李晓宁

（中国重汽集团大同齿轮有限公司，山西 大同037305）

引言

变速箱为汽车变速传动的关键部件，其性能将直接决定汽车整体的性能。齿轮传动为变速箱的关键零件，当其结构及传动设计不合理导致变速箱振动加剧且噪声过大，在影响汽车舒适性的同时还降低其性能[1]。因此，对汽车齿轮相关参数及传动精度正确设计可适当降低其冲击力。

1 汽车齿轮变速箱概述

汽车变速箱的主要功能是对齿轮传动比进行调整，从而实现汽车的前进、后退以及空挡等。根据汽车变速箱操纵方式的不同可将其分为强制操纵式、半自动操纵式以及自动操纵式；根据变速箱传动结构的不同可分为二轴式变速箱、三轴式变速箱。

齿轮变速箱主要由变速传动结构和变速操纵结构组成。其中，变速传动结构的关键零件为齿轮及其轴等；变速操纵结构的关键部件包括有同步器和换挡操作机构等，其是控制传动机构的主体，是实现传动比调整的关键[2]。本文以三轴五挡式变速箱为研究对象，在研究其工作原理的基础上对其部分结构进行仿真优化。三轴五挡式变速箱结构如图1所示，三轴五挡式变速箱可实现齿轮传动五个传动比的调整，其中包含有六对齿轮副、三个同步器、一个输入轴和一个输出轴。

2 变速箱模型的搭建

2.1 三维模型的搭建

图1 三轴五挡式变速箱结构示意图

本文将采用MASTA软件对汽车变速箱进行动力学仿真并对其结构进行优化。根据如图1所示的三轴五挡式变速箱结构基于MASTA软件搭建三维模型，包括有轴、齿轮、轴承以及壳体等零件的模型。三轴五挡式变速箱中包含有输入轴、输出轴、中间轴以及倒挡轴等。根据轴的各类外部特征参数以及细节参数完成模型的搭建，并根据不同轴选材的不同对模型中的密度屈服强度、弹性模型等参数进行设置；采用MASTA软件建立齿轮的模型，只需将三轴五挡式变速箱中各级齿轮的齿数、螺旋升角、压力角、中心距等参数进行定义，即可自动生成齿轮模型[3]。

本文所研究三轴五挡式变速箱所采用的轴承的型号为NSK，根据轴承型号在MASTA数据库中查找对应部件，自动生成三维模型。分别建立轴、轴承、同步器以及齿轮等零部件的三维模型，根据其相互约束关系建立如图2所示的模型。

一般情况下，针对某一部件动力学仿真常将其壳体的刚度默认为无穷大，导致针对壳体的变形的仿真结果与实际偏差较大。为此，根据变速箱实际壳体特征建立三维模型并对其参数进行设置。综上所述，得出三轴五挡式变速箱的仿真整体模型如图3所示。

图3 变速箱整体仿真模型

2.2 变速箱动态参数设置

“2.1”为变速箱的三维结构模型和各个零部件之间的相对位置关系和约束关系。而变速箱在实际工作时轴、轴承、齿轮以及壳体等零件所承受的载荷处于动态变化状态。为此，为保证基于MASTA软件所得的仿真结果可真实反应变速箱在不同工况下的动力学情况，需根据变速箱工况定义各个零部件的载荷谱及在不同挡位下功率传递路径进行综合分析[4]。变速箱在不同工况下的参数如表1所示。

表1 不同工况对应变速箱工作参数

如表1所示的各类工况均是针对不同驾驶员在不同路面采用专门测试仪器测量所得的数据。经仿真分析可得如下结论：

1）在变速箱的实际应用中第一对齿轮在三挡时运行时错位量较大，从而导致齿轮的受力不均匀，进而造成较大的噪声，导致第一对齿轮错位量较大的主要原因为变速箱的结构存在缺陷，需通过提高轴承的刚度解决错位问题；

2）在耦合模态分析结果中发现，变速箱齿轮的低阶固有频率偏低，而且所有齿轮中振动较为严重集中于齿轮副上。

3 变速箱的优化

针对变速箱齿轮错微量大导致其在运行时存在极大的噪声和齿轮低阶固有频率低导致振动严重的问题，本节将对齿轮结构进行优化。

齿轮参数主要指的是齿轮结构的压力角、螺旋角、模数等参数[5]。结合MASTA仿真软件的优化迭代算法，以齿轮的损伤率和安全系数为优化目标，对齿轮进行优化。

经优化迭代，对于三轴五挡式变速箱，将其螺旋角从26°优化为25.852°，将其齿轮模数从1.5 mm优化为1.473 mm。

对优化设计后的变速箱同样基于MASTA软件对其进行仿真分析，得出如下结论：经对齿轮模数、螺旋角等参数进行优化设计后，其接触安全系数从1.21增大至1.31，弯曲安全系数从1.26增大至1.48，接触损伤率由8.4%降低至2.8%，弯曲损伤率由13.4%降低至0.2%。

4 结论

1）变速箱振动距离情况是由于齿轮低阶固有频率低等问题导致；

2）变速箱噪声较大的问题是由于齿轮错位量较大所导致；

3）对变速箱齿轮螺旋升角、模数等参数进行优化后，变速箱对应的安全系数得到明显提升，并且损伤率得到明显降低。