著至關(guān)重要的作用，所以我們要對(duì)各個(gè)齒輪的材料、結(jié)構(gòu)以及主要參數(shù)做出正確的選擇和設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：汽車；變速器；齒輪；設(shè)計(jì)

1 齒輪的材料選擇

國(guó)內(nèi)汽車變速器齒輪的材料主要采用20CrMnTi、20Mn2TiB、15MnCr5、20MnCr5、25MnCr5、28MnCr5，而國(guó)外汽車變速器齒輪大都選用鉻鎳合金鋼。

變速器齒輪的滲碳層深度推薦采用下列數(shù)值：法面模數(shù)mn≤3.5mm，滲碳層深度為0.8～1.2mm；法面模數(shù)3.5＜mn＜5mm，滲碳層深度為0.9～1.3mm；法面模數(shù)mn≥5mm，滲碳層深度為1.0～1.6mm。某些輕型貨車和乘用車的齒輪采用40Cr 鋼，并進(jìn)行氰化處理。

2 齒輪的結(jié)構(gòu)形式

直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪是變速器中最常用到的兩種結(jié)構(gòu)形式。在變速器設(shè)計(jì)中，不同檔位選取的齒輪形式可能不同，倒擋和低檔一般用直齒圓柱齒輪，而對(duì)于常嚙合齒輪則選用斜齒圓柱齒輪。

3 齒輪主要參數(shù)選擇

3.1 模數(shù)和壓力角選擇

模數(shù)對(duì)于齒輪有很大影響，選用較大的模數(shù)可以減少齒輪質(zhì)量，而選用較小的模數(shù)則可以降低變速器的噪聲。對(duì)于不同類型的車輛變速器應(yīng)選用的模數(shù)也不同，乘用車減小工作噪聲比較重要，因此齒輪要選較小模數(shù)，而貨車減小質(zhì)量更為重要，因此齒輪要選較大模數(shù)；變速器低擋齒輪應(yīng)選用大些的模數(shù)，其他擋位選用另一種模數(shù)，很少情況下會(huì)選同一種模數(shù)，而倒擋齒輪選用的模數(shù)往往與一擋接近。

對(duì)于直齒輪，壓力角為28°時(shí)強(qiáng)度最高，超過28°時(shí)強(qiáng)度增加不多；對(duì)于斜齒輪，壓力角為25°時(shí)強(qiáng)度最高。乘用車為了增加齒輪重合度來降低噪聲應(yīng)選15°或16°等較小的角度，而商用車為了提高齒輪承載力應(yīng)選22.5°或25°等較大的角度。

3.2 螺旋角和齒寬

螺旋角的選取對(duì)于變速器中的斜齒輪有著很大影響，這包括齒輪工作時(shí)的噪聲大小，齒輪輪齒的強(qiáng)度以及軸向力等。在進(jìn)行螺旋角選擇時(shí)，可以通過選取較大一些的螺旋角來加大齒輪輪齒之間相互嚙合的重合度，從而使齒輪工作更加平穩(wěn)，并減小其工作噪聲，但螺旋角不宜過大，以免造成輪齒的抗彎強(qiáng)度降低。為了增加低檔位齒輪的抗彎強(qiáng)度，角度以15°～25°為宜；而為了提高高擋位齒輪的接觸強(qiáng)度，應(yīng)當(dāng)選較大的角度。對(duì)于乘用車變速器：兩軸式變速器為20°～25°，中間軸式變速器為22°～34°；而對(duì)于貨車變速器：18°～26°。變速器中間軸上的齒輪均會(huì)采用右旋的旋向，而其他軸的齒輪采用左旋。

對(duì)于齒寬，當(dāng)選取的齒寬較小時(shí)，變速器的軸向尺寸和質(zhì)量就會(huì)減小，但是齒輪的傳動(dòng)平穩(wěn)性也會(huì)被削弱。通常根據(jù)齒輪模數(shù)m（mn）的大小來選定齒寬：直齒b=kcm，kc為齒寬系數(shù)，取為4.5～8.0；斜齒b=kcmn，kc取為6.0～9.0。b為齒寬(mm)。

3.3 齒頂高系數(shù)

對(duì)于各檔位齒輪來說，其重合度、輪齒強(qiáng)度、工作噪聲、輪齒根切以及齒頂高厚度均與齒頂高系數(shù)有關(guān)。選擇較小的齒頂高系數(shù)，重合度就會(huì)小并減少輪齒的彎曲應(yīng)力，但會(huì)有較大的工作噪聲。因而在齒輪的加工精度不高時(shí)，就采用過短齒制齒輪，其齒頂高系數(shù)大小為0.75～0.80；在提高了齒輪的加工精度之后，就不再采用短齒制齒輪，而規(guī)定了以1.00為標(biāo)準(zhǔn)的齒頂高系數(shù)。同時(shí)，有時(shí)候?yàn)榱藵M足提高重合度和降低噪聲的條件，一些變速器也會(huì)采用大于1.00的齒頂高系數(shù)的細(xì)高齒制。

3.4 變位系數(shù)

在變速器齒輪設(shè)計(jì)中，變位是很重要的一環(huán)，所以選擇合適的變位系數(shù)相當(dāng)重要。變位不僅可以使齒輪避免根切的產(chǎn)生并對(duì)中心距進(jìn)行配湊，而且對(duì)于齒輪的強(qiáng)度和使用平穩(wěn)性及齒輪的嚙合噪聲均有著很大影響。為了減小變速器的噪聲，應(yīng)使較高檔位齒輪的總變位系數(shù)選用小一些，通常情況下，最高擋和一軸齒輪副選為-0.2～0.2，而隨著擋位降低，變位系數(shù)逐擋增大。一擋齒輪的變位系數(shù)可以選用1.0以上。

4 各擋位齒輪齒數(shù)的分配及輪齒的強(qiáng)度計(jì)算

在對(duì)齒輪齒數(shù)進(jìn)行分配時(shí)，首先要依據(jù)最初選好的中心距、齒輪模數(shù)和螺旋角，然后再根據(jù)變速器的擋數(shù)、傳動(dòng)比和傳動(dòng)方案來進(jìn)行分配。但是為了盡可能的使各齒輪的齒面磨損均勻，我們?cè)谶x擇時(shí)應(yīng)使各檔齒輪的齒數(shù)比盡可能不為整數(shù)。

4.1 確定一擋齒輪齒數(shù)

通過選取的中心距和模數(shù)來計(jì)算齒數(shù)和：直齒斜齒對(duì)于計(jì)算出的齒數(shù)和進(jìn)行取整，然后通過選定的傳動(dòng)比來分配大、小齒輪齒數(shù)。而對(duì)于中間軸式變速器來說，中間軸的軸徑尺寸對(duì)于軸上的小齒輪的最少齒數(shù)有著一定的限制，也就是剛度的限制，所以在對(duì)其進(jìn)行選定時(shí)，要同時(shí)考慮到軸的尺寸及齒輪的齒數(shù)。不同的車型所對(duì)應(yīng)的中間軸一擋齒輪的齒數(shù)也不相同，乘用車在15～17范圍內(nèi)選取比較好，而貨車則是在12～17范圍內(nèi)選取較好。

4.2 修正中心距和確定其他擋位齒輪齒數(shù)

在對(duì)齒數(shù)和進(jìn)行取整處理后，相應(yīng)齒輪間的中心距也會(huì)發(fā)生變化，所以我們要對(duì)中心距進(jìn)行一定的修正。通過取整后的齒數(shù)和zh以及齒輪的變位系數(shù)來對(duì)中心距A進(jìn)行修正，用以計(jì)算其他擋齒輪齒數(shù)。其他擋位齒輪的齒數(shù)可以根據(jù)相應(yīng)的傳動(dòng)比，修正后的中心距以及對(duì)應(yīng)的模數(shù)和螺旋角來計(jì)算出來。

4.3 計(jì)算輪齒的強(qiáng)度

變速器齒輪的主要損壞形式有：齒輪折斷、齒面疲勞剝落、移動(dòng)換擋齒輪端部破壞以及齒面膠合等，所以確保齒輪的強(qiáng)度也很重要。對(duì)于輪齒強(qiáng)度的計(jì)算主要依據(jù)輪齒的彎曲強(qiáng)度和接觸應(yīng)力兩個(gè)方面。利用相應(yīng)的公式和參數(shù)，可以計(jì)算出各齒輪輪齒對(duì)應(yīng)的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力大小，看是否符合強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003:25-49

[2]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:人民交通出版社,1993:275-404

[3]黃鵬.變速器齒輪參數(shù)的選擇[J].機(jī)械工程師,2006(01).

[4]劉博軍.變速器設(shè)計(jì)[M].長(zhǎng)春汽車研究所,1998:102-152

作者簡(jiǎn)介：戚文強(qiáng)（1990-），男，河南開封人，碩士研究生，研究方向：車輛傳動(dòng)技術(shù)與CAE技術(shù)在工程中的應(yīng)用。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.220