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汽车变速箱轴系载荷分析与计算

范文

杨戈魏巍

摘 ?要：该文对常用汽车变速箱齿轮和轴承承受的载荷作了详细分析和计算，并总结提出了一种快速计算变速箱轴系载荷以及轴承寿命的方法。同时，使用C#编程语言，基于Winform开发了相应的计算程序，并将计算结果与Romax进行了比较，以验证文中计算方法的正确性。

关键词：齿轮载荷;轴承载荷;轴承;额定寿命

中图分类号：TK402 ? ? ? 文献标志码： ?A

0 前言

对各种轴系结构进行载荷分析，是计算轴系各个零部件强度及使用寿命的基础，同时也为轴系零部件选型提供了依据。借助于NX、Romax等建模分析软件，可以对轴系作载荷分析。但是，这些通用软件需要先搭建模型，费时费力，且定制化分析能力不足。江建华[1]和陈万宏[2]对船舶轴系作了载荷分析并开发了相应计算工具，陈文宇[3]对装载机变速箱做了载荷计算以及有限元分析。

汽车变速箱轴系由多个齿轮和轴承组成，轴承的额定寿命计算与轴承选型的基本参数都基于齿轮啮合点的载荷状况。鉴于此，该文总结并提出了一种快速计算汽车变速箱轴系载荷以及轴承寿命的方法，同时开发了相应的计算程序，使汽车变速箱轴系载荷分析计算更加快捷便利，更有助于轴系零部件选型。

1 载荷计算

1.1 齿轮载荷计算

汽车变速箱齿轮一般为直齿轮和斜齿轮，齿轮啮合点的载荷计算如下[4]：

式中：P-齿轮切向力，N。

S-齿轮分离力，N。

T-齿轮轴向力，N。

Tor-扭矩，N·m。

m-法面模数。

Z-齿数。

α-法面压力角，°。

β-螺旋角，°。

θ-夹角，°。

dp-啮合齿轮节圆直径，mm。

Fr-轴承径向载荷，N。

Fa-轴承轴向载荷，N。

斜齿轮的轴向力方向，取决于齿轮旋转方向，齿轮螺旋方向及属于主动齿轮还是从动齿轮，情况各不相同，其力的方向也不同。

当主动齿轮螺旋方向为左旋，使用左手定则判断轴向力方向;当主动齿轮螺旋方向为右旋，使用右手定则判断轴向力方向。

1.2 轴承载荷计算

常用汽车变速箱为“输入轴-中间轴-输出轴”结构，工作中，输入轴和输出轴一般仅有一个齿轮将力分解到轴承上，中间轴一般有2个齿轮将力分解到轴承上。假设顺时针方向转速为正，对于前进档位，对轴系作载荷分析，如图1所示。

固定端轴承承受轴向载荷，自由端轴承不承受轴向载荷。

输出轴轴承E、F载荷计算方法与输入轴轴承A、B相同，因此省略。对于轴承C、D，中间轴有2个齿轮将力分解到轴承上，假设顺时针转速为正方向，并以正方向为例，计算方法为3个。1）将齿轮2的力分解到轴承C和D上，载荷分析坐标系为Y轴和Z轴，如图2所示。Y轴上的力PY为齿轮2切向力P2分解的，Z軸上的力SZ和UZ为齿轮2分离力S2和轴向力T2分解的，分解方法同输入轴。2）将齿轮2的力分解到轴承C和D上，载荷分析坐标系为Y'轴和Z'轴，如图2所示。Y'轴上的力PY'为齿轮3切向力P3分解的，Z'轴上的力SZ'和UZ'为齿轮3分离力S3和轴向力T3分解的，分解方法同输入轴。3）计算夹角θ，θ的正负由输出轴的位置决定，如图1所示。

固定端轴承承受轴向载荷，大小为齿轮2和齿轮3轴向力的合力。自由端轴承不承受轴向载荷。

对于倒挡挡位，由于倒挡齿轮参与啮合，将轴系结构分解为“输入轴-中间轴-倒挡轴”和“中间轴-倒挡轴-输出轴”，载荷分析和计算方法同上。图3为倒挡挡位载荷分析示意图。

2 计算程序开发及实例计算

2.1 计算程序开发

根据该文的计算方法，使用C#编程语言，基于Winform开发出桌面应用程序[5]。计算程序用于计算变速箱齿轮及轴承载荷。同时，该计算程序根据GB/T 6391―2010[6]，计算轴承的额定寿命。计算程序主界面如图4所示。

在界面上完成输入和选择参数，或在Excel表中填写参数后点击“参数导入”，点击“载荷计算”计算齿轮载荷及轴承载荷，点击“轴承寿命”计算变速箱各个挡位的平均载荷以及各个轴承的额定寿命，点击“生成报告”，生成包含齿轮、轴承载荷以及轴承寿命计算结果的文档。

2.2 实例计算

以某电动汽车变速箱为例，使用计算程序进行载荷计算，已知参数见表1。根据文中的计算方法，在计算程序中输入已知参数，计算出各个挡位轴承承受的载荷，计算结果见表2。

为了验证文中计算方法的正确性，使用Romax软件对变速箱轴系建模[7]，并做仿真，各个挡位轴承承受的径向载荷以及轴向载荷计算结果见表3。

可以看出，根据文中计算方法，并使用开发的计算程序计算结果与Romax计算结果基本一致，最大相对误差不超过1%。

3 结语

汽车变速箱轴系为多齿轮多轴承结构，文中提出了轴承载荷分析计算方法，并开发了计算轴系载荷及轴承额定寿命的计算程序，实用性较强。同时，由于轴的挠曲对齿轮和轴承载荷的大小存在一定影响，因此对变速箱轴系载荷的分析和研究有待进一步地完善。

参考文献

[1]江建华.轴系轴承负荷的计算程序[J].江苏船舶，1985，（2）：42-50.

[2]陈万宏.基于C++ Builder与MATLAB接口的轴系计算系统设计与实现[D].上海：上海交通大学，2008.

[3]陈文宇.某轮式装载机变速箱体的载荷计算与有限元分析[D].柳州：广西科技大学，2011.

[4]濮良贵，纪名刚.机械设计（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2005.

[5]Karli Watson，Christian Nagel.C#入门经典（第5版）[M].北京：清华大学出版社，2010.

[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中国国家标准化管理委员会.GB/T 6391―2010，滚动轴承额定动载荷和额定寿命[S].北京：中国标准出版社，2011：7-12.

[7]杜静，魏静，秦朝烨.Romax Designer入门详解与实例[M].北京：机械工业出版社，2012.

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