重型卡車變速器齒輪傳動方案設(shè)計及仿真分析

李敬杰

（中國重汽集團大同齒輪有限公司， 山西 大同 037000）

引言

重型卡車是我國陸運的主要方式之一，在當(dāng)前國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵時期，重型卡車的運輸效率和性能尤為重要。目前，結(jié)合實際需求，重型卡車已經(jīng)朝著多擋化、自動化、輕量化的方向發(fā)展，其燃油經(jīng)濟性和動力性能是考核其整體性能的關(guān)鍵參數(shù)。變速器為重型卡車變速箱的關(guān)鍵部件，該部件的設(shè)計水平、制造工藝及傳動效率直接影響整車的性能[1]。本文重點對重型卡車變速器的傳動方案進行設(shè)計，并對其傳動效率和傳動性能進行仿真分析。

1 重型卡車傳動方案分析

本文所研究重型卡車的具體型號為H08，該型卡車的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 H08 型重型卡車關(guān)鍵參數(shù)

目前，針對重型卡車重載、大功率的傳動需求常采用組合式變速器的要求。從結(jié)構(gòu)上，可將組合式變速器分為倍擋式和半擋式。不同結(jié)構(gòu)變速器的對比詳細(xì)描述如下：

半擋式變速器能夠?qū)⒏弊兯倨鞯膫鲃颖韧ㄟ^中間軸均勻的插入間隔較大的各擋傳動比之間；倍擋式變速器是通過在主變速器后方串聯(lián)一個副變速器，該變速器包括有高擋位和低擋位兩種規(guī)格，從而使得主變速器的擋位增加一倍[2]。經(jīng)調(diào)研可知，變速器結(jié)構(gòu)的選擇主要與卡車的最大輸出功率相關(guān)。一般情況下，當(dāng)卡車的輸出功率大于200 kW 時一般采用倍擋式變速器；當(dāng)卡車的輸出功率小于200 kW 時一般采用半擋式變速器。

本文所研究卡車的輸出功率為213 kW，故采用倍擋式變速器。同時，結(jié)合重型卡車的燃油經(jīng)濟性和驅(qū)動性能，需遵循如下要求原則：

1）要求重型卡車相鄰擋位的傳動比不能大于1.8。

2）高擋位區(qū)相鄰擋位的傳動比比值小于低擋位區(qū)相鄰擋位的傳動比比值。

綜合上述針對重型卡車傳動方案的分析和擋數(shù)選擇原則，針對H08 型重型卡車采用擋數(shù)為12 擋，結(jié)構(gòu)形式為倍擋式的變速器[3]。

2 重型卡車變速器傳動方案的設(shè)計

2.1 變速器主要參數(shù)的確定

變速器的傳動比為關(guān)鍵參數(shù)，其為變速器最高擋位和最低擋位的比值。根據(jù)車輛的實際工況和需求，不同類型車輛的傳動比不同。一般的，乘用車的傳動比為3～4.5；商用汽車的傳動比為5～8；重型卡車的傳動比一般建議為12～20。因此，H08 型重型卡車變速器傳動比為12～20。

為提升倍擋變速器的可靠性，簡化其尺寸，避免駕駛員在換擋操作時出現(xiàn)沖擊的情況，為變速器配置換擋同步器[4]。其中，針對主變速器配置主箱滑動齒套；針對副變速器配置鎖環(huán)式同步器。兩種位置同步器的結(jié)構(gòu)如下頁圖1-1、1-2 所示。

圖1 主副變速器換擋同步器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 變速器各擋齒輪參數(shù)的設(shè)計

變速器格擋齒輪參數(shù)為其傳動方案的關(guān)鍵。結(jié)合表1 中H08 型的關(guān)鍵參數(shù)和相關(guān)理論計算公式，得出變速器主減速器的傳動比為5.66；最低擋位的傳動比應(yīng)控制在10.22～20 之間，并暫定最低擋位（1擋）的傳動比為14。

綜合考慮各項因素對重卡變速器性能的影響機理，本文基于等比方法對各級擋位的傳動比進行分配。H08 型重卡變速器設(shè)定前進擋的數(shù)量為10 個，兩個倒退擋。經(jīng)計算得出各級擋位的傳動比如表2所示。

表2 H08 重卡變速器各級擋位傳動比

表2 為主變速箱中各級擋位的傳動比，對應(yīng)副變速箱的傳動比為4。

變速器內(nèi)傳動齒輪模數(shù)的確定將決定傳動的噪聲、質(zhì)量以及制造工藝的選擇。結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)貨車的載重量大于14 t 時，齒輪的模數(shù)為3.5～6。鑒于重卡變速器在低擋位的扭矩較大，對應(yīng)的在1、2 前進擋和倒擋選擇的模數(shù)為4；其他擋位齒輪的模數(shù)為3.5。

同樣，鑒于重卡齒輪的負(fù)荷較大，對齒輪的強度要求較高，對應(yīng)齒輪的壓力較也較大。針對H08 重卡傳動齒輪對應(yīng)的壓力選擇為30°。

此外，確定H08 重卡傳動齒輪的螺旋角為20°，齒輪寬度為21 mm；齒頂高系數(shù)為1。

3 重型卡車變速器齒輪傳動系統(tǒng)仿真分析

為驗證本文所設(shè)計變速器的傳動性能，本文基于ROMAX 的軟件對上述參數(shù)的變速器的傳動系統(tǒng)進行仿真分析[5]。首先，根據(jù)所設(shè)計的變速器各級齒輪的傳動比、模數(shù)、齒寬以及壓力角等參數(shù)搭建各個齒輪的三維模型，并根據(jù)各個齒輪相互的約束關(guān)系裝配為變速器的整體三維模型，所得到的變速器的三維模型如圖2 所示。

圖2 變速器三維模型示意圖

結(jié)合H08 型重卡的實際工況，設(shè)計仿真分析的載荷工況如下：變速器在1 級擋位對應(yīng)的輸入功率為210 kW，輸入轉(zhuǎn)速為220 r/min，運行時長為10 h；變速器在倒擋對應(yīng)的輸入功率為210 kW，輸入轉(zhuǎn)速為220 r/min，運行時長為5 h。本文分別對變速器在1 擋和倒擋兩個工況下的軸承的靜態(tài)結(jié)果進行仿真分析。

3.1 變速器在1 擋工況下軸承的靜態(tài)仿真結(jié)果

變速器在1 擋工況下軸承的變形仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 1 擋工況中間軸變形仿真結(jié)果

如圖3 所示，變速器在1 擋工況下對應(yīng)x 方向的最大變形量為28μm，對應(yīng)y 方向的最大變形量為15μm。

3.2 變速器在R 擋工況下軸承的靜態(tài)仿真結(jié)果

變速器在R 擋工況下的變形仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 R 擋工況中間軸變形仿真結(jié)果

如圖4 所示，變速器在R 擋工況下對應(yīng)x 方向的最大變形量為95.9μm，對應(yīng)y 方向的最大變形量為20μm。

綜合分析，所設(shè)計的重卡變速器傳動系統(tǒng)在1擋和R 擋工況最嚴(yán)峻的情況下中間軸和輸出軸的變形量非常小。

4 結(jié)語

1）結(jié)合H08 型重型卡車的運輸需求，為其選擇12 個擋位包括有10 個前進擋和2 個倒擋；

2）最終確定H08 型重卡的變速器的結(jié)構(gòu)形式為倍擋式結(jié)構(gòu)；

3）結(jié)合相關(guān)理論計算基礎(chǔ)和實際運輸需求完成對H08 型重型卡車齒輪各項參數(shù)的設(shè)計和傳動比的分配，并基于ROMAX 軟件對1 擋和倒擋工況的中間軸和輸出軸的變形進行仿真分析，得出中間軸和輸出軸在兩種嚴(yán)苛工況下的變形量滿足要求。