同步器齒轂結構改進及靜強度分析

孫智金 葛敬廣 趙娜

摘 要：通過有限元方法對齒轂和滑套進行強度分析，結合靜扭試驗結果對其進行改進，同時選擇變速器總成靜扭試驗屈服扭矩最小的那組試驗數據做試驗仿真，得到同步器齒轂破壞的最大主應力做為判斷依據，結果表明結構改進后的齒轂滿足靜扭試驗強度要求。

關鍵詞：齒轂和滑套；改進；試驗；仿真

中圖分類號：U462 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-37-03

Abstract： By means of finite element method， the strength analysis of the gear hub and slip sleeve is carried out， and the test data are improved by combining the results of static and torsional tests， and the maximum principal stress of the failure of the Synchronizer's hub is obtained by the test simulation， and then the maximal main stresses of the synchronizers are determined. The results show that the structural improvement of the gear hub satisfies the static and torsional test strength requirements.

Keywords： Gear hub and sliding sleeve； Improvement； experiment； simulation

CLC NO.： U462 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-37-03

引言

同步器是手動變速器和機械自動變速器中的一個重要部件，其內部包含齒轂和滑套，在換擋過程中，它們的強度直接影響到同步器的壽命。提高它們的強度，也就提高了換擋舒適性，同時延長了變速器的壽命[1]。

本文對我公司新設計某變速器同步器齒轂和滑套系統的進行了試驗理論分析，對齒轂和滑套進行了改進，對改進前后強度進行對比，并且與之前報告的安全系數做了對比。選擇變速器總成靜扭試驗屈服扭矩最小的那組試驗數據做試驗仿真，得到該材料的同步器齒轂破壞的最大主應力，用此最大主應力做為判斷依據。

1 原結構存在的問題及改進情況

同步器原齒轂在進行變速器三倍靜扭試驗時結構強度不夠，試驗后損壞的零件為一檔和二檔同步器齒轂碎裂，與其配套的同步器滑動齒套斷裂，具體破壞形式見圖1。

基于變速器靜扭試驗結果，同步器齒轂破壞部位為寬齒槽根部，因此對齒轂的以下部位進行結構改進：

（1）原寬槽13.5改為寬15的橢圓孔。

（2）彈簧孔徑由Φ6.5改為Φ6.2。

（3）齒轂徑向凸臺由Φ60.5改為Φ62。

計算齒轂結構改進前后齒轂在三倍靜扭試驗條件下的靜強度，分析結構改進后的齒轂強度是否滿足要求。

2 齒轂有限元計算及結果

有限元模型如圖2所示。將齒轂與二軸嚙合齒全約束，齒轂和滑動齒套之間CONTCAT接觸，摩擦系數0.1，法向硬接觸。將同步器滑動齒套外圈KINEMATIC耦合在中心一點，并在這一點上施加力矩。

三倍靜扭條件下齒轂結構改進前后一二檔同步器齒轂及結構改進后齒轂的最大主應力云圖如圖3所示。

齒轂結構改進前后薄弱位置的最大主應力對比如表1所示。

齒轂結構改進后，齒轂薄弱部位應力水平明顯下降，齒轂寬齒槽根部最大主應力由1398MPa降低為928MPa，低于材料抗拉強度，結構改進后的齒轂滿足靜扭試驗強度要求。

3 變速器總成靜扭試驗仿真

為了得到該材料同步器齒轂破壞的最大主應力，選擇變速器總成靜扭試驗屈服扭矩最小的那組試驗數據的扭矩，將此扭矩加載于齒轂結構改進前的有限元模型中，進行計算，得到同步器齒轂的最大主應力云圖如4圖所示。

同步器齒轂寬齒槽根部的最大主應力最大，是同步器齒轂的薄弱部位，與變速器總成靜扭試驗結果一致。

齒轂寬齒槽根部的最大主應力為1035MPa，表明當該材料同步器齒轂的最大主應力達到或超過1035MPa時，齒轂會屈服或破壞，認為齒轂失效。

齒轂結構改進后的橢圓孔處最大主應力為928MPa，齒轂內花鍵齒根處最大主應力為956MPa，均低于齒轂的失效最大主應力1035MPa，因此可以得出結論：齒轂結構改進后滿足變速器三倍靜扭強度。

4 同步器滑動齒套強度分析

根據試驗報告，變速器總成靜扭試驗一二檔同步器滑動齒套斷裂，因此本文對同步器滑動齒套進行強度校核。為了得到可靠度較高的校核結論，本文將試驗同步器最小屈服扭矩下的滑動齒套最大主應力作為對標應力，對比同步器滑動齒套在齒轂結構改進前后的最大主應力，判斷滑動齒套是否破壞。

不同工況下同步器滑動齒套的最大主應力如下圖。

根據靜扭試驗和有限元仿真分析，對于同步器滑動齒套，當變速器總成靜扭試驗達到屈服扭矩時，滑動齒套花鍵根部最大主應力為222MPa，當變速器總成靜扭試驗達到破壞扭矩時，滑動齒套花鍵根部最大主應力達到278MPa。

同步器齒轂結構改進前，變速器總成三倍靜扭輸入扭矩下，滑動齒套的最大主應力達到311MPa。

對同步器齒轂結構改進后，變速器總成三倍靜扭輸入扭矩下，滑動齒套最大主應力為239MPa。

同步器滑動齒套在以下不同工況下的最大主應力均遠遠低于材料抗拉強度，變速器總成靜扭試驗中同步器滑動齒套斷裂原因可能是：同步器齒轂首先局部破壞，導致滑動齒套嚙合花鍵受力不均勻，部分花鍵受力較大，導致滑套局部應力增大而斷裂。

不同工況下同步器滑動齒套最大主應力對比如下表。

5 結語

本文對同步器齒轂結構改進前后進行了變速器三倍靜扭強度分析，系統的進行了試驗理論分析，選擇變速器總成靜扭試驗屈服扭矩最小的那組試驗數據做試驗仿真，得到同步器齒轂破壞的最大主應力，用此最大主應力做為判斷依據。本文所的分析結果為后續同步器復雜模型的仿真建模，以及設計、控制和優化提供了理論依據。

參考文獻

[1] 陳家瑞.汽車構造（下冊）[M].北京：機械工業出版社.2009. P55-59.

[2] 傅秀通等.SIMPACK 9 實例教程[M].北京：北京聯合出版公司出版.2013.