汽車(chē)變速器是汽車(chē)的核心部件堡掏，作為傳遞動(dòng)力呻纹、調(diào)整轉(zhuǎn)速以及汽車(chē)前進(jìn)和后退轉(zhuǎn)換的控制裝置宋梧，對(duì)整個(gè)汽車(chē)的動(dòng)力性匣沼、經(jīng)濟(jì)性、舒適性以及振動(dòng)噪聲影響顯著捂龄。汽車(chē)變速器的目的就是要匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的特性以適應(yīng)行駛的要求释涛，這需要變速器齒輪軸發(fā)揮作用。齒輪傳動(dòng)是目前應(yīng)用最為廣泛的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)倦沧，可以用于傳遞空間任意兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和力唇撬。齒輪軸的結(jié)構(gòu)較普通傳動(dòng)軸復(fù)雜, 實(shí)際破壞的部位用傳統(tǒng)方法進(jìn)行校核比較繁瑣, 計(jì)算結(jié)果誤差較大它匕。為了給齒輪軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，對(duì)初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的齒輪軸強(qiáng)度能有明確的了解窖认，并能及時(shí)對(duì)危險(xiǎn)部位采取有效措施超凳，本文采用傳動(dòng)系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)分析軟件MASTA對(duì)某汽車(chē)變速器傳動(dòng)齒輪軸進(jìn)行了分析。

本文以某五擋汽車(chē)變速器的齒輪軸為研究對(duì)象耀态。該齒輪軸的結(jié)構(gòu)形狀較復(fù)雜轮傍，局部存在鍵槽、軸肩等特殊形狀首装，導(dǎo)致這些部位會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象抱典，采用常規(guī)的校核方法很難準(zhǔn)確了解其應(yīng)力和應(yīng)變的規(guī)律。而傳動(dòng)系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)分析軟件MASTA赊偿，以其強(qiáng)大的參數(shù)化功能绵另，將用于建立該齒輪軸的參數(shù)化模型，并導(dǎo)入到MASTA軟件的分析和仿真模塊中進(jìn)行CAE分析绅鉴。同時(shí)考慮其局部的較復(fù)雜部位姨莽，揭示其應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律，獲得汽車(chē)變速器各齒輪軸的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度既蛙。根據(jù)MASTA軟件的分析結(jié)果來(lái)驗(yàn)證該汽車(chē)變速器齒輪軸理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算的合理性仲侈，為該齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全工作提供詳實(shí)的理論依據(jù)。

齒輪軸的功用及設(shè)計(jì)要求

變速器齒輪軸的設(shè)計(jì)主要考慮齒輪軸的結(jié)構(gòu)形式蓖社，軸上各截面的直徑秆惑、長(zhǎng)度、軸的強(qiáng)度和剛度以及軸上花鍵的型式和尺寸等衍止。同時(shí)哗蛋，齒輪軸的結(jié)構(gòu)還要滿(mǎn)足變速器的結(jié)構(gòu)布置要求，以及加工工藝和裝配工藝要求等园担。

為了保證齒輪軸在其規(guī)定壽命下正常工作届谈，通常遵循以下設(shè)計(jì)原則：

1）根據(jù)軸的工作條件等要求選取適合材料、毛坯形式及熱處理方法弯汰。

2）合理的軸受力以提高軸的強(qiáng)度和剛度艰山。

3）滿(mǎn)足工藝要求，軸應(yīng)便于加工蝙泼、熱處理程剥、裝拆、檢驗(yàn)及維修等汤踏。

4）軸上零件需定位準(zhǔn)確，牢固可靠舔腾。

5）盡可能減小應(yīng)力集中以提高軸的疲勞強(qiáng)度溪胶。

6）軸的各部分直徑和長(zhǎng)度要合理搂擦。

傳統(tǒng)齒輪軸校核方法

在用傳統(tǒng)方法對(duì)齒輪軸進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計(jì)算時(shí)，首先要分析齒輪軸的受力情況和各支承反力哗脖，主要包括齒輪嚙合間的作用力和其他軸上零件的作用力等瀑踢。其次，由于在不同擋位下的齒輪軸所受的力和支承反力都不相同才避，故需要對(duì)每個(gè)擋位下齒輪軸的強(qiáng)度和剛度分別進(jìn)行計(jì)算咱茂。對(duì)于齒輪軸上支承反力的計(jì)算，應(yīng)從輸出軸開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算棕优，然后依次是中間軸和輸入軸缴碉，并且在計(jì)算過(guò)程中可以將齒輪軸看作是鉸鏈支承的梁結(jié)構(gòu)，輸入軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩佣虑。

MASTA總成建模過(guò)程

根據(jù)該產(chǎn)品技術(shù)部門(mén)提供的CAD二維圖樣和三維模型叁乍，對(duì)該汽車(chē)變速器建立了完整的MASTA分析仿真模型。該模型包括了圓柱齒輪弧定、圓柱滾子軸承则沃、圓錐滾子軸承、滾針軸承锡跺、離合器章迎、同步器以及殼體等。本文把汽車(chē)變速器作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)分析渴甜，在獲取系統(tǒng)整體剛度的基礎(chǔ)上律坎，得到齒輪軸的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度等。

汽車(chē)變速器齒輪軸的材料為力學(xué)性能較好的20CrMnTi蟋定，該材料的彈性模量為207 000MPa粉臊，泊松比為0.3，抗拉強(qiáng)度為1100MPa驶兜，屈服強(qiáng)度為850MPa扼仲，疲勞強(qiáng)度極限為525MPa，材料的密度為7800kg/m3抄淑。

整個(gè)汽車(chē)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)主要是在MASTA軟件設(shè)計(jì)模塊中完成建模過(guò)程屠凶，其建模順序依次是建立所有齒輪軸的模型，將各齒輪軸的空間位置確定肆资，然后再定義各齒輪軸上其他的零部件如格擋齒輪副矗愧、軸承、同步器等郑原。根據(jù)齒輪唉韭、齒輪軸、軸承和同步器等零部件的詳細(xì)參數(shù)犯犁，在MASTA軟件中建立了該汽車(chē)變速器的仿真分析模型如圖1和圖2所示属愤。

圖1 變速器二維總成

圖2 變速器三維總成

齒輪軸強(qiáng)度分析

傳統(tǒng)方法對(duì)齒輪軸的計(jì)算校核比較繁瑣并且無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算女器，使用MASTA 軟件可以準(zhǔn)確方便地在實(shí)際載荷譜作用下分析出齒輪軸的變形、轉(zhuǎn)矩岗命、彎矩和應(yīng)力等巨脚，同時(shí)還可以對(duì)齒輪軸進(jìn)行疲勞壽命分析，從而得到危險(xiǎn)截面的損傷率品救。在MASTA軟件仿真分析過(guò)程中得出的汽車(chē)變速器齒輪軸的許用疲勞安全系數(shù)>１敢弟，則滿(mǎn)足該變速器的設(shè)計(jì)要求，若不滿(mǎn)足他景，則應(yīng)具體分析其產(chǎn)生疲勞破壞的原因捅振。

變速器輸入軸在實(shí)際載荷譜下的分析結(jié)果顯示，其最小靜強(qiáng)度安全系數(shù)和最小疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)都出現(xiàn)在距離輸入軸左端206.26mm處的截面上式伶，分別為1.451 3和1.543呀琢，由于安全系數(shù)>1，說(shuō)明輸入軸完全能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求贡金。

變速器輸出軸在實(shí)際載荷譜下的分析結(jié)果顯示壕归，其最小靜強(qiáng)度安全系數(shù)為1.216 8，出現(xiàn)在距離輸出軸左端421mm處的截面上衅侥，最小疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)為1.570 3癞季，出現(xiàn)在距離輸出軸左端173.5mm處的截面上，由于安全系數(shù)>1倘潜，說(shuō)明輸出軸也能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求绷柒。

變速器中間軸在實(shí)際載荷譜下的分析結(jié)果顯示，其最小靜強(qiáng)度安全系數(shù)為3.156 1涮因，出現(xiàn)在距離中間軸左端246mm處的截面上废睦，最小疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)為1.431 7，出現(xiàn)在距離中間軸左端253mm處的截面上养泡，由于安全系數(shù)>1嗜湃，說(shuō)明中間軸也能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，并且靜強(qiáng)度安全系數(shù)還有一定的富余量澜掩。

結(jié)語(yǔ)

本文研究的變速器齒輪軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜购披，特別是在過(guò)渡圓角和軸承配合處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，采用傳統(tǒng)校核方法很難準(zhǔn)確獲得其應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律肩榕。借助于MASTA軟件的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真應(yīng)用模塊刚陡，對(duì)該變速器進(jìn)行了整體建模和仿真分析，結(jié)合該變速器在疲勞測(cè)試過(guò)程中的實(shí)際負(fù)荷工況株汉，對(duì)該汽車(chē)變速器齒輪軸進(jìn)行了強(qiáng)度分析筐乳，獲得了各齒輪軸的靜強(qiáng)度安全系數(shù)和疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，包括了輸入軸、中間軸和輸出軸克酿。分析結(jié)果顯示颅唇，各齒輪軸均能滿(mǎn)足使用要求申广，表明采用MASTA軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)理論計(jì)算方法進(jìn)行汽車(chē)變速器齒輪軸的強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更有效限匕，分析結(jié)果將為變速器齒輪軸的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全工作提供有效的理論分析依據(jù)。

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