齒輪精度對變速器傳動效率的影響研究

王濤，李宏玲

（1.江淮汽車股份有限公司，合肥230022；2.安徽新華學院，合肥230088）

齒輪精度對變速器傳動效率的影響研究

王濤1，李宏玲2

（1.江淮汽車股份有限公司，合肥230022；2.安徽新華學院，合肥230088）

變速器作為傳動系統的重要組成部分，提升其傳動效率可改善傳動系統的整體效率。本文以某5檔手動變速器為研究對象，通過臺架試驗研究不同工況下齒輪精度對變速器傳動效率的影響。結果表明，采用磨齒工藝的高精度齒輪的變速器的傳動效率有明顯提升。

變速器；傳動效率；齒輪精度；磨齒；剃齒

整車開發(fā)對動力性、經濟性指標要求越來越高，而傳動效率是其影響的一個關鍵因素。傳動效率的提升，不僅對整車降低油耗具有很明顯的效果，而且通過降低摩擦損失，可以減少傳動系統的內部發(fā)熱，防止溫度過高，進而提高齒輪和軸承壽命，同時對NVH性能也會起到一定的效果［1］。變速器作為傳動系統重要組成部分，提升變速器效率可顯著改善傳動系統的整體效率。本文以某國產5檔手動變速器為研究對象，重點研究齒輪精度對變速器效率的影響。

1　齒輪精度的影響及加工工藝

1.1齒輪精度的影響

齒輪精度對變速器的效率影響主要是通過提高齒輪的精度等級后，齒輪的載荷分布更均勻，傳遞運動的準確性和穩(wěn)定性更好，減少了齒輪的振動沖擊帶來的能量損失。具體表現［2］：

1）齒輪精度對傳遞運動準確性的影響。漸開線齒輪的好處是能夠保證齒輪的傳動比，但是齒輪的加工存在誤差，即存在齒廓偏差、螺旋線偏差和齒距誤差等。實際的齒面不是理想的漸開線，所以齒輪在實際運轉過程中傳動比并不是恒定的，主動輪和從動輪間存在轉角誤差。齒輪傳遞運動的誤差應控制在一定的范圍內，以滿足齒輪嚙合的基本定律。

2）齒輪精度對傳動側隙合理性的影響。齒輪工作的過程中，需要得到充足的潤滑，一般除了讓齒輪浸在潤滑油中，還會在輪齒的非工作面間留有間隙用于存儲一定量的潤滑油，用于及時潤滑和帶走齒輪嚙合產生的熱量，同時可以防止齒輪受熱膨脹產生咬死或燒傷。齒輪側隙的選用必須合理，尤其是需要經常正反轉的齒輪，側隙過大齒輪正反轉的空行程會產生沖擊、振動和噪聲，影響齒輪的壽命。

3）齒輪精度對傳遞運動穩(wěn)定性的影響。齒輪嚙合過程中傳動比的不斷波動，會導致被動齒輪的速度不斷波動，即會出現瞬時加減速度和慣性沖擊，從而導致齒輪嚙合過程中出現振動、沖擊和噪聲。要保證齒輪傳動的平穩(wěn)性，既要保證齒輪旋轉360°的過程中傳動比的波動要小，也要保證齒輪最大的轉角誤差限制在合理的范圍內。

4）齒輪精度對載荷分布均勻性的影響。齒輪載荷分布的均勻性是指齒輪在嚙合過程中，在齒高和齒寬方向應盡量保證均衡的接觸，均勻的載荷分布有利于提高齒輪的承載能力延長其使用壽命。如果齒輪的載荷分布不均勻，容易造成齒輪折斷。當齒輪傳遞載荷較大時，對其載荷分布均勻性要求更高。

1.2齒輪加工工藝

齒輪有13個精度等級，分為0-12級，其中12級精度最低，0級精度最高。0-2級精度的齒輪對制造工藝與檢測水平要求極高，目前加工工藝尚未達到，是為將來發(fā)展而規(guī)定的精度等級；一般3-5級精度為高精度等級；6-8級精度為中等精度等級，使用最多；9-12級精度為低精度等級。5級精度是確定齒輪各項允許值計算式的基礎級。齒輪精度等級的選擇應以傳動的用途、使用條件、傳遞功率、圓周速度以及其它經濟、技術要求為依據（有時還要考慮加工條件）而確定［3］。輕型汽車常采用5-8級精度齒輪傳動；載重汽車常采用7-9級精度齒輪傳動。

齒輪加工常用方法有滾齒、銑齒、磨齒和剃齒等工藝。本文針對某5檔變速器，齒輪加工工藝由剃齒改為磨齒，齒面精度由7-8級提高到6-7級。其工藝對比見表1［4］。

表1　齒輪加工工藝對比

2　試驗及數據分析

2.1試驗過程

選用兩種不同齒輪（磨齒/剃齒）的變速器進行傳動效率試驗，試驗臺架見圖1。測試方法基本參照汽車行業(yè)標準QC T 568.1《汽車機械式變速器總成臺架試驗方法第一部分：微型》［5］。

試驗步驟如下：

1）選取剃齒變速器和磨齒變速器各一臺分別進行試驗，潤滑油用量均為2.0 L。

2）將傳動系統樣件連接在臺架上，驅動軸兩端分別直接連接在負載電機上；變速器輸入端與驅動電機相連接。

3）轉速分別取1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 400 r/min、3 600 r/min、4 800 r/min、6 000 r/min，其控制精度為±5 r/min，測量精度為±1 r/min。

4）試驗扭矩分別取45N·m、60 N·m、90 N·m、120 N·m、145N·m、180N·m，扭矩控制精度為±2‰，測量精度為±2‰。

5）油溫分別控制在60℃±2℃、80℃±2℃、100℃±2℃范圍內，油溫測量精度為±1℃。

6）驅動軸夾角設定為整車設計的夾角；差速器輸出端可不設置扭矩傳感器。

7）記錄變速器輸入端、左右輪端的扭矩、轉速及變速器的油溫。

8）傳動效率的計算方法：傳動系統的輸入扭矩（Tin）、輸入轉速（nin）、左輪輸出扭矩（Toutleft）、左輪輸出轉速（noutleft）、右輪輸出扭矩（Toutright）、右輪輸出轉速（noutright）可通過試驗測得，根據下列公式便可求得傳動效率。

9）試驗按低檔到高檔的檔位順序，結合轉速、扭矩、油溫組合的要求依次測定各工況點的傳動效率。

2.2試驗數據分析

臺架試驗完成后對采集的各檔位數據進行處理。圖2-圖5為一檔各轉速點剃齒變速器與磨齒變速器的傳動效率對比，磨齒傳動效率均大于剃齒傳動效率，磨齒最高效率達到96.6%，綜合效率提升0.5%～1%。圖6-圖9為三檔各轉速點剃齒變速器與磨齒變速器的傳動效率對比，磨齒傳動效率均大于剃齒傳動效率，磨齒最高效率達到97%［6］，綜合效率提升0.2%～0.8%。

表2為不同油溫下剃齒變速器與磨齒變速器的傳動效率對比，油溫60℃時磨齒比剃齒的傳動效率高0.83%，油溫80℃時磨齒比剃齒的傳動效率高0.84%，油溫100℃時磨齒比剃齒的傳動效率高0.93%。

表2　不同油溫下剃齒變速器與磨齒變速器的傳動效率對比

3　結束語

通過將齒輪加工工藝由剃齒改為磨齒，齒面精度由7-8級提高到6-7級。經過臺架試驗分析，變速器各檔位的傳動效率均有提升，綜合效率提升0.2%～1%。從測試結果可得出，齒輪的精度等級對變速器的傳動效率有明顯影響，即提高齒輪精度等級后，齒輪的載荷分布更均勻，傳遞運動的準確性和穩(wěn)定性更好，減少了齒輪的振動沖擊帶來的能量損失，提高了變速器的傳動效率。

［1］葉芳，顏宇，王霞，等.淺談提高汽車燃油經濟性的措施［J］.現代企業(yè)教育，2013，（14）：308.

［2］張慧芳，張立榮.手動變速器傳動效率的影響因素分析與改善對策研究［J］.制造業(yè)自動化，2011，（4）：31-33.

［3］張君.剃齒工藝的現狀及其與磨齒工藝的比較［J］.經濟技術協作信息，2007，（30）：78.

［4］遇立基.磨齒工藝與磨齒機的技術發(fā)展概況［J］.現代制造工程，2008，（2）：1-4.

［5］QC/T 568.1，汽車機械式變速器總成臺架試驗方法第一部分：微型［S］.

［6］高勇.微型汽車變速器傳動效率的影響因素分析及試驗研究［D］.武漢：武漢理工大學，2013.

修改稿日期：2015-04-13

Research on the In fluenceof Gear Precision on the Transm ission Efficiency

Wang Tao1，LiHongling2
（1.JianghuaiAutomobileCo.，Ltd，Hefei 230022，China；2.AnhuiXinhua University，Hefei 230088，China）

Transmission is an important part of the drive system，improving its drive efficiency can improve the whole efficiencyof thedrivesystem.Theauthors take a five-speedmanual transmission as the research objectto research the influence of differentgear precision on the transmission drive efficiency under differentworking conditions through bench test.The resultshows that the high precision gearwith grinding process can improve the transmission drive efficiency clearly.

transmission；drive efficiency；gear precision；grinding gear；shaving gear

U463.212

B

1006-3331（2015）05-0056-04

王濤（1985-），男，工程師；主要從事汽車底盤設計工作。