汽车机械式变速器输出轴的设计及研究
中图分类号：U463.212 文献标识码：A
引言
自1885年世界上第一辆汽车出世以来，汽车工业已经历了100多年的发展，从一个奢侈品渐渐转变为日常生活中不可或缺的一部分。随着汽车工业的逐步发展，中国已然成为汽车制造大国，并且还由于其人口众多，拥有世界上最大的销售市场。毫无疑问汽车产业现已成了国民经济收入的重要支柱，因此汽车的设计尤为重要。本文以捷达轿车为例，分析了其变速器的基本结构，对其变速器输出轴进行了强度、刚度校核，并用ANSYS对输出轴进行仿真设计，为今后对变速器输出轴的研究提供了参考。
1、变速器结构及输出轴基本参数
1.1 变速器基本结构
本文的研究对象为固定两轴式五档变速器，其基本结构如图1
所示。从左至右依次为一档、二档、三挡、四挡、五挡和倒挡，均采用惯性式锁环同步器进行换挡。
1.2 初选轴的直径（整车的基本参数已知）
在已知中心距的前提下，输出轴的最大直径d和支承距离L的比值：
根据以上经验公式及已知参数，初步设计出输出轴结构尺寸。
2 输出轴强度及刚度计算
2.2 轴的强度计算
因为本设计中所有齿轮均为常啮合斜齿轮，所以作用在齿轮上的径向力和轴向力会导致轴在垂直面内弯曲，而齿轮上的圆周力会使轴在水平面内产生弯曲，影响变速器的工作状况。所以必须进行轴的强度校核。
此次设计采用输出轴材料是40钢，其屈服强度为335MPa，以上应力均远小于这个值，所以所设计的轴的强度符合要求。
2.2 轴的刚度计算
变速器在工作时，齿轮受到圆周力、径向力和轴向力的作用，导致变速器轴受到转矩和弯矩的作用，这种作用又会反过来作用于齿轮，使齿轮不能正常工作。从目前情况来看，变速器轴通常是因刚度不足而产生破坏，影响其使用寿命，同时刚度的大小还会影响齿轮的强度、耐磨性以及工作噪声，因此对变数器轴的刚度验算尤为重要。
轴在垂直面内产生的挠度和轴在水平面内的转角对齿轮工作影响最大，若产生的挠度过大，则会改变啮合齿轮的中心距，而转角过大则会使齿轮受力不均，减少齿轮的使用寿命。
由于所选变速器为两轴式，所以下面利用材料力学的公式对输出轴刚度进行校核。先算出各挡齿轮所受的周向力和径向力，然后再分别算出轴在水平和垂直方向上的挠度，最后算总挠度。其计算公式如下：
根据以上公式可以计算出各挡齿轮的转角和挠度，其结果为表2；
输出轴的水平方向的挠度一般在0.1～0.15mm之间，垂直方向的挠度在0.05～0.1mm之间，总挠度不应大于0.2mm，相结合齿轮的转角不应大于0.002rad。由表2可知，各挡的挠度及相应转角都在规定范围之内，因此此次设计的变速器其输出轴刚度符合要求。
3 输出轴的有限元分析
3.1有限元模型建立
依照前面确定的轴的一系列参数，利用CATIA软件建立变速器输出轴的三维实体模型，轴的局部加工工艺如圆角、倒角等也应表示出来，然后将建立好的三维实体模型导入ANSYS的“Workbench”中进行网格划分。本文使用六面体网格划分将该轴划分为51901个节点，共34191个单元，其网格划分图如图4。
3.2 加载与约束
此次设计的输出轴选用的材料为40钢，其屈服强度为335MPa。在engineering中添加结构材料为“40”。输出轴在轴向上通过轴承固定，在发生弯曲变形时约束轴两端的三个自由度，在倒挡齿轮配合处的轴中心施加径向力-3705.88N。
3.3 结果分析
在ANSYS中进行分析处理后的应力云图如图4所示。在图中可以看出最大应力值为183.49MPa， 40钢作为一种塑性材料，其安全因数范围为（1.5～2.5），本次设计的输出轴安全因数为1.8，所以此轴拥有足够的刚度和强度，在使用过程中不易发生破坏。
4 结束语
机械式变速器在今天仍被广泛使用，但在使用过程中有时会发生输出轴刚度或强度不足而引起变速器破坏的情况，本文以参考车型为例，对变速器的输出轴进行了尺寸的初步设计、刚度和强度的校核以及有限元分析。从分析及计算结果可以看出此次设计的输出轴满足变速器工作时的强度、刚度要求，并且有一定安全裕度，在变速器的使用期内理论上讲不会发生破坏。
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