变速器输入轴强度分析及其影响因素研究

【摘要】输入轴是变速器中机械齿轮传动机构的重要零件之一，其工作时承受弯矩和扭矩。文章建立了某变速箱齿轮传动机构的模型，运用MASTA软件对输入轴进行了仿真分析，确定了输入轴承受较大应力的位置，并通过改变输入轴的设计结构，研究输入轴结构对轴的强度分析的影响因素。结果表明，输入轴强度在结构设计上受多种因素影响，其中影响较大的因素为壳体刚度、轴过渡圆角设计和轴盲孔深度设计。

【关键词】输入轴；强度分析；MASTA；仿真分析

【中图分类号】U463.212【文献标识码】A【文章编号】1674-0688（2019）04-0040-04

0引言

输入轴是手动变速器齿轮传动系统中的重要零件之一。输入轴通过其前端的花键与离合器从动盘花键连接，将发动机的输出扭矩传递给各级齿轮组和其他部件后传递至汽车车轮，使汽车能够正常行驶。变速器的输入轴承受循环载荷，在工作时承受扭矩和弯矩，不仅要具备足够的强度和刚度，还要在设计过程中保证在最大载荷下有足够的疲劳安全系数，否则会出现输入轴强度不足、断裂或轴耐久疲劳失效导致的手动变速器无法换挡等问题，因此对变速器输入轴进行强度分析具有重要意义[1]。

本文主要使用传动系统运动分析软件MASTA建立变速器输入轴的运动仿真模型，对输入轴上各位置承受的应力进行分析，从而确定输入轴承受最大应力的位置，并通过改变输入轴的设计结构，研究输入轴结构对轴的强度分析的影响因素，进而总结出输入轴强度分析结果和结构因素及其贡献量。

1输入轴强度分析校核指标

本文在MASTA软件中采用SMT方法进行轴类强度分析。MASTA软件中轴类强度分析校核指标较多，按类型划分为位移量类、变形量类、应力值类、力矩值类、安全系数等。本文采用疲劳安全系数、径向变形、弯曲应力3项指标进行分析。

1.1疲劳安全系数

在MASTA软件中，安全系数（Safety Factor，SF）的定义为在所选工况或载荷谱完成后预测的轴离失效的接近程度。安全系数大于1，表明轴在本载荷谱下不会失效；安全系数小于1，表明轴在本载荷谱下会失效。在手动变速器设计过程中，当输入轴的疲劳安全系数大于1时，才能满足设计要求。

1.2径向变形

径向变形（Radial Deformation，RD）指的是轴类零件的轴线在其轴截面的半径方向上的偏移量。当输入轴发生径向变形时，轴线形状发生改变。这将引起轴上齿轮错位，过大的错位将会使得齿轮间不能正常啮合，容易影响输入轴寿命及与其啮合的齿轮的寿命，并会产生传动系统运转不平稳进而产生NVH问题。

1.3弯曲应力

弯曲应力（Bending Stress，BS）指的是轴类零件或梁类零件在承受纵面的横向弯矩或其他载荷时，其横截面上产生的应力。其中，垂直于截面的应力称为正应力，在横截面内的应力称为切应力[2]。弯矩产生的正应力是影响强度和刚度的主要因素，以下主要对弯曲正应力进行分析。弯曲应力其最大值发生在壁厚的表面处，设计时一般取最大值进行强度校核。本文研究的变速器输入轴属于转轴，既承受与传递发动机扭矩，也承受来自轴承及齿轮所给予的横向力，受力工况较为复杂。当输入轴弯曲应力超过其材料许可应力极限时，输入轴将会发生失效，影响变速器正常工作。

2变速器输入轴强度分析

2.1建立输入轴仿真分析模型

本文使用传动系统运动仿真软件MASTA建立了变速器的运动仿真模型。在变速器总成组件里依次进行轴、齿轮副和同步器组件的建模，再从轴承库里选用各类轴承进行合理装配，对于壳体或差速器此类异形件使用有限元导入的方法完成建模。最终搭建好的手动变速器的MASTA仿真模型如图1所示。

2.2仿真模型功率流分析

仿真模型建好后，进行功率流分析，以检查模型的准确性[3]。在变速器设计中，对前进挡而言，一挡速比最大，输出转速最低且输出扭矩最大。故一挡100%扭矩工况下，一挡齿轮所传递扭矩最大，齿轮的啮合力最大，对于输入轴的考验也最大。因此，本文采用一挡100%扭矩工况对变速器输入轴进行强度分析。

变速器输入轴强度分析及其影响因素研究

黄德健1，杨晓彤1，陆凌云1，刘奕驿2，潘琦林2

（1．上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007；2．武汉理工大学，湖北武汉430000）【作者简介】黄德健，男，广西河池人，本科，上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心工程师，从事变速器开发工作。

2.3输入轴应力分析

为了识别出输入轴应力集中处，需要进行系统应力分析。通过系统应力分析，可以得到系统中各部件在运行时的受力情况。将运行工况设置为一挡100%扭矩工况，进行系统受力分析，得到输入轴各处的受力情况（如图2所示）。

观察图2可知，输入轴中间轴段承受的应力最大，如图3中A点处应力为257.5MPa，B处应力为218.9MPa，这两处最容易发生失效与破坏。因此，本文着重研究A、B处，改变输入轴的结构参数，从疲劳安全系数、径向变形、弯曲应力3个指标进行对比分析，得到对输入轴的受力变形影响较大的因素。

3变速器输入轴强度影响因素研究

3.1壳体对输入轴强度的影响

图1表示含有变速器壳体的有限元仿真模型，其壳体的刚度根据设计阶段的实际数值设定。在变速器实际工作时，壳体因受到悬置、变速器齿轮组及轴承的作用力而产生变形，导致轴承产生径向或轴向位移，输入轴的中心线产生偏移，影响轴上齿轮的正常啮合，进而导致输入轴产生变形。

为了更加直观地研究变速器壳体刚度对输入轴的影响，将图1中的变速器壳去掉，则MASTA会将原本安装在壳体轴承座上的外圈固定在软件设定的模拟地面上，相当于在图1的模型中将变速器壳体的刚度设置为无穷大[3]。对此模型进行系统应力分析，计算输入轴的疲劳安全系数、径向变形、弯曲应力，并与在有壳体情况下的计算结果进行比较，得到变速器刚度大小对输入轴的几个指标的影响。计算结果如图3所示。

由图3可知，使用壳体刚度无限大的变速器仿真模型计算，相对于有壳体的仿真模型，输入轴的疲劳安全

系数有稍微减小，弯曲应力基本没有变化，而A、

B处的径向变形明显降低。这说明变速器壳体的刚

度对输入轴的径向变形影响较大，对疲劳安全系

数、弯曲应力影响较小。

3.2轴过渡圆角对输入轴强度的影响

在轴的截面变化处（如台阶、横孔、键槽等），

会产生应力集中，引起轴的疲劳破坏。考虑此输入

轴的A、B两处均为截面变化处，以下将分析A、

B两处的过渡圆角的大小对输入轴的疲劳安全系

数、径向变形、弯曲应力的影响。按《机械设计手

册》第5版第2卷要求：轴截面的过渡圆角与轴端

直径比r/d＞0.1。分析原A处圆角为4mm，B处

圆角为5mm，在满足设计要求的前提下改变过渡

圆角的大小，具体分析方案见表1。对修改圆角大

小的仿真模型进行系统受力分析，并与原始模型进

行比较，比较结果如图4所示。

由图4可知，轴端面的过渡圆角大小对轴的安全系数及弯曲应力有显著的影响。当r/d的比值小于0.1时，A处安全系

图1变速

器仿真模型

图2输入轴在1挡100%工况下的受

力情况

图3有/无壳体输入轴疲劳安全系数、轴径向变形

与弯曲应力对比

序号分析位置分析状态圆角半径r（mm）轴小端直径d（mm）r/d值

1A处

原状态4250.16增大圆角6250.24减小圆角2250.08

2B处

原状态5250.2

增大圆角8250.32

减小圆角2250.08表1轴过渡圆角与轴小端直径比值分析方案