萬(wàn) 斌

(格特拉克(江西)傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，江西 南昌 330013)

一、齒輪設(shè)計(jì)

齒輪精度是影響齒輪異響的重要因子。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)齒輪用齒輪副規(guī)定了13個(gè)精度等級(jí)。0、1、2級(jí)精度目前工藝水平和測(cè)量手段尚難達(dá)到，3-5級(jí)為高精度等級(jí)，6-8級(jí)為中等精度等級(jí)，9-12級(jí)為低精度等級(jí)。其中6級(jí)是基礎(chǔ)級(jí)，也是設(shè)計(jì)中常用等級(jí)，滾齒、插齒等正常條件下所能達(dá)到的等級(jí)。在設(shè)計(jì)齒輪時(shí)，根據(jù)齒輪各項(xiàng)誤差特性和對(duì)傳動(dòng)性能的影響將齒輪公差分三個(gè)組。

第1公差組用于控制傳遞運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，要求齒輪需要準(zhǔn)確地傳遞運(yùn)動(dòng)，要求齒輪在一轉(zhuǎn)中，轉(zhuǎn)角誤差的最大值不能超過(guò)限度，即一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角精度。傳遞運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性的評(píng)定指標(biāo)是齒距累積誤差△Fp、齒圈徑向跳動(dòng)△Fr、徑向綜合誤差△Fi’’?！鱂p反映輪齒在分度圓上分布不均勻的程度，齒距差別越大，累積誤差也越大，對(duì)傳動(dòng)比的影響也越大?！鱂r即加工時(shí)所切出的齒圈回轉(zhuǎn)中心和齒輪孔的中心有偏心，影響齒輪的傳動(dòng)比。△Fi’’是指被測(cè)齒輪與理想齒輪雙面嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，被測(cè)齒輪一轉(zhuǎn)內(nèi)，雙面嚙合中心距的最大變動(dòng)量，嚙合中心距的變動(dòng)，主要是被測(cè)齒輪安裝偏心所引起的徑向誤差，還綜合反映齒形，齒厚均勻性在徑向上的影響。

第2公差組控制傳動(dòng)的平穩(wěn)性(噪聲和振動(dòng))，要求齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，減小沖擊，振動(dòng)和噪聲，這就是需要限制齒輪傳動(dòng)時(shí)，瞬時(shí)傳動(dòng)比的變化，即一齒轉(zhuǎn)角精度。傳動(dòng)平穩(wěn)性的評(píng)定指標(biāo)有齒形誤差△ff和基圓齒距偏差△fpb，△ff是指在齒輪的端截面上，齒形工作部分內(nèi)齒形間的法向距離，異響主要為齒形不好，齒輪副正確嚙合的首要條件是兩齒輪的基圓齒距必須相等，如果有偏差，則在齒輪傳動(dòng)時(shí)，從上一對(duì)輪齒轉(zhuǎn)換到下一對(duì)輪齒的瞬間會(huì)發(fā)生碰撞，沖擊，這個(gè)是產(chǎn)生振動(dòng)，噪音的主要原因。由于在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中是重復(fù)出現(xiàn)的，所以影響齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性。

第3公差組控制載荷在輪齒上分布的均勻性，兩齒輪嚙合時(shí)，齒面接觸面積大小對(duì)齒輪的使用壽命影響很大，齒輪載荷的均勻性由接觸精度來(lái)衡量。齒面接觸性的評(píng)定指標(biāo)有齒向誤差△Fβ和齒輪副接觸斑點(diǎn)。△Fβ是齒輪的軸向誤差，它影響齒長(zhǎng)方向的接觸痕跡的位置和大小，影響齒輪承載能力和使用壽命。接觸斑點(diǎn)在齒面上分布的位置，大小將影響接觸精度，為保證載荷分布均勻，要求接觸面積越大越好。一對(duì)齒輪嚙合，工作面與非工作面間必須留有一定的間隙用來(lái)儲(chǔ)存潤(rùn)滑油使工作齒面形成油膜，減少摩損，補(bǔ)償熱變形，加工誤差等原因引起的側(cè)隙減小，防止卡死。根據(jù)齒輪副的工作條件來(lái)確定合理的側(cè)隙。齒輪精度除了控制以上三組公差，還與齒輪加工方法有關(guān)，齒輪加工工藝不同，齒輪精度不同，如熱后磨齒比剃齒精度可提高3個(gè)等級(jí)，所以提高制造精度和安裝剛性對(duì)變速器的性能也至關(guān)重要。

二、軸承設(shè)計(jì)

軸承在變速器中起支承軸的作用，目的是減少運(yùn)動(dòng)副的摩擦及磨損，提高傳遞效率。軸承部位異響也是變速器的常見(jiàn)故障。

軸承的設(shè)計(jì)主要包括軸承精度、軸承游隙、軸承配合、軸承負(fù)荷性能及工作條件。

軸承精度包括旋轉(zhuǎn)精度和尺寸精度，旋轉(zhuǎn)精度主要是指軸承內(nèi)外圈及端面的跳動(dòng)精度。軸承按其內(nèi)外圈基本尺寸公差分別為普通級(jí)P0，高級(jí)P6，精密級(jí)P5，超精密級(jí)P4及最精密級(jí)P2。軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)情況下，軸承內(nèi)圈常選取 m6 n6 p6，軸承外圈常H7 G7K7；外圈旋轉(zhuǎn)情況下，軸承內(nèi)圈常選取 h6 k6，軸承外圈常選取M6 N6。

軸承配合包括軸承內(nèi)圈與軸配合及軸承外圈與殼體孔配合。軸承配合的選擇非常重要，配合選擇不合理，影響軸承的正確安裝及軸承的正常工作，導(dǎo)致軸承早期磨損或異響。大多數(shù)情況下，滾動(dòng)軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，外圈與孔采用基軸制，內(nèi)圈與軸采用基孔制，常用公差帶如圖1。為了保證高旋轉(zhuǎn)精度，P0，P6級(jí)精度的軸承配合的軸公差等級(jí)取IT6，孔取IT7。與P5 和P4級(jí)精度軸承配合的軸公差等級(jí)取IT5，孔取IT6。一般配合也根據(jù)軸承負(fù)荷來(lái)選擇，承受旋轉(zhuǎn)負(fù)荷的內(nèi)外圈采用過(guò)盈配合，若以間隙配合，在旋轉(zhuǎn)負(fù)荷的作用下，軸承圈產(chǎn)生蠕動(dòng)，造成磨損而異響。軸承內(nèi)圈在負(fù)荷較小時(shí)采取j6，k6配合，在負(fù)荷較大時(shí)采取n6，p6，r6配合。軸承承受軸向力時(shí)軸承內(nèi)圈采用h6-h8配合。軸承安裝在殼體孔中是固定的，則軸承座與殼體孔常設(shè)計(jì)過(guò)盈配合，但配合不宜太緊，孔常選用H6、H7、J6、J7、Js6、Js7等配合，一般情況下，尺寸大的軸承比尺寸小的軸承，空心軸頸比實(shí)心軸頸，薄壁殼體比厚壁殼體，鋁合金比鑄鐵殼體，整體殼體比分件殼體配合緊些。

圖1 滾動(dòng)軸承常用公差帶

軸承游隙包括軸向游隙和徑向游隙，共分為六組，即1、2、0、3、4、5組，游隙大小依次由小到大，0組為基本游隙，游隙是軸承的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，它直接影響到軸承的載荷分布，振動(dòng)，摩擦、溫度、噪音、使用壽命和運(yùn)轉(zhuǎn)精度等。游隙過(guò)小時(shí)，軸承產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，軸承工作時(shí)摩擦發(fā)熱，增加磨損，導(dǎo)致變速器異響。游隙過(guò)大時(shí)，軸產(chǎn)生較大的徑向跳動(dòng)和軸向跳動(dòng)，軸承產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，導(dǎo)致變速器異響。合理的游隙才能確保軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不異常磨損。游隙值根據(jù)大小分三組，一組是基本組(C0)、小游隙組(C2)、大游隙組(C3)根據(jù)不同狀態(tài)，常評(píng)估C0和C3狀態(tài)。軸承游隙分為初始游隙，軸承安裝后游隙及有效游隙，有效游隙是指軸承在安裝游隙上加減因軸承內(nèi)部溫差產(chǎn)生的尺寸變動(dòng)量后的游隙，變速器內(nèi)常見(jiàn)軸承游隙如表1。

表1 變速器內(nèi)常見(jiàn)軸承游隙

軸承負(fù)荷性能包括靜負(fù)荷與額定動(dòng)負(fù)荷，額定靜負(fù)荷表征軸承抗永久變形的能力，額定動(dòng)負(fù)荷表征軸承耐疲勞破壞的能力。計(jì)算靜負(fù)荷安全系數(shù)Fs有助于確定所選軸承是否具有足夠的額定靜負(fù)荷。靜負(fù)荷安全系數(shù)FS是防止?jié)L動(dòng)零件接觸區(qū)出現(xiàn)永久性變形的安全系數(shù)。FS =CO/PO(CO額定靜負(fù)荷，PO當(dāng)量靜負(fù)荷)，對(duì)于必須平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)、噪音特低的軸承，F(xiàn)S的數(shù)值要求高；只要求中等運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲的場(chǎng)合，可選用小一些的FS；一般推薦采用下列數(shù)值：FS=1.5-2.5(低噪音等級(jí))；FS=1.0-1.5(常規(guī)噪音等級(jí))；FS=0.7-1.0(中等噪音等級(jí))，軸承在額定動(dòng)互荷的作用下，軸圈發(fā)生變形，軸承配合面受力不均勻，引起松動(dòng)，因此動(dòng)載荷大時(shí)應(yīng)配合緊些，動(dòng)載荷小時(shí)應(yīng)配合松些，一般P≤0.07C(輕載荷)，0.07C≤P≤0.15C(正常載荷)，P>0.15C(重載荷)，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定數(shù)值后，在軸承內(nèi)外圈滾道工作面上就產(chǎn)生疲勞剝落。如果軸承的負(fù)荷過(guò)大，疲勞則加劇。軸承滾道的疲勞剝落會(huì)降低軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，使機(jī)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)和噪聲。正常工作條件下的滾動(dòng)軸承，絕大多數(shù)是因?yàn)槠邳c(diǎn)蝕而失效，所以滾動(dòng)軸承應(yīng)進(jìn)行接觸疲勞壽命計(jì)算。如在過(guò)大的靜載荷或沖擊載荷作用下，滾動(dòng)體和內(nèi)外圈滾道產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致軸承異響等失效。

軸承的工作條件包括軸承安裝和環(huán)境溫度、潤(rùn)滑情況、密封清潔等，工作條件對(duì)軸承的壽命影響很大。軸承安裝不正、軸彎曲等產(chǎn)生滾道剝落現(xiàn)象導(dǎo)致軸承異響。軸承工作摩擦發(fā)熱造成內(nèi)圈溫度高于軸及殼體的溫度，內(nèi)圈熱膨脹引起與軸頸配合過(guò)松，外圈熱膨脹與殼體孔配合過(guò)緊，所有一般在工作溫度高于100℃時(shí)，需要做適當(dāng)?shù)男拚齺?lái)達(dá)到合理的軸承配合工作狀態(tài)。若軸承在密封不可靠、多塵、潤(rùn)滑不充分的環(huán)境下，軸承容易產(chǎn)生磨損導(dǎo)致異響。所以需要確保軸承工作條件，使軸承不會(huì)因?yàn)楣ぷ鳁l件的原因而導(dǎo)致軸承異響等失效。

總之，影響滾動(dòng)軸承配合選用的因素很多，在軸承選型時(shí)必須考慮各種因素，結(jié)合實(shí)際情況，確保軸承選型合理，確保軸承不早期發(fā)生異響等失效。

三、殼體設(shè)計(jì)

殼體類零件是變速器的基礎(chǔ)零件，變速器中的軸齒、撥叉、軸承等依靠殼體支撐確保正確的相互位置并傳遞動(dòng)力。殼體精度主要包括重要孔面精度及潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。重要孔面包括軸承孔，定位銷孔、撥叉軸孔等，如果軸承孔的位置度精度不高，變速器合箱后兩軸承平行度，同軸度差，導(dǎo)致軸彎曲，齒軸嚙合不正而產(chǎn)生的軸承異響，齒輪異響等情況。變速器的潤(rùn)滑系統(tǒng)與殼體設(shè)計(jì)密切相關(guān)，為了變速器內(nèi)部零件得到良好的潤(rùn)滑，殼體需設(shè)計(jì)潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，如圖3軸承部位設(shè)計(jì)油槽，油孔，導(dǎo)油 筋，及為了確保軸承支撐強(qiáng)度，需要合理設(shè)計(jì)軸承座的剛度，軸承孔的壁厚設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，8mm≥軸承孔的徑向壁厚≥6mm，在結(jié)構(gòu)不允許的情況下，最小徑向和軸向壁厚均必須≥3mm，且設(shè)計(jì)后必須通過(guò)CAE強(qiáng)度計(jì)算。

圖2 殼體設(shè)計(jì)

為了潤(rùn)滑充分，變速器內(nèi)需要額外的設(shè)計(jì)導(dǎo)油結(jié)構(gòu)，如圖3，設(shè)計(jì)導(dǎo)油板1，導(dǎo)油孔5，導(dǎo)油筋片3，導(dǎo)油筋片直接壓鑄成型到殼體上，該結(jié)構(gòu)既節(jié)省空間又降低成本，通過(guò)油道導(dǎo)入軸承孔的潤(rùn)滑油在導(dǎo)油筋片的作用下形成壓力差，加速潤(rùn)滑油的輸送速度，將潤(rùn)滑油導(dǎo)送至軸承內(nèi)潤(rùn)滑軸承，潤(rùn)滑油再流入到軸中心孔4，通過(guò)油孔5輸送到齒輪，同步器，滾針軸承內(nèi)部進(jìn)行潤(rùn)滑。如殼體部位不設(shè)計(jì)油孔，油槽及導(dǎo)油筋，則潤(rùn)滑油很難導(dǎo)流到液面以上的零件部位，在潤(rùn)滑條件差的情況下則零件摩擦發(fā)熱，溫度升高，軸承磨損、齒輪燒蝕、疲勞剝落，甚至個(gè)別輪齒斷裂等，在齒輪嚙合時(shí)必然發(fā)出異響。由于軸承安裝在前后殼體上，殼體合箱后兩軸的同軸度必須滿足要求，如圖3中輸入軸前軸承7和輸入軸后軸承6，兩個(gè)殼體如果軸承孔的精度不高，合箱后則輸入軸發(fā)生彎曲，導(dǎo)致齒輪無(wú)法正確內(nèi)核而異響，所以在設(shè)計(jì)殼體時(shí)，要合理設(shè)計(jì)定位銷孔、軸承孔孔徑、位置度，形狀公差等，一般情況下軸承孔的位置度設(shè)計(jì)為0.05，在滿足產(chǎn)品要求的同時(shí)需要根據(jù)工藝的可行性去調(diào)整。

1.導(dǎo)油管 2.殼體油道 3.導(dǎo)油筋片 4.輸入軸中心孔 5.油孔 6.輸入軸后軸承 7.輸出軸前軸承

結(jié)語(yǔ)

造成變速器異響的原因主要有很多，如離合器分離不完全、齒輪碎屑敲擊、螺栓松動(dòng)、駕駛員操作不當(dāng)、潤(rùn)滑油長(zhǎng)期未更換、變速器裝配不當(dāng)?shù)?，本文只是?jiǎn)單的從齒輪是否正確嚙合上淺分析變速器內(nèi)部幾個(gè)重要零件的設(shè)計(jì)來(lái)探討。