平子維 周友國 黃進 陳小蘇 張安東 馮兵

(1.重慶鐵馬變速箱有限公司，重慶市 400045；2.重慶鋼鐵股份有限公司，重慶市 401220)

1 概述

變速器倒擋通常采用直齒結(jié)合齒結(jié)構(gòu)，為進一步降低噪音和提高承載能力，某特種車定軸變速器倒擋采用斜齒輪，倒擋換擋機構(gòu)利用斜齒倒錐內(nèi)結(jié)合齒結(jié)構(gòu)，避免了正向行駛時因斜齒帶來的脫擋問題，但也造成了下坡反拖工況脫擋的風險。德國ZF公司變速器有類似結(jié)構(gòu)，國內(nèi)采用該結(jié)構(gòu)較少，未查詢到相關的文獻資料。為此，通過ADAMS動力學仿真分析軟件建立動力學模型，進行沖擊振動分析和運動模擬，通過試驗確定邊界值，最終建立準確的動力學模型，在此基礎上進行優(yōu)化設計，再通過試驗進行驗證，確保了該結(jié)構(gòu)滿足極端工況需求。

2 結(jié)構(gòu)介紹及受力分析

倒擋功能相關零部件主要由換擋盒總成、換擋機構(gòu)、主軸總成、中間軸總成、倒擋中間齒輪、倒擋被動齒輪及倒擋結(jié)合齒轂等組成，如圖1～圖2所示。

圖1 倒擋功能相關零部件示意圖Fig.1 Schematic diagram of components related to reverse gear function

圖2 倒擋機構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of reverse gear mechanism

倒擋結(jié)合齒轂通過花鍵與主軸固連，非倒擋狀態(tài)下，倒擋被動齒輪與倒擋結(jié)合齒轂分離，倒擋被動齒輪在主軸上自由旋轉(zhuǎn)，倒擋被動齒輪上的動力不會傳遞到主軸上。掛倒擋時，換擋盒總成帶動換擋機構(gòu)運動，換擋機構(gòu)上的倒擋撥叉撥動倒擋被動齒輪向倒擋齒轂方向移動，倒擋被動齒輪與倒擋結(jié)合齒轂嚙合時，動力由輸入軸總成、中間軸總成、倒擋中間齒輪、倒擋被動齒輪傳遞到倒擋齒轂，再傳遞到主軸及輸出軸，實現(xiàn)變速箱倒擋功能。

倒擋被動齒輪及倒擋結(jié)合齒轂采用斜齒倒錐設計，如圖3所示。正常倒車時，發(fā)動機輸出動力驅(qū)動變速箱，倒擋被動齒輪內(nèi)齒受到朝向輸入端的軸向力，外齒受到朝向輸出端的軸向力，經(jīng)計算，朝向輸入端的軸向力(防脫擋力)更大，能防止脫擋。

圖3 倒擋齒輪防脫擋示意圖Fig.3 Schematic diagram of reverse gear anti off gear

在坡道上進行倒車時，變速箱存在反拖情況，既整車在重力作用下對變速箱起驅(qū)動作用，發(fā)動機起制動作用，此時倒擋被動齒輪受力與正常倒車狀態(tài)相反，經(jīng)計算，倒擋被動齒輪朝向輸出端的軸向力(脫擋力)更大，存在脫擋風險。

在正常驅(qū)動工況下，倒擋被動齒輪承受的軸向脫擋力見式(1)(受力結(jié)構(gòu)見圖4)。

F=Fa2-Fa1-Ff1-Ff2-Fs

(1)

式中，F(xiàn)f1：結(jié)合齒轂對倒擋被動齒輪的摩擦力；Ff2：過橋齒輪對倒擋被動齒輪的摩擦力；Fa1：結(jié)合齒轂對倒擋被動齒輪的軸向力；Fa2：過橋齒輪對倒擋被動齒輪的軸向力；Fs：鎖銷對倒擋被動齒輪產(chǎn)生的作用力。

在發(fā)動機制動工況下，倒擋被動齒輪承受的軸向脫擋力見式(2)

F=Fa1-Fa2-Ff1-Ff2-Fs

(2)

圖4 倒擋齒輪受力分析圖Fig.4 Stress analysis of reverse gear

受齒輪振動沖擊的影響，斜齒產(chǎn)生的軸向力Fa1和Fa2與齒輪的螺旋角、齒側(cè)間隙、轉(zhuǎn)動速度和加速度等相關，摩擦力也因振動而發(fā)生變化。

在正常驅(qū)動時，帶倒錐的斜內(nèi)齒可以防止脫擋，但在反向制動工況時，帶倒錐的斜內(nèi)齒會產(chǎn)生脫擋力，特別是在反向制動且加速的工況，由于速度的升高和加速度作用，脫擋力矩增大，造成倒擋脫擋。在傳統(tǒng)的倒錐斜內(nèi)齒計算中，面臨兩個比較難確定的邊界條件，首先是斜齒接觸時的摩擦系數(shù)取值，特別時倒錐斜內(nèi)齒，加上加工誤差和熱處理變形，實際接觸應力與理想接觸應力有一定變化；其次是沖擊振動影響，由于存在齒側(cè)間隙，常常出現(xiàn)轉(zhuǎn)速升高時脫擋的情況。因此，采用仿真軟件進行直觀的動力學分析，對結(jié)構(gòu)設計可起到有意義的參考作用。

3 模型建立及動力學分析

利用CATIA強大的曲線功能和知識工程模塊[1]，建立了準確的帶倒錐的斜內(nèi)齒模型(見圖5)，并對齒參數(shù)實現(xiàn)了參數(shù)化，便于快速調(diào)整相關參數(shù)實現(xiàn)不同角度和不同齒側(cè)間隙下的動力學仿真分析對比。

圖5 倒擋齒輪CATIA模型Fig.5 CATIA Model of reverse gear

變速器倒擋結(jié)構(gòu)的虛擬樣機模型建立采用ADAMS軟件實現(xiàn)。建立完三維裝配模型導入到ADAMS中，其中ADAMS與CATIA共同支持的二種主要圖形交換格式分別是STEP格式和IGES格式。在 ADAMS 中有兩類接觸力，一類是基于Impact函數(shù)的接觸力，另一類是基于Restitution函數(shù)的接觸力。Impact是用剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)來計算碰撞力，而Restitution是用恢復系數(shù)來計算碰撞力。本文采用Impact函數(shù)來計算接觸力。輪齒碰撞所引起的沖擊力，可以作為兩個變曲率半徑柱體撞擊問題。解決此問題可以直接從Hertz靜力彈性接觸理論中得到。

仿真分析工況按表1進行。

表1 仿真分析工況表

上述參數(shù)包括螺旋角的變化，一共12種工況。

在螺旋角13°，車輛正常行駛時會產(chǎn)生較大的防脫擋力，未出現(xiàn)脫擋現(xiàn)象。但在制動工況下，特別是齒側(cè)大間隙時，結(jié)合齒受到的沖擊力非常大，并瞬間脫出，分析結(jié)果見圖6，從圖中可以看出結(jié)合齒已開始脫出，從受力曲線分析，啟動時產(chǎn)生一個較大的沖擊力，結(jié)合齒瞬間脫出，和實際試驗情況一致。

圖6 結(jié)合齒大螺旋角大間隙工況Fig.6 Working condition of large helix angle and large clearance of combined gear

當減小間隙時，受力明顯較小，但結(jié)合齒仍會在振蕩中脫出，見圖7。

圖7 結(jié)合齒大螺旋角小間隙工況Fig.7 Working condition of large helical angle and small clearance of combined gear

通過倒擋被動齒輪與過橋齒輪嚙合齒螺旋角分析，確定倒擋被動齒輪螺旋角后，相應設計與其相配的結(jié)合齒螺旋角。通過動力學分析，可適當減小齒輪結(jié)合齒螺旋角，沖擊力進一步減小，驅(qū)動和制動工況下均無脫出現(xiàn)象，如圖8所示。

圖8 結(jié)合齒小螺旋角小間隙工況Fig.8 Working condition of small helix angle and small clearance of binding gear

4 試驗驗證情況

為驗證仿真分析效果，對該倒擋結(jié)構(gòu)在變速器試驗臺上進行試驗驗證，試驗轉(zhuǎn)速、加載扭矩和仿真分析設置的輸入條件一致，試驗臺布置如圖9所示。

圖9 試驗臺架布置圖Fig.9 Layout of test bench

在螺旋角13°，齒側(cè)大間隙工況下，進行試驗測試，當變速器輸入扭矩反制動扭矩到約420 N·m后發(fā)生脫擋，試驗結(jié)果見圖10。

圖10 兩次脫擋試驗數(shù)據(jù)曲線Fig.10 Data curve of two shifting tests

在螺旋角8°情況下，未發(fā)生脫擋現(xiàn)象。后續(xù)通過實車對比試驗，在13°螺旋角時均出現(xiàn)制動脫擋現(xiàn)象，在螺旋角8°情況下，驅(qū)動和制動工況下均未發(fā)生脫擋現(xiàn)象。

5 結(jié)論

通過理論、仿真、臺架以及實車驗證，識別出了在制動工況下倒擋脫擋的風險，從動力學角度分析了倒錐斜內(nèi)齒的角度和間隙對脫擋的影響，并經(jīng)過了臺架和實車驗證，證明倒錐斜內(nèi)齒的角度必須與齒輪螺旋角相匹配，同時在滿足掛擋要求的情況下，盡量減小結(jié)合齒齒側(cè)間隙，降低沖擊。