（车辆工程专业论文）eq3092型载货汽车手动变速器设计及有限元仿真分析.pdf

am a n u a lt r a n s m i s s i o nd e s i g na n df i n i t es i m u l a t i o na n a l y s i s b a s e do nt h ee q 30 9 2 l o r r y b y h uh a i b e ( h u n a ni n s t i t u t eo fe n g i n e e r i n g ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g 1 n a u t o m o b i l ee n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r v i c ep r o f e s s o rc h e nf a n g z u s e n i o re n g i n e e ry us h i l i a n g n o v e m b e r ，2 0 10 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：矧三易 日期：c 2 口，p 年肛月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：纠汤 导师签名：诮蓦礼 日期：2 j - m ，瑚夕日 铲如期： 彦形。年厂房月日 工程硕十学位论文 摘要 作为汽车传动系统的重要组成部分，变速器对整车的动力性与经济性、操纵 的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率都有着较为直接的影响。虽然传统手动 变速器具有换档冲击大，体积大，操纵麻烦等诸多缺点，但仍以其传动效率高、 生产制造工艺成熟以及成本低等特点，广泛应用于现代汽车上。然而由于影响变 速器性能的结构参数较多，如何利用软件分析各种因素对设计结果的影响，并以 何参数为优化目标达到结构和性能上的最优是一个很值得探索的问题。探索运用 专业软件对手动变速器进行建模与设计，并对其结构进行仿真分析和优化的方法， 为今后新变速器的开发与应用提供了较好的指导作用，具有较大的工程实际应用 价值。 论文以e q 3 0 9 2 型载货汽车手动变速器为研究对象，对其进行了设计及有限 元仿真分析。 本论文的主要研究工作从以下几方面展开： ( 1 ) 通过对该变速器结构形式的分析，根据设计要求以及所选参考车型的运 行工况，确定其设计方案。 ( 2 ) 运用c a t i a 的参数化模块进行手动变速器的设计计算，确定该变速器中 各个零部件的结构尺寸，在c a t i a 中综合利用其曲面设计模块和零件设计模块完 成该变速器中各个零部件的三维建模。 ( 3 ) 运用c a t i a 的虚拟装配模块进行该变速器总成的虚拟装配，以检验前序 的设计，并对变速器中的关键零件进行校核。 ( 4 ) 运用a n s y s 软件对所该变速器中的中间轴进行静态和模态分析，静态分 析结果与理论分析结果相吻合，该轴的静强度满足要求。由模态分析可知，该轴 的工作频率远离固有频率，该轴能安全可靠的工作。 4 关键词：手动变速器：设计；c a t i a ；a n s y s ；仿真分析 e q 3 0 9 2 型载货汽车手动变速器设计及有限元仿真分析 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tp a r to fa u t o m o b i l et r a n s m i s s i o n ，at r a n s m i s s i o no ft h ev e h i c l e d i r e c t l yi n f l u e n c e st h ev e h i c l ed r i v i n ga n de c o n o m y ，r e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t yo f c o n t r o l ，s t a b i l i t y a n de f f i c i e n c yo ft r a n s m i s s i o n a l t h o u g ht h et r a d i t i o n a lm a n u a l t r a n s m i s s i o nh a sm a n ys h o r t c o m i n g ss u c ha sl a r g ev o l u m n ，s h i f t i n gw i t hb i gi n p a c t a n dd i f f i c u l t m a n i p u l a t i o n ，i t i ss t i l l w i d e l yu s e d i nm o d e r nc a r sw i t h h i g h t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y ，m a t u r ep r o d u c t i o na n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sa n dl o wc o s t h o w e v e r , d u et om a n ys t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h et r a n s m is s i o np e r f o r m a n c e ， i ti sw o r t he x p l o r i n gt h a th o wt ou s es o f t w a r et oa n a l y z et h er e s u l to fv a r i o u sf a c t o r s o nt h ei m p a c to ft h ed e s i g n ，a n dt oc h o o s ew h a tp a r a m e t e r st oo p t i m i z et h es t r u c t u r e a n dp e r f o r m a n c et a r g e t s b yu s eo fs p e c i a l i z e ds o f t w a r e ，t h i st h e s i se x p l o r e sm a n u a l t r a n s m i s s i o nm o d e l i n ga n dd e s i g n ，a n dm a k e ss t r u c t u r a ls i m u l a t i o n a n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o n t h i sm e t h o dp r o v i d e sg u i d a n c ef o rf u t u r en e wd e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no ft h et r a n s m i s s i o nw i t hg r e a te n g i n e e r i n gp r a c t i c a lv a l u e t a k i n ge q 3 0 9 2t r u c km a n u a lt r a n s m i s s i o na sar e s e a r c ho b j e c t ，t h ed e s i g na n df i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o nt ot h em a n u a lt r a n s m i s s i o ni sm a d ei nt h i st h e s i s t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h et r a n s m i s s i o ns t r u c t u r e ，t h ed e s i g ns c h e m ei s d e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h e d e s i g nr e q u i r e m e n t sa n do p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft h e s e l e c t e dr e f e r e n c em o d e l ( 2 ) c a l c u l a t i o no fm a n u a lt r a n s m i s s i o nd e s i g ni s m a d eb yu s eo fc a t i a s p a r a m e t r i z e dm o d u l e st o d e t e r m i n ee a c hc o m p o n e n t s s t r u c t u r ea n ds i z eo ft h e t r a n s m i s s i o n 3dm o d e l i n go fe a c h c o m p o n e n to ft h et r a n s m i s s i o ni sc o m p l e t e d t h r o u g hc o m b i n i n gu t i l i z a t i o nt h es u r f a c ed e s i g nm o d u l ea n dp a r t sd e s i g nm o d u l ei n t h ec a r i a ( 3 ) v i r t u a la s s e m b l yo ft h et r a n s m i s s i o ni sm a d eb yu s i n gc a t i av i r t u a la s s e m b l y m o d u l e st ot e s tt h ep r e v i o u sd e s i g n s e c o n d l y , t h ek e yp a r t so ft h et r a n s m i s s i o ni s c h e c k e d ( 4 ) t h es t a t i ca n dm o d a la n a l y s i st ot h et r a n s m i s s i o nm i d d l es h a f ti sm a d eb yu s e o fa n s y ss o f t w a r e t h es t a t i c a n a l y s i sr e s u l t si nl i n ew i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s r e s u l t ，a n dt h es t a t i cs t r e n g t ho ft h es h a f tm e e t st h er e q u i r e m e n t s b yt h em o d a l a n a l y s i s ，t h ef r e q u e n c yo ft h es h a f ti sf a rf r o mt h en a t u r a lf r e q u e n c y ，w h i c hp r o v e s t h a tt h es h a f tc a nw o r ks a f e l ya n dr e l i a b l e l y k e yw o r d s ：m a n u a lt r a n s m i s s i o n ；d e s i g n ；c a t i a ；a n s y s ；s i m u l a t i o na n a l y s i s i i i 工程硕十学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i 附表索引、v i i i 第1 章绪论l 1 1 论文研究的目的和意义1 1 2 变速器研究状况1 1 3 第2 章 2 1 2 2 2 3 3 5 1 2 1 变速器的分类1 1 2 2 变速器的研究状况2 1 2 3 有限元分析研究现状3 论文的主要内容5 手动变速器的机构型式与主要参数选择6 手动变速器设计的基本要求6 手动变速器传动机构的结构分析与型式选择6 手动变速器结构分析与型式选择j 一8 2 3 1 换档机构的结构分析与型式选择8 2 3 2 零部件的结构分析与型式选择9 手动变速器的主要参数i 1 1 各档齿轮齿数的分配1 4 小结17 手动变速器的主要零部件的设计计算1 8 手动变速器齿轮的几何尺寸计算1 8 齿轮损坏的形式及原因2 3 变速器齿轮的材料2 3 变速器齿轮强度计算2 4 3 4 1 斜齿轮的弯曲应力吒，一2 4 3 4 2 轮齿接触应力盯i 计算2 5 变速器轴2 6 3 5 1 变速器轴的材料2 6 i v m 拍 撕 立早 勉 粥 1 j 第 e q 3 0 9 2 型载货汽车手动变速器设计及有限元仿真分析 3 5 2 变速器轴直径初选2 6 3 5 3 轴的结构设计2 7 3 5 4 轴的刚度验算2 7 3 5 5 各档工作时各轴的挠度和转角2 9 3 6 轴的强度计算3 0 3 7 小结3 0 第4 章 同步器的设计计算一3 2 4 1 锁环式同步器的结构3 2 4 2 锁环式同步器工作原理3 2 4 3 锁环式同步器主要尺寸的确定3 3 4 4 同步器主要参数的确定3 4 4 4 1 锁止角3 5 4 4 2 同步时间t 3 5 4 5 同步器计算3 6 4 6 ，j 、结：3 7 第5 章手动变速器三维模型的建立3 9 5 1 一档齿轮的建模一3 9 5 2 其它零件的建模4 2 5 3 手动变速器的装配4 3 5 4 小结4 6 第6 章手动变速器中间轴的有限元分析4 7 6 1 有限元法的一般计算步骤：4 7 6 2 静态分析4 9 6 3 模态分析一5 0 6 4 小结5 7 结论与展望5 8 参考文献一6 0 致谢6 3 v 工程硕士学位论文 插图索引 图2 1 载货汽车的三轴式五档变速器7 图2 2 防止自动脱档的结构措施i 1 l 图2 3 防止自动脱档的结构措施i i 1 l 图2 4 防止自动脱档的结构措施i i i 一l1 图2 5 中间轴轴向力的平衡1 4 图2 6 五档变速器传动方案1 5 图3 1 基准齿形1 8 图3 2 公式对话框2 0 图3 3 参数输入2 0 图3 4 公式编辑器对话框2 1 图3 5 添加完公式后的公式对话框2 1 图3 6 输出轴结构图2 7 图3 7 变速器轴的变形简图2 8 图3 8 变速器轴的挠度和转角2 9 图4 1 锁环式同步器结构图一3 2 图4 2 锁环式同步器工作原理一3 3 图4 3 同步环螺纹槽形式3 4 图4 4 惯性式同步器计算简图3 7 图5 1 公式编辑器对话框3 9 图5 2 一档齿轮齿顶圆和齿根圆的建立4 0 图5 3 渐开线函数编辑一4 0 图5 4 拉伸结果一4 1 图5 5 一档齿轮图4 1 图5 6 三档从动齿轮4 2 图5 7 三档主动齿轮4 2 图5 8 输出轴：4 3 图5 9 二、三档同步器4 3 图5 10 中间轴装配4 4 图5 1 1 输出轴装配4 4 图5 1 2 变速器三轴装配图一4 5 图5 1 3 变速器总装配图一4 5 v l e q 3 0 9 2 型载货汽车手动变速器设计及有限元仿真分析 图5 1 4 变速器剖视图4 6 图6 1 有限元分析流程4 9 图6 2b e a m l 8 93 d 二次有限应变梁4 9 图6 3 中间轴变形云图5 0 图6 4 中间轴应力云图5 0 图6 5 材料技术参数的设置：5 3 图6 6 中间轴5 4 图6 7 网格划分5 4 图6 8 中间轴第一阶模态5 5 图6 9 中间轴第二阶模态一5 5 图6 1 0 中间轴第三阶模态：5 5 图6 1 1 中间轴第四阶模态5 6 图6 1 2 中间轴第五阶模态_ 5 6 v i i 丁程硕十学位论文 附表索引 表2 1 主要设计参数一1 l 表2 2 汽车手动变速器齿轮的法向模数，l 一1 3 表2 3 汽车手动变速器齿轮的齿形、压力角和螺旋角13 表2 4 各档位的传动比16 表2 5 各档齿轮齿数16 表2 6 各轴转速表1 6 表2 7 各轴转矩表l7 表3 1 渐开线圆柱齿轮基准齿形g b l 3 5 6 7 8 1 8 表3 2 渐开线直齿圆柱齿轮的几何尺寸计算用表1 9 表3 3 一档齿轮参数表2 2 表3 4 二档齿轮参数表2 2 表3 5 各档齿轮弯曲应力2 5 表3 6 各档齿轮接触应力一2 6 表3 7 变速器齿轮的许用接触应力2 6 表3 8 变速器各轴挠度和转角3 0 表6 1 模态数据5 6 v i i i 工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 变速器是汽车非常重要配置，它对汽车的操控性、舒适性以及燃油经济性都 起到很重要的作用，它占汽车制造成本的7 。随着我国汽车消费者对汽车认识 的不断提升，变速器已经开始影响消费者的购车观念。在过去的几十年我国主要 致力于研究开发发动机技术，而变速器已是现在的研发热点。现在市场上主要的 几种变速器是手自一体变速器( a m t ) 、自动变速器( a t ) 、无级变速变速器( c v t ) 和双离合变速器( d c t ) ，它们各有优缺点。a t 的节能效果差一些，但是舒适性 好，元器件可靠性高，其生产历史长，使用范围大。c v t 适合小型车，a m t 在 换档时会有短暂的中断，舒适性差一些。d c t 结合了手动变速器的燃油经济性和 自动变速器的舒适性，它是从传统的手动变速器演变而来。 在我国，据调查2 0 0 8 年手动变速器的市场比重为7 4 ，占据较大的市场份 额。虽然自动变速器市场占有率会不断的增加，但是由于手动变速器的燃油经济 性、节能性、技术的高度成熟以及它给驾驶者带来的全方位的驾驶乐趣决定了其 在变速器市场上不可取代的地位。 目前，国内变速器主要采用齿轮传动机构传递动力：齿轮是手动变速器的主 要传动部件，由于其具有结构紧凑、效率高、寿命长、工作可靠和维修方便等特 点，在运动和动力的传递等方面得到了非常普遍的应用，并且有关齿轮的设计方 法也已经有了相应的规范和标准。 c a t i a 装配模块是用自上而下或者自下而上的方法定义和管理多层次的大型 装配结构，这个模块是c a t i a 特色的功能模块。包括创建装配体、添加指定的部 件或零件到装配体、创建部件之间的装配关系、移动和布置装配成员、生成成品 的爆炸图、装配干涉和间隙分析等主要功能。本文运用c a t i a 装配图，检验设计 计算的合理性，从而反馈指导理论设计，最终的装配图是以后分析的基体，在装 配图的基础上可以实现各种约束的添加，为虚拟化分析奠定的基础。 1 2 变速器研究状况 1 2 1 变速器的分类 ( 1 ) 变速器按传动比变化方式不同，可以分成有级式、无级式和综合式三种3 】： 1 ) 有级式变速器应用最广泛。它采用齿轮传动，具有若干个定值传动比。按 所用轮系不同，有轴线固定式变速器( 普通齿轮变速器) 和轴线旋转式变速器( 行 【 e q 3 0 9 2 型载货汽车手动变速器设计及有限元仿真分析 星齿轮变速器) 两种。目前，轿车和轻、中型货车变速器的传动一般有3 5 个前 进档和一个倒档，这种变速器是最常见、结构最简单的变速器。 2 ) 无级式变速器的传动比可以在一定的范围内可按无限多级变化，常见的有 电力式和液力式( 动液式) 两种。电力式变速器在传动系统中有广泛采用的趋势， 其变速传动部件是直流串励电动机。液力变速器的传动部件是液力变矩器。 3 ) 综合式变速器是指由液力变矩器和齿轮式有级变速组成的液力机械式变速 器，其传动比可在最大值和最小值之间的几个间断范围内做无极变化。 ( 2 ) 按变速器操纵方式的不同可分为强制操纵式、半自动操纵式和自动操纵式 三种。 1 ) 强制操纵式变速器是靠汽车驾驶员直接用手操纵变速杆来实现选档和换档 的。齿轮式有级变速器大都采用的是强制操纵的换档方式。 2 ) 半自动操纵式变速器可分为两种，一种是部分档位自动换档，部分档位手 动( 强制) 换档；另一种是预先用按钮选定档位，同时连接变速器换档机构的控制 系统，在控制系统操纵下由执行机构自行换档。 3 ) 自动操纵式变速器的传动比选择和换档是自动进行的。驾驶员只需操纵加 速踏板，变速器的自动控制系统就可以根据发动机的负荷型号和车速的变化信号 自动地选定档位来控制执行元件，实现档位变换。 1 2 2 变速器的研究状况 全球变速器市场分布形成了三足鼎立的形式，自动变速器在北美市场，机械 式无极变速器在日本市场，手动变速器在欧洲市场各占主导地位。 在过去的几年里，欧洲依靠已有的手动变速器生产设施和条件，双离合器变 速器已经被大批量生产，其自动换档的特性以及相对于传统的4 速自动变速器有 1 0 的节约燃料经济性，使得其逐渐占据了一部分原有的手动变速器和自动变速 器市场。作为这项技术的先行使用者，大众公司已经开始了在全球用双离合器变 速器来取代现有的外购自动变速器的计划。与此同时，双离合器变速器的产品种 类以及应用范围也正在逐渐扩大，干式双离合器变速器在未来几年将大批量出现 在欧洲市场，而小于1 5 0 n m 的输入转矩的双离合器变速器也正在紧锣密鼓的研 发当中。未来我们将会看到双离合器变速器在欧洲市场的快速发展。 在北美，为了沿袭美国消费者传统上对自动变速器的偏爱，“三大 依然坚持 着对自动变速器的研究和提高，先进的六速变速器将充分利用现有的四速自动变 速器的设施和基础，而其燃油经济性更好( 提高大约5 左右) 。与此同时，双离合 器变速器也开始引起了“三大的注意，他们正在寻求外来合作以缩短与竞争对 手的差距。面对变幻莫测的油价，美国消费者在注重乘驾舒适性的同时，开始前 所未有的关心各种可以降低燃油消耗的方法：双离合器技术便是其中之一。未来 2 工程硕上学位论文 将会看到：在北美市场上，手动变速器继续减少。相当部分4 速自动变速器会被 6 速或者更多档位的自动变速器逐步取代。日本市场一直是一个比较特殊的市场。 狭小的国土面积，拥挤的城市交通以及对c v t 技术的深入探究使得他们将维持现 有的状况：c v t 和a t 在市场共存【5 j 。 随着我国经济的飞速发展，中国汽车市场发生了巨大的变化，整车制造商之 间的竞争从以前的竞争不足阶段逐渐过渡到完全竞争时代。而变速器的竞争成为 了关键之一。国内企业对变速器的这几种技术都有不同程度的研发，其中，c v t 的产业化和科研水平走在最前面，a m t 正在加速产业化。在国家发改委的推动下， 国内10 家以上整车企业已经和美国博格华纳公司成立了一家名为”中联发实业有 限公司”的合资企业，共同研发双离合器变速器的关键技术。全球掌握d c t 技术 的公司主要就是博格华纳公司和舍弗勒公司。由于历史的原因和技术的被垄断， 中国本土厂商先进变速器技术的研发之路依然任重而道远。 1 2 3 有限元分析研究现状 在上世纪7 0 年代初，欧美国家就己经把有限元法应用于汽车结构的分析了， 能较好的模拟并分析汽车结构的静动特性。上世纪7 0 年代，福特汽车公司为了找 出高应力区，就使用n a s t r a n 软件，进行车身的有限元静态分析。在上世纪8 0 年 代末，日本汽车公司己将c a e 技术应用到车身设计的各阶段，其分析的范围包括 强度、刚度、振动、疲劳、碰撞及形状和重量的优化。到上世纪9 0 年代，有限元 分析得到了更为广泛的应用。通用汽车公司在有限元程序基础上自主开发了后处 理程序，将发动机和道路的激励载荷集成到数据库中，进行了汽车对发动机和道 路激励的响应分析和改进，大大简化了分析过程。而日本尼桑汽车公司利用有限 元分析仿真为整车性能的优化铺垫，其分析的模型己经包括悬架、发动机、轮胎、 转向机构等【6 】。在这段时期内，国外各大汽车公司相继对多种轿车或大客车建立 了简化的模型，并对汽车结构进行全面的动、静态特性的分析，并取得了丰富研 究成果。 国内在上世纪上世纪7 0 年代末8 0 年代初开始对汽车进行有限元方面的研究， 其中对车身结构的有限元分析进行了一系列的探索并积累了大量的经验。 根据变速器具体结构和工作形式，对变速器轴而言，它主要承受来自发动机 传递过来的转矩，从而承载扭转切应力，同时结合轴承给予的支承力等而承载弯 曲应力。对变速器齿轮而言，齿轮主要的失效形式为齿根弯曲断裂和齿轮接触疲 劳应力。所以对于变速器的结构分析研究，主要分为两部分，一是一般线性的静 力分析，校核变速器轴的强度和刚度以及变速器齿轮的齿根弯曲强度；二是非线 性的接触分析，主要校核变速器齿轮的接触强度。 目前，国内外已经有很多学者专家对汽车变速器作了结构方面的分析研究。 3 e q 3 0 9 2 型载货汽车手动变速器设计及有限元仿真分析 从上世纪9 0 年代开始，欧美国家就通过有限元法对汽车变速器进行结构分析，并 与传统数值方法作比较，通常都取得比较一致的结果。 国内各企业以及院校对于变速器一般的静力分析、强度校核都做了相当多的 研究分析。如19 9 9 年，同济大学汽车工程系，对汽车变速器齿轮应力场做了有限 元分析，校核齿轮强度，得出该齿轮具有很高的安全可靠性，并利用a g m a 齿轮 强度计算公式验证有限元分析的可信度。2 0 0 3 年，湖南省三湘客车集团有限公司 特种车公司对s y l 4 0 型组合式变速器齿轮作了有限元分析，校核了齿轮的齿根弯 曲，并验证了齿轮设计的合理性。2 0 0 5 年，黑龙江工程学院汽车系，对变速器进 行了有限元的静态分析，得出了轴系的应力和应变。2 0 0 6 年，南京理工大学利用 有限元法对新型车用功率分流式自动变速器进行了结构分析与改进，减小了应力 变化。2 0 0 7 年，广西工学院利用c a d ，c a e 技术在汽车变速器设计中的应用作 了研究。同年，太原理工大学机械工程系结合渐开线直齿圆柱齿轮的基本理论利 用a n s y s 软件对齿根弯曲作了有限元分析。西北工业大学机电学院则用有限元法 建立汽车变速器齿轮结构的三维动力学模型，研究了不同转速下齿轮齿根切应力 变化规律。 由于非线性接触分析的理论还不太成熟，国内对变速器齿轮尤其是斜齿轮的 接触分析在这方面理论研究相对比较少。目前，基于有限元的数值算法是求解接 触问题的主要方法。在以往对齿轮的研究中，大多数以直齿轮为主。对于直齿轮 的有限元接触分析，一般可以通过建立二维的平面采用板单元分析，从而降低齿 轮接触研究模型建立和分析的难度。如2 0 0 3 年，煤炭科学研究总院上海分院，通 过接触的仿真分析研究了直齿轮接触单元的变形和接触应力的计算。2 0 0 5 年，内 蒙古工业大学利用a n s y s 软件对齿轮运动副作了有限元的结构分析研究，分析了 直齿轮接触强度，其中有限元模型就以p l a n e 板单元进行划分得到的。2 0 0 6 年， 天津工业大学机械电子学院利用有限元法，建立三维有限元模型，采用牛顿一拉 普森法分析了直齿轮的接触强度。2 0 0 8 年，西北工业大学机电学院采用三维接触 有限元方法计算了面齿轮副啮合过程弯曲应力变化。哈尔滨工业大学汽车工程学 院对直齿圆柱齿轮的接触应力作了分析，同样是建立二维模型，采用板单元进行 网格划分，从而做作的有限元分析研究。 研究人员对斜齿轮的研究主要是在其法面当量直齿圆柱齿轮上采用“悬臂梁 的力学分析方法进行齿根弯曲强度的设计和计算。这样对斜齿轮的齿根弯曲应力 分析影响不大，对接触应力就有点无从下手。由于斜齿轮的啮合接触线是倾斜的， 其啮合传动是轮齿的一端先由啮合逐渐过渡到轮齿的另一端最终退出啮合，因此 其齿面上的接触线是由短变长，再由长变短。因此斜齿轮的接触面形状不规则， 其接触性质也比较复杂。而以往对斜齿轮接触强度的研究大都以两轴线平行圆柱 对压的h e r t z 理论公式为基础，并加以变形和系数修正，因此难以精确求解出斜 4 工程硕士学位论文 齿轮的接触强度。国内对斜齿轮的接触还没形成一套完整的理论，而2 1 世纪初哈 尔滨工业大学对汽车变速器齿轮运用有限元理论，采用最恶加载线的方法只对其 斜齿轮的接触作了小部分的阐述。目前，国内很少直接运用有限元理论对变速器 的斜齿轮接触强度进行研究分析。 1 3 论文的主要内容 本文主要参考同类齿轮软件的设计，结合国内变速箱设计的实际情况，对手 动变速器的结构、工作原理、工作过程及零部件的三维建模和仿真分析进行一定 的研究： 首先确定e q 3 0 9 2 载货汽车手动变速器的设计方案，包括该手动变速器齿轮 和轴的总布置形式、换档操纵机构及档位布置形式等；其次根据所配发动机的基 本参数以及考虑到整车动力性和经济性要求的传动比，设计计算出变速器主要零 件的相关参数，通过对设计参数的分析，找到影响手动变速器性能的因素。完成 齿轮、轴和轴承等主要零件以及同步器同步过程的分析，并与理论分析相比较； 最后利用了三维建模软件c a t i a 中的机械设计和外形设计模块完成了变速器所有 齿轮、轴、同步器的建模和装配，也完成了操纵机构、箱体和轴承等相关零部件 的建模和装配，通过三维数模验证了设计的合理性。同时运用专业软件a n s y s 对 该变速器中间轴进行静态和模态分析，明确该变速器中间轴在各频率下的应力分 布情况以及中间轴的受力变形图，变速器轴齿轮的应力最大值。 5 e q 3 0 9 2 型载货汽车手动变速器设计及有限元仿真分析 第2 章手动变速器的机构型式与主要参数选择 2 1 手动变速器设计的基本要求 ( 1 ) 保证汽车有必要的动力性和经济性； ( 2 ) 设置空档，用来切断发动机动力向驱动轮的传输； ( 3 ) 设置倒档，使汽车能倒退行驶； ( 4 ) 设置动力输出装置，需要时能进行功率输出； ( 5 ) 换档迅速，省力，方便； ( 6 ) 工作可靠。汽车行驶过程中，手动变速器不得有跳档，乱档以及换档冲 击等现象发生i l j ； ( 7 ) 手动变速器应当有高的工作效率； ( 8 ) 手动变速器的工作噪声低。 2 2 手动变速器传动机构的结构分析与型式选择 有级变速器与无级变速器的相比，其结构简单、造价低廉，具有高的传动效 率( r l = o 9 6 - - - , 0 9 8 ) ，因此在各种类型的汽车上均得到了广泛的应用。 设计时首先应根据汽车的使用条件及要求确定变速器的传动比范围、档位数 及各档传动比，因为它们对汽车的动力性与燃料经济性都有重要的直接影响。 传动比范围是变速器低档传动比与高档传动比的比值。汽车行驶的道路状况 愈多样，发动机的功率与汽车质量之比愈小，则变速器的传动比范围应愈大。变 速器档位数的增多可提高发动机的功率利用率、汽车的燃料经济性及平均车速， 从而可提高汽车的运输效率，降低运输成本。但档位数增多也使变速器的尺寸及 质量增大，结构复杂，制造成本提高，操纵也复杂。 有级变速器的传动效率与所选用的传动方案有关，包括传递动力的齿轮副数 目、转速、传递的功率、润滑系统的有效性、齿轮与轴以及壳体等零件的制造精 度、刚度等。 ( 1 ) 两轴式手动变速器 两轴式和三轴式手动变速器得到了最广泛的应用。其中两轴式变速器多用于 发动机前置前轮驱动的汽车上，中间轴式手动变速器多用于发动机前置后轮驱动 的汽车上。 ( 2 ) 中间轴式手动变速器 中间轴式手动变速器多用于发动机前置后轮驱动汽车和发动机后置后轮驱动 的客车上。该变速器第一轴的前端经轴承支承在发动机飞轮上，第一轴上的花键 6 丁程硕十学位论文 用来装设离合器的从动盘，而第二轴的末端经花键与万向节连接。 图2 1 载货汽车的三轴式五档变速器 1 一中间轴；2 一第一轴：3 一第二轴；4 一换档拨又；5 一定位钢球 中间轴式手动变速器如图2 1 所示，该变速器包括有输入轴2 、中间轴1 和 输出轴3 等三根固定轴线的传动齿轮轴，故又称为三轴式变速器。输入轴2 的左 端支承在发动机飞轮后部的中心孔内，通过向心球轴承相连，而轴右端则通过向 心球轴承支承于变速器壳体的前壁。输入轴的最左端为渐开线花键，用于安装离 合器从动盘总成【l 叭。其最右端为输入轴的常啮合齿轮，它与中间轴常啮合齿轮啮 合，常啮合齿轮的右侧部分为接合齿圈，其上套有同步锥环。向心球轴承外座圈 上装有卡环，同时用输入轴轴承盖压紧，盖内孔壁上有回油螺纹，用来防止润滑 油漏出。 中间轴式五档变速器传动方案其特点是：其第一轴的常啮合齿轮与第二轴的 各档齿轮分别与中间轴的相应齿轮相啮合，且第一、二轴同心。将第一、二轴直 接连接起来传递转矩则称为直接档。使用直接档，变速器的齿轮和轴承及中间轴 均不承载，发动机转矩经变速器第一轴和第二轴直接输出，此时变速器的传动效 率高，可达9 0 以上，噪声低，齿轮和轴承的磨损减少。因为直接档的利用率高 于其它档位，因而提高了变速器的使用寿命，这是三轴式变速器的主要优点。其 他前进档需依次经过两对齿轮传递转矩，因此，在齿轮中心距( 影响变速器尺寸 的重要参数) 较小的情况下仍然可以获得大的一档传动比，这是三轴式变速器的 7 e q 3 0 9 2 型载货汽车于动变速器设计及有限元仿真分析 另一优点。在除直接档以外的其他档位工作时，中间轴式变速器的传动效率略有 降低，这是它的缺点。 在档数相同的条件下，各种中间轴式变速器主要在常啮合齿轮对数，轴的支 承方式、换档方式和倒档传动方案以及档位布置顺序上有差别。 在中间轴传动方案中，凡采用常啮合齿轮传动的档位，其换档方式可以用同 步器或啮合套来实现。同一变速器中，有的档位用同步器换档，有的档位用啮合 套换档，则一定是档位高的用同步器换档，档位低的用啮合套换档。 发动机前置后轮驱动的轿车采用中间轴式变速器，为缩短传动轴长度，可将 变速器后端加长，伸长后的第二轴有时装在三个支承上，其最后一个支承位于加 长的附加壳体上。如果在附加壳体内，布置倒档传动齿轮和换档机构，还能减少 变速器主体部分的外形尺寸。 变速器采用多支承结构方案，能提高轴的刚度。这时，如用在轴平面上可分 开的壳体，就能较好地解决轴和齿轮等零部件装配困难的问题。此方案的高档从 动齿轮处于悬臂状态，同时一档和倒档齿轮布置在变速器壳体的中间跨距里，而 中间档的同步器布置在中间轴上是这个方案的特点。 中间轴式变速器结构的发展趋势是增多常啮合齿轮副的数目，从而可采用斜 齿圆柱齿