淺析變速器齒輪設(shè)計(jì)

蘇釗 王國(guó)偉

摘要：在車輛傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面，越來(lái)越多地使用了兩個(gè)重要的原因，即傳輸?shù)膹?qiáng)度和結(jié)構(gòu)。在這種情況下，高剛度齒輪的設(shè)計(jì)應(yīng)該更深入地研究。在傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)中，模塊、壓力角、速度梯度和螺旋角等參數(shù)是影響機(jī)器噪聲和強(qiáng)度的重要因素。這些參數(shù)的計(jì)算公式是根據(jù)傳輸類型的選擇計(jì)算的。與此同時(shí)，齒輪的尺寸和強(qiáng)度可以根據(jù)相關(guān)公式精確地獲得。

關(guān)鍵詞：汽車變速器;斜齒輪;優(yōu)化設(shè)計(jì)

1制定齒輪載荷譜

1.1齒輪載荷的差別

想要對(duì)汽車變速器斜齒輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，就必須要制定齒輪荷載譜，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)理論最大荷載數(shù)據(jù)、齒輪材料的應(yīng)力數(shù)據(jù)等，確定齒輪結(jié)構(gòu)的承力能力，進(jìn)而確定變速器斜齒輪的安全系數(shù)。然而從實(shí)際情況來(lái)看，理論數(shù)據(jù)和齒輪實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)之間有較大差異。在汽車行駛過(guò)程中，由于路況、汽車駕駛?cè)笋{駛能力等因素的差異，常會(huì)出現(xiàn)緊急起步、緊急停車等狀況，變速器中的齒輪所承受的荷載不可能始終保持穩(wěn)定，而是會(huì)承擔(dān)遠(yuǎn)高于額定值的沖擊荷載;與之相反，在路況較好、不出現(xiàn)緊急制動(dòng)情況的時(shí)候，齒輪承受的荷載又會(huì)比額定荷載更小。所以設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分考慮現(xiàn)實(shí)與理論的差異，適當(dāng)調(diào)整峰值載荷數(shù)據(jù)，保證設(shè)計(jì)可靠性。

1.2齒輪工作循環(huán)次數(shù)的差別

根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況來(lái)看，不同檔位條件下，齒輪工作循環(huán)次數(shù)必然與理論情況有所差異，如果將同一個(gè)變速箱安裝到不同車上，齒輪工作循環(huán)次數(shù)也有一定的不同。比如，大型工程當(dāng)中常見(jiàn)的牽引車及自卸車就有一定的不同，工程自卸車處于高檔位時(shí)，齒輪的使用效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于牽引車齒輪使用效率，這主要是因?yàn)闋恳嚨倪\(yùn)行路況通常比較好，而自卸車則并非如此，另外工程自卸車處于倒擋或低檔位時(shí)，其齒輪利用效率就會(huì)高于牽引車的齒輪效率。所以設(shè)計(jì)人員在制定荷載譜的時(shí)候，必須要充分考慮到變速箱適配的車型，做到具體問(wèn)題具體分析。

通過(guò)對(duì)齒輪載荷的差別、齒輪工作循環(huán)次數(shù)的差別進(jìn)行分析可以看出，設(shè)計(jì)人員并不能完全根據(jù)理論數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是需要根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，設(shè)定既能保證安全性又能保證可靠性的范圍值。同時(shí)，還需要根據(jù)制造工藝、工況、檔位、材料以及齒輪材料的應(yīng)力變化范圍等一系列因素，完成齒輪設(shè)計(jì)的計(jì)算和分析工作。特別需要提到的是，設(shè)計(jì)人員務(wù)必要考慮齒輪材料的金屬疲勞問(wèn)題，根據(jù)應(yīng)力大小、循環(huán)次數(shù)大小繪制相關(guān)曲線，確定二者之間的關(guān)系，合理控制齒輪循環(huán)次數(shù)等，保證變速器斜齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)水平。

2優(yōu)化齒輪噪聲指標(biāo)

齒輪之間通過(guò)互相咬合轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)效果，而齒面之間互相接觸時(shí)必然互相摩擦并做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不可避免地會(huì)發(fā)出一定的噪聲，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行汽車變速器斜齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要采取措施控制齒輪的噪音問(wèn)題。即確?；鶊A和齒合起始圓之間的距離合理性，但這并不意味著需要盡最大可能拉長(zhǎng)這一距離，否則齒輪重合度和長(zhǎng)齒制之間有可能出現(xiàn)沖突，不利于斜齒輪設(shè)計(jì)的優(yōu)化。另外，在處理大升速齒輪設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)合理控制進(jìn)弧區(qū)和退弧區(qū)噪聲指標(biāo)，從而降低斜齒輪運(yùn)行噪聲，一般應(yīng)保證進(jìn)弧小于退弧，并有效增大主動(dòng)齒輪外直徑、減小從動(dòng)齒輪外直徑，最終即可達(dá)到優(yōu)化齒輪噪聲指標(biāo)的效果。另外，需采取措施優(yōu)化齒輪重合度。在齒輪運(yùn)行的時(shí)候，互相接觸的齒輪始終保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此齒輪荷載不可能固定不變，這就會(huì)給齒輪帶來(lái)一定的沖擊力，進(jìn)而造成齒輪運(yùn)行的噪聲問(wèn)題，想要規(guī)避這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員應(yīng)保證齒輪不變形、尺寸無(wú)誤差，并提升齒輪的重合度，從而達(dá)到控制噪聲問(wèn)題的目標(biāo)。

3解決齒輪修形問(wèn)題

3.1確定齒數(shù)

第一，要確定處于一檔位置時(shí)中間軸的齒輪齒數(shù)。根據(jù)傳動(dòng)關(guān)系來(lái)看，中間軸的齒輪最小，因此其變位系數(shù)比較大，稍有不慎就可能出現(xiàn)膠合現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)人員需要合理控制齒輪齒數(shù)，通常情況下，處于一檔位置時(shí)中間軸的齒輪齒數(shù)需大于13。而后，還需要確定處于一檔位置時(shí)二軸的齒輪齒數(shù)，一般情況下此數(shù)量不應(yīng)小于50，但也不能過(guò)高，否則會(huì)造成變速器中心距離脫離其他檔位進(jìn)而無(wú)法正常運(yùn)行。最后，需要合理控制常嚙齒輪傳動(dòng)比，結(jié)合實(shí)際汽車變速器運(yùn)行情況來(lái)看，高速型常嚙齒輪傳動(dòng)比一般不高于1.3，而低速常嚙齒輪傳動(dòng)比一般不低于1.3，根據(jù)我國(guó)汽車變速器生產(chǎn)實(shí)際情況，可控制傳動(dòng)比在1.5左右。

3.2確定齒形

想要解決齒輪修形問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員可從齒輪重合度入手，對(duì)齒形內(nèi)多齒嚙合區(qū)進(jìn)行調(diào)整，使嚙合部分保持單齒嚙合狀態(tài)。常見(jiàn)的策略為：對(duì)齒根部分及單齒輪齒頂進(jìn)行修整;對(duì)兩個(gè)齒頂進(jìn)行修整;對(duì)齒根、齒輪齒頂同時(shí)進(jìn)行修整。設(shè)計(jì)人員可結(jié)合實(shí)際情況選擇修形策略，降低修整步驟。

4合理選擇齒輪參數(shù)

齒輪參數(shù)同樣是重要的齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)理論要求及車輛類型，對(duì)各類參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提升汽車變速器斜齒輪設(shè)計(jì)效果。

4.1模數(shù)和壓力角選擇

模數(shù)是重要的齒輪參數(shù)，模數(shù)越大齒輪的質(zhì)量越輕，而模數(shù)越小齒輪運(yùn)行的噪聲問(wèn)題越輕，因此設(shè)計(jì)人員務(wù)必要根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求，合理控制齒輪模數(shù)。車輛不同、其最佳模數(shù)也不同，比如說(shuō)用于乘坐的車輛一般以靜音為需求，此時(shí)設(shè)計(jì)人員可適當(dāng)選擇較小的模數(shù)、避免噪聲帶來(lái)的乘坐困擾;而用于運(yùn)輸?shù)能囕v一般以降低自重為需求，因此設(shè)計(jì)人員可選擇較大的模數(shù)，從而提升運(yùn)輸車輛載重能力。同時(shí)，不同檔位的齒輪模數(shù)也有所不同，低檔的齒輪模數(shù)最大、其他檔位模數(shù)則隨之遞減，通常不會(huì)出現(xiàn)不同檔位使用統(tǒng)一模數(shù)齒輪的情況。

4.2螺旋角和齒寬

汽車變速器斜齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員最需要關(guān)注的就是螺旋角設(shè)計(jì)問(wèn)題，螺旋角的合理性影響著斜齒輪的諸多性能，比如斜齒輪的強(qiáng)度和軸向力就都受螺旋角的影響。確定螺旋角參數(shù)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡可能提升螺旋角數(shù)值、保證齒輪之間能夠順利嚙合，避免重合度過(guò)低造成的齒輪不穩(wěn)定、齒輪噪聲等問(wèn)題，當(dāng)然螺旋角也不能無(wú)限增加，否則齒輪齒的抗彎強(qiáng)度會(huì)受到影響，難以在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中保持穩(wěn)定。一般情況下，乘用車變速器齒輪螺旋角應(yīng)保持在20°～25°或22°～34°之間;而貨車變速器的螺旋角需保持在18°～26°之間。

結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單的探究了汽車傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的一些問(wèn)題，通過(guò)齒輪的載荷譜，齒輪修復(fù)，以及設(shè)計(jì)計(jì)算齒輪噪聲指數(shù)的方法，更多地了解關(guān)于齒輪精度和車輛的設(shè)計(jì)和安全駕駛的重要性，也學(xué)到了一些理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際使用不是完全相同，計(jì)算過(guò)程中計(jì)算機(jī)與相關(guān)軟件之間存在差異，在實(shí)際使用過(guò)程中并不十分合理。因此，設(shè)計(jì)必須結(jié)合實(shí)際研究，設(shè)計(jì)更接近實(shí)際應(yīng)用的齒輪，也更適合配套車輛的使用。

參考文獻(xiàn)

[1]王軍偉，褚超美，吳佐銘，等.基于Web技術(shù)的汽車變速器軸承校核系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（6）：603-607.