高扭矩密度變速器的設計方法分析

徐海山，張懷志

(唐山愛信齒輪有限責任公司，河北唐山 063033 )

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高扭矩密度變速器的設計方法分析

徐海山，張懷志

(唐山愛信齒輪有限責任公司，河北唐山 063033 )

從限扭技術、軸系布局、軸承選擇、軸承的設計、齒輪細節設計及潤滑系統設計等多個角度分析了高扭矩密度變速器的設計要點，為全新高扭矩密度變速器的設計以及常規扭矩變速器的扭矩提升提供了思路和參考。

扭矩密度；變速器；設計方法

0 引言

扭矩密度是衡量變速器設計先進性的指標之一。常用的衡量指標有兩個：一個是扭矩與中心距的比值；另一個是扭矩與質量的比值。舉例說明，某變速器中心距為72 mm，質量m=37 kg，最大承載扭矩N=220 N·m,則該變速器的扭矩密度指標分別是：α1=N/L=220/72=3.05 N·m/mm，α2=N/m=220/37=5.95 N·m/kg。這兩個比值越高說明扭矩密度越高，變速器的緊湊性和先進性越好。

伴隨汽車技術向自動化、電控化和電動化的方向發展，原本就空間緊湊的發動機艙內需要布置越來越多的附件。為實現自動換擋，需增加TCU、傳感器、線束等控制系統零件以及換擋電機及減速機構、液壓系統等執行系統零件。為實現混合動力和純電驅動，需增加動力電機、逆變器、發電機、電池等。要在有限的空間內布置更多的零件，需要所有零件越緊湊越好。變速器是傳動系統的核心零部件，并且占據機艙約20%的空間，高扭矩密度的實現已成為變速器設計者們追逐的目標之一。

另外，高扭矩密度也是實現變速器通用化和低成本的重要手段，因此它也代表著變速器的競爭力。以FF型變速器為例，市場上常見變速器中，扭矩密度(扭矩/中心距)統計情況見圖1。

圖1 中國市場各變速器扭矩密度[1]

從圖1可以看到:變速器扭矩密度多在2～4 N·m/mm之間，最高與最低數據之間接近倍數差距。其中，外資品牌變速器普遍高于自主品牌;外資品牌中，德系產品高于其他品牌。造成這些差異的原因有很多，包括系統匹配原因、結構布局的原因、齒輪強度原因、軸承強度原因、潤滑系統原因等。下面就具體探討一下高扭矩密度差異的原因和實現方法。

1 高扭矩密度的實現方法

1.1 限扭技術的應用

變速器各擋齒輪的承載扭矩并不是均衡的，通常低速擋的承載扭矩是變速器的薄弱環節。因此，如果通過發動機標定限制低速擋的輸入扭矩，就可以提高整箱的承載扭矩，適應與更高扭矩發動機的匹配。

對整車而言，輪胎與地面之間的摩擦力是產生牽引力的上限，超出此范圍則輪胎會產生打滑卸載。對乘用車而言，受驅動車輪的軸重限制，輪胎與地面之間的摩擦力通常小于低速擋時發動機傳遞到輪胎的牽引力。因此，在低速擋時發動機限扭通常并不會影響整車的加速動力性和爬坡度。即便輪胎沒有打滑，若車輛加速性和爬坡度指標已經達成，也是可以采用低速擋限扭技術以提升變速器的應用扭矩密度。

通常，發動機限扭可提升變速器的承載扭矩20%～30%。德系變速器公司與汽車公司的協同開發比較普遍，所以此項技術在德系產品中應用較為普遍，比如大眾的MQ系列變速器、格特拉克的B6變速器等[1]。這也是德系產品扭矩密度高于其他產品的原因之一。

1.2 新的軸系布局技術

乘用車變速器中，長久以來以兩軸式布局(圖2)為主。然而，各公司新開發的產品中，已經引入了扭矩密度更好的兩軸半布局(圖3)和三軸式布局(圖4)形式。

圖2 兩軸式布局結構[1]

圖3 兩軸半布局結構[1]

圖4 三軸布局結構[1]

兩軸半布局的特點是在兩軸式布局基礎上，把倒擋齒輪、倒擋主減速齒輪單獨布置到一個短軸上，因此稱為兩軸半布局。與兩軸式布局相比，可以縮短變速器總長和軸承跨距8～10 mm，提高了軸的剛度。同時，倒擋齒輪副在單獨的軸上，中心距可適當放大，并且采用常嚙合的斜齒輪，從而大幅提高倒擋的承載扭矩。輔助收獲是可以輕松布置倒擋同步器，缺點則是成本和質量略有增加。兩軸半布局最早在德系產品中應用，當下，日系產品和中國自主產品也都陸續推出和開發了此結構產品。

三軸式布局的特點是在兩軸式布局基礎上增加了一條輸出軸，這樣就可以把扭矩較大的低速擋齒輪布置到一條軸上并拉大中心距以提高低速擋齒輪的承載能力。這種布局形式間接提升了高速擋的扭矩密度，同時，大幅縮短變速器長度和軸承跨距20～30 mm，顯著增加了軸的剛度，提升了承載扭矩。輔助收獲是可以輕松布置倒擋同步器，缺點則是成本和質量顯著增加。這種布局在全球范圍內都有開發和應用，且多在要求變速器具備高扭矩且軸向長度限制苛刻的情況下使用。

1.3 軸承組合方式的選擇

在變速器的軸上，不同類型的軸承組合方式直接影響到軸的剛度和承載扭矩。軸承的組合方式有如下幾種：

球-球組合(見圖5)。軸的兩端均為球軸承，左邊軸承承受徑向力和軸向力，右邊軸承主要承受徑向力。這種組合效率最高，但相同尺寸下軸承扭矩容量較低，多在空間尺寸不過分苛刻的環境下優先采用比如變速器輸入軸。

圖5 球-球組合[1]

球-柱組合(見圖6)。軸的左端為球軸承，承受軸向力和徑向力；右端為柱軸承，只承受徑向力。這種組合效率僅次于球-球組合，相同尺寸下扭矩容量有明顯提升。同時，給輸出軸軸承預留了更大的空間，主要應用于變速器的輸入軸和輸出軸。

圖6 球-柱組合[1]

錐-錐組合(見圖7)。軸的左右均采用錐軸承，兩端都能承受較大的徑向力和軸向力。這種組合效率最低，但承載能力最高，主要應用于變速器輸出軸和差速器兩端。如果在輸入軸上應用時，為降低阻尼扭矩，常采用小的預緊力甚至零預緊力。

圖7 錐-錐組合[1]

上述3種軸承組合方式是最常用的，從承載能力分析，錐-錐組合是最高的。如果還需要更高的承載能力，有時需要在兩個軸承之間再增加一個軸承，實現載荷的分擔和剛度的進一步提升。比如MQ250的輸出軸就采用了柱-錐-錐組合(見圖8)的三軸承支撐方式。

圖8 柱-錐-錐組合[3]

1.4 軸承的高容量設計

高扭矩密度的變速器，除了要選擇軸承的組合方式，還要考慮如何提升軸承自身的承載能力，以實現小體積、高承載。這就要求在軸承的細節設計上不斷創新探索新的可能。下面介紹幾種提升軸承承載能力或減小軸承尺寸的方法[2]。

集成化軸承設計(見圖9、圖10)。即通過焊接的方式把軸承和軸承壓板集成為一體。這項技術可以在不降低軸承容量的前提下，縮短軸承與壓板組件的軸向尺寸。由于集成的模塊通過螺栓與殼體剛性連接，避免了軸承外圈在高速時的蠕動。同時，由于消除了軸承定位間隙，減小了軸的軸向竄動量，間接提升了齒輪的軸向嚙合重合度，提升了承載能力。

圖9 NTN集成化軸承設計

圖10 SKF集成化軸承設計

大滾子直徑設計。通過采用沖壓外圈、薄內圈(圖11)和沖壓外圈、取消內圈(圖12)的設計，最大限度提高滾子直徑，提升軸承承載能力。目前，這種理念已經在全球范圍內得到了認可和推廣。

創新的滾道和保持架設計(見圖13)。此設計借鑒了深溝球軸承和角接觸軸承的雙重優勢，內外滾道根據承受軸向力的方向，設計成不等高擋肩結構，以提升軸向承載能力。保持架相應地設計成組合型保持架。這種結構的改變，在不增加外廓尺寸的前提下，軸向承載能力提升了3倍。

圖11 舍弗勒沖壓外圈、薄內圈軸承

圖12 舍弗勒沖壓外圈、無內圈軸承

圖13 NTN創新滾道設計

應用雙列球軸承(見圖14)。在變速器中心距鎖定的條件下，為提升球軸承承載能力，同時又不犧牲效率，采用雙列球軸承也是一個不錯的選擇。

圖14 雙列球軸承的應用

此外，普遍采用的密封軸承，減少變速器內雜質對軸承壽命的影響，可提升軸承壽命5～10倍。對軸承壽命最薄弱的內圈，采用特殊熱處理(碳氮共滲)技術可提升軸承壽命2倍。其他如滾道的冷碾技術和超精加工技術等都對軸承的壽命有不同程度的提高。

1.5 高強度齒輪的設計

齒輪的高強度設計是實現變速器高扭矩密度的關鍵因素之一，實現方法主要有齒輪自身的高強度設計和系統匹配性設計。齒輪自身高強度設計包括：采用優質的合金鋼材料和先進的熱處理工藝實現強度的提升；采用磨齒工藝提升齒輪精度；采用表面噴涂技術(見圖15)提升接觸強度；采用精控噴丸技術(見圖16)提升齒根彎曲強度和齒面接觸強度；采用特殊的齒面形狀-微線段齒廓技術(見圖17)大幅提升接觸強度等。系統匹配性技術主要包括嚙合姿態設計和重合度設計，以提升齒輪的承載能力。

圖15 TiN涂層技術

圖16 精控噴丸技術

圖17 微線段齒廓技術

通過齒輪與軸和軸承的匹配控制嚙合姿態。齒輪的嚙合姿態見圖18，理想姿態承載能力最好。當一對齒輪以傾斜姿態或遠離姿態嚙合時，齒輪的承載能力會有一定程度的下降。傾斜姿態和遠離姿態主要是軸的撓曲變形和齒輪內孔滾針軸承的徑向間隙引起的(見圖19)。改進的方法：(1)通過軸徑的增加、高承載齒緊鄰軸承布置、采用軸齒輪等提升軸的剛度，控制嚙合姿態，如圖20 所示，一擋、倒擋分別布置在軸的兩端靠近軸承的部位，同時主動齒輪采用了軸齒設計以提升軸的剛度。(2)通過把軸或軸套與滾針軸承配對使用降低滾針軸承的間隙或延長滾針長度，減少齒輪傾斜量。此措施同時也有利于降低齒輪的嚙合噪聲。

圖18 撓曲變形的影響[1]

圖19 間隙引起的傾斜姿態[1]

圖20 提升軸剛度的設計[1]

通過齒輪與同步器和軸承的匹配，間接提升齒輪的軸向重合度：(1)通過同步器系統的優化，降低同步器軸向尺寸和換擋行程，省下來的空間用來增加齒輪的寬度，提高軸向重合度。(2)在定位作用的球軸承外圈端面增加調整墊(見圖21) ，控制間隙尺寸，減小軸的軸向竄動量，增加齒輪的有效嚙合寬度，間接增加齒輪的軸向重合度。這些措施的實施，都可在一定程度上提升齒輪承載能力。

圖21 球軸承加調整墊[1]

1.6 定點潤滑系統設計

齒輪和軸承的承載能力在一定程度上決定于潤滑的充分與否[9]。充分的潤滑可以在工作部位形成良好的油膜，并實現系統的冷卻，適度增加變速器的扭矩密度。

變速器最需要潤滑的部位是齒輪、軸承、同步器和油封等。通過巧妙的潤滑油道設計，把油輸送到需要的部位，實現定點潤滑。潤滑油道的設計主要考慮3個方面：(1)軸心潤滑方式(見圖21)。利用殼體和油收集盤把油引到軸心，通過在滾針軸承位打孔實現各滾針軸承的充分潤滑。(2)導油槽方式(見圖22)。利用導油槽邊緣或底部開槽、開孔，把油引到所有需要定點潤滑的部位。(3)油泵加專門油道方式(見圖23)。通過油泵加壓、油道口噴射方式，把油噴到需要定點潤滑部位。必要時需要3種方式組合使用，以實現少油量的充分潤滑，提升變速器的承載能力。

圖22 導油槽潤滑[1]

圖23 油泵+油道潤滑[1]

2 總結

綜上分析，扭矩密度是衡量變速器設計先進性的重要指標之一，通過采用上述部分或全部措施，可實現變速器扭矩密度的提升，最高提升幅度可達50%以上。當然，這一個指標的實現是一項龐大而復雜的工程，它與車輛的機艙布置空間、發動機標定技術、變速器軸系布置、軸承的選擇、齒輪的設計和潤滑系統設計都有密切的關系。其中涉及了電控、機械、潤滑、材料、熱處理等方方面面的知識。只有不斷學習、掌握各方面的知識，才能設計出更為先進的變速器，更好地滿足市場需求，更好地為客戶服務。

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《汽車零部件》征稿啟事

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(《汽車零部件》編輯部)

Analysis on Design Methods of High Torque Density Transmission

XU Haishan,ZHANG Huaizhi

(Tangshan Aisin Gear Co.,Ltd.,Tangshan Hebei 063033,China)

Design points of high torque density transmission were analyzed from the points of torque limiter technology, shaft layout, bearing selection, bearing design, gear detail design and lubrication system design etc.It provides guideline and reference for the new high torque density transmission design and conventional transmission torque improvement.

Torque density; Transmission;Design methods

2016-06-08

徐海山,男，本科，工程師，從事汽車變速器開發工作。E-mail:xhs@tagc.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.09.019

U463.212

A

1674-1986(2016)09-082-06