汽车齿轮变速器的高强度优化方法

曲敬渊

(烟台职业学院，山东 烟台 264670)

0 前言

目前，汽车已成为人们日常生活中的主要代步工具。随着人们对车辆环保性与舒适性需求的逐步提高，汽车也逐步朝着环保和智能化的方向发展。汽车变速器的振动问题往往会给车辆的总体性能带来较大的负面影响，由此产生的问题引起了业界的广泛重视。汽车变速器的振动一般来自齿轮箱、轴承及齿轮等相关结构，因此，对变速器振动问题进行控制，可以从齿轮传动系统的振动控制入手，通过提升上述构件的加工精度，减少配合的误差，从而减小变速器产生的振动噪声，延长汽车的使用寿命。

1 汽车齿轮变速器的分类

根据操纵方式不同，汽车齿轮变速器一般可分为强制操纵式、自动操纵式和半自动操纵式等几种形式。在大部分车型中，由驾驶员直接控制变速器操纵杆以实现换档，这属于强制操纵式齿轮变速器。自动操纵式齿轮变速器一般可分为2种。一种齿轮变速器可对各个固定档位进行自动控制，其余档位则由车辆驾驶员加以控制[1]；另一种齿轮变速器为预选式齿轮变速器，可由驾驶员通过电子设备对即将投入使用的档位作出预先设定，在车辆的实际驾驶过程中，驾驶员踩下踏板或放松踏板，电子系统自动进行换档。半自动操纵式齿轮变整器目前已不多见。

2 变速器的基本结构

2.1 变速传动机构

在一般情况下，变速器可使用双传动模式，以达到最高的传动效率。传动方案大体上可以分成两轴式结构和三轴式结构2种不同类型。

2.2 变速操纵机构

控制机构一般包含控制结构及有关构件。对传动机构加以控制，可实现速度与换档过程的最佳匹配。同步器其通常包括接合套及闭锁环等结构部分[2]。目前，变速器中所使用的同步器，一般分为惯性和非惯性式，变速器的相关运作通过摩擦的方式来实现。在接合套、待结合齿轮及相应的闭锁环上，都布置有锁止角，待结合齿外锥面和同步器之间通过摩擦接触。在实际控制过程中，接合套及闭锁环会按照实际情况进行相应的选择，借助摩擦力可以快速完成同步过程。在实现同步后，上述机构会形成锁止状态，避免齿轮在同步过程前产生啮合。

根据不同的操纵位置，换档操纵机构分成直接换档操纵机构与长距离换档操纵机构2种不同类型。直接换档操作机构布置在驾驶员位置一侧，而长距离换档操纵机构则布置在驾驶室底板处。对于直接换档操纵机构，驾驶员可以直接对换档操纵机构进行操作，进而实现换档动作[3]。对于长距离换档操纵机构，由于变速器和驾驶员座位之间的距离较远，变速杆无法直接布置在变速器盖板上，需要在变速杆与变速器之间加设传动杆件，确保了长距离换档操纵过程的有效实现。

3 变速器动力学仿真优化

3.1 齿轮变速器建模

3.1.1 传动轴建模

运用MASTA 仿真软件对传动轴进行了建模，建模方式可分为标准轴建模和异形轴建模2 种不同类别。在构造上具有不对称特征的标准轴，可通过该仿真软件中的核心模块进行建模。异形轴的建模可以使用仿真软件中的结构性模块来实现。本文所研究的汽车齿轮变速器中的3根轴都属于标准轴，可以直接在核心模块中加以创建[4]。首先，输入轴、中间轴和倒档轴3根光轴，加入斜面、台阶面和内孔等相关特征。然后，对传动轴表面粗糙度、径向孔和沟槽等相关特征进行定义。最后，对3根轴实施定位处理，使输入轴与输出轴之间保持平行，并将轴端中心设为原点，对中间轴和输出轴进行定位处理。

在对传动轴材料进行选择时，通常需要考虑传动轴的密度、弹性模量等相关参数。在通常情况下，传动轴的创建，需要获取相关材料的特性曲线。但实际操作中，获取相关材料的特性曲线存在一定的困难。MASTA 仿真软件带有对应材料的参数数据库，能对常用材料的特性曲线进行比较。在设计分析过程中，可以直接选取数据库中的相关材料[5]。

在确定了传动轴的加工精度等级和制造工艺后，通过对标仿真软件中采用的传动轴材料，制作成圆棒形的相关标准试件，以获取传动轴在拉力和压力条件下的应力-寿命曲线。针对不同的传动轴零件，因为机械加工时所使用的工艺、形状和粗糙度等性能参数有所不同，相应获得的材料特性曲线也不尽相同。

3.1.2 齿轮建模

在MASTA 软件中，齿轮的建模一般借助螺旋角、中心距、齿数等相关参数进行定义，对应的齿轮二维与三维建模会自动生成。齿轮和齿轮副材料通常选用默认材料。在进行齿轮装配的过程中，应对齿轮在传动轴上的具体位置作出定义，目的是便于在不同位置实现动力的传递。

3.2 功率流和载荷谱分析

在变速器的工作过程中，一般传动轴受到的载荷会不断发生变化，主要表现为传动扭矩的变化。传动轴载荷、变速器档位和各档位作用时间三者之间的对应关系构成了功率流的载荷谱。在确定载荷谱之前，根据模型构建了输入功率流与输出功率流之间的对应关系，在输入轴上添加输入端功率流，并在输出轴上添加输出端功率流，得出了对应的变速器载荷谱。在MASTA 软件中，载荷谱主要指的是在各种工况下的不同换档模式。由于驾驶员驾驶习惯和各种行驶路况的不同，针对同一辆汽车，在具体车辆行驶过程中的载荷谱也存在一定的差异。

4 变速器传动系统优化

4.1 宏观参数优化

评估传动系统的关键性指标是整个传动系统所具有的承载能力和总体外形尺寸的比值。在传动系统内，齿轮是影响关键性指标的核心部件，其所具有的承载能力与外形尺寸大体上决定了整个传动系统的承载能力与外形尺寸。所以，应提升传动系统相应的承载能力和总体外形尺寸之间的比值。在保持齿轮副中心距不变的前提下，运用MASTA 软件使齿轮的宽度与精度等级保持平衡，对齿轮进行了优化。齿轮的具体优化过程通过强度与重合度2个层面来实施[6]。通过调整齿轮参数，在进行齿轮强度优化时，选取合适的齿轮安全系数与损伤率目标。通过MASTA 软件的仿真，对齿轮损伤率实施了优化处理。此外，考虑到变速器中的零部件损伤率，还对倒档齿轮进行了迭代优化处理。

4.2 齿轮微观修形

4.2.1 齿向修形

在对汽车变速器进行设计的过程中，在绝对理想的状况下，在不考虑存在制造和装配误差，各类零部件也不存在弹性变形的情况下，由于系统内渐开线与圆柱齿轮副的中心线必然是平行的，相应啮合过程中齿轮受到的载荷必然会沿齿面均匀性分布。但在实际变速器的运行过程中，由于制造和装配存在一定的误差，零件的弹性变形必然会使啮合齿轮副对应的中心线无法保持平行，导致齿轮啮合出现错位，齿轮副在啮合后会偏向一侧，出现齿轮发生啮合偏载的情况。针对这种情况，对齿轮齿面的实际载荷分布均匀性进行了优化[7]。

4.2.2 轮齿修形

在齿轮系统受到载荷作用的过程中，齿轮轮齿会出现弹性变形的情况，主动齿轮与被动齿轮的基节会发生变化，无法保持完全啮合，从而出现传递误差。上述情况会导致轮齿实际啮合位置与理论啮合位置之间出现偏差，从而出现轮齿之间发生冲击的现象。此外，由于单双齿轮之间的重合量通常并非整数，对应的啮合过程通过单双齿轮之间的啮合力交替进行，即齿轮的啮合强度持续处于变化状态中。然而，在齿轮进行啮合的过程中，会出现啮合强度发生突变的情况。

图1示出了齿轮载荷的分布情况，从中也可分析出齿轮在啮合过程中啮合强度发生突变的原因。其中，ABCD表示轮齿的1个啮合周期，AB段和CD段为双齿啮合，而BC段为单齿啮合。针对未发生弹性变化的齿轮，从理论上来说，其在单齿啮合区域所受到的载荷是在双齿啮合区域的2倍。载荷的啮合分布曲线为AFGHIKLD，由于受到齿面接触与从动齿轮的综合影响，载荷会沿啮合曲线产生一定的变化，对应载荷的分布曲线为AMNHIOPD。针对齿轮进行齿廓的修形优化可起到关键性作用，能够加强齿轮啮合传动的稳定性，弱化啮合强度发生突变带来的冲击，减小传动系统所产生的振动与噪声。齿廓修形旨在消除一对相互啮合齿轮所产生的齿面干涉，通过人为方式对齿轮基节偏差所带来的影响加以补偿，确保齿轮上的载荷可以根据曲线AHID进行分配。

图1 齿轮载荷的分布情况

5 结语

汽车变速器传动系统的稳定性、齿轮的使用年限及传动效率三者有着紧密的联系。随着汽车行业相关技术的进步，变速器传动系统齿轮发生严重损坏或轮齿断裂的可能性都已大幅降低。目前，齿轮强度优化的主要方向为齿轮的修形处理。在针对齿轮进行优化设计的过程中，通过使用仿真软件收集有关数据信息，并合理参考本文提供的数据分析结果，对传动系统的齿轮构造进行优化，可提高齿轮精度，减小变速器产生的振动，同时提升传动效率。