齿轮变速器怎么设计
4.4 变速箱齿轮设计方法 4.4.1 变速箱齿轮的设计准则: 变速箱齿轮的设计准则: 由于汽车变速箱各档齿轮的工作情况是不相 同的, 所以按齿轮受力, 转速, 噪声要求等情况, 应该将它们分为高档工作区和低档工作区两大 类.齿轮的变位系数,压力角,螺旋角,模数和 齿顶高系数等都应该按这两个工作区进行不同 的选择. 高档工作区:通常是指三,四,五档齿轮, 它们在这个区内的工作特点是行车利用率较高, 因为它们是汽车的经济性档位. 在高档工作区内 的齿轮转速都比较高,因此容易产生较大的噪 声,特别是增速传动,但是它们的受力却很小, 强度应力值都比较低,所以强度裕量较大,即使 削弱一些小齿轮的强度, 齿轮匹配寿命也在适用 的范围内.因此,在高档工作区内齿轮的主要设 计要求是降低噪声和保证其传动平稳, 而强度只 是第二位的因素. 低档工作区:通常是指一,二,倒档齿轮, 它们在这个区内的工作特点是行车利用率低, 工 作时间短,而且它们的转速比较低,因此由于转 速而产生的噪声比较小. 但是它们所传递的力矩 却比较大,轮齿的应力值比较高.所以低档区齿 轮的主要设计要求是提高强度, 而降低噪声却是 次要的. 在高档工作区,通过选用较小的模数,较小 的压力角,较大的螺旋角,较小的正角度变位系 数和较大的齿顶高系数. 通过控制滑动比的噪声 指标和控制摩擦力的噪声指标以及合理选用总 重合度系数,合理分配端面重合度和轴向重合 度,以满足现代变速箱的设计要求,达到降低噪 声,传动平稳的最佳效果.而在低档工作区,通 过选用较大的模数,较大的压力角,较小的螺旋 角,较大的正角度变位系数和较小的齿顶高系 数,来增大低档齿轮的弯曲强度,以满足汽车变 速箱低档齿轮的低速大扭矩的强度要求. 以下将 具体阐述怎样合理选择这些设计参数. 4.4.2 变速箱各档齿轮基本参数的选择: 变速箱各档齿轮基本参数的选择: 1 合理选用模数: 合理选用模数: 模数是齿轮的一个重要基本参数,模数越大, 齿厚也就越大,齿轮的弯曲强度也越大,它的承 载能力也就越大. 反之模数越小, 齿厚就会变薄, 齿轮的弯曲强度也就越小.对于低速档的齿轮, 由于转速低,扭矩大,齿轮的弯曲应力比较大, 所以需选用较大的模数,以保证其强度要求.而 高速档齿轮,由于转速高,扭矩小,齿轮的弯曲 应力比较小,所以在保证齿轮弯曲强度的前提 下,一般选用较小的模数,这样就可以增加齿轮 的齿数,以得到较大的重合度,从而达到降低噪 声的目的. 在现代变速箱设计中, 各档齿轮模数的选择是 不同的.例如,某变速箱一档齿轮到五档齿轮的 模数分别是:3.5;3;2.75;2.5;2;从而改变了 过去模数相同或模数拉不开的状况. 2 合理选用压力角: 合理选用压力角: 当一个齿轮的模数和齿数确定了, 齿轮的分度 圆直径也就确定了, 而齿轮的渐开线齿形取决于 基圆的大小,基圆大小又受到压力角的影响.对 于同一分度圆的齿轮而言, 若其分度圆压力角不 同,基圆也就不同.当压力角越大时,基圆直径 就越小, 渐开线就越弯曲, 轮齿的齿根就会变厚, 齿面曲率半径增大, 从而可以提高轮齿的弯曲强 度和接触强度.当减小压力角时,基圆直径就会 变大, 齿形渐开线就会变的平直一些, 齿根变薄, 齿面的曲率半径变小, 从而使得轮齿的弯曲强度 和接触强度均会下降,但是随着压力角的减小, 可增加齿轮的重合度,减小轮齿的刚度,并且可 以减小进入和退出啮合时的动载荷, 所有这些都 有利于降低噪声.因此,对于低速档齿轮,常采 用较大的压力角,以满足其强度要求;而高速档 齿轮常采用较小的压力角, 以满足其降低噪声的 要求. 例如:某一齿轮模数为 3,齿数为 30,当压力 角为 17.5 度时基圆齿厚为 5.341; 当压力角为 25 度时, 基圆齿厚为 6.716; 其基圆齿厚增加了 25% 左右,所以增大压力角可以增加其弯曲强度. 3 合理选用螺旋角: 合理选用螺旋角: 与直齿轮相比,斜齿轮具有传动平稳,重合度 大,冲击小和噪声小等优点.现在的变速箱由于 带同步器, 换档时不再直接移动一个齿轮与另一 个齿轮啮合,而是所有的齿轮都相啮合,这样就 给使用斜齿轮带来方便, 因此带同步器的变速箱 大多都使用斜齿轮. 由于斜齿轮的特点, 决定了整个齿宽不是同时 全部进入啮合的,而是先由轮齿的一端进入啮 合, 随着轮齿的传动, 沿齿宽方向逐渐进入啮合, 直到全部齿宽都进入啮合, 所以斜齿轮的实际啮 合区域比直齿轮的大.当齿宽一定时,斜齿轮的 重合度随螺旋角增加而增加.承载能力也就越 强,平稳性也就越好.从理论上讲,螺旋角越大 越好,但螺旋角增大,会使轴向分力也增大,从 而使得传递效率降低了. 在现代变速箱的设计中, 为了保证齿轮传动的 平稳性,低噪声和少冲击,所有齿轮都要选择较 大的螺旋角,一般都在 30°左右.对于高速档齿 轮由于转速较高,要求平稳,少冲击,低噪声, 因此采用小模数,大螺旋角;而低速档齿轮则用 较大模数,较小螺旋角. 4 合理选用正角度变位: 合理选用正角度变位: 对于具有良好润滑条件的硬齿面齿轮传动, 一 般认为其主要危险是在循环交变应力作用下, 齿 根的疲劳裂纹逐渐扩张造成齿根断裂而失效. 变 速箱中齿轮失效正是属于这一种. 为了避免轮齿 折断, 应尽量提高齿根弯曲强度, 而运用正变位, 则可达到这个目的. 一般情况下, 变位系数越大, 齿形系数值就越小,轮齿上弯曲应力越小,轮齿 弯曲强度就越高. 在硬齿面的齿轮传动中,齿面点蚀剥落也是 失效原因之一.增大啮合角,可降低齿面间的接 触应力和最大滑动率,能大大提高抗点蚀能力. 而增大啮合角,则必须对一副齿轮都实行正变 位,这样既可提高齿面的接触强度,又可提高齿 根的弯曲强度, 从而达到提高齿轮的承载能力效 果.但是,对于斜齿轮传动,变位系数过大,又 会使轮齿总的接触线长度缩短, 反而降低其承载 能力.同时,变位系数越大,由于齿顶圆要随之 增大,其齿顶厚度将会变小,这会影响齿顶的强 度. 因此在现代变速箱的设计中, 大多数齿轮均 合理采用正角度变位,以最大限度发挥其优点. 主要有以下几个设计准则: 对于低速档齿轮副来说, 主动齿轮的变位系数 应大于被动齿轮的变位系数, 而对高速档齿轮 副, 其主动齿轮的变位系数应小于被动齿轮的 变位系数. 主 动 齿轮 的变 位 系数 随档 位 的升 高而 逐渐 xiajiang.这是因为低档区由于转速低,扭矩 大,齿轮强度要求高,因此需采用较 da 的变 位系数. 各档齿轮的总变位系数都是正的 (属于角变位 修正) ,而且随着档位的升高而逐渐减小.总 变位系数越小, 一对齿轮副的齿根总的厚度就 越薄,齿根就越弱,其抗弯强度就越 低,但 是由于轮齿的刚度减小,易于吸收冲击振动, 故可降低噪声.而且齿形重合度会增加,这使 得单齿承受最大载荷时的着力点距齿根近, 使 得弯曲力矩减小,相当于提高了齿根强度,这 对由于齿根减薄而消弱强度的因素有所抵消. 所以总变位系数越大,则齿根强度越高,但噪 声则有可能增大. 因此高速档齿轮要选择较小 的总变位系数, 而低速档齿轮则必须选用较大 的总变位系数. 5 提高齿顶高系数: 提高齿顶高系数: 齿顶高系数在传动质量指标中,影响着重合 度,在斜齿轮中主要影响端面重合度.由端面重 合度的公式可知,当齿数和啮合角一定时,齿顶 圆压力角是受齿顶高系数影响的, 齿顶高系数越 大,齿顶圆压力角也越大,重合度也就越大,传 动也就越平稳.但是,齿顶高系数越大,齿顶厚 度就会越薄,从而影响齿顶强度.同时,从最少 不根切齿数公式来看,齿顶高系数越大,最少不 根切齿数就会增加,否则的话,就会产生根切. 因此,在保证不根切和齿顶强度足够的情况下, 增大齿顶高系数,对于增加重合度是有意义的. 因此在现代变速箱的设计中, 各档齿轮的齿顶 高系数都选择较大的值,一般都大于 1.0,称为 细高齿,这对降低噪声,增加传动平稳性都有明 显的效果.对于低速档齿轮,为了保证其具有足 够的齿根弯曲强度,一般选用较小的齿顶高系 数;而高速档齿轮,为了保证其传动的平稳性和 低噪声,一般选用较大的齿顶高系数. 以上是从模数,压力角,螺旋角,变位系数和 齿顶高系数这五个方面去独立分析齿轮设计趋 势.实际上各个参数之间是互相影响,互相牵连 的,在选择变速箱的参数时,既要考虑它们的优 缺点,又要考虑它们之间的相互关系,从而以最 大限度发挥其长处,避免短处,改善变速箱的使 用性能. 4.4.3 变速箱齿轮啮合质量指标的控制: 变速箱齿轮啮合质量指标的控制: 1 分析齿顶宽: 分析齿顶宽: 对于正变位齿轮,随着变位系数的增大,齿顶 高也增大,而齿顶会逐渐变尖.当齿轮要求进行 表面淬火处理时,过尖的齿顶会使齿顶全部淬 透,从而使齿顶变脆,易于崩碎.对于变位系数 大,而齿数又少的小齿轮,尤易产生这种现象. 所以必须对齿轮进行齿顶变尖的验算. 对于汽车 变速箱齿轮,一般推荐其齿顶宽不小于 (0.25-0.4)m. 2 分析最小侧隙: 分析最小侧隙: 为了保证齿轮传动的正常工作, 避免因工作温 度升高而引起卡死现象, 保证轮齿正常润滑以及 消除非工作齿面之间的撞击. 因此在非工作齿面 之间必须具有最小侧隙. 如果装配好的齿轮副中 的侧隙小于最小侧隙, 则会带来一系列上述的问 题.特别是对于低速档齿轮,由于其处于低速重 载的工作环境下,温度上升较快,所以必须留有 足够的侧隙以保证润滑防止卡死. 3 分析重合度: 分析重合度: 对于斜齿轮传动的重合度来说, 是指端面重合 度与轴向重合度之和. 为了保证齿轮传动的连续 性,传动平稳性,减少噪声以及延长齿轮寿命, 各档齿轮的重合度必须大于允许值. 对于汽车变 速箱齿轮来说,正逐渐趋向于高重合度化.尤其 对于高速档齿轮来说,必须选择大的重合度,以 保证汽车高速行驶的平稳性以及降低噪声的要 求.而对于低速档齿轮来说,在保证传动性能的 条件下,适当地减小重合度,可使齿轮的齿宽和 螺旋角减小,这样就可减轻重量,降低成本. 4 分析滑动比: 分析滑动比: 滑动比可用来表示轮齿齿廓各点的磨损程度. 齿廓各点的滑动比是不相同的, 齿轮在节点啮合 时,滑动比等于零;齿根上的滑动比大于齿顶上 的滑动比; 而小齿轮齿根上的滑动比又大于大齿 轮齿根上的滑动比,所以在通常情况下,只需验 算小齿轮齿根上的滑动比就可以了. 对于滑动比 来说,越小越好.高速档齿轮的滑动比一般比低 速档齿轮的要小, 这是因为高速档齿轮齿廓的磨 损程度要比低速档齿轮的小, 因为高速档齿轮的 转速高,利用率大,所以必须保证其一定的抗磨 性能以及减小噪声的要求. 5 分析压强比: 分析压强比: 压强比是用来表示轮齿齿廓各点接触应力与 在节点处接触应力的比值. 其分布情况与滑动比 分布情况相似, 故一般也只需验算小齿轮齿根上 的压强比就可以了.对于变速箱齿轮来说,压强 比一般不得大于 1.4-1.7. 高速档齿轮的压强比一 般比低速档齿轮的要小, 这是因为在高速档齿轮 传动中,为了减少振动和噪声,其齿廓上的接触 应力分布应比较均匀. http://cache.baidu.com/c?m=9d78d513d9d431ae4f9be2697c16c0101d4381132ba7d30208d28439e3732d4a506793ac56260770d6d27d1716d94f4b9ef72103361450b18cc9f85dacb0855f259f5745676d8255559347a091006383379129f4b25cb0e6a97584aea5838c0f058d44050dd1add447444f9d2aed4432e1a7981b415844beee6435fa58732bcf2511b240a8e3256e70dbb08202&p=9165f906ca904ea80abd9b7b0f5d&user=baidu&fm=sc&query=%B3%DD%C2%D6%B1%E4%CB%D9%C6%F7%D4%F5%C3%B4%C9%E8%BC%C6&qid=941cb87007b16c86&p1=1
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