基于MASTA的某重型變速器性能開(kāi)發(fā)

馬振輝 趙 軍 吳仕賦 赫建勇 谷鳴宇

(一汽解放汽車(chē)有限公司，長(zhǎng)春 130011)

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)重型商用車(chē)的需求越來(lái)越多?？蛻魧?duì)重型商用車(chē)的品質(zhì)也提出了更高的要求。為滿足整車(chē)可靠性，NVH，傳動(dòng)效率等方面的要求，重型商用車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)尤其是變速器總成的設(shè)計(jì)也必須達(dá)到更高的水平。

本文重點(diǎn)介紹某12檔重型車(chē)變速器性能開(kāi)發(fā)過(guò)程，及試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算的對(duì)比情況，論證了性能開(kāi)發(fā)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的支撐作用。

1 設(shè)計(jì)方案及模型構(gòu)建

變速器設(shè)計(jì)需求12個(gè)前進(jìn)擋，2個(gè)倒檔；發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸入扭矩2300 Nm；B10壽命150萬(wàn)公里；臺(tái)架試驗(yàn)噪聲低于91 dB(A)；傳動(dòng)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(jì) (圖1)。主箱有6個(gè)前進(jìn)擋、1個(gè)倒擋，副箱有高、低2個(gè)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(zhǎng)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(jì)，副箱采用斜齒輪設(shè)計(jì)。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(dòng)設(shè)計(jì)，主箱采用齒套換擋，副箱為鎖銷(xiāo)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?jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。根據(jù)設(shè)計(jì)條件定義計(jì)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(guó)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(duì)齒輪進(jìn)行噴丸強(qiáng)化。

根據(jù)設(shè)計(jì)輸入定義計(jì)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(jì)算齒輪精度。主箱齒輪計(jì)算精度等級(jí)定義為8極(根據(jù)ISO1328)；副箱齒輪計(jì)算精度等級(jí)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(jì)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)整車(chē)道路試驗(yàn)采集的實(shí)際載荷譜轉(zhuǎn)化出變速器150萬(wàn)公里計(jì)算載荷譜。利用此載荷譜對(duì)變速器進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。

齒輪的計(jì)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(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)載荷譜要求；由軸承的計(jì)算結(jié)果(表2)可以看出，軸承安全系數(shù)較高，錯(cuò)位量較小。滿足設(shè)計(jì)載荷譜要求。

表1 齒輪計(jì)算結(jié)果

表2 軸承計(jì)算結(jié)果

整箱(圖5)試制完成后進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，變速器總成齒輪嚙合接觸區(qū)試驗(yàn)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(yàn)后，對(duì)整箱進(jìn)行拆解，各輪齒未出現(xiàn)點(diǎn)蝕、嚴(yán)重磨損和斷裂，軸承未出現(xiàn)點(diǎn)蝕、磨損和燒結(jié)(圖7)，滿足試驗(yàn)大綱要求。

圖5 樣品照片

3 NVH激勵(lì)設(shè)計(jì)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

本變速器大多數(shù)齒輪采用細(xì)高齒設(shè)計(jì)，通過(guò)多齒數(shù)，小模數(shù)，小壓力角，大齒頂高系數(shù)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)齒輪大重合度傳動(dòng)，減小動(dòng)載荷，提升強(qiáng)度，降低噪音。

通過(guò)齒輪修形可以有效降低變速器總成噪聲，傳遞誤差的波動(dòng)是總成噪聲的主要激勵(lì)。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(guò)微觀修形減小傳遞誤差的波動(dòng)量，從源頭降低噪聲。

在設(shè)計(jì)中采用“K”形齒(圖8)設(shè)計(jì)修形，即對(duì)齒輪的齒頂和齒根同時(shí)進(jìn)行修形。利用MASTA軟件高級(jí)LTCA功能對(duì)變速器齒輪傳遞誤差(圖9)進(jìn)行仿真計(jì)算。傳遞誤差波動(dòng)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(lì)迅速降低，齒輪微觀設(shè)計(jì)滿足要求。

圖9 傳遞誤差

在臺(tái)架上進(jìn)行變速器總成噪聲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果(表3)顯示臺(tái)架試驗(yàn)不同工況下變速器總成噪聲最大為88 dB(A)，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 傳動(dòng)效率設(shè)計(jì)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

傳動(dòng)效率是變速器性能的重要指標(biāo)，直接影響整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)變速器傳動(dòng)效率進(jìn)行了測(cè)試。從試驗(yàn)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(shí)1檔～12檔的傳動(dòng)效率為95.28%～97.53%；均滿足試驗(yàn)大綱要求。

表3 噪聲試驗(yàn)結(jié)果

表4 效率試驗(yàn)結(jié)果

MASTA軟件可以對(duì)傳動(dòng)系總成進(jìn)行傳動(dòng)效率仿真計(jì)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(guò)效率計(jì)算和效率試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比(圖11)可以看出兩者整體趨勢(shì)一致，可通過(guò)數(shù)據(jù)修正，有效指導(dǎo)提升變速器總成傳動(dòng)效率設(shè)計(jì)。

圖11 效率仿真與試驗(yàn)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

在重型車(chē)變速器性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通過(guò)軟件仿真與臺(tái)架試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

a.MASTA軟件可以對(duì)變速器軸齒件可靠性進(jìn)行準(zhǔn)確的性能仿真，通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化校核強(qiáng)度，保證嚙合平穩(wěn)。有效指導(dǎo)變速器可靠性的正向開(kāi)發(fā)。

b.MASTA軟件可以對(duì)變速器齒輪NVH激勵(lì)傳遞誤差進(jìn)行計(jì)算仿真，有效指導(dǎo)變速器總成的NVH正向開(kāi)發(fā)。

c.MASTA軟件可以對(duì)變速器傳動(dòng)效率進(jìn)行計(jì)算仿真，通過(guò)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(kāi)發(fā)。

d.MASTA軟件仿真可以有效指導(dǎo)變速器的性能開(kāi)發(fā)。在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)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(jì)失效的發(fā)生，減少樣機(jī)及試驗(yàn)數(shù)量，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

[1] 王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2007

[2] 曹世衛(wèi)，嵇曉霞.汽車(chē)變速箱齒輪修形.汽車(chē)齒輪.2006

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