馬振輝 趙 軍 吳仕賦 赫建勇 谷鳴宇

(一汽解放汽車有限公司，長春 130011)

0 前言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國內(nèi)市場對重型商用車的需求越來越多?？蛻魧χ匦蜕逃密嚨钠焚|(zhì)也提出了更高的要求。為滿足整車可靠性，NVH，傳動效率等方面的要求，重型商用車傳動系統(tǒng)尤其是變速器總成的設(shè)計也必須達到更高的水平。

本文重點介紹某12檔重型車變速器性能開發(fā)過程，及試驗結(jié)果與仿真計算的對比情況，論證了性能開發(fā)在產(chǎn)品開發(fā)過程中的支撐作用。

1 設(shè)計方案及模型構(gòu)建

變速器設(shè)計需求12個前進擋，2個倒檔；發(fā)動機最大輸入扭矩2300 Nm；B10壽命150萬公里；臺架試驗噪聲低于91 dB(A)；傳動效率大于95%。

為滿足檔位及速比需求采用主箱加副箱的倍檔組合式設(shè)計 (圖1)。主箱有6個前進擋、1個倒擋，副箱有高、低2個檔位。變速器的主箱和副箱均采用雙中間軸結(jié)構(gòu)，縮短總成長度，增加扭矩容量，降低總成重量。為保證加工及裝配的方便，主箱采用直齒輪設(shè)計，副箱采用斜齒輪設(shè)計。主箱輸入軸，二軸，副箱輸出軸，及裝配在上邊的齒輪均是浮動設(shè)計，主箱采用齒套換擋，副箱為鎖銷式同步器換擋。

圖1 布置圖

應(yīng)用MASTA軟件搭建仿真模型(圖2)，應(yīng)用柔性化建模方法，導(dǎo)入殼體剛度矩陣?？梢允沟糜嬎憬Y(jié)果更為準(zhǔn)確。根據(jù)設(shè)計條件定義計算邊界條件。

圖2 MASTA模型

考慮重型變速器軸齒材料質(zhì)量的穩(wěn)定性要求和國內(nèi)鋼廠的能力。為保證變速箱可靠性，齒輪材料選用20CrNiMo；考慮工廠現(xiàn)有的齒輪生產(chǎn)能力主箱齒輪采用滾齒加剃齒工藝加工；副箱齒輪采用滾齒加磨齒工藝加工。齒輪均采用滲碳淬火處理。加工完成后對齒輪進行噴丸強化。

根據(jù)設(shè)計輸入定義計算邊界，齒輪材料使用如下S-N曲線(圖3、圖4)。根據(jù)加工能力定義計算齒輪精度。主箱齒輪計算精度等級定義為8極(根據(jù)ISO1328)；副箱齒輪計算精度等級定義為7極(根據(jù)ISO1328)。齒輪齒面粗糙度定義為Ra 0.8，齒根粗糙度為Ra 1.6。

圖3 齒輪接觸疲勞S-N曲線

圖4 齒輪彎曲疲勞S-N曲線

2 可靠性設(shè)計仿真及試驗驗證

根據(jù)整車道路試驗采集的實際載荷譜轉(zhuǎn)化出變速器150萬公里計算載荷譜。利用此載荷譜對變速器進行設(shè)計仿真和試驗驗證。

齒輪的計算結(jié)果(表1)顯示齒輪的彎曲疲勞安全系數(shù)大于1.2，接觸疲勞安全系數(shù)大于1。齒輪強度滿足設(shè)計載荷譜要求；由軸承的計算結(jié)果(表2)可以看出，軸承安全系數(shù)較高，錯位量較小。滿足設(shè)計載荷譜要求。

表1 齒輪計算結(jié)果

表2 軸承計算結(jié)果

整箱(圖5)試制完成后進行臺架試驗驗證，變速器總成齒輪嚙合接觸區(qū)試驗及仿真結(jié)果(圖6)一致性良好。完成變速器總成疲勞壽命試驗后，對整箱進行拆解，各輪齒未出現(xiàn)點蝕、嚴(yán)重磨損和斷裂，軸承未出現(xiàn)點蝕、磨損和燒結(jié)(圖7)，滿足試驗大綱要求。

圖5 樣品照片

3 NVH激勵設(shè)計仿真及試驗驗證

本變速器大多數(shù)齒輪采用細高齒設(shè)計，通過多齒數(shù)，小模數(shù)，小壓力角，大齒頂高系數(shù)的設(shè)計，實現(xiàn)齒輪大重合度傳動，減小動載荷，提升強度，降低噪音。

通過齒輪修形可以有效降低變速器總成噪聲，傳遞誤差的波動是總成噪聲的主要激勵。齒輪傳遞誤差主要受輪齒受載變形及制造、裝配誤差的影響。通過微觀修形減小傳遞誤差的波動量，從源頭降低噪聲。

在設(shè)計中采用“K”形齒(圖8)設(shè)計修形，即對齒輪的齒頂和齒根同時進行修形。利用MASTA軟件高級LTCA功能對變速器齒輪傳遞誤差(圖9)進行仿真計算。傳遞誤差波動值小于2 μm，且波形趨近于正弦波，傅里葉變化(圖10)階次激勵迅速降低，齒輪微觀設(shè)計滿足要求。

圖9 傳遞誤差

在臺架上進行變速器總成噪聲試驗，試驗結(jié)果(表3)顯示臺架試驗不同工況下變速器總成噪聲最大為88 dB(A)，滿足設(shè)計要求。

4 傳動效率設(shè)計仿真及試驗驗證

傳動效率是變速器性能的重要指標(biāo)，直接影響整車的燃油經(jīng)濟性。通過臺架試驗對變速器傳動效率進行了測試。從試驗結(jié)果(表4)可以看出，樣品在輸入扭矩2300 Nm、輸入轉(zhuǎn)速1200 r/min時1檔～12檔的傳動效率為95.28%～97.53%；均滿足試驗大綱要求。

表3 噪聲試驗結(jié)果

表4 效率試驗結(jié)果

MASTA軟件可以對傳動系總成進行傳動效率仿真計算，主要考慮齒輪的摩擦損失和攪油損失，軸承的摩擦損失和攪油損失，油封的摩擦損失。通過效率計算和效率試驗結(jié)果的對比(圖11)可以看出兩者整體趨勢一致，可通過數(shù)據(jù)修正，有效指導(dǎo)提升變速器總成傳動效率設(shè)計。

圖11 效率仿真與試驗對比

5 結(jié)束語

在重型車變速器性能開發(fā)過程中，通過軟件仿真與臺架試驗相結(jié)合的方法進行研究，得到如下結(jié)論：

a.MASTA軟件可以對變速器軸齒件可靠性進行準(zhǔn)確的性能仿真，通過參數(shù)設(shè)計及優(yōu)化校核強度，保證嚙合平穩(wěn)。有效指導(dǎo)變速器可靠性的正向開發(fā)。

b.MASTA軟件可以對變速器齒輪NVH激勵傳遞誤差進行計算仿真，有效指導(dǎo)變速器總成的NVH正向開發(fā)。

c.MASTA軟件可以對變速器傳動效率進行計算仿真，通過數(shù)據(jù)積累修正仿真結(jié)果，可以用于指導(dǎo)變速器總成效率提升的正向開發(fā)。

d.MASTA軟件仿真可以有效指導(dǎo)變速器的性能開發(fā)。在整個開發(fā)過程中起到了支撐作用。隨著CAE軟件應(yīng)用的不斷深入，可以有效降低總成設(shè)計失效的發(fā)生，減少樣機及試驗數(shù)量，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

[1] 王望予.汽車設(shè)計[M].4版.北京：機械工業(yè)出版社.2007

[2] 曹世衛(wèi)，嵇曉霞.汽車變速箱齒輪修形.汽車齒輪.2006

[3] 胡家棠. Fuller 雙中間軸變速器結(jié)構(gòu)特點分析. 湖南大學(xué)學(xué)報. 1989.

[4] 赫建勇. 雙中間軸變速器CA10TA190M的設(shè)計開發(fā). 汽車技術(shù). 2012.