結構介紹及受力分析： 倒擋功能相關零部件主要由換擋盒總成、換擋機構、主軸總成、中間軸總成、倒擋中間齒輪、倒擋被動齒輪及倒擋結合齒轂等組成，如圖1～圖2所示。
倒擋結合齒轂通過花鍵與主軸固連，非倒擋狀態(tài)下，倒擋被動齒輪與倒擋結合齒轂分離，倒擋被動齒輪在主軸上自由旋轉，倒擋被動齒輪上的動力不會傳遞到主軸上。掛倒擋時，換擋盒總成帶動換擋機構運動，換擋機構上的倒擋撥叉撥動倒擋被動齒輪向倒擋齒轂方向移動，倒擋被動齒輪與倒擋結合齒轂嚙合時，動力由輸入軸總成、中間軸總成、倒擋中間齒輪、倒擋被動齒輪傳遞到倒擋齒轂，再傳遞到主軸及輸出軸，實現(xiàn)變速箱倒擋功能。
倒擋被動齒輪及倒擋結合齒轂采用斜齒倒錐設計，如圖3所示。正常倒車時，發(fā)動機輸出動力驅動變速箱，倒擋被動齒輪內齒受到朝向輸入端的軸 向力，外齒受到朝向輸出端的軸向力，經計算，朝向輸入端的軸向力(防脫擋力)更大，能防止脫擋。
在坡道上進行倒車時，變速箱存在反拖情況， 既整車在重力作用下對變速箱起驅動作用，發(fā)動機起制動作用，此時倒擋被動齒輪受力與正常倒車狀態(tài)相反，經計算，倒擋被動齒輪朝向輸出端的軸向 力(脫擋力)更大，存在脫擋風險。在正常驅動工況下，倒擋被動齒輪承受的軸向脫擋力見式(1)(受力結構見圖4)。
F=Fa2-Fa1-Ff1-Ff2-Fs (1)
式中，F(xiàn)f1:結合齒轂對倒擋被動齒輪的摩擦力;Ff2：過橋齒輪對倒擋被動齒輪的摩擦力;Fa1：結合齒轂對倒擋被動齒輪的軸向力;Fa2：過橋齒輪對倒擋被動齒輪的軸向力;Fs：鎖銷對倒擋被動齒輪產生的作用力。在發(fā)動機制動工況下，倒擋被動齒輪承受的軸向脫擋力見式(2)
F=Fa1-Fa2-Ff1-Ff2-Fs (2)
受齒輪振動沖擊的影響，斜齒產生的軸向力Fa1和Fa2與齒輪的螺旋角、齒側間隙、轉動速度和加速度等相關，摩擦力也因振動而發(fā)生變化。在正常驅動時，帶倒錐的斜內齒可以防止脫擋，但在反向制動工況時，帶倒錐的斜內齒會產生脫擋力，特別是在反向制動且加速的工況，由于速度的升高和加速度作用，脫擋力矩增大，造成倒擋脫擋。在傳統(tǒng)的倒錐斜內齒計算中，面臨兩個比較難確定的邊界條件，首先是斜齒接觸時的摩擦系數取值，特別時倒錐斜內齒，加上加工誤差和熱處理變形，實際接觸應力與理想接觸應力有一定變化;其次是沖擊振動影響，由于存在齒側間隙，常常出現(xiàn)轉速升高時脫擋的情況。因此，采用仿真軟件進行直觀的動力學分析，對結構設計可起到有意義的參考作用。
模型建立及動力學分析: 利用CATIA強大的曲線功能和知識工程模塊，建立了準確的帶倒錐的斜內齒模型(見圖5)， 并對齒參數實現(xiàn)了參數化，便于快速調整相關參數實現(xiàn)不同角度和不同齒側間隙下的動力學仿真分析對比。
變速器倒擋結構的虛擬樣機模型建立采用ADAMS軟件實現(xiàn)。建立完三維裝配模型導入到ADAMS中，其中ADAMS與CATIA共同支持的二種主要圖形交換格式分別是STEP格式和IGES格式。
在ADAMS中有兩類接觸力，一類是基于Impact函數的接觸力，另一類是基于Restitution函數的接觸力。Impact是用剛度系數和阻尼系數來計算碰撞力，而Restitution是用恢復系數來計算碰撞力。本文采用Impact函數來計算接觸力。輪齒碰撞所引起的沖擊力，可以作為兩個變曲率半徑柱體撞擊問題。解決此問題可以直接從Hertz靜力彈性接觸理論中得到。仿真分析工況按表1進行。
上述參數包括螺旋角的變化，一共12種工況。在螺旋角13°，車輛正常行駛時會產生較大的防脫擋力，未出現(xiàn)脫擋現(xiàn)象。但在制動工況下，特別是齒側大間隙時，結合齒受到的沖擊力非常大，并瞬間脫出，分析結果見圖6，從圖中可以看出結合齒已開始脫出，從受力曲線分析，啟動時產生一個較大的沖擊力，結合齒瞬間脫出，和實際試驗情況一致。當減小間隙時，受力明顯較小，但結合齒仍會在振蕩中脫出，見圖7。
通過倒擋被動齒輪與過橋齒輪嚙合齒螺旋角分析，確定倒擋被動齒輪螺旋角后，相應設計與其相配的結合齒螺旋角。通過動力學分析，可適當減小齒輪結合齒螺旋角，沖擊力進一步減小，驅動和制動工況下均無脫出現(xiàn)象，如圖8所示。
試驗驗證情況: 為驗證仿真分析效果，對該倒擋結構在變速器試驗臺上進行試驗驗證，試驗轉速、加載扭矩和仿真分析設置的輸入條件一致，試驗臺布置如圖9所示。在螺旋角13°，齒側大間隙工況下，進行試驗測試，當變速器輸入扭矩反制動扭矩到約420N·m 后發(fā)生脫擋，試驗結果見圖10。
在螺旋角8°情況下，未發(fā)生脫擋現(xiàn)象。后續(xù)通過實車對比試驗，在13°螺旋角時均出現(xiàn)制動脫擋現(xiàn)象，在螺旋角8°情況下，驅動和制動工況下均未發(fā)生脫擋現(xiàn)象。
結論: 通過理論、仿真、臺架以及實車驗證，識別出了在制動工況下倒擋脫擋的風險，從動力學角度分析了倒錐斜內齒的角度和間隙對脫擋的影響，并經過了臺架和實車驗證，證明倒錐斜內齒的角度必須與齒輪螺旋角相匹配，同時在滿足掛擋要求的情況下，盡量減小結合齒齒側間隙，降低沖擊。
參考文獻略