汽車(chē)AT換擋機(jī)構(gòu)的行星齒輪機(jī)構(gòu)演示裝置的設(shè)計(jì)

陳佳　王青春　趙娟妮

摘要：針對(duì)汽車(chē)AT自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作原理難理解的問(wèn)題開(kāi)發(fā)了基于汽車(chē)AT換擋機(jī)構(gòu)的行星齒輪機(jī)構(gòu)演示裝置。按彎曲疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)，基于CATIA平臺(tái)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真，通過(guò)ANSYS/Workbench軟件對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，提高了產(chǎn)品可靠性和開(kāi)發(fā)效率。成品試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置演示效果良好。

關(guān)鍵詞：行星齒輪機(jī)構(gòu)；離合器；制動(dòng)器；CATIA；ANSYS

中圖分類(lèi)號(hào)：TH132.46 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2018）03-0013-05

Abstract： A demonstration device for planetary gear mechanism of automobile AT shifting mechanism was developed for the problem that the structure of the automobile AT automatic transmission is complicated and the working principle is difficult to understand. The parameters were designed according to the bending fatigue strength conditions. The structural design and motion simulation were carried out based on the CATIA platform. The strength of the key components was checked by ANSYS/Workbench software， which improved product reliability and development efficiency. The results of the finished product test show that the device demonstrates good results.

Keywords：planetary gear train； clutch； brake； CATIA； ANSYS

液力機(jī)械式自動(dòng)變速器（Automatic transmission，AT）通過(guò)液力變矩器和行星齒輪機(jī)構(gòu)組合的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速，是目前世界上技術(shù)最成熟、裝車(chē)率最高、最受消費(fèi)者歡迎的自動(dòng)變速器。AT的結(jié)構(gòu)和工作原理是非常重要的教學(xué)內(nèi)容。在現(xiàn)有的AT教學(xué)裝置中，大多采用解剖后的原型AT，其體積大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于學(xué)生由淺入深地學(xué)習(xí)內(nèi)部行星齒輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理。因此，AT教具的開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。試驗(yàn)證明，超過(guò)90%的學(xué)生認(rèn)為通過(guò)教具教學(xué)比傳統(tǒng)多媒體教學(xué)更便于理解，且教學(xué)效果平均提高了24%[1]。肖啟瑞等[2]提出的“汽車(chē)自動(dòng)變速器教學(xué)模型”模擬了雙排行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，但對(duì)于單排機(jī)構(gòu)卻無(wú)法演示。苗劍飛等[3-4]提出的“一種行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)演示教具”和王黎航等[5]提出的“一種行星輪系演示教具”均通過(guò)測(cè)速傳感器監(jiān)測(cè)了太陽(yáng)輪和行星架的轉(zhuǎn)速，驗(yàn)證了單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的工作原理及傳動(dòng)比公式。王華[1]研究了基于3D打印技術(shù)的汽車(chē)自動(dòng)變速器教具的開(kāi)發(fā)。張?jiān)讫埖萚6]提出的“齒輪變速機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置”，在單排行星齒輪中設(shè)置了指示設(shè)備，指示各元件之間的角度變化關(guān)系。葉紅仙等[7]提出的“一種行星輪系教具”利用轉(zhuǎn)化機(jī)架法原理演示了單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的工作原理。連晉毅等[8]提出的“自動(dòng)變速箱行星齒輪動(dòng)力傳遞模擬教學(xué)裝置”也僅模擬了單排行星齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。上述多種結(jié)構(gòu)均展示了行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理，但并未涉及AT的換擋過(guò)程。

本文提出了一種基于汽車(chē)AT換擋機(jī)構(gòu)的行星齒輪機(jī)構(gòu)演示裝置的專利方案，將單排行星齒輪機(jī)構(gòu)和AT換擋機(jī)構(gòu)集成為一體，對(duì)其進(jìn)行了方案分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，使復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和多變的換擋過(guò)程變得簡(jiǎn)單透明，用于解決汽車(chē)專業(yè)課程的教學(xué)難題。

1 方案設(shè)計(jì)與分析

本文研究的演示裝置總體方案如圖1所示，包括支架、單排行星齒輪機(jī)構(gòu)、換擋元件、外殼和驅(qū)動(dòng)裝置。支架上設(shè)置有旋轉(zhuǎn)中心軸，中心軸上設(shè)置有太陽(yáng)輪和行星架。太陽(yáng)輪通過(guò)六角花鍵設(shè)置了驅(qū)動(dòng)裝置搖柄1。行星架設(shè)置了驅(qū)動(dòng)裝置搖柄3，且安裝了3個(gè)形狀相同的行星齒輪，行星齒輪分別與齒圈和太陽(yáng)輪嚙合。齒圈外圈和外殼內(nèi)圈設(shè)有花鍵，多片式換擋離合器C1通過(guò)花鍵連接或分離齒圈與外殼。在太陽(yáng)輪和外殼上分別設(shè)置了帶式換擋制動(dòng)器B1和帶式換擋制動(dòng)器B2。在外殼上設(shè)置了驅(qū)動(dòng)裝置搖柄2。搖柄和離合器與制動(dòng)器相互配合可實(shí)現(xiàn)多種工作模式，進(jìn)而展示了AT的結(jié)構(gòu)和換擋過(guò)程，并且齒輪均為開(kāi)式，便于觀察齒數(shù)和傳動(dòng)比的校驗(yàn)。

為了使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本文采用螺栓代替多片式換擋離合器中的液壓缸活塞，C1主要由鋼片、摩擦片、螺栓和回位彈簧組成，如圖2所示。鋼片通過(guò)外圈的花鍵與外殼內(nèi)花鍵槽連接，摩擦片通過(guò)內(nèi)圈的花鍵槽與齒圈外花鍵連接，鋼片與摩擦片交替安裝在外殼和齒圈之間。通過(guò)螺栓壓緊力產(chǎn)生的摩擦力使鋼片與摩擦片連為一體，即外殼與齒圈連為一體。

同理，帶式制動(dòng)器B1和B2主要由制動(dòng)帶和螺栓組成，制動(dòng)帶開(kāi)口與螺栓連接，一端固定在支架上，內(nèi)側(cè)粘有摩擦材料的表面圍繞在太陽(yáng)輪和外殼制動(dòng)鼓上，通過(guò)螺栓使制動(dòng)帶鎖緊，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

如表1所示，通過(guò)離合器C1、制動(dòng)器B1和B2、搖柄1、搖柄2和搖柄3，本文研究的演示裝置可實(shí)現(xiàn)8種工作模式，由式（1）和式（2）可得各模式下的轉(zhuǎn)速狀態(tài)和擋位情況。

2 參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開(kāi)式齒輪傳動(dòng)由于首先會(huì)發(fā)生磨損嚴(yán)重現(xiàn)象，齒輪表面層還來(lái)不及產(chǎn)生點(diǎn)蝕即被磨掉，因此看不到點(diǎn)蝕現(xiàn)象。正因如此，在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，通常只需按彎曲疲勞強(qiáng)度條件確定其主要參數(shù)及尺寸，考慮磨損嚴(yán)重，則將算出的模數(shù)放大10%～15%，之后不再進(jìn)行驗(yàn)算[12]。

2.1 材料選擇

根據(jù)齒輪常用材料及其力學(xué)性能，本文采用45鋼正火處理加工行星齒輪機(jī)構(gòu)，HBW=162～217，計(jì)算時(shí)取太陽(yáng)輪HBWt=200，行星齒輪HBWx=170，齒圈HBWq=200，則滿足相互嚙合兩齒輪間的差值要求20～70。

2.2 按彎曲疲勞強(qiáng)度條件確定主要參數(shù)

按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的簡(jiǎn)化計(jì)算公式為：

m≥Am

3KT1YFSdz21[σF]（3）

式中：m為模數(shù)/mm；Am為系數(shù)；K為載荷系數(shù)；T1為傳遞轉(zhuǎn)矩/（N·m）；YFS為復(fù)合齒形系數(shù)；d為齒寬系數(shù)；z1為最小齒輪齒數(shù)；[σF]為許用彎曲應(yīng)力/Mpa。

本文行星齒輪機(jī)構(gòu)均采用標(biāo)準(zhǔn)直齒輪，壓力角為20°，查表[13]得，系數(shù)Am=12.6。載荷系數(shù)K的常用值為1.2～2.0，本裝置為直齒輪、速度很低、工作環(huán)境簡(jiǎn)單，取K=1.2?？紤]到本裝置小巧輕便，本文取行星齒輪齒數(shù)為齒輪最小齒數(shù)zx=17，傳遞轉(zhuǎn)矩T1=100 N·m。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)齒輪zx=17，變位系數(shù)x=0，可查表[13]得，YFS=4.425。本文的行星齒輪機(jī)構(gòu)是相對(duì)于軸承對(duì)稱布置安裝在支架上，因此，其齒寬系數(shù)通常取d=0.9～1.4，本文取d=1.2。按照中等材料質(zhì)量和熱處理質(zhì)量要求，查表[13]得太陽(yáng)輪與齒圈彎曲疲勞極限為160 Mpa，行星齒輪為140 Mpa，則彎曲疲勞極限為三者中的最小值140 Mpa，許用彎曲應(yīng)力約等于最小彎曲疲勞極限[σF]≈140 Mpa。

綜上所述，由式（3）可得，模數(shù)m≥2.79 mm。將初步模數(shù)2.79 mm放大10%，則m≥2.79 mm×110%=3 mm。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)值[14]，本文確定模數(shù)為m=3 mm。

為了結(jié)構(gòu)緊湊，通常傳動(dòng)比取i≤3～5，本文取齒圈與太陽(yáng)輪之間的傳動(dòng)比為i=4。由式（2）、分度圓計(jì)算公式d=m·z、太陽(yáng)輪分度圓直徑與齒圈、行星齒輪的關(guān)系dt=dq-2dx，可計(jì)算出三元件分度圓直徑和齒數(shù)，如表2所示。

則結(jié)構(gòu)特性參數(shù)4/3≤α=2≤4，符合要求。

行星齒輪與太陽(yáng)輪的中心距等于其與齒圈的中心距a=（dt+dx）/2=76.5 mm。

小齒輪齒寬通常比大齒輪大，以防止齒面硬度較低的大齒輪齒面上形成壓痕，導(dǎo)致嚙合齒寬減小而增加齒輪單位齒寬的工作載荷。本文利用小齒輪分度圓直徑計(jì)算出大齒輪齒寬，則齒圈和太陽(yáng)輪齒寬為bq=bt=ddx=61.2 mm，取整61 mm。行星齒輪齒寬bx=bq+（5～10） mm=66～71 mm，本文取bx=68 mm。

綜上，行星齒輪機(jī)構(gòu)主要參數(shù)見(jiàn)表2所示。

設(shè)計(jì)軸時(shí)，通常先估算軸的最小直徑。本文研究的裝置屬于低速、低載荷工況，因此本文采用經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)其直徑進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于低速軸的直徑d按同級(jí)齒輪傳動(dòng)中心距a估算，即d=（0.3～0.4）a=（22.95～30.6） mm，本文取直徑d=25 mm。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文通過(guò)CATIA平臺(tái)建立了三維模型庫(kù)，如圖3所示，主要包括支架、外殼、齒圈、太陽(yáng)輪、行星架、行星齒輪、制動(dòng)器、離合器、搖柄等。并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，排除了干涉，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

3 強(qiáng)度校核

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)ANSYS/Workbench平臺(tái)，本文對(duì)典型工作模式1、3和5中的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核。

在Static structural模塊下，將行星齒輪機(jī)構(gòu)劃分網(wǎng)格，添加固定約束Fixed Support、圓柱約束Cylindrical Support和扭轉(zhuǎn)力矩Moment 100 N·m，分析等效應(yīng)力結(jié)果和變形結(jié)果。

圖4為馮氏應(yīng)力云圖，從圖a看出，齒圈固定，太陽(yáng)輪輸入時(shí)，機(jī)構(gòu)的應(yīng)力集中點(diǎn)為太陽(yáng)輪的中心軸部分，越靠近太陽(yáng)輪，應(yīng)力越大，最大應(yīng)力為42.96 Mpa。從圖b和圖c看出，太陽(yáng)輪與行星架分別固定，齒圈輸入時(shí)，機(jī)構(gòu)的應(yīng)力集中點(diǎn)均為齒圈外花鍵，最大應(yīng)力為0.141 Mpa。從前文可知，本裝置采用45鋼正火處理制造，其材料屈服強(qiáng)度為290 Mpa，因此，該機(jī)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。

4 生產(chǎn)制造

通過(guò)CAD平臺(tái)，設(shè)計(jì)零件圖和裝配圖，進(jìn)行機(jī)械加工制造，經(jīng)過(guò)裝配、調(diào)試和改進(jìn)，最終達(dá)到預(yù)期的效果，成品已投入到本校的教學(xué)中試用。圖5為該演示裝置的實(shí)物照片。

5 結(jié)論

基于CATIA、ANSYS/Workbench平臺(tái)的產(chǎn)品研發(fā)，可縮短開(kāi)發(fā)周期，降低研究成本，提高產(chǎn)品的可靠性。

基于汽車(chē)AT換擋機(jī)構(gòu)的行星齒輪機(jī)構(gòu)演示裝置為純機(jī)械裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，質(zhì)量輕，不受場(chǎng)地限制。生產(chǎn)的成品經(jīng)過(guò)本校的教學(xué)試用，可完全展示行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理，且能演示換擋過(guò)程，提高了教學(xué)效果。

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