變速箱無(wú)側(cè)隙齒輪組設(shè)計(jì)

馬 峻

變速箱無(wú)側(cè)隙齒輪組設(shè)計(jì)

馬 峻

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 102600）

變速箱作為汽車的核心部件，決定著研發(fā)整車水平的高低。長(zhǎng)期起來(lái)，變速箱技術(shù)一直被國(guó)外大型汽車集團(tuán)所壟斷。文章在傳統(tǒng)變速箱齒輪副設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種側(cè)隙可調(diào)的變速箱齒輪副，實(shí)現(xiàn)了變速箱齒輪的無(wú)側(cè)隙換擋，提高汽車換擋時(shí)的平順性，減少換擋沖擊，改善駕乘舒適性。

變速箱；無(wú)側(cè)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(fā)生產(chǎn)水平?jīng)Q定著汽車整體水平的高低。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)在變速箱領(lǐng)域一直處于落后的狀態(tài)，特別是近年來(lái)普及的自動(dòng)擋汽車變速箱，長(zhǎng)期以來(lái)一直受國(guó)外大型車企的壟斷，在國(guó)產(chǎn)化上一直是薄弱環(huán)節(jié)?？梢哉f(shuō)自動(dòng)變速箱的發(fā)展是我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展不可忽視的“心頭之痛”。經(jīng)過(guò)近年來(lái)，我國(guó)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(lái)說(shuō)技術(shù)仍舊不成熟，目前只是解決了從無(wú)到有的問(wèn)題，和世界先進(jìn)水平在匹配程度、控制策略上仍存在差距。

解決變速箱問(wèn)題，主要是解決齒輪的制造與裝配的問(wèn)題。變速箱中的齒輪副在實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中，工作齒面必須保持接觸才能實(shí)現(xiàn)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，而非工作齒面間留有一定的間隙，即齒側(cè)間隙，簡(jiǎn)稱側(cè)隙[1]。側(cè)隙的作用主要是貯存潤(rùn)滑油，補(bǔ)償齒輪副的安裝和加工誤差，補(bǔ)償彈性變形和發(fā)熱變形所引起的尺寸變動(dòng)，以保證齒輪能正常運(yùn)行，防止輪齒卡死。現(xiàn)有一般是通過(guò)對(duì)齒厚控制參數(shù)及其精度進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證獲得最小側(cè)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(fù)雜，變速箱齒輪經(jīng)常在載荷波動(dòng)較大的情況下高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)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(tài)將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致輪齒間的接觸、脫離、再接觸的重復(fù)沖擊，產(chǎn)生較大的動(dòng)載荷，致使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為呈現(xiàn)復(fù)雜的力學(xué)特性[3]，從而促使人們對(duì)無(wú)側(cè)隙齒輪系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)日益關(guān)注。

1 無(wú)側(cè)隙齒輪副的發(fā)展現(xiàn)狀

由于變速箱齒輪，特別是自動(dòng)變速箱的齒輪多采用斜齒齒輪，在齒輪嚙合過(guò)程中，嚙合齒面間存在較大的相對(duì)滑動(dòng)[4,5]，為了避免因摩擦發(fā)熱而導(dǎo)致輪齒卡死，同時(shí)改善齒輪副的潤(rùn)滑狀態(tài)，減輕齒面磨損，在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)先留有一定的側(cè)隙[6]。此外制造和裝配的誤差也會(huì)造成齒輪的回差。概括起來(lái)，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(guān)零件誤差所引起的側(cè)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(wèn)題以及軸的剛度不足等。因此，在需要傳遞高精度角度信號(hào)或者位置信息的場(chǎng)合，必須采用合適的誤差調(diào)整方法，以控制誤差量，提高傳動(dòng)精度，進(jìn)而達(dá)到更好的運(yùn)行效果[8]。

常見(jiàn)的消除側(cè)隙的措施分為剛性調(diào)整機(jī)構(gòu)和彈性調(diào)整機(jī)構(gòu)兩類，主要有以下幾種：

（1）調(diào)整中心矩

剛性調(diào)整機(jī)構(gòu)中，最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)即偏心軸套調(diào)整法。利用偏心軸套使兩輪中心距可調(diào)，可以提高精度。此種方法可部分消除空回，適應(yīng)任意負(fù)荷[9]。

（2）采用軸向墊片

剛性調(diào)整機(jī)構(gòu)中，另一經(jīng)常采用的方法為軸向墊片調(diào)整法。將齒輪的周節(jié)直徑沿著齒厚方向制成一個(gè)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(duì)位置，從而消除齒側(cè)間隙。這種調(diào)整法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但調(diào)整費(fèi)事，齒側(cè)間隙不能自動(dòng)補(bǔ)償，同時(shí)，無(wú)論正、反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，分別只有一個(gè)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(diào)整機(jī)構(gòu)中，最常見(jiàn)的是雙片齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法。齒輪做成兩片，一片套在另一個(gè)齒輪的輪齒上，兩片可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但不能移動(dòng)。在兩片齒輪間裝有彈簧，使兩片齒輪左右錯(cuò)開(kāi)。當(dāng)嚙合時(shí)，彈簧的拉力可以使雙齒輪產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)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(cè)間隙。但它不適用于負(fù)荷較大的情況，成本亦高[11]。

（4）使用游絲彈簧

另一種常見(jiàn)的彈性調(diào)整方法是游絲法。在一個(gè)齒輪上裝有游絲，它產(chǎn)生反扭矩能使齒輪在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)過(guò)程中使齒面始終處于單面接觸狀態(tài)，雖然有側(cè)隙存在，但是由于正反轉(zhuǎn)時(shí)總是單面嚙合，也就消除了側(cè)隙對(duì)空回的影響。但是，該輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)不能多，在工作起始時(shí)的外力矩要大于游絲力矩，否則帶不動(dòng)此傳動(dòng)鏈。

2 變速箱無(wú)側(cè)隙齒輪副設(shè)計(jì)

對(duì)比上述齒輪側(cè)隙的調(diào)整方法，剛性調(diào)整法的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但調(diào)整過(guò)程復(fù)雜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)。而彈性調(diào)整法中，雙片齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法齒輪結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不適用于變速箱等高速大轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合。游絲法對(duì)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但除了需要重新設(shè)計(jì)蝸卷彈簧外，這種方法對(duì)齒輪的旋轉(zhuǎn)角度也有一定限制。因此，需要重新設(shè)計(jì)變速箱齒輪組的消隙方法。

汽車變速箱的高速、高轉(zhuǎn)矩、嚙合的齒輪副切換頻繁，因此，齒輪側(cè)隙的存在會(huì)造成齒輪副切換時(shí)的沖擊，降低變速箱齒輪壽命，同時(shí)還會(huì)對(duì)汽車的舒適性造成影響。根據(jù)汽車變速箱的工況特點(diǎn)，將汽車變速箱齒輪設(shè)計(jì)成連續(xù)變位齒輪，使之形成小錐角，并增加側(cè)隙條件功能，根據(jù)運(yùn)行情況，在保養(yǎng)時(shí)對(duì)變速箱齒輪進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整，設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 無(wú)側(cè)隙齒輪箱主視圖

采用連續(xù)變位的方法，將齒輪的變位系數(shù)由定值改為變值，由0到0.5連續(xù)變化，通過(guò)連續(xù)變位，使齒輪形成一個(gè)2 °至3°的錐角，將連續(xù)變位齒輪副Z1，Z2如圖所示結(jié)構(gòu)安裝，輸入端加裝調(diào)整軸套，并配備鎖死裝置。調(diào)整軸套通過(guò)兩個(gè)軸承與軸相連。工作時(shí)動(dòng)力由輸入端經(jīng)齒輪副至輸出端，若發(fā)現(xiàn)換擋時(shí)發(fā)生沖擊，只要松開(kāi)鎖死裝置，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整軸套，齒輪Z1就會(huì)沿輸入軸移動(dòng)，到合適位置后鎖死軸套，即可消除齒輪不必要的側(cè)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(cè)隙，因此在變速箱的生產(chǎn)加工過(guò)程中，還要利用減小中心距的方法減小側(cè)隙。通過(guò)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)公式的推導(dǎo)，得出中心距修正公式：

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

影響修正系數(shù)K的因素主要包括：

（1）齒輪的加工工藝。加工齒輪的設(shè)備和工藝越差，K取值應(yīng)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(shù)越大，K取值越小。

經(jīng)修正后的齒輪副基本可以處于無(wú)側(cè)隙的運(yùn)行狀態(tài)，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(chǎn)過(guò)程中還要注意提高齒面硬度，改善潤(rùn)滑條件，以達(dá)到提高抗磨能力，減少磨損，改善散熱效果的目的。

3 結(jié)論

本文在分析現(xiàn)有無(wú)側(cè)隙齒輪副的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型無(wú)側(cè)隙齒輪副，應(yīng)用于汽車變速箱，可以進(jìn)一步提高汽車換擋時(shí)的平順性，減少換擋沖擊，改善駕乘舒適性。

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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(yè)學(xué)院。主要研究方向汽車制造技術(shù)。