格特拉克齿轮设计

GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日齿轮设计齿轮组GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日一、变速器齿轮设计二、齿轮基本参数及定义三、齿轮啮合参数四、齿轮微观参数五、齿轮标准六、变速箱齿轮主要材料以及热处理七、齿轮优化设计及强度计算八、齿轮微观参数优化九、齿轮加工十、齿轮失效模式十一、齿轮测量主要内容：齿轮设计教程GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日1、概述变速器用来改变发动机传到驱轮上的转矩和转速，目的是在各种行驶工况下，使汽车获得不同的牵引力和速度，同时使发动机在最有利的工况范围内工作。变速器由变速传动机构和操纵机构组成。变速器的基本设计要求：1）保证汽车有必要的动力性和经济性。2）设置空档，用来切断发动机的动力传输。3）设置倒档，使汽车能倒退行驶。4）设置动力输出装置。5）换档迅速、省力、方便。6）工作可靠。变速器不得有跳档、乱档及换档冲击等现象发生。7）变速器应有高的工作效率。8）变速器的工作噪声低。除此之外，变速器还应当满足轮廓尺寸和质量小、制造成本低、维修方便等要求。一、变速器齿轮设计GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日2、中间轴式变速器的特点中间轴式变速器传动方案的共同特点是：(1)设有直接档；(2)一档有较大的传动比；(3)档位高的齿轮采用常啮合齿轮传动，档位低的齿轮（一档）可以采用或不采用常啮合齿轮传动；(4)除一档以外，其他档位采用同步器或啮合套换档；(5)除直接档以外，其他档位工作时的传动效率略低。图1中的中间轴式四档变速器传动方案示例的区别为图1a、b所示方案有四对常啮合齿轮，倒档用直齿滑动齿轮换档，图1c所示传动方案的二、三、四档用常啮合齿轮传动，而一、倒档用直齿滑动齿轮换档。图1中间轴式四档变速器传动方案一、变速器齿轮设计GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日图2为中间轴式五档变速器传动方案。图2a所示方案，除一、倒档用直齿滑动齿轮换档外，其余各档为常啮合齿轮传动。图2b、c、d所示方案的各前进档，均用常啮合齿轮传动；图2d所示方案中的倒档和超速档安装在副箱体内，可以提高轴的刚度、减少齿轮磨损和降低工作噪声。图2中间轴式五档变速器传动方案凡采有常啮合齿轮传动的档位，其换档方式可以用同步器或啮合套来实现。同一变速器中，档位高的用同步器换档，档位低的用啮合套换档。一、变速器齿轮设计GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日图3为中间轴式六档变速器传动方案。图3a所示方案中的一档、倒档和图3b所示方案中的倒档用直齿滑动齿轮换档，其余各档均匀常啮合齿轮。常啮合齿轮传动的档位，其换档方式可以用同步器或啮合套来实现。同一变速器中，一定是档位高的用同步器换档，档位低的用啮合套换档。图3中间轴式六档变速器传动方案一、变速器齿轮设计GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日图4为常见的倒档布置方案。图4b方案的优点是倒档利用了一档齿轮，缩短了中间轴的长度。但换档时有两对齿轮同时进入啮合，使换档困难。图4c方案能获得较大的倒档传动比，缺点是换档程序不合理。图4d方案对4c的缺点做了修改。图4e所示方案是将一、倒档齿轮做成一体，将其齿宽加长。图4f所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合的齿轮，档换更为轻便。图4倒档布置方案为了缩短变速器轴向长度，倒档传动采用图4g所示方案。缺点是一、倒档各用一根变速器拨叉轴，使变速器上盖中的操纵机构复杂一些。一、变速器齿轮设计GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日3、变速器主要参数的选择增加变速器的档数，能够改善汽车的动力性和经济性。档数越多，变速器的结构越复杂，使轮廓尺寸和质量加大，而且在使用时换档频率也增高。在最低档传动比不变的条件下，增加变速器的档数会使变速器相邻的低档与高档之间的传动比比值减小，使换档工作容易进行。档数选择的要求：相邻档位之间的传动比比值在1.8以下。高档区相邻档位之间的传动比比值要比低档区相邻档位之间的比值小。目前，轿车一般用5～6个档位变速器，货车变速器采用5～6个档或多档，多档变速器多用于重型货车和越野汽车。两者相比较：斜齿圆柱齿轮有使用寿命长、工作时噪声低的优点；缺点是制造时稍复杂，工作时有轴向力。变速器中的常啮合齿轮均采用斜齿圆柱齿轮。直齿圆柱齿轮仅用于低档和倒档。a）齿轮形式：直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮b）档数一、变速器齿轮设计GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日c)传动比范围一个齿轮副的传动比，是指主动齿轮（角标a）角速度（转速）与从动齿轮（角标b）角速度之比。一、变速器齿轮设计变速器的传动比范围是指变速器最低档传动比与最高档传动传动比的比值。传动比范围的确定与选定的发动机参数、汽车的最高车速和使用条件等因素有关。目前乘用车的传动比范围在3~6之间，轻型商用车在5~8之间，其它商用车则更大。abbabazznniGETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日一、变速器齿轮设计d)齿数比12zzu一个齿轮副的齿数比，是指从动轮齿数与主动轮齿数之比：GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日4、中心距A对中间轴式变速器，中间轴与第二轴之间的距离称为变速器中心距A。变速器中心距是一个基本参数，对变速器的外形尺寸、体积和质量大小、轮齿的接触强度有影响。中心距越小，轮齿的接触应力越大，齿轮寿命越短。因此，最小允许中心距应当由保证轮齿有必要的接触强度来确定。初选中心距A时，可根据下面的经验公式计算31maxgeAiTKA式中，KA—中心距系数，轿车：KA=8.9～9.3，货车：KA=8.6～9.6，多档变速器：KA=9.5～11.0。轿车变速器的中心距在65～80mm范围内变化，货车的变速器中心距在80～170mm范围内变化。一、变速器齿轮设计GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日1、模数：基本齿条模数是齿距除以圆周率所得到的商（见图5）齿轮模数选取的一般原则：1）为了减少噪声应合理减小模数，同时增加齿宽；2）为使质量小些，应该增加模数，同时减少齿宽；3）从工艺方面考虑，各档齿轮应该选用一种模数；4）从强度方面考虑，各档齿轮应有不同的模数。对于轿车，减少工作噪声较为重要，因此模数应选得小些；对于货车，减小质量比减小噪声更重要，因此模数应选得大些。所选模数值应符合国家标准的规定。变速器齿轮模数范围大致如下：微型、普通级轿车中级轿车中型货车重型货车2.25～2.752.75～3.003.5～4.54.5～6.0二、齿轮基本参数及定义图5法面基本齿条齿廓GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日2、齿数：轮齿的齿数，在齿轮的端面上，沿顺时针，用齿1、齿2等标记，如果用N标识当前齿，则N+1标识下一齿，N-1标识反方向的齿。轮齿z的方向和标识，见图6；外齿圆柱齿轮的齿数z，在一般公式中，以正值的形式出现，内齿圆柱齿轮（内齿圈）的齿数，以负值的形式出现；二、齿轮基本参数及定义图6基准面上轮齿和齿槽的数量GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日3、压力角α压力角较小时，重合度较大，传动平稳，噪声较低；压力角较大时，可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。对于轿车，为了降低噪声，应选用14.5°、15°、16°、16.5°等小些的压力角。对货车，为提高齿轮强度，应选用22.5°或25°等大些的压力角。国家规定的标准压力角为20°，所以普遍采用的压力角为20°。二、齿轮基本参数及定义图7渐开线参数GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日4．螺旋角β齿轮的螺旋角对齿轮工作噪声、轮齿的强度和轴向力有影响。选用大些的螺旋角时，使齿轮啮合的重合度增加，因而工作平稳、噪声降低。试验证明：随着螺旋角的增大，齿的强度相应提高，但当螺旋角大于30°时，其抗弯强度骤然下降，而接触强度仍继续上升。因此，从提高低档齿轮的抗弯强度出发，并不希望用过大的螺旋角；而从提高高档齿轮的接触强度着眼，应当选用较大的螺旋角。二、齿轮基本参数及定义图8斜齿圆柱齿轮：导程、螺旋角β、导程角γGETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日5、齿宽b齿宽对变速器的轴向尺寸、齿轮工作平稳性、齿轮强度和齿轮工作时受力的均匀程度等均有影响。选用较小的齿宽可以缩短变速器的轴向尺寸和减小质量。但齿宽减少使斜齿轮传动平稳的优点被削弱，齿轮的工作应力增加。选用较大的齿宽，工作时会因轴的变形导致齿轮倾斜，使齿轮沿齿宽方向受力不均匀并在齿宽方向磨损不均匀。通常根据齿轮模数m（mn）的大小来选定齿宽b：直齿：b=Kcm，Kc为齿宽系数，取为4.5～8.0斜齿：b=Kcmn，Kc取为6.0～8.5啮合套或同步器接合齿的工作宽度初选时可取为（2～4）mm。第一轴常啮合齿轮副的齿宽系数Kc可取大些，使接触线长度增加、接触应力降低，以提高传动平稳性和齿轮寿命。二、齿轮基本参数及定义图9齿宽b,有效齿宽bFFbGETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日6．齿轮变位系数采用变位齿轮的原因：1）配凑中心距；2）提高齿轮的强度和使用寿命；3）降低齿轮的啮合噪声。变位系数的选择原则：1）对于高档齿轮，应按保证最大接触强度和抗胶合及耐磨损最有利的原则选择变位系数。2）对于低档齿轮，为提高小齿轮的齿根强度，应根据危险断面齿厚相等的条件来选择大、小齿轮的变位系数。3）总变位系数越小，齿轮齿根抗弯强度越低。但易于吸收冲击振动，噪声要小一些。为了降低噪声，对于变速器中除去一、二档以外的其它各档齿轮的总变位系数要选用较小一些的数值。一般情况下，随着档位的降低，总变位系数应该逐档增大。一、二档和倒档齿轮，应该选用较大的值。二、齿轮基本参数及定义图10变位齿轮GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日7．齿轮各部分的名称和符号1)齿顶圆:过齿轮各齿顶所作的圆，其直径和半径分别用da和ra表示。2)齿根圆:过齿轮各齿槽底部的圆，其直径和半径分别用df和rf表示。3)分度圆:齿顶圆和齿根圆之间的圆，是计算齿轮几何尺寸的基准圆其直径和半径分别用d和r表示。4)基圆:形成渐开线的圆，其直径和半径分别用db和rb表示。5)齿顶高、齿根高及齿全高:齿顶高为分度圆与齿顶圆之间的径向距离，用ha表示；齿根高为分度圆与齿根圆之间的径向距离，用hf表示；齿全高为齿顶圆与齿根圆之间的径向距离，用h表示，显然h=ha+hf。6)齿厚、齿槽宽:在半径为rk的圆周上，一个轮齿两侧齿廓之间的弧长称为该圆上的齿厚，用sk表示；在此圆周上，一个齿槽两侧齿廓之间的弧长称为该圆上的齿槽宽，用ek表示；二、齿轮基本参数及定义图11齿轮各部分的尺寸和符号GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日8、任意圆齿厚图为外齿轮的一个轮齿，si为轮齿任意半径ri的圆周上的弧齿厚，s为其分度圆上的弧齿厚，其中si和s分别对应的中心角为φi和φ，则：二、齿轮基本参数及定义图12任意圆齿厚则任意圆齿厚为：齿顶圆齿厚：基圆齿厚：GETRAG(JIANGXI)TRANSMISSION(GJT)孙长义2010年2月20日9、左旋和右旋如外轮齿和内轮齿