一種基于仿真技術生成變速箱設計載荷譜的方法

彭立印

（陜西法士特齒輪有限責任公司設計研究所，陜西 西安 710119）

一種基于仿真技術生成變速箱設計載荷譜的方法

彭立印

（陜西法士特齒輪有限責任公司設計研究所，陜西 西安 710119）

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

載荷譜；B10壽命；道路載荷數據；正向設計

前言

目前，國內變速箱的設計大多為類比設計，在已經成熟應用變速箱的基礎上，通過對比輸入扭矩等參數，進行強度計算。通過對比齒輪的齒根彎曲應力及齒面的接觸應力設計齒輪；通過對比軸承的軸向、徑向力設計軸承；通過對比米塞斯等應力設計軸。對于結構、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。但對于結構、形式和工況相差較大的變速箱，采用對比設計的方法可能為導致變速箱設計安全系數過高或者過低，增加后期改進優化的工作量，甚至可能導致設計失敗。

變速箱的正向設計過程，首先需要得到變速箱的道路載荷數據；通過材料的S-N曲線，把道路載荷數據轉換到某一目標工況（轉速、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壽命的設計載荷譜；計算各零部件在該工況下工作時間，進行零部件設計，使其壽命滿足要求。

圖1 變速箱正向設計流程圖

1 道路載荷數據

道路載荷數據是生成設計載荷譜的關鍵。道路載荷數據可通過兩種方法得到：實測和仿真計算。道路載荷數據需要考慮很多因素：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，對于一些設計公司，該種方法是不可能完成的任務。仿真計算可以節約大量時間和金錢，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 道路載荷數據的生成

在道路載荷數據的仿真過程中采用一個已確立的系統求解經典計算模型，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計車輛行駛的路線。城市內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，以便適應不同工況的需求，在計算時按照相應比例進行分配。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；公交車在城內行駛，在公交站、紅綠燈等處會頻繁啟停。

1.3 司機的駕駛習慣

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

1.4 車輛信息設置

在模型中設置車輛重量、發動機參數、變速箱換擋策略、迎風面積等參數。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 （其中，Ff滾動阻力，Few空氣阻力，Fi坡度阻力，Fj加速阻力）等一系列公式，計算出發動機在任意時刻的轉速、輸出扭矩、油門開度，變速箱檔位、輸入輸出扭矩和轉速等信息。

2 載荷譜的壓縮

表1 扭矩轉換表

得到的道路載荷數據需要被壓縮為目標轉速、目標扭矩下的運行時間。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）的斜率可根據相關標準進行查詢，也可根據實驗得到。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 生成設計載荷譜

得到壓縮后的載荷譜為目標路線的載荷譜，需根據目標B10壽命進行疊加，得到B10壽命下的載荷譜。例如，實際路線里程數為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。

根據不同的載荷情況，不同的駕駛習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的載荷譜，把各個檔位在目標扭矩、目標轉速下的時間與其所占比例相乘之后再相加，就得到了設計載荷譜（如表3示例）。

表3 設計載荷譜示例

4 小結

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

[1] 余志生.汽車理論.[M]清華大學.

[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任公司設計研究所，主要從事變速箱設計與仿真方面的研究。