新型農(nóng)用運(yùn)輸車變速器傳動(dòng)齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、年月農(nóng)機(jī)化研究第期新型農(nóng)用運(yùn)輸車變速器傳動(dòng)齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)王紅偉，徐銳良（河南科技大學(xué)車輛與動(dòng)力工程學(xué)院，河南洛陽）摘要：介紹了一種新型自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)以及原理，并根據(jù)車輛變速器的設(shè)計(jì)要求和特點(diǎn)，建立了其優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，在滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)要求的條件下，使變速器傳動(dòng)齒輪的質(zhì)量最小。根據(jù)某車型原變速器設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ)，利用優(yōu)化工具箱對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行校核。結(jié)果表明：在滿足強(qiáng)度要求的條件下，使其質(zhì)量減輕了左右。關(guān)鍵詞：農(nóng)用運(yùn)輸車；變速器；優(yōu)化設(shè)計(jì)；強(qiáng)度校核中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（）引言農(nóng)用運(yùn)輸車作為我國(guó)交通運(yùn)輸工具的重要組成部分，為我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的繁榮和發(fā)展起到了積極的推換擋撥叉等換擋

2、機(jī)構(gòu)，通過控制電磁離合器的接合與分離來控制變速器動(dòng)力的傳遞與中斷，故也可省去發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間的主離合器。與常見的電控液壓式自動(dòng)變速器相比，電控電執(zhí)行器式自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可省去液壓系統(tǒng)繁多的管路、閥件以及油泵等設(shè)施。另外，換擋電磁離合器可以實(shí)現(xiàn)集中控制及遠(yuǎn)距離控制，并能方便地通過調(diào)節(jié)激磁電流改變離合器的工作轉(zhuǎn)矩或者在連續(xù)的滑差下維持恒定的轉(zhuǎn)矩。日本富士重工曾經(jīng)利用電磁動(dòng)作用。然而，農(nóng)村道路條件的不斷改善和運(yùn)輸多樣化的需求，對(duì)農(nóng)用運(yùn)輸車提出了新的技術(shù)要求：一是在原有承載能力不變或提高的條件下，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減小整車裝備質(zhì)量；二是通過改進(jìn)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)比，以提高農(nóng)用運(yùn)輸車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，減小噪

3、聲，減少尾氣排放；三是采用現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)手段和生產(chǎn)設(shè)備，進(jìn)行整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)制造，使農(nóng)用運(yùn)輸車在保證較高離地間隙的同時(shí)，降低整車的中心位置，提高行駛平順性和穩(wěn)定性。離合器代替液力耦合器從而開發(fā)出無級(jí)變速傳動(dòng)裝置（）。新型電控電執(zhí)行器式自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)以圖擋電控電執(zhí)行器式自動(dòng)變速器傳動(dòng)原理示意圖為例（不包括倒擋），雙向電磁離合器包括電磁變速器作為農(nóng)用運(yùn)輸車傳動(dòng)系中最主要的一個(gè)部件，它通過改變傳動(dòng)齒輪比，改變發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的扭矩，以便適應(yīng)各種不同的行駛條件下對(duì)車輪的牽引力離合器主動(dòng)部件（圖中，）、左右從動(dòng)部件（圖中，）、工作線圈（圖中未畫出）等。以及改變不同的車速需要，其性能直接影響到農(nóng)用運(yùn)輸車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)

4、性、操縱性和可靠性舊，因而對(duì)農(nóng)用運(yùn)輸車變速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要【。電磁離合器主動(dòng)部件分別與電磁離合器左右從動(dòng)部件相接觸，電磁離合器左右從動(dòng)部件分別與齒輪變速箱中相應(yīng)的齒輪聯(lián)接，主動(dòng)部分通過花鍵與變速器第二軸相連，并沿變速器第二軸軸向左右移動(dòng)。在變速器不傳遞動(dòng)力時(shí)，電磁離合器處于分離狀態(tài)。當(dāng)掛擋時(shí)，接通電磁離合器，動(dòng)力由變速器第一軸一相應(yīng)擋位齒輪對(duì)應(yīng)電磁離合器變速器第二軸輸出。換擋時(shí)，前一擋位電磁離合器逐漸分離的同時(shí)，預(yù)選擋位電磁離合器逐漸接合，當(dāng)上一擋位電磁一離合器完全分離時(shí)，預(yù)選擋位電磁離合器完全接合。在換擋過程中通過對(duì)電磁離合器的合理控制，即可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)換擋。、電控電執(zhí)行器自動(dòng)變速器原理

5、新型電控電執(zhí)行器式變速器電控電執(zhí)行器式自動(dòng)變速器是一種全新的自動(dòng)變速器形式，其原理是利用電磁離合器取代普通機(jī)械式手動(dòng)定軸輪系齒輪變速箱換擋機(jī)構(gòu)中的同步器及收稿日期：一基金項(xiàng)目：河南科技大學(xué)科學(xué)研究基金項(xiàng)目（）作者簡(jiǎn)介：王紅偉（一），男，河南南陽人，碩士研究生，（）。通訊作者：徐銳良（一）。男，河南洛陽人，副教授。碩士生導(dǎo)師，（）。萬方數(shù)據(jù)年月農(nóng)機(jī)化研究同一電磁離合器相鄰兩擋換擋情況第期掛擋情況掛擋時(shí)，電控單元控制相應(yīng)擋位電磁離合器接合，而其它擋位電磁離合器處于分離狀態(tài)。掛擋時(shí)，在電控單元的控制下，雙向電磁離合器主動(dòng)部分和從動(dòng)部分逐漸接合，此時(shí)動(dòng)力由變速器第一軸一第對(duì)于同一電磁離合器相鄰兩擋換擋

6、的情況，為保證換擋的平順性，換擋時(shí)需中間擋位作為過渡。換擋時(shí)，電控單元控制前擋位電磁離合器逐漸分離，而中間過渡擋位相應(yīng)電磁離合器逐漸接合；當(dāng)中間擋位完全接合后，再通過電控單元的控制由中問過渡擋位轉(zhuǎn)換到最終所選擋位。以擋換擋為例，變速器擋開始分離時(shí)，先換人換擋后車速與其相近的擋，然后再由擋換入擋，即擋作為換擋中間的過渡一軸常嚙合齒輪一中間軸常嚙合齒輪一變速器中間軸中間軸擋齒輪第二軸擋齒輪電磁離合器從動(dòng)部分÷電磁離合器主動(dòng)部分一變速器第二軸輸出動(dòng)力。峭！、，擋位。這樣就能保證在變速器換擋時(shí)，始終有電磁離幺：，合器接合傳遞動(dòng)力，保持動(dòng)力傳遞的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)換擋的平順性。一，：一么優(yōu)化模型的建

7、立設(shè)計(jì)變量的選取對(duì)于此種新型自動(dòng)變速器，為常嚙合斜齒輪傳動(dòng)。而斜齒輪傳動(dòng)，主要的參數(shù)有模數(shù)。，齒數(shù)彳，螺一一一【。旋角屆和齒寬等。模數(shù)直接影響齒輪的大小和強(qiáng)度；螺旋角對(duì)齒輪的形狀、工作噪聲、強(qiáng)度和軸向力都一一弋有直接影響；齒寬則對(duì)齒輪工作平穩(wěn)性、齒輪強(qiáng)度和齒輪受力的均勻程度等產(chǎn)生影響。因此，在齒輪傳動(dòng)變速器第一軸，電磁離合器從動(dòng)部分第一軸常嚙合齒輪，電磁離合器主動(dòng)部分中，模數(shù)、齒數(shù)、螺旋角和齒寬的選擇，將直接影響到齒輪傳動(dòng)的外廓尺寸和傳動(dòng)質(zhì)量的好壞。所以，本次設(shè)計(jì)選擇各擋傳動(dòng)比、法向模數(shù)。、齒輪齒數(shù)、螺旋角口和齒寬作為設(shè)計(jì)變量，即戈，算，菇其中，茗，戈，并，戈，茁叫，菇以，戈，石科，髫盧，并盧

8、，髫盧，菇。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)以變速器體積最小作為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，由于齒輪的尺寸是決定變速器體積大小的重要因素。因此，按它們的體積之和為最小的原則來建立目標(biāo)函數(shù)。第二軸擋齒輪乃第二軸擋齒輪第二軸擋齒輪幻變速器第二軸變速器中間軸扣軸擋齒輪知中間軸擋齒輪中軸擋齒輪知中軸常嚙合齒輪：圖電控電執(zhí)行器自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)原理示意網(wǎng)連續(xù)換擋情況連續(xù)換擋，即逐級(jí)升擋或逐級(jí)降擋。換擋時(shí)電控單元控制前一擋位結(jié)合電磁離合器逐漸分離的同時(shí)，下一擋位相應(yīng)電磁離合器逐漸接合。通過電控單元的精確控制，使前一擋位電磁離合器完全分離的同時(shí)，下一擋位電磁離合器完全接合。以擋換擋為例，換擋時(shí)電控單元控制電磁離合器主動(dòng)部分向左移動(dòng)，與電磁離合器

9、從動(dòng)部分逐漸分離時(shí)，電磁離合器主動(dòng)部分向右移動(dòng)，逐漸與電磁離合器從動(dòng)部分相接合。當(dāng)電磁離合器主動(dòng)部分與從動(dòng)部分完全分離時(shí)，電磁離合器主動(dòng)部分與從動(dòng)部分完全接合，此時(shí)動(dòng)力由，及印可得孚；（南）（氣氣）達(dá)式，將其分別帶入式（）即可得優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)（）由變速器的傳動(dòng)比及變速器中心距相等等關(guān)系，可分別得出毛，白，毛，磊關(guān)于設(shè)計(jì)變量的相關(guān)表由變速器第一軸第一軸常嚙合齒輪中間軸常嚙合齒輪一變速器中間軸中間軸擋齒輪一第二軸擋齒輪一電磁離合器從動(dòng)部分÷電磁離合器主動(dòng)部分變速器第二軸輸出動(dòng)力。心（）薈（蠢）（無勉）（）約束條件的確立【萬方數(shù)據(jù)年月農(nóng)機(jī)化研究第期變速器使用性能約束變速器擋傳動(dòng)比螺旋角的存在

10、，傳遞扭矩時(shí)，在齒輪上存在一定的軸向力。由于中間軸齒輪的受力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求使中間軸上的軸向力趨向平衡。因而需滿足中間軸常由汽車?yán)碚摽芍?，汽車擋傳?dòng)比應(yīng)滿足最大爬坡度和地面附著條件的要求，即：。叼式中一車總質(zhì)量；啦鼉掣剛?cè)铮ǎ?、帥。如卵、。嚙合齒輪與相應(yīng)中間軸其它擋位齒輪作用于中間軸軸向力趨于平衡的約束。齒輪參數(shù)約束齒輪模數(shù)約束：晡；齒輪螺旋角約束（對(duì)于轎車變速器）：鼠。；齒寬約束：耐缸；齒輪最小齒數(shù)約束：（其中，）。一重力加速度；產(chǎn)滾動(dòng)阻力系數(shù)；一一最大爬坡坡度角，取為一。；一一發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；如一主減速比；變速器傳動(dòng)齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)一驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑；田一汽車傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率，在計(jì)算時(shí)可

11、取；優(yōu)化計(jì)算本文以參考文獻(xiàn)中的車型參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：車輛總質(zhì)量為，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為，驅(qū)動(dòng)輪上法向反作用力為，車輪一汽車滿載靜止于水平路面上時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷；半徑為，主減速比為，原變速器體積為。妒一道路附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取。變速器傳動(dòng)比范圍根據(jù)文獻(xiàn)優(yōu)化工具相中的函數(shù)要求，編輯相應(yīng)約束函數(shù)文件以及優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)文件，并對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后運(yùn)行程序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。對(duì)優(yōu)化結(jié)果齒數(shù)參數(shù)取整，并利用傳動(dòng)比與齒數(shù)的相互關(guān)系，分別確定其它齒輪的齒數(shù)，且使各擋齒輪的齒數(shù)比應(yīng)盡可能不是整數(shù)，然后利用確定的齒數(shù)重新計(jì)算傳動(dòng)比。同時(shí)，考慮加工工藝的要求，把齒輪螺旋角取為相同值；然后對(duì)中心距進(jìn)行檢驗(yàn)，若

12、各擋齒輪所對(duì)應(yīng)的中心距不一致，則需對(duì)中心距進(jìn)行修正；最后重新確定各擋齒輪的齒數(shù)及變速器各檔之間傳動(dòng)比的比值影響變速器的使用性能。比值大會(huì)造成換檔困難，一般認(rèn)為比值不宜大于?？紤]到換擋過程中，由于外部阻力的影響，換擋時(shí)車速常有所下降，而且換擋時(shí)車速越高，換擋過程的速度下降越多。因此，隨著擋位的提高，相鄰兩擋傳動(dòng)比逐漸降低。因此變速器傳動(dòng)比約束條件為。變速器結(jié)構(gòu)約束變速器中心距變速器中心距的大小對(duì)變速器的體積和質(zhì)量有很大的影響，選擇的原則是在保證傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩、變速器具有最大傳動(dòng)比和齒輪具有足夠強(qiáng)度的條件下，應(yīng)盡量減小中心距。初選中心距可由發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩來求，即傳動(dòng)比。在確定各個(gè)參數(shù)之后，需對(duì)

13、所得結(jié)果進(jìn)行校核，以檢驗(yàn)是否滿足使用要求。強(qiáng)度校核對(duì)于長(zhǎng)嚙合斜齒輪傳動(dòng)，輪齒的損壞可分為輪齒折斷和齒面損傷兩大類，因此要對(duì)變速器齒輪的輪齒（）進(jìn)行彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度的校核。甌疋一。式中一變速器中心距系數(shù)，對(duì)于轎車取而由上述可知齒輪傳遞載荷取發(fā)動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩一計(jì)算，經(jīng)常嚙合齒輪傳遞到變速器中間軸的轉(zhuǎn)矩載荷為：墮導(dǎo)掣：，（）。叩。變速器第二軸輸出轉(zhuǎn)矩載荷為（）驢。一，。、一，即變速器中心距約束為匯警鏟糾匯（）變速器中間軸應(yīng)力約束口瓦乙叼式中一變速器軸傳遞轉(zhuǎn)矩載荷（）；一一發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；一常嚙合齒輪傳動(dòng)比，。：，；彳。，。：一常嚙合齒輪齒數(shù)；（）變速器傳動(dòng)齒輪為常嚙合斜齒輪，而斜齒輪由于萬方數(shù)據(jù)

14、年月農(nóng)機(jī)化研究各參數(shù)的最終優(yōu)化結(jié)果如表所示。表優(yōu)化結(jié)果第期叩。一齒輪的傳動(dòng)效率，取。；一變速器各擋傳動(dòng)比；叼一變速器傳動(dòng)效率，取叼。輪齒彎曲強(qiáng)度校核根據(jù)參考文獻(xiàn)相關(guān)理論，斜齒輪彎曲應(yīng)力。計(jì)算公式為篙簧廠佐。，了，式中一計(jì)算載荷（）；。一法面模數(shù)（）；彳一齒數(shù)；口一斜齒輪螺旋角（。）；巧一應(yīng)力集中系數(shù)，髟；一齒寬（）；一齒形系數(shù)，可按當(dāng)量齒數(shù)互。盧查相關(guān)文獻(xiàn)可得；一重合度影響系數(shù)，疋；。一輪齒許用彎曲應(yīng)力，倒擋許用彎曲應(yīng)力為，常嚙合齒輪和高擋齒輪許用應(yīng)力為輪齒接觸強(qiáng)度校核輪齒接觸應(yīng)力按下式計(jì)算，即與原設(shè)計(jì)參數(shù)相比，在滿足強(qiáng)度要求的條件下，優(yōu)（）化后各擋齒輪模數(shù)相同且數(shù)值減小，不但有利于減小齒輪傳

15、動(dòng)噪聲，而且方便加工；同時(shí)擋和擋齒輪對(duì)應(yīng)的螺旋角增大，使齒輪嚙合時(shí)的重合度增加，因而工。乃譬（吉者）式中仃一齒輪的接觸應(yīng)力（）；一圓周力（），；一計(jì)算載荷（）；一節(jié)圓直徑（）；僅一節(jié)點(diǎn)處壓力角（。）；口一斜齒輪螺旋角（）；卜齒面上的法向力（），。（盧）；作平穩(wěn)、噪聲降低，且齒的強(qiáng)度也得到相應(yīng)的提高。其最終所得優(yōu)化目標(biāo)值為：，與原變速器齒輪體積相七匕較，結(jié)果體積減小了，即相應(yīng)質(zhì)量減少了。參考文獻(xiàn)：吳明清，田美麗我國(guó)農(nóng)用運(yùn)輸車目前狀況及發(fā)展趨勢(shì)分析農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，（）：一齒輪材料的彈性模量（），×；一齒寬（）；：，一主、從動(dòng)齒輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑（）；斜齒輪：（，），（）盧；余志生汽車

16、理論（版）北京：機(jī)械工業(yè)出版社，葛安林車輛自動(dòng)變速理論與設(shè)計(jì)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，蔣春明，阮米慶汽車機(jī)械式變速器多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車工程，（）：，。一主、從動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑（）；礦一輪齒許用接觸應(yīng)力。對(duì)于滲碳齒輪，擋和倒擋為；常嚙合齒輪和高擋齒輪為一。王曉軍，張波，肖冠云機(jī)械設(shè)計(jì)常用可選優(yōu)化目標(biāo)及應(yīng)用研究機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，（）：王望予汽車設(shè)計(jì)（版）北京：機(jī)械工業(yè)出版社，優(yōu)化結(jié)果根據(jù)優(yōu)化程序結(jié)果，經(jīng)過分析、計(jì)算和強(qiáng)度校核，董炳武汽車變速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），（）：（下轉(zhuǎn)第頁）萬方數(shù)據(jù)年月農(nóng)機(jī)化研究第期（；，；，）：，：；（上接第頁）飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心輔助優(yōu)化計(jì)算與設(shè)計(jì)北京：電

17、子工業(yè)出版社，陳杰寶典北京：電子工業(yè)出版社，：（）一（：，），：；（上接第頁）丁貴廣，計(jì)文評(píng)，郭寶龍數(shù)字圖像編碼北京：機(jī)械工業(yè)出版社，（）：，（）：，殷際英，何廣平關(guān)節(jié)型機(jī)器人北京：化學(xué)工業(yè)出版社，：（）一，（，）：，：，：；萬方數(shù)據(jù)新型農(nóng)用運(yùn)輸車變速器傳動(dòng)齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次數(shù)：王紅偉， 徐銳良， Wang Hongwei， Xu Ruiliang河南科技大學(xué),車輛與動(dòng)力工程學(xué)院,河南,洛陽,471000農(nóng)機(jī)化研究JOURNAL OF AGRICULTURAL MECHANIZATION RESEARCH2010,32(1)1次參考文獻(xiàn)(9條)1.葛安林 車輛自動(dòng)變速理論與設(shè)計(jì)