輕型汽車變速箱性能提升設(shè)計探討

王建芳

（中國重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司技術(shù)中心，山西 大同 037305）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，輕型汽車近幾年成穩(wěn)定增長的態(tài)勢，2012年1-10月份已銷售151.9萬輛，同比增長了5%。中高端輕卡不斷推出，滿足了用戶對車輛越來越高的使用要求。目前國內(nèi)輕型變速箱只有五檔，技術(shù)也相對落后，高端輕卡全部進(jìn)口德國ZF公司的輕型變速箱，而其價格又十分昂貴，因此，為了提高產(chǎn)品在市場中的競爭力，急需對輕型變速箱的技術(shù)進(jìn)行革新和提升。

著重從輕型汽車變速箱的動力性、操縱性、可靠性以及降噪等四個方面的性能提升進(jìn)行探討，并提出了一些設(shè)計方面的改進(jìn)建議。

1 現(xiàn)有輕型汽車變速箱的結(jié)構(gòu)特點

圖1 五檔輕型變速箱結(jié)構(gòu)圖

國內(nèi)現(xiàn)有輕型汽車變速箱最大輸入扭矩150~400 N·m，某變速箱結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該變速箱是三軸式、單中間軸傳動，有五個前進(jìn)檔，一個倒檔，全部齒輪為斜齒輪常嚙合傳動，所有前進(jìn)檔都采用銅合金單錐面鎖環(huán)式同步器，倒檔采用嚙合套換檔，操縱采用單滑軌式結(jié)構(gòu)或三根叉軸式；一軸上不裝油封，采用軸上螺旋油槽進(jìn)行回油；中間軸采用錐軸承，一軸和二軸后軸承采用球軸承，二軸前軸承采用無保持架、無內(nèi)圈和外圈的滿滾針軸承。

2 輕型汽車變速箱性能提升設(shè)計

2.1 動力性能提升

輕型汽車變速箱設(shè)計時，根據(jù)所匹配發(fā)動機(jī)情況，首先考慮選擇合適的變速箱檔位和速比，速比范圍設(shè)計要寬一些，保證汽車有必要的動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

目前國內(nèi)輕型車多為五檔變速箱，速比如表1 所示，總速比7.0 左右，一檔和二檔速比的級差1.86～1.99，接近2，級差太大，二檔減一檔掛檔非常困難。針對此現(xiàn)狀，輕型汽車變速箱動力性能要提升，就要擴(kuò)大現(xiàn)有五檔箱總速比范圍，這樣五檔箱各檔速比的級差會隨之增大，導(dǎo)致其余檔也減檔困難，用戶無法接受。如果增加一個檔，設(shè)計為六檔，速比范圍擴(kuò)大至6.1～0.75，總速比提高至7.5以上，一檔速比增大可提高整車的爬坡性能和承載性能；同時檔數(shù)多可提高發(fā)動機(jī)功率利用率、汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性和平均車速，因而能提高汽車的生產(chǎn)率，降低運(yùn)輸成本；各檔的速比級差相對縮小，換檔就會平順輕便；高檔速比減小，提升整車的最高車速。

表1 現(xiàn)有五檔輕型變速箱速比和總速比

2.2 操縱性能提升

近年來主機(jī)廠對變速箱的操縱性要求已列入整車評價的必檢指標(biāo)中，所以變速箱廠商也非常重視變速箱操縱性能的設(shè)計和提升工作。

2.2.1 同步器改進(jìn)設(shè)計

現(xiàn)有五檔輕型箱的同步器多采用銅合金同步環(huán)，耐磨性較差，可改用鋼基噴鉬同步環(huán)。鉬摩擦層具有高耐磨性、低熱衰、摩擦系數(shù)大的特點，可縮短同步時間；低檔區(qū)將單錐同步器改為雙錐同步器，如圖2所示。

通常在結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下，雙錐同步器的摩擦力矩大約是單錐同步器的2倍，可降低換檔力約50%，同步時間大大縮短，顯著提升變速器的同步性能；同步器設(shè)計安裝在支承剛度較大的中間軸上，被同步的零件減少，因而同步轉(zhuǎn)動慣量減小，這樣既減少了換檔部件的磨損和自動脫檔的可能性，又可縮短同步時間和減輕換檔力[1]。

圖2 雙錐同步器

2.2.2 滑動旋轉(zhuǎn)襯套的應(yīng)用

滑動旋轉(zhuǎn)襯套內(nèi)由許多鋼球軸向和徑向密排，如圖3 所示。在單滑軌操縱軸中加裝滑動旋轉(zhuǎn)襯套，操縱軸與殼體內(nèi)孔由原來的干摩擦滑動改為帶潤滑滾動，摩擦阻力極小，可大幅度改善變速箱選換檔的輕便性。

圖3 滑動旋轉(zhuǎn)襯套

2.3 可靠性能提升

市場反饋輕型變速箱一軸前軸承損壞頻率較高，經(jīng)過計算分析，變速箱一軸前軸承強(qiáng)度薄弱，軸承的總壽命安全率大于1，但是二、五檔位的單獨軸承壽命時間不足,尤其是五檔嚴(yán)重不足。軸承的損壞會給變速箱可靠性帶來一系列的問題，如軸承燒蝕、齒輪打齒、脫檔、掛檔困難等等。因此，必須采取相應(yīng)的措施：在不改變軸承的安裝尺寸可采用經(jīng)過特殊熱處理的長壽命球軸承，進(jìn)口的長壽命球軸承壽命系數(shù)可達(dá)2.2，或采用同樣外形尺寸的滾柱軸承。

齒輪方面可靠性提升可取消齒輪齒根油孔。據(jù)試驗驗證，齒輪無齒根油孔比有油孔時的齒輪彎曲強(qiáng)度可提高約20%。另外加大齒根圓弧半徑，同時采用強(qiáng)力噴丸處理，既改善了應(yīng)力集中，又增加了齒輪表面的殘余壓應(yīng)力，齒輪的彎曲疲勞壽命可成倍提高。

現(xiàn)在五檔輕型箱一軸密封靠軸上螺旋油槽進(jìn)行回油，這種結(jié)構(gòu)簡單，但一軸與軸承蓋之間的間隙不易控制，間隙大容易漏油，間隙小時一軸會刮磨軸承蓋內(nèi)孔，引起軸承蓋發(fā)熱，直接影響分離軸承的壽命，因此，改用旋轉(zhuǎn)軸唇形油封進(jìn)行密封是最為可靠的措施。

2.4 降噪措施

輕型汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高，最高轉(zhuǎn)速達(dá)3 300~3 600 rpm，這使得變速箱內(nèi)齒輪、軸也高速運(yùn)轉(zhuǎn)，齒輪嚙合沖擊產(chǎn)生的振動噪聲會急劇加大，必須采取一些有效的降噪措施。

1）加大螺旋角，提高齒輪嚙合重合度.中重型變速箱一般螺旋角最大25°，輕型箱可在常嚙合輪和高速檔輪采用25°～35°的大螺旋角，提高齒輪嚙合的平穩(wěn)性，保證動力傳遞的連續(xù)性；2）選用小模數(shù)、小壓力角、大全齒高系數(shù)的細(xì)高齒齒輪，提高齒輪嚙合重合度；3）齒輪采用鼓形齒（如圖4）。當(dāng)齒輪受到偏載荷、軸彎曲變形、或齒輪安裝時有輕微偏斜時，鼓形齒可以在齒向上補(bǔ)償，加大齒輪嚙合時的接觸面，消除輪齒偏斜造成的沖擊噪聲；4）采用磨齒工藝。磨齒可提高齒面粗糙度，消除熱處理對齒輪齒形齒向變形的影響，提高齒輪嚙合精度，使傳動更平穩(wěn)[2]。有條件的還可在磨齒后再進(jìn)行噴丸處理，消除齒輪表面應(yīng)力，對輕型變速箱降噪效果非常明顯。

圖4 鼓形齒與普通齒嚙合對比

3 結(jié)束語

針對輕型變速箱性能提升提出一些設(shè)計方面的建議，也可在新產(chǎn)品開發(fā)中借鑒，當(dāng)然變速箱性能提升還有更多的方法技巧，期待和同行們共同探討。

[1] 王望予.汽車設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：高等教育出版社，2008.