楊戈 魏巍
摘 ?要:該文對常用汽車變速箱齒輪和軸承承受的載荷作了詳細分析和計算,并總結(jié)提出了一種快速計算變速箱軸系載荷以及軸承壽命的方法。同時,使用C#編程語言,基于Winform開發(fā)了相應(yīng)的計算程序,并將計算結(jié)果與Romax進行了比較,以驗證文中計算方法的正確性。
關(guān)鍵詞:齒輪載荷;軸承載荷;軸承;額定壽命
中圖分類號:TK402 ? ? ? 文獻標(biāo)志碼: ?A
0 前言
對各種軸系結(jié)構(gòu)進行載荷分析,是計算軸系各個零部件強度及使用壽命的基礎(chǔ),同時也為軸系零部件選型提供了依據(jù)。借助于NX、Romax等建模分析軟件,可以對軸系作載荷分析。但是,這些通用軟件需要先搭建模型,費時費力,且定制化分析能力不足。江建華[1]和陳萬宏[2]對船舶軸系作了載荷分析并開發(fā)了相應(yīng)計算工具,陳文宇[3]對裝載機變速箱做了載荷計算以及有限元分析。
汽車變速箱軸系由多個齒輪和軸承組成,軸承的額定壽命計算與軸承選型的基本參數(shù)都基于齒輪嚙合點的載荷狀況。鑒于此,該文總結(jié)并提出了一種快速計算汽車變速箱軸系載荷以及軸承壽命的方法,同時開發(fā)了相應(yīng)的計算程序,使汽車變速箱軸系載荷分析計算更加快捷便利,更有助于軸系零部件選型。
1 載荷計算
1.1 齒輪載荷計算
汽車變速箱齒輪一般為直齒輪和斜齒輪,齒輪嚙合點的載荷計算如下[4]:
式中:P-齒輪切向力,N。
S-齒輪分離力,N。
T-齒輪軸向力,N。
Tor-扭矩,N·m。
m-法面模數(shù)。
Z-齒數(shù)。
α-法面壓力角,°。
β-螺旋角,°。
θ-夾角,°。
dp-嚙合齒輪節(jié)圓直徑,mm。
Fr-軸承徑向載荷,N。
Fa-軸承軸向載荷,N。
斜齒輪的軸向力方向,取決于齒輪旋轉(zhuǎn)方向,齒輪螺旋方向及屬于主動齒輪還是從動齒輪,情況各不相同,其力的方向也不同。
當(dāng)主動齒輪螺旋方向為左旋,使用左手定則判斷軸向力方向;當(dāng)主動齒輪螺旋方向為右旋,使用右手定則判斷軸向力方向。
1.2 軸承載荷計算
常用汽車變速箱為“輸入軸-中間軸-輸出軸”結(jié)構(gòu),工作中,輸入軸和輸出軸一般僅有一個齒輪將力分解到軸承上,中間軸一般有2個齒輪將力分解到軸承上。假設(shè)順時針方向轉(zhuǎn)速為正,對于前進檔位,對軸系作載荷分析,如圖1所示。
固定端軸承承受軸向載荷,自由端軸承不承受軸向載荷。
輸出軸軸承E、F載荷計算方法與輸入軸軸承A、B相同,因此省略。對于軸承C、D,中間軸有2個齒輪將力分解到軸承上,假設(shè)順時針轉(zhuǎn)速為正方向,并以正方向為例,計算方法為3個。1)將齒輪2的力分解到軸承C和D上,載荷分析坐標(biāo)系為Y軸和Z軸,如圖2所示。Y軸上的力PY為齒輪2切向力P2分解的,Z軸上的力SZ和UZ為齒輪2分離力S2和軸向力T2分解的,分解方法同輸入軸 。2)將齒輪2的力分解到軸承C和D上,載荷分析坐標(biāo)系為Y'軸和Z'軸,如圖2所示。Y'軸上的力PY'為齒輪3切向力P3分解的,Z'軸上的力SZ'和UZ'為齒輪3分離力S3和軸向力T3分解的,分解方法同輸入軸。3)計算夾角θ,θ的正負由輸出軸的位置決定,如圖1所示。
固定端軸承承受軸向載荷,大小為齒輪2和齒輪3軸向力的合力。自由端軸承不承受軸向載荷。
對于倒擋擋位,由于倒擋齒輪參與嚙合,將軸系結(jié)構(gòu)分解為“輸入軸-中間軸-倒擋軸”和“中間軸-倒擋軸-輸出軸”,載荷分析和計算方法同上。圖3為倒擋擋位載荷分析示意圖。
2 計算程序開發(fā)及實例計算
2.1 計算程序開發(fā)
根據(jù)該文的計算方法,使用C#編程語言,基于Winform開發(fā)出桌面應(yīng)用程序[5]。計算程序用于計算變速箱齒輪及軸承載荷。同時,該計算程序根據(jù)GB/T 6391―2010[6],計算軸承的額定壽命。計算程序主界面如圖4所示。
在界面上完成輸入和選擇參數(shù),或在Excel表中填寫參數(shù)后點擊“參數(shù)導(dǎo)入”,點擊“載荷計算”計算齒輪載荷及軸承載荷,點擊“軸承壽命”計算變速箱各個擋位的平均載荷以及各個軸承的額定壽命,點擊“生成報告”,生成包含齒輪、軸承載荷以及軸承壽命計算結(jié)果的文檔。
2.2 實例計算
以某電動汽車變速箱為例,使用計算程序進行載荷計算,已知參數(shù)見表1。根據(jù)文中的計算方法,在計算程序中輸入已知參數(shù),計算出各個擋位軸承承受的載荷,計算結(jié)果見表2。
為了驗證文中計算方法的正確性,使用Romax軟件對變速箱軸系建模[7],并做仿真,各個擋位軸承承受的徑向載荷以及軸向載荷計算結(jié)果見表3。
可以看出,根據(jù)文中計算方法,并使用開發(fā)的計算程序計算結(jié)果與Romax計算結(jié)果基本一致,最大相對誤差不超過1%。
3 結(jié)語
汽車變速箱軸系為多齒輪多軸承結(jié)構(gòu),文中提出了軸承載荷分析計算方法,并開發(fā)了計算軸系載荷及軸承額定壽命的計算程序,實用性較強。同時,由于軸的撓曲對齒輪和軸承載荷的大小存在一定影響,因此對變速箱軸系載荷的分析和研究有待進一步地完善。
參考文獻
[1]江建華.軸系軸承負荷的計算程序[J].江蘇船舶,1985,(2):42-50.
[2]陳萬宏.基于C++ Builder與MATLAB接口的軸系計算系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海:上海交通大學(xué),2008.
[3]陳文宇.某輪式裝載機變速箱體的載荷計算與有限元分析[D].柳州:廣西科技大學(xué),2011.
[4]濮良貴,紀(jì)名剛.機械設(shè)計(第七版)[M].北京:高等教育出版社,2005.
[5]Karli Watson,Christian Nagel.C#入門經(jīng)典(第5版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.
[6]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 6391―2010,滾動軸承 額定動載荷和額定壽命[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011:7-12.
[7]杜靜,魏靜,秦朝燁.Romax Designer入門詳解與實例[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.