汽車齒輪變速器的高強(qiáng)度優(yōu)化方法

曲敬淵

(煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264670)

0 前言

目前，汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹饕焦ぞ摺ｋS著人們對(duì)車輛環(huán)保性與舒適性需求的逐步提高，汽車也逐步朝著環(huán)保和智能化的方向發(fā)展。汽車變速器的振動(dòng)問(wèn)題往往會(huì)給車輛的總體性能帶來(lái)較大的負(fù)面影響，由此產(chǎn)生的問(wèn)題引起了業(yè)界的廣泛重視。汽車變速器的振動(dòng)一般來(lái)自齒輪箱、軸承及齒輪等相關(guān)結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)變速器振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行控制，可以從齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)控制入手，通過(guò)提升上述構(gòu)件的加工精度，減少配合的誤差，從而減小變速器產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲，延長(zhǎng)汽車的使用壽命。

1 汽車齒輪變速器的分類

根據(jù)操縱方式不同，汽車齒輪變速器一般可分為強(qiáng)制操縱式、自動(dòng)操縱式和半自動(dòng)操縱式等幾種形式。在大部分車型中，由駕駛員直接控制變速器操縱桿以實(shí)現(xiàn)換檔，這屬于強(qiáng)制操縱式齒輪變速器。自動(dòng)操縱式齒輪變速器一般可分為2種。一種齒輪變速器可對(duì)各個(gè)固定檔位進(jìn)行自動(dòng)控制，其余檔位則由車輛駕駛員加以控制[1]；另一種齒輪變速器為預(yù)選式齒輪變速器，可由駕駛員通過(guò)電子設(shè)備對(duì)即將投入使用的檔位作出預(yù)先設(shè)定，在車輛的實(shí)際駕駛過(guò)程中，駕駛員踩下踏板或放松踏板，電子系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行換檔。半自動(dòng)操縱式齒輪變整器目前已不多見。

2 變速器的基本結(jié)構(gòu)

2.1 變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

在一般情況下，變速器可使用雙傳動(dòng)模式，以達(dá)到最高的傳動(dòng)效率。傳動(dòng)方案大體上可以分成兩軸式結(jié)構(gòu)和三軸式結(jié)構(gòu)2種不同類型。

2.2 變速操縱機(jī)構(gòu)

控制機(jī)構(gòu)一般包含控制結(jié)構(gòu)及有關(guān)構(gòu)件。對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加以控制，可實(shí)現(xiàn)速度與換檔過(guò)程的最佳匹配。同步器其通常包括接合套及閉鎖環(huán)等結(jié)構(gòu)部分[2]。目前，變速器中所使用的同步器，一般分為慣性和非慣性式，變速器的相關(guān)運(yùn)作通過(guò)摩擦的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在接合套、待結(jié)合齒輪及相應(yīng)的閉鎖環(huán)上，都布置有鎖止角，待結(jié)合齒外錐面和同步器之間通過(guò)摩擦接觸。在實(shí)際控制過(guò)程中，接合套及閉鎖環(huán)會(huì)按照實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的選擇，借助摩擦力可以快速完成同步過(guò)程。在實(shí)現(xiàn)同步后，上述機(jī)構(gòu)會(huì)形成鎖止?fàn)顟B(tài)，避免齒輪在同步過(guò)程前產(chǎn)生嚙合。

根據(jù)不同的操縱位置，換檔操縱機(jī)構(gòu)分成直接換檔操縱機(jī)構(gòu)與長(zhǎng)距離換檔操縱機(jī)構(gòu)2種不同類型。直接換檔操作機(jī)構(gòu)布置在駕駛員位置一側(cè)，而長(zhǎng)距離換檔操縱機(jī)構(gòu)則布置在駕駛室底板處。對(duì)于直接換檔操縱機(jī)構(gòu)，駕駛員可以直接對(duì)換檔操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)換檔動(dòng)作[3]。對(duì)于長(zhǎng)距離換檔操縱機(jī)構(gòu)，由于變速器和駕駛員座位之間的距離較遠(yuǎn)，變速桿無(wú)法直接布置在變速器蓋板上，需要在變速桿與變速器之間加設(shè)傳動(dòng)桿件，確保了長(zhǎng)距離換檔操縱過(guò)程的有效實(shí)現(xiàn)。

3 變速器動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化

3.1 齒輪變速器建模

3.1.1 傳動(dòng)軸建模

運(yùn)用MASTA 仿真軟件對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行了建模，建模方式可分為標(biāo)準(zhǔn)軸建模和異形軸建模2 種不同類別。在構(gòu)造上具有不對(duì)稱特征的標(biāo)準(zhǔn)軸，可通過(guò)該仿真軟件中的核心模塊進(jìn)行建模。異形軸的建模可以使用仿真軟件中的結(jié)構(gòu)性模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文所研究的汽車齒輪變速器中的3根軸都屬于標(biāo)準(zhǔn)軸，可以直接在核心模塊中加以創(chuàng)建[4]。首先，輸入軸、中間軸和倒檔軸3根光軸，加入斜面、臺(tái)階面和內(nèi)孔等相關(guān)特征。然后，對(duì)傳動(dòng)軸表面粗糙度、徑向孔和溝槽等相關(guān)特征進(jìn)行定義。最后，對(duì)3根軸實(shí)施定位處理，使輸入軸與輸出軸之間保持平行，并將軸端中心設(shè)為原點(diǎn)，對(duì)中間軸和輸出軸進(jìn)行定位處理。

在對(duì)傳動(dòng)軸材料進(jìn)行選擇時(shí)，通常需要考慮傳動(dòng)軸的密度、彈性模量等相關(guān)參數(shù)。在通常情況下，傳動(dòng)軸的創(chuàng)建，需要獲取相關(guān)材料的特性曲線。但實(shí)際操作中，獲取相關(guān)材料的特性曲線存在一定的困難。MASTA 仿真軟件帶有對(duì)應(yīng)材料的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，能對(duì)常用材料的特性曲線進(jìn)行比較。在設(shè)計(jì)分析過(guò)程中，可以直接選取數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)材料[5]。

在確定了傳動(dòng)軸的加工精度等級(jí)和制造工藝后，通過(guò)對(duì)標(biāo)仿真軟件中采用的傳動(dòng)軸材料，制作成圓棒形的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)試件，以獲取傳動(dòng)軸在拉力和壓力條件下的應(yīng)力-壽命曲線。針對(duì)不同的傳動(dòng)軸零件，因?yàn)闄C(jī)械加工時(shí)所使用的工藝、形狀和粗糙度等性能參數(shù)有所不同，相應(yīng)獲得的材料特性曲線也不盡相同。

3.1.2 齒輪建模

在MASTA 軟件中，齒輪的建模一般借助螺旋角、中心距、齒數(shù)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行定義，對(duì)應(yīng)的齒輪二維與三維建模會(huì)自動(dòng)生成。齒輪和齒輪副材料通常選用默認(rèn)材料。在進(jìn)行齒輪裝配的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)齒輪在傳動(dòng)軸上的具體位置作出定義，目的是便于在不同位置實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞。

3.2 功率流和載荷譜分析

在變速器的工作過(guò)程中，一般傳動(dòng)軸受到的載荷會(huì)不斷發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為傳動(dòng)扭矩的變化。傳動(dòng)軸載荷、變速器檔位和各檔位作用時(shí)間三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系構(gòu)成了功率流的載荷譜。在確定載荷譜之前，根據(jù)模型構(gòu)建了輸入功率流與輸出功率流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在輸入軸上添加輸入端功率流，并在輸出軸上添加輸出端功率流，得出了對(duì)應(yīng)的變速器載荷譜。在MASTA 軟件中，載荷譜主要指的是在各種工況下的不同換檔模式。由于駕駛員駕駛習(xí)慣和各種行駛路況的不同，針對(duì)同一輛汽車，在具體車輛行駛過(guò)程中的載荷譜也存在一定的差異。

4 變速器傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 宏觀參數(shù)優(yōu)化

評(píng)估傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵性指標(biāo)是整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)所具有的承載能力和總體外形尺寸的比值。在傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)，齒輪是影響關(guān)鍵性指標(biāo)的核心部件，其所具有的承載能力與外形尺寸大體上決定了整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的承載能力與外形尺寸。所以，應(yīng)提升傳動(dòng)系統(tǒng)相應(yīng)的承載能力和總體外形尺寸之間的比值。在保持齒輪副中心距不變的前提下，運(yùn)用MASTA 軟件使齒輪的寬度與精度等級(jí)保持平衡，對(duì)齒輪進(jìn)行了優(yōu)化。齒輪的具體優(yōu)化過(guò)程通過(guò)強(qiáng)度與重合度2個(gè)層面來(lái)實(shí)施[6]。通過(guò)調(diào)整齒輪參數(shù)，在進(jìn)行齒輪強(qiáng)度優(yōu)化時(shí)，選取合適的齒輪安全系數(shù)與損傷率目標(biāo)。通過(guò)MASTA 軟件的仿真，對(duì)齒輪損傷率實(shí)施了優(yōu)化處理。此外，考慮到變速器中的零部件損傷率，還對(duì)倒檔齒輪進(jìn)行了迭代優(yōu)化處理。

4.2 齒輪微觀修形

4.2.1 齒向修形

在對(duì)汽車變速器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，在絕對(duì)理想的狀況下，在不考慮存在制造和裝配誤差，各類零部件也不存在彈性變形的情況下，由于系統(tǒng)內(nèi)漸開線與圓柱齒輪副的中心線必然是平行的，相應(yīng)嚙合過(guò)程中齒輪受到的載荷必然會(huì)沿齒面均勻性分布。但在實(shí)際變速器的運(yùn)行過(guò)程中，由于制造和裝配存在一定的誤差，零件的彈性變形必然會(huì)使嚙合齒輪副對(duì)應(yīng)的中心線無(wú)法保持平行，導(dǎo)致齒輪嚙合出現(xiàn)錯(cuò)位，齒輪副在嚙合后會(huì)偏向一側(cè)，出現(xiàn)齒輪發(fā)生嚙合偏載的情況。針對(duì)這種情況，對(duì)齒輪齒面的實(shí)際載荷分布均勻性進(jìn)行了優(yōu)化[7]。

4.2.2 輪齒修形

在齒輪系統(tǒng)受到載荷作用的過(guò)程中，齒輪輪齒會(huì)出現(xiàn)彈性變形的情況，主動(dòng)齒輪與被動(dòng)齒輪的基節(jié)會(huì)發(fā)生變化，無(wú)法保持完全嚙合，從而出現(xiàn)傳遞誤差。上述情況會(huì)導(dǎo)致輪齒實(shí)際嚙合位置與理論嚙合位置之間出現(xiàn)偏差，從而出現(xiàn)輪齒之間發(fā)生沖擊的現(xiàn)象。此外，由于單雙齒輪之間的重合量通常并非整數(shù)，對(duì)應(yīng)的嚙合過(guò)程通過(guò)單雙齒輪之間的嚙合力交替進(jìn)行，即齒輪的嚙合強(qiáng)度持續(xù)處于變化狀態(tài)中。然而，在齒輪進(jìn)行嚙合的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)嚙合強(qiáng)度發(fā)生突變的情況。

圖1示出了齒輪載荷的分布情況，從中也可分析出齒輪在嚙合過(guò)程中嚙合強(qiáng)度發(fā)生突變的原因。其中，ABCD表示輪齒的1個(gè)嚙合周期，AB段和CD段為雙齒嚙合，而BC段為單齒嚙合。針對(duì)未發(fā)生彈性變化的齒輪，從理論上來(lái)說(shuō)，其在單齒嚙合區(qū)域所受到的載荷是在雙齒嚙合區(qū)域的2倍。載荷的嚙合分布曲線為AFGHIKLD，由于受到齒面接觸與從動(dòng)齒輪的綜合影響，載荷會(huì)沿嚙合曲線產(chǎn)生一定的變化，對(duì)應(yīng)載荷的分布曲線為AMNHIOPD。針對(duì)齒輪進(jìn)行齒廓的修形優(yōu)化可起到關(guān)鍵性作用，能夠加強(qiáng)齒輪嚙合傳動(dòng)的穩(wěn)定性，弱化嚙合強(qiáng)度發(fā)生突變帶來(lái)的沖擊，減小傳動(dòng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲。齒廓修形旨在消除一對(duì)相互嚙合齒輪所產(chǎn)生的齒面干涉，通過(guò)人為方式對(duì)齒輪基節(jié)偏差所帶來(lái)的影響加以補(bǔ)償，確保齒輪上的載荷可以根據(jù)曲線AHID進(jìn)行分配。

圖1 齒輪載荷的分布情況

5 結(jié)語(yǔ)

汽車變速器傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、齒輪的使用年限及傳動(dòng)效率三者有著緊密的聯(lián)系。隨著汽車行業(yè)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，變速器傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞或輪齒斷裂的可能性都已大幅降低。目前，齒輪強(qiáng)度優(yōu)化的主要方向?yàn)辇X輪的修形處理。在針對(duì)齒輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)使用仿真軟件收集有關(guān)數(shù)據(jù)信息，并合理參考本文提供的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化，可提高齒輪精度，減小變速器產(chǎn)生的振動(dòng)，同時(shí)提升傳動(dòng)效率。