汽車(chē)變速箱齒輪的高強(qiáng)度優(yōu)化探討

金陽(yáng)

摘 要：汽車(chē)變速箱齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)重要組成部分，齒輪變速箱的振動(dòng)性能對(duì)汽車(chē)的整體性能影響較大。本文分析了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的原因，針對(duì)這些因素探討齒輪修形提高齒輪精度的的方法。為降低汽車(chē)變速箱噪音，提高傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪壽命提供參考。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)變速箱；齒輪；優(yōu)化

1 引言

隨著汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車(chē)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫慕煌üぞ?，隨著人們對(duì)汽車(chē)乘坐舒適度及環(huán)保要求的不斷提高，汽車(chē)往更加智能化和環(huán)保的方向發(fā)展。變速箱的振動(dòng)問(wèn)題對(duì)汽車(chē)的整體性能有較大影響，隨著汽車(chē)變速箱的不斷集成化、功能多樣化及傳動(dòng)功率不斷增大，汽車(chē)變速箱的噪音問(wèn)題受到了越來(lái)越多的關(guān)注。變速箱的振動(dòng)噪聲主要來(lái)自于齒輪、齒輪箱、齒輪軸及軸承之間的配合誤差及加工精度，控制變速箱的振動(dòng)的有效方法是控制齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲，也有利于提高齒輪的使用壽命及汽車(chē)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲問(wèn)題及分析

2.1 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)原因

汽車(chē)變速箱的主要功能是根據(jù)駕駛環(huán)境及路況需要調(diào)整齒輪系統(tǒng)傳動(dòng)比，使汽車(chē)能順利通過(guò)特定路面或在各種環(huán)境中行駛，汽車(chē)齒輪變速箱主要包括變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（傳遞速度和扭距）及變速操縱機(jī)構(gòu)。在汽車(chē)行駛的過(guò)程中，變速箱齒輪嚙合狀態(tài)隨時(shí)間在不停的發(fā)生變化，屬于多軸多層次的動(dòng)態(tài)振動(dòng)的系統(tǒng)。

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)零部件并非剛體，各種材料在屈服極限范圍內(nèi)都具有一定的彈性，受到動(dòng)態(tài)激勵(lì)時(shí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)響應(yīng)引起振動(dòng)。主要包括齒輪嚙合外部激勵(lì)和齒輪副內(nèi)部激勵(lì)。外部激勵(lì)形成的主要因素有發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩及轉(zhuǎn)速波動(dòng)、齒輪偏心、齒輪不符合動(dòng)平衡要求、離合器的非線(xiàn)性及滾動(dòng)軸承的時(shí)變剛度等。內(nèi)部激勵(lì)是由于輪齒動(dòng)態(tài)嚙合力引起，主要因素有齒輪誤差、輪齒的受載變形、輪齒嚙合對(duì)數(shù)的變化等。

3 變速箱齒輪修形

汽車(chē)行駛過(guò)程中，由于加工誤差和彈性變形等因素，汽車(chē)變速器齒輪嚙入和嚙出的時(shí)候偏離標(biāo)準(zhǔn)嚙合線(xiàn)引起沖撞和干擾，引發(fā)變速箱抖振，如果與外部結(jié)構(gòu)之間發(fā)生共振，將產(chǎn)生較大的噪聲，針對(duì)這種類(lèi)型的振動(dòng)，單純的依靠加工工藝或安裝技術(shù)，并不能達(dá)到較好的成效，還會(huì)造成齒輪加工成本及變速箱制造成本提高。因此，齒輪修形技術(shù)在解決嚙合沖擊引起的汽車(chē)噪聲問(wèn)題中具有重要的作用，利用齒輪修形技術(shù)可有效消除幾何干涉發(fā)生時(shí)的載荷變化，使嚙合過(guò)程載荷平均分布，降低嚙合沖擊，提高齒輪強(qiáng)度及齒輪運(yùn)行的穩(wěn)定性能。利用傳動(dòng)系統(tǒng)仿真分析軟件可方便地得到變速箱振動(dòng)噪音的數(shù)據(jù)，得到最佳修形方法，便于對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 齒輪修形原理

圓柱齒輪嚙合過(guò)程中單齒嚙合與雙齒嚙合交替進(jìn)行，輪齒受到的接觸載荷是周期性變化的。單齒嚙合與雙齒嚙合交替時(shí)，會(huì)引起齒輪的載荷明顯的突變。傳動(dòng)系統(tǒng)零部件制造過(guò)程中必然存在誤差，標(biāo)準(zhǔn)的漸開(kāi)線(xiàn)齒輪在進(jìn)入嚙合及嚙出時(shí)會(huì)發(fā)生幾何干涉，另外，材料性質(zhì)決定齒輪在受力時(shí)存在彈性變形，這會(huì)導(dǎo)致主動(dòng)輪齒輪相對(duì)從動(dòng)齒輪發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，引起附加的彈性變形，產(chǎn)生嚙合沖擊。

3.2 齒形修形方法

齒輪形修形量與輪齒嚙合時(shí)產(chǎn)生的變形量和加工誤差有關(guān)，齒輪生產(chǎn)企業(yè)都有對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法及標(biāo)準(zhǔn)，在選擇修形曲線(xiàn)時(shí)應(yīng)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及修行工藝等因素，遵循以下原則：①修形后的齒輪副在嚙合時(shí)，輪齒載荷應(yīng)該平滑變化；②修形后的齒輪嚙合過(guò)程中有抵抗非額定載荷引起的沖擊及噪聲的能力；③ 修形曲線(xiàn)要符合現(xiàn)有的加工工藝，滿(mǎn)足實(shí)際工況要求。

齒形修形主要包括齒頂修緣（去除齒輪頂部的材料）和齒根修形（去除齒根相近部位的材料）。齒形修形時(shí)可同時(shí)對(duì)主動(dòng)輪及從動(dòng)輪齒輪采用修形，也可選其中便于修形的齒輪進(jìn)行修形處理。由于齒輪根部修形會(huì)降低齒輪的強(qiáng)度，所以一般同時(shí)對(duì)兩個(gè)齒輪分別進(jìn)行修形處理。在齒頂圓直徑處修整的過(guò)程中，嚴(yán)格控制頂部倒角，以免降低齒輪嚙合重合度。

3.2.1 修形量

齒輪修形的關(guān)鍵位置是齒頂或齒根，這些區(qū)域的修行量需要精確計(jì)算，

⑴

其中：δi-齒輪在嚙入、嚙出位置產(chǎn)生的最大干涉量（由誤差引起），mm；

xmax-齒輪嚙入產(chǎn)生的最大綜合變形量（標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線(xiàn)齒輪），mm

式（1）中xmax的計(jì)算公式為：

xmax= ⑵

其中：Fd-齒輪的法向嚙合力，N；

Kvi-嚙合齒對(duì)總嚙合綜合剛度，N/m；

由公式（2）可知，最大綜合變形量與嚙合力成正比，與綜合剛度反比，當(dāng)嚙合力一定時(shí)，在輪齒嚙入或嚙出位置時(shí)最小，xmax有最大值，當(dāng)齒輪重合度小于2時(shí)，

∑Kvi=Kv1+Kv2 ⑶

式中：Kv1-齒對(duì)在嚙合位置1時(shí)的綜合剛度，N/m；

Kv2-齒對(duì)在嚙合位置2時(shí)的綜合剛度，N/m；

當(dāng)齒輪重合度小于2時(shí)Kv1、Kv2可按下式求得：

Kn=（KzKpv+KcKpv+KcKz）/KcKzKpv ⑷

其中：Kz-主動(dòng)輪在嚙合位i（i=1，2）處的剛度，N/m；

Kc-從動(dòng)輪在嚙合位置i（i=1，2）處的剛度，N/m；

Kpv-由接觸變形引起的剛度，N/m；n

式⑷中Kz、Kc及Kpv可按下式計(jì)算：

k=Fi/δ∑i ⑸

其中：Fi-輪齒在i處嚙合點(diǎn)的法向嚙合力，N；

δ∑i-嚙合點(diǎn)處沿嚙合線(xiàn)方向的綜合變形量，mm。

3.2.2 修形長(zhǎng)度與修形曲線(xiàn)

修形長(zhǎng)度L的公式為：

L=（Z-Pb）/2 ⑹

其中：Z-嚙合線(xiàn)長(zhǎng)度，mm；

Pb-基節(jié)長(zhǎng)度，mm。

修形曲線(xiàn)Δ計(jì)算公式為：

Δ=Δk（x/L）b ⑺

其中：Δk-最大修形量，mm；

L-測(cè)量的嚙合線(xiàn)上界點(diǎn)到嚙合終點(diǎn)或始點(diǎn)的長(zhǎng)度，mm；

x-嚙合位置的相對(duì)坐標(biāo)；

b-冪指數(shù)，b=1時(shí)修形曲線(xiàn)為直線(xiàn)，b=2的修形曲線(xiàn)為拋物線(xiàn)

3.2.3 鼓形齒的修整

汽車(chē)變速箱運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪和軸會(huì)發(fā)生微小的彈性變形，變速箱體也因受力變形，在加工過(guò)程中，齒輪、軸、軸承、箱體等零部件會(huì)出現(xiàn)加工誤差和測(cè)量誤差，這些因素有可能造成齒端突然接觸，引起傳動(dòng)系統(tǒng)沖擊，因此，可通過(guò)鼓形齒的方法進(jìn)行齒向修整，提高齒輪傳動(dòng)精度。鼓形齒的修整需要選取合適的鼓形量（0.01～0.15mm），鼓形量的選取要結(jié)合變速箱實(shí)際工況及傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的材料，可通過(guò)多次試驗(yàn)進(jìn)行選取。

4 結(jié)論

汽車(chē)變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性與齒輪的使用壽命及傳動(dòng)效率有直接關(guān)系，隨著汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展，變速箱齒輪嚴(yán)重磨損或輪齒折斷這些破壞現(xiàn)象已經(jīng)很少發(fā)生，齒輪強(qiáng)度優(yōu)化的方向是齒輪的修形處理，齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中可利用仿真軟件得到有效的數(shù)據(jù)。參考這些數(shù)據(jù)，優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)形式，提高齒輪精度，降低變速箱噪音，提高傳動(dòng)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉煬，孫飛楊，周曼莉.基于KISSsoft的電動(dòng)汽車(chē)變速箱齒輪修形優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè)，2018，44（10）：17-20+28.

[2]李振東.汽車(chē)變速箱修形齒輪的應(yīng)用及對(duì)噪聲和傳動(dòng)誤差的影響[J].電子測(cè)試，2017（Z1）：105-106.

[3]趙韓，黃青青，黃康，晏偉清，馮永愷.純電動(dòng)汽車(chē)二擋變速箱齒輪接觸疲勞壽命研究[J].機(jī)械傳動(dòng)，2016，40（08）：6-10.

[4]劉奇先.汽車(chē)變速箱齒輪CO2激光焊接熱過(guò)程的有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].熱加工工藝，2012，41（15）：148-150+154.

[5]郭磊，郝志勇，蔡軍，劉波.汽車(chē)變速箱齒輪傳動(dòng)系動(dòng)力學(xué)振動(dòng)特性的研究[J].振動(dòng)與沖擊，2010，29（01）：103-107+240.

[6]邵晨，艾維全，盧曦.轎車(chē)變速箱齒輪磨合次數(shù)對(duì)疲勞壽命影響的試驗(yàn)研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2005（0）：541-543.