浅析变速器齿轮设计

魏有全

摘要：变速器作为汽车的核心组成部分，通过不同的齿轮组合将发动机输出扭矩和转速转变为所需的扭矩和转速，获得不同的动力输出。在汽车机械式变速器中，齿轮是决定其性能最重要的部件，不仅影响到变速器的使用寿命，而且还决定了变速器的NVH性能。本文针对轻微型商用车的变速器齿轮，对其进行设计，详见如下。

关键词：变速器；齿轮；设计

1齿轮的材料选择

在齿轮选材方面，国外大都采用铬镍合金钢，国内主要采用20CrMnTiH和20CrNiMoH等合金钢。变速器齿轮中渗碳层的数值一般较为固定，当渗碳层深度范围为1.1~1.7mm时，法面模数的应用参考值为mn≥5mm；当渗碳层深度范围为0.8~1.3mm时，法面模数的应用参考值尽量为mn≥5mm；当渗碳层深度范围为0.7~1.2mm时，则法面模数的应用参考值为mn≤3.5mm。

2齿轮主要参数选择

(1)齿数:齿数的选择一般应满足以下4个条件:满足传动比及行星齿轮互不干涉等要求；获得尽可能高的动力性与经济性要求；不产生根切现象；可相互啮合的齿轮，其齿数不能存在公因数。

(2)压力角:一般选择25º压力角以获得最大强度，直齿轮一般保持在28º。此外，节圆处渐开线曲率半径与齿根圆齿厚会随着压力角的增大而增大，使不根切的最少齿数减少，接触强度提高。

(3)模数:齿轮模数取决于轮齿的弯曲疲劳强度等因素，考虑到维修难度与加工工艺性，变速器中不宜采用过多的齿轮种类。常规设计是一、倒挡齿轮使用1种模数，高速挡齿轮使用1种模数，中间挡齿轮模数取二者之间。此外应注意增大模数、减小齿宽会使变速器减重；而减小模数、增大齿宽会使变速器降噪。轿车对变速器的噪声要求较高，而货运应注重质量要求。

(4)螺旋角:为了保证齿轮间的啮合度，一般采用较大的螺旋角，然后检测其运转是否平稳，运转噪音是否过大等，无异常现象则可以投入使用。需要注意的是螺旋角不宜太大，以避免齿轮出现弯曲等现象。低挡齿轮，螺旋角选择15º~25º为宜，以保证其抗弯强度。

(5)齿宽:齿宽的选取一般围绕齿轮模数进行。齿宽选取不当，会影响齿轮的运转稳定性。齿宽越大其承载能力越高，但易导致轴的挠度变形等问题，使齿轮受力不均，因此齿宽不宜过大。

通常根据齿轮模数m的大小来选定齿宽：

直齿，b=kc*m，其中kc为齿宽系数，取4.5-8

斜齿，b=kc*mn，其中kc为齿宽系数，取6-8.5

(6)齿顶高系数:为了保证轮齿弯曲强度与重合度，齿顶高系数不宜过小，实际运用中大都采用标准为1.00的齿顶高系数。少数变速器采用的长齿齿轮，使用的齿顶高系数会>1.00，因为它相较于普通齿轮，在动载荷、振动及噪音控制等方面具有更加优异的性能，而且可增大重合度。

(7)端向变位系数:若变位系数选择合理，可使齿轮产生根切的概率降低，从而使其中心距达到配凑。变位系数选择原则为:保证啮合时不干涉、保证必要的重合度与齿顶厚、保证加工时不顶切、保证加工时不根切。

(8)中心距:中心距一般根据经验公式初选得到的。中心距对变速器的总质量与外形尺寸影响很大，因此它的选择至关重要。确定中心距时应该考虑到齿轮的几何参数、结构要求与性能要求，不能一味地减小中心距以缩小变速器体积，这会引起滚动轴承放置困难等问题。

(9)量球直径:量球直径作为齿轮参数设计值之一，对加工后的齿轮齿厚起着一定的控制作用，其选择时应满足以下3点要求:量球不能触碰到齿槽底面、量球应与齿槽面两侧的渐开线齿面接触、量球应该有足够大的直径，以使其外表面高于齿顶，从而达到方便测量的目的。

3变速器齿轮的现代优化设计方式

3.1对齿轮的模数和压力角进行控制

在齿轮设计过程中，厚度和齿轮模数据有很大关联，如果齿轮的模数越多，自身厚度也会有所提升。在设计过程中，设计人员需要对模数进行有效控制，保证每对齿轮之间均具备相匹配的模数，提升齿轮的实用性，为变速器的功能实现创造良好条件。为了将齿轮的生产加工成本降低，同时避免齿轮的生产难度增高，设计人员可以将齿轮模式设计为同种规格。齿轮模式的确定也可以通过计算得出，并与传递扭矩相结合，对制作材料进行确定，再结合相关技术标准，将最小中心距确定出来。在压力角选择时，应该与渐开线运动方向相结合，以及受力分析，最终实现压力角的有效确定，该项数值也与渐开线和点离基圆之间的距离有关。

3.2保证齿轮宽度和螺旋角与标准相符

在齿轮宽度计算过程中，可以对齿宽系数和分度圆直径相结合，将具体数值相乘，而在具体工作开展时，需要考虑齿轮工作的稳定性要求，与此同时，将变速器自身重量和体积进行降低。在齿轮螺旋角设计上，应该与实际标准相结合，对倾斜程度进行全面控制，才能将具体的斜齿轮优势充分发挥出来，提升齿轮结构整体的荷载能力。

3.3控制好齿轮齿数和变位系数

由于齿轮齿数和变位系数的合理控制，可促使齿轮的传动比与变速器档数匹配到一起。在具体齿数设计过程中，应提升设计工作的科学性，如果齿轮齿数过少，便会影响齿轮之间的啮合程度，降低主传动的稳定性。为了延长齿轮使用的寿命，齿轮变位情况必须得到合理控制，在变位系数设置好之后，设计人员可以站在系统整体运行情况进行考虑，确保变速器整体设计结构与强度和标准要求相符。

4现代机械式变速器档位的优化设计方法

4.1对变速器档数进行有效控制

汽车的种类的不同导致汽车变速器具有多样化特点。变速器档数与汽车运行存在很大联系，如果能够对档数进行有效设计，汽车的整体动力性能将会得到改善。因此，设计人员可以适当提升变速器的档位设计数量，这样一来，发动机的最大功率便能得到发挥，为汽车提供充足动力及变速能力，最终实现性能的良好优化。但站在汽车驾驶角度来说，变速器档位增加也会带来不利影响，如变速器自身结构复杂化、换挡频率增加等，为汽车驾驶增加了很大难度。在变速器档数设计时，应该与汽车的具体使用需求相结合，对档数进行有效设计。

4.2对档位传动比进行有效计算

传动比与汽车使用条件和参数存在很大联系，由于车型不同，传动比也会出现差异。例如，小轿车传动比一般会保持在2到5之间，小型货车的传动比在6到8之间，载重量大的货车传动比会更高。因此，在传动比设计过程中，应与汽车的具体使用情况相结合，对传动比数目进行科学选择，从而确保变速器基本性能保持不变。

结语：

由于科学技术的不断创新发展，变速器设计技术得到了全面优化，在机械式变速器设计过程中，应该与现代设计方式相结合，将变速器的使用性能全面提升，再加上计算工作的配合，变速器的优势将会彻底展示出来，避免出现设计失误的情况。

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