变速箱无侧隙齿轮组设计

马 峻

变速箱无侧隙齿轮组设计

马 峻

（北京电子科技职业学院，北京 102600）

变速箱作为汽车的核心部件，决定着研发整车水平的高低。长期起来，变速箱技术一直被国外大型汽车集团所垄断。文章在传统变速箱齿轮副设计的基础上进行了改进，设计了一种侧隙可调的变速箱齿轮副，实现了变速箱齿轮的无侧隙换挡，提高汽车换挡时的平顺性，减少换挡冲击，改善驾乘舒适性。

变速箱；无侧隙齿轮组；中心距修正

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

前言

变速箱作为汽车的核心部件，其研发生产水平决定着汽车整体水平的高低。长期以来，我国在变速箱领域一直处于落后的状态，特别是近年来普及的自动挡汽车变速箱，长期以来一直受国外大型车企的垄断，在国产化上一直是薄弱环节。可以说自动变速箱的发展是我国汽车工业发展不可忽视的“心头之痛”。经过近年来，我国车企的不断努力，在奇瑞、比亚迪、吉利等公司，分别研制出了自主品牌的CVT、双离合及6AT变速箱，但总体来说技术仍旧不成熟，目前只是解决了从无到有的问题，和世界先进水平在匹配程度、控制策略上仍存在差距。

解决变速箱问题，主要是解决齿轮的制造与装配的问题。变速箱中的齿轮副在实际转动中，工作齿面必须保持接触才能实现传递运动和动力，而非工作齿面间留有一定的间隙，即齿侧间隙，简称侧隙[1]。侧隙的作用主要是贮存润滑油，补偿齿轮副的安装和加工误差，补偿弹性变形和发热变形所引起的尺寸变动，以保证齿轮能正常运行，防止轮齿卡死。现有一般是通过对齿厚控制参数及其精度进行设计，以保证获得最小侧隙，满足齿轮副正常的安装与啮合需要[2]。但汽车的工况比较复杂，变速箱齿轮经常在载荷波动较大的情况下高速运转，这时由于轮齿之间间隙受非线性因素的影响，轮齿之间的接触状态将发生变化，从而导致轮齿间的接触、脱离、再接触的重复冲击，产生较大的动载荷，致使整个传动系统的动力学行为呈现复杂的力学特性[3]，从而促使人们对无侧隙齿轮系统的开发日益关注。

1 无侧隙齿轮副的发展现状

由于变速箱齿轮，特别是自动变速箱的齿轮多采用斜齿齿轮，在齿轮啮合过程中，啮合齿面间存在较大的相对滑动[4,5]，为了避免因摩擦发热而导致轮齿卡死，同时改善齿轮副的润滑状态，减轻齿面磨损，在设计时预先留有一定的侧隙[6]。此外制造和装配的误差也会造成齿轮的回差。概括起来，造成回差的主要因素包括齿轮固有误差和装配误差两大类[7]，其中齿轮的固有误差指齿轮的加工误差，包括齿厚变薄、基圆偏心、齿形误差、齿向误差和中心距增大等，装配误差是指装配后，由相关零件误差所引起的侧隙增大，包括轴承游隙和径向偏摆、齿轮与轴、轴承与壳体、轴与轴承的配合问题以及轴的刚度不足等。因此，在需要传递高精度角度信号或者位置信息的场合，必须采用合适的误差调整方法，以控制误差量，提高传动精度，进而达到更好的运行效果[8]。

常见的消除侧隙的措施分为刚性调整机构和弹性调整机构两类，主要有以下几种：

（1）调整中心矩

刚性调整机构中，最简单的结构即偏心轴套调整法。利用偏心轴套使两轮中心距可调，可以提高精度。此种方法可部分消除空回，适应任意负荷[9]。

（2）采用轴向垫片

刚性调整机构中，另一经常采用的方法为轴向垫片调整法。将齿轮的周节直径沿着齿厚方向制成一个较小的锥度，只要改变垫片的厚度就能改变两齿轮的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。这种调整法结构简单，但调整费事，齿侧间隙不能自动补偿，同时，无论正、反向旋转时，分别只有一个薄齿轮承受载荷，故齿轮承载能力较小[10]。

（3）采用双片齿轮

弹性调整机构中，最常见的是双片齿轮错齿调整法。齿轮做成两片，一片套在另一个齿轮的轮齿上，两片可以相对转动，但不能移动。在两片齿轮间装有弹簧，使两片齿轮左右错开。当啮合时，弹簧的拉力可以使双齿轮产生相对错齿，即两薄片齿轮的左右齿面分别与宽齿轮的齿槽贴紧，从而消除了齿侧间隙。但它不适用于负荷较大的情况，成本亦高[11]。

（4）使用游丝弹簧

另一种常见的弹性调整方法是游丝法。在一个齿轮上装有游丝，它产生反扭矩能使齿轮在正转或反转过程中使齿面始终处于单面接触状态，虽然有侧隙存在，但是由于正反转时总是单面啮合，也就消除了侧隙对空回的影响。但是，该轮的转动圈数不能多，在工作起始时的外力矩要大于游丝力矩，否则带不动此传动链。

2 变速箱无侧隙齿轮副设计

对比上述齿轮侧隙的调整方法，刚性调整法的特点在于结构简单，但调整过程复杂，无法实现自适应。而弹性调整法中，双片齿轮错齿调整法齿轮结构较复杂，不适用于变速箱等高速大转矩的场合。游丝法对虽然结构简单，但除了需要重新设计蜗卷弹簧外，这种方法对齿轮的旋转角度也有一定限制。因此，需要重新设计变速箱齿轮组的消隙方法。

汽车变速箱的高速、高转矩、啮合的齿轮副切换频繁，因此，齿轮侧隙的存在会造成齿轮副切换时的冲击，降低变速箱齿轮寿命，同时还会对汽车的舒适性造成影响。根据汽车变速箱的工况特点，将汽车变速箱齿轮设计成连续变位齿轮，使之形成小锥角，并增加侧隙条件功能，根据运行情况，在保养时对变速箱齿轮进行检测和调整，设计如图1所示。

图1 无侧隙齿轮箱主视图

采用连续变位的方法，将齿轮的变位系数由定值改为变值，由0到0.5连续变化，通过连续变位，使齿轮形成一个2 °至3°的锥角，将连续变位齿轮副Z1，Z2如图所示结构安装，输入端加装调整轴套，并配备锁死装置。调整轴套通过两个轴承与轴相连。工作时动力由输入端经齿轮副至输出端，若发现换挡时发生冲击，只要松开锁死装置，转动调整轴套，齿轮Z1就会沿输入轴移动，到合适位置后锁死轴套，即可消除齿轮不必要的侧隙。

由于齿轮组形成的锥角较小，往往不能完全抵消齿轮组的侧隙，因此在变速箱的生产加工过程中，还要利用减小中心距的方法减小侧隙。通过实践和经验公式的推导，得出中心距修正公式：

式中：Z1，Z2为齿轮副两齿轮齿数；m为模数；K为修正系数，建议取值范围为0.1—0.3。

影响修正系数K的因素主要包括：

（1）齿轮的加工工艺。加工齿轮的设备和工艺越差，K取值应该越大；

（2）齿轮副工作温度。变速箱温度越高，温升越快，K取值越小；

（3）齿轮的材料。齿轮材料的热膨胀系数越大，K取值越小。

经修正后的齿轮副基本可以处于无侧隙的运行状态，但两齿轮间的摩擦力有所增大，为保证变速箱的使用寿命，生产过程中还要注意提高齿面硬度，改善润滑条件，以达到提高抗磨能力，减少磨损，改善散热效果的目的。

3 结论

本文在分析现有无侧隙齿轮副的基础上，设计了一种新型无侧隙齿轮副，应用于汽车变速箱，可以进一步提高汽车换挡时的平顺性，减少换挡冲击，改善驾乘舒适性。

[1] 桂定一.齿轮精度新标准下侧隙设计中的几个问题[J],机械传动. 2004(6)∶28-31.

[2] 姜世平.李西建.黄漫玲等,圆柱齿轮精度的计算机辅助分析计算[J],机械传动,2004(5)∶43-46.

[3] 寇海江.汽车变速器齿轮传动系统非线性动力学特性研究[D],沈阳,东北大学,2011.

[4] 王保民,蒋学全.少齿数渐开线齿轮副啮合区域的研究[J].陕西工学院学报,2001,17(4)：1-3.

[5] 张国海,王保民,蒋学全.少齿数齿轮传动接触强度的研究[J].机械设计,2004,21(8)：16-18.

[6] 孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2006．

[7] 赵跃进,何献忠.精密机械设计基础[M].北京∶北京理工大学出版社, 2003.

[8] 胡超,施浒宁,宁春林．齿轮消隙功能实现探索[J].机电工程.2008, 25(2)：11-14.

[9] 谭培红,房晓东,周加红.偏心套刻度及调整齿轮侧隙的理论和试验研究[J].机械工程师,2002,9：53～54.

[10] 张德泉,陈思夫,林彬,机械制造装备及其设计[M].天津：天津大学出版社,2004.128～129.

[11] 郭聚东,彭伟,张红鸽,精密齿轮传动中齿轮副侧隙的调整方法[J].起重运输机械,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

马峻（1980-），男，副教授，硕士，就职于北京电子科技职业学院。主要研究方向汽车制造技术。