第二节 齿轮的降噪设计

第二节变速器齿轮降噪设计一、常啮合、超速档齿轮副的设计在变速器工作时，常啮合齿轮副和超速档齿轮副相对转速较高，利用率也较高，但承受的负荷相对于低挡齿轮副要小，而对它噪声要求相对于承载能力要高得多，因此，应按噪声要求选取参数，它的制造精度和齿面粗糙应较低档齿轮副高一个等级。例如：德国ZF公司生产的变速器，其常啮合齿轮副的精度为6级(DIN3962)，齿面粗糙度Rz6.3～3.2，用磨齿方法加工，其他各档齿轮副的精度均为7级(DIH3692)，用剃齿方法加工。因此，设计时对于常啮合齿和高速档齿轮的精度一般比低档的齿轮要高出一个精度等级。二、采用小模数、小压力角、大螺旋角、加大齿顶高系数在变速箱中心距相同的条件下，减少齿轮模数，可增加其齿数，使得齿根变薄，轮齿刚度减小，受力变形变大，吸收冲击振动的能力增大，从而可增加齿轮重合度和减少齿轮噪声。减小压力角能增加齿轮重合度，减小轮齿的刚度并且可以减小进入和退出啮合时的动载荷，所有这些都对降低噪声有利。分度圆法向压力角n=20的标准齿制对汽车齿轮来说，不是最佳的齿轮，试验资料表明n=15的噪声要比20的小一些，因此汽车变速箱的高速档齿轮的n取15，（我公司MF86A五档齿轮的压力角就是15）以减少噪声，而低速档齿轮取较大的压力角，以增加强度。采用大螺旋角、加大齿顶高系数可以增加齿轮的重合度，从而降低齿轮的噪音。我公司LC5T80变速器的常啮合齿、高速齿、低速齿的压力角、螺旋角、齿顶高系数见下表：型号LC5T80五档齿一档齿档位常啮合齿17.5°压力角17.5°28°螺旋角32°1.6770.93齿顶高系数1.2320°22°三、尽可能采用大的重合度齿轮副的重合度越大，则动载荷越小、啮合噪声越低、强度也越高，特别是端面重合度等于2.0时，啮合噪声最低，噪声级数将急剧地减小。由于齿轮传动时的总载荷是沿齿面接触线均匀地分布，所以在啮合过程中，随着接触线的变化，齿面受力情况也不断地发生变化，当接触线最长时齿面接触线单位长度载荷最小，当接触线最短时接触线单位长度载荷最大。显然单位载荷变化大而快时容易产生振动，引发噪声，特别是齿面接触线最长的那一对轮齿尤甚。对于齿轮重合度的分析有以下定义：定义：斜齿轮端面重合度=K1+KP；斜齿轮轴向重合度=K2+KF；斜齿轮总重合度=+；式中：K1的整数值；Kα的小数值；K2的整数值；Kβ的小数值；在设计斜齿轮的重合度时，应满足以下几条设计准则：1、尽可能地使或接近于整数，以获得最小的噪声，只要Kα0或Kβ0一项成立即可。2、避免采用Kα=Kβ=0.5的重合度系数，因为这时齿面载荷变化太快，齿轮啮合噪声最大。3、当Kα=Kβ时，齿轮副的噪声也比较大。4、总重合度系数为整数的齿轮噪声不一定小，特别是Kα或Kβ在0.3至0.7的范围内噪声较大，越接近0.5噪声越大。5、尽可能采用大的端面重合度，因为对噪声的影响要比大得多，对于汽车变速箱的高速档齿轮来说，要采用噪声。>1.8，以获得较小的噪声，而对低速档齿轮来说，也要尽可能地采用大的值，以降低6、应该采用大的总重合度系数以减小接触线长度变化时引起齿面载荷变化的幅度，最好使变速箱低档齿轮的>2，高档齿轮的>3。由研究证明，增大齿数和、减小模数、加大齿顶高系数、采用小压力角、增大螺旋角和齿面宽度等，均可达到增大重叠系数的目的。四、采用噪声指标cg和RB来选定变位系数(1)控制滑动比的噪声指标cg:由于在基圆附近的渐开线齿形的敏感性非常高，曲率变化很大，齿面间的接触滑动比非常大，因此在基圆附近轮齿传递力时的变化较激烈，引起轮齿的振动而产生较大的噪声，而且齿面容易磨损，所以在齿轮设计时应使啮合起始圆尽可能远离基圆，在此推荐啮合起始圆与基圆的距离应大于0.2的法向齿距，控制滑动比的噪声指标cg的公式如下：式中：db基圆直径；db’相配齿轮的基圆直径；dfa啮合起始圆直径；tn法向齿距；A齿轮中心距；D’相配齿轮的外径；t端面压力角；在现代变速箱的设计中，为了达到良好的低噪声性能，各档齿轮的控制滑动比的噪声指标一般都要小于1.0，而采用细高齿制来降低噪声的设计方案，这时的噪声指标cg就有可能大于1.0，所以对于这种齿制的齿轮可采用cg<1.10的设计要求。对于高速档齿轮来说，降低噪声是首选目标，所以其cg必须设计的小一些。例：LC5T80变速器二轴五档齿轮的噪声指标cg的验算，已知：mn=2.06，Z1=24，Z2=43，αn=20°，β=28°，αt=22.4°，da1=φ62.9，da2=φ105.49，d1=φ55.99，d2=φ100.32。由式5.2-1：2控制摩擦力的噪声指标RF从主动齿轮的节圆到其啮合起始圆的这段齿形弧段称为进弧区，从节圆到其齿顶这段齿形称为退弧区，齿轮在啮合过程中齿面有摩擦力，当齿面接触由进弧区移到退弧区时，摩擦力方向在节圆处发生突变，从而导致轮齿发生振动而产生噪声。如果进弧区越大，齿面压力的增加幅度也越大，那么噪声就越大，而在退弧区情况正好相反，因此工作比较平稳，噪声较小。齿面啮合从进弧区到退弧区的瞬间，摩擦力的突变量是它本身的两倍，所以产生的噪声较大。因此在汽车变速箱的齿轮设计中，采用退弧区大于进弧区的设计方法可以获得较小的啮合噪声，由此得到了控制摩擦力的噪声指标RF，其公式如下：（5.2-2）式中：max齿顶的齿形曲率半径；在现代变速箱的设计中，为了达到良好的低噪声性能，各档齿轮的控制摩擦力的噪声指标一般都要小于1.0，尤其当RF小于0.9时，降低噪声的效果比较明显。因此在设计过程中可以通过改变齿顶高系数和变位系数，来减小从动齿轮的外径和增大主动齿轮的外径，以使RF减小。在降噪设计过程中必须同时控制cg和RF两个噪声指标，使它们同时小于1.0，这样才能从总体上获得较小的噪声性能。例如：LC5T80变速器二轴五档齿轮的噪声指标RF的验算，已知：mn=2.06，Z1=43，Z2=24，αn=20°，β=28°，αt=22.4°，da1=φ105.4，da2=φ62.9，d1=φ100.32，d2=φ55.99。由式5.2-2：五、合理设计齿轮副侧隙和确定齿厚偏差；按国家齿轮标准的规定来先取侧隙，从控制噪声的角度出发，按下列公式确定最小侧隙Jnmin。式中：fpt1、fpt2——主、从动齿轮齿距误差△Fr1、△Fr2——主、从动齿轮径向跳动偏差αn——法向压力角K——考虑热变形热膨胀和尘屑等因素的系数，一般取0.7～0.85在确定各档齿轮副侧隙时，应使其步调一致，以消除系统侧隙对噪声的不利影响。齿轮侧隙与许多因素有关，例如齿轮体热膨胀系数、齿轮受载后轮齿变形、制造误差、安装误差及润滑油膜厚度等。根据一般推荐的数值，考虑表中的最小侧隙要求，再按上述Jnmin的近似计算公式，再参照齿轮国际规定来分配齿厚上、下极限偏差。我公司的部分变速器齿轮的侧隙见下表：型号LC5T80一档副二档副0.035～0.035～0.035～0.035～0.04～0.1470.1450.15三档副四档副五挡副六档副倒档副0.04～0.1630.04～0.1530.1470.146LC6T700.116～0.0820.2050.183～0.069～0.07～0.105～0.091～0.111～0.1540.160.1750.1850.2070.129～0.222六、正确进行轮齿的修形(设计齿形和设计齿向轮齿修形设计齿形和设计齿向是降低齿轮噪声最合理最有效的途径。它一直是国内外齿轮界研究的热门课题。当前，国内外的一些汽车变速器齿轮图纸上均标有对设计齿形和设计齿向的要求。修形原理已为众多的齿轮方面的专家和学者阐明，但修形的计算和方法是各不相同的。正是因为每种齿轮的工作条件(载荷变化大小、转速和油温等)、轮齿几何特征和综合刚度等不尽相同的，所以各个汽车变速箱生产厂家的修形计算都有它的局限性，不可能适用于所有齿轮的修形。确定自己产品的修形要求时，最有效的途径是要进行大量的试验，经获得适合本齿轮的齿形和齿向要求，以便在生产中予以执行。一般齿轮修形有以下几种情况：a.齿轮齿顶倒棱：仅对齿顶部分进行修正(见图1)。△=△1+△2式中△1——考虑加工误差的倒棱量，对于固定工艺和精度等级，其值为常数。△2——克服啮合过程中由双对齿啮合向单对齿啮合过渡时引起载荷突变的倒棱量，其值与载荷成正比。关于△值，虽有不少计算方法，但过于繁杂和理论化。根据汽车变速箱齿轮设计制造的经验，推荐△=0.08～0.12mm。模数小时取大值，反之取小值。另外，倒棱部分齿形角取2αn。如齿轮齿形角αn=20°，则取αn=20°*2=40°为宜。b.齿形修正(设计齿形)：除齿顶和齿根部分较理论渐开线稍短一些外，一般希望沿整个齿高方向为呈正压力角误差的齿形为宜。具体齿形形状仍需通过大量试验确定。c.齿向修正(设计齿向)：为避免轮齿的端接触或偏接触的出现，一般要求按齿的长度方向做成中间凸出即鼓形齿，中凸量一般为0.005—0.012mm。d．也可用专用软件进行齿形、齿向的优化修形，如MASTA软件。七、齿轮体结构形状的设计从限制噪声传播的角度考虑，为降低噪声，应减小齿轮表面的辐射面积，而达到这一目的的方法：一是尽可能减小齿轮直径，其次是在齿轮体上打孔。如LC5T80中间轴主动齿设计出均布的8个孔。另外，增加齿轮体厚度和布上环状筋等也可降低噪声，但这些措施受到变速器轴向尺寸的限制。八、齿轮精度的设计变速器齿轮的传动不平稳会引起振动和冲击，从而引起噪音加大，保证传动平稳性的齿轮精度项目有：一齿切向综合公差一齿径向综合公差齿廓总公差Fα齿距极限偏差螺旋线形状偏差国家标准（GB/T10095.1-2001）对齿轮及齿轮副规定了13个精度等级,第0级的精度最高,第12级的精度最低。齿轮副中两个齿轮的精度等级一般取成相同，也可取成不同。若两齿轮的精度等级不同，则按较低的精度确定齿轮副的精度等级。在12个精度等级中，第0、1、2两级是目前一般加工和测量条件难以达到的，所以较少采用。第3～12级大致可以划分为三挡：高精度等级：3、4、5级；中精度等级：6、7、8级；低精度等级：9、10、11、12级。汽车变速器齿轮一般选用中精度等级。它们可以用滚齿、插齿、剃齿和磨齿等常用加工和通用的齿轮测量仪器进行加工和测量。齿轮精度等级的选用，通常用下列方法来选择齿轮的精度等级：a、计算法根据机械动力学和机械振动学计算并考虑震动、噪声、强度计算、寿命计算的基础上来考虑精度等级。b、类比法按现有已证实可靠的同类产品或机构的齿轮，按精度要求、工作条件、生产条件等加以必要的修正，选择相应的精度等级。我公司在变速器齿轮的设计时主要采用类比法确定齿轮的精度。商用车变速器齿轮的精度取8级，乘用车变速器取齿轮的精度7级。齿轮的精度设计时一般控制以下几个项目：齿距累积总偏差单个齿距偏差齿廓总偏差螺旋线总偏差齿圈径向跳动第四章齿轮的材料及热处理第一节变速器齿轮材料的选择汽车变速器齿轮材料的选择不仅要考虑齿轮材料要满足齿轮的工作条件，使齿轮有较高的疲劳强度；而且要求齿轮材料有较好的加工工艺性。以便提高产品的生产效率，降低生产成本，减少消耗。如果材料选择的不当，则会出现零件的过早损伤，甚至实效。一、材料的机械性能的选择材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。二、满足材料的工艺性能材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。三、材料的经济性要求所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。四、渗碳齿轮钢的质量要求汽车变速器齿轮一般承受的载荷比较大，工作条件也比较恶劣。要求有较高的齿轮表面硬度、耐磨性和低的芯部韧性，所以用的多为渗碳齿轮钢。例如：汽车变速箱中的齿轮选择20CrMnTi钢，该钢具有较高的机械性能，在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为HRC58-63，芯部硬度为HRC30-45。20CrMnTi的工艺性能较好，锻造后以正火来改善其切削加工性。此外，20CrMnTi还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬火。且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。适合于制造承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件，因此根据齿轮的工作条件选用20CrMnTi钢是比较合适的。影响渗碳齿轮钢失效的主要因素除了渗碳、淬火、回火工艺和质量之外，还与制造齿轮所用的钢材的化学成分和冶金质量有关。后者即对齿轮芯部性能产生直接影响，又对渗层的性能产生直接（杂质、夹杂物的含量及分布）和间接（渗层碳浓度、内氧化、淬火后显微组织形态）影响，而且往往影响齿轮的力学性能、工艺性能和尺寸稳定性。渗碳齿轮钢的质量要求主要表现在淬透性带宽、钢材的纯净度及原始组织。1、钢材的淬透性渗碳齿轮钢表面的淬硬性是保证齿轮表面具有高强硬度、高耐磨性的基础。渗碳齿轮钢的淬透性是保证不同大小齿轮芯部的硬度足以满足接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的要求，另外，要有尽可能小的淬透性带宽的波动，有利于齿轮热处理变形的控制。特别象我公司这样批量生产的汽车变速器齿轮显得格外重要。国标GB5216标准规定的齿轮钢的淬透性带宽为12HRC，但目前国内钢厂对渗碳齿轮钢的淬透性带宽提出了较严格的要求，可达到6～8HRC。2、钢材的纯净度钢材的纯净度主要指钢材含氧量，含氧量对齿轮疲劳强度和工艺性能都有明显的影响。我国目前对齿轮钢的含氧量ωo的要求是小于20×10-6，国外一般要求小于20×10-6。研究表明，在相同载荷下SCM420H钢的含氧量从25×10-6降至11×10-6，接触疲劳寿命可提高47%。3、其他A、奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度是渗碳齿轮钢质量要求的又一项重要指标，细小均匀的奥氏体晶粒可以稳定淬透性，减少热处理变形，提高渗碳钢的脆断抗力。国标规定齿轮钢的奥氏体晶粒度级别小于或等于5级。B、成分偏析钢中的成分偏析（主要是合金元素分布不均）在随后的热处理时并不能消除，从而会影响渗碳层碳浓度和硬度的均匀性，这将降低齿轮的力学性能，尤其是降低疲劳抗力。因此，对齿轮钢的偏析程度应作出合理的要求并要求严格控制。我公司常用的齿轮钢的牌号有：20CrMnTiH、SCM420H(20CrMoH)、SCM822H、19CN5。第二节变速器齿轮的热处理汽车变速器齿轮不仅要具备优良的耐磨性，又要具备高的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能。齿轮质量的优劣直接到整个车辆的使用寿命，而材料和热处理是保证齿轮使用性能和可靠性的基础。变速器齿轮采用主要是渗碳齿轮钢，采用渗碳后淬火、低温回火的热处理方式。一、渗碳淬火的技术要求把齿轮置于渗碳介质中，在一定温度下加热保温，以提高表面碳浓度，然后进行淬火、回火处理称为渗碳。渗碳淬火的技术要求有：1、渗碳硬化层深度硬化层深度t是确定渗碳齿轮承载能力的重要参数。德国DIN6336标准规定t=0.25m(m为模数)。渗碳齿轮有效硬化层深度指齿轮或试样经渗碳淬火、回火后，于齿宽中部轮齿法截面上，在半齿高处沿垂直于齿面方向自表面测至维氏硬度值为550HV1（或515HV5）处的深度。由于有效硬化层深度体现了力学性能的本质，所以国际上各种标准都采用了这一概念及相应的检测方法。我国在渗碳工艺实践中普遍采用金相法或定碳法来确定硬化层深度，这是比较简便易行的方法。通常金相法是以渗层表面到心部过渡区的一半处为界限;定碳法则是从表面到=0.35%处为界限；即认为这两种方法确定的界限处淬火后的硬度基本上为550HV1。2.表面碳浓度渗碳表面碳浓度指距表面0.05mm处（即0.10mm厚表面剥层分析）的碳含量。对齿轮的强度性能有较大=0.8%～1.0%，也还有认为=1.0%～1.2%为佳。不过从国内外一些著名齿轮加工企业研究及实践经验来看，应高于0.9%的齿轮具有较高的表面点蚀疲劳抗力，影响，所以各种规范中提出了一个含碳量范围。有的推荐为=0.70%～0.90%，有的规定为控制在=0.75%～0.95%的观点是可取的。即表面而低于0.9%时齿轮的弯曲疲劳强度和冲击抗力得到改善。表面层碳量控制应较低一些，这对碳化物形态和数量、残余奥氏体量及马氏体亚结构孪晶性控制都有好处，从而使渗碳表面层具有较好的性能。3.心部强度适宜的心部强度和韧性，既可保证齿的整体强度和渗层的抗剥落能力，又可以具有足够的抗冲击能力，防止齿的脆断。在相同的淬火条件下，心部强度的高低还会影响齿轮表面残余应力的性质（拉应力或是压应力）和大小。心部强度低时，有利于形成表面残余压应力和使其数值增大，从而有利于疲劳抗力的提高。渗碳齿轮钢的心部强度和韧性，在淬透的情况下，主要取决于钢的含碳量，而合金元素的影响相当微小。国内企业研究试验结果也表明，心部强度存在一个最佳值范围1150～1350MPa关于心部硬度的测定部位，过去是在距齿顶2/3的齿高处，现在国际标准和我国的相关标准规定为在齿宽处齿根切线的法向截面上，深度为5倍硬化层深的硬度，最小深度不得小于1倍模数的位置。这从齿轮的受力分析显然是合理的，同时还可以反映出钢材的淬透性及热处理的质量。4.渗碳层的显微组织国家有关标准仅对汽车齿轮有要求。根据生产实践证明，所有的车辆用渗碳齿轮渗碳淬火后都可按此执行。影响齿轮强度性能的渗碳层组织主要有碳化物、残余奥氏体及马氏体。碳化物是硬而脆的相，它的形态和数量及其分布对齿轮强度性能有很大影响。综合国内外各种试验数据可以得到结论：粗大的块状、尖角状、网状分布的碳化物对齿轮性能有显著的不利影响，对磨齿的齿轮碳化物1～5级合格，非磨齿的齿轮应控制在4级以下，显微镜下放大100倍时应看不见碳化物。4级呈细网状碳化物作为合格极限。残余奥氏体是渗碳淬火组织中的重要组成相，然而也是迄今为止尚未形成统一观点来评判的显微组织，但是过多的残余奥氏体含量对很多齿轮的性能和寿命有不良影响，这点现在已没有多大分歧。我国汽车渗碳齿轮的残余奥氏体含量通常要求不大于5级。直接淬火齿轮以2～5级（10%～30%残余奥氏体）为合格，重新加热淬火齿轮以1～4级（小于5%～23%残余奥氏体）为合格。马氏体是渗碳层的基本组织。对马氏体组织的控制主要是马氏体针的大小，马氏体针的大小与奥氏体晶粒大小密切相关。而奥氏体晶粒大小从材料角度来说与原始晶粒度有关，从热处理工艺角度来说与渗碳温度有关。因而控制马氏体针的大小要从以上两方面严格把关。按照国家有关标准，在3/4齿高处评定马氏体1～5级为合格。当发现马氏体针较长，对晶粒度有怀疑时应进行检验，晶粒度不合格者判为不合格。当用晶粒度不合格的材料制造的齿轮，要求渗碳后重新加热淬火以细化晶粒，这就控制了马氏体针的长短，故齿轮产品渗碳淬火后可不检验马氏体，但在显微组织观察中，马氏体针与残余奥氏体密切相关，粗大的马氏体针总是伴随大量的残余奥氏体存在。二、减小渗碳齿轮热处理变形的措施1.影响渗碳齿轮热处理变形的因素渗碳齿轮热处理变形是齿轮在热处理过程中因齿轮各部位组织结构不同或结构组织转变次序不同及各部位热应力不同而产生的尺寸和形状上的变化。影响渗碳齿轮热处理畸变的主要因素如表所示。影响渗碳齿轮热处理变形的主要因素影响因素设计造成齿轮畸变的因素形状对称性及截面均匀性差，轮辐结构差材料锻造晶粒度不均匀带状组织严重，淬透性带宽锻造流线不对称，锻后冷却不均匀预先热处理加热温度过高或过低，冷却不均匀切削加工渗碳淬火切削量过大，工艺孔位置不当加热不均匀，渗碳夹具设计不合理，冷却剂及冷却规范选择不当，渗层质量不均匀2.减小渗碳齿轮热处理变形的措施从表可知，对于某一确定形状的齿轮，设计和材料是不易改变的，用锻后余热等温退火代替二次加热正火，避免了锻后冷却不均匀和正火后冷却不均匀现象。通过调整余热等温退火的温度等，预先热处理后可获得均匀的组织和适当的晶粒度。试验表明，通过改善材料（改变钢材牌号）锻造、预先热处理等因素，可有效减小热处理变形。但是，渗碳齿轮淬火后的心部硬度与齿轮主导应力方向的变形程度之间有一定关系。当心部硬度在HRC27～32范围时，多数齿轮淬火后不产生明显的收缩或胀大变形。随着淬火后心部硬度提高，胀大变形率增大。渗碳齿轮淬火后回火时，都会出现尺寸收缩，回火温度越高，收缩变形量越大。结合生产实际试验，采用相应的工艺措施防止和减小齿轮渗碳淬火畸变，对提高产品质量、降低生产成本都至关重要。第五章齿轮的润滑及齿轮油润滑对变速箱齿轮传动的工作能力有很大的影响，许多类型的齿面损伤如点蚀、胶合、磨损、塑性变形等都可通过合理的润滑来防止或减轻。随着变速箱齿轮传动速度的提高，单位重量的功率的增大，工作条件的苛刻性增加，对齿轮润滑提出了更高的要求。正确的润滑，可以提高齿轮的承载能力，减少齿轮的失效，延长齿轮的寿命，提高齿轮的传动效率。为此，设计制造部门需要掌握摩擦学知识，根据齿轮的使用条件正确的选择润滑剂和润滑方法。使用部门需要严格按产品说明书的规定使用润滑剂。第一节齿轮的润滑原理及润滑方式一、齿轮的啮合特性7.1-1如图7.1-1所示的渐开线齿轮啮合过程可知，齿面间的接触应力很大，啮合时间非常短，同时存在着滑动和滚动，它们只有在一定的条件下才可能形成液体动压油膜。变速箱齿轮一般是渐开线直齿圆柱齿轮和渐开线斜齿圆柱齿轮。由于滑动方向不同，滑动速度的比值不同，各种传动的摩擦损耗亦即效率不同，损耗形式亦不同。渐开线直齿圆柱齿轮沿齿高方向有滑动，滑动方向与接触线垂直，因此容易形成动压油膜。渐开线斜齿圆柱齿轮的滑动方向与接触线也接近垂直，同时沿齿宽方向有滚动，滚动速度比较大，因此也比较容易形成动压油膜。二、齿轮的润滑状态齿面的润滑状态可分为边界润滑、混合润滑与弹性流体动力润滑三类。它们取决于速度、应力、啮合精度、齿面光洁度、润滑剂及润滑方式。图7.1-2所示为润滑状态与速度及载荷的近似关系。其中Ⅰ为边界润滑区，Ⅱ为混合润滑区，Ⅲ为弹性流体动力润滑区。此图为啮合精度与齿面光洁度较好，油的粘度合适并有添加剂的情况。图中的K因子为（外啮合齿轮）（内啮合齿轮）图7.1-2齿轮润滑状态图（外啮合）图7.1-3齿轮润滑状态图（内啮合）由上图可知，变速箱由于齿轮传动速度相当高，故其属于混合润滑状态。在变速箱齿轮传动过程中，产生部分的弹性流体动力润滑油膜，在运行初期不足以把两表面完全隔开，以致有一部分表面边界接触，有轻微磨损。以后表面逐步磨光，弹性流体动力油膜加大，甚至可以不产生金属接触，其摩擦系数在0.03～0.07之间。三、齿轮的润滑方式变速箱齿轮的润滑方式一般采用油浴润滑法和循环喷油润滑法，我们公司的大多数变速箱齿轮采用油浴润滑法，例如LC5T97、LC5T30、LC5T88、LC5T80、LC6T46等。只有LC6160采用循环喷油润滑法。下面就来介绍下这两种润滑方式。油浴润滑法此法以变速箱作为油箱，将齿轮浸入油中至一定深度，靠齿轮旋转时飞溅起来的油润滑闭式传动的各个部位。此方法简单、可靠而又节约成本。其缺点为油的容量有限，不能中间冷却和不能过滤。浸油深度选一基准齿轮，使其浸在油内，最深为齿高3倍，最浅为1/3齿高。循环喷油润滑这种方法（图6-1-4）可以避免搅油损耗，可以将油在循环中过滤，冷却并进行监控，还可将油引入轴承。油量可以按需要散走的热量精确控制。还可以用变速箱或设在箱体外的容量作为油箱。图6-1-4循环喷油润滑1）喷油量喷油量由变速箱的总效率进行热平衡计算后得出。但每mm齿宽至少药味0.05L/min。一般可按每mm齿宽0.08～0.1L/min进行估算。2）总油量总油量还要考虑油的循环冷却时间，需要循环冷却的时间越长，总油量越大。通常可按喷油量乘以循环时间计算。循环时间通常为4～30min。油箱体积可按总油量适当加大。3）喷油压力在工业齿轮箱中，进入传动之前的油压为0.5～1.0par表压，在工作温度较高的飞机齿轮箱中和小于150m/s左右的高速齿轮箱中，约为1.5par，在圆周速度还要高的，可达3.5par。压力越高，油从密封中漏失的危险性越大。4）喷油方向在低速时，油主要用于润滑，在高速时，主要用于冷却，在圆周速度超过60m/s时，有80%或更多的油用于冷却。在低于25～30m/s时及立式齿轮箱中，油从啮入侧喷入。在超过60m/s时，要从啮出侧喷入。在30～60m/s之间，没有严格要求。如果啮入侧和啮出侧都不可能装喷嘴，则可将一部分油从内侧通过齿圈上的径向孔向外喷油。5）喷嘴孔径要足够大，以免堵塞。对于过滤得较好的稀油（如飞机齿轮箱），孔径要大于0.75mm；对于工业齿轮箱，要大于2～2.5mm；在油有弄脏的危险的地方，可达5mm。在高压时，可用勺形喷嘴造成一个片状的油幕。喷嘴离齿顶的距离约为150～200mm。喷嘴与喷嘴之间的距离为150m，第一个喷嘴要离齿端50mm。6）过滤器过滤器及其安装要可靠。在装有狭喷嘴的飞机齿轮箱中，常用孔径（或网眼）≤10μm的纸质（或网式）过滤器；对于同时要润滑滑动轴承的高速齿轮箱，要用网式（或缝隙式）过滤器，网眼（或缝隙）≤50μm，对于工业齿轮箱，≤100μm。我们公司的LC6T160变速箱采用的是孔径为1mm的网式过滤器。7）油温喷油润滑的油温均低于油浴润滑。其喷油温度及出油与喷油的温差15～20。第二节齿轮润滑油一、齿轮油的组成齿轮油简单说就是由基础油及添加剂组成。性能的优异和选择机油一样，要看基础油是何类型。常用于调配齿轮油的基础油有500SN、650SN、150BS、200BS等，有的还采用合成油如PAO、聚醚等调合，一般GL-4、GL-5级的85W/90、85W/140及90、140油采用普通矿油调合则可，GL-4、GL-5的75W/90、80W/90则需要用合成油调合。二、齿轮油的特性1）良好的润滑性和极压性，特别是对双曲线齿轮，没有足够的极压性将无法使用。2）适当的粘度和高的粘温性以适应汽车从酷热的沙漠到严寒的冻土地、城市公路、山路、高速公路等广泛的使用范围。3）具有很好的化学安定性和对金属的保护性，以提高其使用期限。三、齿轮油分类及选择1、车辆齿轮油性能分类美国石油学会将车辆齿轮油按使用性能分为GL-1、GL-2、GL-3、GL-4、GL-5和GL-6六类。其性能水平顺序逐级提高。其中，使用较多的是GL-4和GL-5两类。近年来API还提出了两种新使用性能分类规格，一种是PG-1，适用于重载、高温(可达150℃)手动传动箱(卡车与公共汽车用)，另一种PG-2，适用于有高偏置的重载轴齿轮传动(重型卡车最后一级传动用)。这两种新规格还要求能满足对清净分散性、密封寿命与同步啮合腐蚀极限的更高要求。由于GL1、GL2、GL3都已属于淘汰型号，因此下面主要介绍GL4、GL5齿轮油，顺便提一下GL-6。(1)GL-4在高速低扭矩，低速高扭矩下操作的各种手动变速箱、螺种齿轮，特别是客车和其他各类车辆用旋伞齿轮和使用的双曲线齿轮，规定用GL-4类齿轮油。(2)GL-5在高速冲击负荷，高速低扭矩操作下的各种齿轮，特别是客车或苛刻的其他车辆用的双曲线齿轮，规定用双曲线齿轮及其他GL-5类齿轮油。(3)GL-6在高速、冲击负荷下工作的各种齿轮，特别是客车和各类车辆用的高偏置双曲线齿轮(偏置量大于2.0英寸或接近大齿圈直径的25%)规定用GL-6类齿轮油。目前世界各国都采用API性能分类将车辆齿轮油按质量分为GL-1，GL-2，GL-3，GL-4，GL-5五类。我国参照美国汽车齿轮用油API标准制定了GB7631.7标准分为CLC、CLD和CLE三种质量等级。其粘度等级国外分为75W、80W/90、85W/90、85W/140、90和140六种粘度分级。我国参照了美国SAE粘度分类，将汽车齿轮油分为70W、75W、80W、85W、90、140和250七个牌号。2、国产汽车用齿轮油情况汽油车：代表车型有奥迪、捷达、富康、桑塔纳、夏利、别克等，社会保有量110万辆，用油等级GL-4或GL-5；微型车：代表车型有大发、吉林、长安、昌河、五菱等，社会保有量40万辆，用油等级GL-4或GL-5；轻型载货车，代表车型CA120、BJ130、NJ131、NJ1061、金杯等，社会保有量290万辆，用油等级GL-4；日产汽车，手动变速器用GL-4之75W、80W、85W、90、140。我们公司的变速箱主要是手动变速箱，选用的是75W/90GL-4的齿轮油。3、我国及美国的车辆齿轮油标准见表7.2-1～4表7.2-1普通车辆齿轮油（SH0350-92）项目质量指标试验方法80W/9085W/9090运动粘度100℃，mm2/ss表观粘度150Pa.s时，℃不高于15～15～15～-GB/T265191919-26-12附录A粘度指数--90GB/T1995或GB/T2541倾点，℃不高于闪点（开口），℃不低于-28-18-10GB/T3535170180190GB/T267水分，%不大于锈蚀试验15号铜棒A法起泡性，mL／mL不大于24±0.5℃93±0.5℃24±0.5℃痕迹无锈痕迹无锈痕迹无锈GB/T260GB/T11143GB/T12579100/10100/10100/10100/10100/10100/10100/10100/10100/10铜片腐蚀试验（100℃，3h），级不大于111GB/T5096GB/T3142最大无卡咬负荷（PB），kg808080不小于糠醛或酚含量（未加剂）无无无SH/T0076或SH/T0120机械杂质，%不大于0.050.020.02GB/T511残炭（未加剂），%酸值（未加剂），mgKOH/g氯含量，%报告报告报告报告GB/T268GB/4945GB/T0161GB/T0226锌含量，%注：1）齿轮油表观粘度为保证项目，每年测定一次。2）新疆原油生产的各号普通车辆齿轮油闪点允许比规定的指标低10℃出厂。3）机械杂质中不允许含有固体颗粒。表7.2-2中负载车辆齿轮油（GL-4）规格质量指标试验方法项目75W80W/9085W/909085W/140GB/运动粘度（100℃），mm2/s不小于4.113.5-2413.5-2413.5-2424-41T265GB/粘度指数不小于T2541闪点（开口），℃不低于150-45165-35180-20180180-20GB/T3536成沟点，℃不高于-17.8表7.2-3车辆齿轮油的用途油品名称主要用途装备有螺旋伞齿轮传动的各种汽车、拖拉机、工程机械后桥和变速普通车辆齿轮油（GL-3）箱长城以北全年通用80W/90；长城以南全年通用90或85W/90；云南可选用85W/140高速低扭矩的小轿车、低速高扭矩的载货车后桥双曲线齿轮传动装中负荷辆齿置和变速箱轮油（GL-严寒地区用75W号；寒区用80W/90；长江以北全年通用85W/90；长4）江以南全年通用90号或85W-90。对齿轮油粘度要求较大的车辆，使用85W/140中负荷辆齿重负荷或高速冲击作业条件的各种车辆后桥双曲线齿轮装置和变速轮油（GL-箱4）严寒地区用75W；寒区用80W/90；长江以北全年通用85W/90，长江表7.2-4重负载齿轮油（GL-513895-92）项目粘度等级质量指标75W试验方法80W/9085W/9085W/14090140-运动粘度（100℃）≥4.113.5～＜2413.5～24～13.5～24～＜GB/T265.mm2/s＜24＜41＜2441倾点，℃报告-40报告-26报告报告报告报告GB/T3535GB/T11145GB/T3536表面粘度达150Pa.s时的温度，℃不高于闪点（开），℃不低于-12-12--150165165180180200成沟点，℃不高于-45-35-20-20-17.875-6.775SH/T0030GB/T2541粘度指数不低于报告报告报告报告起泡性（泡沫倾向），mL不大于不大于205020GB/T12579GB/T509624℃93.5℃后24℃不大于腐蚀试验（铜片，121℃，3h），级不大于3机械杂质，%不大于水分，%不大于戊烷不溶物，%0.05GB/T511GB/T260痕迹报告GB/T8926A法硫酸盐灰分，%硫，%报告报告GB/T2433GB/T387GB/T388GB/T11140GB/T0172SH/T0296磷，%氮，%钙，%报告报告报告SH/T0224SH/T0270贮存稳定性液体沉淀物，%（V/V）0.5SH/T0037不大于固体沉淀物，%（m/m）0.25不大于锈蚀试验盖板锈蚀面积，%不大于1SH/T0517齿面，轴承及其他部件锈蚀情况不大于无锈抗擦伤试验通过通过SH/T0519SH/T0518承载能力试验热氧化稳定性100℃运动粘度增长%SH/T0520GB/T265100不大于戊烷不溶物，%不大于甲苯不溶物，%不大GB/T8926A法32GB/T8926于A法注：1）生产单位可根据添加配方不同选择适合的测定方法。2）如果有其他金属，应该测定并报告实测结果，允许用原子吸收光谱测定。3）保证项目，每五年评定一次。4）75W油在进行抗擦伤试验时，程序Ⅱ（高速）在79℃开始进行，程序Ⅳ（冲击）在93℃下进行，喷水冷却，最大温升5.5～8.3℃。5）75W油在进行承载能力试验时，高速低扭矩在104℃下进行，低速高扭矩在93℃下进行。第六章变速器齿轮的试验1、变速器齿轮试验1.1变速器齿轮试验项目主要有；a）变速器传动效率试验；b）变速器噪声测量；c）变速器静扭强度试验；d）变速器疲劳寿命试验；1.2试验样品1.2.1试验样品应随即抽取。1.2.2样品数量性能试验：样品1~2件。可靠性和寿命试验：样品不少于3件。1.2.3样品准备试验前，根据试验项目的要求，对试验样品进行原始数据测量并记录。1.3磨合规范在做变速器效率和寿命试验前，应对试验样品进行磨合，其规范如下：a）变速器第一轴输入扭矩（为所匹配的发动机最大扭矩，N·m）；b）变速器第一轴输入转速r/min做试验）；（为所匹配的发动机最大扭矩时的转速，当接近或小于1450c）各档齿轮磨合时间为t=2h；d）润滑油及油量按设计要求确定；e）磨合时油温为80±10℃；f）磨合后应进行清洗更换润滑油。1.4试验报告a）试验名称；b）试验根据；c）试验目的；d）试验项目；e）试验方法；f）试验结果处理分析。2变速器传动效率试验2.1试验设备及装置推荐采用开式变速器试验台，试验装置有驱动电机、吸功装置（推荐采用电涡流测功机）扭矩传感器，扭矩转速测量仪等。2.2试验条件2.2.1试验载荷：第一轴输入扭矩（Mt）取五种值，即分别为所匹配的发动机最大扭矩的20%、40%、60%、80%、100%。扭矩测量偏差不大于±0.5%。2.2.2试验转速：第一轴的输入转速（），在所匹配的发动机怠速至最大功率时的转速范围内均匀取五种转速（即中应包括最大扭矩时的转速）。转速测量的极限偏差不大于±5r/min。2.2.3试验油温为40、60、80、100℃,油温测量偏差不大于±1℃。2.2.4润滑油的牌号和油量按设计规定。2.3试验程序2.3.1将磨合后的变速器重新加注润滑油,并正确地安装在试验台上。2.3.2选定试验油温,测量在某一转速时,不同的输入扭矩情况下和某一扭矩时,不同的输入转速情况下的各档的传动效率。2.3.3改变油温,按2.3.2测量各档在该油温下的传动效率。2.4试验结果处理2.4.1根据试验结果,绘制某一档位和某一油温情况下,变速器效率与扭矩、转速的关系曲线。2.4.2由效率曲线确定在80±5℃油温，所匹配的发动机最大扭矩及最大扭矩时的转速工况下的各档效率，并做为各档效率的评价指标。变速器的综合效率以在该工况下的各档效率的均值表示。3.变速器噪声测量3.1测量条件3.1.1测量场所3.1.1.1在消声室内测量。3.1.1.2在无消声室情况下，测量时应选在本底噪声和反射声影响较小的室内进行，测量场地周围2m之内不得放置障碍物，测量试验台与墙壁之间的距离不得小于2m。3.1.2试验安装被试变速器按实际使用条件安装，安装应有足够的刚度，变速器输入轴的轴心线距地面的高度不得小于400mm。3.1.3第一轴输入转速为=0.8（为所匹配的发动机最大功率时的转速），旋转方向与使用工况相同。3.1.4载荷为空载。3.1.5润滑油和油量应符合制造厂规定，油温为60±5℃。3.1.6测点3.1.6.1在被测变速器的左、右、上、后布置四个测点，左、右、后三个测点的高度应与变速器输入轴轴心线等高。每个测点上布置的声