汽車變速器潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

宋友成

（唐山愛(ài)信齒輪有限責(zé)任公司，河北唐山 063033）

0 引言

變速器的潤(rùn)滑分為強(qiáng)制潤(rùn)滑和飛濺潤(rùn)滑，對(duì)中、重型卡車和客車來(lái)說(shuō)，由于變速器使用環(huán)境較為惡劣，傳遞轉(zhuǎn)矩較大，為確保使用壽命，多采用強(qiáng)制潤(rùn)滑方式[1-2]。而對(duì)普通乘用車來(lái)說(shuō)，由于使用工況相對(duì)較好及轉(zhuǎn)矩較為適中，多采用飛濺潤(rùn)滑。在具體設(shè)計(jì)中并沒(méi)有明顯界定，只有依據(jù)實(shí)際情況綜合考慮，才能設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的變速器產(chǎn)品。

變速器的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工作，既要考慮單個(gè)零件的結(jié)構(gòu)，又要分析零件之間的影響，還要考慮到成本因素，考驗(yàn)的是設(shè)計(jì)者的綜合實(shí)力。

1 變速器潤(rùn)滑系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路

1.1 考慮需要潤(rùn)滑的零件

在變速器中有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件之間就需要潤(rùn)滑，這樣可以將零件之間摩擦產(chǎn)生的熱量及時(shí)帶走以避免發(fā)生燒傷[3]。在變速器中零件摩擦面很多，如軸承滾道、齒輪各相對(duì)運(yùn)動(dòng)面、油封唇口、花鍵等，這些部位都要考慮潤(rùn)滑。

1.2 從結(jié)構(gòu)上考慮潤(rùn)滑

在結(jié)構(gòu)上可以將游動(dòng)齒輪布局在殼體下部，齒輪浸泡在潤(rùn)滑油中，潤(rùn)滑環(huán)境較好，減少需要潤(rùn)滑的零件個(gè)數(shù)。圖1所示為較好的變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，4個(gè)擋位的游動(dòng)齒輪均浸泡在潤(rùn)滑油中，只需考慮5擋、6擋的潤(rùn)滑即可。但擋位布局還要考慮攪油損失及操縱布局的方便性，不能因?yàn)闈?rùn)滑而影響其它性能或增加成本。

圖1 FF變速器潤(rùn)滑整體結(jié)構(gòu)式樣

1.3 潤(rùn)滑零件的使用

設(shè)計(jì)者要充分利用殼體的結(jié)構(gòu)來(lái)改善潤(rùn)滑環(huán)境，它不僅可以減少潤(rùn)滑零件數(shù)量，還可以減少變速器的整體成本，對(duì)開(kāi)發(fā)者的智慧是個(gè)考驗(yàn)。圖2所示為利用殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行潤(rùn)滑的結(jié)構(gòu)。

圖2 殼體中的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)

如果已充分考慮到潤(rùn)滑方式，還不能滿足零件的潤(rùn)滑，就要考慮采用專用零件進(jìn)行潤(rùn)滑，如導(dǎo)油槽、集油盒等，如圖3所示。

圖3 常見(jiàn)的潤(rùn)滑零件

潤(rùn)滑設(shè)計(jì)中油品也是要考慮的方面，特別是油的運(yùn)動(dòng)黏度、耐極壓性、高低溫性能等[4]，有興趣的讀者可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

2 變速器主要部件的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)分析

2.1 軸承的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)

軸承按潤(rùn)滑環(huán)境可分為開(kāi)放式和密封式，開(kāi)放式軸承就是軸承滾道與變速器內(nèi)腔相通，在運(yùn)行中飛濺的油可以對(duì)軸承的內(nèi)/外圈滾道、滾珠進(jìn)行潤(rùn)滑，提高軸承的使用壽命。

變速器在運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)產(chǎn)生很多雜質(zhì)，如果較硬的雜質(zhì)隨著油進(jìn)入滾道，會(huì)給開(kāi)放式軸承的壽命帶來(lái)嚴(yán)重的后果，這時(shí)就要考慮采用密封式軸承。

密封式軸承是在軸承兩端內(nèi)外圈之間增加密封蓋，在軸承裝配前會(huì)在滾道上均勻涂布潤(rùn)滑脂，在運(yùn)行時(shí)它可以起到很好的潤(rùn)滑作用，確保軸承的使用壽命[3]。密封蓋有2個(gè)作用：1）阻止?jié)櫥鞒鲚S承滾道外，初期確保軸承滾道得到有效潤(rùn)滑；2）可以防止變速器內(nèi)過(guò)大的雜質(zhì)進(jìn)入滾道。密封蓋并不是完全密封的，需要保留小排氣孔，是因?yàn)樵诟咚龠\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，熱膨脹的作用，軸承內(nèi)氣壓會(huì)升高，氣孔可以降低滾道內(nèi)壓力，保持氣壓平衡，從而使軸承蓋不脫落。由于高溫及高壓的作用，密封蓋內(nèi)的潤(rùn)滑脂在使用一段時(shí)間就會(huì)流失，后續(xù)仍然要靠潤(rùn)滑油來(lái)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑，密封蓋只保證在運(yùn)行初期軸承的潤(rùn)滑，設(shè)計(jì)者對(duì)于這一點(diǎn)要有清醒認(rèn)識(shí)。

2.2 齒輪的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)

齒輪的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，是因?yàn)辇X輪與其它零件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)面較多，所以要考慮的因素也多。

2.2.1 齒輪端面的潤(rùn)滑

齒輪端面同時(shí)涉及到內(nèi)孔的潤(rùn)滑，所以應(yīng)從多方面考慮它的設(shè)計(jì)。在本擋位運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪與周邊零件及支撐軸同步運(yùn)動(dòng)，無(wú)相關(guān)運(yùn)動(dòng)，無(wú)需考慮潤(rùn)滑。

非本擋運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪端面、內(nèi)孔與相關(guān)零件的端面有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生大量摩擦熱。潤(rùn)滑設(shè)計(jì)考慮的就是這種情況下的潤(rùn)滑。通常在齒輪端面開(kāi)出油槽即可以將油導(dǎo)入端面，實(shí)現(xiàn)端面潤(rùn)滑，常見(jiàn)的齒輪端面油槽形狀如圖4所示。

油槽數(shù)量越多，導(dǎo)入到內(nèi)孔的油也越充足，端面潤(rùn)滑環(huán)境越好，但油槽數(shù)過(guò)多會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，齒輪端面面壓會(huì)增大，反而會(huì)增加端面壓潰風(fēng)險(xiǎn)，所以油槽的數(shù)量也要依據(jù)實(shí)際情況來(lái)定。某公司幾款變速器端面面壓的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 齒輪端面面壓統(tǒng)計(jì)圖

油槽的數(shù)量最好為2～4個(gè)，油槽的截面形狀為“U”形的較多。也可以根據(jù)齒輪旋轉(zhuǎn)方向把油槽形狀設(shè)計(jì)成螺旋型（如圖4（d）），在齒輪旋轉(zhuǎn)中主動(dòng)把油導(dǎo)入到端面及內(nèi)孔中，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)入效果非常好。

圖4 齒輪端面油槽形狀

2.2.2 齒輪內(nèi)孔的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)

齒輪的內(nèi)孔潤(rùn)滑相對(duì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)原理很簡(jiǎn)單，保持內(nèi)孔油路暢通，可以帶走產(chǎn)生的熱量，確保齒輪內(nèi)孔的耐燒傷性及耐久性即可。

但實(shí)際情況比這復(fù)雜得多，因?yàn)閮?nèi)孔是一個(gè)相對(duì)封閉的空間，徑向間隙只有0.02～0.04 mm，在如此狹小的空間讓油順暢地流動(dòng)并不容易。要保證油能持續(xù)順暢流動(dòng)，必須在內(nèi)孔形成通暢的油路，既有進(jìn)油通道，又有出油通道。

進(jìn)油通道是通過(guò)齒輪的端面實(shí)現(xiàn)的，齒輪的端面油槽不僅關(guān)系到端面潤(rùn)滑，也關(guān)系到內(nèi)孔潤(rùn)滑，是相當(dāng)重要的。

如果齒輪端面導(dǎo)油效果不好，不能滿足內(nèi)孔潤(rùn)滑油量要求，可以在支撐齒輪的軸上增加油孔，進(jìn)行中心潤(rùn)滑。中心潤(rùn)滑有個(gè)前提，支撐軸是中空的，軸的端面也有潤(rùn)滑油的存在，那么在旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使軸上的孔部形成負(fù)壓，通過(guò)虹吸作用，軸中心的油就可以抽到齒輪內(nèi)孔，達(dá)到潤(rùn)滑內(nèi)孔。由于齒輪內(nèi)孔和軸之間還有滾針軸承，所以軸上的潤(rùn)滑油孔直徑是有要求的，一般依據(jù)滾針軸承的滾針直徑來(lái)決定。因?yàn)闈L針在齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)既要公轉(zhuǎn)也要自轉(zhuǎn)，油孔的直徑要小于滾棒直徑，否則滾針公轉(zhuǎn)時(shí)容易卡滯在孔的邊緣，導(dǎo)致滾針不能公轉(zhuǎn)，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)后，由于變速器振動(dòng)容易形成微振磨損，失效模式表現(xiàn)為支撐滾針軸承的軸和齒輪內(nèi)孔出現(xiàn)與滾針軸承滾子數(shù)相同的壓痕，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)可以方便地驗(yàn)證這個(gè)故障模式[5]。

但油孔過(guò)小，進(jìn)入的油量不能帶走產(chǎn)生的熱量時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)孔燒傷，這時(shí)可以通過(guò)增加油孔個(gè)數(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，通常設(shè)計(jì)1～3個(gè)油孔即可。

如果齒輪的布局不能實(shí)現(xiàn)中心孔潤(rùn)滑時(shí)，就要多考慮如何從端面進(jìn)行潤(rùn)滑了，如果還不能解決滾針壓痕問(wèn)題，就要從滾針的形式上去配合解決，通常采用剖分式滾針軸承就可以很好地解決，如圖6所示。

圖6 滾針軸承的式樣

前面介紹的是進(jìn)油通道的設(shè)計(jì)，下面介紹出油通道的設(shè)計(jì)。齒輪端面的油槽，一端是進(jìn)油口，另一端作為出油口而存在，具體的作用要依據(jù)齒輪兩端面的油量情況而定，在此不作論述。

由于空間所限，有時(shí)端面的出油效果并不理想，這時(shí)就要在齒輪齒根與內(nèi)孔間設(shè)計(jì)出孔來(lái)作為出油通道。圖7所示就是設(shè)計(jì)較合理的排油孔式樣，通過(guò)離心作用可以實(shí)現(xiàn)很好的出油功能。

圖7 齒輪上的油孔設(shè)計(jì)式樣

2.2.3 聯(lián)結(jié)齒輪的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)

在常規(guī)的變速器結(jié)構(gòu)中，聯(lián)齒和齒輪間距離足夠，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)攪動(dòng)的油可以到達(dá)聯(lián)結(jié)齒齒面，它的潤(rùn)滑不是問(wèn)題。但為適應(yīng)用戶對(duì)換擋舒適性要求，換擋行程越來(lái)越短，為保證搭載性，變速器總長(zhǎng)變短，齒套掛入聯(lián)齒后，完全覆蓋住聯(lián)齒，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)攪拌的油被齒套擋住而不能到達(dá)聯(lián)齒齒面，聯(lián)結(jié)齒齒面要傳遞力矩，卻得不到潤(rùn)滑，最終會(huì)導(dǎo)致微振磨損而帶來(lái)脫擋甚至斷齒的風(fēng)險(xiǎn)，這時(shí)就要考慮到聯(lián)齒的潤(rùn)滑，簡(jiǎn)單的方法是利用離心力作用和周圍零件的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)（如圖8），可以解決聯(lián)齒微振磨損的問(wèn)題。

圖8 錐面的設(shè)計(jì)式樣

2.2.4 齒輪其它部位的潤(rùn)滑

因?yàn)辇X輪其它部位（如齒面、錐面）都與變速器內(nèi)腔相通，而且高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)飛濺的油可以到達(dá)，所以對(duì)它的潤(rùn)滑不用特別關(guān)注，只需稍加考慮即可。

2.3 花鍵的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)

花鍵通常有間隙配合及過(guò)盈配合2種配合形式。如果是過(guò)盈配合，就需要通過(guò)外力壓入，配合零件之間不會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要潤(rùn)滑。如果是間隙配合，由于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)的存在，會(huì)發(fā)生微振磨損，就需要考慮潤(rùn)滑的問(wèn)題。通常通過(guò)中心潤(rùn)滑的方式或端面浸油的方式就能解決，此種潤(rùn)滑較為簡(jiǎn)單，可以參考相關(guān)文獻(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)變速器的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜述，具有很強(qiáng)的參考意義，但不同的結(jié)構(gòu)及式樣也有各自的特點(diǎn)，一定要依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。本文提出的方法只是一個(gè)參考性的建議，開(kāi)發(fā)者在設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮成本因素，不能為了潤(rùn)滑而增加過(guò)多零件，為保證變速器潤(rùn)滑性能，采用最簡(jiǎn)單的方式保證潤(rùn)滑性能才是最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。