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，Ff1: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)， 并對齒參數實現了參數化，便于快速調整相關參數實現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。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，未出現脫擋現象。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)生脫擋現象。后續(xù)通過實車對比試驗，在13°螺旋角時均出現制動脫擋現象，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