自動(dòng)變速器行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真分析

宋小艷

Modeling and Simulation Analysis of the Planetary Gear Transmission System of Automatic Transmission

摘要： 本課題利用Catia軟件建立自動(dòng)變速器實(shí)體模型，并將所建立的實(shí)體模型導(dǎo)入Ansys對(duì)模型進(jìn)行仿真，在仿真結(jié)果里分析出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為自動(dòng)變速器行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供解決方案。

Abstract： This subject uses Catia to establish an automatic transmission entity model，and imports the entity model into Ansys for simulation， analyzes the weak link of structure from the simulation results analyzes， to provide an optimization scheme for the planetary gear transmission mechanism of the automatic transmission.

關(guān)鍵詞： 自動(dòng)變速器；行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；Catia；Ansys

Key words： automatic transmission；planetary gear transmission mechanism；Catia；Ansys

中圖分類號(hào)：U463.212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）15-0113-02

1 自動(dòng)變速器簡(jiǎn)介

自動(dòng)變速器的核心是可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋，使車輛起步更為平順，而且大大提高了乘坐舒適性。與手動(dòng)擋變速器相比，自動(dòng)變速器通過(guò)液力變矩器取代了傳統(tǒng)的離合器，將發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)連接起來(lái)，完成動(dòng)力傳遞，駕駛員只需要通過(guò)加速踏板就可以控制車速。除此之外，自動(dòng)變速器的車輛通過(guò)性能好，液力傳動(dòng)具有一定的減震性能，可以延長(zhǎng)傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命，所以自動(dòng)變速器在車輛上得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。

2 自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)及原理

2.1 液力變矩器 液力變矩器以液壓油為工作介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)包括泵輪、渦輪、導(dǎo)輪三個(gè)元件，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器之間，起到傳遞轉(zhuǎn)矩、改變扭矩、變速及離合的作用。

泵輪作為動(dòng)力的輸入元件，當(dāng)輸入軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)泵輪一起旋轉(zhuǎn)，液體通過(guò)泵輪葉片流出，經(jīng)過(guò)渦輪、導(dǎo)輪再返回泵輪，周而復(fù)始地循環(huán)流動(dòng)，動(dòng)力通過(guò)渦輪連接的輸出軸傳遞給變速器。液力變矩器就是通過(guò)液體與各元件葉片的相互作用產(chǎn)生動(dòng)量矩的變化來(lái)傳遞扭矩。在液體循環(huán)流動(dòng)過(guò)程中，固定不動(dòng)的導(dǎo)輪給渦輪一個(gè)反作用力矩，從而使渦輪的輸出轉(zhuǎn)矩不同于泵輪的輸入轉(zhuǎn)矩，所以具有“變矩”功能。

2.2 行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 液力變矩器能在一定程度上改變扭矩的大小，但對(duì)于行駛車速來(lái)講，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以采用了齒輪傳動(dòng)的方法，來(lái)改變行駛速度的范圍及方向，即行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。通常一輛汽車需要有兩到三排的行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)速度。

2.2.1 行星齒輪結(jié)構(gòu)介紹 行星齒輪機(jī)構(gòu)包含類型眾多，其中最簡(jiǎn)單的行星齒輪機(jī)構(gòu)的組成部分主要包括一個(gè)行星架、幾個(gè)行星齒輪、一個(gè)齒圈、一個(gè)太陽(yáng)輪。行星齒輪機(jī)構(gòu)的中心齒輪是太陽(yáng)輪，在行星架上安裝行星齒輪，要求將行星齒輪對(duì)稱布置在太陽(yáng)輪與齒圈之間，如圖1所示。太陽(yáng)輪、齒圈及行星架有一個(gè)共同的旋轉(zhuǎn)軸線，行星齒輪支承在固定于行星架的行星齒輪軸上，同時(shí)與太陽(yáng)輪和齒圈嚙合。當(dāng)行星齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空套在行星架上的幾個(gè)行星齒輪，一方面可以繞自己的軸線旋轉(zhuǎn)，另一方面又可以隨行星架一起繞著太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)。

2.2.2 行星齒輪機(jī)構(gòu)的變速原理

將太陽(yáng)輪、齒圈和行星架三者中的任一構(gòu)件與主動(dòng)軸相連，第二構(gòu)件與從動(dòng)軸相連，第三構(gòu)件被強(qiáng)制固定或使其運(yùn)動(dòng)受到一定約束，如使該構(gòu)件的轉(zhuǎn)速為某一定值，則整個(gè)系統(tǒng)就以一定的傳動(dòng)比傳遞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)不同檔位速度的變化，具體見(jiàn)表1。

3 行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維建模

3.1 建模流程

進(jìn)入線框和曲面模塊用凸臺(tái)命令做出坯子，用多截面曲面multisections做出齒曲面，齒輪模板建立完單個(gè)輪齒模型后，通過(guò)Circle Pattern（圓周陣列）完成齒輪模板繪制，用close surface命令分別將兩個(gè)曲面閉合成實(shí)體，用環(huán)形陣列將齒輪的所有輪齒陣列出來(lái)，最后在用凹槽命令挖空，完成整個(gè)齒輪的三維模型，如圖2所示。

圖2所示的齒輪模板是以齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、螺旋角、齒輪厚度以及齒輪中心孔半徑為參數(shù)，建立新齒輪模型時(shí)，直接修改齒輪基本參數(shù)就能得到所需的齒輪模型。

3.2 齒圈模型 齒圈模型建立與齒輪模型建立過(guò)程較相似，只是齒輪參數(shù)計(jì)算方法會(huì)有所不同，根據(jù)表2中提供的齒圈基本參數(shù)，可建立出如圖3所示的齒圈模型。

3.3 行星齒輪架 行星齒輪架模型建立過(guò)程較簡(jiǎn)單，先在平面上做出草圖，按照尺寸拉伸，然后選擇在拉伸后形成的平面上做出草圖，再進(jìn)行拉伸、打孔等操作，反復(fù)操作幾次就可以建立出行星齒輪架模型，如圖4所示。

3.4 行星齒輪軸 行星齒輪軸模型的建立更為簡(jiǎn)單，建立行星齒輪軸半徑大小分別與大太陽(yáng)輪中心孔和小太陽(yáng)輪中心孔半徑相等，建立的行星齒輪軸模型圖如圖5所示。

3.5 裝配零部件模型 自動(dòng)變速器主要零件模型建立完成后，利用裝配設(shè)計(jì)模塊對(duì)機(jī)械裝配件之間的約束關(guān)系進(jìn)行定義，首先以行星齒輪架為基礎(chǔ)先將其固定，再把其它零件添加到行星齒輪架上，采用移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、添加約束等方式來(lái)確定它們之間的裝配關(guān)系，一直到所有零件都添加完成。在此過(guò)程中要確保兩個(gè)齒輪的齒面之間沒(méi)有任何干涉，每個(gè)零件都是獨(dú)立存在的，這個(gè)過(guò)程可以確保裝配件的正確和完整。裝配圖如圖6所示。

4 ANSYS分析

通常情況下，設(shè)計(jì)的行星架強(qiáng)度都能夠符合要求，而剛度往往不夠，在結(jié)構(gòu)剛度不夠的情況下一旦受力很容易發(fā)生變形，從而影響到齒輪正常工作。應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)行星架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

首先對(duì)行星架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對(duì)行星齒輪軸，連軸器及安裝軸承部分施加載荷和邊界約束，得出行星架節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布圖和位移分布圖，如圖7、圖8所示。

①分析行星架組件節(jié)點(diǎn)的主應(yīng)力分布云圖發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)零件的受力比較均勻，最大應(yīng)力出現(xiàn)在輸出軸軸徑的根部。②位移情況分析。從節(jié)點(diǎn)的總位移分布云圖看，這兩個(gè)零件的最大位移出現(xiàn)在兩零件的邊緣處和安裝行星輪軸的軸孔處，其值為5.9172e9。總之，整個(gè)行星架組件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為合理，最大應(yīng)力值小于設(shè)計(jì)應(yīng)力，且應(yīng)力分布也較為均勻，應(yīng)力集中問(wèn)題并未出現(xiàn)。

5 結(jié)論

文章針對(duì)變速器輸出部分的行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，完成了虛擬結(jié)構(gòu)的建立及系統(tǒng)的仿真。該方法不僅可以為行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及行星架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供一種研究手段。

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