手動變速器增扭方案仿真分析及試驗驗證

姜彥斌，葛琳，李鵬

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手動變速器增扭方案仿真分析及試驗驗證

姜彥斌，葛琳，李鵬

（華晨汽車工程研究院動力總成部，遼寧 沈陽 110141）

汽車變速器作為汽車傳動系統中關鍵部件之一，在整車匹配過程中，變速器扭矩作為能否滿足發動機扭矩需求的一項重要指標項。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，故而作為項目研究的重點方向。隨著汽車技術的不斷提高，對變速器結構強度的要求越來越高，文章以某型手動機械變速器為研究對象，建立了變速器ROMAX仿真分析模型，并對各齒輪及軸承的增扭后的承載能力進行分析,并通過總成疲勞耐久試驗進行驗證。

變速器；增扭；承載能力；耐久試驗驗證

前言

變速器選型時扭矩作為最重要的考核指標項，汽車手動變速器通過離合器與發動機連接，變速器主從動齒輪之間進行動力和轉矩的傳遞，但由于發動機輸出扭矩直接傳遞到變速器端，故變速器扭矩必須能滿足發動機最大扭矩需求；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動機的最大扭矩。

齒輪傳動系統包括軸承、齒輪、軸系，而齒輪、軸承是汽車變速器中最容易發生損壞的元件，也是項目重點研究對象。變速器中主要承受力矩和力的即是各檔齒輪對，因此變速器齒輪相對于軸承、齒輪軸等更容易發生損壞。

變速器齒輪的工作載荷和轉速不斷變化，并且處于在高負荷狀態，尤其是手動變速器在承載扭矩不足的等情況，因此經常出現斷齒等問題。而與之相關的齒輪特性是齒輪接觸疲勞強度與彎曲疲勞強度[1]。

本文以汽車手動變速器為研究對象，為滿足大扭矩發動機需求，現有變速器承載扭矩不足，需通過ROMAX軟件建立變速器總成仿真分析模型，在考慮系統變形的影響下，基于國家標準對變速器系統中的圓柱齒輪承載能力進行計算,并通過總成疲勞耐久臺架試驗對比驗證仿真。

1 漸開線圓柱齒輪承載能力分析

1.1 齒輪接觸疲勞強度計算[3]

齒面接觸強度校核條件為：

斜齒：

式中，σ：齒面接觸強度計算值；

σ為許用接觸應力；

Z為節點處區域系數，考慮節點處的齒廓形狀對接觸應力的影響；

Z為彈性系數；

Z為計算接觸強度的重合度系數；

Z為考慮螺旋角對接觸應力的影響系數；

為載荷系數

為齒輪承載扭矩；

b為齒寬；

u為齒輪傳動比；

許用接觸應力為：

σ為齒輪的齒面接觸疲勞極限；

S為接觸強度計算的最小安全系數，一般S≥1，常取1；

Z為接觸強度計算的壽命系數；

Z為接觸強度計算的尺寸系數；

Z為工作硬化系數；

Z為潤滑影響系數，考慮齒面間的相對潤滑的影響系數；

Z為線速度影響系數，考慮齒面見得相對滑動的影響系數；

Z為粗糙度影響系數，考慮表面粗糙度的影響系數。

1.2 齒根彎曲疲勞強度計算

齒根彎曲疲勞強度條件為：

式中：

Y為應力修正系數，用它考慮齒根過度圓角處的應力集中，可查圖表；

Y為齒形修正系數；

Y為螺旋角系數；

Y為應力修正系數；

K為彎曲齒向載荷分配系數；

K為彎曲齒向在愛和分配系數；

許用彎曲應力為：

式中：

σ為齒輪的齒根彎曲疲勞極限；

S為彎曲疲勞強度計算的最小安全系數；

Y為齒輪的應力修正系數；

Y為彎曲疲勞強度的壽命系數；

Y為彎曲疲勞強度計算的尺寸系數；

1.3 設計方案更改

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

表1 變速器增扭后優化方案

2 變速器齒輪傳動系模型建立

2.1 系統模型建立

本文采用ROMAX軟件對該5速手動變速器進行參數化建模，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，并導入ROMAX。

圖1 幾何模型

2.2 齒輪材料相關參數設置

該齒輪傳動系統齒輪材料為20CrMnTi表面硬化處理，詳細參數見表。

表2 齒輪材料參數

2.3 變速器載荷譜定義

本文所研究變速器匹配的發動機最大輸出扭矩為235Nm，一檔限扭210Nm，并考慮足夠安全系數，依據已知車型滾動半徑、各檔速比、變速器要求行駛里程及發動機轉速換算成ROMAX計算所需要的載荷譜，見表：

表3 載荷譜定義

3 計算結果及分析

3.1 最大輸入扭矩為235Nm分析結果

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/彎曲安全系數分析結果

根據以往項目經驗，本文所分析評價標準，接觸安全系數要求大于0.9，彎曲安全系數要求大于1.2[5]，分析結果表明，各齒輪對接觸及彎曲強度均滿足要求，建議進行總成耐久臺架試驗。

4 變速器總成臺架試驗驗證

4.1 臺架試驗驗證

針對本文分析變速器進行臺架試驗，未發現異常情況，對變速器進行拆解分析，各檔齒輪均無異常，圖中為1檔主從動試驗件，未見異常。

圖3 變速器臺架試驗結果

5 結論

本文采用ROMAX軟件對該5速手動變速器進行參數化建模，按照增扭優化方案，對變速器進行仿真分析，對比臺架耐久試驗與仿真分析結果，均達到目標要求，充分驗證了仿真模型及結果的正確性。

利用ROMAX軟件分析變速器增扭可行性，對產品的可靠性評估，提供了很大幫助，并且縮短產品的開發周期。

[1] 解洪江.機械式變速器齒輪傳動系統承載能力研究[D].武漢:武漢理工大學碩士論文,2013.

[2] 丁華.汽車變速器齒輪的強度分析[J].江蘇:江蘇理工大學汽車與交通工程學院,2004.

[3] 全國齒輪標準化技術委員會.GB/T 19406-2003漸開線直齒和斜齒圓柱齒輪承載能力計算方法.北京:中國質檢出版社,2014.

[4] 荊華,晉民杰,朱燃燃.基于高承載能力的斜齒輪關鍵技術分析[J].太原:太原科技大學交通與物流學院,2017.

[5] 秦春紅.汽車變速器齒輪強度分析與評價.[D]長春:吉林大學碩士論文,2011.

[6] 江會仙,翁建生.基于Romax的變速箱建模及模態分析.[J]江蘇:南京南京航空航天大學能源與動力學院車輛工程系,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

B

1671-7988(2018)18-64-03

U467

B

1671-7988(2018)18-64-03

CLC NO.: U467

姜彥斌，就職于華晨汽車工程研究院動力總成部。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.023