基于CATIA的汽車自動變速器設(shè)計與分析

關(guān)麗麗

海馬轎車有限公司，河南鄭州 450016

0 引言

汽車變速器是汽車重要部件，它對汽車動力性、尾氣排放都有重要影響，自動變速器的誕生和應(yīng)用，不僅使汽車運行的動力特性接近理想特性，而且對駕駛舒適性和行駛性能產(chǎn)生了根本性地變革，由于自動變速器所具有的重要地位、市場前景受到汽車行業(yè)界的高度重視，各汽車廠家和有關(guān)的部件企業(yè)投入了大量人力、物力研制開發(fā)，如今自動變速器的技術(shù)已趨成熟，從引進消化到自主開發(fā)，國內(nèi)幾家大型汽車集團公司都已建立了自己的自動變速器設(shè)計和生產(chǎn)基地。

1 自動變速器簡介

1.1 自動變速器的發(fā)展

1939年由美國通用汽車公司首先在奧茲莫比爾轎車上應(yīng)用，它是一項十分重要的發(fā)明，我國最早裝備自動變速器的汽車是一汽生產(chǎn)的CA770紅旗轎車，但自主研制、生產(chǎn)自動變速器技術(shù)發(fā)展受到了汽車電子技術(shù)的影響和限制，因自動變速器最核心的是電子控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，但我國汽車電子技術(shù)發(fā)展一直處于滯后狀態(tài)，所以對自動變速器的整體發(fā)展，近幾年隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，對推動我國自動變速器的快速發(fā)展起到了主要作用。

汽車自動變速器的基本原理是通過液力變扭器使得發(fā)動機的扭矩傳遞給行星齒輪組，并以單向式離合器 (或是液力多盤式離合器、皮帶摩擦輪等結(jié)構(gòu))來改變速比。由于行星齒輪一直處于嚙合狀態(tài)，消除了齒間嚙合間隙，極好地減小了齒輪噪聲和沖擊。為了使車輛運行更為平穩(wěn)。采用液力變扭器連接發(fā)動機與變速器。吸收了發(fā)動機的扭轉(zhuǎn)振動，使得變速比通過汽車電子控制系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)操縱，而且液壓系統(tǒng)與電子控制系統(tǒng)互相配合，使汽車動力系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài)。

由于自動變速器的結(jié)構(gòu)復雜，所以造價比手動變速器高出數(shù)倍，但因自動變速器對汽車整車性能的影響和廣大用戶的歡迎，盡管價格比手動變速器高得多，但還是迅速被廣大汽車制造商和客戶所接受，表現(xiàn)出強大的生命力。

液力變矩器式的自動變速器主要由下列部件組成：

1）液力變矩器；2）機械變速器和變速的執(zhí)行元件；3）機械操縱及聯(lián)動機構(gòu)；4）液壓控制和執(zhí)行元件；5）電子控制裝置、電子傳感器和執(zhí)行元件。

1.2 自動變速器的結(jié)構(gòu)

自動變速器外形如圖1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。此自動變速器是一個四擋全電子換擋控制的自動變速器，它由帶雙導輪的液力變矩器、行星變速機構(gòu)、液壓控制系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)拉制模塊四個主要部分組成。主要的傳動和接合元件有：5個多片離合器，3個滾子/凸塊式單向離合器，3組行星排，2組制動帶江個控制閥塊，制動帶何服系統(tǒng)，蓄壓器，駐車制動機構(gòu)，帶閉鎖離合器的液力變矩器。

圖1 自動變速器的外形結(jié)構(gòu)

圖2 自動變速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 運用CAD對自動變速器進行三維設(shè)計

2.1 自動變速器基于CATIA的設(shè)計對象

此自動變速器的相關(guān)傳動機構(gòu)選擇行星齒輪傳動機構(gòu)。液力變矩器雖然能夠在一定范圍內(nèi)自動的改變扭矩比，但由于變扭能力與效率之間的矛盾，目前使用的液力變矩器的變矩系數(shù)一般都難以滿足汽車工業(yè)的要求，其扭矩比一般在1～3的范圍，因此一般通過液力變矩器與齒輪式變速器相結(jié)合的液力機械式變速器來達到我們的要求。齒輪式變速器中一般選用行星齒輪結(jié)構(gòu)，因為行星齒輪結(jié)構(gòu)變速器具有體積小、變速比大、操縱容易等眾多優(yōu)點，故行星齒輪結(jié)構(gòu)被大量地應(yīng)用于液力機械式變速器上。采用行星齒輪機構(gòu)變速器不僅可以滿足傳動比可變、不傳遞動力和轉(zhuǎn)向可逆的要求，而且還具有以下優(yōu)點：

1）運行時所有行星齒輪都參與工作，一起承擔載荷，使工作更加安靜，承受強度更大；

2）行星齒輪在運行時，齒輪間產(chǎn)生的作用力不傳遞到自動變速器殼體，而是由齒輪系統(tǒng)內(nèi)部來承受，所以變速器殼體可以設(shè)計的更加輕?。?/p>

3）行星齒輪結(jié)構(gòu)采用內(nèi)嚙合與外嚙合相匹配的結(jié)構(gòu)，與單一的外嚙合相比，減少了變速器尺寸；

4）行星齒輪在運行時，齒輪處于長嚙合狀態(tài)，沒有摘掛擋時的齒輪沖擊，穩(wěn)定性好，壽命長。

行星齒輪傳動機構(gòu)涉及的的對象包括行星輪、太陽輪、內(nèi)轂、外轂、支撐彈簧等。針對這些部件選用CATIA對其進行建模，由于CATIA針對各個機械的零部件具有很好的可操作性和高精度要求，所以此次各個部件CATIA進行設(shè)計計算。

2.2 內(nèi)轂和外轂設(shè)計

自動變速器的內(nèi)轂和外轂的設(shè)計，應(yīng)用的是CATIA的PART模塊。對于它們的設(shè)計，首先選擇XY平面作為創(chuàng)建草圖的基準平面，然后進行草繪，這兩個零件的大體結(jié)構(gòu)都是以圓為基礎(chǔ)的。對于內(nèi)轂部分，首先創(chuàng)建一個圓，然后進行凸臺的操作，再將其抽殼處理，再把這個凸臺進行再一次的操作，將其表面均布40個鍵槽。最后將各個需要進行處理的部件進行相應(yīng)的倒角操作。自動變速器內(nèi)轂三維圖如圖3所示。

圖3 自動變速器內(nèi)轂

由于變速器的外轂是與內(nèi)轂相配的，因此在進行外轂的模型創(chuàng)建的時候要與內(nèi)轂的尺寸相互配合，他們共同在一起組成主要的傳動保護組織。自動變速器外轂的操作依然是先進行草繪然后凸臺操作，抽殼處理。外轂的建模相對來說比內(nèi)轂更加復雜，由于各個定位孔的存在，需要對其進行均布處理使其均勻的分布在四周，作為固定組織而應(yīng)用它們。自動變速器外轂三維圖如圖4所示。

圖4 自動變速器外轂

自動變速器的內(nèi)轂和外轂的CAD制作基本完成，基于CATIA軟件的創(chuàng)作使他們更加精確。此設(shè)計也可以用其他的三維設(shè)計軟件進行，完成的效果差不多，但是CATIA作為一種專業(yè)性很強的軟件需要對其廣泛的應(yīng)用，并且更加精確。

2.3 彈簧的三維設(shè)計

2.3.1 彈簧的應(yīng)用

彈簧是一種利用彈性來工作的機械零件。一般用彈簧鋼制成。用以控制機件的運動、緩和沖擊或震動、貯蓄能量、測量力的大小等，廣泛用于機器、儀表中。彈簧的種類復雜多樣，按形狀分，主要有螺旋彈簧、渦卷彈簧、板彈簧等。由于彈簧的應(yīng)用廣泛、設(shè)計變化頻繁、設(shè)計復雜等特點，所以在設(shè)計彈簧時采用CAD技術(shù)將會有較好的效果。

此自動變速器中的彈簧用來減震及傳動，位于彈簧支座上面。它是連接換擋離合器的關(guān)鍵部件。

2.3.2 GSD外形設(shè)計

創(chuàng)成式造型，簡稱GSD，非常完整的曲線操作工具和最基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造工具，除了可以完成所有曲線操作以外，可以完成拉伸，旋轉(zhuǎn)，掃描，邊界填補，橋接，修補碎片，拼接，凸點，裁剪，光順，投影和高級投影，倒角等功能，連續(xù)性最高達到G2，生成封閉片體Volume，完全達到普通三維CAD軟件曲面造型功能，比如Pro/E。完全參數(shù)化操作，設(shè)計更加精確。

2.3.3 彈簧的建模

本次建模采用的是螺旋彈簧，螺旋彈簧的一般基本尺寸：自由高度L=310，螺旋彈簧中徑Da=80，彈簧材料直徑d=15，螺旋彈簧總?cè)?shù)n=5，螺旋彈簧有效圈數(shù)n1=7。彈簧的建模，首先在創(chuàng)成式曲面設(shè)計的模塊中選擇創(chuàng)建螺旋線的命令，然后切換到PART模塊，選擇肋的命令即可創(chuàng)建螺旋彈簧，然后對其進行一定的修剪就可以創(chuàng)建出符合本次設(shè)計的螺旋彈簧。如圖5所示。

圖5 螺旋彈簧

2.4 太陽輪和行星輪的三維設(shè)計

2.4.1 行星齒輪機構(gòu)

由于上述的各項有點，變速器采用行星齒輪機構(gòu)，變速器齒輪分斜齒和直齒圓柱齒輪。與直齒圓柱齒輪比較，斜齒圓柱齒輪雖然制造時復雜、工作時有軸向力，但因其使用壽命長、工作時噪聲低等優(yōu)點而仍然得到廣泛的使用。本自動變速器中的所有齒輪均采用斜齒圓柱齒輪，盡管這樣會使常嚙合齒輪數(shù)增加，并導致變速器的轉(zhuǎn)動慣量增大。

2.4.2 太陽輪的三維設(shè)計

太陽輪也是在PART模塊中進行設(shè)計，首先在XY平面上進行草繪，由于太陽輪是存在斜齒輪的，因此在進行總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計之后，要特別的針對斜齒輪進行設(shè)計，對于這個自動變速器中的斜齒輪，有兩種方法進行設(shè)計。第一種方法就是用CATIA的基本設(shè)計按照步驟進行操作，然后按不同的特征進行處理，得出斜齒輪；第二種方法是用函數(shù)編程，通過這種方法可以得出參數(shù)化更加精確的斜齒輪，它的特征也更加的明顯，這里選擇第二種方法，因為其效果更好根準確。太陽輪效果如圖6所示。

圖6 太陽輪

2.4.3 行星輪的三維設(shè)計

行星輪的設(shè)計方法和太陽輪差不多，由于行星輪基本上就是一個斜齒輪，因此選用參數(shù)化的方法就可以將其制作出來，操作方法相對比較簡單。行星輪如圖7所示。

圖7 行星輪

3 自動變速器的裝配設(shè)計

3.1 裝配模塊簡介

裝配設(shè)計是設(shè)計機械產(chǎn)品部可缺少的一部分，它能很好的制定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和特征，方便工程人員對產(chǎn)品的認知。CATIA的裝配模塊可以很好的定義機械裝配之間的關(guān)系，實現(xiàn)零件的自動定位，并檢查裝配之間的一致性。

3.2 自動變速器裝配

對于以上制作的各個零部件按照一定的約束關(guān)系進行裝配。由于自動變速器所涉及的主要部件是軸對稱的圓形部件，因此在裝配的過程中主要應(yīng)用的是相合約束，接觸約束以及偏移約束。自動變速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有很多種，比如螺旋彈簧，因此在裝配的時候需要注意要將所有的部件都要進行裝配，不要缺少結(jié)構(gòu)。如圖8所示。

圖8 自動變速器裝配圖

4 結(jié)論

CAD技術(shù)在復雜大型產(chǎn)品的三維造型、動態(tài)干涉檢查、虛擬組裝、工程圖生成等方面與原始設(shè)計方法比較，提高了設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，是一次設(shè)計技術(shù)中的突破，它不僅提高了模型設(shè)計效率、質(zhì)量，而且使三維造型設(shè)計--虛擬裝配設(shè)計--二維工程圖生成等后續(xù)處理工作發(fā)生了歷史性的變革。雖然CAD技術(shù)有著巨大的突破點，但是還是存在一些不足，主要問題有：有些常用件和標準件，在生成二維圖時，得到的視圖與規(guī)定的表達方法不一致，需在工程圖環(huán)境中再次進行必要的繪制或修改，增加了工作量。盡管如此，使用CAD技術(shù)進行產(chǎn)品設(shè)計仍是整個行業(yè)的發(fā)展趨勢。

[1]汽車工程手冊編輯委員會.汽車工程手冊—基礎(chǔ)篇[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]王望予.汽車設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007，6.

[3]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006，5.

[4]黃宗益.現(xiàn)代轎車自動變速器原理與設(shè)計[M].同濟大學出版社，2006，9.

[5]黃雄健，楊壽海.CAD_CAE技術(shù)在汽車變速器設(shè)計中的應(yīng)用[J].廣西工學院，2007，3.

[6]吳光強.孫賢安汽車自動變速器發(fā)展綜述[J].同濟大學，2010，10.

[7]Jungmin Seo；Seung-Jong Yi.Design of an automatic transmission system having an arbitrary power flow using the automatic power flow generation algorithm[J]，Journal of Automobile Engineering，2005.

[8]Hong，Shane Y.A novel principle for automatic transmission[J].American Society of Mechanical Engineers，2001，1.