姜彥斌，葛琳，李鵬

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手動(dòng)變速器增扭方案仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

姜彥斌，葛琳，李鵬

（華晨汽車(chē)工程研究院動(dòng)力總成部，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

汽車(chē)變速器作為汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一，在整車(chē)匹配過(guò)程中，變速器扭矩作為能否滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩需求的一項(xiàng)重要指標(biāo)項(xiàng)。而齒輪及軸承作為變速器中最主要的組成部分，直接影響變速器扭矩承載能力，故而作為項(xiàng)目研究的重點(diǎn)方向。隨著汽車(chē)技術(shù)的不斷提高，對(duì)變速器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求越來(lái)越高，文章以某型手動(dòng)機(jī)械變速器為研究對(duì)象，建立了變速器ROMAX仿真分析模型，并對(duì)各齒輪及軸承的增扭后的承載能力進(jìn)行分析,并通過(guò)總成疲勞耐久試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

變速器；增扭；承載能力；耐久試驗(yàn)驗(yàn)證

前言

變速器選型時(shí)扭矩作為最重要的考核指標(biāo)項(xiàng)，汽車(chē)手動(dòng)變速器通過(guò)離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，變速器主從動(dòng)齒輪之間進(jìn)行動(dòng)力和轉(zhuǎn)矩的傳遞，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩直接傳遞到變速器端，故變速器扭矩必須能滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩需求；變速器中齒輪組和軸承又直接影響到變速器扭矩容量，所以變速器扭矩容量必須大于發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩。

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)包括軸承、齒輪、軸系，而齒輪、軸承是汽車(chē)變速器中最容易發(fā)生損壞的元件，也是項(xiàng)目重點(diǎn)研究對(duì)象。變速器中主要承受力矩和力的即是各檔齒輪對(duì)，因此變速器齒輪相對(duì)于軸承、齒輪軸等更容易發(fā)生損壞。

變速器齒輪的工作載荷和轉(zhuǎn)速不斷變化，并且處于在高負(fù)荷狀態(tài)，尤其是手動(dòng)變速器在承載扭矩不足的等情況，因此經(jīng)常出現(xiàn)斷齒等問(wèn)題。而與之相關(guān)的齒輪特性是齒輪接觸疲勞強(qiáng)度與彎曲疲勞強(qiáng)度[1]。

本文以汽車(chē)手動(dòng)變速器為研究對(duì)象，為滿(mǎn)足大扭矩發(fā)動(dòng)機(jī)需求，現(xiàn)有變速器承載扭矩不足，需通過(guò)ROMAX軟件建立變速器總成仿真分析模型，在考慮系統(tǒng)變形的影響下，基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變速器系統(tǒng)中的圓柱齒輪承載能力進(jìn)行計(jì)算,并通過(guò)總成疲勞耐久臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證仿真。

1 漸開(kāi)線(xiàn)圓柱齒輪承載能力分析

1.1 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算[3]

齒面接觸強(qiáng)度校核條件為：

斜齒：

式中，σ：齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算值；

σ為許用接觸應(yīng)力；

Z為節(jié)點(diǎn)處區(qū)域系數(shù)，考慮節(jié)點(diǎn)處的齒廓形狀對(duì)接觸應(yīng)力的影響；

Z為彈性系數(shù)；

Z為計(jì)算接觸強(qiáng)度的重合度系數(shù)；

Z為考慮螺旋角對(duì)接觸應(yīng)力的影響系數(shù)；

為載荷系數(shù)

為齒輪承載扭矩；

b為齒寬；

u為齒輪傳動(dòng)比；

許用接觸應(yīng)力為：

σ為齒輪的齒面接觸疲勞極限；

S為接觸強(qiáng)度計(jì)算的最小安全系數(shù)，一般S≥1，常取1；

Z為接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)；

Z為接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)；

Z為工作硬化系數(shù)；

Z為潤(rùn)滑影響系數(shù)，考慮齒面間的相對(duì)潤(rùn)滑的影響系數(shù)；

Z為線(xiàn)速度影響系數(shù)，考慮齒面見(jiàn)得相對(duì)滑動(dòng)的影響系數(shù)；

Z為粗糙度影響系數(shù)，考慮表面粗糙度的影響系數(shù)。

1.2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算

齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件為：

式中：

Y為應(yīng)力修正系數(shù)，用它考慮齒根過(guò)度圓角處的應(yīng)力集中，可查圖表；

Y為齒形修正系數(shù)；

Y為螺旋角系數(shù)；

Y為應(yīng)力修正系數(shù)；

K為彎曲齒向載荷分配系數(shù)；

K為彎曲齒向在愛(ài)和分配系數(shù)；

許用彎曲應(yīng)力為：

式中：

σ為齒輪的齒根彎曲疲勞極限；

S為彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的最小安全系數(shù)；

Y為齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)；

Y為彎曲疲勞強(qiáng)度的壽命系數(shù)；

Y為彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)；

1.3 設(shè)計(jì)方案更改

本文以某5檔手動(dòng)變速器為研究對(duì)象，該變速器最大承載扭矩210Nm，需提升至235Nm，滿(mǎn)足變速器可靠性要求，針對(duì)提升扭矩后經(jīng)仿真計(jì)算分析，輸入前軸承、輸入后軸承、輸出前軸承及主減齒輪均不滿(mǎn)足耐久性要求，提出以下變速器增扭后優(yōu)化方案。

表1 變速器增扭后優(yōu)化方案

2 變速器齒輪傳動(dòng)系模型建立

2.1 系統(tǒng)模型建立

本文采用ROMAX軟件對(duì)該5速手動(dòng)變速器進(jìn)行參數(shù)化建模，模型包括齒輪、同步器、軸承、差速器殼體、變速器殼體、半軸的幾何模型。在Hypermesh中建立差速器殼體、變速器殼體的有限元模型，并導(dǎo)入ROMAX。

圖1 幾何模型

2.2 齒輪材料相關(guān)參數(shù)設(shè)置

該齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪材料為20CrMnTi表面硬化處理，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表。

表2 齒輪材料參數(shù)

2.3 變速器載荷譜定義

本文所研究變速器匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩為235Nm，一檔限扭210Nm，并考慮足夠安全系數(shù)，依據(jù)已知車(chē)型滾動(dòng)半徑、各檔速比、變速器要求行駛里程及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速換算成ROMAX計(jì)算所需要的載荷譜，見(jiàn)表：

表3 載荷譜定義

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 最大輸入扭矩為235Nm分析結(jié)果

因從變速器可靠性角度考慮，該變速器一檔限扭210Nm。

表4 接觸/彎曲安全系數(shù)分析結(jié)果

根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，本文所分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，接觸安全系數(shù)要求大于0.9，彎曲安全系數(shù)要求大于1.2[5]，分析結(jié)果表明，各齒輪對(duì)接觸及彎曲強(qiáng)度均滿(mǎn)足要求，建議進(jìn)行總成耐久臺(tái)架試驗(yàn)。

4 變速器總成臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)本文分析變速器進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)異常情況，對(duì)變速器進(jìn)行拆解分析，各檔齒輪均無(wú)異常，圖中為1檔主從動(dòng)試驗(yàn)件，未見(jiàn)異常。

圖3 變速器臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本文采用ROMAX軟件對(duì)該5速手動(dòng)變速器進(jìn)行參數(shù)化建模，按照增扭優(yōu)化方案，對(duì)變速器進(jìn)行仿真分析，對(duì)比臺(tái)架耐久試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果，均達(dá)到目標(biāo)要求，充分驗(yàn)證了仿真模型及結(jié)果的正確性。

利用ROMAX軟件分析變速器增扭可行性，對(duì)產(chǎn)品的可靠性評(píng)估，提供了很大幫助，并且縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

[1] 解洪江.機(jī)械式變速器齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)承載能力研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)碩士論文,2013.

[2] 丁華.汽車(chē)變速器齒輪的強(qiáng)度分析[J].江蘇:江蘇理工大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院,2004.

[3] 全國(guó)齒輪標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 19406-2003漸開(kāi)線(xiàn)直齒和斜齒圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法.北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社,2014.

[4] 荊華,晉民杰,朱燃燃.基于高承載能力的斜齒輪關(guān)鍵技術(shù)分析[J].太原:太原科技大學(xué)交通與物流學(xué)院,2017.

[5] 秦春紅.汽車(chē)變速器齒輪強(qiáng)度分析與評(píng)價(jià).[D]長(zhǎng)春:吉林大學(xué)碩士論文,2011.

[6] 江會(huì)仙,翁建生.基于Romax的變速箱建模及模態(tài)分析.[J]江蘇:南京南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院車(chē)輛工程系,2014.

Simulation analysis and test verification for the manual transmission increase torsional scheme

Jiang Yanbin, Ge Lin, Li Peng

（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

The transmission of automobile plays an important role in the vehicle,during the vehicle matching process, transmission torque as an important indicator to meet the requirements of the engine torque.Gears and bearings are the most important components of transmission, it directly affects the transmission torque capacity, therefore, it is the key direction of project research. As the improvement of the automobile technology, it needs high requirement to the transmis -sion structure. This paper takes an manual transmission for research objects, created a ROMAX model, the bearing capacity of each gear and bearing after increasing torsion is analyzed, verified the model through the durability test.

Transmission; Increasing torsional ; Capacity; Durability test

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1671-7988(2018)18-64-03

U467

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1671-7988(2018)18-64-03

CLC NO.: U467

姜彥斌，就職于華晨汽車(chē)工程研究院動(dòng)力總成部。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.023