畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）汽車變速器的三維造型與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

1、 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)論文河北農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)論文 論文題目論文題目 汽車變速器的三維造型與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真汽車變速器的三維造型與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 摘摘 要：要：汽車變速器是整個(gè)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中相對(duì)關(guān)鍵的一個(gè)部件，變速器對(duì)整車的動(dòng)力性 與經(jīng)濟(jì)性、操縱的可靠性與輕便性、傳動(dòng)的平穩(wěn)性與效率都有著較為直接的影響。以 pro/engineer 5.0 為工具，建立變速器各零部件的三維實(shí)體造型，根據(jù)它們之間的約束 關(guān)系進(jìn)行整體裝配建模，檢測變速器整體模型中個(gè)零件之間的干涉情況，以確保運(yùn)動(dòng)仿 真的順利進(jìn)行；在 pro/mechanism 模塊中建立變速器的運(yùn)動(dòng)仿真模型，動(dòng)態(tài)模擬變速器 的整個(gè)工作過程。該

2、方法實(shí)現(xiàn)了變速器設(shè)計(jì)階段的可視化，使原來在二維圖紙上難以表 達(dá)和設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)變得非常直觀和易于修改，從而提高了汽車變速器的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：變速器，實(shí)體造型，裝配建模，運(yùn)動(dòng)仿真 abstract: auto transmission is the whole car transmission system, one of the crucial parts relative performance of vehicle transmission with economy, manipulating the reliability and portability, transmiss

3、ion and steadiness and efficiency have relatively direct influence. to pro/e 5.0 for tools, set up the transmission of parts of three-dimensional molding, according to the constraint relation between them on the whole assembly modeling, detection transmission in a whole model between the parts, to e

4、nsure the interference of the motion simulation smoothly; in pro/mechanism in the module of establishing transmission, dynamic simulation motion simulation model of the whole process of the transmission. this method is realized the visual transmission design phase in the original 2d drawings to expr

5、ess and design sports become very intuitive and easy to modify, thereby improving the auto transmission design quality and efficiency. keywords： transmission, entity modelling, assembly modeling, movement simulatio 目錄 1 前言前言 .1 1.1 選題的背景及意義.1 1.1.1 汽車變速器運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r.1 1.1.2 汽車變速器運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真目的和意義.1 1

6、.2 本文的主要內(nèi)容.2 1.2.1 課題主要任務(wù).2 1.2.2 設(shè)計(jì)思路.2 1.2.3 主要完成以下工作.2 2 變速器構(gòu)造及工作原理變速器構(gòu)造及工作原理 .2 2.1 變速器的結(jié)構(gòu).2 2.2 變速器的工作原理.3 3 變速器各部件三維造型及機(jī)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)變速器各部件三維造型及機(jī)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì) .4 3.1 變速器齒輪的設(shè)計(jì)及三維造型.4 3.1.1 確定一檔齒輪的齒數(shù).4 3.1.2 確定常嚙合齒輪副的齒數(shù).4 3.1.3 確定其他檔位的齒數(shù).5 3.1.4 確定倒檔齒輪的齒數(shù).7 3.1.5 齒輪主要參數(shù)表.8 3.2 變速器軸的設(shè)計(jì)及三維造型.9 3.2.1 軸的尺寸.9 3.2.

7、2 軸的三維造型.10 3.3 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì).11 3.3.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成.11 3.3.2 同步器設(shè)計(jì).11 3.3.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真過程.12 3.4 變速器的操縱機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì).13 3.4.1 變速器操縱機(jī)構(gòu)的功用.13 3.4.2 換檔位置設(shè)置.13 3.4.3 換擋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真過程.14 3.5 差速機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì).14 3.5.1 差速器的功能.14 3.5.2 差速器齒輪的基本參數(shù)選擇.15 4 變速器的實(shí)體裝配變速器的實(shí)體裝配 .15 4.1 實(shí)體建模.16 4.2 變速器的裝配.16 5 變速器運(yùn)動(dòng)仿真分析變速器運(yùn)動(dòng)仿真分析 .18 5

8、.1 運(yùn)動(dòng)仿真的工作流程.18 5.2 齒輪嚙合的運(yùn)動(dòng)仿真分析.18 結(jié)束語結(jié)束語 .19 參考資料參考資料 .20 致致 謝謝 .21 1 前言 變速器是汽車動(dòng)力系統(tǒng)中的重要部件，它直接影響著駕駛的操控感覺和乘坐的舒適 性。在汽車變速器傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者需把大腦中產(chǎn)生的三維實(shí)體圖像用二維圖形表達(dá) 出來，工作量大且非常繁瑣，設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品周期長，不能滿足現(xiàn)代產(chǎn)品對(duì)設(shè)計(jì)的要求。 以參數(shù)化為核心的設(shè)計(jì)軟件pro/e 提供了三維實(shí)體設(shè)計(jì)功能后, 很快被廣大用戶接受。 在運(yùn)動(dòng)仿真的過程中, 及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理的結(jié)構(gòu)和部件干涉, 保證產(chǎn)品的裝配關(guān)系、 產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)間隙、產(chǎn)品理論尺寸的正確性, 提高產(chǎn)品的設(shè)

9、計(jì)質(zhì)量、減少不必要的設(shè)計(jì)協(xié) 調(diào)、設(shè)計(jì)反復(fù)時(shí)間, 極大地縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期1。 1.1 選題的背景及意義 1.1.1 汽車變速器運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真技術(shù)在歐美、日本等國的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、汽車廠商及零部件制 造廠商已經(jīng)在技術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)中廣泛運(yùn)用。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)在中國汽車行業(yè)的應(yīng)用 起步于20世紀(jì)80年代中期，歷經(jīng)十幾年的緩慢發(fā)展，到90年代后期開始加速，目前已經(jīng) 進(jìn)入飛速發(fā)展期。 中外合資的汽車以及零部件生產(chǎn)企業(yè)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用水平普遍比較低，因?yàn)?這些合資企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)權(quán)在國外，他們的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用一般停留在工藝更改后 的驗(yàn)證層次，談不上汽車關(guān)鍵部件

10、的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用。隨著外國汽車以及零部件公 司逐步在中國建立研發(fā)中心，其運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)的應(yīng)用水平也會(huì)逐步提高2。 國有汽車企業(yè)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用開始較早，但是發(fā)展緩慢，運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)人 才流失比較多，有的單位運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)的應(yīng)用20幾年來還停留在基本分析階段。民營 或者國內(nèi)股份企業(yè)因?yàn)闆]有現(xiàn)成的產(chǎn)品可以生產(chǎn)，開始是仿造，現(xiàn)在有的企業(yè)已經(jīng)擁有 自己的設(shè)計(jì)能力，且運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)在關(guān)鍵部件的應(yīng)用水平還較高。國內(nèi)一些自主品牌 自主（半自主）開發(fā)的車型，對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)分析的需求和依賴性較強(qiáng)，部件、子系 統(tǒng)、整車運(yùn)動(dòng)與安全都在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)分析。有的企業(yè)借助一些曾經(jīng)在國外大汽 車公司工作的“海

11、歸”帶回的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合本企業(yè)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，開始在 著手建立自己的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用規(guī)范和流程。 總體來講，中國的轎車企業(yè)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用水平相對(duì)高，卡車次之，客車企業(yè) 屬于起步階段。提高運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)的應(yīng)用水平顯得尤為重要3。 1.1.2 汽車變速器運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真目的和意義 計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和進(jìn)步，使其在工業(yè)中應(yīng)用的深度和廣度不斷拓展，推動(dòng)著 生產(chǎn)力不斷提高。汽車工業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)、成產(chǎn)技術(shù)方法手段等與時(shí)俱進(jìn)，也隨之進(jìn)步。 運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)是一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)方法，是多個(gè)相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物，是 一種基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。其涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、 仿真

12、建模、虛擬現(xiàn)實(shí)等多個(gè)領(lǐng)域、多項(xiàng)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)仿真和產(chǎn)品生命周期建模為基礎(chǔ)， 以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心，借助成熟的三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、圖形 用戶界面技術(shù)、信息技術(shù)、集成技術(shù)、多媒體技術(shù)、并行處理技術(shù)等，將分散的產(chǎn)品設(shè) 計(jì)開發(fā)和分析過程集成在一起，使得與產(chǎn)品相關(guān)的所有人員能在產(chǎn)品研制的早期直觀形 象地對(duì)虛擬的產(chǎn)品原型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能測試、制造仿真以及使用仿真等。 1.2 本文的主要內(nèi)容 1.2.1 課題主要任務(wù) 本課題是在熟悉汽車變速器的前提下運(yùn)用計(jì)算機(jī)pro/e軟件對(duì)汽車變速器各部件進(jìn)行 三維造型繪制并進(jìn)行預(yù)裝配，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真進(jìn)行初步的探索， 以縮短汽車變

13、速器的設(shè)計(jì)周期，優(yōu)化汽車變速器的設(shè)計(jì)方案，提高變速器的質(zhì)量。 1.2.2 設(shè)計(jì)思路 汽車變速器是一套用于來協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和車輪的實(shí)際行駛速度的變速裝置，用 于發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能。變速器可以在汽車行駛過程中，在發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪之間產(chǎn)生不 同的變速比，通過換擋可以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在其最佳的動(dòng)力性能狀態(tài)下。如何快速設(shè)計(jì)和 優(yōu)化汽車變速器，首先要改變傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)的方法，本論文利用pro/e軟件對(duì)汽車變速 器的各構(gòu)成進(jìn)行繪制，并進(jìn)行預(yù)裝配仿真，對(duì)于進(jìn)一步設(shè)計(jì)研究打下基礎(chǔ)。 應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)再實(shí)驗(yàn)再設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì) 理念轉(zhuǎn)為設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，使設(shè)計(jì)中的主要問題在設(shè)計(jì)初期得以解決，可以縮短 車輛研

14、發(fā)周期，幫助設(shè)計(jì)人員盡可能多地節(jié)省從產(chǎn)設(shè)計(jì)初稿到產(chǎn)品定型所花費(fèi)的工作時(shí) 間、減低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量的重要途徑4。 計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)的一般步驟可如下表示： 1.2.3 主要完成以下工作 （1）熟悉汽車變速器的構(gòu)造設(shè)計(jì)及工作原理 （2）根據(jù)所掌握的知識(shí)繪制各零部件和預(yù)裝配 （3）對(duì)汽車變速器某些部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 2 變速器構(gòu)造及工作原理 2.1 變速器的結(jié)構(gòu) （1）殼體 使用 pro/engineer 軟件模擬所設(shè)計(jì)的 機(jī)構(gòu) 使用 pro/engineer 中 的 mechanism design 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 建立設(shè)計(jì)的模型 （2）操縱機(jī)構(gòu) （3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu) （4）差速機(jī)構(gòu)

15、2.2 變速器的工作原理 變速器通過不同齒數(shù)齒輪組的相互嚙合，改變傳動(dòng)比，從而輸出不同的轉(zhuǎn)速與扭矩。 主動(dòng)輪齒數(shù)比從動(dòng)輪的齒數(shù)少，輸出的轉(zhuǎn)速比輸入的轉(zhuǎn)速小，扭矩增大,稱為低速檔。主 動(dòng)輪齒數(shù)比從動(dòng)輪的齒數(shù)多，輸出的轉(zhuǎn)速比輸入的轉(zhuǎn)速大，扭矩減小，稱為超速檔。主 動(dòng)輪齒數(shù)與輸出齒輪齒數(shù)相等，輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩與輸入的轉(zhuǎn)速相等，稱為直接檔5。 工作原理如圖1所示： 1-輸入軸四檔齒輪 2-輸入軸三檔齒輪 3-輸入軸二檔齒輪 5-輸入軸一檔齒輪 6-輸出軸一檔齒輪 7-輸出軸倒檔齒輪 8-輸出軸二檔齒輪 9-輸出軸三檔齒輪 10-結(jié)合套 11-輸出軸四檔齒輪 12-輸出軸 13-輸入軸 圖 1-變速器工

16、作原理圖 3 變速器各部件三維造型及機(jī)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì) 3.1 變速器齒輪的設(shè)計(jì)及三維造型 3.1.1 確定一檔齒輪的齒數(shù) 已知一檔傳動(dòng)比 （3-1） 9 10 1 2 z z z z igi 為了確定z9和z10的齒數(shù)，先求其齒數(shù)和 ： （3-2） z m a z 2 其中 a =77.08mm、m =3；故有。選擇齒輪的齒數(shù)時(shí)應(yīng)注意最好不使相配齒 4 . 51 z 輪的齒數(shù)和為偶數(shù)，以減少因大、小齒輪的齒數(shù)間有公約數(shù)的機(jī)會(huì)，否則會(huì)引起齒面的 不均勻磨損。則取=51。當(dāng)轎車三軸式的變速器時(shí)，則 z 9 . 35 . 3 gi i ，此處取=16，則可得出=35。 范圍內(nèi)選擇可在1715 10 z

17、 10 z 9 z 上面根據(jù)初選的a及m計(jì)算出的可能不是整數(shù)，將其調(diào)整為整數(shù)后，從式（3-3）看 z 出中心距有了變化，這時(shí)應(yīng)從及齒輪變位系數(shù)反過來計(jì)算中心距a，再以這個(gè)修正后的 z 中心距作為以后計(jì)算的依據(jù)。 這里修正為51，則根據(jù)式（3-3）反推出a=76.5mm。 z 三維造型圖如圖2所示： 圖 2-一檔齒輪三維造型 91 . 3 gi i 3.1.2 確定常嚙合齒輪副的齒數(shù) 由式（3-2）求出常嚙合齒輪的傳動(dòng)比 （3-4） 9 10 1 2 z z i z z gi 由已知數(shù)據(jù)可得： 76 . 1 1 2 z z 而常嚙合齒輪的中心距與一檔齒輪的中心距相等，且斜齒輪中心距 （3-5）

18、cos2 )( 21 zzm a n 由此可得： （3-6） n m a zz cos2 21 根據(jù)已知數(shù)據(jù)可計(jì)算出：。 53 21 zz 聯(lián)立方程式可得：=19、=34。 1 z 2 z 則根據(jù)式（3-2）可計(jì)算出一檔實(shí)際傳動(dòng)比為： 。 3.1.3 確定其他檔位的齒數(shù) 二檔傳動(dòng)比 （3-7） 8 7 1 2 z z z z igii 而故有：，對(duì)于斜齒輪： 55. 2 gii i425 . 1 / 87 zz （3-8） n m a z cos2 故有： 53 87 zz 聯(lián)立方程式得：。 2231 87 zz、 按同樣的方法可分別計(jì)算出：三檔齒輪 ；五檔齒輪 2726 65 zz、 。 3

19、716 43 zz、 二檔、三檔、五檔齒輪三維造型如圖3,4,5所示： 圖 3-二檔齒輪三維造型 圖 4-三檔齒輪三維造型 圖 5-五檔齒輪三維造型 3.1.4 確定倒檔齒輪的齒數(shù) 一般情況下，倒檔傳動(dòng)比與一檔傳動(dòng)比較為接近，在本設(shè)計(jì)中倒檔傳動(dòng)比取 3.7。 gr i 中間軸上倒檔傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)比一檔主動(dòng)齒輪 10 略小，取。而通常情況下，倒 13 12 z 檔軸齒輪取 2123，此處取=23。 13 z 13 z 由 （3-9） 1 2 12 13 13 11 z z z z z z igr 可計(jì)算出。 27 11 z 因本設(shè)計(jì)倒檔齒輪也是斜齒輪，故可得出中間軸與倒檔軸的中心距 1213 (

20、) 52 2cos n m zz amm 而倒檔軸與第二軸的中心距 1113 () 72.5 2cos n m zz amm 倒檔軸齒輪三維造型如 6 所示： 圖 6-倒檔齒輪三維造型 3.1.5 齒輪主要參數(shù)表 齒輪主要參數(shù)歸納如下表 3-1。 表 3-1 齒輪主要參數(shù) 主要 參數(shù) 齒 數(shù) 模數(shù) (mm) 螺旋角變位系 數(shù) 分度圓 直徑(mm) 齒根圓 直徑(mm) 齒頂圓 直徑(mm) 10 z 160.84840.554 1 檔 9 z 35 3 0 -0.810597.5111 8 z 22-0.463.557.2568.5 2 檔 7 z 31 2.5 30 0.489.583.25

21、94.5 6 z 2707871.7583 3 檔 5 z 26 2.5 30 07568.7580 4 z 37-0.2107100.75112 5 檔 3 z 16 2.5 30 0.24639.7551 2 z 34-0.29891.75103 常 嚙 1 z 19 2.5 30 0.25548.7560 12 z 13-0.837.531.2542.5 13 z 230.13266.560.2571.5 倒 檔 11 z 27 2.5 30 0.878.572.2583.5 齒輪上的花鍵形式和尺寸根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)和尺寸確定，具體參數(shù)見下表 3-26。 表 3-2 花鍵主要參數(shù) 序號(hào)名稱壓力

22、角大圓直徑模數(shù)齒數(shù) 1一軸常嚙齒輪 30 46222 2二軸五檔齒輪 30 452.517 3二軸三檔齒輪 30 52225 4二軸二檔齒輪 30 56227 5二軸一檔齒輪 30 56227 6二軸倒檔齒輪 30 56227 3.2 變速器軸的設(shè)計(jì)及三維造型 3.2.1 軸的尺寸 變速器軸的確定和尺寸，主要依據(jù)結(jié)構(gòu)布置上的要求并考慮加工工藝和裝配工藝要 求而定。在草圖設(shè)計(jì)時(shí)，由齒輪、換檔部件的工作位置和尺寸可初步確定軸的長度。而 軸的直徑可參考同類汽車變速器軸的尺寸選定，也可由下列經(jīng)驗(yàn) 第一軸和中間軸： （3-10）(0.4 0.5) ,da mm 第二軸： （3-11） 3 max 1.0

23、7, e dtmm 為保證設(shè)計(jì)的合理性，軸的強(qiáng)度與剛度應(yīng)有一定的協(xié)調(diào)關(guān)系。因此，軸的直徑 d 與 軸的長度 l 的關(guān)系可按下式選?。?第一軸和中間軸：d/l=0.160.18 第二軸：d/l=0.180.21 3.2.2 軸的三維造型 第一軸通常和齒輪做成一體，前端大都支撐在飛輪內(nèi)腔的軸承上，其軸徑根據(jù)前軸 承內(nèi)徑確定。該軸承不承受軸向力，軸的軸向定位一般由后軸承用卡環(huán)和軸承蓋實(shí)現(xiàn)。 第一軸長度由離合器的軸向尺寸確定，而花鍵尺寸應(yīng)與離合器從動(dòng)盤轂的內(nèi)花鍵統(tǒng)一考 慮。第一軸三維造型如圖 7 所示： 圖 7-變速器第一軸 中間軸分為旋轉(zhuǎn)軸式和固定軸式。本設(shè)計(jì)采用的是旋轉(zhuǎn)軸式傳動(dòng)方案。由于一檔和 倒

24、檔齒輪較小，通常和中間軸做成一體，而高檔齒輪則分別用鍵固定在軸上，以便齒輪 磨損后更換7。其結(jié)構(gòu)三維造型如圖 8 所示： 圖 8-變速器中間軸 3.3 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì) 3.3.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成有輸入軸、輸出軸、主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、同步器總成、倒檔惰輪 機(jī)構(gòu)。其裝配如圖 9 所示： 圖 9-變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真圖 3.3.2 同步器設(shè)計(jì) 同步器的工作原理 如圖 10，此類同步器的工作原理是：換檔時(shí)，沿軸向作用在嚙合套上的換檔力，推 嚙合套并帶動(dòng)定位銷和鎖環(huán)移動(dòng)，直至鎖環(huán)錐面與被接合齒輪上的錐面接觸為止。之后， 因作用在錐面上的法向力與兩錐面之間存在角速度差，致使在錐

25、面上作用有摩擦力矩， 它使鎖環(huán)相對(duì)嚙合套和滑塊轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，并滑塊予以定位。接下來，嚙合套的齒端與 鎖環(huán)齒端的鎖止面接觸（圖 10-b） ，使嚙合套的移動(dòng)受阻，同步器在鎖止?fàn)顟B(tài)，換檔的第 一階段結(jié)束。換檔力將鎖環(huán)繼續(xù)壓靠在錐面上，并使摩擦力矩增大，與此同時(shí)在鎖止面 處作用有與之方向相反的撥環(huán)力矩。齒輪與鎖環(huán)的角速度逐漸靠近，在角速度相等的瞬 間，同步過程結(jié)束，完成換檔過程的第二階段工作。之后，摩擦力矩隨之消失，而撥環(huán) 力矩使鎖環(huán)回位，兩鎖止面分開，同步器解除鎖止?fàn)顟B(tài)，接合套上的接合齒在換檔力的 作用下通過鎖環(huán)去與齒輪上的接合齒嚙合（圖 10-d） ，完成同步換檔8。同步器爆炸結(jié)果 如圖 11

26、所示： 圖 10-鎖環(huán)同步器工作原理 圖 11-同步器爆炸圖 3.3.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真過程 （1）設(shè)置聯(lián)接。一軸與箱體,二軸與二軸上的齒輪都是銷釘連接;撥叉與撥叉桿,同 步器與二軸要實(shí)現(xiàn)滑動(dòng),則要采用圓柱連接;而撥叉要帶動(dòng)同步器一起滑動(dòng)則采用剛性連 接。 （2）設(shè)置齒輪運(yùn)動(dòng)副。變速器主要是由不同的齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)變速,因此運(yùn)動(dòng)副主要 是采用齒輪運(yùn)動(dòng)副，設(shè)置齒輪運(yùn)動(dòng)副的時(shí)候選擇齒輪相對(duì)固定體設(shè)置的連接。 （3）設(shè)置伺服電動(dòng)機(jī)。一軸和二軸為基于銷釘聯(lián)接的勻速圓周運(yùn)動(dòng),撥叉為基于圓 柱連接的變速滑動(dòng)。 （4）對(duì)上述過程進(jìn)行干涉檢查并捕獲仿真分析結(jié)果影片。 3.4 變速器的操縱機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)

27、3.4.1 變速器操縱機(jī)構(gòu)的功用 變速器操縱機(jī)構(gòu)的功用是保證各檔齒輪、嚙合套或同步器移動(dòng)規(guī)定的距離，以獲得 要求的檔位，而且又不允許同時(shí)掛兩個(gè)檔位。 3.4.2 換檔位置設(shè)置 設(shè)計(jì)操縱機(jī)構(gòu)首先要確定換檔位置。換檔位置的確定主要從換檔方便考慮。為此應(yīng) 該注意以下三點(diǎn)： （1）按換檔次序來排列 ； （2）將常用檔放在中間位置，其它檔放在兩邊； （3）為了避免誤掛倒檔，往往將倒檔安排在最靠邊的位置，有時(shí)與 1 檔組成一排。 根據(jù)以上三點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)變速器的換檔位置如圖 12 所示，變速器自鎖與互鎖的結(jié)構(gòu) 如圖 13 所示9： 圖 12-換擋位置 1-自鎖鋼球 2-自鎖彈簧 3-變速器蓋 4-互鎖鋼球

28、5-互鎖銷 6-撥叉軸 圖 13-變速器自鎖與互鎖結(jié)構(gòu) 3.4.3 換擋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真過程 變速器各擋位換檔運(yùn)動(dòng)過程都很相似, 下面只以制作變速器由空檔掛入三檔時(shí)操縱 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程的仿真分析為例, 說明機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真的制作過程。 由空檔掛入三檔運(yùn)動(dòng)仿真制作過程如下: (1) 進(jìn)入 mechanism 模塊。 (2) 定義操縱桿和撥塊間的凸輪連接。 (3) 定義自鎖鋼球和撥叉軸之間的彈簧連接。 (4) 定義自鎖鋼球、互鎖鋼球和撥叉軸之間的槽連接。 (5) 定義操縱桿繞坐標(biāo)系的 y 軸旋轉(zhuǎn)角速度, 以此作為仿真初始條件。 (6) 對(duì)變速器操縱機(jī)構(gòu)由空檔換入三檔運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真分析。 (7) 對(duì)上述過

29、程進(jìn)行干涉檢查并捕獲仿真分析結(jié)果影片。同理再在 mechanism 模塊 完成三檔齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真, 便可得到空檔掛入三檔時(shí), 從操縱桿到輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng) 整個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真過程。仿真如圖 14 所示： 圖 14-變速器操縱結(jié)構(gòu)的仿真圖 3.5 差速機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì) 3.5.1 差速器的功能 車輪滑動(dòng)會(huì)加速輪胎的磨損、增加汽車動(dòng)力消耗、汽車的轉(zhuǎn)向和制動(dòng)性能下降。因 此，汽車行駛中應(yīng)盡量避免車輪滑動(dòng)。差速器用分別驅(qū)動(dòng)的方法來實(shí)現(xiàn)左右驅(qū)動(dòng)車輪、 前后驅(qū)動(dòng)車橋的不同角速度，保證車輪在正常行駛狀況下純滾動(dòng)。差速器運(yùn)動(dòng)仿真如圖 15 所示： 3.5.2 差速器齒輪的基本參數(shù)選擇 （1）行星齒輪數(shù)目的選擇 4

30、 個(gè) （2）行星齒輪球面半徑確定 b r 球面半徑按經(jīng)驗(yàn)公式可得： b r 3 3 2.9 485549.11 bbi rktmm 節(jié)錐距： 0 0.990.99 49.1148.62 b armm （3）行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)的選擇 行星齒輪輪齒數(shù) 半軸齒輪齒數(shù) 1 10z 2 20z 滿足安裝條件為： 22lr zz i n （4）速器圓錐齒輪模數(shù)及半軸齒輪節(jié)圓直徑的初步確定 行星齒輪與半軸齒輪的節(jié)錐角： 12 , 1 1 2 0 10 arctanarctan 20 0.4636 26.565 z z 弧度 2 2 1 0 20 arctanarctan 10 1.1071 63.435

31、 z z 弧度 差速器設(shè)計(jì)仿真如圖 15 所示： 圖 15-差速器的仿真圖 4 變速器的實(shí)體裝配 以目前使用最廣泛的三軸式有級(jí)變速器為研究對(duì)象。該變速器采用齒輪傳動(dòng)，具有 5 個(gè)前進(jìn)擋和 1 個(gè)倒擋，靠駕駛員直接操作變速桿換擋。該變速器主要包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、操 縱機(jī)構(gòu)和箱體 3 部分。經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，得出變速器各零件尺寸后，采用自下而上的建模 方法對(duì)其進(jìn)行三維實(shí)體建模，即先建立變速器各零部件的模型，然后再根據(jù)它們彼此之 間的裝配和約束關(guān)系逐個(gè)進(jìn)行組裝，最后形成變速器的整體模型10。 4.1 實(shí)體建模 實(shí)體建模過程中最主要的工作是齒輪建模，作為變速器的重要零件，齒輪承擔(dān)著傳 遞扭矩的作用，科學(xué)準(zhǔn)確地建

32、立齒輪的模型對(duì)后續(xù)的裝配和運(yùn)動(dòng)仿真都十分必要。該變 速器上使用了直齒圓柱和斜齒圓柱兩種齒輪，其中斜齒圓柱齒輪使用壽命長、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) 且工作噪聲低，因此變速器中的常嚙合齒輪均為斜齒圓柱齒輪，直齒圓柱齒輪僅作為低 擋和倒擋齒輪使用。在 pro/engineer 環(huán)境下有多種齒輪的建模方法，采用按齒輪加工方 式進(jìn)行建模的方法，即首先生成齒輪的齒坯，然后通過創(chuàng)建漸開線來構(gòu)造齒槽輪廓，再 將該輪廓沿螺旋線軌跡掃描，從而在齒坯上形成齒槽切口，最后將齒槽陣列得到齒輪的 三維模型。該方法相當(dāng)于以刀具加工生成齒輪模型，按照這種方法建立的三維模型生成 速度快，文件體積小，齒輪精度高。pro/engineer 軟件采

33、用參數(shù)化建模，即尺寸驅(qū)動(dòng)圖 形，通過定義一組參數(shù)來表達(dá)齒輪的形狀特征，利用參數(shù)和尺寸約束來驅(qū)動(dòng)生成模型。 對(duì)于形狀相似的零件，只要修改一定的特征參數(shù)值，就能建立相關(guān)尺寸零件的三維模型。 例如，中間軸上的倒擋齒輪和一擋齒輪均為直齒圓柱齒輪，二者基本參數(shù)相同，要建立 一擋齒輪，只需要在建立好的倒擋齒輪的基礎(chǔ)上修改相關(guān)的參數(shù)數(shù)值即可。采用參數(shù)化 方法可以快速建立變速器中各個(gè)齒輪的模型，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間11。 4.2 變速器的裝配 裝配如圖16所示： 1 前箱體2 二軸3 一軸4 操縱蓋5 中間軸6 移動(dòng)軸 7 后箱體8 后蓋 9 二軸一擋10 軸承11 二軸 12 一二擋同步器13 一二擋撥叉14

34、 移動(dòng)軸 15 倒擋撥叉16 三四擋撥叉17 一擋齒輪18 一擋齒環(huán)19 同步 器齒套20 同步器齒轂21 同步器滑塊 圖 16-變速箱裝配層次圖 在對(duì)汽車變速器進(jìn)行裝配時(shí)，各零件與其它零件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系、放置約束關(guān)系 以及該元件的自由度都應(yīng)仔細(xì)考慮，以保證裝配后的整體模型定位可靠、運(yùn)動(dòng)靈活且互 不干涉。在裝配過程中，應(yīng)先選取一個(gè)零件作為基體，然后再添加其它零件。裝配件中 添加零件可以分為添加連接元件和固定元件 2 種。添加連接元件時(shí)，連接到裝配體中的 零件與裝配體中的其它零件間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的類型與選取的連接類型有關(guān)。 pro/engineer 提供了多種連接類型，包括剛性、銷釘和圓柱

35、等，每一種連接類型都與一 組獨(dú)立的幾何約束相關(guān)聯(lián)，而每一種約束又與特定的自由度相關(guān)聯(lián)。例如，銷釘連接定 義軸對(duì)齊約束和平面匹配約束后，此銷釘連接就只有 1 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和 0 個(gè)平移自由度， 這意味著使用銷釘連接的零件可以相對(duì)于它所依附的零件旋轉(zhuǎn)，但不能在該零件上移動(dòng)。 向裝配件中添加固定元件時(shí)，定義的放置約束為完全約束模型，不允許零件以特定方式 運(yùn)動(dòng)。例如，輸入軸與該軸上的軸承，二者之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此在向輸入軸上添加 軸承時(shí)，應(yīng)定義軸承與輸入軸旋轉(zhuǎn)軸線的對(duì)齊約束以及兩者端面的對(duì)齊約束，使該裝配 狀態(tài)為完全約束，相當(dāng)于在輸入軸上添加了一個(gè)固定元件12?？傃b配圖流程和總裝配如 17、18 所

36、示： 圖 17-變速箱總裝配流程圖 圖 18-變速箱總裝配圖 箱體中間軸總成 中間軸前軸承及 前端蓋等零部件 中間軸后軸承及 后端蓋等零部件 倒檔軸倒檔齒輪 倒檔軸定位塊二軸總成一軸一軸后軸承及 端蓋等零部件 二周后軸承及 端蓋等零部件 頂蓋總成操縱桿總成 5 變速器運(yùn)動(dòng)仿真分析 在 pro/mechanism 中，可以對(duì)機(jī)械裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。變速器的運(yùn)動(dòng)仿真是建 立在其裝配模型的基礎(chǔ)上，通過設(shè)定連接、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及運(yùn)動(dòng)初始條件等一系列操作來 實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)動(dòng)仿真所需的連接條件在變速器裝配階段就已定義13。 5.1 運(yùn)動(dòng)仿真的工作流程 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，一般工作流程為：先建立運(yùn)動(dòng)模型，包括建立聯(lián)接

37、、設(shè)置聯(lián)接軸、 運(yùn)動(dòng)副和伺服電機(jī)；然后設(shè)置運(yùn)動(dòng)環(huán)境，如設(shè)置重力阻尼等；接著進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真；還可 做進(jìn)一步的運(yùn)動(dòng)分析，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)態(tài)分析等；最后獲取分析結(jié)果14。流程圖如 圖 19 所示： 圖 19-運(yùn)動(dòng)仿真流程圖 5.2 齒輪嚙合的運(yùn)動(dòng)仿真分析 變速器是通過使構(gòu)成不同傳動(dòng)比的齒嚙合來實(shí)現(xiàn)變速，因此仿真過程中主要采用齒 輪運(yùn)動(dòng)副。下面是其仿真過程： （1）創(chuàng)建齒輪連接。首先進(jìn)入“應(yīng)用程序/機(jī)構(gòu)”工作環(huán)境，然后點(diǎn)擊菜單欄中的 “編輯/連接”選項(xiàng)，此時(shí) pro/e 將彈出連接組件對(duì)話框。單擊對(duì)話框中的“運(yùn)行”按鈕 以檢查裝配的連接情況，如果裝配連接成功，將直接彈出連接成功的對(duì)話框。這時(shí)，單 擊特

38、征操作按鈕區(qū)中的“定義齒輪副連接”工具，進(jìn)行定義齒輪連接結(jié)構(gòu)。接受系統(tǒng)默 認(rèn)的傳動(dòng)類型標(biāo)準(zhǔn)，選擇連接軸以后，系統(tǒng)將自動(dòng)選取齒輪的“主體”和“托架” ，在 “節(jié)圓直徑”欄中輸入設(shè)計(jì)值。同理，對(duì)另兩個(gè)齒輪也進(jìn)行相同的“定義齒輪副連接” 操作。然后，單擊“定義齒輪副連接”對(duì)話框中的“屬性”選項(xiàng)卡，接受“齒輪比”中 的“節(jié)圓直徑” ，以完成整個(gè)齒輪副的連接。 建立運(yùn)動(dòng)模型 設(shè)置運(yùn)動(dòng)環(huán)境 運(yùn)動(dòng)仿真 運(yùn)動(dòng)分析 分析結(jié)果 建立聯(lián)接 設(shè)置連接軸、運(yùn)動(dòng)副、 伺服電機(jī) 設(shè)置重力阻尼等 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)態(tài)分析等 （2）創(chuàng)建伺服電動(dòng)機(jī)。pro/e 中的伺服電動(dòng)機(jī)可以為機(jī)構(gòu)提供虛擬的“動(dòng)力” ，通 過設(shè)置伺服電動(dòng)機(jī)可以實(shí)

39、現(xiàn)旋轉(zhuǎn)以及平移運(yùn)動(dòng)，并且能以函數(shù)的方式定義運(yùn)動(dòng)輪廓。首 先，打開“伺服電動(dòng)機(jī)”對(duì)話框，選擇伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)象；在“輪廓”面板中的“規(guī) 范”欄里選擇“速度”選項(xiàng)，在“?！睓谥羞x擇“常數(shù)” ，表示驅(qū)動(dòng)器將以常數(shù)形式運(yùn)行； 最后輸入轉(zhuǎn)速值 200 deg/s，以完成伺服電動(dòng)機(jī)的創(chuàng)建。 （3）運(yùn)動(dòng)分析。選擇“機(jī)構(gòu)/分析”選項(xiàng)，打開“分析”對(duì)話框，在對(duì)話框中的 “類型”選項(xiàng)卡中選中“運(yùn)動(dòng)學(xué)”選項(xiàng)，設(shè)置運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)間，最后單擊“運(yùn)行”按鈕就 可以查看齒輪組的運(yùn)行情況了。 變速器齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真如圖 20 所示： 圖 20-變速器齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真圖 結(jié)束語 通過應(yīng)用 pro/engineer 軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變速器的裝配建模與運(yùn)動(dòng)仿真。該方法既縮 短了建模時(shí)間，減少了設(shè)計(jì)人員工作量，又便于裝配后的干涉檢查，能夠發(fā)現(xiàn)裝配體中 可能存在的零件干涉并顯示出來，且方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行查看及修改。運(yùn)動(dòng)仿真分析可以 動(dòng)態(tài)的模擬變速器的工作過程，使原來在二維圖紙上難以表達(dá)和設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)變得直觀和 易于修改。而且在縮短開發(fā)周期的同時(shí)，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。 參考資料 1肖田元，韓向利虛擬制造體系結(jié)構(gòu)研究j計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，1999，5(1)：56-59. 2葉勤.汽車自動(dòng)變速器技術(shù)及其發(fā)展j.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào), 2006, 20(5)：80-8