變速箱無側隙齒輪組設計

馬 峻

變速箱無側隙齒輪組設計

馬 峻

（北京電子科技職業學院，北京 102600）

變速箱作為汽車的核心部件，決定著研發整車水平的高低。長期起來，變速箱技術一直被國外大型汽車集團所壟斷。文章在傳統變速箱齒輪副設計的基礎上進行了改進，設計了一種側隙可調的變速箱齒輪副，實現了變速箱齒輪的無側隙換擋，提高汽車換擋時的平順性，減少換擋沖擊，改善駕乘舒適性。

變速箱；無側隙齒輪組；中心距修正

CLC NO.: TH132.41 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-55-03

前言

變速箱作為汽車的核心部件，其研發生產水平決定著汽車整體水平的高低。長期以來，我國在變速箱領域一直處于落后的狀態，特別是近年來普及的自動擋汽車變速箱，長期以來一直受國外大型車企的壟斷，在國產化上一直是薄弱環節。可以說自動變速箱的發展是我國汽車工業發展不可忽視的“心頭之痛”。經過近年來，我國車企的不斷努力，在奇瑞、比亞迪、吉利等公司，分別研制出了自主品牌的CVT、雙離合及6AT變速箱，但總體來說技術仍舊不成熟，目前只是解決了從無到有的問題，和世界先進水平在匹配程度、控制策略上仍存在差距。

解決變速箱問題，主要是解決齒輪的制造與裝配的問題。變速箱中的齒輪副在實際轉動中，工作齒面必須保持接觸才能實現傳遞運動和動力，而非工作齒面間留有一定的間隙，即齒側間隙，簡稱側隙[1]。側隙的作用主要是貯存潤滑油，補償齒輪副的安裝和加工誤差，補償彈性變形和發熱變形所引起的尺寸變動，以保證齒輪能正常運行，防止輪齒卡死。現有一般是通過對齒厚控制參數及其精度進行設計，以保證獲得最小側隙，滿足齒輪副正常的安裝與嚙合需要[2]。但汽車的工況比較復雜，變速箱齒輪經常在載荷波動較大的情況下高速運轉，這時由于輪齒之間間隙受非線性因素的影響，輪齒之間的接觸狀態將發生變化，從而導致輪齒間的接觸、脫離、再接觸的重復沖擊，產生較大的動載荷，致使整個傳動系統的動力學行為呈現復雜的力學特性[3]，從而促使人們對無側隙齒輪系統的開發日益關注。

1 無側隙齒輪副的發展現狀

由于變速箱齒輪，特別是自動變速箱的齒輪多采用斜齒齒輪，在齒輪嚙合過程中，嚙合齒面間存在較大的相對滑動[4,5]，為了避免因摩擦發熱而導致輪齒卡死，同時改善齒輪副的潤滑狀態，減輕齒面磨損，在設計時預先留有一定的側隙[6]。此外制造和裝配的誤差也會造成齒輪的回差。概括起來，造成回差的主要因素包括齒輪固有誤差和裝配誤差兩大類[7]，其中齒輪的固有誤差指齒輪的加工誤差，包括齒厚變薄、基圓偏心、齒形誤差、齒向誤差和中心距增大等，裝配誤差是指裝配后，由相關零件誤差所引起的側隙增大，包括軸承游隙和徑向偏擺、齒輪與軸、軸承與殼體、軸與軸承的配合問題以及軸的剛度不足等。因此，在需要傳遞高精度角度信號或者位置信息的場合，必須采用合適的誤差調整方法，以控制誤差量，提高傳動精度，進而達到更好的運行效果[8]。

常見的消除側隙的措施分為剛性調整機構和彈性調整機構兩類，主要有以下幾種：

（1）調整中心矩

剛性調整機構中，最簡單的結構即偏心軸套調整法。利用偏心軸套使兩輪中心距可調，可以提高精度。此種方法可部分消除空回，適應任意負荷[9]。

（2）采用軸向墊片

剛性調整機構中，另一經常采用的方法為軸向墊片調整法。將齒輪的周節直徑沿著齒厚方向制成一個較小的錐度，只要改變墊片的厚度就能改變兩齒輪的軸向相對位置，從而消除齒側間隙。這種調整法結構簡單，但調整費事，齒側間隙不能自動補償，同時，無論正、反向旋轉時，分別只有一個薄齒輪承受載荷，故齒輪承載能力較小[10]。

（3）采用雙片齒輪

彈性調整機構中，最常見的是雙片齒輪錯齒調整法。齒輪做成兩片，一片套在另一個齒輪的輪齒上，兩片可以相對轉動，但不能移動。在兩片齒輪間裝有彈簧，使兩片齒輪左右錯開。當嚙合時，彈簧的拉力可以使雙齒輪產生相對錯齒，即兩薄片齒輪的左右齒面分別與寬齒輪的齒槽貼緊，從而消除了齒側間隙。但它不適用于負荷較大的情況，成本亦高[11]。

（4）使用游絲彈簧

另一種常見的彈性調整方法是游絲法。在一個齒輪上裝有游絲，它產生反扭矩能使齒輪在正轉或反轉過程中使齒面始終處于單面接觸狀態，雖然有側隙存在，但是由于正反轉時總是單面嚙合，也就消除了側隙對空回的影響。但是，該輪的轉動圈數不能多，在工作起始時的外力矩要大于游絲力矩，否則帶不動此傳動鏈。

2 變速箱無側隙齒輪副設計

對比上述齒輪側隙的調整方法，剛性調整法的特點在于結構簡單，但調整過程復雜，無法實現自適應。而彈性調整法中，雙片齒輪錯齒調整法齒輪結構較復雜，不適用于變速箱等高速大轉矩的場合。游絲法對雖然結構簡單，但除了需要重新設計蝸卷彈簧外，這種方法對齒輪的旋轉角度也有一定限制。因此，需要重新設計變速箱齒輪組的消隙方法。

汽車變速箱的高速、高轉矩、嚙合的齒輪副切換頻繁，因此，齒輪側隙的存在會造成齒輪副切換時的沖擊，降低變速箱齒輪壽命，同時還會對汽車的舒適性造成影響。根據汽車變速箱的工況特點，將汽車變速箱齒輪設計成連續變位齒輪，使之形成小錐角，并增加側隙條件功能，根據運行情況，在保養時對變速箱齒輪進行檢測和調整，設計如圖1所示。

圖1 無側隙齒輪箱主視圖

采用連續變位的方法，將齒輪的變位系數由定值改為變值，由0到0.5連續變化，通過連續變位，使齒輪形成一個2 °至3°的錐角，將連續變位齒輪副Z1，Z2如圖所示結構安裝，輸入端加裝調整軸套，并配備鎖死裝置。調整軸套通過兩個軸承與軸相連。工作時動力由輸入端經齒輪副至輸出端，若發現換擋時發生沖擊，只要松開鎖死裝置，轉動調整軸套，齒輪Z1就會沿輸入軸移動，到合適位置后鎖死軸套，即可消除齒輪不必要的側隙。

由于齒輪組形成的錐角較小，往往不能完全抵消齒輪組的側隙，因此在變速箱的生產加工過程中，還要利用減小中心距的方法減小側隙。通過實踐和經驗公式的推導，得出中心距修正公式：

式中：Z1，Z2為齒輪副兩齒輪齒數；m為模數；K為修正系數，建議取值范圍為0.1—0.3。

影響修正系數K的因素主要包括：

（1）齒輪的加工工藝。加工齒輪的設備和工藝越差，K取值應該越大；

（2）齒輪副工作溫度。變速箱溫度越高，溫升越快，K取值越小；

（3）齒輪的材料。齒輪材料的熱膨脹系數越大，K取值越小。

經修正后的齒輪副基本可以處于無側隙的運行狀態，但兩齒輪間的摩擦力有所增大，為保證變速箱的使用壽命，生產過程中還要注意提高齒面硬度，改善潤滑條件，以達到提高抗磨能力，減少磨損，改善散熱效果的目的。

3 結論

本文在分析現有無側隙齒輪副的基礎上，設計了一種新型無側隙齒輪副，應用于汽車變速箱，可以進一步提高汽車換擋時的平順性，減少換擋沖擊，改善駕乘舒適性。

[1] 桂定一.齒輪精度新標準下側隙設計中的幾個問題[J],機械傳動. 2004(6)∶28-31.

[2] 姜世平.李西建.黃漫玲等,圓柱齒輪精度的計算機輔助分析計算[J],機械傳動,2004(5)∶43-46.

[3] 寇海江.汽車變速器齒輪傳動系統非線性動力學特性研究[D],沈陽,東北大學,2011.

[4] 王保民,蔣學全.少齒數漸開線齒輪副嚙合區域的研究[J].陜西工學院學報,2001,17(4)：1-3.

[5] 張國海,王保民,蔣學全.少齒數齒輪傳動接觸強度的研究[J].機械設計,2004,21(8)：16-18.

[6] 孫桓,陳作模,葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2006．

[7] 趙躍進,何獻忠.精密機械設計基礎[M].北京∶北京理工大學出版社, 2003.

[8] 胡超,施滸寧,寧春林．齒輪消隙功能實現探索[J].機電工程.2008, 25(2)：11-14.

[9] 譚培紅,房曉東,周加紅.偏心套刻度及調整齒輪側隙的理論和試驗研究[J].機械工程師,2002,9：53～54.

[10] 張德泉,陳思夫,林彬,機械制造裝備及其設計[M].天津：天津大學出版社,2004.128～129.

[11] 郭聚東,彭偉,張紅鴿,精密齒輪傳動中齒輪副側隙的調整方法[J].起重運輸機械,2005,3∶80～81.

Design of Gear Set without Backlash in Transmission

Ma jun
( Beijing Polytechnic, Beijing 102600）

As the core part of the vehicle, the transmission determines the level of the vehicle. For a long time, Thetransmission technology has been monopolized by foreign large automobile group. Based on the traditional design of transmission gear is improved, the design of a transmission gear backlash adjustable, the non-backlash gear shift transmission, improve vehicle shift when the ride comfort, reduce shift impact, improve ride comfort.

Transmission; Non backlash gear set; Center distance correction

TH132.41

A

1671-7988 (2017)16-55-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.020

馬峻（1980-），男，副教授，碩士，就職于北京電子科技職業學院。主要研究方向汽車制造技術。