某手动变速器力学特性分析与疲劳可靠性研究

发布时间：2020-07-10 06:20

【摘要】：手动变速器作为汽车上重要的传动系统总成,广泛应用于各类乘用车与商用车中。变速器总成工作中由于存在间隙、时变啮合刚度等非线性因素,以及汽车运行时复杂多变的驾驶工况,对总成以及内部零部件的疲劳耐久性评价带来一定困难。本文针对汽车行业标准中对变速器总成的使用寿命要求,提出了一种变速器总成动力学建模方法,以及基于刚柔耦合模型的变速器齿轮疲劳预测方法。基于变速器总成拓扑结构分析,在ADAMS中建立了变速器虚拟样机模型,并通过齿轮运动学与动力学分析,对模型中的齿轮啮合刚度与阻尼等参数进行了计算。结合变速器总成的台架试验工况,应用ANSYS软件进行齿轮副的瞬态动力学分析,通过弯曲应力和接触应力对所建有限元模型的精度进行了分析。提取变速器齿轮副的模态中性文件,在ADAMS中建立其柔性体模型,进而建立变速器总成的刚柔耦合模型。基于模态叠加法进行瞬态动力学分析,并与在ANSYS中进行有限元分析的结果进行对比,验证了柔性体模型的有效性。通过基于模态叠加理论的齿轮副瞬态动力学计算,得到变速器Ⅰ挡齿轮危险点的应力谱。应用名义应力法和Miner损伤累计理论,对其进行疲劳预测,并利用台架试验进行了验证,仿真结果与试验结果基本吻合,且相关方法的疲劳核算效率与传统方法相比有显著的提升。基于虚拟样机模型,提出了变速器总成可靠性模型的建模方法及其可靠性关键影响因素的分析评价方法。对市区以及郊区路况下变速器半轴处的扭矩和转速进行了道路载荷谱采集,基于雨流计数结果发现扭矩均值近似服从正态分布,扭矩幅值很小可忽略其影响。基于应力-强度干涉理论,利用蒙特卡罗法对各挡齿轮进行时变可靠性模拟;并通过改进的L-P计算理论对变速器各轴承进行可靠度评价。同时,根据危害性分析明确了变速器总成的主要失效模式,基于内部零件的可靠性分析结果,建立变速器总成的时变可靠性模型。对变速器总成的时变可靠性模型进行灵敏度分析,找到对总成可靠度影响贡献率较大的部件,并对其参数调整优化方案进行了分析,评估了轴承滚子有效直径、滚子有效长度、齿轮模数以及齿轮螺旋角等参数改变对变速器关键零部件以及总成可靠度的影响。最后,基于变速器总成可靠度影响因素的分析,对变速器总成的可靠度实现了初步的优化。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U463.212
【图文】：

机构简图,变速器齿轮,轴系,简化模型

图 2.3 变速器齿轮轴系简化模型Fig2.3 Simplified model of transmission gear system的选择DAMS 与 parasolid 格式的文件兼容度比较高，且变速故将整个装配体（CAT Product）导入至 UG 中，转换 ADAMS 中完成模型的导入。变速器壳体动力学响应对内部零部件影响的情况下，行等效。变速器总成的机构简图如图 2.4 所示，其中输与输入轴制成一体，输入Ⅲ挡至输入Ⅵ挡齿轮通过套向定位；输出轴上各挡齿轮的布置则刚好相反。通过选择挡位，然后经过输出轴，主减速器和差速器将动力

机构简图,变速器,机构简图,总成

图 2.3 变速器齿轮轴系简化模型Fig2.3 Simplified model of transmission gear system界条件的选择到 ADAMS 与 parasolid 格式的文件兼容度比较高，且变速器总素，故将整个装配体（CAT Product）导入至 UG 中，转换为 pa接在 ADAMS 中完成模型的导入。考虑变速器壳体动力学响应对内部零部件影响的情况下，可以体进行等效。变速器总成的机构简图如图 2.4 所示，其中输入Ⅰ齿轮与输入轴制成一体，输入Ⅲ挡至输入Ⅵ挡齿轮通过套筒松做轴向定位；输出轴上各挡齿轮的布置则刚好相反。通过输入步器选择挡位，然后经过输出轴，主减速器和差速器将动力传递

接触刚度,计算模型,接触力

齿轮与输出轴以转动副的方式连接，此外各轴上的轴承的方式连接。各挡齿轮副也需要通过定义接触的方式来保证齿轮啮合AMS 提供了两种计算接触力的方法，一种被称为补偿法（罚系数和补偿系数来反映相互接触的两个物体的体积侵而造成的能量损失。而另一种计算接触力的方法称为冲数来计算两个构件之间由于相互切入产生的弹性力以及，弹性力和阻尼力共同组成了接触力。函数法相比，补偿法所使用的惩罚系数一般难以准确获侵入量变大，无法模拟构件之间的真实接触状态；反之触力的计算难以收敛，降低了模型的稳健性。由于齿轮固定，利用 Impact 函数计算得到的齿面接触力更接近于冲击函数法进行齿轮副接触力的定义。函数的一般表达形式如下：

【参考文献】