变速器齿轮设计

变速器齿轮设计齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递功率 可达近十万千瓦，其主要特点：效率高、结构紧凑、工作可靠，寿命长、传动比 稳定。一、齿轮材料的选取齿轮是机械设备中应用最常见的机械零件，其主要功能是传递动力、改变运 动速速和方向。齿轮材料的种类很多，在选择时应考虑的因素很多，根据齿轮的工作条件及 失效形式，要求制造齿轮的材料应具有下列性能：1）高的弯曲疲劳强度，足够的齿心强度和韧性，防止疲劳、冲击和过载断 裂；2）高的接触疲劳强度及高的齿面硬度和耐磨性，防止齿面损伤；3）良好的切削加工性能和热处理工艺性能及焊接工艺性能。齿轮材料的选择原则1）齿轮材料必须满足工作条件的要求，这是选择齿轮材料首先考虑的因素；2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺；3）正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载荷平稳或轻度 冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷，调质碳钢可用于制作在中 等冲击载荷下工作的齿轮；4）合金钢常用于制作高速、重载并载冲击载荷下工作的齿轮；汽车、拖拉机齿轮主要分装载变速箱和差速器中，他们工作时，承受载荷大， 超载和受冲击频繁，工作条件恶劣，目前广泛使用的齿轮用钢是20CrMnTi合金 渗碳钢，该钢具有较高的强度（a=1100MPa），径淬火及低温回火后，表面硬度 可达HRC5862，心部硬度为HRC3045，并具有较好的切削加工性能和热处 理工艺性能，渗碳速度块，淬火变形小，对过热不敏感，渗碳后可直接淬火。二、齿轮参数的初步确定齿轮传动的主要尺寸，可按下述两种方法来确定： （一）除受外部结构尺寸限定外，可参照同类产品用类比法确定，然后再进行强度校核，确定齿轮的参数1. 模数和压力角齿轮模数的因素很多，其中最主要的是齿轮的强度、质量、传动噪声、工艺 要求。减小模数，增加齿宽会使传动噪声降低，反之则能减轻变速器的质量。主 要从工艺要求出发，所有斜齿轮的法向模数均取mt = 5mm，所有直齿轮的模数 均取m = 4 mm。国家规定齿轮的标准压力角为20。，所以变速器齿轮普遍采用的压力角为20。2螺旋角及变位系数变速器斜齿轮的螺旋角一般为10。一 35。设计时，应力求使中间轴上同时工 作的两对齿轮产生轴向力平衡，见下图一，因为中间轴上全部齿轮的螺旋方向应 一律取为右旋，而第一、第二轴上的斜齿轮应取为左旋，轴向力经轴承盖作用到 壳体上。由上图可知，欲使中间轴上两个斜齿轮的轴向力平衡，满足下述条件:Fa 1 = Fn1 tan P1Fa 2 = Fn 2tan2由于传递的转矩T = Fn/1 = Fn2r2，为使两轴向力平衡，必须满足tan Pri = itan Pr3. 各挡齿轮齿数的分配配齿的目的是确定变速器各挡齿轮的齿数，一般是在已知变速器各挡的传 动比和选定了轴中心距以及齿轮模数等条件下配齿的，与变速器的结构形式密 切相关。（1）计算齿轮模数用类比法，可选一个基型变速器，其结构和使用条件与所设计的相似，估算 齿轮模数，艮口 m = m j 3 T / Tj式中m、mj 分别为设计与基型变速器的齿轮模数；t、七分别为设计与基型变速器传递的转矩。（2）估算齿数和一般变速器轴中心距是由离合器尺寸确定的。两根轴间主、被动齿轮的齿数 和 z与中心距A的关系为：Z _ 2A _ 2 A c ommn齿数和只能是整数，又因齿轮对的模数相同，故各挡齿数和也相同。（3）确定齿数主、被动齿轮的齿数z与，一定满足下式三_ ibz式中ib各挡传动比。所以初选中心距、齿轮模数以后，可根据变速器的挡数、传动比和传动方案 来分配各挡齿轮的齿数，在确定了每级的传动比和中心距，进而确定各级几何参 数。4. 齿轮几何尺寸计算（1）主要几何尺寸由计算公式 d _ mz，da _ d + 2h*am，df _ d 一 2（h*a + c*）m，h*a = 1，c* = 0.25然后计算各挡齿轮的主要几何尺寸。（2）齿轮宽度齿宽通常根据齿轮模数m的大小来选定，即齿宽b = km，kc为齿宽系数。对直齿轮 ，k = 4.57.5 ； 对斜齿轮，k = 6.58.5。cc5 .齿轮强度齿轮的失效形式1. 轮齿断裂：在正常工况下，主要是因为轮齿在重复载荷作用下，齿根产 生疲劳裂纹，裂纹扩展深度逐渐加大，然后出现弯曲折断，为了提高齿 轮的抗折断能力，可采取下列措施：1）增大齿根过渡圆角半径及消除加工刀痕的方法来减小齿根应力集中；2）增大轴与支撑的刚性，使轮齿接触线上受载较为均匀；3）采用合适的热处理方法使齿芯材料具有足够韧性；4）采用喷丸、滚压等工艺措施对齿根表层进行强化处理。2. 齿面磨损：传动过程中，齿面随着工作条件的不同会出现多种不同的磨 损形式。3. 齿面点蚀：轮齿工作时，一对齿轮相互啮合，齿面互相挤压，这时存在 于齿面细小裂缝中的润滑油油压升高，导致裂缝扩展，然后齿面表层出 现块状剥落而形成小麻点。4. 齿面胶合：负荷大、齿面相对滑动速度又高的齿轮，在接触压力大且接 触处产生高温作用的情况下使齿面间的润滑油膜破坏，导致齿面直接接 触，在局部高温、高压作用下齿面互相熔焊粘连，齿面沿滑动方向形成 撕伤痕迹。5. 塑性变形：在过大的应力作用下，轮齿材料处于屈服状态而产生的齿面 或齿体塑性流动所形成。齿轮强度计算根据变速器齿轮的损坏形式，常以接触应力和弯曲应力来计算齿轮强度。（1）齿面接触疲劳强度计算。直齿圆柱齿轮的接6 = 0.4 1 8：竺（+ ）7 b p 1 p 2式中，F为齿面上的法向力（N ），由计算载荷产生：E为齿轮材料的弹性 模量（MP ）； b为齿轮接触的实际宽度（mm ）； pp 2为主、从动齿轮节点处的曲率半径（刀）。（2）齿根弯曲疲劳强度计算。直齿圆柱齿轮的弯曲应力可用下列公式计算式中，F 1为圆周力（N），由计算载荷产生；Kb为应力集中系数；Kf为摩擦力影响系数；b为齿宽（mm）； t为断面齿距（mm）； Y为齿形系数。（二）根据接触强度计算确定中心距1或者小齿轮的直径日1,根据弯曲强度计算 确定模数m。1. 渐开线圆柱齿轮受力分析及计算（1）直齿受力分析法向载荷Fn垂直于齿面为计算方便Fn在节点P处分解为两个互相垂直的分力，即圆周力Ft与Fr。公式:T = 95492T F = F tarn F = Fr tn c o sx传递的转矩 分度圆直径a啮合角（2）斜齿受力分析如图所示:圆周力2 Tidi径向力轴向力F = F t a npn cos aF = Ftc o spcos a cos p由上式可知，轴向力Fa与tan p成正比，为了不使轴承受过大放入轴向力，斜齿圆柱齿轮传动的螺旋角p不宜选得过大，常在p = 8。20。之间选择。（3）按接触强度初步确定中心距，并初选主要参数，由机械设计手册查出齿面接触疲劳极限参数和相关的系数。直齿:a 483 （u 土 1 ）KT 1a HP斜齿:KTa 476 lu 土 1）1d HP式中气=9549 P由机械设计手册查出载荷系数K，齿宽系数$，许用接触应力由等，初定齿数比u。按经验公式m =(0.007 0.02 )a，求出m(4) 初步确定p，求出齿数，再精确求出螺旋角p。2. 齿轮强度校核 (1)校核齿面接触疲劳强度齿面疲劳强度的校核是针对齿面点蚀，由下式计算b = Z Z Z-Fu-1 K K K KH H E sPbd 1式中：K 使用系数动载系数齿向载荷分布系数 齿间载荷分配系数节点区域系数Z sp重合度及螺旋角系数bH lim接触疲劳极限接触强度计算的尺寸系数H minF min最小安全系数YFS复合齿形系数(2)齿根弯曲疲劳强度该强度校核主要式针对轮齿的折断，同样从机械设计手册查出各项系数，按公式计算FK K K K Y Ybm A V F P F a FS sPb Y Y Y YS = FE N CT e l TR r e l TXF(3) 齿轮强度条件SH - SH min /Min即计算安全系数均不应小于最小安全系数。(4) 确定主要几何尺寸三、齿轮结构的设计在保证齿轮和使用寿命的前提下，尽量减小齿轮的质量和转动惯量，使得设 备总重量减小及换挡操纵轻便。通常是通过改变齿轮的结构形式，如将齿轮加工 成腹板或孔板式，来实现齿轮的削减。四、齿轮精度设计1. 确定齿轮的精度等级根据齿轮具体的使用工况计算出圆周线速度，再依据手册选择精度等级。2. 确定齿轮副侧隙和齿厚偏差3. 确定齿轮精度检验项目及其公差如：齿距累积总偏差七、齿廓总公差、螺旋线总公差和径向跳动公 差F。4. 确定齿坯精度齿坯的尺寸偏差和齿轮箱体的尺寸偏差对于齿轮副的接触条件和运行状 况影响极大。齿坯的精度对切齿工序的精度影响极大，适当提高齿坯的精度，将 获得更好的经济性。(1) 齿轮内孔尺寸偏差(2) 齿顶圆直径及其偏差(3) 基准面的形状公差(4) 齿坯及齿面表面粗糙度五、齿轮加工工艺过程齿轮的加工工艺要根据具体的加工设备制定经济、可行的加工过程。一般的加工过程:下料f锻造f预先热处理f粗加工f最终热处理f精加工预先热处理的目的是改善锻造组织，得到合适的硬度，便于切削加工。其工 艺一般为正火。最终热处理的目的是使零件表面获得高硬度、高耐磨性，心部有 足够的强度、塑性及韧性。其工艺为渗碳、淬火加低温回火。应注意的是重要齿 轮的表面淬火，应采用高频或中频感应淬火，模数较大时，应沿齿沟加热和淬火。举例名称：输出齿轮材料：20CrMnTi热处理技术条件：齿面渗碳淬火，渗碳层深度0.81.2mm，齿面硬度HRC5862，心部硬度HRC3245。加工工艺路线：下料f锻造f正火f加工齿形1局部镀铜（防渗）f渗碳、 淬火、低温回火f喷丸f磨齿。热处理工艺：正火、渗碳、淬火及低温回火。