齿轮参数对传动效率的影响研究

卫少帅　董凡　王海亮　王鹏

【摘  要】本文首先梳理了齒轮传动效率计算的方法与公式，在此基础上，以一对相互啮合的齿轮为研究对象，进行了齿面粗糙度、齿顶高系数、压力角、螺旋角、模数等齿轮参数对齿轮传动效率的影响分析。结果显示，齿面粗糙度、齿顶高系数的变动对传动效率的影响较大，压力角、螺旋角对齿轮传动效率的影响较小，并完成了不同参数对传动效率的趋势分析。

【关键词】齿轮参数、传动效率

前言

目前，在商用车领域，关于节能减排的呼声日益提升，作为商用车重要零部件之一的变速箱，聚焦其整箱的效率研究也越来越受到各大科研机构与知名公司的关注，但对于其中齿轮参数的研究较少，因此研究齿轮参数对啮合效率的影响变成了亟待解决的问题。本文以变速箱中一对啮合齿轮为研究对象，研究齿轮参数对传动效率的影响关系。

1 齿轮啮合效率分析模型

2 齿轮啮合效率分析

本节以一对相互啮合的齿轮为研究对象，齿轮参数如表1所示。设置输入转速n=2000rpm，输入扭矩T=3000Nm，采用单因素控制法，进行不同齿轮参数如齿面粗糙度、模数、压力角、螺旋角、齿顶高系数、齿数和对啮合效率的影响研究。

齿轮齿面粗糙度对齿轮副传动效率的影响如图1所示。由图中数据可知，当粗糙度由Ra1.0提高至Ra0.2时，齿轮传动效率提升显著，增长可达0.5%。工程中可采用如珩齿、齿面超精加工的方式来提高齿轮表面的粗糙度，进而可提高齿轮装置的传动效率。

齿轮压力角对齿轮副传动效率的影响如图2所示。国标推荐常用压力角为20°，实际在工程应用过程中，压力角的选择也常在20°上下波动。由图2中数据可知，当压力角在20°上下±2.5°波动时，传动效率仅有±0.1%的波动，变化较小，可见压力角的变动对传动效率的影响较低。不过在压力角的合理变动范围内，压力角的增大有利于提高齿轮的传动效率。

齿顶高系数对齿轮副传动效率的影响如图3所示。在齿顶高系数的合理变动范围内，齿顶高系数增大，传动效率降低。当齿顶高系数由1.5降至1.2时，传动效率可提升0.2%。在齿顶高系数的合理变动范围内，其传动效率的提升也进一步增加，其影响较为突出。

螺旋角对齿轮副传动效率的影响如图4、图5所示。由公式可知，在齿轮设计过程中，在保证啮合齿轮副中心距不变的前提下，齿轮螺旋角、模数及齿数和，三者至少需要有两个发生变动。图4表示，在齿轮副中心距不变的前提下，齿轮螺旋角增大，齿数和变小，在此条件下，随着螺旋角的增大，传动效率呈现降低的趋势。图5表示，在中心距不变的前提下，齿轮螺旋角增大，模数降低，在此条件下，随着螺旋角的增大，传动效率呈二次抛物线变化，先增后减。不过，需要注意的是，螺旋角在10°左右的变动范围内，其传动效率的变动不足0.1%，可见螺旋角的变动对传动效率的影响较小。

3 小结

通过对一对啮合齿轮的参数对传动效率的影响研究，可得出以下结论。

（1）在齿轮参数中，齿面粗糙度、齿顶高系数的变化对效率的影响较为显著，在进行高传动效率系统设计时，提高齿面粗糙度、降低齿顶高系数均可有效提升齿轮的传动效率。

（2）在中心距不变的情况下，螺旋角变化对传动效率的影响较小。但螺旋角变化对效率的影响需结合齿数和与模数的变化情况来分别看待，当螺旋角增大，齿数和减小时，传动效率降低;当螺旋角增大，模数减小时，传动效率先增后减。

参考文献：

[1]李特文 F L. 齿轮几何学与应用理论[M].国楷，译.上海：上海科学技术出版社，2008：103-105.

[2]MAUZ，W. Zahnradschmierung Leerlaufverluste. FVA-Forschungsheft Nr. 185（1985）.

[3]刘骄.齿轮副搅油损失仿真分析及试验研究[D].重庆：重庆理工大学，2019：33-36.