浅谈变速器异响

万 斌

(格特拉克(江西)传动系统有限公司，江西 南昌 330013)

一、齿轮设计

齿轮精度是影响齿轮异响的重要因子。国家标准对齿轮用齿轮副规定了13个精度等级。0、1、2级精度目前工艺水平和测量手段尚难达到，3-5级为高精度等级，6-8级为中等精度等级，9-12级为低精度等级。其中6级是基础级，也是设计中常用等级，滚齿、插齿等正常条件下所能达到的等级。在设计齿轮时，根据齿轮各项误差特性和对传动性能的影响将齿轮公差分三个组。

第1公差组用于控制传递运动的准确性，要求齿轮需要准确地传递运动，要求齿轮在一转中，转角误差的最大值不能超过限度，即一转转角精度。传递运动准确性的评定指标是齿距累积误差△Fp、齿圈径向跳动△Fr、径向综合误差△Fi’’。△Fp反映轮齿在分度圆上分布不均匀的程度，齿距差别越大，累积误差也越大，对传动比的影响也越大。△Fr即加工时所切出的齿圈回转中心和齿轮孔的中心有偏心，影响齿轮的传动比。△Fi’’是指被测齿轮与理想齿轮双面啮合转动时，被测齿轮一转内，双面啮合中心距的最大变动量，啮合中心距的变动，主要是被测齿轮安装偏心所引起的径向误差，还综合反映齿形，齿厚均匀性在径向上的影响。

第2公差组控制传动的平稳性(噪声和振动)，要求齿轮传动平稳，减小冲击，振动和噪声，这就是需要限制齿轮传动时，瞬时传动比的变化，即一齿转角精度。传动平稳性的评定指标有齿形误差△ff和基圆齿距偏差△fpb，△ff是指在齿轮的端截面上，齿形工作部分内齿形间的法向距离，异响主要为齿形不好，齿轮副正确啮合的首要条件是两齿轮的基圆齿距必须相等，如果有偏差，则在齿轮传动时，从上一对轮齿转换到下一对轮齿的瞬间会发生碰撞，冲击，这个是产生振动，噪音的主要原因。由于在转动过程中是重复出现的，所以影响齿轮传动的平稳性。

第3公差组控制载荷在轮齿上分布的均匀性，两齿轮啮合时，齿面接触面积大小对齿轮的使用寿命影响很大，齿轮载荷的均匀性由接触精度来衡量。齿面接触性的评定指标有齿向误差△Fβ和齿轮副接触斑点。△Fβ是齿轮的轴向误差，它影响齿长方向的接触痕迹的位置和大小，影响齿轮承载能力和使用寿命。接触斑点在齿面上分布的位置，大小将影响接触精度，为保证载荷分布均匀，要求接触面积越大越好。一对齿轮啮合，工作面与非工作面间必须留有一定的间隙用来储存润滑油使工作齿面形成油膜，减少摩损，补偿热变形，加工误差等原因引起的侧隙减小，防止卡死。根据齿轮副的工作条件来确定合理的侧隙。齿轮精度除了控制以上三组公差，还与齿轮加工方法有关，齿轮加工工艺不同，齿轮精度不同，如热后磨齿比剃齿精度可提高3个等级，所以提高制造精度和安装刚性对变速器的性能也至关重要。

二、轴承设计

轴承在变速器中起支承轴的作用，目的是减少运动副的摩擦及磨损，提高传递效率。轴承部位异响也是变速器的常见故障。

轴承的设计主要包括轴承精度、轴承游隙、轴承配合、轴承负荷性能及工作条件。

轴承精度包括旋转精度和尺寸精度，旋转精度主要是指轴承内外圈及端面的跳动精度。轴承按其内外圈基本尺寸公差分别为普通级P0，高级P6，精密级P5，超精密级P4及最精密级P2。轴承内圈旋转情况下，轴承内圈常选取 m6 n6 p6，轴承外圈常H7 G7K7；外圈旋转情况下，轴承内圈常选取 h6 k6，轴承外圈常选取M6 N6。

轴承配合包括轴承内圈与轴配合及轴承外圈与壳体孔配合。轴承配合的选择非常重要，配合选择不合理，影响轴承的正确安装及轴承的正常工作，导致轴承早期磨损或异响。大多数情况下，滚动轴承是标准件，外圈与孔采用基轴制，内圈与轴采用基孔制，常用公差带如图1。为了保证高旋转精度，P0，P6级精度的轴承配合的轴公差等级取IT6，孔取IT7。与P5 和P4级精度轴承配合的轴公差等级取IT5，孔取IT6。一般配合也根据轴承负荷来选择，承受旋转负荷的内外圈采用过盈配合，若以间隙配合，在旋转负荷的作用下，轴承圈产生蠕动，造成磨损而异响。轴承内圈在负荷较小时采取j6，k6配合，在负荷较大时采取n6，p6，r6配合。轴承承受轴向力时轴承内圈采用h6-h8配合。轴承安装在壳体孔中是固定的，则轴承座与壳体孔常设计过盈配合，但配合不宜太紧，孔常选用H6、H7、J6、J7、Js6、Js7等配合，一般情况下，尺寸大的轴承比尺寸小的轴承，空心轴颈比实心轴颈，薄壁壳体比厚壁壳体，铝合金比铸铁壳体，整体壳体比分件壳体配合紧些。

图1 滚动轴承常用公差带

轴承游隙包括轴向游隙和径向游隙，共分为六组，即1、2、0、3、4、5组，游隙大小依次由小到大，0组为基本游隙，游隙是轴承的一个重要技术参数，它直接影响到轴承的载荷分布，振动，摩擦、温度、噪音、使用寿命和运转精度等。游隙过小时，轴承产生较大的接触应力，轴承工作时摩擦发热，增加磨损，导致变速器异响。游隙过大时，轴产生较大的径向跳动和轴向跳动，轴承产生振动和噪声，导致变速器异响。合理的游隙才能确保轴承正常运转，不异常磨损。游隙值根据大小分三组，一组是基本组(C0)、小游隙组(C2)、大游隙组(C3)根据不同状态，常评估C0和C3状态。轴承游隙分为初始游隙，轴承安装后游隙及有效游隙，有效游隙是指轴承在安装游隙上加减因轴承内部温差产生的尺寸变动量后的游隙，变速器内常见轴承游隙如表1。

表1 变速器内常见轴承游隙

轴承负荷性能包括静负荷与额定动负荷，额定静负荷表征轴承抗永久变形的能力，额定动负荷表征轴承耐疲劳破坏的能力。计算静负荷安全系数Fs有助于确定所选轴承是否具有足够的额定静负荷。静负荷安全系数FS是防止滚动零件接触区出现永久性变形的安全系数。FS =CO/PO(CO额定静负荷，PO当量静负荷)，对于必须平稳运转、噪音特低的轴承，FS的数值要求高；只要求中等运转噪声的场合，可选用小一些的FS；一般推荐采用下列数值：FS=1.5-2.5(低噪音等级)；FS=1.0-1.5(常规噪音等级)；FS=0.7-1.0(中等噪音等级)，轴承在额定动互荷的作用下，轴圈发生变形，轴承配合面受力不均匀，引起松动，因此动载荷大时应配合紧些，动载荷小时应配合松些，一般P≤0.07C(轻载荷)，0.07C≤P≤0.15C(正常载荷)，P>0.15C(重载荷)，当循环次数达到一定数值后，在轴承内外圈滚道工作面上就产生疲劳剥落。如果轴承的负荷过大，疲劳则加剧。轴承滚道的疲劳剥落会降低轴的运转精度，使机构发生振动和噪声。正常工作条件下的滚动轴承，绝大多数是因为疲劳点蚀而失效，所以滚动轴承应进行接触疲劳寿命计算。如在过大的静载荷或冲击载荷作用下，滚动体和内外圈滚道产生塑性变形，导致轴承异响等失效。

轴承的工作条件包括轴承安装和环境温度、润滑情况、密封清洁等，工作条件对轴承的寿命影响很大。轴承安装不正、轴弯曲等产生滚道剥落现象导致轴承异响。轴承工作摩擦发热造成内圈温度高于轴及壳体的温度，内圈热膨胀引起与轴颈配合过松，外圈热膨胀与壳体孔配合过紧，所有一般在工作温度高于100℃时，需要做适当的修正来达到合理的轴承配合工作状态。若轴承在密封不可靠、多尘、润滑不充分的环境下，轴承容易产生磨损导致异响。所以需要确保轴承工作条件，使轴承不会因为工作条件的原因而导致轴承异响等失效。

总之，影响滚动轴承配合选用的因素很多，在轴承选型时必须考虑各种因素，结合实际情况，确保轴承选型合理，确保轴承不早期发生异响等失效。

三、壳体设计

壳体类零件是变速器的基础零件，变速器中的轴齿、拨叉、轴承等依靠壳体支撑确保正确的相互位置并传递动力。壳体精度主要包括重要孔面精度及润滑系统的设计。重要孔面包括轴承孔，定位销孔、拨叉轴孔等，如果轴承孔的位置度精度不高，变速器合箱后两轴承平行度，同轴度差，导致轴弯曲，齿轴啮合不正而产生的轴承异响，齿轮异响等情况。变速器的润滑系统与壳体设计密切相关，为了变速器内部零件得到良好的润滑，壳体需设计润滑结构，如图3轴承部位设计油槽，油孔，导油 筋，及为了确保轴承支撑强度，需要合理设计轴承座的刚度，轴承孔的壁厚设计，在结构允许的情况下，8mm≥轴承孔的径向壁厚≥6mm，在结构不允许的情况下，最小径向和轴向壁厚均必须≥3mm，且设计后必须通过CAE强度计算。

图2 壳体设计

为了润滑充分，变速器内需要额外的设计导油结构，如图3，设计导油板1，导油孔5，导油筋片3，导油筋片直接压铸成型到壳体上，该结构既节省空间又降低成本，通过油道导入轴承孔的润滑油在导油筋片的作用下形成压力差，加速润滑油的输送速度，将润滑油导送至轴承内润滑轴承，润滑油再流入到轴中心孔4，通过油孔5输送到齿轮，同步器，滚针轴承内部进行润滑。如壳体部位不设计油孔，油槽及导油筋，则润滑油很难导流到液面以上的零件部位，在润滑条件差的情况下则零件摩擦发热，温度升高，轴承磨损、齿轮烧蚀、疲劳剥落，甚至个别轮齿断裂等，在齿轮啮合时必然发出异响。由于轴承安装在前后壳体上，壳体合箱后两轴的同轴度必须满足要求，如图3中输入轴前轴承7和输入轴后轴承6，两个壳体如果轴承孔的精度不高，合箱后则输入轴发生弯曲，导致齿轮无法正确内核而异响，所以在设计壳体时，要合理设计定位销孔、轴承孔孔径、位置度，形状公差等，一般情况下轴承孔的位置度设计为0.05，在满足产品要求的同时需要根据工艺的可行性去调整。

1.导油管 2.壳体油道 3.导油筋片 4.输入轴中心孔 5.油孔 6.输入轴后轴承 7.输出轴前轴承

结语

造成变速器异响的原因主要有很多，如离合器分离不完全、齿轮碎屑敲击、螺栓松动、驾驶员操作不当、润滑油长期未更换、变速器装配不当等，本文只是简单的从齿轮是否正确啮合上浅分析变速器内部几个重要零件的设计来探讨。