双副轴变速器的浮动问题探讨

丁根发

（中国重汽集团大同齿轮有限公司技术中心，山西 大同 037305）

引言

目前国内外使用最广泛的工程车用变速器是双副轴变速器，尤其在重卡领域双副轴变速器的优越性更是无法比拟。双副轴变速器技术已日趋成熟，在提高可靠性、延长寿命和降低噪音方面有显著改善。

采用双副轴设计，可以减小各轴中心距，可以减小各挡齿轮的直径、宽度并可以减小各轴直径，从而使变速器尺寸减小、重量降低，实现变速器的轻量化。采用浮动结构后，装配工艺比较复杂，装配时需要进行对齿，带同步器较难，目前普遍采用不带同步器。而且由于齿轮处于浮动状态，与齿轮相连接的锥环和同步环都处于浮动状态，如果带同步器的话，换挡过程中很难保证同步环与齿套同心，会有不同程度的冲击，导致同步器早期损坏，所以双副轴变速器带同步器需要解决浮动量的问题。

1 双副轴变速器的浮动结构

双副轴变速器的主要设计特点是：变速器内有与主轴在一条直线上的两根相同副轴，导致主轴上的齿轮需要同时与两个副轴上的齿轮啮合。在啮合过程中，由于各种误差的存在，会造成主轴齿轮在啮合过程中回转中心不固定，导致主轴齿轮无法与双副轴上的齿轮正确啮合，出现啮合干涉，加剧齿轮磨损，甚至卡死等现象。比如：副轴齿轮与轴连接时的各齿轮对齿误差、齿轮加工制造误差、各轴安装误差和主轴齿轮装配过程中的对齿误差等。为了解决主轴齿轮在啮合过程中回转中心不固定的问题，双副轴变速器必须采用浮动的结构，让主轴上的齿轮自动定心。

双副轴变速器有三种浮动方式［1］。

1）主轴浮动。输入轴和两根副轴都通过轴承固定安装在壳体上，输入轴和副轴上各挡齿轮绕定心回转，主轴后端通过轴承安装在壳体上，与轴承间隙配合，前端通过轴套安装在输入轴轴孔内，与轴套间隙配合，主轴没有固定，呈浮动状态。一般在不带副变速器的双副轴结构使用较多。这种方式的浮动方便带换挡同步器，但是由于变速器运转过程中，主轴各挡位齿轮与副轴齿轮始终保持啮合状态，由于每个齿轮的大小、参数、装配误差的不同，浮动量大小方向也不同，这样就容易造成运转过程中各挡位齿轮相互影响，会造成需要的换挡的齿轮出现偏载，而影响到同步器换挡的平稳性能，所以实际应用中很少使用同步器。

2）齿轮浮动。输入轴通过轴承安装在壳体上，两根副轴同样通过轴承固定安装在壳体上，输入轴和副轴各档齿轮绕定心回转，主轴后端通过轴承安装在壳体上，与轴承过盈配合，前端通过轴套安装在输入轴轴孔内，与轴套小过盈配合，主轴固定。主轴齿轮由两个副轴齿轮支撑，与主轴没有任何受力关系。力矩的传递是通过套在主轴花键上的滑动齿套，或者通过与固定在主轴上的齿座结合的滑动齿套接合，为了浮动装配，主轴齿轮内孔和主轴之间应留有一定量的间隙，从而保证主轴齿轮的浮动，以达到运转过程中主轴齿轮自动定心的效果。这种浮动方式一般多用于副箱是双副轴结构的情况，这种方式目前使用换挡同步器比较多，但是同步器的可靠性都不高。

3）主轴及主轴齿轮都为浮动。结构上实现的方式为：主轴前端通过轴套安装在输入轴轴孔内，与轴套间隙配合，后端与副箱驱动齿轮通过花键连接，花键与齿轮之间有较大的间隙，来实现主轴的浮动。主轴齿轮空套在主轴上，通过滑动齿套和齿轮的内花键结合传递力矩，滑动齿套和齿轮内花键间隙配合，主轴齿轮由两个副轴齿轮支撑，来实现主轴齿轮浮动。这种浮动方式多用在带副箱的主箱双副轴结构情况，目前大多数厂家都不带换挡同步器。

2 浮动量的计算

2.1 双副轴变速器结构

典型的主副箱都是双副轴结构的变速器（如图1），主箱部分为主轴和主轴齿轮都浮动，换挡不带同步器，副箱部分为主轴齿轮浮动，换挡带同步器。

图1 双副轴变速器结构

2.2 主轴浮动原理

主轴浮动原理（如图2），主轴上的齿轮中心由两个副轴上的齿轮确定，主轴齿轮的中心偏移位置（如图3）。

2.3 主轴浮动量计算

图2 主轴浮动原理

图3 主轴齿轮中心位置偏离

装配过程和制造过程中会产生各种各样的误差，使得对齿的两个副轴齿轮有相对的转角，这个转角直接影响主轴齿轮浮动量，由于转角产生浮动的过程（如下页图4），与副轴装配误差和齿轮制造误差的大小有关，理论上双副轴变速器第m挡主轴上齿轮的浮动量为［1］：

式中：δm为第m挡主轴齿轮的浮动量；zm中为副轴上m 挡齿轮齿数；zm2主轴上m 挡齿轮齿数；ΔF′im中为副轴第m 挡齿轮切向综合误差；ΔF′im2为主轴上第m挡齿轮切向综合误差；ΔF′i1为输入轴输入齿轮切向综合误差；ΔαmA为副轴A上m 挡齿轮对齿误差；Δα′mB副轴B上m挡齿轮对齿误差。

图4 转角偏差对浮动量的影响

实际工作中，制造误差很难测得，副轴中心和副轴齿轮位置偏差可以测得，主轴齿轮的中心位置偏差常按以下方法计算：

1）由于副轴中心位置误差导致主轴中间位置偏离的计算。如下页图5所示，副轴1中心偏离理论位置中心a1、b1，副轴2中心偏离理论位置中心a2、b2，主轴中心偏离理论位置中心a3、b3：

图5 副轴中心位置误差导致主轴中间位置的偏离

实际啮合中心距为：

渐开线角：θB＝tanαB－αB

2）由于副轴齿轮齿面位置偏离出现的主轴中心位置偏离的相关计算。如图6所示，主轴中心偏离理论位置中心a4、b4，实际啮合中心间距离B：

图6 副轴齿轮齿面位置偏离出现的主轴中心位置偏离

啮合压力角：

渐开线角：

中心线啮合轴倾角：

中心线渐开线起点角：

中间轴齿轮齿面位置偏离角度：

图7 主轴齿轮中心偏差位置

3）由于1）和2）的偏离，导致主轴齿轮中心偏差：

3 结语

虽然对浮动量及其影响进行多方面的研究，浮动量的计算也有多种公式，但在实际的应用过程中，由于制造误差的复杂性，各种偏差测量时误差的不确定性，很难准确判断每台变速器的浮动量，所以浮动量对同步器、齿轮啮合等的影响也很难确定，仍需进一步研究。

［1］ 艾晓南.商用车双副轴变速器关键技术研究［D］.长春：吉林大学，2012，5.