汽车变速器齿轮设计及问题研讨

徐欣 孙延兵

摘要：齿轮载荷谱的制定、齿轮的修形、以及齿轮噪声指标的确定和重合度是汽车变速箱齿轮设计过程中的重要内容，本文针对这四个方面进行一些初步的探讨。

关键词：齿轮载荷谱、压力角、齿轮噪声指标、齿形修整、重合度

中图分类号：TH132.41 文献识别码：A

在实际的汽车变速器齿轮的设计应用中，强度和结构这两个重要的原因使变位齿轮的使用越来越广泛。其中值得进行探讨的是高硬度齿面正变位齿轮的设计，其设计具有一定的独特之处，下面对这几个问题进行探讨。

确定模數、压力角、齿轮齿数、螺旋角等参数是传统机械式汽车变速箱齿轮设计中直接影响齿轮的噪声和强度的重要因素。变速箱的选用中有对以上参数的相关计算公式。同时齿轮的相关尺寸和强度也可以依据相关公式得到准确的数据，本文就不再重复。由于计算机的快速发展及普及，在汽车变速箱齿轮的设计上应用计算机软件进行齿轮的设计成为可能，同时也更加精确。但是不能仅仅依赖软件，它只是辅助计算的一种工具，更加合理地齿轮还是必须由人来进行研究设计。

一、齿轮载荷谱的制定

齿轮强度计算中最重要的一步是齿轮载荷谱的制定。齿轮承受应力是利用理论最大载荷计算得出并与齿轮材料的许用应力进行比较，从而得到汽车齿轮的“安全系数”。不过通过理论计算得出的结果与齿轮实际使用过程中还是有很大的差别。以下列举一些差别：

1、齿轮载荷的差别

在齿轮的现实使用中，因为紧急停车、起步、以及路况等因素，齿轮不会总是恒定地承载额定的载荷，这样就会让变速箱等传动系零部件，造成大大高出额定载荷的冲击载荷。但是汽车在路面状况良好的状态下行驶时载荷又小于额定载荷。因此在确定试验方式时，在技术上要进行精确的处理。比如除去大于120%以上和小于50%以下的峰值载荷或者直接用额定载荷。

2、齿轮工作循环次数的差别

不同档位的齿轮工作循环次数在实际的使用过程中一定是不同的。不同车型即使使用同一变速箱其使用工况也是有差异的。例如工程自卸车和牵引车，他们的使用有着本质的不同。

工程自卸车高档区齿轮的使用效率较牵引车低，这是因为牵引车通常是在高速公路或者路况比较好的路面行驶。同时牵引车的倒档以及低档的利用效率又比工程车低。因此变速箱的所匹配车型的具体使用用途对于制定载荷谱来说是很重要的。尽量做到“因车而异”

基于以上两点差别，在实际的齿轮设计中，工程技术设计人员通常要对同类产品进行对比并根据自己多年的经验进行设定一个相对安全允许强度即“经验值”。同时其他方面也有很多的不同，比如制造工艺、工况、档位、材料甚至许用值也是不同的，这些只能定量的计算，只能定性的分析。

既然有这么多的不同，那怎样才能在设计过程中根据道路载荷谱精确的确定设计载荷谱呢？通过试验可以确定齿轮材料的抗疲劳性能，这是基本的常识，疲劳破坏经历的不同循环次数N，是在不同应力下产生的。这样就可以得到关于循环次数N和应力的疲劳曲线，高周疲劳通常会引起车辆变速箱齿轮的失效，因此齿轮材料的循环次数不能低于 高周疲劳有限寿命。

二、齿轮噪声指标的研究

减少齿面啮合的摩擦力和滑动比的两个突变量是齿轮设计过程中降低噪声的两个主要因素。由于齿轮齿面啮合时的接触滑动很大，齿轮基圆周围的渐开线的曲率变化也非常大，所以在基圆周围齿轮传递力的时候，力受齿轮齿面光洁度的影响很大，同时力也变化的非常激烈，这样就很容易使齿轮牙齿产生振动，在齿轮运转过程中发出很大的噪声。为了避免产生很大的噪声，在齿轮设计时，应使基圆和啮合起始圆ds之间保持很远的距离，越远越好。不过距离很远的话这样就与齿形重合度和长齿制有了矛盾，因为齿形重合度和长齿制也可以降低齿轮噪声，所以在设置远离基圆的距离是要有一定的范围。有的企业把基圆的径向与啮合起始圆的距离设置在不小于0.010英寸，而有的公司规定啮合起始压角大于8度。而一般采用的是 与 的径向距离大于1/5的法向齿距。总之不管哪个公司采用什么样的标准进行设计，总的原则都是使啮合起始圆 尽量的远离基圆。如果想要计算啮合起始点距离基圆的距离或啮合起始压角，可以借助计算机以及相关软件进行精确的计算。

1、噪声指标

相配齿轮的齿顶圆直径 的大小决定了啮合起始圆 的大小，相配齿轮的外直径越小，啮合起始圆 越大，距基圆的距离越远。而变位系数的大小和齿高系数 的大小又决定了相配齿轮的外直径，所以，要合适的分配两个齿轮的变位系数应满足 这样的条件。

2、噪声指标

降低噪声还有另一个噪声指标 ，这是针对升速较大的齿轮采用的一种方法，因为采用一个办法达不到降低噪声的目的，因此通过控制 和 两种噪声指标来达到降低噪声的目的。

进弧区是啮合起始圆到主动齿轮的节圆的这节齿形部分，退弧区是齿顶到齿轮节圆的这节齿形部分。齿轮在啮合传动中，齿面会产生摩擦力，并发出噪声。噪声最大的时候是齿面的接触由进弧转到退弧，这时发生突变针对这一突变，为了降低噪声，要采用进弧小于退弧的设计，当进弧区不大于零的齿轮副时，噪声是最低的。因此增大主动齿轮的外直径和减小从动齿轮的外直径，满足 的设计

三 齿轮重合度对齿轮的影响

齿轮在运行中齿数是改变的齿轮载荷发生突变和形成冲击力，是因为齿轮接触的齿数通常是发生变化的，此时也是啮合噪声和齿轮强度影响最大的时候。在无尺寸偏差、无变形的几何齿轮的啮合基础上，载荷越平稳，噪声越低这是理论结果，但是在实际中未必是这样的。

四、齿轮的修形

减小齿轮的振动噪声，齿轮的修形是必不可少的，做好齿轮修形对于延长齿轮的使用寿命和提高齿轮的承载力都有很大的好处。

通过计算齿形重合度进行确定齿形修整 。 原则就是将齿形内的多齿啮合区修形 。 通常认为修形后理论啮合全部为单齿啮合。 以下介绍三种种方法 ：

① 车辆配对齿轮不修，只修齿根和单个齿轮齿顶两个部位

② 修形两个齿顶

③ 一对齿根、齿轮齿顶都修形

在实际的修形过程中为了让每个齿轮的修整量都小一些，对两个齿轮同时修整是比较常用的，载荷突变的起始点是修形的起始高度，开始从单齿啮合区向齿顶修形，起始圆半径的计算法如下：

式中：

结束语：

本文针对汽车变速器齿轮的设计进行一些问题的粗浅的探讨研究，通过对齿轮载荷谱的制定、齿轮的修形、以及齿轮噪声指标的确定和重合度的设计计算，更加的了解到齿轮在设计过程中的精密性以及对车辆安全行驶的重要性，同时也了解到一些理论的计算结果与实际的使用过程中还是有很大的差别的，在设计过程中有的计算运用到计算机及相关软件计算出结果，但是在实际的运用过程中并不是很合理。因此在设计时一定要结合实际进行研究设计，设计出的齿轮才有实际用处才能更加符合匹配车辆的使用。

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