某變速器輸入機(jī)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊小龍 王樂(lè) 張加升

摘要：為提高液力自動(dòng)變速器（AT）輸入連接機(jī)構(gòu)的抗振性能和可靠性，在原輸入連接機(jī)構(gòu)的單列深溝球軸承支撐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)為兩件圓錐滾子軸承的支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)相應(yīng)更改前端蓋。更改后不但前端蓋的剛度提高，軸承的承載能力和壽命大幅提高，同時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗振能力也顯著提高，輸入機(jī)構(gòu)的可靠性更好。

關(guān)鍵詞：輸入連接機(jī)構(gòu)；傳動(dòng)軸；液力自動(dòng)變速器；前端蓋；軸承；適配器

在整車設(shè)計(jì)時(shí)，由于整車布置空間限制的需求，有時(shí)需要發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器分開布置，如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)軸來(lái)傳遞。這樣變速器的輸入端就需要結(jié)合變速器的結(jié)構(gòu)特性設(shè)計(jì)相應(yīng)的輸入連接機(jī)構(gòu)，與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端傳遞動(dòng)力的傳動(dòng)軸連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞和輸入。

原變速器輸入連接機(jī)構(gòu)

該變速器為一款A(yù)T（液力自動(dòng)變速器）產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于貨車、客車及各種特種車輛。帶6個(gè)前進(jìn)擋和1個(gè)倒擋，前端是液力變矩器，后面是行星齒輪組和濕式離合器，同時(shí)還有液壓控制系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)等組成。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過(guò)輸出機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)軸傳遞到變速器輸入端，變速器輸入機(jī)構(gòu)經(jīng)法蘭、適配器及柔性盤將動(dòng)力傳遞給變矩器，通過(guò)變矩器將動(dòng)力傳遞至后方行星齒輪組，再經(jīng)輸出法蘭將動(dòng)力傳遞至后傳動(dòng)系統(tǒng)。變速器輸入連接機(jī)構(gòu)由前端蓋、輸入法蘭、輸入適配器及軸承等零件組成，如圖2所示。

變速器輸入連接機(jī)構(gòu)優(yōu)化

原變速器輸入連接機(jī)構(gòu)小批量裝車使用后，在車輛運(yùn)行過(guò)程中由于該機(jī)構(gòu)需要承受前端傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)軸帶來(lái)的交變載荷和振動(dòng)沖擊，以及從車架傳遞過(guò)來(lái)的整車振動(dòng)。該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了軸承損壞和螺栓松動(dòng)的故障，為提高輸入連接機(jī)構(gòu)的抗振性能及可靠性，對(duì)該結(jié)構(gòu)做如下更改。

原輸入連接機(jī)構(gòu)采用單列深溝球軸承支撐結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖3a所示。改進(jìn)后結(jié)構(gòu)由一個(gè)深溝球軸承改為兩個(gè)圓錐滾子軸承支撐，如圖3b所示，新結(jié)構(gòu)安裝長(zhǎng)度增加30mm，質(zhì)量增加6kg。相應(yīng)更改前端蓋、輸入適配器和油封，同時(shí)法蘭盤緊固螺栓加長(zhǎng)，其余零件與原方案相同。

輸入連接機(jī)構(gòu)優(yōu)化更改論證分析

新的方案相較于原方案，強(qiáng)化了前端蓋殼體設(shè)計(jì)及軸承支撐設(shè)計(jì)，以下針對(duì)前端蓋殼體強(qiáng)度及軸承壽命進(jìn)行計(jì)算分析。

1.前端蓋靜強(qiáng)度分析

如圖4所示，前端蓋承受質(zhì)量96kg（包括1/2傳動(dòng)軸質(zhì)量30kg和2/3變矩器質(zhì)量66kg），材料為HT200，按下表載荷譜進(jìn)行分析，X/Z平面選取8個(gè)方向，各施加10g（g為重力加速度）載荷，計(jì)算分析結(jié)果見表1。

結(jié)論：經(jīng)計(jì)算分析，原方案安全系數(shù)1.76，新方案安全系數(shù)2.58，改進(jìn)后強(qiáng)度提升顯著，符合要求。原方案變形最大0.2973mm，新方案變形最大0.1732mm，剛度顯著提高。部分工況的應(yīng)力/位移云圖如圖5、圖6所示。

2.軸承壽命校核

如圖7所示，對(duì)軸承布置方案進(jìn)行建模。整體坐標(biāo)方位為：從法蘭盤端看，x軸豎直向上，y軸水平向左，z軸水平向后。由于新方案采用2個(gè)相同的圓錐滾子軸承JM511946（2P-8986/2P-8987）支撐，為方便區(qū)分，靠近法蘭盤端的軸承編號(hào)為1#，遠(yuǎn)離法蘭盤端編號(hào)為2#。軸承相關(guān)參數(shù)見表2，軸承布置細(xì)節(jié)見表3。

載荷譜相關(guān)信息：

載荷持續(xù)時(shí)間設(shè)定為10000h，輸入適配器轉(zhuǎn)速為2100r/min，載荷施加于輸入適配器與法蘭盤連接花鍵軸向中心位置（96kg）。

載荷譜分如下三種工況（見圖8）：

1）施加1g的徑向載荷。

2）施加1g的徑向載荷+軸向向后（遠(yuǎn)離法蘭盤方向）的1g載荷。

3）施加1g的徑向載荷+軸向向前（指向法蘭盤方向）的1g載荷。

經(jīng)計(jì)算，軸承的壽命及損傷計(jì)算結(jié)果見表4。

軸承的壽命及損傷對(duì)比如圖9所示。

根據(jù)上述計(jì)算分析，原方案軸承在載荷譜3工況下，ISO 16281計(jì)算損傷最大值24.2%，改進(jìn)后新方案軸承壽命大幅提升，損傷下降，最大值為0.2%。新方案軸承額定動(dòng)載荷由52.4kN提升至119.8kN，優(yōu)化為雙軸承結(jié)構(gòu)，承載能力及壽命優(yōu)于原方案。

新方案相較于原方案，結(jié)構(gòu)上有一定的調(diào)整，其主要零部件結(jié)構(gòu)如圖10所示。

其裝配順序調(diào)整如下：

1）將右端軸承外圈裝入前端蓋，將右端油封裝入前端蓋。

2）將柔性盤裝上適配器，將右端軸承內(nèi)圈裝入適配器。

3）將軸套裝入適配器。

4）測(cè)量尺寸A、B、C、D，如圖11、圖12所示，尺寸A為前端蓋端面至軸套端面的距離，尺寸B為前端蓋端面至軸承安裝孔端面距離，尺寸C為軸承外圈至內(nèi)圈的寬度，尺寸D為軸承內(nèi)圈的寬度。

5）選調(diào)整墊片，使得調(diào)整墊片厚度H=（A-B）+（C-D）+（0.15～0.25）mm，將調(diào)整墊片裝入適配器。

6）依次裝入左端軸承、左端油封、法蘭等。

7）將上述前端蓋總成裝上變速器。

新結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和裝配工藝方面的風(fēng)險(xiǎn)分析

1.兩個(gè)圓錐滾子軸承游隙的風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施

圓錐滾子軸承通常為成對(duì)使用，并且承受徑向載荷時(shí)會(huì)派生軸向力，為了確保軸承擁有較高的使用壽命，需要使軸承在比較合適的游隙中工作，工作游隙過(guò)大或過(guò)小都會(huì)降低軸承的使用壽命。一般通過(guò)控制軸承配合零件的尺寸精度，但由于實(shí)際裝配零件的尺寸鏈累積，若僅從控制軸承配合零件的尺寸精度調(diào)節(jié)，會(huì)極大的提高生產(chǎn)成本，批量生產(chǎn)難以實(shí)現(xiàn)，因此需要在軸承端部增加調(diào)整墊片，確保軸承在工作時(shí)處于合適的工作游隙。如圖13所示結(jié)構(gòu)，調(diào)整墊片為一系列不同厚度的墊片，通過(guò)輸入端、軸套、軸承等相關(guān)尺寸公差計(jì)算，可選擇合適厚度的墊片裝于左端軸承和軸套之間，確保軸承在合適的工作游隙。選墊尺寸可根據(jù)零件裝配結(jié)構(gòu)，畫出尺寸鏈如圖14所示。

墊片厚度的計(jì)算可參考如下公式進(jìn)行：

δX=B2+B3+X+B1-T1-C3-T2

如表5，通過(guò)尺寸鏈理論計(jì)算可知，調(diào)整墊片選擇范圍在1.15～1.67mm時(shí)，可以使軸承游隙δX為-0.02～0.2mm，此時(shí)軸承擁有較高的工作壽命。

2.兩個(gè)圓錐滾子軸承方案裝配工藝的風(fēng)險(xiǎn)分析

該輸入連接結(jié)構(gòu)中軸承調(diào)整墊片在裝配前，需要測(cè)量相關(guān)尺寸，通過(guò)計(jì)算后，才能選出合適的墊片。所需測(cè)量尺寸如圖15所示。各測(cè)量尺寸分別為：前端蓋端面至軸套的距離A；前端蓋端面至左側(cè)軸承擋肩的距離B；左側(cè)軸承外圈和內(nèi)圈的總寬度C；左側(cè)軸承內(nèi)圈寬度D。

尺寸測(cè)量好后，選擇合適的墊片，使得墊片厚度H為：

H=（A-B）+（C-D）+（0.15～0.25）mm。

由于實(shí)際測(cè)量尺寸時(shí)不僅需要增加工時(shí)，且測(cè)量有誤差，特別是尺寸A和尺寸C測(cè)量誤差可能略大。尺寸A需要將已裝零件豎直放置，且適配器需要被支撐穩(wěn)妥（見圖16）；尺寸C需要將軸承放置平臺(tái)上且增加配重情況下測(cè)量（見圖17）。因此不可避免的存在一定的測(cè)量誤差，任何一個(gè)尺寸的測(cè)量結(jié)果，都會(huì)影響軸承調(diào)整墊片的選用準(zhǔn)確性，因此這給裝配工藝帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)，并且需要額外增加工時(shí)，影響變速器的生產(chǎn)節(jié)拍。

為避免零件裝配時(shí)由于測(cè)量誤差帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，此處零件裝配過(guò)程需加強(qiáng)控制，配備相應(yīng)的測(cè)量平臺(tái)及工具，防止誤差過(guò)大，并相應(yīng)提高測(cè)量效率和準(zhǔn)確性。

測(cè)量尺寸A和B所需配備工具如下：測(cè)量平臺(tái)，并準(zhǔn)備能支撐適配器的墊塊1件；深度尺1把（量程100mm），量棒一件，用于輔助測(cè)量。

測(cè)量尺寸C和D所需配備工具如下：測(cè)量平臺(tái)，軸承壓塊1件（用于壓緊軸承外圈和內(nèi)圈）；游標(biāo)卡尺1把（量程100mm）。

振動(dòng)測(cè)試驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)后輸入連接機(jī)構(gòu)變速器輸入端殼體振動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，使用新輸入連接機(jī)構(gòu)后變速器輸入端殼體振動(dòng)明顯小于改進(jìn)前原輸入連接機(jī)構(gòu)。新輸入連接方案可有效減少傳遞至變速器輸入端殼體的振動(dòng)。

為研究不同變速器輸入連接機(jī)構(gòu)在車輛上路試時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)特征，分別對(duì)安裝兩種狀態(tài)變速器輸入連接機(jī)構(gòu)的車輛關(guān)鍵位置的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試分析。測(cè)試分 9 種工況，分別為原地怠速、起步、加速過(guò)程（0～60km/h）、40km/h、50km/h、60km/h、70km/h、80km/h及熄火工況。

發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器分別通過(guò) 4 個(gè)隔振器固定于汽車的大梁之上，隔振器振動(dòng)測(cè)點(diǎn)為單軸加速度測(cè)點(diǎn)，安裝方向?yàn)榇怪迸c隔振器安裝表面（圖中16 測(cè)點(diǎn)，減振方向），變速器后部頂端布置一枚單向測(cè)點(diǎn)（圖中 17 測(cè)點(diǎn)，垂向）。變速器輸入端蓋布置 4 個(gè) 3 軸加速度測(cè)點(diǎn)，輸入軸承座頂部及發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼兩側(cè)分別布置1 個(gè)3軸加速度及2個(gè)3軸加速度 測(cè)點(diǎn)。三向測(cè)點(diǎn)方向?yàn)椋篨方向?yàn)榍昂蠓较?，Y方向?yàn)樽笥曳较?，Z向?yàn)榇怪庇诘孛娣较?。測(cè)點(diǎn)及坐標(biāo)如圖18所示。相關(guān)測(cè)試結(jié)果如圖19、圖20所示。圖19、圖20中測(cè)點(diǎn)變速器9點(diǎn)、12點(diǎn)、15點(diǎn)、18點(diǎn)及輸入軸承分別對(duì)應(yīng)圖18中變速器輸入端蓋立面-主視圖中的測(cè)點(diǎn)3、4、5、7、6點(diǎn)。

由以上振動(dòng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知，新方案的振動(dòng)幅度明顯小于舊方案，新方案的抗振性能好于舊方案。

結(jié)語(yǔ)

該變速器輸入連接機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在原輸入連接機(jī)構(gòu)的單列深溝球軸承支撐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，更改為兩件圓錐滾子軸承的支撐結(jié)構(gòu)，相應(yīng)更改前端蓋。結(jié)合理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，更改后不但前端蓋的剛度提高，軸承的承載能力和壽命大幅提高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配工藝風(fēng)險(xiǎn)可控，同時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗振能力也顯著提高，有效減少了從動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞至變速器輸入端的振動(dòng)沖擊，輸入機(jī)構(gòu)的可靠性更好，這個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是合理的。