淺談汽車變速器中的齒輪設計

戚文強（上海工程技術大學汽車工程學院,上海 201620）

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淺談汽車變速器中的齒輪設計

戚文強
（上海工程技術大學汽車工程學院,上海 201620）

摘 要：齒輪作為汽車變速器的重要組成部件，其設計的好壞對變速器起著至關重要的作用，所以我們要對各個齒輪的材料、結構以及主要參數做出正確的選擇和設計。

關鍵詞：汽車；變速器；齒輪；設計

1 齒輪的材料選擇

國內汽車變速器齒輪的材料主要采用20CrMnTi、20Mn2TiB、15MnCr5、20MnCr5、25MnCr5、28MnCr5，而國外汽車變速器齒輪大都選用鉻鎳合金鋼。

變速器齒輪的滲碳層深度推薦采用下列數值：法面模數mn≤3.5mm，滲碳層深度為0.8～1.2mm；法面模數3.5＜mn＜5mm，滲碳層深度為0.9～1.3mm；法面模數mn≥5mm，滲碳層深度為1.0～1.6mm。某些輕型貨車和乘用車的齒輪采用40Cr 鋼，并進行氰化處理。

2 齒輪的結構形式

直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪是變速器中最常用到的兩種結構形式。在變速器設計中，不同檔位選取的齒輪形式可能不同，倒擋和低檔一般用直齒圓柱齒輪，而對于常嚙合齒輪則選用斜齒圓柱齒輪。

3 齒輪主要參數選擇

3.1 模數和壓力角選擇

模數對于齒輪有很大影響，選用較大的模數可以減少齒輪質量，而選用較小的模數則可以降低變速器的噪聲。對于不同類型的車輛變速器應選用的模數也不同，乘用車減小工作噪聲比較重要，因此齒輪要選較小模數，而貨車減小質量更為重要，因此齒輪要選較大模數；變速器低擋齒輪應選用大些的模數，其他擋位選用另一種模數，很少情況下會選同一種模數，而倒擋齒輪選用的模數往往與一擋接近。

對于直齒輪，壓力角為28°時強度最高，超過28°時強度增加不多；對于斜齒輪，壓力角為25°時強度最高。乘用車為了增加齒輪重合度來降低噪聲應選15°或16°等較小的角度，而商用車為了提高齒輪承載力應選22.5°或25°等較大的角度。

3.2 螺旋角和齒寬

螺旋角的選取對于變速器中的斜齒輪有著很大影響，這包括齒輪工作時的噪聲大小，齒輪輪齒的強度以及軸向力等。在進行螺旋角選擇時，可以通過選取較大一些的螺旋角來加大齒輪輪齒之間相互嚙合的重合度，從而使齒輪工作更加平穩，并減小其工作噪聲，但螺旋角不宜過大，以免造成輪齒的抗彎強度降低。為了增加低檔位齒輪的抗彎強度，角度以15°～25°為宜；而為了提高高擋位齒輪的接觸強度，應當選較大的角度。對于乘用車變速器：兩軸式變速器為20°～25°，中間軸式變速器為22°～34°；而對于貨車變速器：18°～26°。變速器中間軸上的齒輪均會采用右旋的旋向，而其他軸的齒輪采用左旋。

對于齒寬，當選取的齒寬較小時，變速器的軸向尺寸和質量就會減小，但是齒輪的傳動平穩性也會被削弱。通常根據齒輪模數m（mn）的大小來選定齒寬：直齒b=kcm，kc為齒寬系數，取為4.5～8.0；斜齒b=kcmn，kc取為6.0～9.0。b為齒寬(mm)。

3.3 齒頂高系數

對于各檔位齒輪來說，其重合度、輪齒強度、工作噪聲、輪齒根切以及齒頂高厚度均與齒頂高系數有關。選擇較小的齒頂高系數，重合度就會小并減少輪齒的彎曲應力，但會有較大的工作噪聲。因而在齒輪的加工精度不高時，就采用過短齒制齒輪，其齒頂高系數大小為0.75～0.80；在提高了齒輪的加工精度之后，就不再采用短齒制齒輪，而規定了以1.00為標準的齒頂高系數。同時，有時候為了滿足提高重合度和降低噪聲的條件，一些變速器也會采用大于1.00的齒頂高系數的細高齒制。

3.4 變位系數

在變速器齒輪設計中，變位是很重要的一環，所以選擇合適的變位系數相當重要。變位不僅可以使齒輪避免根切的產生并對中心距進行配湊，而且對于齒輪的強度和使用平穩性及齒輪的嚙合噪聲均有著很大影響。為了減小變速器的噪聲，應使較高檔位齒輪的總變位系數選用小一些，通常情況下，最高擋和一軸齒輪副選為-0.2～0.2，而隨著擋位降低，變位系數逐擋增大。一擋齒輪的變位系數可以選用1.0以上。

4 各擋位齒輪齒數的分配及輪齒的強度計算

在對齒輪齒數進行分配時，首先要依據最初選好的中心距、齒輪模數和螺旋角，然后再根據變速器的擋數、傳動比和傳動方案來進行分配。但是為了盡可能的使各齒輪的齒面磨損均勻，我們在選擇時應使各檔齒輪的齒數比盡可能不為整數。

4.1 確定一擋齒輪齒數

通過選取的中心距和模數來計算齒數和：直齒斜齒對于計算出的齒數和進行取整，然后通過選定的傳動比來分配大、小齒輪齒數。而對于中間軸式變速器來說，中間軸的軸徑尺寸對于軸上的小齒輪的最少齒數有著一定的限制，也就是剛度的限制，所以在對其進行選定時，要同時考慮到軸的尺寸及齒輪的齒數。不同的車型所對應的中間軸一擋齒輪的齒數也不相同，乘用車在15～17范圍內選取比較好，而貨車則是在12～17范圍內選取較好。

4.2 修正中心距和確定其他擋位齒輪齒數

在對齒數和進行取整處理后，相應齒輪間的中心距也會發生變化，所以我們要對中心距進行一定的修正。通過取整后的齒數和zh以及齒輪的變位系數來對中心距A進行修正，用以計算其他擋齒輪齒數。其他擋位齒輪的齒數可以根據相應的傳動比，修正后的中心距以及對應的模數和螺旋角來計算出來。

4.3 計算輪齒的強度

變速器齒輪的主要損壞形式有：齒輪折斷、齒面疲勞剝落、移動換擋齒輪端部破壞以及齒面膠合等，所以確保齒輪的強度也很重要。對于輪齒強度的計算主要依據輪齒的彎曲強度和接觸應力兩個方面。利用相應的公式和參數，可以計算出各齒輪輪齒對應的彎曲應力和接觸應力大小，看是否符合強度要求。

參考文獻：

[1]王望予.汽車設計[M].北京:機械工業出版社,2003:25-49

[2]陳家瑞.汽車構造[M].北京:人民交通出版社,1993:275-404

[3]黃鵬.變速器齒輪參數的選擇[J].機械工程師,2006(01).

[4]劉博軍.變速器設計[M].長春汽車研究所,1998:102-152

作者簡介：戚文強（1990-），男，河南開封人，碩士研究生，研究方向：車輛傳動技術與CAE技術在工程中的應用。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.220