基于Solidworks的汽車減速器建模及仿真分析

郭鵬　丁祺?！⊥鯂《偶娟?/p>

摘 要：汽車二級圓柱齒輪減速器是底盤上重要的動力傳動機構，應用于各類型汽車上，將動力從動力源傳遞到驅動橋，并進一步降速增扭。減速器在使用過程中承受較大轉矩和沖擊力，容易造成零件的疲勞和損傷。運用三維軟件繪制汽車減速器模型，并進行關鍵部件從動軸的力學仿真分析，有助于汽車零部件的設計優(yōu)化過程縮短時間和降低成本。

關鍵詞：減速器零件 建模 仿真分析

1 前言

汽車二級圓柱齒輪減速器是一種動力傳動機構，廣泛應用于傳統(tǒng)燃油車和新能源汽車傳動系統(tǒng)。其利用小齒輪帶動大齒輪旋轉，將驅動軸的高速轉動轉變?yōu)閺膭虞S的低速轉動，進一步降速增扭，從而將發(fā)動機或驅動電機等動力源的動力傳遞到驅動輪上。汽車二級齒輪減速器具有運動速度高、傳遞扭矩大的特點，齒輪的異常磨損和疲勞斷折風險較大，利用計算機軟件進行建模和仿真分析，可以模擬齒輪工作場景，發(fā)現(xiàn)應力集中部位和疲勞點，從而優(yōu)化設計、提高減速器工作可靠度和壽命。

2 二級圓柱齒輪減速器建模過程

汽車二級圓柱齒輪減速器由箱蓋、箱體、齒輪軸、從動軸、通氣塞、油面指示片、墊片、小蓋、套筒、調整環(huán)、端蓋、擋油環(huán)、反光片等零件組成，利用三維軟件Solidworks建立減速器整體的裝配模型之前應分別對各部分零件進行圖形繪制。零件列表如圖1所示。

2.1 減速器箱體和箱蓋建模

在畫零件時，首先畫箱體。根據零件圖，先拆解箱體的各種特征，確定基準點的位置，再將特殊尺寸進行定位。在對零件圖進行充分的分析后，即可使用軟件按照“零件即特征、特征即草圖、草圖即平面”的邏輯進行繪圖。作圖時可以進行“加減法”作圖?！凹臃ā薄獙⒏鞣N各樣小的尺寸特征做出來，如底板特征、加厚特征、加強筋特征等等?！皽p法”——切除部分特征和打孔特征，如箱體中間的空腔、半圓形槽、螺釘孔、銷釘孔等等。畫完后需要檢查零件的每個尺寸、特征的位置是否正確，確保每一處特征都符合零件圖的要求。確保后續(xù)的裝配過程不會出問題。圖1為減速器各部分零件圖形列表。

箱蓋的整體特征和尺寸標注過程，按照由大特征向小特征的順序作圖。在繪制箱蓋頂端凸臺時應注意以下問題：在零件圖中，凸臺只有明確的定形尺寸，定位尺寸難以在草圖中尋找，從而導致凸臺的位置難以確定?？梢酝ㄟ^打開正視基準面的草圖，找到與凸臺中心尺寸相切的虛線，從而確定凸臺的位置；對凸臺進行拉伸時，注意拉伸后的凸臺一部分與箱蓋頂端分離的問題。有兩種解決的方法：一是在對凸臺拉伸時，向兩個方向上拉伸，一個方向拉伸相應的高度尺寸，另一個方向選擇“成形到下一面”，即可消除凸臺與箱蓋之間的縫隙；另一種方法是點擊“直接編輯”中的“刪除面”。下表面可以自動修補，從而達到相同的效果。在做箱蓋加強筋時，如果加強筋一直顯示沒有與現(xiàn)存模型相交叉，可以通過使用3D草圖來繪制加強筋。減速器的箱體模型如圖2所示。箱蓋模型如圖3所示。

在繪制完成后，可以在裝配圖中將箱體和箱蓋兩個零件進行預裝配，兩零件能正確裝配在一起，說明尺寸標注沒有問題，可以接著進行其他零部件的繪制。

2.2 驅動軸和從動軸建模

減速器的驅動軸是主動部分，傳遞傳動軸的旋轉力矩。從動軸將動力傳遞給差速器或半軸。分別對驅動軸、從動軸、齒輪、端蓋、反光片等零件進行建模，標準件從插件按要求導入。驅動軸模型如圖4所示，從動軸模型如圖5所示。

減速器內的零件模型創(chuàng)建工作完成后，就可以開始裝配模型[1]。在對零件進行裝配時，可以選擇先分別裝配出驅動軸和從動軸，再將這兩個部件作為兩個整體和其他零件裝配。因為如果將所有零件都放在一次裝配中去完成，裝配細節(jié)太多，裝配關系太散亂，裝配起來不方便，可以采用多級裝配的方法來進行裝配，從而降低裝配難度。對于這兩個軸類組合，驅動軸組合由驅動軸、擋油環(huán)（兩個）、深溝球軸承（兩個）、小端蓋、氈圈組成。從動軸組合由從動軸、平鍵、齒輪、深溝球軸承（兩個）、套筒、大端蓋、氈圈組成。在裝配時應注意大、小端蓋的方向，不要裝反，當裝配完成后，可以對軸進行干涉檢查，當計算結果顯示“無干涉”，則說明各零件裝配正確。

2.3 減速器總體裝配

完成對軸的裝配后，就可以對減速器整體進行總體裝配：打開裝配圖，先導入箱體和驅動軸組合，將驅動軸的軸承和半圓槽相配合后，插入小端蓋和小調整環(huán)與驅動軸裝配。接著導入從動軸組合、大調整環(huán)、大端蓋，按上述方式裝配。如果出現(xiàn)裝配部分零件不顯示的問題，可以重新從零件圖打開。例如裝配從動軸組合時毛氈出現(xiàn)報錯，可以通過零件搜索找到毛氈零件再重新打開，毛氈就顯示出來了。兩個軸和箱體裝配好之后，導入箱蓋，將箱蓋的半圓槽和箱體的半圓槽相配合，完成減速器的整體造型。繼續(xù)導入墊片和小蓋，按導入順序和箱蓋頂端的凸臺相配合后，插入通氣塞，這時候通氣塞是活動的，沒有固定住。需要從軟件自帶的設計庫中調用一個對應尺寸的平墊圈和螺母，在剖視圖中對通氣塞進行加固鎖定。然后在小蓋上插入螺釘來固定墊片和小蓋，插入一個螺釘后，可以采用陣列的方法將螺釘陣列到其余三個螺紋孔中。接著導入墊片1、反光片、油面指示片、墊片2、小蓋。按導入順序安裝在箱體上并進行旋轉約束，確?？孜粚R，同軸裝配。再接著安裝出油孔的螺塞。螺塞裝配完成后，整個減速器就只剩下螺紋孔沒有處理了，這時只需要對每個螺紋孔安裝要求規(guī)格的螺釘、墊圈和螺母，整個減速器的建模就完成了。完成后可以對減速器整體做一次干涉檢查，在干涉檢查中，高亮顯示干涉區(qū)域，通過在裝配體中直接點擊或單獨打開零件，即可快速地對零件進行修改，達到最終設計要求[2]。減速器如圖6所示，爆炸圖如圖7所示。

3 減速器從動軸靜力分析

汽車減速器從動軸在工作中既要傳遞來自動力裝置的較大轉矩，又要承受地面通過車輪對減速機構施加的沖擊，使用過程中容易出現(xiàn)疲勞和損傷，影響減速器的可靠性和壽命。用仿真軟件對其性能進行仿真模擬，可以有效的優(yōu)化和調整其使用性能，延長零件的使用壽命。而利用SolidWorks中的有限元分析插件simulation對減速器輸出軸進行有限元分析，避免了三維建模軟件與力學分析軟件的不兼容問題[3]。

對從動軸進行靜應力分析：打開SolidWorks中的simulation插件，首先對軸賦予一個合金鋼的材質，然后對軸兩個平鍵槽中的一個槽的四個面進行夾具固定。因為軸的主要受力來源于齒輪配合的鍵槽，鍵槽是受到剪切力最大的地方。在汽車起動的瞬間，因為運動的相互性，一個槽是靜止的，另一個槽會受到一個扭矩。從靜止到運動的過程，軸受到的力是最大的，所以只需要對起動瞬間的狀態(tài)進行模擬分析。對一個槽完成固定后，對另一個鍵槽面施加一個1000牛米的扭矩，然后對整個軸生成網格，運行算例。結果如圖8所示。

圖8顯示紅色區(qū)域為鍵槽應力集中部位，大小為N·m。在設計和生產環(huán)節(jié)應對該部位進行強化處理。圖中顯示綠色區(qū)域表示零件受力在材料許用應力范圍內。有限元分析可以更加高效地驗證零件是否滿足使用要求。縮短產品開發(fā)的周期，節(jié)約人力和物力成本。

4 結論

利用計算機軟件對汽車零部件進行三維建模和性能仿真，可以直觀發(fā)現(xiàn)設計問題，找到優(yōu)化方向?？s短產品開發(fā)的時間，節(jié)約成本。近年來隨著新能源汽車技術的快速發(fā)展，利用計算機軟件進行汽車零部件產品的開發(fā)和測試正在逐漸替代原有的產品設計模式，除本文中使用的仿真軟件Solidworks外，主要面向科學計算、可視化和交互式程序設計的MATLAB在汽車仿真方面也有著廣泛的應用。利用計算機仿真軟件能夠幫助設計者們更加有效地實現(xiàn)汽車的模擬和設計。

基金項目：【2022年度河南工程學院開放實驗項目（重點項目）】；【2021年度河南工程學院教育教學改革研究項目（一般項目23）】。

參考文獻：

[1]王春香，孫洪軍.二級圓柱齒輪減速器3D模型與其運動和裝配仿真研究[J].煤礦機械.2005.01．

[2]肖啟明，蘇道齊，陳冀文. 基于Solid Works的二級齒輪減速器虛擬裝配與運動仿真[J]. 裝備制造技術.2010.08．

[3]劉雪松，王東亮，薛曉瑩. 基于Solid Works礦用電機車減速器的三維模型建立及輸出軸的有限元分析[J]. 煤礦機械.2012.04．