【某轿车变速箱优化设计12000字（论文）】

某轿车变速箱优化设计摘要：在汽车变速箱100多年的历史中，主要经历了从手动到自动的发展过程。目前，市场上应用程度最高的自动变速器类型为CVT、AT、DCT，但由于地域、驾驶习惯的不同，各个地区的自动变速器发展互有差异。AT的发展趋势是提高变速器效率，主要的技术手段是扩大锁止范围、减少关键零部件损失、扩大速比范围等。其中，提高液力变矩器效率、升级润滑系统、增加档位数量尤为关键，另外还可通过与怠速启停相结合的方式进一步高效使用发动机从而实现节油。汽车变速箱作为汽车动力总成系统的重要组成部分，其结构形状相当复杂。由于不同车型的动力学性能、动力总成空间布置的多样性，从而导致了变速箱壳体结构设计空间的不确定性以及壳体轴承座上载荷分配的复杂性。整体而言，目前轿车变速箱设计研究领域零散设计方法较多，系统设计方法较少，且缺乏可操作再制造设计支持工具，产品面向再制造的设计工作开展困难。因此，亟需开发可操作的设计辅助工具，将零散的再制造设计理论与方法融入到软件工具中，为轿车变速箱再制造设计人员提供有效的设计支持工具。关键词：轿车变速器；轴类件；优化设计；多工位目录TOC\o"1-3"\h\u5000第一章绪论 1148381.1课题背景 1272581.2国内外变速器的研究现状 2316701.2.1国内变速器的研究现状 2299811.2.2国外轿车变速箱生产工艺现状 23231.3本章小结 313486第二章变速箱优化满足的理论特性 441022.1汽车动力性 4260232.1.1最高车速 452372.1.2汽车的加速时间 412532.1.3汽车的爬坡能力 5228422.2汽车燃油经济性 5222052.3本章小结 627738第三章变速器的总体方案设计 8184383.1变速器的功用及设计要求 8191183.2变速器传动机构布置方案

8323.2.1三轴式变速器与两轴式变速器

8277083.2.2倒档的布置方案

9298223.3变速器主要零件的结构方案分析

10246183.3.1齿轮型式

1044173.3.2换档结构型式

10238983.3.3自动脱档

11265943.3.4轴承型式

1153743.3.5变速器操纵机构布置方案

1171713.4传动方案的最终设计

1216026第四章变速箱模型的建立和仿真 14183894.1仿真软件介绍 14208174.2变速箱仿真模型构建 1573614.3应用Pro/E软件对变速箱模型进行结构分析 16154804.4整车性能仿真及结果分析 1727181第五章结论 1916822参考文献 20第一章绪论1.1课题背景随着社会生产力的发展，全球经济逐渐一体化，中国加入世贸组织以来，汽车工业有了较大发展，旺盛的市场需求也给中国汽车工业带来了巨大的发展机遇。近年来，国内汽车消费市场的持续升温，尤其是私家车的增多，中国轿车私有化的不断攀升，汽车保有量迅猛增长，同时消费者对汽车性能和质量提出了更高的要求。面对激烈的竞争，汽车制造商必须在满足技术法规的约束条件下，降低产品生产成本，缩短新车型设计开发周期，推出性能价格比优越的产品。这就要求运用现代先进的设计手段，运用计算机CAD技术，使设计过程更加自动化，以满足产品设计的要求。参数化设计是CAD技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可以大大提高设计速度，并减少信息的存储量。机械设计是一门古老而成熟的学科，自第一次工业革命以来，经过几百年的发展，现在以臻于完善。然而，传统的手工进行计算绘图的设计方法在日新月异的社会发展需求面前捉襟见肘，力不从心。以计算机为代表的信息技术推动整个社会各个方面发展的同时也为机械设计带来了新的生机。借助计算机提供的信息化平台，机械设计得以摆脱传统手工绘图和计算设计的繁琐和落后，变得高低自动化和精确化。可以说CAD技术在继承成熟的机械设计理论的同时已经彻底颠覆了传统机械设计几百年的人工模式。汽车变速箱是传动系的重要组成部件，因此变速箱的设计十分重要。用传统设计方法设计汽车变速箱是一项非常费时和艰苦的工作，由于科学技术的急速发展和市场竞争的日益加剧，以CAD/CAE/CAM为代表的现代汽车变速器的设计方法正逐渐代替手工传统的设计方法，许多汽车变速器的设计软件不断出现。这些大型软件包含的设计内容从零件建模到参数选取，尺寸计算，有限元分析到零件参数优化设计以及模拟仿真，通过建立虚拟样机，缩短开发周期，节省设计成本。利用虚拟样机设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的存储量。1.2国内外变速器的研究现状1.2.1国内变速器的研究现状国内对变速箱的研究做了大量的工作。李瑰贤等建立了单自由度扭振动力学模型，分析了齿轮副误差及刚度激励作用下系统的扭振特性。王立华、李润方等针对斜齿轮传动系统，建立了振动动力学模型，推导了振动方程，计算了动态响应。文献采用多体动力学的方法，建立了变速箱齿轮传动系统的动力学模型，分析了上档齿轮变刚度作用下和未上档齿轮在其自由惯量和齿测隙下产生的振动特性。文献研究讨论了齿轮箱箱体结构型式对振动模态的影响。文献从设计的角度出发，分析了变速箱齿轮本体、轴系、箱体对降低齿轮振动的作用。郑泉、马强等基于遗传算法，建立了以体积最小为目标的目标函数、设计变量和约束条件。蒋春明等在保证零件刚度、可靠性等要求的条件下，按体积最小和齿轮重合度最大建立了多目标可靠性优化设计数学模型。唐增宝、陈久荣采用齿轮动态模拟的方法，对不同的修形曲线、修形量和修形长度的齿轮进行动态性能分析。文献针对斜齿轮的齿廓修形，以最小传动误差为优化目标确定了最佳的齿廓修形曲线，并通过试验证明了齿廓修形在减小齿轮振动方面有突出的作用。文献根据汽车动力性要求，在保证变速箱可靠使用的条件下，按照变速器质量最小建立了优化设计数学模型。文献根据设计要求和特点建立了汽车变速箱的优化设计数学模型，在保证零件的刚度和强度条件下，使变速箱齿轮和轴系的质量最小。1.2.2国外轿车变速箱生产工艺现状国外对汽车变速箱的研究较早。研究发现变速箱齿轮啮合及其传动过程中必然产生振动，基于减振并按动力学设计成为研究重点内容。1967年，英国研究者H.Optiz从齿轮的动力学角度，对其振动产生机理进行了函数分析。在这个时期，齿轮的振动分析主要集中在扭转振动，并且简化为单自由度或双自由度系统。1984年，日本研究者梅泽清彦对齿轮系统进行了振动分析、动态建模、计算机仿真研究。1989年，Choy将模态分析法用于多级齿轮传动系统的动态分析，每一齿轮轴用多质量转子—轴承离散模型模拟，用传递矩阵法分析其横向振动和扭转振动，通过齿轮的啮合将它们耦合。1991年Kahraman考虑时变啮合刚度和直齿轮传动的间隙非线性因素，用三自由度的弯扭耦合模型分析了非线性时变振动系统的响应。1996年，P.Velex和M.Maatar针对安装误差和轮齿误差，研究其对齿轮副振动和噪声的影响，发现轮齿齿廓误差的幅值和相位对齿轮副振动影响很大，而且齿轮基节误差、齿向误差和压力角误差及安装偏心的影响亦很显著。1998年，Paclot基于齿轮转子系统横向振动和扭转振动的耦合，做了针对性的研究，并考察了单级、两级传动及轴承弹性支承的影响。研究表明，由于轴具有横向柔度，与非耦合状态相比系统的固有频率和模态将发生变化，即使不考虑陀螺效应或轴为刚性、轴承为弹性支承，系统都将产生扭转振动与横向振动的耦合。2003年，OgawaYuichi等针对具有螺旋线偏差的直齿圆柱齿轮副，研究了齿向修形对振动特性的影响，结果表明适当的齿向修鼓能够保证齿轮系统设计的振动特性。2005年，OguzKayabasi采用有限元法对齿轮表面做应力应变分析，确定最大应力位置，从而实现轮齿形状的最优化，达到提高变速箱寿命的目的。2010年，MehmetBozca研究提出基于扭矩振动模型并利用变速箱几何设计参数的优化设计来降低噪声。1.3本章小结本章是论文的源头，包含着本课题的研究背景、研究意义和研究现状。通过搜集各方面的资料，为我接下来的课题研究打下基础。通过对国内外的技术进行分析对比，提高了这次课题研究的可行性。

第二章变速箱优化满足的理论特性2.1汽车动力性变速箱用来改变发动机传动到驱动轮上的转矩和转速，动力输出，目的是在各种工况下，使轿车获得不同的牵引力和速度，同时使发动机在最有利的工况范围内工作。要求传动效率高，结构简单，生产成本低。以DSG双离合器变速箱为例，该型变速箱又称为直接换档变速箱，集成了两组离合器和两组换档齿轮，相当于由两个平行的变速器所组成的一套变速系统，交替将发动机的驱动力传递至驱动轮。其中，离合器1负责控制奇数齿轮和倒档齿轮，离合器2负责控制偶数齿轮，换档过程快速而且平顺，动力传输感觉不到间断，车辆动力性能得到完全发挥。2.1.1最高车速《汽车理论》中，最高车速为行驶阻力-车速曲线与不同档位中驱动力-车速曲线的焦点。然而焦点附近瞬态加速度du/dt趋近于0，做积分时加速时间t将趋于+∞，故此最高车速点必须具备一定加速度值。实际计算中，变速箱输出轴，经分动器、传动轴到车桥输入轴之间零部件转速区间为传动系转速风险区，需要事先判断此类总成的最高许用转速下限，并作为最高车速计算中的另一限制条件。2.1.2汽车的加速时间加速时间是指从一指令速度加速到另一指令速度所需要的时间。分为0~100km/h加速时间，80~140km/h可换档超车加速时间及最高档80-140km/h超车加速时间(中国地区最高车速限制为120km/h，设定时应有富余量，一汽内部设定规范采用140km/h作为上限)。特别对于豪华轿车而言，加速时间是考核整车动力性指标中最为关键的项目，如何充分利用发动机外特性，在此处表现的淋漓尽致。国内研究表明，6档以下变速箱，一般在2档达到100km/h车速；8档变速箱，均在3档达到100km/h车速。对于乘用车0~100km/h加速时间不应超过3档，否则换挡过于频繁，影响加速时间。而140km/h车速均出现在100km/h车速对应档位的下一档(6档以下变速箱一般在3档，8档变速箱在4档)。否则档位间车速落差过小。加速时档位切换过于频繁。在0~100km/h加速与80~140km/h超车加速计算过程分析中，发现应尽量让100km/h车速和140km/h车速对应转速靠近发动机最高转速，这样可充分利用该档位的驱动力。当100km/h与140km/h车速与档位关系均满足理想速比设定时，0~100km/h加速与80~140km/h加速均可充分发挥发动机驱动功率，达到理论最优状态。2.1.3汽车的爬坡能力在一般变速箱中，各档位的传动比并不是严格按照等比数列进行排布。为了提高车辆的起步能力与爬坡能力，变速箱的低档位传动比极差必须大于最优传动比极差，以保证变速箱能够传递足够的扭矩和功率。车辆使用过程中，高档位使用时间长，换档频繁，为提高车辆换档的舒适性，变速箱高档位的传动比极差必须小于最优传动比极差。最大爬坡度计算前，需先确认1档驱动力与地面附着力关系。四驱车型附着力计算中还需增加附着系数利用率计算(主要针对电子限滑差速器限扭设计)，作为附着力向发动机扭矩-转速图转化的最终输出，同时应保证爬坡行驶时车速有20km/h以上的可变区间，并且其最低车速点应低于发动机外特性曲线与0.9速比时液力变矩器透过曲线的交点。交点以下，借助液力变矩器降速增扭功能，使其具备加速爬坡能力，车速越小，后备加速度越大。利用液力变矩器扭矩放大特性，防止实车最大爬坡时，因驾驶员疏忽而导致车速低于最低车速目标时没有足够的驱动力而出现溜车的现象。如果采用AT以外不带液力变矩器的变速箱，或液力变矩器锁止时，最低车速点应保证在10~15km/h之间(越低越好)，为驾驶员应急时预留足够的预判时间。2.2汽车燃油经济性汽车动力性与燃油经济性的好坏，在很大程度上取决于发动机的性能和传动系型式及参数的选择，即取决于汽车动力传动系统合理匹配的程度。即使一台发动机具有良好的性能，如果没有一个与之合理匹配的传动系，也不能充分发挥其性能。能与发动机合理匹配的传动系可以使发动机经常在其理想工作区附近工作。这样不仅可以减少燃油消耗，减轻发动机磨损，提高发动机的使用寿命，而且可以取得良好的排放效果。往往是一流的内燃机加上一流的底盘不一定等于一流的汽车。其中的关键是“匹配”问题。据文献资料表明：目前大部分车用内燃机均工作在远离最佳经济油耗区。在发动机整个持续工作时间内其平均工作效率仅为11～18%而对于四冲程汽车发动机而言，其最佳效率为30～35%。这主要是由于发动机与传动系参数匹配不当所造成的。这些因素都对车辆的动力性燃油经济性有着重大作用。对汽车的动力性和燃料经济性影响最大的是发动机的运行特性以及传动系统的速比和效率。目前，发动机技术以相对成熟。于是，解决问题的主要技术方案便锁定为对传动系统速比（变速器速比、主减速器速比）等参数进行的优化设计，希望通过调整变速器各挡速比和主减速器速比，使发动机尽可能地在经济油耗区运转,从而降低整车的燃料消耗量,同时保持汽车原来的动力性。但是，由于汽车零部件的加工制造误差或者汽车经用户使用一段时间后零件的磨损、老化和精度下降，汽车的质量性能就会下降，所以必须考虑引起汽车质量性能波动的非确定性因素的影响，这是一个典型的考虑不确定性因素的产品质量性能问题。表2-1优化变速箱对比表发动机转速（rpm）最高车速（km/m）加速时间（s）未优化变速箱车辆4120349.424111346.47急加速优化后变速箱车辆4155326.06急加速4156328.992.3本章小结变速箱关系到发动机的动力能否高效、平顺的输出，同时也会影响驾驶乐趣、舒适性等诸多方面。同时也因为它的结构复杂，导致维修的成本高和提高维修的困难性。所以在做变速箱优化的过程中，要尽量把各方面的问题考虑进去。首先就如上述基本的五大特性，在保证动力系统的匹配，使优化后的变速箱能够在不同道路情况下具有相对应的转矩跟转速。在保证了最高车速、爬坡能力、加速性能等因素中，变速箱还尽可能使发动机在经济油耗区中运转。这就是本次课题研究的初衷。第三章变速器的总体方案设计3.1变速器的功用及设计要求变速器用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，目是在原地起步、爬坡、转弯、加速等各种行驶工况下，使汽车获得不同的牵引力和速度，同时使发动机在最有利的范围内工作。变速器设有空挡，可在启动发动机、汽车滑行或停车时使发动机的动力停止向驱动轮传输。变速器设有空挡，使汽车获得倒退行驶能力。需要时，变速器还有动力输出功能。

为保证变速器具有良好的工作性能，对变速器应提出如下设计要求

保证汽车有必要的动力性和经济性。

设置空挡，用来切断发动机动力向驱动轮的传输。

设置倒档，使汽车能倒退行驶。

设置动力输出装置，需要时能进行功率输出。

换挡迅速，省力，方便。

工作可靠。汽车行驶过程中，变速器不得有跳挡，乱挡以及换挡冲击等现象发生。

变速器应当有高的工作效率。

变速器的工作噪声低

除此以外，变速器还应当满足轮廓尺寸和质量小，制造成本低，维修方便等要求。满足汽车有必要的动力性和经济性指标，这与变速器的档数，传动比范围和各挡传动比有关。汽车工作的道路条件越复杂，比功率越小，变速器的传动比范围越大。

3.2变速器传动机构布置方案

机械式变速器因具有结构简单、传动效率高、制造成本低和工作可靠等优点，故在不同形式的汽车上得到广泛应用。3.2.1三轴式变速器与两轴式变速器

现代汽车变速器中两轴式和中间轴式变速器应用广泛。以下是三轴式和两轴式变速器的传动方案。

三轴式变速器其第一轴的常啮合齿轮与第二轴的各档齿轮分别与中间轴的相应齿轮相啮合，且第一、第二轴同心。将第一、第二轴直接连接起来传递扭矩则称为直接档。此时，齿轮、轴承及中间轴均不承载，而第一、第二轴也传递转矩。因此，直接档的传递效率高，磨损及噪音也最小，这是三轴式变速器的主要优点。其他前进档需依次经过两对齿轮传递转矩。因此。在齿轮中心距（影响变速器尺寸的重要参数）较小的情况下仍然可以获得大的一档传动比，这是三轴式变速器的另一优点。其缺点是：除直接档外其他各档的传动效率有所下降。

两轴式变速器与三轴式变速器相比，其结构简单、紧凑且除最高档外其他各档的传动效率高、噪声低。轿车多采用发动机前置前轮驱动，因为这种布置使汽车的动力-传动系统紧凑、操纵性好且可使汽车质量降低6%~10%。两轴式变速器则方便于这种布置且传动系的结构简单。两轴式变速器的第二轴（即输出轴）与主减速器主动齿轮做成一体，当发动机纵置时，主减速器可用螺旋锥齿轮或双面齿轮；当发动机横置时则可用圆柱齿轮，从而简化了制造工艺，降低了成本。两轴式变速器没有直接档，因此在高档工作时，齿轮和轴承均承载，因而噪声比较大，也增加了磨损，这是它的缺点。另外，低档传动比取值的上限（igⅠ=4.0~4.5）也受到较大限制,但这一缺点可通过减小各档传动比同时增大主减速比来取消。

综上所述，由于此次设计的是家庭经济型变速器，驱动形式属于发动机前置前轮驱动，且可布置变速器的空间较小，对变速器的要求较高，要求运行噪声小，设计车速高，故选用二轴式变速器作为传动方案。选择5档变速器，并且五档为超速档。

3.2.2倒档的布置方案

常见的倒档结构方案有以下几种：图3-1a为常见的倒挡布置方案。在前进档的传动路线中，加入一个传动，使结构简单，但齿轮处于正负交替对称变化的弯曲应力状态下工作。此方案广泛用于轿车和轻型货车的四档全同步器式变速器中。

图3-1b所示方案的优点是换倒挡时利用了中间轴上的一挡齿轮，因而缩短了中间轴的长度。但换挡时有两对齿轮同时进入啮合，使换挡困难。某些轻型货车四档变速器采用此方案。

图3-1c所示方案能获得较大的倒挡传动比，缺点是换挡程序不合理。

图3-1d所示方案针对前者的缺点做了修改，因而经常在货车变速器中使用。图3-1e所示方案是将中间轴上的一，倒挡齿轮做成一体，将其齿宽加长。

图3-1f所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合齿轮，换挡更为轻便。

为了充分利用空间，缩短变速器轴向长度，有的货车倒挡传动采用图3-1g所示方案。其缺点是一、倒挡须各用一根变速器拨叉轴，致使变速器上盖中的操纵机构复杂一些。

综合考虑，本次设计采用图3-1f所示方案的倒档换档方式。图3-1常见的倒档结构3.3变速器主要零件的结构方案分析

变速器的设计方案必需满足使用性能、制造条件、维护方便及三化等要求。在确定变速器结构方案时，也要考虑齿轮型式、换档结构型式、轴承型式等因素。

3.3.1齿轮型式

齿轮形式有直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮。

与直齿圆柱齿轮比较，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长，工作时噪声低等优点；缺点是制造时稍复杂，工作时有轴向力。变速器中的常啮合齿轮均采用斜齿圆柱齿轮，尽管这样会使常啮合齿轮数增加，并导致变速器的转动惯量增大。

直齿圆柱齿轮仅用于低档和倒挡。但是，在本设计中由于各档采用的是常啮合方案，因此全部采用斜齿轮传动方案。

3.3.2换档结构型式

变速器换档机构有直齿滑动齿轮、啮合套和同步器换档三种形式。

采用轴向滑动直齿齿轮换档，会在轮齿端面产生冲击，齿轮端部磨损加剧并过早损坏，并伴随着噪声。因此，除一档、倒档外已很少使用。

常啮合齿轮可用移动啮合套换档。因承受换档冲击载荷的接合齿齿数多，啮合套不会过早被损坏，但不能消除换档冲击。目前这种换档方法只在某些要求不高的档位及重型货车变速器上应用。

使用同步器能保证换档迅速、无冲击、无噪声，而与操作技术的熟练程度无关，从而提高了汽车的加速性、燃油经济性和行驶安全性。同上述两种换档方法比较，虽然它有结构复杂、制造精度要求高、轴向尺寸大等缺点，但仍然得到广泛应用。通过比较，考虑汽车的操纵性能，本设计全部档位均选用同步器换档。

3.3.3自动脱档

自动脱档是变速器的主要障碍之一。为解决这个问题，除工艺上采取措施以外，目前在结构上采取措施且行之有效的方案有以下几种：

将啮合套做得长一些或者两接合齿的啮合位置错开，这样在啮合时使接合齿端部超过被接合齿约1-3mm。使用中因接触部分挤压和磨损，因而在接合齿端部形成凸肩，以阻止自动脱档。

将啮合套齿座上前齿圈的齿厚切薄（0.3-0.6mm），这样，换档后啮合套的后端面便被后齿圈的前端面顶住，从而减少自动脱档。

将接合齿的工作面设计并加工成斜面，形成倒锥角（一般倾斜20-30），使接合齿面产生阻止自动脱档的轴向力。这种结构方案比较有效，采用较多。

3.3.4轴承型式

变速器轴承常采用圆柱滚子轴承、球轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、滑动轴套等。

滚针轴承、滑动轴承套主要用在齿轮与轴不是固定连接，并要求两者有相对运动的地方。

变速器中采用圆锥滚子轴承虽然有直径较小、宽度较大因而容量大、可承受高负荷等优点，但也有需要调整预紧、装配麻烦、磨损后轴易歪斜而影响齿轮正确啮合的缺点。

由于本设计的变速器为两轴变速器，具有较大的轴向力，所以设计中变速器输入轴、输出轴的前、后轴承按直径系列均选用圆锥滚子轴承。

3.3.5变速器操纵机构布置方案

根据汽车使用条件的需要，驾驶员利用操纵机构完成选档和实现换档或退到空档。变速器操纵机构应当满足如下主要要求：换档时只能挂入一个档位，换档后应使齿轮在全齿长上啮合，防止自动脱档或自动挂档，防止误挂倒档，换档轻便。

变速器操纵机构通常装在顶盖或侧盖内，也有少数是分开的。变速器操纵机构操纵第二轴上的滑动齿轮、啮合套或同步器得到所需不同档位。

用于机械式变速器的操纵机构，常见的是由变速杆、拨块、拨叉、变速叉轴及互锁、自锁和倒档装置等主要零件组成，并依靠驾驶员手力完成选档、换档或推到空档工作，称为手动换档变速器。

直接操纵式手动换档变速器

当变速器布置在驾驶员座椅附近时，可将变速杆直接安装在变速器上，并依靠驾驶员手力和通过变速杆直接完成换档功能的手动换档变速器，称为直接操纵变速器。这种操纵方案结构最简单，已得到广泛应用。近年来

，单轨式操纵机构应用较多，其优点是减少了变速叉轴，各档同用一组自锁装置，因而使操纵机构简化，但它要求各档换档行程相等。

远距离操纵手动换档变速器

平头式汽车或发动机后置后轮驱动汽车的变速器，受总体布置限制，变速器距驾驶员座位较远，这时需要在变速杆与拨叉之间布置若干传动件，换档手力经过这些转换机构才能完成换档功能。这种手动换档变速器，称为远距离操纵手动换档变速器。

电动自动换档变速器

20世纪80年代以后，在固定轴式机械变速器基础上，通过应用计算机和电子控制技术，使之实现自动换档，并取消了变速杆和离合器踏板。驾驶员只需控制油门踏板，汽车在行驶过程中就能自动完成换档，这种变速器成为电动自动换档变速器。

由于所设计的变速器为两轴变速器，采用发动机前置前轮驱动，变速器离驾驶员座椅较近，所以采用直接操纵式手动换档变速器。

3.4传动方案的最终设计

通过对变速器型式、传动机构方案及主要零件结构方案的分析与选择，并根据设计任务与要求，最终确定的传动方案如图3-2所示。其传动路线：图3-2变速器传动路线图第四章变速箱模型的建立和仿真4.1仿真软件介绍系统分析软件ADAMS（Automatic

Dynamic

Analysis

of

Mechanical

System）软件，是由美国机械动力公司（Mechanical

Dynamics

Inc.）开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是目前世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学仿真分析软件。ADAMS软件是美国学者蔡斯（Chace）等人利用多刚体动力学理论，选取系统内每个刚体的质心在惯性参考系中的三个直角坐标和反映刚体方位的欧拉角为广义坐标编制的计算程序。ADAMS软件中应用了吉尔（Gear）等解决刚性积分问题的算法，并采用稀疏矩阵技术提高了计算效率。

ADAMS

软件采用模拟样机技术，将多体动力学的建模方法与大位移、非线性分析求解功能相结合，并提供与其它

CAE

软件如控制分析软件

Matrix，有限元分析软件

NASTRAN

等的集成模块扩展设计手段。用户利用ADAMS软件可以建立和测试虚拟样机，实现在计算机上仿真分析复杂机械系统的运动性能。目前ADAMS软件在汽车、航天等领域得到广泛的应用。

ADAMS使用交互式图形环境和部件库、约束库、力库，用堆积木式的方法建立三维机械系统参数化模型，并通过对其运动性能的仿真分析和比较来研究“虚拟样机”可供选择的设计方案。ADAMS仿真可用于估计机械系统性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的载荷输入。利用

ADAMS

软件，用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型。该模型可以是在

ADAMS

软件中直接建造的简化几何模型，也可以是从其它CAD

软件中传过来的造型逼真的几何模型；然后，在几何模型上施加力/力矩和运动激励；最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，得到实际机械系统工作过程的运动仿真。ADAMS一方面是机械系统动态仿真的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟样机进行静力学、运动学、动力学分析。另一方面，又是机械系统动态仿真分析的二次开发工具平台，具体地说,ADAMS软件具有如下特点：

ADAMS

具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，其动力学数值积分有极强的适应性，积分步长和输出步长无关，用户可以成功地进行高频输出。

分析类型包括运动学、静力学、准静力学、动力学分析。其静平衡法包括多种级别积分，因此当一种积分方法失效后，软件就自动开始进行第二次积分。解算器可以处理病态矩阵。

具有二维和三维建模能力。

具有五十多种联结副、力和运动发生器组成的库。

具有组装、分析和动态显示不同模型或同一模型的某一变化过程。

具有开发式结构，允许用户集成自己的子程序。

具有一个强大的函数库，供用户自定义力和运动发生器。

有限元载荷的输出接口，ADAMS

运动时，刚体和柔性体模型的载荷都可直接输出

ANSYS、NASTRAN

或

ABAQUS

兼容的格式。

表面接触功能可自动检测接触是否发生并作出响应。

（10）通过采用全局定位图识别过约束系统，功能更强，精度更高。4.2变速箱仿真模型构建ADAMS/VIEW环境下需要借助外界CAD软件建立变速箱模型，此采用Pro/Engineer软件对建立的变速箱模型进行结构分析。

应用Pro/E软件建立与实物相对应的变速箱三维实体模型，在利用多体动力学仿真软件ADAMS与Pro/E之间接口MECHANISM/Pro将所建立的三维实体模型传送到ADAMS/View模块中。根据各子系统工作原理在MSC.ADAMS平台上施加合理的约束，并建立各子系统虚拟样机，保证传动系统虚拟样机与真实样机的工作原理相一致。建立变速箱虚拟样机流程图如图4-1所示。图4-1

变速箱虚拟样机仿真分析流程图4.3应用Pro/E软件对变速箱模型进行结构分析Pro/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。其采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的

CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上，以确保所有的零件和各个环节保持一致性和协调性。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。

变速箱位于传动部分中央，由箱体、主动轴总成（包括一级锥齿轮传动）、中间轴总成（包

括中间轴和各级变速齿轮的主动齿轮）、主轴总成（包括主轴和各级变速齿轮的被动齿轮）、倒挡轴总成和换挡机构组成，如图4-2所示为变速箱结构装配图：图4-2变速箱结构装配图4.4整车性能仿真及结果分析以5挡变速箱虚拟样机为例，利用多体动力学仿真软件提供的模型校核验证工具，对所建立变速箱子系统进行模型验证，其结果为：5挡变速箱子系统在给定速度下运行时，是按照给定的速度行驶，所建立模型没有多余约束，模型验证成功。同样，对其余5个挡位的虚拟样机子系统模型进行验证，保证所建立的虚拟样机不存在多余约束，说明模型验证成功。

由于变速箱子系统结构复杂，在整个传动系统中占有重要地位，因此对建立的变速箱虚拟样机进行仿真分析，其分析结果曲线如图4-3。变速箱发动机输出力矩

(2)

变速箱五挡主动齿轮角速度及其角加速度对比

图4-3变速箱五挡位动力学仿真分析由图4-3对变速箱系统五挡位运动状态比较可以得出如下结论：变速箱系统五挡位虚拟样机都可以完成初速度给定情况下的稳态动力学仿真试验，并且根据五挡位虚拟样机所得到的挡位传动比，与设计传动比之间相比误差很小，因此可以确定所建立变速箱系统五挡位虚拟样机模型是精确合理的，可以代表其传动系统物理样机并进行仿真试验，对其中的关键重要的零部件进行动力学仿真、寿命预测及结构优化方面研究。应用变速箱各子系统零件相对应的三维实体模型，利用接口技术基于ADAMS仿真平台软件建立了与实物样机相对应的虚拟样机，并对各子系统虚拟样机模型进行了样机校核验证，以保证所建立虚拟样机合理性。通过对所建立好的变速箱各挡位虚拟样机在给定初始条件作用下进行动力学仿真，通过仿真分析，表明仿真结果与试验结果有良好的一致性。初步验证了变速箱虚拟样机与真实变速箱实验的一致性，可以用本文所建立的变速箱虚拟样机来代替实物样机对其进行试验，为进行磨损失效周期确定、疲劳寿命预测及动态结构优化等方面研究奠定了基础，为下一步对传动系统进行系统性能分析和虚拟试验研究打下坚实可信的基础。第五章结论汽车变速箱是传动系的重要组