徐海山，张怀志

(唐山爱信齿轮有限责任公司，河北唐山 063033 )



高扭矩密度变速器的设计方法分析

徐海山，张怀志

(唐山爱信齿轮有限责任公司，河北唐山 063033 )

从限扭技术、轴系布局、轴承选择、轴承的设计、齿轮细节设计及润滑系统设计等多个角度分析了高扭矩密度变速器的设计要点，为全新高扭矩密度变速器的设计以及常规扭矩变速器的扭矩提升提供了思路和参考。

扭矩密度；变速器；设计方法

0 引言

扭矩密度是衡量变速器设计先进性的指标之一。常用的衡量指标有两个：一个是扭矩与中心距的比值；另一个是扭矩与质量的比值。举例说明，某变速器中心距为72 mm，质量m=37 kg，最大承载扭矩N=220 N·m,则该变速器的扭矩密度指标分别是：α1=N/L=220/72=3.05 N·m/mm，α2=N/m=220/37=5.95 N·m/kg。这两个比值越高说明扭矩密度越高，变速器的紧凑性和先进性越好。

伴随汽车技术向自动化、电控化和电动化的方向发展，原本就空间紧凑的发动机舱内需要布置越来越多的附件。为实现自动换挡，需增加TCU、传感器、线束等控制系统零件以及换挡电机及减速机构、液压系统等执行系统零件。为实现混合动力和纯电驱动，需增加动力电机、逆变器、发电机、电池等。要在有限的空间内布置更多的零件，需要所有零件越紧凑越好。变速器是传动系统的核心零部件，并且占据机舱约20%的空间，高扭矩密度的实现已成为变速器设计者们追逐的目标之一。

另外，高扭矩密度也是实现变速器通用化和低成本的重要手段，因此它也代表着变速器的竞争力。以FF型变速器为例，市场上常见变速器中，扭矩密度(扭矩/中心距)统计情况见图1。

图1 中国市场各变速器扭矩密度[1]

从图1可以看到:变速器扭矩密度多在2～4 N·m/mm之间，最高与最低数据之间接近倍数差距。其中，外资品牌变速器普遍高于自主品牌;外资品牌中，德系产品高于其他品牌。造成这些差异的原因有很多，包括系统匹配原因、结构布局的原因、齿轮强度原因、轴承强度原因、润滑系统原因等。下面就具体探讨一下高扭矩密度差异的原因和实现方法。

1 高扭矩密度的实现方法

1.1 限扭技术的应用

变速器各挡齿轮的承载扭矩并不是均衡的，通常低速挡的承载扭矩是变速器的薄弱环节。因此，如果通过发动机标定限制低速挡的输入扭矩，就可以提高整箱的承载扭矩，适应与更高扭矩发动机的匹配。

对整车而言，轮胎与地面之间的摩擦力是产生牵引力的上限，超出此范围则轮胎会产生打滑卸载。对乘用车而言，受驱动车轮的轴重限制，轮胎与地面之间的摩擦力通常小于低速挡时发动机传递到轮胎的牵引力。因此，在低速挡时发动机限扭通常并不会影响整车的加速动力性和爬坡度。即便轮胎没有打滑，若车辆加速性和爬坡度指标已经达成，也是可以采用低速挡限扭技术以提升变速器的应用扭矩密度。

通常，发动机限扭可提升变速器的承载扭矩20%～30%。德系变速器公司与汽车公司的协同开发比较普遍，所以此项技术在德系产品中应用较为普遍，比如大众的MQ系列变速器、格特拉克的B6变速器等[1]。这也是德系产品扭矩密度高于其他产品的原因之一。

1.2 新的轴系布局技术

乘用车变速器中，长久以来以两轴式布局(图2)为主。然而，各公司新开发的产品中，已经引入了扭矩密度更好的两轴半布局(图3)和三轴式布局(图4)形式。

图2 两轴式布局结构[1]

图3 两轴半布局结构[1]

图4 三轴布局结构[1]

两轴半布局的特点是在两轴式布局基础上，把倒挡齿轮、倒挡主减速齿轮单独布置到一个短轴上，因此称为两轴半布局。与两轴式布局相比，可以缩短变速器总长和轴承跨距8～10 mm，提高了轴的刚度。同时，倒挡齿轮副在单独的轴上，中心距可适当放大，并且采用常啮合的斜齿轮，从而大幅提高倒挡的承载扭矩。辅助收获是可以轻松布置倒挡同步器，缺点则是成本和质量略有增加。两轴半布局最早在德系产品中应用，当下，日系产品和中国自主产品也都陆续推出和开发了此结构产品。

三轴式布局的特点是在两轴式布局基础上增加了一条输出轴，这样就可以把扭矩较大的低速挡齿轮布置到一条轴上并拉大中心距以提高低速挡齿轮的承载能力。这种布局形式间接提升了高速挡的扭矩密度，同时，大幅缩短变速器长度和轴承跨距20～30 mm，显著增加了轴的刚度，提升了承载扭矩。辅助收获是可以轻松布置倒挡同步器，缺点则是成本和质量显著增加。这种布局在全球范围内都有开发和应用，且多在要求变速器具备高扭矩且轴向长度限制苛刻的情况下使用。

1.3 轴承组合方式的选择

在变速器的轴上，不同类型的轴承组合方式直接影响到轴的刚度和承载扭矩。轴承的组合方式有如下几种：

球-球组合(见图5)。轴的两端均为球轴承，左边轴承承受径向力和轴向力，右边轴承主要承受径向力。这种组合效率最高，但相同尺寸下轴承扭矩容量较低，多在空间尺寸不过分苛刻的环境下优先采用比如变速器输入轴。

图5 球-球组合[1]

球-柱组合(见图6)。轴的左端为球轴承，承受轴向力和径向力；右端为柱轴承，只承受径向力。这种组合效率仅次于球-球组合，相同尺寸下扭矩容量有明显提升。同时，给输出轴轴承预留了更大的空间，主要应用于变速器的输入轴和输出轴。

图6 球-柱组合[1]

锥-锥组合(见图7)。轴的左右均采用锥轴承，两端都能承受较大的径向力和轴向力。这种组合效率最低，但承载能力最高，主要应用于变速器输出轴和差速器两端。如果在输入轴上应用时，为降低阻尼扭矩，常采用小的预紧力甚至零预紧力。

图7 锥-锥组合[1]

上述3种轴承组合方式是最常用的，从承载能力分析，锥-锥组合是最高的。如果还需要更高的承载能力，有时需要在两个轴承之间再增加一个轴承，实现载荷的分担和刚度的进一步提升。比如MQ250的输出轴就采用了柱-锥-锥组合(见图8)的三轴承支撑方式。

图8 柱-锥-锥组合[3]

1.4 轴承的高容量设计

高扭矩密度的变速器，除了要选择轴承的组合方式，还要考虑如何提升轴承自身的承载能力，以实现小体积、高承载。这就要求在轴承的细节设计上不断创新探索新的可能。下面介绍几种提升轴承承载能力或减小轴承尺寸的方法[2]。

集成化轴承设计(见图9、图10)。即通过焊接的方式把轴承和轴承压板集成为一体。这项技术可以在不降低轴承容量的前提下，缩短轴承与压板组件的轴向尺寸。由于集成的模块通过螺栓与壳体刚性连接，避免了轴承外圈在高速时的蠕动。同时，由于消除了轴承定位间隙，减小了轴的轴向窜动量，间接提升了齿轮的轴向啮合重合度，提升了承载能力。

图9 NTN集成化轴承设计

图10 SKF集成化轴承设计

大滚子直径设计。通过采用冲压外圈、薄内圈(图11)和冲压外圈、取消内圈(图12)的设计，最大限度提高滚子直径，提升轴承承载能力。目前，这种理念已经在全球范围内得到了认可和推广。

创新的滚道和保持架设计(见图13)。此设计借鉴了深沟球轴承和角接触轴承的双重优势，内外滚道根据承受轴向力的方向，设计成不等高挡肩结构，以提升轴向承载能力。保持架相应地设计成组合型保持架。这种结构的改变，在不增加外廓尺寸的前提下，轴向承载能力提升了3倍。

图11 舍弗勒冲压外圈、薄内圈轴承

图12 舍弗勒冲压外圈、无内圈轴承

图13 NTN创新滚道设计

应用双列球轴承(见图14)。在变速器中心距锁定的条件下，为提升球轴承承载能力，同时又不牺牲效率，采用双列球轴承也是一个不错的选择。

图14 双列球轴承的应用

此外，普遍采用的密封轴承，减少变速器内杂质对轴承寿命的影响，可提升轴承寿命5～10倍。对轴承寿命最薄弱的内圈，采用特殊热处理(碳氮共渗)技术可提升轴承寿命2倍。其他如滚道的冷碾技术和超精加工技术等都对轴承的寿命有不同程度的提高。

1.5 高强度齿轮的设计

齿轮的高强度设计是实现变速器高扭矩密度的关键因素之一，实现方法主要有齿轮自身的高强度设计和系统匹配性设计。齿轮自身高强度设计包括：采用优质的合金钢材料和先进的热处理工艺实现强度的提升；采用磨齿工艺提升齿轮精度；采用表面喷涂技术(见图15)提升接触强度；采用精控喷丸技术(见图16)提升齿根弯曲强度和齿面接触强度；采用特殊的齿面形状-微线段齿廓技术(见图17)大幅提升接触强度等。系统匹配性技术主要包括啮合姿态设计和重合度设计，以提升齿轮的承载能力。

图15 TiN涂层技术

图16 精控喷丸技术

图17 微线段齿廓技术

通过齿轮与轴和轴承的匹配控制啮合姿态。齿轮的啮合姿态见图18，理想姿态承载能力最好。当一对齿轮以倾斜姿态或远离姿态啮合时，齿轮的承载能力会有一定程度的下降。倾斜姿态和远离姿态主要是轴的挠曲变形和齿轮内孔滚针轴承的径向间隙引起的(见图19)。改进的方法：(1)通过轴径的增加、高承载齿紧邻轴承布置、采用轴齿轮等提升轴的刚度，控制啮合姿态，如图20 所示，一挡、倒挡分别布置在轴的两端靠近轴承的部位，同时主动齿轮采用了轴齿设计以提升轴的刚度。(2)通过把轴或轴套与滚针轴承配对使用降低滚针轴承的间隙或延长滚针长度，减少齿轮倾斜量。此措施同时也有利于降低齿轮的啮合噪声。

图18 挠曲变形的影响[1]

图19 间隙引起的倾斜姿态[1]

图20 提升轴刚度的设计[1]

通过齿轮与同步器和轴承的匹配，间接提升齿轮的轴向重合度：(1)通过同步器系统的优化，降低同步器轴向尺寸和换挡行程，省下来的空间用来增加齿轮的宽度，提高轴向重合度。(2)在定位作用的球轴承外圈端面增加调整垫(见图21) ，控制间隙尺寸，减小轴的轴向窜动量，增加齿轮的有效啮合宽度，间接增加齿轮的轴向重合度。这些措施的实施，都可在一定程度上提升齿轮承载能力。

图21 球轴承加调整垫[1]

1.6 定点润滑系统设计

齿轮和轴承的承载能力在一定程度上决定于润滑的充分与否[9]。充分的润滑可以在工作部位形成良好的油膜，并实现系统的冷却，适度增加变速器的扭矩密度。

变速器最需要润滑的部位是齿轮、轴承、同步器和油封等。通过巧妙的润滑油道设计，把油输送到需要的部位，实现定点润滑。润滑油道的设计主要考虑3个方面：(1)轴心润滑方式(见图21)。利用壳体和油收集盘把油引到轴心，通过在滚针轴承位打孔实现各滚针轴承的充分润滑。(2)导油槽方式(见图22)。利用导油槽边缘或底部开槽、开孔，把油引到所有需要定点润滑的部位。(3)油泵加专门油道方式(见图23)。通过油泵加压、油道口喷射方式，把油喷到需要定点润滑部位。必要时需要3种方式组合使用，以实现少油量的充分润滑，提升变速器的承载能力。

图22 导油槽润滑[1]

图23 油泵+油道润滑[1]

2 总结

综上分析，扭矩密度是衡量变速器设计先进性的重要指标之一，通过采用上述部分或全部措施，可实现变速器扭矩密度的提升，最高提升幅度可达50%以上。当然，这一个指标的实现是一项庞大而复杂的工程，它与车辆的机舱布置空间、发动机标定技术、变速器轴系布置、轴承的选择、齿轮的设计和润滑系统设计都有密切的关系。其中涉及了电控、机械、润滑、材料、热处理等方方面面的知识。只有不断学习、掌握各方面的知识，才能设计出更为先进的变速器，更好地满足市场需求，更好地为客户服务。

【1】唐山爱信齿轮有限责任公司.公司产品及竞争对手对标分析报告[M].

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Analysis on Design Methods of High Torque Density Transmission

XU Haishan,ZHANG Huaizhi

(Tangshan Aisin Gear Co.,Ltd.,Tangshan Hebei 063033,China)

Design points of high torque density transmission were analyzed from the points of torque limiter technology, shaft layout, bearing selection, bearing design, gear detail design and lubrication system design etc.It provides guideline and reference for the new high torque density transmission design and conventional transmission torque improvement.

Torque density; Transmission;Design methods

2016-06-08

徐海山,男，本科，工程师，从事汽车变速器开发工作。E-mail:xhs@tagc.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.09.019

U463.212

A

1674-1986(2016)09-082-06