王澤貴

(上海汽車變速器有限公司, 上海 201822)

0 引言

在汽車變速器零部件設計中，其強度和耐久性是必須面臨的基本問題之一。本文中的強度或耐久問題，是針對零部件在整個產(chǎn)品生命周期中，承受載荷作用次數(shù)及載荷幅值相對大小不同而言的。當零部件承受載荷作用次數(shù)在0至10e3次且載荷幅值相對較大，稱之為沖擊強度問題；當零部件承受載荷作用次數(shù)等于或超過10e3次，稱之為耐久問題。在耐久問題中，當零部件承受載荷次數(shù)在10e3至10e4次之間且載荷幅值也相對較大，但相比強度應力幅值較小一些，稱之為低周疲勞問題；當零部件承受載荷次數(shù)在10e4次以上且載荷幅值相對較小，稱之為高周疲勞問題。汽車變速器耐久問題，通常是來自外部或邊界沖擊載荷的強度問題和內部傳動載荷的高周疲勞問題。另外，強度或耐久問題，尤其是耐久問題，還具有一定的隨機概率性，即還需要考慮零部件失效或存活的統(tǒng)計概率，如存活率99%，則稱之為零部件的可靠性問題。汽車變速器眾多零部件當中，不同零部件可靠性或經(jīng)濟性要求有所不同，但可靠性要求一般在90%以上。

汽車變速器各個零部件承載的功能及性能要求不同，相應承受的載荷特征不同。按照承載載荷途徑不同，可分為變速器外部邊界載荷和內部傳動載荷。無論是外部邊界載荷，還是內部傳動載荷，都同時存在強度載荷和耐久載荷。在汽車變速器眾多零件中，單一材料的零件數(shù)量上占據(jù)絕大多數(shù)，并都基本上滿足各向同性。在強度載荷下，有兩個基本失效判定準則，即斷裂失效和屈服失效。在耐久載荷下，亦有兩個失效判定準則，即接觸疲勞失效和彎曲疲勞失效。在工程應用中，為了安全或可靠性考慮，通常需要在判定準則的基礎上，給予大于1以上的安全系數(shù)[1-6]。

1 強度及耐久理論總體技術策略

汽車變速器主要滿足動力傳動和安裝支撐兩大功能，通常情形下，換擋、NVH等性能方面的要求，不至于影響到零部件強度及耐久。因此，本文著重從滿足動力傳動和安裝支撐兩大功能要求為前提，重點分析汽車變速器典型零部件，在產(chǎn)品開發(fā)過程中強度及耐久問題的技術策略。

1.1 強度理論應用技術策略[1-7]

對于在產(chǎn)品整個生命周期中，承受載荷作用次數(shù)不到10e3情形，如果發(fā)生失效，通常是因為零部件承受一次或多次沖擊載荷，通常載荷幅值相對比較大，這種情況與金屬材料進行一次性拉伸或壓縮破壞試驗，比較相近或具有可比性，本文根據(jù)工程實際應用情況及經(jīng)驗，即符合兩個失效準則，即斷裂失效和屈服失效，推薦采用材料力學中經(jīng)典的四個強度理論來判定失效。

對于脆性金屬或合金材料，失效形式一般是斷裂失效，如變速器外殼體用材ADC12和差速器外殼體用材QT700，可用最大主應力及最大主應變來判定是否失效，脆性材料沒有明顯的屈服應力點，可用求得的最大主應力及主應變，與該材料的抗拉及抗壓強度對比來進行判定。

對于塑性金屬或合金材料，失效形式一般是塑性變形過量失效，如支撐軸承壓板用材45鋼或螺栓40Cr，或者變速器軸類用材如低碳合金鋼20CrMnTiH，可用符合屈服準則的米塞斯應力來判定是否失效，米塞斯應力理論是綜合了第一、二、三強度理論的第四強度形狀改變比能理論，即可以用求得的米塞斯應力，與該材料屈服強度應力對比來進行判定。

1.2 耐久理論應用技術策略[8-12]

對于在產(chǎn)品整個生命周期中，承受載荷作用次數(shù)超過10e4高周疲勞情形，失效形式通常是因為零部件承受多次交變及循環(huán)載荷，產(chǎn)生疲勞裂紋斷裂或表面疲勞損傷失效，在汽車變速器中，通常是對應于齒輪或軸承的彎曲疲勞失效和接觸疲勞失效。

齒輪疲勞耐久強度或壽命計算可依據(jù)ISO6336-2006國際行業(yè)標準,計算可靠度要求為99%，軸承疲勞耐久強度或壽命計算，可依據(jù)ISO281及其修訂版ISO281或ISO16281國際行業(yè)標準，計算可靠度要求為90%或L10h。齒輪或軸承疲勞耐久強度計算的同時，通常還需要選用一定的加工精度等級、油液清潔度等級及溫度等約束條件限定，其計算結果，與齒輪輪齒部分或軸承滾動體材料的彎曲或接觸疲勞極限應力，進行對比判定。

2 設計及驗證主要技術策略分析

上文已對應用于汽車變速器強度及耐久兩個基本問題，進行了總體應用技術策略分析，下面將針對汽車變速器各個零部件設計、分析及驗證，進一步進行技術策略分析。

2.1 齒輪、軸、軸承強度和耐久設計

齒輪、軸和軸承是汽車變速器中的傳動機構部件，該傳動機構部件主要承擔傳動載荷和來自傳動系統(tǒng)的沖擊載荷。對于來自傳動系統(tǒng)的沖擊載荷，主要是來自變速器輸入軸端離合器瞬間咬合啟動沖擊扭矩，和來自汽車加速工況切換為反拖工況以及剎車之瞬間沖擊扭矩，不同整車及工況，最大沖擊扭矩大小稍有不同，普遍一般在額定扭矩2至3倍之間。因此，在設計過程中，需要對齒輪和軸類零件進行沖擊扭矩強度校核分析，可借助有限元CAE分析方法計算最大沖擊扭矩下米塞斯應力值比較，并選取大于1的安全系數(shù)。

對于傳動扭矩載荷，則是典型的高周疲勞耐久問題，需要對各齒輪、軸及軸承進行疲勞耐久進行仿真計算預測。進行耐久仿真計算預測，首要輸入條件就是需要有滿足汽車變速器在整個產(chǎn)品使用壽命周期的載荷譜，表1是來自某汽車行業(yè)標準制定的汽車變速器傳動耐久載荷譜。該耐久載荷譜，還可以根據(jù)實車道路采集實測而得，也可以根據(jù)虛擬整車路譜換算而得。

表2是基于表1載荷譜計算而得的各齒輪接觸和彎曲耐久結果，它可以先計算得到接觸或彎曲應力值，再除以接觸或彎曲應力疲勞極限，即可得到相應的接觸安全系數(shù)或彎曲安全系數(shù)。該安全系數(shù)，根據(jù)工程安全或可靠性要求，一般需要取大于1以上的數(shù)值，且彎曲相比接觸安全更重要，即其中彎曲安全系數(shù)相比接觸安全系數(shù)，要取得更高一些。

表1 汽車變速器傳動耐久載荷譜

表2 各齒輪接觸和彎曲耐久

表3也是基于表1載荷譜和ISO281及其修訂版標準，計算而得軸承壽命或使用時間，以及在整個載荷譜壽命中的損傷率。在軸承耐久計算標準中，已經(jīng)考慮一定可靠性要求，因此軸承損傷率即可按100%來判定是否安全合格。

圖2是耐久額定輸入扭矩下的軸彎曲應力曲線圖，軸上最大彎曲應力需要滿足其彎曲疲勞極限應力，可以用求得的米塞斯應力，與基于彎區(qū)或拉壓屈服準則的Goodman修正的疲勞極限應力值比較，并選取大于1的安全系數(shù)。如果直接與屈服極限比較，則需要選取相應更高的安全系數(shù)，因為Goodman修正值，已考慮一定可靠性。

同時，在滿足強度或耐久的同時，軸的變形對傳動功能的保證也同樣非常重要，圖3是軸擾度變形位移曲線圖，其最大值需要做出合理限定，否則不能滿足傳動功能或性能的需要，最大值在制造工藝條件允許的情形下越小越好。

表3 各軸承耐久壽命和損傷率

圖2 軸彎曲應力曲線圖

圖3 軸擾度變形位移曲線圖

2.2 殼體強度及耐久設計

變速器殼體是變速器傳動機構的核心支撐部件，其整體剛性及局部剛性要求是首要滿足的設計要求。剛性要求的滿足，不僅能解決承載變形、強度及耐久問題，同時對抑制變速器噪聲，也起著關鍵作用。圖4是變速器殼體設計過程圖，先滿足空間包絡要求，再到滿足整體剛性要求即拓補優(yōu)化骨架設計，再到滿足強度及耐久承載要求，再到滿足潤滑及散熱，以及滿足壓鑄工藝要求。不難看出在該設計過程中，滿足強度及耐久要求仍是殼體設計的核心要求。

對于變速器殼體的載荷工況來自兩類，一類是來自傳動系統(tǒng)沖擊扭矩載荷和傳動耐久扭矩載荷，一類是來自殼體懸置聯(lián)接部位的沖擊載荷和耐久載荷。對于沖擊類載荷工況下求得的最大主應力和最大主應變，可與其抗拉及抗壓強度極限比較判定，并選取大于1的安全系數(shù)。對于耐久類載荷工況下求得的最大主應力和最大主應變，可與屈服或等效屈服強度極限比較判定，并選取大于1的安全系數(shù)。

圖4 變速器殼體設計過程圖

Fig.4 The design process of transmission cases

2.3 撥叉強度及耐久設計

撥叉是變速器換擋機構中，核心零件之一，圖5是撥叉設計過程圖，包括強度和耐久校核或分析。撥叉強度校核分析通過有限元模型計算，并采用正常換擋力沖擊載荷和濫用極端載荷，如表4是撥叉強度載荷。撥叉耐久校核分析，采用表5撥叉耐久載荷譜，先通過有限元模型，分別仿真分析得到各組換擋力下的應力，再在疲勞統(tǒng)計軟件中，基于載荷循環(huán)數(shù)統(tǒng)計出整個撥叉損傷率分布，該損傷率是基于疲勞極限應力而求得的，已考慮可靠性要求，故要求滿足最大損傷率不超過100%。

a) 撥叉模型

b) 強度校核

c) 耐久校核

表4 撥叉強度載荷

表5 撥叉耐久載荷譜

Note: One loop:1→2→3→4

Total:50 loops

2.4 駐車系統(tǒng)強度及耐久設計

對于駐車系統(tǒng)的強度和耐久，在其剛柔耦合的模型中，既要保證各零件滿足動態(tài)應力強度要求，也要滿足駐車載荷譜條件下的疲勞耐久要求。駐車系統(tǒng)零部件是安全件，一般選取的強度安全系數(shù)都比較大，如在2左右，因此駐車系統(tǒng)通常在滿足強度要求的情形下，同時也能滿足耐久要求。

圖6是某駐車系統(tǒng)剛柔耦合模型，分析顯示其薄弱零部件是其駐車凸輪，該凸輪在駐車運動過程中，在位置①出現(xiàn)了凸輪與轉動軸接觸的情況，在位置②出現(xiàn)了較大的間隙，在位置③是凸輪與轉動軸的接觸位置。因此，該駐車機構實際出現(xiàn)了類似懸臂梁的受力工況，因此，最大應力出現(xiàn)在了②與③之間的紅色位置，樣機試驗中出現(xiàn)了凸輪斷裂。盡管根本原因查出是轉動軸與凸輪出現(xiàn)了運動接觸，這是不合理的設計，應當將凸輪、扭簧、轉動軸順時針旋轉一定的角度，盡可能讓扭簧來承載駐車力，但是，駐車系統(tǒng)所有零部件設計滿足強度要求，是需要優(yōu)先保證的安全技術策略。

圖6 某駐車系統(tǒng)剛柔耦合模型

圖7 某駐車凸輪應力分布

2.5 變速器零部件局部強度及耐久設計

上文已對變速器主要核心零部件，進行了整體強度及耐久設計技術策略分析，下面有必要對這些主要核心零部件，進行局部強度及耐久設計技術策略分析。

2.5.1 齒輪副微觀接觸修形設計

為了確保齒輪副設計滿足接觸和彎曲強度及耐久要求，還需做齒輪副接觸進行必要的設計。圖8是齒輪副接觸斑點，通常要求斑點處于齒面中間、接觸斑點區(qū)域大以及接觸應力相對均勻或應力梯度小。如果變速器支撐外殼體中心距誤差較大，則齒輪副相應會產(chǎn)生較大

接觸錯位，往往引起齒根彎曲疲勞強度下降；如果齒面沒有必要的修形設計，則齒輪副由于擾度變形相應會有較大接觸偏載，往往引起齒面接觸疲勞強度下降。

關于殼體整體剛性、軸承座支撐剛度、軸剛性擾度變形等宏觀設計，相應在上文已有介紹及分析，這里在保證宏觀設計基礎上，再對齒面微觀設計做兩點補充。一是齒面微觀接觸修形優(yōu)化設計，通常可以對齒面接觸疲勞強度提高10%左右；另一則是齒面尤其是齒根部位如果加上不同比例的鋼丸強噴設計，通?？梢詫X根彎曲疲勞強度提高10-30%。

圖8 齒輪副接觸斑點

2.5.2 齒輪-軸過盈壓裝

現(xiàn)在越來越多的齒輪-軸裝配，采用光孔配合冷壓配工藝，裝配過盈量大小的選擇，既要滿足承載扭矩大小要求，也要滿足兩個零件壓裝不屈服失效。相應地既要計算出整個壓裝過程中光孔面積上的壓力及與摩擦系數(shù)的乘積力相對于軸中心線的扭矩，即承載扭力矩大小，也要計算出兩個零件上壓配應力大小。因此，齒輪-軸光孔壓配不發(fā)生屈服失效和滿足承載扭矩，是其強度設計技術策略。

圖9 齒輪-軸壓裝仿真結果

2.5.3 殼體密封

變速器殼體組合螺栓聯(lián)接，既要螺栓滿足聯(lián)接強度要求，也要滿足接觸面開度要求。大量的設計經(jīng)驗表明，當滿足接觸面開度要求，往往可以滿足螺栓聯(lián)接強度要求。圖10是變速器外殼體組合面接觸開度，且該殼體擺放位置與實際工況一致，底部比頂部接觸開度要求高，通常需要優(yōu)化螺栓間距才能達到設計要求。因此，殼體密封要求往往決定了其強度設計的前提要求或策略。

圖10 變速器外殼體組合面接觸開度

2.5.4 尺寸鏈干涉及魯棒性設計

一臺汽車變速器往往是由幾百個零件裝配在一起的部件，也由很多尺寸鏈組成。眾多尺寸鏈的組成結果是否存在極限位置干涉，或者容錯魯棒性大小，對變速器強度、耐久及正常功能影響很大。圖11是變速器軸類設計裝配及加工工藝尺寸鏈,這兩類尺寸鏈要求必須校核，基于批量仿真裝配結果，統(tǒng)計每個尺寸鏈的貢獻度和敏感度。為了使得尺寸鏈魯棒性好，往往需要切斷或避免長尺寸鏈出現(xiàn)，以及需要控制或降低某些貢獻度和敏感度較大的尺寸。因此，強度及耐久設計的同時，必須設計好各個零件的尺寸及公差要求，這是強度及耐久設計的重要保障技術策略之一。

a) 設計裝配Design assembling

b) 加工工藝Machining process

2.6 變速器強度及耐久試驗驗證

從目前汽車變速器開發(fā)行業(yè)水平來看，還不能做到無樣機全新開發(fā)，這是因為仿真分析及校核計算，不能考慮到所有工況或眾多實際影響因素，這就需要在開發(fā)階段，通過臺架和整車兩類試驗來進行驗證，其中強度及耐久驗證，是必須保證的試驗之一。

關于強度及耐久臺架樣機試驗技術策略，主要是提前盡可能近似驗證整車工況載荷承載能力，可以依據(jù)不同行業(yè)標準制定試驗大綱及試驗規(guī)范進行，也可以依據(jù)實車采集數(shù)據(jù)或經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫驗進行。關于強度及耐久實車道路試驗技術策略，主要是考察實車全程道路載荷譜負荷能力，通常為了縮短開發(fā)周期，可以等效加速載荷譜進行。

基于大量的開發(fā)實踐經(jīng)驗，對于汽車變速器強度及耐久，需要進行以下主要臺架試驗：

1) 基于變速器總成的齒輪-軸-軸承耐久；

2) 基于變速器總成的同步器耐久；

3) 基于變速器總成的換擋機構耐久；

4) 基于變速器總成的駐車機構耐久；

5) 基于變速器總成的齒輪-軸靜扭沖擊強度；

6) 基于殼體單體的懸置部位的沖擊強度；

7) 基于同步器單體的高轉速濫用強度；

8) 基于撥叉單體的濫用強度；

9) 基于駐車棘輪-棘爪單體的沖擊強度。

基于大量的開發(fā)實踐經(jīng)驗，對于汽車變速器強度及耐久，需要搭載或進行以下主要整車試驗：

1) 專業(yè)試驗場進行的動力總成耐久；

2) 各種路面的底盤耐久；

3) 同步器被濫用強度；

4) 變速器被誤操作強度。

3 結論

1) 根據(jù)汽車變速器載荷工況類型，可分為沖擊強度和疲勞耐久兩類載荷，載荷譜的確定是首要開發(fā)技術策略。

2) 對于沖擊強度載荷，根據(jù)零件材料類型，可分為塑性材料和脆性材料，相應選用斷裂強度極限失效和屈服強度極限失效判定策略，或相應選用四大強度理論失效判定策略。對于疲勞耐久載荷，根據(jù)零件承載方式的不同，可以分為彎曲和接觸兩類載荷，選用彎曲和接觸疲勞失效判定策略。

3) 汽車變速器零部件整體設計之強度及耐久開發(fā)技術策略，主要包括基于變速器總成的齒輪-軸-軸承強度及耐久計算，基于殼體單體的強度及耐久計算，基于撥叉單體的強度及耐久計算和基于駐車系統(tǒng)的強度及耐久計算。

4) 汽車變速器零部件局部設計之強度及耐久開發(fā)技術策略，主要包括基于變速器總成的齒面修形計算，基于齒輪-軸單體壓裝計算，基于殼體組件單體密封計算，設計裝配和加工工藝尺寸鏈魯棒性計算。

5) 汽車變速器臺架和搭載實車道路試驗驗證，是變速器開發(fā)中必不可少的開發(fā)技術策略，本文給出了強度及耐久主要試驗驗證項目。