變速器倒錐斜內(nèi)齒結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)分析

平子維 周友國(guó) 黃進(jìn) 陳小蘇 張安東 馮兵

(1.重慶鐵馬變速箱有限公司，重慶市 400045；2.重慶鋼鐵股份有限公司，重慶市 401220)

1 概述

變速器倒擋通常采用直齒結(jié)合齒結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步降低噪音和提高承載能力，某特種車(chē)定軸變速器倒擋采用斜齒輪，倒擋換擋機(jī)構(gòu)利用斜齒倒錐內(nèi)結(jié)合齒結(jié)構(gòu)，避免了正向行駛時(shí)因斜齒帶來(lái)的脫擋問(wèn)題，但也造成了下坡反拖工況脫擋的風(fēng)險(xiǎn)。德國(guó)ZF公司變速器有類似結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)采用該結(jié)構(gòu)較少，未查詢到相關(guān)的文獻(xiàn)資料。為此，通過(guò)ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件建立動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行沖擊振動(dòng)分析和運(yùn)動(dòng)模擬，通過(guò)試驗(yàn)確定邊界值，最終建立準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，再通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，確保了該結(jié)構(gòu)滿足極端工況需求。

2 結(jié)構(gòu)介紹及受力分析

倒擋功能相關(guān)零部件主要由換擋盒總成、換擋機(jī)構(gòu)、主軸總成、中間軸總成、倒擋中間齒輪、倒擋被動(dòng)齒輪及倒擋結(jié)合齒轂等組成，如圖1～圖2所示。

圖1 倒擋功能相關(guān)零部件示意圖Fig.1 Schematic diagram of components related to reverse gear function

圖2 倒擋機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of reverse gear mechanism

倒擋結(jié)合齒轂通過(guò)花鍵與主軸固連，非倒擋狀態(tài)下，倒擋被動(dòng)齒輪與倒擋結(jié)合齒轂分離，倒擋被動(dòng)齒輪在主軸上自由旋轉(zhuǎn)，倒擋被動(dòng)齒輪上的動(dòng)力不會(huì)傳遞到主軸上。掛倒擋時(shí)，換擋盒總成帶動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，換擋機(jī)構(gòu)上的倒擋撥叉撥動(dòng)倒擋被動(dòng)齒輪向倒擋齒轂方向移動(dòng)，倒擋被動(dòng)齒輪與倒擋結(jié)合齒轂嚙合時(shí)，動(dòng)力由輸入軸總成、中間軸總成、倒擋中間齒輪、倒擋被動(dòng)齒輪傳遞到倒擋齒轂，再傳遞到主軸及輸出軸，實(shí)現(xiàn)變速箱倒擋功能。

倒擋被動(dòng)齒輪及倒擋結(jié)合齒轂采用斜齒倒錐設(shè)計(jì)，如圖3所示。正常倒車(chē)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力驅(qū)動(dòng)變速箱，倒擋被動(dòng)齒輪內(nèi)齒受到朝向輸入端的軸向力，外齒受到朝向輸出端的軸向力，經(jīng)計(jì)算，朝向輸入端的軸向力(防脫擋力)更大，能防止脫擋。

圖3 倒擋齒輪防脫擋示意圖Fig.3 Schematic diagram of reverse gear anti off gear

在坡道上進(jìn)行倒車(chē)時(shí)，變速箱存在反拖情況，既整車(chē)在重力作用下對(duì)變速箱起驅(qū)動(dòng)作用，發(fā)動(dòng)機(jī)起制動(dòng)作用，此時(shí)倒擋被動(dòng)齒輪受力與正常倒車(chē)狀態(tài)相反，經(jīng)計(jì)算，倒擋被動(dòng)齒輪朝向輸出端的軸向力(脫擋力)更大，存在脫擋風(fēng)險(xiǎn)。

在正常驅(qū)動(dòng)工況下，倒擋被動(dòng)齒輪承受的軸向脫擋力見(jiàn)式(1)(受力結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4)。

F=Fa2-Fa1-Ff1-Ff2-Fs

(1)

式中，F(xiàn)f1：結(jié)合齒轂對(duì)倒擋被動(dòng)齒輪的摩擦力；Ff2：過(guò)橋齒輪對(duì)倒擋被動(dòng)齒輪的摩擦力；Fa1：結(jié)合齒轂對(duì)倒擋被動(dòng)齒輪的軸向力；Fa2：過(guò)橋齒輪對(duì)倒擋被動(dòng)齒輪的軸向力；Fs：鎖銷對(duì)倒擋被動(dòng)齒輪產(chǎn)生的作用力。

在發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)工況下，倒擋被動(dòng)齒輪承受的軸向脫擋力見(jiàn)式(2)

F=Fa1-Fa2-Ff1-Ff2-Fs

(2)

圖4 倒擋齒輪受力分析圖Fig.4 Stress analysis of reverse gear

受齒輪振動(dòng)沖擊的影響，斜齒產(chǎn)生的軸向力Fa1和Fa2與齒輪的螺旋角、齒側(cè)間隙、轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度等相關(guān)，摩擦力也因振動(dòng)而發(fā)生變化。

在正常驅(qū)動(dòng)時(shí)，帶倒錐的斜內(nèi)齒可以防止脫擋，但在反向制動(dòng)工況時(shí)，帶倒錐的斜內(nèi)齒會(huì)產(chǎn)生脫擋力，特別是在反向制動(dòng)且加速的工況，由于速度的升高和加速度作用，脫擋力矩增大，造成倒擋脫擋。在傳統(tǒng)的倒錐斜內(nèi)齒計(jì)算中，面臨兩個(gè)比較難確定的邊界條件，首先是斜齒接觸時(shí)的摩擦系數(shù)取值，特別時(shí)倒錐斜內(nèi)齒，加上加工誤差和熱處理變形，實(shí)際接觸應(yīng)力與理想接觸應(yīng)力有一定變化；其次是沖擊振動(dòng)影響，由于存在齒側(cè)間隙，常常出現(xiàn)轉(zhuǎn)速升高時(shí)脫擋的情況。因此，采用仿真軟件進(jìn)行直觀的動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可起到有意義的參考作用。

3 模型建立及動(dòng)力學(xué)分析

利用CATIA強(qiáng)大的曲線功能和知識(shí)工程模塊[1]，建立了準(zhǔn)確的帶倒錐的斜內(nèi)齒模型(見(jiàn)圖5)，并對(duì)齒參數(shù)實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化，便于快速調(diào)整相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同角度和不同齒側(cè)間隙下的動(dòng)力學(xué)仿真分析對(duì)比。

圖5 倒擋齒輪CATIA模型Fig.5 CATIA Model of reverse gear

變速器倒擋結(jié)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型建立采用ADAMS軟件實(shí)現(xiàn)。建立完三維裝配模型導(dǎo)入到ADAMS中，其中ADAMS與CATIA共同支持的二種主要圖形交換格式分別是STEP格式和IGES格式。在 ADAMS 中有兩類接觸力，一類是基于Impact函數(shù)的接觸力，另一類是基于Restitution函數(shù)的接觸力。Impact是用剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)來(lái)計(jì)算碰撞力，而Restitution是用恢復(fù)系數(shù)來(lái)計(jì)算碰撞力。本文采用Impact函數(shù)來(lái)計(jì)算接觸力。輪齒碰撞所引起的沖擊力，可以作為兩個(gè)變曲率半徑柱體撞擊問(wèn)題。解決此問(wèn)題可以直接從Hertz靜力彈性接觸理論中得到。

仿真分析工況按表1進(jìn)行。

表1 仿真分析工況表

上述參數(shù)包括螺旋角的變化，一共12種工況。

在螺旋角13°，車(chē)輛正常行駛時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的防脫擋力，未出現(xiàn)脫擋現(xiàn)象。但在制動(dòng)工況下，特別是齒側(cè)大間隙時(shí)，結(jié)合齒受到的沖擊力非常大，并瞬間脫出，分析結(jié)果見(jiàn)圖6，從圖中可以看出結(jié)合齒已開(kāi)始脫出，從受力曲線分析，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)較大的沖擊力，結(jié)合齒瞬間脫出，和實(shí)際試驗(yàn)情況一致。

圖6 結(jié)合齒大螺旋角大間隙工況Fig.6 Working condition of large helix angle and large clearance of combined gear

當(dāng)減小間隙時(shí)，受力明顯較小，但結(jié)合齒仍會(huì)在振蕩中脫出，見(jiàn)圖7。

圖7 結(jié)合齒大螺旋角小間隙工況Fig.7 Working condition of large helical angle and small clearance of combined gear

通過(guò)倒擋被動(dòng)齒輪與過(guò)橋齒輪嚙合齒螺旋角分析，確定倒擋被動(dòng)齒輪螺旋角后，相應(yīng)設(shè)計(jì)與其相配的結(jié)合齒螺旋角。通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，可適當(dāng)減小齒輪結(jié)合齒螺旋角，沖擊力進(jìn)一步減小，驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)工況下均無(wú)脫出現(xiàn)象，如圖8所示。

圖8 結(jié)合齒小螺旋角小間隙工況Fig.8 Working condition of small helix angle and small clearance of binding gear

4 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

為驗(yàn)證仿真分析效果，對(duì)該倒擋結(jié)構(gòu)在變速器試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、加載扭矩和仿真分析設(shè)置的輸入條件一致，試驗(yàn)臺(tái)布置如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)臺(tái)架布置圖Fig.9 Layout of test bench

在螺旋角13°，齒側(cè)大間隙工況下，進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，當(dāng)變速器輸入扭矩反制動(dòng)扭矩到約420 N·m后發(fā)生脫擋，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 兩次脫擋試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線Fig.10 Data curve of two shifting tests

在螺旋角8°情況下，未發(fā)生脫擋現(xiàn)象。后續(xù)通過(guò)實(shí)車(chē)對(duì)比試驗(yàn)，在13°螺旋角時(shí)均出現(xiàn)制動(dòng)脫擋現(xiàn)象，在螺旋角8°情況下，驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)工況下均未發(fā)生脫擋現(xiàn)象。

5 結(jié)論

通過(guò)理論、仿真、臺(tái)架以及實(shí)車(chē)驗(yàn)證，識(shí)別出了在制動(dòng)工況下倒擋脫擋的風(fēng)險(xiǎn)，從動(dòng)力學(xué)角度分析了倒錐斜內(nèi)齒的角度和間隙對(duì)脫擋的影響，并經(jīng)過(guò)了臺(tái)架和實(shí)車(chē)驗(yàn)證，證明倒錐斜內(nèi)齒的角度必須與齒輪螺旋角相匹配，同時(shí)在滿足掛擋要求的情況下，盡量減小結(jié)合齒齒側(cè)間隙，降低沖擊。