浅析变速器齿轮设计

• 46•内燃机与配件

浅析变速器齿轮设计

姜再涛

(哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司，哈尔滨150060)

摘要：齿轮是机械传动系统中应用极为广泛的零件之一，在汽车变速器中占有重要地位，本文主要从齿轮设计材料选择和参数设 计这两方面进行分析。

关键词：变速器；齿轮；参数设计

1齿轮的材料选择

国内大部分汽车变速器齿轮选用的材料根据齿轮的 强度要求、加工工艺性，主要采用20CrMnTi、20CrNiMoH、20CrMoH、0MnCr5、5MnCr5等合金钢作为齿轮材料，而国外汽车变速器齿轮大都选用铬镍合金钢。齿轮生产一个 重点工序就是产品热处理工序，根据长期的生产经验我国 关于变速器齿轮中渗碳层所使用的数值一般较为固定，如渗碳层在深度0.8耀1.2mm时，一般会选择法面模数为 mn臆3.5m m的数值作为应用参考值；而当渗碳层深度达 到0.9耀1.3mm时，则选择的法面模数值要达到mn逸5mm 为主；再有，如果渗碳层达到1.0耀1.6mm时，那么其所应用 到的法面模数则为mn逸5mm。

2齿轮结构形式分析

在研究中对齿轮结构形式进行了分析，了解到直齿圆 柱齿轮与斜齿圆柱齿轮在变速齿轮设计中经常用到，且发 现变速器在设计过程中也会根据实际情况去选择不同党 委齿轮，如在低档以及倒档过程中则选择的齿轮形式选取 主要以考虑齿轮强度和轴向力对变速器的影响为准，一般 用直齿圆柱齿轮，而对于高速档常啮合齿轮主要以高速运 转产生的噪音为准则选用斜齿圆柱齿轮。

3齿轮主要参数选择

3.1模数和压力角选择在不同车辆中所应用的变速 器所选择的模数也不尽相同，主要还是根据实际情况进行 的选择。以直齿轮为例，其所使用过程中会根据实际情况 选择适当的压力角，一般保持在28毅时为最佳；而斜齿轮 则与直齿轮存在一定差异，其在25毅时所保持的强度是最 高的。因此，根据车辆类型的不同，所使用的齿轮重合度也 不尽相同。如以私家车为例，其在齿轮重合度方面一般会 以16。左右作为最佳选择，而重型车辆类型则选择的齿轮 承载力相对较大，一般为25毅角左右。

3.2螺旋角和齿宽对于螺旋角的选取也与变速器齿 轮设计方面存在较大联系。一般而言，螺旋角所选择的不 同也会对齿轮工作状态下噪声的大小，以及齿轮强度、轴向力等都会产生直接影响。因此，在螺旋角选择过程中就 要考虑到该类问题。可以在实际应用中选择那些较大的螺 旋角来保持齿轮之间的啮合度，且对齿轮工作状态下是否 稳定、工作噪声是否降低等进行观察，如果无异则可以使 用。但是，所使用的螺旋角并不需要过大，如果过大的话也 会使齿轮强度出现降低，极易造成弯曲等情况。所以，如果 是低档位齿轮方面，则选择的角度要保持在15。以上，25。以下，以控制好其抗弯强度。

对于齿宽问题，其的使用对齿轮转动稳定性也会造成 直接影响。因此，在齿宽的选择上一般根据齿轮模数进行 考虑，如果是直齿轮，那么则会以b=kcm作为考虑(b为齿宽，k c为齿宽系数），一般会在4.5~8.0之间；斜齿轮则会 以b=kcmn作为考虑，一般会在6.0~9.0之间。

3.3齿顶高系数齿轮的齿顶高系统与其强度、根切 以及后期投入工作时产生的声音具有直接的联系。若选择 的齿顶高系数相比较小，重合度与轮齿的弯曲承受力也会 随之降低，工作时所产生的噪音则会有所提高。针对齿轮 制作工艺较粗略的情况，一般采用齿顶高系数范围在 0.75耀0.80之间的短齿齿轮；随着相关技术的改进与完善，齿轮制作精密度有所提升，此时多采用标准为1.00的齿 顶高系数。并且在对重合度与噪音等方面要求较高的情况 下，部分变速器所使用的细高齿制会比标准为1.00的齿 顶高系数大一点。

3.4变位系数变位作为变速器齿轮设计中必要环节，其变位系数的选择显得尤为重要。并且系数合理的变 位可在一定程度上降低变速器齿轮产生根切的可能性，使 其中心距可能达到配凑。同时，能够根据需要进行齿轮总 变位系统的选择，若对工作噪声要求较高，可选择精度高 且总变位系统小的齿轮。一般而言，齿轮在选择上会随着 档位的变化而进行相应变化，在变位系数方面也会出现一 定变化。一般而言，在一档齿轮变位系数方面则要选择1.0 以上才能满足实际应用。

4各挡位齿轮齿数的分配及轮齿的强度计算

4.1确定一挡齿轮齿数在本文研究中对一档齿轮情 况进行了相关分析，了解到其实际计算方式。一般会以模 数与确定的中心距来对齿轮总和进行计算，其中包含斜齿 和直齿，以此来确定齿数的最终数值。然后，所选定的传动 比来控制齿轮数的大小，进而得到实际使用。如果是中间 轴式的变速器，那么中间轴在轴颈的选择上则要考虑到尺 寸问题。如果轴上选择的齿轮较小，那么其使用的齿数也 是有限制的。因此，在轴的选择上就要考虑到齿轮的问题。一般而言，不同车型所选择的中间轴也不尽相同，也会根 据车辆类型进行选择。

4.2修正中心距和确定其他挡位齿轮齿数齿数选择 的不同在齿轮中心距方面也存在一定差异。因此，在齿轮 取整处理之后，则必须要对中心距进行相应调整。根据档 位齿轮的不同，在传动比方面也存在一定差异。其中心距 可借助取整的齿数、zh与具体变位系数来调整，并且通过 其调整值、模数与螺旋角可以得到挡位齿轮的传动值。

4.3计算轮齿的强度变速器齿轮较易因强度不足而 出现断裂、表皮脱落以及齿轮换挡部位磨损等故障，对此，可通过相关公式与具体参数得到轮齿弯曲时作用力与接 触时作用力，进而计算出其实际强度大小。

参考文献：

「11丁栢群，王晓娟.汽车制造工艺及装备「Ml.中国林业出版社.

Internal Combustion Engine & Parts• 47•

KZX30/32数控钻铣床

金利

(陕西省机械研究院，咸阳712000)

摘要：KZX30/32数控钻铣床采用BT40钻铣主轴结构，TSLK250回转进给轴及三个直线进给轴，采用4+1控制（即4个进给 轴+ 1个主轴），能适应较复杂零件的一次装夹完成。具有经济实用、使用价值高等优点。在技术上有较大的提高，属于高端装备制造 技术及新产品中的高速高精度数控机床、刀具及关健零部件；对普及企业机械加工自动化有积极推进的作用，并有很大的发展空 间和延伸性。

关键词：BT40钻铣主轴；一机多能；高速

数控技术是将机械设备运动和工作过程自动控制结 合的技术，它集成计算机、微电子、自动控制等高新技术于 一体。随着控制技术、计算机技术、功率器件技术、电机技 术的突破，数控技术已达到技术成熟、性价比能被市场所 接受的程度，它的应用将使制造设备及产品本身内涵发生 根本性变化，使传统制造装备及产品的功能极大丰富、性 能发生质的飞跃，是一个国家制造业核心竞争力的重要标 志。数控技术的应用与推广，将促使我国机械装备产业向 结构优化、技术先进、附加值高的现代产业体系快速发展，对加快我国机械装备产业的转型升级，促进经济发展方式 转变具有重要意义。

KZX30/32数控钻铣床采用BT40钻铣主轴的结构形 式和TSLK250回转进给轴及三个直线轴进给系统。主轴 采用主轴伺服或变频控制，气动换刀，用于精密加工、精度 高，整体振动小、运动平衡；进给系统采用步进电机或交流 伺服电机驱动；KZX30/32数控钻铣床使用方便，结构合 理，应用范围广，使用价值高，市场前景好。

为加快我国工业的发展，提升企业装备制造业的整体 水平，缩短自动精密机械制造与西方发达国家的差距，同时也为陕西省机械研究院冲破机电一体化技术长期艰难 发展的困难局面，走出一条科技产业化发展道路，KZX30/ 32数控钻铣床主要是解决目前市场上普通铣床不能一次 装夹完成，需要多种夹具、多次加工、工艺复杂等问题。数控钻铣床采用BT40钻铣主轴结构，TSLK250回转进给轴 及三个直线进给轴，采用4+1控制（即4个进给轴+1个主 轴），能适应较复杂零件的一次装夹完成，工作效率高，成 本低。对普及企业机械加工自动化有积极推进作用，并有 很大的发展空间和延伸性。

在众多企业中尤其是汽车制造业，许多关键零件成型 需要铣削、镗孔等多道工序并在多台机床上分工序加工才 能完成。企业人员、设备投入成本大，加工周期长，生产效 率低，质量不容易保证。传统设备和加工手段已不能满足 现代工业快速发展。高自动化机床的大量使用，使制造业 整体水平有了显著的提高，随之对专用加工机床性能也提 出了更多、更高的要求，特别是在精密、高自动化、高效率、以加工工艺便利组合多个方面要有所创新突破。而KZX30/32数控钻铣床可以解决这样的问题。实现了 “一机多能”可一次装夹完成复杂零件的多工序和特殊零件 的高效自动化加工数控机床。

研发出具有我国自主知识产权的数控钻铣床，研究 4+1控制的钻铣床，从技术上有新的突破，提升了国内技 术，实现国产化，大幅度降低制造成本，并以此为突破口，使陕西省机械研究院研发出具有自主产权的品牌，在国内 数控机床领域开创新的发展道路。从技术上打破国外封 锁，填补国内该领域空白，使机床从系统控制应用软件到 关键功能部件全部实现国产化，大幅度降低制造成本。并以此为突破□发展成为数控钻铣床系列产品，实现项目的 产业化。研究开发多功能复合型的“一机多能"KZX30/32 数控钻铣床，可在一台机床上完成多台机床才能完成的复 杂零件的多工序加工及特殊零件的高效加工。实现我国自 主研发，具有知识产权的数控钻铣床。

研究开发4轴数控钻铣床主要内容：①BT40钻铣主 轴的设计与研制；②TSLK250回转进给轴的设计与应用；

③采用4+1控制（即4个进给轴+1个主轴），主轴采用主 轴伺服或变频控制，气动换刀，机械两档（适用高速和低速 大扭矩）；④三个直线进给轴的设计与应用；⑤经济实用，特别适合中小、业及私营个体企业。

BT40钻铣主轴是机床研制的重点。铣动力主轴(A 轴)为齿形皮带传动的BT40结构型式，主轴由一台交流 伺服电机驱动，刀具采用手动换刀方式松刀可选用电动 打刀器或气动打刀缸。该铣动力主轴（A轴）可以实现铣 削、钻削、镗孔、铰孔、攻丝加工，有主轴定向功能（镗孔）和刚性攻丝功能（攻丝），并具有伺服控制和变频控制两 种控制方式，转速控制的速度范围90-2500rpm，伺服轴 控制的最小单位0.001。，速度范围0.1-60rpm，可360毅连 续旋转。

TSLK250数控回转工作台采用了电磁夹紧装置，可控 性好，夹紧力大，运行速度快，稳定可靠，安装使用方便，分度精度高。KZX30/32数控钻铣床的三个直线进给轴采用 滚珠丝杠付直连，在制造和装配过程中采用特殊方法消除 了轴回程间隙，故具有摩擦损失小、传动效率高、动作灵 敏、精度保持性好、轴向无间隙、刚性好等优点，它不仅能 提高传动精度，而且能提高传动平稳性。

KZX30/32数控钻铣床研制成功后，在技术上又有一 个新的突破。成本大幅降低，该产品在市场上的需求量很 大，且在同行业产品的技术和应用上是一个创新，具有较 好的市场前景和市场竞争力，将会为我们带来很好的经济 效益和巨大的社会效益。