新型农用运输车变速器传动齿轮优化设计

1、年月农机化研究第期新型农用运输车变速器传动齿轮优化设计王红伟，徐锐良（河南科技大学车辆与动力工程学院，河南洛阳）摘要：介绍了一种新型自动变速器的结构以及原理，并根据车辆变速器的设计要求和特点，建立了其优化数学模型，在满足相应设计要求的条件下，使变速器传动齿轮的质量最小。根据某车型原变速器设计参数为基础，利用优化工具箱对其进行优化设计，并对优化结果进行校核。结果表明：在满足强度要求的条件下，使其质量减轻了左右。关键词：农用运输车；变速器；优化设计；强度校核中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言农用运输车作为我国交通运输工具的重要组成部分，为我国农村经济的繁荣和发展起到了积极的推换挡拨叉等换挡

2、机构，通过控制电磁离合器的接合与分离来控制变速器动力的传递与中断，故也可省去发动机与变速器之间的主离合器。与常见的电控液压式自动变速器相比，电控电执行器式自动变速器结构简单，可省去液压系统繁多的管路、阀件以及油泵等设施。另外，换挡电磁离合器可以实现集中控制及远距离控制，并能方便地通过调节激磁电流改变离合器的工作转矩或者在连续的滑差下维持恒定的转矩。日本富士重工曾经利用电磁动作用。然而，农村道路条件的不断改善和运输多样化的需求，对农用运输车提出了新的技术要求：一是在原有承载能力不变或提高的条件下，通过优化设计减小整车装备质量；二是通过改进传动结构和传动比，以提高农用运输车的动力性、经济性，减小噪

3、声，减少尾气排放；三是采用现代化的设计手段和生产设备，进行整机优化设计制造，使农用运输车在保证较高离地间隙的同时，降低整车的中心位置，提高行驶平顺性和稳定性。离合器代替液力耦合器从而开发出无级变速传动装置（）。新型电控电执行器式自动变速器结构以图挡电控电执行器式自动变速器传动原理示意图为例（不包括倒挡），双向电磁离合器包括电磁变速器作为农用运输车传动系中最主要的一个部件，它通过改变传动齿轮比，改变发动机曲轴的扭矩，以便适应各种不同的行驶条件下对车轮的牵引力离合器主动部件（图中，）、左右从动部件（图中，）、工作线圈（图中未画出）等。以及改变不同的车速需要，其性能直接影响到农用运输车的动力性、经济

4、性、操纵性和可靠性旧，因而对农用运输车变速器的优化设计显得尤为重要【。电磁离合器主动部件分别与电磁离合器左右从动部件相接触，电磁离合器左右从动部件分别与齿轮变速箱中相应的齿轮联接，主动部分通过花键与变速器第二轴相连，并沿变速器第二轴轴向左右移动。在变速器不传递动力时，电磁离合器处于分离状态。当挂挡时，接通电磁离合器，动力由变速器第一轴一相应挡位齿轮对应电磁离合器变速器第二轴输出。换挡时，前一挡位电磁离合器逐渐分离的同时，预选挡位电磁离合器逐渐接合，当上一挡位电磁一离合器完全分离时，预选挡位电磁离合器完全接合。在换挡过程中通过对电磁离合器的合理控制，即可实现平稳换挡。、电控电执行器自动变速器原理

5、新型电控电执行器式变速器电控电执行器式自动变速器是一种全新的自动变速器形式，其原理是利用电磁离合器取代普通机械式手动定轴轮系齿轮变速箱换挡机构中的同步器及收稿日期：一基金项目：河南科技大学科学研究基金项目（）作者简介：王红伟（一），男，河南南阳人，硕士研究生，（）。通讯作者：徐锐良（一）。男，河南洛阳人，副教授。硕士生导师，（）。万方数据年月农机化研究同一电磁离合器相邻两挡换挡情况第期挂挡情况挂挡时，电控单元控制相应挡位电磁离合器接合，而其它挡位电磁离合器处于分离状态。挂挡时，在电控单元的控制下，双向电磁离合器主动部分和从动部分逐渐接合，此时动力由变速器第一轴一第对于同一电磁离合器相邻两挡换挡

6、的情况，为保证换挡的平顺性，换挡时需中间挡位作为过渡。换挡时，电控单元控制前挡位电磁离合器逐渐分离，而中间过渡挡位相应电磁离合器逐渐接合；当中间挡位完全接合后，再通过电控单元的控制由中问过渡挡位转换到最终所选挡位。以挡换挡为例，变速器挡开始分离时，先换人换挡后车速与其相近的挡，然后再由挡换入挡，即挡作为换挡中间的过渡一轴常啮合齿轮一中间轴常啮合齿轮一变速器中间轴中间轴挡齿轮第二轴挡齿轮电磁离合器从动部分÷电磁离合器主动部分一变速器第二轴输出动力。峭！、，挡位。这样就能保证在变速器换挡时，始终有电磁离幺：，合器接合传递动力，保持动力传递的连续性，实现换挡的平顺性。一，：一么优化模型的建

7、立设计变量的选取对于此种新型自动变速器，为常啮合斜齿轮传动。而斜齿轮传动，主要的参数有模数。，齿数彳，螺一一一【。旋角届和齿宽等。模数直接影响齿轮的大小和强度；螺旋角对齿轮的形状、工作噪声、强度和轴向力都一一弋有直接影响；齿宽则对齿轮工作平稳性、齿轮强度和齿轮受力的均匀程度等产生影响。因此，在齿轮传动变速器第一轴，电磁离合器从动部分第一轴常啮合齿轮，电磁离合器主动部分中，模数、齿数、螺旋角和齿宽的选择，将直接影响到齿轮传动的外廓尺寸和传动质量的好坏。所以，本次设计选择各挡传动比、法向模数。、齿轮齿数、螺旋角口和齿宽作为设计变量，即戈，算，菇其中，茗，戈，并，戈，茁叫，菇以，戈，石科，髫卢，并卢

8、，髫卢，菇。优化目标函数以变速器体积最小作为优化设计目标，由于齿轮的尺寸是决定变速器体积大小的重要因素。因此，按它们的体积之和为最小的原则来建立目标函数。第二轴挡齿轮乃第二轴挡齿轮第二轴挡齿轮幻变速器第二轴变速器中间轴扣轴挡齿轮知中间轴挡齿轮中轴挡齿轮知中轴常啮合齿轮：图电控电执行器自动变速器结构原理示意网连续换挡情况连续换挡，即逐级升挡或逐级降挡。换挡时电控单元控制前一挡位结合电磁离合器逐渐分离的同时，下一挡位相应电磁离合器逐渐接合。通过电控单元的精确控制，使前一挡位电磁离合器完全分离的同时，下一挡位电磁离合器完全接合。以挡换挡为例，换挡时电控单元控制电磁离合器主动部分向左移动，与电磁离合器

9、从动部分逐渐分离时，电磁离合器主动部分向右移动，逐渐与电磁离合器从动部分相接合。当电磁离合器主动部分与从动部分完全分离时，电磁离合器主动部分与从动部分完全接合，此时动力由，及印可得孚；（南）（气气）达式，将其分别带入式（）即可得优化目标函数（）由变速器的传动比及变速器中心距相等等关系，可分别得出毛，白，毛，磊关于设计变量的相关表由变速器第一轴第一轴常啮合齿轮中间轴常啮合齿轮一变速器中间轴中间轴挡齿轮一第二轴挡齿轮一电磁离合器从动部分÷电磁离合器主动部分变速器第二轴输出动力。心（）荟（蠢）（无勉）（）约束条件的确立【万方数据年月农机化研究第期变速器使用性能约束变速器挡传动比螺旋角的存在

10、，传递扭矩时，在齿轮上存在一定的轴向力。由于中间轴齿轮的受力特点，设计时应力求使中间轴上的轴向力趋向平衡。因而需满足中间轴常由汽车理论可知，汽车挡传动比应满足最大爬坡度和地面附着条件的要求，即：。叼式中一车总质量；啦鼍掣刚蕊（）、帅。如卵、。啮合齿轮与相应中间轴其它挡位齿轮作用于中间轴轴向力趋于平衡的约束。齿轮参数约束齿轮模数约束：晡；齿轮螺旋角约束（对于轿车变速器）：鼠。；齿宽约束：耐缸；齿轮最小齿数约束：（其中，）。一重力加速度；产滚动阻力系数；一一最大爬坡坡度角，取为一。；一一发动机最大转矩；如一主减速比；变速器传动齿轮的优化设计一驱动车轮的滚动半径；田一汽车传动系的传动效率，在计算时可

11、取；优化计算本文以参考文献中的车型参数为依据进行了优化设计：车辆总质量为，发动机的最大转矩为，驱动轮上法向反作用力为，车轮一汽车满载静止于水平路面上时驱动桥给地面的载荷；半径为，主减速比为，原变速器体积为。妒一道路附着系数，计算时取。变速器传动比范围根据文献优化工具相中的函数要求，编辑相应约束函数文件以及优化目标函数文件，并对相关设计参数进行设置，然后运行程序进行优化计算。对优化结果齿数参数取整，并利用传动比与齿数的相互关系，分别确定其它齿轮的齿数，且使各挡齿轮的齿数比应尽可能不是整数，然后利用确定的齿数重新计算传动比。同时，考虑加工工艺的要求，把齿轮螺旋角取为相同值；然后对中心距进行检验，若

12、各挡齿轮所对应的中心距不一致，则需对中心距进行修正；最后重新确定各挡齿轮的齿数及变速器各档之间传动比的比值影响变速器的使用性能。比值大会造成换档困难，一般认为比值不宜大于。考虑到换挡过程中，由于外部阻力的影响，换挡时车速常有所下降，而且换挡时车速越高，换挡过程的速度下降越多。因此，随着挡位的提高，相邻两挡传动比逐渐降低。因此变速器传动比约束条件为。变速器结构约束变速器中心距变速器中心距的大小对变速器的体积和质量有很大的影响，选择的原则是在保证传递发动机最大转矩、变速器具有最大传动比和齿轮具有足够强度的条件下，应尽量减小中心距。初选中心距可由发动机最大转矩来求，即传动比。在确定各个参数之后，需对

13、所得结果进行校核，以检验是否满足使用要求。强度校核对于长啮合斜齿轮传动，轮齿的损坏可分为轮齿折断和齿面损伤两大类，因此要对变速器齿轮的轮齿（）进行弯曲强度和接触强度的校核。瓯疋一。式中一变速器中心距系数，对于轿车取而由上述可知齿轮传递载荷取发动机输出最大转矩一计算，经常啮合齿轮传递到变速器中间轴的转矩载荷为：堕导掣：，（）。叩。变速器第二轴输出转矩载荷为（）驴。一，。、一，即变速器中心距约束为汇警铲纠汇（）变速器中间轴应力约束口瓦乙叼式中一变速器轴传递转矩载荷（）；一一发动机最大转矩；一常啮合齿轮传动比，。：，；彳。，。：一常啮合齿轮齿数；（）变速器传动齿轮为常啮合斜齿轮，而斜齿轮由于万方数据

14、年月农机化研究各参数的最终优化结果如表所示。表优化结果第期叩。一齿轮的传动效率，取。；一变速器各挡传动比；叼一变速器传动效率，取叼。轮齿弯曲强度校核根据参考文献相关理论，斜齿轮弯曲应力。计算公式为篙簧厂佐。，了，式中一计算载荷（）；。一法面模数（）；彳一齿数；口一斜齿轮螺旋角（。）；巧一应力集中系数，髟；一齿宽（）；一齿形系数，可按当量齿数互。卢查相关文献可得；一重合度影响系数，疋；。一轮齿许用弯曲应力，倒挡许用弯曲应力为，常啮合齿轮和高挡齿轮许用应力为轮齿接触强度校核轮齿接触应力按下式计算，即与原设计参数相比，在满足强度要求的条件下，优（）化后各挡齿轮模数相同且数值减小，不但有利于减小齿轮传

15、动噪声，而且方便加工；同时挡和挡齿轮对应的螺旋角增大，使齿轮啮合时的重合度增加，因而工。乃譬（吉者）式中仃一齿轮的接触应力（）；一圆周力（），；一计算载荷（）；一节圆直径（）；仅一节点处压力角（。）；口一斜齿轮螺旋角（）；卜齿面上的法向力（），。（卢）；作平稳、噪声降低，且齿的强度也得到相应的提高。其最终所得优化目标值为：，与原变速器齿轮体积相七匕较，结果体积减小了，即相应质量减少了。参考文献：吴明清，田美丽我国农用运输车目前状况及发展趋势分析农业装备与车辆工程，（）：一齿轮材料的弹性模量（），×；一齿宽（）；：，一主、从动齿轮节点处的曲率半径（）；斜齿轮：（，），（）卢；余志生汽车

16、理论（版）北京：机械工业出版社，葛安林车辆自动变速理论与设计北京：机械工业出版社，蒋春明，阮米庆汽车机械式变速器多目标可靠性优化设计汽车工程，（）：，。一主、从动齿轮节圆半径（）；矿一轮齿许用接触应力。对于渗碳齿轮，挡和倒挡为；常啮合齿轮和高挡齿轮为一。王晓军，张波，肖冠云机械设计常用可选优化目标及应用研究机械设计与制造，（）：王望予汽车设计（版）北京：机械工业出版社，优化结果根据优化程序结果，经过分析、计算和强度校核，董炳武汽车变速器的优化设计福州大学学报（自然科学版），（）：（下转第页）万方数据年月农机化研究第期（；，；，）：，：；（上接第页）飞思科技产品研发中心辅助优化计算与设计北京：电

17、子工业出版社，陈杰宝典北京：电子工业出版社，：（）一（：，），：；（上接第页）丁贵广，计文评，郭宝龙数字图像编码北京：机械工业出版社，（）：，（）：，殷际英，何广平关节型机器人北京：化学工业出版社，：（）一，（，）：，：，：；万方数据新型农用运输车变速器传动齿轮优化设计作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：王红伟， 徐锐良， Wang Hongwei， Xu Ruiliang河南科技大学,车辆与动力工程学院,河南,洛阳,471000农机化研究JOURNAL OF AGRICULTURAL MECHANIZATION RESEARCH2010,32(1)1次参考文献(9条)1.葛安林 车辆自动变速理论与设计