基于正交试验的同步器结合齿结构优化改进.pdf

QICHEYINGYONG汽车应用HEAVY TRUCK重型汽车33基于正交试验的同步器基于正交试验的同步器结合齿结构优化改进结合齿结构优化改进体网格大小设置为 1mm，在齿根圆角部分进行局部控制设置为 0.2mm，总单元数751950个，总节点数2493204个。整个网格划分结果如图 2 所示。图 2 同步器结合齿网格划分情况变速器同步器实际使用中，结合齿圈与同步滑套结合，此时结合齿圈的结合齿与同步滑套的内齿啮合，进而将主轴上的扭矩传递到挡位齿轮上。本文采用变速器在1挡传动时传动比为3.46，输入扭矩为 2500Nm，转化为 63 齿的结合齿圈齿面的扭矩。由公式：可得扭矩为 8650Nm，由于结合齿齿面均匀受力，内壁面施加固定约束，如图 3 所示。图 3 同步器结合齿边界条件设置按实际啮合面施加扭矩 8650Nm后，求解得到如图 4 所示的应力云图，可以看到最大应力位于结合齿齿根处，齿根最大应力 506.19MPa，应力小于材料的屈服强度 785MPa。另外，在结合齿啮合齿面、倒角面与结合齿倒角面三者相交位置，应力值也是接近400MPa，由此可见齿根处是应力集中区域。这与同步器结合齿的断齿故障表现相吻合。图 4 同步器结合齿最大等效应力分布2 同步器结合齿结构优化仿真方案设计表 1 正交试验各因素水平表水平齿根圆角（mm）倒角处圆角（mm）结合齿倒角 角 度（）10.40.410020.60.610430.80.810841.01.0112正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法，具有“均匀分散、整齐可比”的优点，能够通过对实验结果引言引言同步器的使用极大提升了重卡变速同步器的使用极大提升了重卡变速箱换挡过程的平顺性，全同步器箱型市箱换挡过程的平顺性，全同步器箱型市场占有率逐年增长。近年来同步器结合场占有率逐年增长。近年来同步器结合齿售后断裂故障率上升，严重影响了顾齿售后断裂故障率上升，严重影响了顾客驾乘体验。本文将对同步器结合齿受客驾乘体验。本文将对同步器结合齿受力状态开展分析，并依据分析结果进一力状态开展分析，并依据分析结果进一步探究结构改进方向。步探究结构改进方向。1 同步器结合齿受力分析结合齿圈是同步器中承受扭矩的关键部件，其上结合齿设计参数包括齿根圆角 R1、倒角处圆角 R2、结合齿倒角开口角度 A。三个参数对结合齿的结构强度影响较大。以某 12 挡箱型所用同步器为例，其设计参数依次为0.60mm、0.60mm、112，如图 1 所示。图 1 同步器结合齿圈关键参数建立结合齿圈的全尺寸三维模型并将其导入 CAE 仿真软件中进行结构力学分析。使用六面体网格划分方法，整文/姚美华 王旭之 郭津玮 马 骏（中国重汽集团济南动力有限公司）【摘 要摘 要】同步器的使用极大提升了重卡变速箱换挡过程的平顺性，全同步器箱型市场占有率逐年增长。近年来同】同步器的使用极大提升了重卡变速箱换挡过程的平顺性，全同步器箱型市场占有率逐年增长。近年来同步器结合齿售后断裂故障率上升，严重影响顾客驾乘体验。本文对同步器结合齿受力状态进行了仿真分析，发现齿步器结合齿售后断裂故障率上升，严重影响顾客驾乘体验。本文对同步器结合齿受力状态进行了仿真分析，发现齿根位置为应力集中区域，失效风险最大。通过正交试验设计方法得出了齿根圆角、倒角处圆角及结合齿倒角开口角根位置为应力集中区域，失效风险最大。通过正交试验设计方法得出了齿根圆角、倒角处圆角及结合齿倒角开口角度最佳参数，为同步器设计提供了依据。度最佳参数，为同步器设计提供了依据。【关键词关键词】同步器；结合齿；有限元分析；正交试验同步器；结合齿；有限元分析；正交试验重型汽车HEAVY TRUCK34的分析得到各因素的影响顺序、影响趋势、最优的组合等结果。本节采用正交试验的方法来设计试验方案。三个参数的取值范围如表 1 所示。使用数据管理统计工具中的田口设计模块，选择三因素四水平后，根据L16（45）正交表的第 1 至 3 列得出了试验次数为 16 次的正交试验表格，如表 2 所示。表 2 正交试验表序号组合试验因素齿 根 处圆角（mm)倒 角 处圆角（mm)结 合 齿倒 角 角度（)1A1B1C10.40.41002A1B2C20.40.61043A1B3C30.40.81084A1B4C40.41.01125A2B1C20.60.41046A2B2C10.60.61007A2B3C40.60.81128A2B4C30.61.01089A3B1C30.80.410810A3B2C40.80.611211A3B3C10.80.810012A3B4C20.81.010413A4B1C41.00.411214A4B2C31.00.610815A4B3C21.00.810416A4B4C11.01.01003 正交试验结果分析及优化依据 16 组正交试验参数分别建立相对应的模型并施加相同边界条件，得出的同步器结合齿圈最大等效应力数值汇总如表 3 所示。表 3 正交试验结果汇总表序号组合最大等效应力（MPa）序号组合最 大 等效 应 力（MPa）1A1B1C1604.49A3B1C3 508.122A1B2C2 616.6610A3B2C4 490.513A1B3C3 594.8711A3B3C1 458.564A1B4C4 593.2312A3B4C2 483.635A2B1C2 578.9313A4B1C4 488.706A2B2C1 525.2714A4B2C3 422.047A2B3C4 456.6715A4B3C2 460.778A2B4C3 481.1116A4B4C1 512.64利用上表数据，依据正交试验结果分析的极差分析方法，可以得到以结合齿圈最大等效应力为指标的极差分析表，如表 4 所示。由表 4 数据可知，同步器结合齿圈齿根处圆角大小对结合齿的最大等效应力影响最显著，其次是倒角圆角大小，结合齿倒角角度对其影响相对最小。三个因素的主次顺序为 ABC，即齿根处圆角 1.0mm、倒角处圆角 0.8mm、结合齿倒角角度 108。表 4 K 值分析表K 值/因素齿根处圆角（mm）倒角处圆角（mm）结合齿倒角角度（）k1602.29545.04525.22K2510.50513.62535.00K3485.21492.72501.54K4471.04517.65507.28R 值131.2552.3233.46主次顺序齿根处圆角 倒角处圆角 结合齿倒角角度优水平1.0（4）0.8（3）108（3）利用上表数据，将各因素的水平值作为横坐标，对应的 K 值作为纵坐标，可以得到各因素对结合齿最大等效应力的影响趋势，如图 5 所示。图 5 各因素对结合齿最大等效应力影响趋势图由上表可以看出，随着齿根圆角增大，结合齿最大等效应力值越来越小。可见，圆角增大可优化齿根处的应力分布，避免产生应力集中。圆角从 0.4mm增大到 0.8mm 的过程中，最大等效应力下降明显，从 0.8mm 增大到 1.0mm的过程中曲线斜率变化不大。综合考虑结合齿加工工艺可行性，齿根圆角优化为 0.8mm 不仅能够改善结合齿的应力分布，也能避免因圆角过大使得加工更困难。随着倒角处圆角的增大，在0.4mm 增大到 0.8mm 的过程中，最大等效应力逐渐下降，在由 0.8mm 增大到 1.0mm 的过程中又有所增大，在0.8mm 时达到了最小。根据以上数据可以推断，倒角处圆角大小在 0.8mm时，可优化该处应力分布到最小。随着结合齿倒角角度逐渐增大，结合齿最大等效应力整体上呈下降趋势，在 108时应力值最小。结合齿倒角角度变化对结合齿最大等效应力影响弱于前两者，从数值上看取 108是最优选择。通过上述分析可知，三个影响因素分别选择0.8mm、0.8mm、108是最佳参数。4 同步器结合齿结构优化验证已优化后的的最佳参数齿根圆角0.8mm、倒角处圆角 0.8mm、结合齿倒角开口角度 108进行 CAE 仿真分析，结合齿等效应力分布结果如图 6 所示。图 6 优化后结合齿应力分布云图由上图中的应力分布可知，优化结构参数后的同步器结合齿最大等效应力为 441.06MPa，相对于优化前的最 大 等 效 应 力 506.19MPa，减 小 了65.13MPa，下降占比为12.87%。可见，选用优化后的结构参数能够对结合齿的应力分布和局部区域的强度起到优化提升的作用。结合齿倒角角度从 112减小到 108更利于提升换挡平顺性，避免在滑套挂入结合齿圈过程中出现卡滞现象，一定程度上能够降低同步器结合齿断齿故障发生的概率。5 结论本文通过对同步器结合齿建立仿真模型并分析其工况下的受力分布，得出结合齿齿根处为应力集中区域的结论。通过正交试验设计得出结合齿最佳结构参数为齿根圆角 0.8mm、倒角处圆角 0.8mm、结合齿倒角开口角度108。优化结构参数后的同步器结合齿最大等效应力相对于优化前减小了65.13MPa，下降了 12.87%，故优化方案能够降低同步器结合齿断齿故障发生的概率，为同步器设计提供了依据。参考文献略。