某手动变速器力学特性分析与疲劳可靠性研究

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。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 本课题的研究背景和意义

1．2 本课题的研究现状及发展

1．2．1 手动变速器设计与齿轮动力学分析研究现状

1．2．2 变速器零部件疲劳寿命预测与疲劳试验方法研究现状

1．2．3 时变可靠性模型与可靠度计算方法研究现状

1．3 本课题主要研究内容

1．4 本文主要技术路线

第二章 变速器总成多体动力学模型的建立

2．1 多体动力学软件简介

2．2 多体动力学模型的搭建

2．2．1 齿轮参数化模型的搭建

2．2．2 其余零部件建模与变速器总成的装配

2．2．3 边界条件的选择

2．3 动力学模型的分析验证

2．3．1 运动学验证

2．3．2 动力学验证

2．4 本章小结

第三章 基于刚柔耦合模型的变速器齿轮寿命分析方法

3．1 基于模态叠加法的齿轮应力谱提取方法

3．1．1 模态叠加法的基本理论

3．1．2 变速器总成刚柔耦合模型的建立

3．1．3 刚柔耦合模型与刚体模型的比较与分析

3．1．4 齿轮应力载荷谱的导出方法

3．2 齿轮应力谱的分析验证

3．2．1 完全法瞬态动力学分析求解理论

3．2．2 完全法瞬态动力学分析求解过程

3．2．3 刚柔耦合模型应力谱的分析验证

3．3 变速器齿轮疲劳寿命的分析验证

3．4 本章小结

第四章 变速器关键零部件可靠度分析

4．1 日常道路载荷谱采集试验方案

4．1．1 载荷谱采集试验的准备

4．1．2 载荷谱的采集与处理

4．2 典型工况下齿轮时变可靠度计算方法

4．2．1 齿轮时变可靠度计算概述

4．2．2 齿轮强度计算理论

4．2．3 齿轮应力计算理论

4．2．4 以行驶里程为寿命度量指标的齿轮时变可靠度计算方法

4．3 典型工况下轴承时变可靠度计算方法

4．3．1 轴承时变可靠度计算概述

4．3．2 轴承载荷分解与L-P寿命模型

4．3．3 轴承典型工况时变可靠性理论

4．4 本章小结

第五章 变速器总成可靠性模型的建立与分析

5．1 系统传递路径与可靠性模型的搭建

5．1．1 系统传递路径

5．1．2 系统可靠性模型的搭建

5．1．3 基于故障模式分析的系统可靠度表达式

5．2 系统可靠性模型的分析

5．2．1 零部件灵敏度分析

5．2．2 零部件主要参数对可靠性的影响

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

参考文献

附录

攻读硕士期间的学术活动及成果情况