轻型汽车变速箱性能提升设计探讨

王建芳

（中国重汽集团大同齿轮有限公司技术中心，山西 大同 037305）

0 引 言

随着我国经济的快速发展，轻型汽车近几年成稳定增长的态势，2012年1-10月份已销售151.9万辆，同比增长了5%。中高端轻卡不断推出，满足了用户对车辆越来越高的使用要求。目前国内轻型变速箱只有五档，技术也相对落后，高端轻卡全部进口德国ZF公司的轻型变速箱，而其价格又十分昂贵，因此，为了提高产品在市场中的竞争力，急需对轻型变速箱的技术进行革新和提升。

着重从轻型汽车变速箱的动力性、操纵性、可靠性以及降噪等四个方面的性能提升进行探讨，并提出了一些设计方面的改进建议。

1 现有轻型汽车变速箱的结构特点

图1 五档轻型变速箱结构图

国内现有轻型汽车变速箱最大输入扭矩150~400 N·m，某变速箱结构如图1 所示，该变速箱是三轴式、单中间轴传动，有五个前进档，一个倒档，全部齿轮为斜齿轮常啮合传动，所有前进档都采用铜合金单锥面锁环式同步器，倒档采用啮合套换档，操纵采用单滑轨式结构或三根叉轴式；一轴上不装油封，采用轴上螺旋油槽进行回油；中间轴采用锥轴承，一轴和二轴后轴承采用球轴承，二轴前轴承采用无保持架、无内圈和外圈的满滚针轴承。

2 轻型汽车变速箱性能提升设计

2.1 动力性能提升

轻型汽车变速箱设计时，根据所匹配发动机情况，首先考虑选择合适的变速箱档位和速比，速比范围设计要宽一些，保证汽车有必要的动力性和经济性指标。

目前国内轻型车多为五档变速箱，速比如表1 所示，总速比7.0 左右，一档和二档速比的级差1.86～1.99，接近2，级差太大，二档减一档挂档非常困难。针对此现状，轻型汽车变速箱动力性能要提升，就要扩大现有五档箱总速比范围，这样五档箱各档速比的级差会随之增大，导致其余档也减档困难，用户无法接受。如果增加一个档，设计为六档，速比范围扩大至6.1～0.75，总速比提高至7.5以上，一档速比增大可提高整车的爬坡性能和承载性能；同时档数多可提高发动机功率利用率、汽车的燃料经济性和平均车速，因而能提高汽车的生产率，降低运输成本；各档的速比级差相对缩小，换档就会平顺轻便；高档速比减小，提升整车的最高车速。

表1 现有五档轻型变速箱速比和总速比

2.2 操纵性能提升

近年来主机厂对变速箱的操纵性要求已列入整车评价的必检指标中，所以变速箱厂商也非常重视变速箱操纵性能的设计和提升工作。

2.2.1 同步器改进设计

现有五档轻型箱的同步器多采用铜合金同步环，耐磨性较差，可改用钢基喷钼同步环。钼摩擦层具有高耐磨性、低热衰、摩擦系数大的特点，可缩短同步时间；低档区将单锥同步器改为双锥同步器，如图2所示。

通常在结构尺寸相同的情况下，双锥同步器的摩擦力矩大约是单锥同步器的2倍，可降低换档力约50%，同步时间大大缩短，显著提升变速器的同步性能；同步器设计安装在支承刚度较大的中间轴上，被同步的零件减少，因而同步转动惯量减小，这样既减少了换档部件的磨损和自动脱档的可能性，又可缩短同步时间和减轻换档力[1]。

图2 双锥同步器

2.2.2 滑动旋转衬套的应用

滑动旋转衬套内由许多钢球轴向和径向密排，如图3 所示。在单滑轨操纵轴中加装滑动旋转衬套，操纵轴与壳体内孔由原来的干摩擦滑动改为带润滑滚动，摩擦阻力极小，可大幅度改善变速箱选换档的轻便性。

图3 滑动旋转衬套

2.3 可靠性能提升

市场反馈轻型变速箱一轴前轴承损坏频率较高，经过计算分析，变速箱一轴前轴承强度薄弱，轴承的总寿命安全率大于1，但是二、五档位的单独轴承寿命时间不足,尤其是五档严重不足。轴承的损坏会给变速箱可靠性带来一系列的问题，如轴承烧蚀、齿轮打齿、脱档、挂档困难等等。因此，必须采取相应的措施：在不改变轴承的安装尺寸可采用经过特殊热处理的长寿命球轴承，进口的长寿命球轴承寿命系数可达2.2，或采用同样外形尺寸的滚柱轴承。

齿轮方面可靠性提升可取消齿轮齿根油孔。据试验验证，齿轮无齿根油孔比有油孔时的齿轮弯曲强度可提高约20%。另外加大齿根圆弧半径，同时采用强力喷丸处理，既改善了应力集中，又增加了齿轮表面的残余压应力，齿轮的弯曲疲劳寿命可成倍提高。

现在五档轻型箱一轴密封靠轴上螺旋油槽进行回油，这种结构简单，但一轴与轴承盖之间的间隙不易控制，间隙大容易漏油，间隙小时一轴会刮磨轴承盖内孔，引起轴承盖发热，直接影响分离轴承的寿命，因此，改用旋转轴唇形油封进行密封是最为可靠的措施。

2.4 降噪措施

轻型汽车发动机转速高，最高转速达3 300~3 600 rpm，这使得变速箱内齿轮、轴也高速运转，齿轮啮合冲击产生的振动噪声会急剧加大，必须采取一些有效的降噪措施。

1）加大螺旋角，提高齿轮啮合重合度.中重型变速箱一般螺旋角最大25°，轻型箱可在常啮合轮和高速档轮采用25°～35°的大螺旋角，提高齿轮啮合的平稳性，保证动力传递的连续性；2）选用小模数、小压力角、大全齿高系数的细高齿齿轮，提高齿轮啮合重合度；3）齿轮采用鼓形齿（如图4）。当齿轮受到偏载荷、轴弯曲变形、或齿轮安装时有轻微偏斜时，鼓形齿可以在齿向上补偿，加大齿轮啮合时的接触面，消除轮齿偏斜造成的冲击噪声；4）采用磨齿工艺。磨齿可提高齿面粗糙度，消除热处理对齿轮齿形齿向变形的影响，提高齿轮啮合精度，使传动更平稳[2]。有条件的还可在磨齿后再进行喷丸处理，消除齿轮表面应力，对轻型变速箱降噪效果非常明显。

图4 鼓形齿与普通齿啮合对比

3 结束语

针对轻型变速箱性能提升提出一些设计方面的建议，也可在新产品开发中借鉴，当然变速箱性能提升还有更多的方法技巧，期待和同行们共同探讨。

[1] 王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2] 成大先.机械设计手册[M].北京：高等教育出版社，2008.