浅谈汽车变速器中的齿轮设计

戚文强（上海工程技术大学汽车工程学院,上海 201620）



浅谈汽车变速器中的齿轮设计

戚文强
（上海工程技术大学汽车工程学院,上海 201620）

摘 要：齿轮作为汽车变速器的重要组成部件，其设计的好坏对变速器起着至关重要的作用，所以我们要对各个齿轮的材料、结构以及主要参数做出正确的选择和设计。

关键词：汽车；变速器；齿轮；设计

1 齿轮的材料选择

国内汽车变速器齿轮的材料主要采用20CrMnTi、20Mn2TiB、15MnCr5、20MnCr5、25MnCr5、28MnCr5，而国外汽车变速器齿轮大都选用铬镍合金钢。

变速器齿轮的渗碳层深度推荐采用下列数值：法面模数mn≤3.5mm，渗碳层深度为0.8～1.2mm；法面模数3.5＜mn＜5mm，渗碳层深度为0.9～1.3mm；法面模数mn≥5mm，渗碳层深度为1.0～1.6mm。某些轻型货车和乘用车的齿轮采用40Cr 钢，并进行氰化处理。

2 齿轮的结构形式

直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮是变速器中最常用到的两种结构形式。在变速器设计中，不同档位选取的齿轮形式可能不同，倒挡和低档一般用直齿圆柱齿轮，而对于常啮合齿轮则选用斜齿圆柱齿轮。

3 齿轮主要参数选择

3.1 模数和压力角选择

模数对于齿轮有很大影响，选用较大的模数可以减少齿轮质量，而选用较小的模数则可以降低变速器的噪声。对于不同类型的车辆变速器应选用的模数也不同，乘用车减小工作噪声比较重要，因此齿轮要选较小模数，而货车减小质量更为重要，因此齿轮要选较大模数；变速器低挡齿轮应选用大些的模数，其他挡位选用另一种模数，很少情况下会选同一种模数，而倒挡齿轮选用的模数往往与一挡接近。

对于直齿轮，压力角为28°时强度最高，超过28°时强度增加不多；对于斜齿轮，压力角为25°时强度最高。乘用车为了增加齿轮重合度来降低噪声应选15°或16°等较小的角度，而商用车为了提高齿轮承载力应选22.5°或25°等较大的角度。

3.2 螺旋角和齿宽

螺旋角的选取对于变速器中的斜齿轮有着很大影响，这包括齿轮工作时的噪声大小，齿轮轮齿的强度以及轴向力等。在进行螺旋角选择时，可以通过选取较大一些的螺旋角来加大齿轮轮齿之间相互啮合的重合度，从而使齿轮工作更加平稳，并减小其工作噪声，但螺旋角不宜过大，以免造成轮齿的抗弯强度降低。为了增加低档位齿轮的抗弯强度，角度以15°～25°为宜；而为了提高高挡位齿轮的接触强度，应当选较大的角度。对于乘用车变速器：两轴式变速器为20°～25°，中间轴式变速器为22°～34°；而对于货车变速器：18°～26°。变速器中间轴上的齿轮均会采用右旋的旋向，而其他轴的齿轮采用左旋。

对于齿宽，当选取的齿宽较小时，变速器的轴向尺寸和质量就会减小，但是齿轮的传动平稳性也会被削弱。通常根据齿轮模数m（mn）的大小来选定齿宽：直齿b=kcm，kc为齿宽系数，取为4.5～8.0；斜齿b=kcmn，kc取为6.0～9.0。b为齿宽(mm)。

3.3 齿顶高系数

对于各档位齿轮来说，其重合度、轮齿强度、工作噪声、轮齿根切以及齿顶高厚度均与齿顶高系数有关。选择较小的齿顶高系数，重合度就会小并减少轮齿的弯曲应力，但会有较大的工作噪声。因而在齿轮的加工精度不高时，就采用过短齿制齿轮，其齿顶高系数大小为0.75～0.80；在提高了齿轮的加工精度之后，就不再采用短齿制齿轮，而规定了以1.00为标准的齿顶高系数。同时，有时候为了满足提高重合度和降低噪声的条件，一些变速器也会采用大于1.00的齿顶高系数的细高齿制。

3.4 变位系数

在变速器齿轮设计中，变位是很重要的一环，所以选择合适的变位系数相当重要。变位不仅可以使齿轮避免根切的产生并对中心距进行配凑，而且对于齿轮的强度和使用平稳性及齿轮的啮合噪声均有着很大影响。为了减小变速器的噪声，应使较高档位齿轮的总变位系数选用小一些，通常情况下，最高挡和一轴齿轮副选为-0.2～0.2，而随着挡位降低，变位系数逐挡增大。一挡齿轮的变位系数可以选用1.0以上。

4 各挡位齿轮齿数的分配及轮齿的强度计算

在对齿轮齿数进行分配时，首先要依据最初选好的中心距、齿轮模数和螺旋角，然后再根据变速器的挡数、传动比和传动方案来进行分配。但是为了尽可能的使各齿轮的齿面磨损均匀，我们在选择时应使各档齿轮的齿数比尽可能不为整数。

4.1 确定一挡齿轮齿数

通过选取的中心距和模数来计算齿数和：直齿斜齿对于计算出的齿数和进行取整，然后通过选定的传动比来分配大、小齿轮齿数。而对于中间轴式变速器来说，中间轴的轴径尺寸对于轴上的小齿轮的最少齿数有着一定的限制，也就是刚度的限制，所以在对其进行选定时，要同时考虑到轴的尺寸及齿轮的齿数。不同的车型所对应的中间轴一挡齿轮的齿数也不相同，乘用车在15～17范围内选取比较好，而货车则是在12～17范围内选取较好。

4.2 修正中心距和确定其他挡位齿轮齿数

在对齿数和进行取整处理后，相应齿轮间的中心距也会发生变化，所以我们要对中心距进行一定的修正。通过取整后的齿数和zh以及齿轮的变位系数来对中心距A进行修正，用以计算其他挡齿轮齿数。其他挡位齿轮的齿数可以根据相应的传动比，修正后的中心距以及对应的模数和螺旋角来计算出来。

4.3 计算轮齿的强度

变速器齿轮的主要损坏形式有：齿轮折断、齿面疲劳剥落、移动换挡齿轮端部破坏以及齿面胶合等，所以确保齿轮的强度也很重要。对于轮齿强度的计算主要依据轮齿的弯曲强度和接触应力两个方面。利用相应的公式和参数，可以计算出各齿轮轮齿对应的弯曲应力和接触应力大小，看是否符合强度要求。

参考文献：

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[3]黄鹏.变速器齿轮参数的选择[J].机械工程师,2006(01).

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作者简介：戚文强（1990-），男，河南开封人，硕士研究生，研究方向：车辆传动技术与CAE技术在工程中的应用。

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