变速器轴设计校核方法研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 9 4 2.17MB 75 页 15积分
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摘 要
变速器轴是变速器的主要部件，肩负着传递发动机动力的重任，直接影响着
变速器的工作可靠性和寿命。由于变速器轴在工作时承受发动机传递的扭矩和齿
轮啮合的圆周切向力、径向力和斜齿轮的轴力，则在变速器设计时对轴的刚度要
求较高，如果刚度不足，会引起轴的弯曲变形，破坏齿轮的正常啮合而产生过大
的噪声，降低齿轮的强度、耐磨性及寿命。
本文在对变速器轴的校核方法进行了总结、研究的基础上，制定了变速器轴
校核计算的具体流程。进行了变速器输入、输出轴受力的分析研究，尤其是对三
支撑超静定的输入轴支撑反力的计算方法的研究。通过将当量轴径法和能量法两
种校核方法在变速器轴校核的应用研究，得出了两种方法的计算精度和适用范围。
针对变速器轴校核计算过程繁琐的问题，运用计算机计技术，以能量法为变速器
轴校核计算方法，采用在 Microsoft Visual Studio 2005.NET 开发环境下，运用
ASP.NET 技术与 C#语言相结合，研究并开发了基于 Web 技术的汽车变速器轴校
核系统。并且，根据设计师的实际需求，完成了对程序功能模块的设计、划分和
人机交流界面的人性化设计。为变速器轴的设计校核提供了高效、便捷的工具。
随着变速器设计方法的不断进步，有限元法在变速器设计中得到了广泛的应
用。本文使用 ANSYS 软件对变速器轴进行了静态和动态的有限元分析，得到了
轴的应力云图、模态振型图和谐响应谱线，通过这些结果可以发现变速器轴的薄
弱环节，对优化设计提供有效的帮助。
关键词：变速器 轴 校核计算 程序开发 有限元分析
ABSTRACT
Shaft of transmission is the main component of transmission, by which the power
is transfer from engine to driving axle, and it affects the working reliability and life of
transmission directly. Because the shaft working under the engine torque and the
circumference of tangential, radial force and helical gears of axial force caused by gear
engagement, so, in transmission design, the requirements of shaft rigidity was higher,
if the shaft rigidity is insufficient, can cause bending deformation of the shaft and
normal gear engagement, reduce the intensity, abrasion resistance and life, and also
cause excessive noise.
Based on the research and summarize of the checking method of transmission
shaft was studied, the specific processes of shaft checking was determined. Analyzed
the force on the input and output shaft. Especially the support force calculation method
of input shaft which is the three support super quiescent shaft was studied. By study of
the application of the equivalent method and the energy method in transmission shaft
checking work, the two methods of calculating precision and applicable range was got.
In order to solve the problems on the fussy calculation of shaft checking work, this
paper develop a shaft checking web program, which is using asp.net technology
combined with C# and in the environment of Microsoft Visual Studio 2005 .NET. Also,
according to the actual needs of designer, completed the program function module
partition, design, man-machine communication interface and humanized design. And a
efficient and convenient tool was provide for the transmission shaft checking and
design.
With the progress of transmission design method, the finite element method in
transmission design has been widely used. In this paper, the static and dynamic
performance of transmission shaft was analyzed by ANSYS, and can got the stress
contours, the modal shape and the harmonic response curve. Through these results, the
designer can find the weak point of the transmission shaft, and provide effective help
for the optimized design。
Key Word: Transmission, Shaft, Check Calculation,
Program Development, FEA
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................... 1
§1.1 课题来源 ..................................................................................................... 1
§1.2 课题意义 ..................................................................................................... 1
§1.3 课题研究领域发展概况 ............................................................................. 2
§1.3.1 变速器轴计算国内外研究现状及分析 .............................................. 2
§1.3.2 有限元方法的发展历史与国内外研究现状 ...................................... 3
§1.4 课题研究的主要内容 ................................................................................. 5
第二章 变速器轴的校核 ...................................................................................... 7
§2.1 变速器轴的校核流程 ................................................................................. 7
§2.2 校核计算的初始参数 ................................................................................. 7
§2.3 变速器轴受力分析与计算 ......................................................................... 8
§2.3.1 变速器轴受力分析 .............................................................................. 8
§2.3.2 主减速器齿轮受力情况计算 .............................................................. 9
§2.3.3 变速器轴弯矩计算 ............................................................................ 10
§2.3.4 支撑反力计算 .................................................................................... 10
§2.4 变速器轴的刚度校核 ............................................................................... 14
§2.4.1 输入轴刚度校核 ................................................................................ 15
§2.4.2 输出轴刚度校核 ................................................................................ 21
§2.5 本章小结 ................................................................................................... 21
第三章 基于 Web 技术的变速器轴校核程序开发 ...........................................23
§3.1 校核程序需求分析 ................................................................................... 23
§3.1.1 校核程序目标 .................................................................................... 23
§3.1.2 校核程序功能分析 ............................................................................ 23
§3.1.3 变速器轴校核流程 ............................................................................ 23
§3.2 校核程序设计 ........................................................................................... 25
§3.2.1 校核程序模型和模块描述 ................................................................ 25
§3.2.2 系统体系结构 .................................................................................... 31
§3.2.3 软件平台设计 .................................................................................... 32
§3.3 系统开发工具与技术 ............................................................................... 33
§3.3.1 .NET Framework ................................................................................ 33
§3.3.2 C#语言 ................................................................................................34
§3.3.3 ASP.NET .............................................................................................34
§3.3.4 ASP.NET AJAX ..................................................................................35
§3.3.5 Visual Studio 2005 ..............................................................................36
§3.3.6 ABCpdf.net .........................................................................................36
§3.3.7 PDF 文档 ............................................................................................36
§3.4 本章小结 ................................................................................................... 37
第四章 静态和动态性能分析的基本理论 ........................................................ 39
§4.1 有限元方法介绍 ....................................................................................... 39
§4.2 有限元方法的基本原理 ........................................................................... 39
§4.3 弹性力学基本方程 ................................................................................... 40
§4.4 静态性能分析的有限元法 ....................................................................... 42
§4.5 动态性能分析的有限单元法 ................................................................... 44
§4.5.1 结构动力学方程 ................................................................................ 44
§4.5.2 结构的固有振动性能分析 ................................................................ 44
§4.5.3 结构的动力响应分析 ........................................................................ 45
第五章 变速器轴的有限元分析 ........................................................................ 51
§5.1 ANSYS 的应用特点 ................................................................................. 51
§5.2 变速器轴有限元模型 ............................................................................... 51
§5.2.1 模型建立 ............................................................................................ 51
§5.2.2 材料属性与网格划分 ........................................................................ 52
§5.2.3 约束条件与载荷分布 ........................................................................ 54
§5.3 变速器轴静力分析 ................................................................................... 55
§5.4 变速器轴动态分析 ................................................................................... 56
§5.4.1 模态分析的内容与方法 .................................................................... 56
§5.4.2 谐响应分析 ........................................................................................ 60
§5.5 本章小结 ................................................................................................... 62
第六章 总结和展望 ............................................................................................ 63
§6.1 课题论文总结 ........................................................................................... 63
§6.2 本文创新点 ............................................................................................... 63
§6.3 后续工作展望 ........................................................................................... 64
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题来源
上海汽车齿轮总厂与上海理工大学联合开发项目——上海汽车变速器有限公
司变速器设计开发系统的研制
§1.2 课题意义
汽车问世百余年来，特别是从汽车产品的大批量生产及汽车工业的大发展以
来，汽车己为世界经济的大发展、为人类进入现代生活，产生了无法估量的巨大
影响，为人类社会的进步做出了不可磨灭的巨大贡献[1]。
进入 21 世纪以来，中国汽车工业发展迅猛，至 2007 年已成为世界第三大汽
车生产国和第二大汽车销售市场。面对激烈的市场竞争，汽车生产厂家不断加大
在研发方面的投资力度。快速而高效地开发新产品以适应不断变化的市场需求成
为各大车商不懈追求的目标[2]。
作为汽车的核心部件之一，变速器始终是汽车研发的热点领域。因此，加快
变速器的开发速度成为提高整车研发效率的关键。汽车变速器作为汽车传动系统
的关键总成，其主要的功能是转变发动机曲轴的转矩及转速，以适应汽车在起步、
加速、行驶以及克服各种道路障碍等不同行驶条件下对驱动车轮牵引力及车速的
不同要求的需求。变速器的结构对汽车的动力性、经济性、操纵的可靠性与轻便
性、传动的平稳性与效率等都有着直接的影响[3]。
近年来随着汽车技术的发展，对汽车变速器承载能力以及工作可靠性的要求
越来越高，变速器设计研究工作中对变速器主要零部件的强度、刚度的计算、校
核其意义十分重大。用有限元法对变速器主要零部件进行强度分析可以综合考虑
变速器的所有结构参数，全面掌握变速器的受力状况和应力水平。使用有限元分
析软件 ANSYS 对变速器进行强度分析，可对变速器的强度设计提供可靠的依据。
由于现代发动机转速的提高和变速器的结构优化，使得变速器的结构振动问题日
益突出。汽车传动系统是一个多质点的弹性扭转振动系统，其载荷随汽车使用工
况而变化并承受冲击载荷，往往变速器一轴的载荷会超过发动机的最大扭矩。汽
车行驶时，来自发动机和路面的干扰力，以及传动系构件转速变化产生的惯性力
矩，都会引起传动系的扭振和载荷变化。例如传动轴转动不平衡时，会引起弯曲
和振动。汽车在起步、换档、制动等非稳定工况下，传动系因受非周期的冲击性
干扰而受激振动，产生很大的动载荷。即使在稳定的工况下，传动系也会有来自
发动机、传动系本身等周期性十扰力的作用下发生强迫振动。因此，除应采取措
变速器轴设计校核方法研究
2
施减少振动外，在设计中，应尽量避免引起共振，应使传动系的固有频率远离汽
车经常工作的转速范围，并使传动系统本身具有吸振功能。因此作为汽车传动系
的主要部件，变速器的结构动态特性研究是变速器减振降噪及可靠性研究的重要
内容[1]。
变速器轴是变速器的主要部件，肩负着传递发动机动力的重任，直接影响着
变速器的工作可靠性和寿命。由于变速器轴在工作时承受发动机传递的扭矩和齿
轮啮合的圆周切向力、径向力和斜齿轮的轴力，则在变速器设计时对轴的刚度要
求较高，如果轴的刚度不足，会引起弯曲变形，破坏齿轮的正常啮合而产生过大
的噪声，降低齿轮的强度、耐磨性及寿命[1]。但并不能仅为了满足轴的刚度要求
而增大轴的直径，因为过大的轴径会导致变速器的转动惯量的增大，从而导致系
统惯性和振动的增大，降低了系统的可操作性和灵敏性。
调查表明，手动变速器(Manual Transmission，MT)凭其传动效率高、结构紧
凑、重量轻，制造工艺成熟等诸多优点，在中国乘用车市场占到了主导地位[4]。
作为 MT 关键部件之一，变速器轴的设计过程相当繁琐，而且传统计算方法的设
计效率和设计精确不是很高。本课题通过对 MT 变速器轴的分析和研究编制变速
器轴设计系统，通过设计系统进行计算，设计人员只需填写关键数据，就可以得
到设计结果。这样就会大大降低设计人员的劳动强度，提高设计效率和设计精度，
在变速器轴设计过程中具有一定的现实意义。
§1.3 课题研究领域发展概况
§1.3.1 变速器轴计算国内外研究现状及分析
目前，变速器轴的方法主要有两种：一是试验研究，以变速器轴的实际试验
数据、结果为基础，分析强度和变形，这种方法实用性较强；二是分析计算，利
用经典力学、有限元、边界元等方法，通过建立零部件的模型，以计算结果为基
础研究其强度。由于试验研究需要花费较长的时间和高昂的费用，而且，试验研
究只能在已制成的产品上进行，设计阶段则无法进行。因此，人们很早就致力于
用分析计算的方法研究变速器的强度。
而变速器轴计算的项目很多，计算工作量很大，以前主要采用手工计算，效
率比较低。由于变速器轴设计是一个不断比较、不断优化的过程，因此反复计算
工作量很大，如果是手工计算的话，显然处理的速度很慢，会影响工程的速度。
另外在计算方法上往往只能采用比较简单的估算法，计算的精度低，这样都不利
于变速器轴优化设计，因此利用计算机优化设计是相当必要的。
第一章 绪 论
3
计算机工业的迅速崛起和发展，为我们提供了先进的计算工具，从硬件和软
件上为我们创造了条件，所以开发变速器轴计算系统是非常必要的，并且也是可
能的。过去的变速器轴计算主要是在个人电脑上用 Basic 和QB 语言编写的一些
程序，但这些程序只是一些单个的计算项目，而且主要是在 DOS 操作系统下开发
的，程序员考虑的更多的是程序设计中的算法而不是界面，程序员的精力集中于
完成任务的过程，而不是用户与该过程之间的交互方式。因此，程序运行的过程
只是启动、进行某项工作，然后退出或中止。由于这些因素的限制，程序使用很
不方便，并且各个计算项目之间很难形成系统。
现在要开发的计算系统在很多方面不同以往编制的程序，区别主要在于：第
一、把一些相关的计算项目集合起来，形成系统。第二、着重解决的是人机交互
界面问题。新的系统要提供直接与用户见面的数据处理界面和操作命令。数据处
理界面包括数据输入窗口、计算模型窗口和计算结果窗口;操作命令包括主菜单、
子菜单和命令按钮。第三、要解决的是数据的管理问题，包括数据在程序系统中
的一致性、共用性和数据的存储。第四、输出打印为统一的文本格式，不需要重
新撰写打字[5]。
§1.3.2 有限元方法的发展历史与国内外研究现状
目前，对机械结构静、动态性能的研究主要有三种基本方法，即理论建模及
分析方法、实验建模及分析方法和二者相结合的方法[6]。
所谓理论建模及分析方法是基于结构动力学原理，根据结构的设计方案、图
样、先验知识和资料等建立起模拟机械结构静力与动力特性的力学模型，而无需
依赖于已有的机械设备。这种方法的不足在于建立能够确切模拟机械结构静、动
态特性的力学模型较为困难，就目前的各种理论建模方法而言，都存在一些难以
确定的因素，如难于对机械结构各种工况下的边界条件考虑和处理得与实际工况
完全吻合，也难于把机械结构中各种结合部的模型及其等效力学参数考虑和实际
工况完全吻合，加之结构简化、近似计算等带来的误差，影响了所建力学模型的
模拟精度。所以，提高理论模型对机械结构动态性能的模拟精度，使之满足工程
实际需要，是机械结构动态性能理论分析方法必须解决的首要问题[7]。
目前，对一般机械结构的理论建模，除应慎重使用几种参数法或传递矩阵法
建模外，最主要的建模方法是有限元法。本课题主要就是通过有限元法对模型进
行静动态性能分析，它包括静力学问题有限元法和动力学问题有限元法[8]。
有限元法的基本思想早在 20 世纪 40 年代就已出现。
1943 年Courant[9]首先提
出了将一个连续求解域剖分成有限个分片连续的小区域的组合，即离散化的概念。
第一次尝试了用定义在三角形区域上的分片连续函数与最小势能原理相结合，求
变速器轴设计校核方法研究
4
解扭矩问题近似数值解，并把这种方法称为变分问题的瑞利—里兹解法。1950 年，
一些飞机设计师如 Turner, Clough, Martin 和Topp 等人，将上述分片插值、整体
逼近的基本思想和方法用于飞机的整体结构设计，并获得成功。他们将结构力学
中的矩阵位移法推广应用于弹性力学平面问题，采用直接刚度法，即按照弹性理
论的基本原理建立起分片小区域上的特性方程，第一次采用电子计算机求答。1956
年，他们发表了这一研究的第一篇报告[10]。开创了求得整体正确解的这种求解复
杂弹性平面问题的全新局面。1960 年，Clough 首次提出“有限元”这一名词[11]。
从此，有限元法作为一种强有力的数值计算方法，伴随着电子计算机的广泛应用
和发展，开始在科学技术领域发挥其巨大的功效。
为了扩展有限元法的应用领域，1963 年Melosh 等人证明了有限元法是里兹
法的另一种形式，其有限元方程可以用变分原理建立。从而确认了有限元法是处
理连续介质问题的一种普遍方法。
60 年代后期，人们进一步利用加权余量法研究
单元特性，又发展了建立有限元方程的伽辽金法。该法在建立有限元方程时不需
要变分原理，因为对那些找不到相应泛函的特殊问题，有限元法仍然可以成功地
加以应用。有限元法的应用领域进一步得以扩展。
近40 年来，由于众多学者的不懈努力，加之计算机技术的突飞猛进，有限元
方法也得到不断的发展，除协调单元法外，又发展了非协调单元法及杂交单元法
等，应用领域也得以迅速扩展。就固体力学而言，有限元法的应用已由平面问题
扩展到空间问题、板壳问题，由线形问题扩展到非线性问题，由静力平衡问题扩
展到动态问题、稳定性问题和波动问题，等等。有限元法在工程设计中的作用也
十分显著，已从过去传统的分析、校核设计模式发展为计算机辅助静、动态优化
设计。有限元法作为一种具有广泛应用前景和效力的数值计算方法，正伴随着科
学技术的发展，在人类社会进步的过程中发挥着重大作用[12]。
在机械工程方面，小到螺栓、轴承等通用零件，大到机床、汽车、飞机等复
杂结构的应力和应变分析，采用有限元方法计算均可以获得一个足够精确的近似
解来满足工程实际上的要求。
目前，一些大型通用的有限元结构分析程序，如著名的 ANSYS, NASTRAN,
ABAQUS, ASKA , ADINA 等，都具有较强的静、动力分析能力，如振动、频率、
瞬态响应和谱分析等的求解功能，对于一般的工程结构分析问题，都可以直接用
通用程序求解，大大促进了结构静、动态分析的发展。
摘要：

摘要变速器轴是变速器的主要部件，肩负着传递发动机动力的重任，直接影响着变速器的工作可靠性和寿命。由于变速器轴在工作时承受发动机传递的扭矩和齿轮啮合的圆周切向力、径向力和斜齿轮的轴力，则在变速器设计时对轴的刚度要求较高，如果刚度不足，会引起轴的弯曲变形，破坏齿轮的正常啮合而产生过大的噪声，降低齿轮的强度、耐磨性及寿命。本文在对变速器轴的校核方法进行了总结、研究的基础上，制定了变速器轴校核计算的具体流程。进行了变速器输入、输出轴受力的分析研究，尤其是对三支撑超静定的输入轴支撑反力的计算方法的研究。通过将当量轴径法和能量法两种校核方法在变速器轴校核的应用研究，得出了两种方法的计算精度和适用范围。针对...

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