彭立印

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司設(shè)計研究所，陜西 西安 710119）

一種基于仿真技術(shù)生成變速箱設(shè)計載荷譜的方法

彭立印

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司設(shè)計研究所，陜西 西安 710119）

變速箱設(shè)計載荷譜是變速箱正向設(shè)計的輸入內(nèi)容，基于變速箱載荷譜設(shè)定齒輪、軸承及軸的參數(shù)、尺寸。文章介紹一種基于仿真技術(shù)生成變速箱設(shè)計載荷譜的方法，從而實現(xiàn)變速箱機械部分由概念到實體三維正向設(shè)計過程。

載荷譜；B10壽命；道路載荷數(shù)據(jù)；正向設(shè)計

前言

目前，國內(nèi)變速箱的設(shè)計大多為類比設(shè)計，在已經(jīng)成熟應(yīng)用變速箱的基礎(chǔ)上，通過對比輸入扭矩等參數(shù)，進(jìn)行強度計算。通過對比齒輪的齒根彎曲應(yīng)力及齒面的接觸應(yīng)力設(shè)計齒輪；通過對比軸承的軸向、徑向力設(shè)計軸承；通過對比米塞斯等應(yīng)力設(shè)計軸。對于結(jié)構(gòu)、形式和工況相近的變速箱，這種方法不失為一種簡單可靠的方法。但對于結(jié)構(gòu)、形式和工況相差較大的變速箱，采用對比設(shè)計的方法可能為導(dǎo)致變速箱設(shè)計安全系數(shù)過高或者過低，增加后期改進(jìn)優(yōu)化的工作量，甚至可能導(dǎo)致設(shè)計失敗。

變速箱的正向設(shè)計過程，首先需要得到變速箱的道路載荷數(shù)據(jù)；通過材料的S-N曲線，把道路載荷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到某一目標(biāo)工況（轉(zhuǎn)速、扭矩）下變速箱在各個檔位工作的時間，即可得到變速箱在該路況下的滿足B10壽命的設(shè)計載荷譜；計算各零部件在該工況下工作時間，進(jìn)行零部件設(shè)計，使其壽命滿足要求。

圖1 變速箱正向設(shè)計流程圖

1 道路載荷數(shù)據(jù)

道路載荷數(shù)據(jù)是生成設(shè)計載荷譜的關(guān)鍵。道路載荷數(shù)據(jù)可通過兩種方法得到：實測和仿真計算。道路載荷數(shù)據(jù)需要考慮很多因素：道路的選擇、交通擁擠程度、司機的駕駛習(xí)慣等。若采用實測方法，需要投入大量人力、物力和時間，對于一些設(shè)計公司，該種方法是不可能完成的任務(wù)。仿真計算可以節(jié)約大量時間和金錢，但在仿真過程中，需要盡可能多考慮實際情況，以避免仿真和實際相差過大。

圖2 道路載荷數(shù)據(jù)的生成

在道路載荷數(shù)據(jù)的仿真過程中采用一個已確立的系統(tǒng)求解經(jīng)典計算模型，模擬實際的駕駛過程。其基本過程可分為以下幾步：

1.1 道路信息的確定

在 Google地圖或者類似的地圖中選取設(shè)計車輛行駛的路線。城市內(nèi)部如公交車可以選取不同城市的公交路線；城際車輛可以選取高速或者國道等路線。在路線選擇時，需要選擇多條路線，以便適應(yīng)不同工況的需求，在計算時按照相應(yīng)比例進(jìn)行分配。路線選定后，在地圖中讀取距離及海拔，這樣就確定了仿真的路況信息。

圖3 線路及海拔示意圖

1.2 設(shè)置交通情況

道路交通情況是指在車輛行駛過程中，道路是否擁堵，車輛是否頻繁啟停等。如長途城際客車，在城內(nèi)行駛時間段，只在車站及紅綠燈處減速或者停止，在城際之間基本都在高速行駛；公交車在城內(nèi)行駛，在公交站、紅綠燈等處會頻繁啟停。

1.3 司機的駕駛習(xí)慣

不同的司機駕駛習(xí)慣會有很大差別，一些駕駛員會頻繁急起急停，一些駕駛員急起急停的次數(shù)會相對少很多。

1.4 車輛信息設(shè)置

在模型中設(shè)置車輛重量、發(fā)動機參數(shù)、變速箱換擋策略、迎風(fēng)面積等參數(shù)。車重需考慮不同載重工況所占比例，如城際客車滿載工況較多，公交車在上下班高峰期滿載，在其它大部分時間為半載或者空載。

1.5 計算

根據(jù) （其中，F(xiàn)f滾動阻力，F(xiàn)ew空氣阻力，F(xiàn)i坡度阻力，F(xiàn)j加速阻力）等一系列公式，計算出發(fā)動機在任意時刻的轉(zhuǎn)速、輸出扭矩、油門開度，變速箱檔位、輸入輸出扭矩和轉(zhuǎn)速等信息。

2 載荷譜的壓縮

表1 扭矩轉(zhuǎn)換表

得到的道路載荷數(shù)據(jù)需要被壓縮為目標(biāo)轉(zhuǎn)速、目標(biāo)扭矩下的運行時間。這主要基于各個檔位、各個扭矩下各零部件的損傷情況，可以利用S-N曲線轉(zhuǎn)換為同一扭矩下，損傷率相等工況的工作時間。下表顯示了軸承的S-N曲線，其斜率為3.333（ISO 281），其它零部件的S-N曲線（如齒輪接觸、彎曲）的斜率可根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行查詢，也可根據(jù)實驗得到。如在400Nm扭矩下工作10小時與在1300Nm情況下工作0.2小時的損傷率是相同的：10*(400/1300)^3.333 = 0.20。

3 生成設(shè)計載荷譜

得到壓縮后的載荷譜為目標(biāo)路線的載荷譜，需根據(jù)目標(biāo)B10壽命進(jìn)行疊加，得到B10壽命下的載荷譜。例如，實際路線里程數(shù)為100公里，B10壽命要求為100萬公里，那么得到的壓縮載荷譜各個檔位的工作時間再放大1萬倍，就得到B10壽命為100萬公里時的壓縮載荷譜。

根據(jù)不同的載荷情況，不同的駕駛習(xí)慣和不同的交通情況，生成工況矩陣表（如表2所示）。估計各種工況所占比例。每個工況均會有生成對應(yīng)的載荷譜，把各個檔位在目標(biāo)扭矩、目標(biāo)轉(zhuǎn)速下的時間與其所占比例相乘之后再相加，就得到了設(shè)計載荷譜（如表3示例）。

表3 設(shè)計載荷譜示例

4 小結(jié)

本文介紹了一種正向生成變速箱載荷譜的方法。該方法克服了國內(nèi)變速箱的設(shè)計基本靠類比或者對標(biāo)的辦法，提出了在目標(biāo)道路、目標(biāo)B10壽命確定情況下，根據(jù)車輛配置生成變速箱設(shè)計載荷譜的方法。對變速箱的齒輪、軸承等關(guān)鍵零部件進(jìn)行耐久預(yù)測，從而進(jìn)行零部件尺寸設(shè)計。該方法已經(jīng)在筆者工作單位應(yīng)用，通過該方法設(shè)計的變速箱已經(jīng)通過耐久實驗，說明該方法是實際可行的。

[1] 余志生.汽車?yán)碚?[M]清華大學(xué).

[2] Calculation of load capacity of spur and helical gears, ISO 6336.

The study of design duty cycle about transmission based on simulation

Peng Liyin
( Shaanxi Fashite gear limited liability company Design Institute, Shaanxi Xi'an 710119 )

The design duty cycle is original point for transmission design, the parameters of gears, bearings and shafts come from design duty cycle. This paper introduce a method which is about how to get the design cycle by simulation, and then the transmission can be top down designed.

Design duty cycle; B10 life; the road load data; top down design

U467

A

1671-7988 (2017)21-46-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.017

CLC NO.: U467

A

1671-7988 (2017)21-46-02

彭立印，工程師，就職于陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司設(shè)計研究所，主要從事變速箱設(shè)計與仿真方面的研究。