螺旋錐齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討

司浩，吳曉，崔陽(yáng)

（陜西汽車(chē)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200）

引言

螺旋錐齒輪主要用于傳遞兩軸相交或相錯(cuò)之間運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。由于其傳動(dòng)重合度大、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于汽車(chē)、航空、航天等領(lǐng)域，是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)主減速器的主要元件?，F(xiàn)就螺旋錐齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 模數(shù)與齒數(shù)的選擇

從理論上講，齒輪的模數(shù)越大，強(qiáng)度越高，在傳動(dòng)中齒形變形越小，振動(dòng)和噪聲也越小，但事實(shí)上模數(shù)越大，加工誤差的絕對(duì)值也會(huì)增大，從而增大在傳動(dòng)中載荷的沖擊和振動(dòng)。當(dāng)齒數(shù)一定時(shí)，增大模數(shù)，就增大了端面面積，增大了噪聲的發(fā)射能力。當(dāng)模數(shù)一定時(shí)，減少齒輪的齒數(shù)，就減少了噪聲輻射面，有利于降低齒輪的噪聲，但齒數(shù)太少，加工時(shí)易產(chǎn)生根切，而且會(huì)降低主、被動(dòng)齒輪嚙合重疊系數(shù)，影響平穩(wěn)性和傳遞載荷能力。

所以，齒輪齒數(shù)與模數(shù)的選擇，應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足傳動(dòng)載荷、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音低、不產(chǎn)生根切、主被動(dòng)齒輪嚙合重疊系數(shù)在1.75-2.0區(qū)間等條件。小轎車(chē)要求工作盡可能平穩(wěn)、無(wú)噪音，兩輪齒數(shù)之和應(yīng)選在50-60之間，對(duì)載重汽車(chē)，兩輪齒數(shù)之和可以少些，以得到大的彎曲強(qiáng)度，但一般應(yīng)大于40。

2 螺旋角與接觸比的選擇

螺旋角是沿節(jié)錐齒線(xiàn)變化的，大端的螺旋角較大，小端的較小，齒面寬中點(diǎn)螺旋角β為齒輪名義螺旋角。通常說(shuō)得螺旋錐齒輪螺旋角就是指中點(diǎn)螺旋角。

主、被動(dòng)輪的接觸比是評(píng)定齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力、耐久壽命、噪聲的重要指標(biāo)。增大接觸比可以減少主、被動(dòng)齒輪嚙合時(shí)沖擊，減少振動(dòng)和噪聲。一般接觸比最小值1.5-1.8，當(dāng)大于 2.0時(shí)，可得到較好的結(jié)果，但當(dāng)接觸比超過(guò)2.3時(shí)，增大了齒面的滑移摩擦，耐久壽命降低。加大螺旋角可以增大主、被動(dòng)齒輪的接觸比。因此，在保證主動(dòng)輪強(qiáng)度基礎(chǔ)上，選擇略大螺旋角。螺旋角增大時(shí)，齒輪的軸向力也就隨著增大，因此螺旋角應(yīng)有一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?，以使齒輪的軸向力不過(guò)大而又得到較合理的重疊系數(shù)，汽車(chē)主減速器螺旋錐齒輪的螺旋角（對(duì)雙曲面齒輪則是大、小齒輪中螺旋角平均值）在 35°-40°范圍內(nèi)，小轎車(chē)一般選用較大值以保證有較大的接觸比，使之傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音低。載重汽車(chē)選用較小值以防止軸向力過(guò)大，通常推薦用35°。格里森制推薦用式（1）近似的預(yù)選螺旋錐齒輪與雙全面小齒輪的名義螺旋角：

式（1）中，β1—預(yù)選名義螺旋角；

Z2—大輪齒數(shù)；Z1—小輪齒數(shù)；d2—大輪節(jié)圓直徑；E—小輪偏置距。

最后選用螺旋角β與預(yù)選螺旋角之間差不得超過(guò) 5°。否則難以達(dá)到良好的強(qiáng)度平衡。

3 平均壓角

在雙曲面齒輪中，雖然大輪輪齒兩側(cè)齒面壓力角是一樣的，但小齒輪兩側(cè)的壓力角是不相等的，因此壓力角按平均壓力角考慮。

增大壓力角可以增加齒輪輪齒的強(qiáng)度，減少齒輪不產(chǎn)生根切的最少齒數(shù)，但對(duì)于尺寸小的齒輪，大壓力角易使齒頂變尖及刀尖寬度過(guò)窄，并使齒輪的端面系數(shù)下降，所以在輕負(fù)荷工作的齒輪中一般采用較小壓力角，可使齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低。一般小轎車(chē)雙曲面齒輪壓力角的選擇與平穩(wěn)及噪音的關(guān)系較之與強(qiáng)度的關(guān)系更為密切。小轎車(chē)主減速器和分動(dòng)器通常選用19°或21°15′的壓力角，輕型載重汽車(chē)一般選用21°15′，重型載重汽車(chē)選用22°30′的壓力角。

雙曲面小齒輪齒側(cè)的壓力角如自然的不相等時(shí)，側(cè)齒輪副在正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)嚙合線(xiàn)長(zhǎng)度是一樣的。而人為的控制使壓力角不相等時(shí)，可使正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)嚙合線(xiàn)長(zhǎng)度不相等。近年來(lái)的趨勢(shì)是減小驅(qū)動(dòng)側(cè)（小齒輪輪齒凹面）壓力角，以增大該側(cè)的嚙合線(xiàn)長(zhǎng)度。這種做法增大了重疊系數(shù)，改善了傳動(dòng)的平穩(wěn)性，降低了噪音。通常，在無(wú)明顯根切的條件下，使小齒輪輪齒凹面壓力角比其自然形成的壓力角減少 2°，可顯著的改善傳動(dòng)性能，但任何時(shí)候都不可把驅(qū)動(dòng)側(cè)壓力角減少到使軸向力將小齒輪推向大齒輪，所以驅(qū)動(dòng)側(cè)壓力角不得小于10°。為了避免非工作面壓力角過(guò)大，所以小轎車(chē)用雙曲面齒輪的平均壓力角選19°或21°15′，當(dāng)雙曲面齒輪壓力角較自然形成壓力角相差 2°以上或小齒輪兩側(cè)壓力角相差較大時(shí)，應(yīng)檢查小齒輪驅(qū)動(dòng)側(cè)（小齒輪輪齒凹面）齒根是否產(chǎn)生根切。

4 從動(dòng)輪齒面寬

從理論上講，增加齒面寬可以提高輪齒的強(qiáng)度和剛性，減少在嚙合中的變形，增大接觸比。但是齒面過(guò)寬，會(huì)使齒輪小端齒頂變尖，齒根槽過(guò)窄，造成齒頂崩齒和加工困難，影響齒輪壽命和強(qiáng)度，所以一般按被動(dòng)輪外錐距的0.3倍或模數(shù)的 10倍選其較小者，對(duì)主動(dòng)輪通常增加 10%較合適。對(duì)于汽車(chē)工業(yè)，主減速器圓弧錐齒輪齒面寬一般采用式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式（2）中，F(xiàn)--大輪齒面寬，dz--大輪節(jié)圓直徑。

5 法向側(cè)間隙

螺旋錐齒輪嚙合時(shí)側(cè)隙量根據(jù)齒輪模數(shù)和工作條件而定的。如果側(cè)間隙過(guò)小，就會(huì)增加齒間潤(rùn)滑油膜的壓力，引起振動(dòng)，嚴(yán)重者甚至破壞齒面油膜，引起齒側(cè)膠合。側(cè)間隙過(guò)大則會(huì)引起沖擊值過(guò)大，因此根據(jù)格里森制推薦，按表1選擇模數(shù)與齒側(cè)間隙：

表1

6 偏置距

雙曲面齒輪傳動(dòng)中，小齒輪中心線(xiàn)對(duì)大齒輪中心線(xiàn)偏置距大小及方向是一個(gè)很重要的因素。偏置距、螺旋角大小以及指向是相互關(guān)聯(lián)，因此應(yīng)相關(guān)關(guān)聯(lián)的確定參數(shù)。

偏置距過(guò)大將導(dǎo)致齒面縱向滑動(dòng)的增大，從而引起齒面的磨損或擦傷。偏置距過(guò)小將不能充分發(fā)揮雙曲面齒輪的特點(diǎn)。對(duì)于小轎車(chē)、輕型載重汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)來(lái)說(shuō)，雙曲面齒輪偏置距不應(yīng)超過(guò)大齒輪節(jié)錐距的40%（或節(jié)圓直徑的20%）。而對(duì)于越野汽車(chē)、載重汽車(chē)和公共汽車(chē)等重負(fù)荷傳動(dòng)，偏置距不應(yīng)超過(guò)大齒輪節(jié)錐距的20%（或節(jié)圓直徑的10-12%）。傳動(dòng)比愈大則偏置值也應(yīng)愈大，大傳動(dòng)比的雙曲面齒輪傳動(dòng)，小齒輪的偏置距可達(dá)大齒輪節(jié)圓直徑的20%-30%，但當(dāng)偏置距大于大齒輪節(jié)圓直接30%時(shí)，

應(yīng)檢查是否存在根切。

雙曲面齒輪偏置方向的規(guī)定：

由大齒輪向齒面看去，并使小齒輪處于右側(cè)，如果小齒輪在大齒輪中心線(xiàn)上方時(shí)，則為上偏置；在大齒輪中心線(xiàn)下方時(shí)，則為下偏置。下偏置時(shí)，小齒輪的螺旋方向是左旋，大齒輪為右旋；上偏置時(shí)，小齒輪的螺旋方向?yàn)橛倚?，大齒輪為左旋。在這些條件下，雙曲面小齒輪節(jié)圓直徑將比相應(yīng)的螺旋齒輪的尺寸大。根據(jù)偏置距、螺旋角及傳動(dòng)比，雙曲面小齒輪比相應(yīng)的螺旋錐齒輪小輪直徑可增大至30%。

7 齒輪材料及熱處理

7.1 材料選擇

對(duì)于汽車(chē)齒輪材料，要求強(qiáng)度高、韌性好、耐磨性佳，同時(shí)還要求能保證在截面上獲得必要淬透性、滲透性深度，以便保證在一定的受力面內(nèi)保持較均勻的綜合機(jī)械性能，如一般選擇20CrMnTi、20CrMnMo、17CrNiMo6等齒輪鋼。

7.2 熱處理

汽車(chē)齒輪一般選用低碳合金鋼，采用滲碳淬火+回火。滲碳層一般為（0.15-0.20）倍模數(shù)。滲層的表面硬度58-62HRC。齒輪心部硬度太低，重載時(shí)易產(chǎn)生塑性變形，一般齒輪心部硬度33-42HRC。

8 總結(jié)

以上討論是齒輪設(shè)計(jì)時(shí)常用的一些參數(shù)，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，它們是相互關(guān)聯(lián)、相互作用的，根據(jù)實(shí)際合理選用，以提高齒輪設(shè)計(jì)質(zhì)量和降低制造成本。

參考文獻(xiàn)

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