汽車變速器的性能與軸承類型

余 龍

（洛陽理工學(xué)院，河南 洛陽 471023）

前言

汽車變速器是車輛的重要組成部分，其性能對汽車的整體性能有直接影響，需要其具備換擋方便，輸出功率大，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高等特征。隨著人們對車輛性能要求的不斷提高，變速器軸承的性能也必須滿足更高的要求。

本文分析了影響變速器性能的因素，對其和軸承的關(guān)系進(jìn)行了具體分析，為變速器軸承選擇提供了一定參考作用。

1 變速器的特征

汽車變速器主要用于對車輛速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，駕駛者可以通過手動或者自動擋來控制車輛速度。這主要是通過改變變速器的傳動比和輸出扭矩而實(shí)現(xiàn)的。

汽車變速器有很多類型，對兩輪驅(qū)動車輛而言，變速器可依據(jù)放置位置而劃分為前置后驅(qū)變速器（下文稱TM/）和前置前驅(qū)變速器（下文稱 T/A）兩種。也可以依據(jù)變速方式而將變速器劃分為手動、自動和無級變速器三種，其各有一定的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。兩輪驅(qū)動汽車常用變速器的動力傳遞零件具體見表1。

變速器主要是利用一組直徑不同的齒輪進(jìn)行變速的，這些齒輪一般安裝在鋁制殼體內(nèi)，且通過油潤滑。

2 高輸出、輕量緊湊變速器與軸承類型

為了滿足變速器的結(jié)構(gòu)、重量和輸出功率等要求，就需要設(shè)計(jì)出合適的滾動軸承。對滾動軸承要求主要包括尺寸小，強(qiáng)度高，壽命長。變速器主軸支承的軸承組合方式有多種，主要方式如下所示：

（1）1套球軸承+1套球軸承

（2）1套圓柱滾子軸承+1套圓柱滾子軸承（主要用于軸向載荷不大的場合）

（3）1套球軸承+1套圓柱滾子軸承

（4）1套圓錐滾子軸承+1套圓錐滾子軸承

不同類型軸承的適用領(lǐng)域有明顯差異，圓錐滾子軸承的軸向承載能力明顯高于其他類型軸承的，可以較好的滿足變速器結(jié)構(gòu)重量和輸出功率相關(guān)的要求，因而本文選擇了第（4）種組合方式。

而對于一些圓錐滾子軸承壽命較短的應(yīng)用領(lǐng)域，主要應(yīng)對策略為增大滾動體直徑，這樣可以適當(dāng)?shù)脑黾宇~定動載荷。不過在要求較高的場合，單純這樣處理還不滿足要求，因?yàn)樽兯倨鬏S承實(shí)際壽命一般達(dá)不到額定值。本文對變速器軸承的疲勞破壞類型進(jìn)行了分析，主要從變速器回收的潤滑油和疲勞解析角度進(jìn)行了討論，結(jié)果表明變速器軸承的疲勞裂裂紋并非從材料內(nèi)部開始的，而和表面缺陷有關(guān)，這些缺陷主要因?yàn)闈櫥椭袘腋‘愇飳?dǎo)致。

表1 各種類型變速器的動力傳遞元件及潤滑油

3 變速器效率改善與軸承類型

影響變速器扭矩?fù)p耗的因素較多，其中主要有：（1）摩擦損耗；（2）齒輪副嚙合損耗；（3）滑潤滑油阻力。

在一般工況下，滾動軸承的動摩擦力矩遠(yuǎn)小于滑動軸承的，其原因?yàn)閳A錐滾子軸承內(nèi)存在滑動摩擦。為了降低磨損速率，就需要降低圓錐滾子軸承的摩擦力矩。

為此一些低摩擦圓錐滾子軸承被開發(fā)出來，最初開發(fā)此種軸承時，主要考慮到降低單套軸承的摩擦力矩。依據(jù)此思路開發(fā)出的第一代低摩擦圓錐滾子軸承的摩擦力矩大約為普通圓錐滾子軸承的80%。隨后為了進(jìn)一步降低磨損，第二代低摩擦圓錐滾子軸承也被開發(fā)出來，在開發(fā)這種軸承時，主要考慮剛度，其成對使用時的壽命，和滾子的直徑長度等因素，而進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

4 變速器振動噪聲與軸承類型

汽車變速器在工作中會發(fā)出很大的噪音，其中的振動噪聲主要分為振動噪音，顫振聲，嚙合噪聲等幾種，變速器的振動噪音特性主要和滾動軸承有關(guān)，而這種軸承也會產(chǎn)生一定頻率的噪音，在分析軸承噪聲產(chǎn)生的原因時，一般用到頻率分析工具。

變速器潤滑油如果純度不高，其中有一些懸浮的異物，則會導(dǎo)致軸承噪聲。且會影響到軸承使用壽命。而密封清潔球軸承則不存在此問題，此種做出和開式球軸承噪聲隨時間變化存在明顯的差異，選擇圓錐滾子軸承可以顯著降低嚙合齒輪副噪聲。不過若變速器安裝在鋁制殼體內(nèi) 則由于鋁材的膨脹效應(yīng)， 在長時間工作后，變速器殼體熱膨脹量可能會達(dá)到較高水平，軸承預(yù)緊失效，這樣也會產(chǎn)生齒輪噪聲。

為了避免這種高溫導(dǎo)致的軸承預(yù)緊消失而產(chǎn)生的振動問題，一般選擇球軸承和圓柱滾子軸承組合，這種組合下，這兩種軸承分別作為固定端和自由端，而有效的抵消了高溫帶來的影響。

圓錐滾子軸承的支承跨度在一定范圍內(nèi)，則高溫帶來的熱膨脹不會產(chǎn)生明顯影響，不過也會產(chǎn)生軸承噪聲。其原因?yàn)檐囕v生產(chǎn)時對軸承預(yù)緊時跑合時間不足，而在運(yùn)行期間，預(yù)緊載荷早期消失。為了解決此問題，快速裝配圓錐滾子軸承被開發(fā)出來， 這種軸承達(dá)到所需的跑合時間顯著減少，只有普通圓錐滾子軸承的四分之一，且可以很好的滿足預(yù)緊載荷相相關(guān)要求。

5 手動變速器換擋操縱性與軸承類型

前文對變速器采用鋁制殼體時引起的高溫預(yù)緊力消失問題進(jìn)行了討論，不過溫度較低情況下同樣存在一些問題。當(dāng)變速器溫度降低，變速器殼體收縮，這樣此種軸承預(yù)緊載荷會明顯增大、相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)力矩也同步增加，這樣也會增大車輛換擋時所需的換擋力。

圖1 換擋力隨溫度變化

換擋力隨溫度變化的關(guān)系見圖 1，溫度降低會導(dǎo)致圓錐滾子軸承預(yù)緊載荷和換擋力同步增加。為避免這種不利影響可以選擇球軸承和圓柱滾子軸承組合方式，這樣也不會對換擋力產(chǎn)生明顯影響。

6 結(jié)論

汽車變速器中用到多種軸承，其中常見的有球軸承、圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承，這些軸承各有一定的適用范圍。在一些特殊應(yīng)用場合，需要將其組合起來。為了滿足軸承的性能要求，需要對這些軸承進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，還需要依據(jù)變速器的使用特性進(jìn)行軸承開發(fā)和組合。

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