毕业设计（论文）汽车变速器的三维造型与运动学仿真.doc

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1、 河北农业大学现代科技学院毕业论文河北农业大学现代科技学院毕业论文 论文题目论文题目 汽车变速器的三维造型与运动学仿真汽车变速器的三维造型与运动学仿真 摘摘 要：要：汽车变速器是整个汽车传动系统中相对关键的一个部件，变速器对整车的动力性 与经济性、操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率都有着较为直接的影响。以 Pro/Engineer 5.0 为工具，建立变速器各零部件的三维实体造型，根据它们之间的约束 关系进行整体装配建模，检测变速器整体模型中个零件之间的干涉情况，以确保运动仿 真的顺利进行；在 Pro/Mechanism 模块中建立变速器的运动仿真模型，动态模拟变速器 的整个工作过程。该

2、方法实现了变速器设计阶段的可视化，使原来在二维图纸上难以表 达和设计的运动变得非常直观和易于修改，从而提高了汽车变速器的设计质量和效率。 关键词关键词：变速器，实体造型，装配建模，运动仿真 ABSTRACT: Auto transmission is the whole car transmission system, one of the crucial parts relative performance of vehicle transmission with economy, manipulating the reliability and portability, transmiss

3、ion and steadiness and efficiency have relatively direct influence. To Pro/e 5.0 for tools, set up the transmission of parts of three-dimensional molding, according to the constraint relation between them on the whole assembly modeling, detection transmission in a whole model between the parts, to e

4、nsure the interference of the motion simulation smoothly; In Pro/Mechanism in the module of establishing transmission, dynamic simulation motion simulation model of the whole process of the transmission. This method is realized the visual transmission design phase in the original 2d drawings to expr

5、ess and design sports become very intuitive and easy to modify, thereby improving the auto transmission design quality and efficiency. Keywords： transmission, entity modelling, assembly modeling, movement simulatio 目录 1 前言前言 .1 1.1 选题的背景及意义.1 1.1.1 汽车变速器运动学仿真设计技术在国内外的发展状况.1 1.1.2 汽车变速器运动学仿真目的和意义.1 1

6、.2 本文的主要内容.2 1.2.1 课题主要任务.2 1.2.2 设计思路.2 1.2.3 主要完成以下工作.2 2 变速器构造及工作原理变速器构造及工作原理 .2 2.1 变速器的结构.2 2.2 变速器的工作原理.3 3 变速器各部件三维造型及机构的仿真设计变速器各部件三维造型及机构的仿真设计 .4 3.1 变速器齿轮的设计及三维造型.4 3.1.1 确定一档齿轮的齿数.4 3.1.2 确定常啮合齿轮副的齿数.4 3.1.3 确定其他档位的齿数.5 3.1.4 确定倒档齿轮的齿数.7 3.1.5 齿轮主要参数表.8 3.2 变速器轴的设计及三维造型.9 3.2.1 轴的尺寸.9 3.2.

7、2 轴的三维造型.10 3.3 变速器传动机构运动学仿真设计.11 3.3.1 传动机构的组成.11 3.3.2 同步器设计.11 3.3.3 传动机构运动学仿真过程.12 3.4 变速器的操纵机构的运动学仿真设计.13 3.4.1 变速器操纵机构的功用.13 3.4.2 换档位置设置.13 3.4.3 换挡机构运动学仿真过程.14 3.5 差速机构运动学仿真设计.14 3.5.1 差速器的功能.14 3.5.2 差速器齿轮的基本参数选择.15 4 变速器的实体装配变速器的实体装配 .15 4.1 实体建模.16 4.2 变速器的装配.16 5 变速器运动仿真分析变速器运动仿真分析 .18 5

8、.1 运动仿真的工作流程.18 5.2 齿轮啮合的运动仿真分析.18 结束语结束语 .19 参考资料参考资料 .20 致致 谢谢 .21 1 前言 变速器是汽车动力系统中的重要部件，它直接影响着驾驶的操控感觉和乘坐的舒适 性。在汽车变速器传统设计中，设计者需把大脑中产生的三维实体图像用二维图形表达 出来，工作量大且非常繁琐，设计出来的产品周期长，不能满足现代产品对设计的要求。 以参数化为核心的设计软件Pro/E 提供了三维实体设计功能后, 很快被广大用户接受。 在运动仿真的过程中, 及时发现设计不合理的结构和部件干涉, 保证产品的装配关系、 产品的运动间隙、产品理论尺寸的正确性, 提高产品的设

9、计质量、减少不必要的设计协 调、设计反复时间, 极大地缩短了产品设计周期1。 1.1 选题的背景及意义 1.1.1 汽车变速器运动学仿真设计技术在国内外的发展状况 计算机运动学仿真技术在欧美、日本等国的大学、研究机构、汽车厂商及零部件制 造厂商已经在技术研究、产品开发中广泛运用。运动学仿真设计在中国汽车行业的应用 起步于20世纪80年代中期，历经十几年的缓慢发展，到90年代后期开始加速，目前已经 进入飞速发展期。 中外合资的汽车以及零部件生产企业的运动学仿真设计应用水平普遍比较低，因为 这些合资企业的产品设计权在国外，他们的运动学仿真设计应用一般停留在工艺更改后 的验证层次，谈不上汽车关键部件

10、的运动学仿真设计应用。随着外国汽车以及零部件公 司逐步在中国建立研发中心，其运动学仿真设计的应用水平也会逐步提高2。 国有汽车企业的运动学仿真设计应用开始较早，但是发展缓慢，运动学仿真设计人 才流失比较多，有的单位运动学仿真设计的应用20几年来还停留在基本分析阶段。民营 或者国内股份企业因为没有现成的产品可以生产，开始是仿造，现在有的企业已经拥有 自己的设计能力，且运动学仿真设计在关键部件的应用水平还较高。国内一些自主品牌 自主（半自主）开发的车型，对运动学仿真设计分析的需求和依赖性较强，部件、子系 统、整车运动与安全都在进行运动学仿真设计分析。有的企业借助一些曾经在国外大汽 车公司工作的“海

11、归”带回的经验，并结合本企业运动学仿真设计应用的经验，开始在 着手建立自己的运动学仿真设计应用规范和流程。 总体来讲，中国的轿车企业运动学仿真设计应用水平相对高，卡车次之，客车企业 属于起步阶段。提高运动学仿真设计的应用水平显得尤为重要3。 1.1.2 汽车变速器运动学仿真目的和意义 计算机技术的迅猛发展和进步，使其在工业中应用的深度和广度不断拓展，推动着 生产力不断提高。汽车工业的产品开发、成产技术方法手段等与时俱进，也随之进步。 运动仿真技术是一种崭新的产品开发方法，是多个相关学科领域交叉、集成的产物，是 一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。其涉及机械、电子、计算机图形学、 仿真

12、建模、虚拟现实等多个领域、多项技术，以计算机仿真和产品生命周期建模为基础， 以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，借助成熟的三维计算机图形技术、图形 用户界面技术、信息技术、集成技术、多媒体技术、并行处理技术等，将分散的产品设 计开发和分析过程集成在一起，使得与产品相关的所有人员能在产品研制的早期直观形 象地对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真以及使用仿真等。 1.2 本文的主要内容 1.2.1 课题主要任务 本课题是在熟悉汽车变速器的前提下运用计算机pro/e软件对汽车变速器各部件进行 三维造型绘制并进行预装配，并对其进行运动学仿真，对运动学仿真进行初步的探索， 以缩短汽车变

13、速器的设计周期，优化汽车变速器的设计方案，提高变速器的质量。 1.2.2 设计思路 汽车变速器是一套用于来协调发动机的转速和车轮的实际行驶速度的变速装置，用 于发挥发动机的最佳性能。变速器可以在汽车行驶过程中，在发动机和车轮之间产生不 同的变速比，通过换挡可以使发动机工作在其最佳的动力性能状态下。如何快速设计和 优化汽车变速器，首先要改变传统的手工设计的方法，本论文利用pro/e软件对汽车变速 器的各构成进行绘制，并进行预装配仿真，对于进一步设计研究打下基础。 应用计算机仿真技术，从设计实验改进设计再实验再设计的设计 理念转为设计仿真实验，使设计中的主要问题在设计初期得以解决，可以缩短 车辆研

14、发周期，帮助设计人员尽可能多地节省从产设计初稿到产品定型所花费的工作时 间、减低开发成本、提高产品设计和制造质量的重要途径4。 计算机运动学仿真设计的一般步骤可如下表示： 1.2.3 主要完成以下工作 （1）熟悉汽车变速器的构造设计及工作原理 （2）根据所掌握的知识绘制各零部件和预装配 （3）对汽车变速器某些部件进行运动学仿真 2 变速器构造及工作原理 2.1 变速器的结构 （1）壳体 使用 Pro/engineer 软件模拟所设计的 机构 使用 Pro/engineer 中 的 Mechanism design 进行运动学仿真 建立设计的模型 （2）操纵机构 （3）传动机构 （4）差速机构

15、2.2 变速器的工作原理 变速器通过不同齿数齿轮组的相互啮合，改变传动比，从而输出不同的转速与扭矩。 主动轮齿数比从动轮的齿数少，输出的转速比输入的转速小，扭矩增大,称为低速档。主 动轮齿数比从动轮的齿数多，输出的转速比输入的转速大，扭矩减小，称为超速档。主 动轮齿数与输出齿轮齿数相等，输出的转速和扭矩与输入的转速相等，称为直接档5。 工作原理如图1所示： 1-输入轴四档齿轮 2-输入轴三档齿轮 3-输入轴二档齿轮 5-输入轴一档齿轮 6-输出轴一档齿轮 7-输出轴倒档齿轮 8-输出轴二档齿轮 9-输出轴三档齿轮 10-结合套 11-输出轴四档齿轮 12-输出轴 13-输入轴 图 1-变速器工

16、作原理图 3 变速器各部件三维造型及机构的仿真设计 3.1 变速器齿轮的设计及三维造型 3.1.1 确定一档齿轮的齿数 已知一档传动比 （3-1） 9 10 1 2 z z z z igI 为了确定Z9和Z10的齿数，先求其齿数和 ： （3-2） Z m A z 2 其中 A =77.08mm、m =3；故有。选择齿轮的齿数时应注意最好不使相配齿 4 . 51 Z 轮的齿数和为偶数，以减少因大、小齿轮的齿数间有公约数的机会，否则会引起齿面的 不均匀磨损。则取=51。当轿车三轴式的变速器时，则 Z 9 . 35 . 3 gI i ，此处取=16，则可得出=35。 范围内选择可在1715 10 Z

17、 10 Z 9 Z 上面根据初选的A及m计算出的可能不是整数，将其调整为整数后，从式（3-3）看 Z 出中心距有了变化，这时应从及齿轮变位系数反过来计算中心距A，再以这个修正后的 Z 中心距作为以后计算的依据。 这里修正为51，则根据式（3-3）反推出A=76.5mm。 Z 三维造型图如图2所示： 图 2-一档齿轮三维造型 91 . 3 gI i 3.1.2 确定常啮合齿轮副的齿数 由式（3-2）求出常啮合齿轮的传动比 （3-4） 9 10 1 2 z z i z z gI 由已知数据可得： 76 . 1 1 2 z z 而常啮合齿轮的中心距与一档齿轮的中心距相等，且斜齿轮中心距 （3-5）

18、cos2 )( 21 zzm A n 由此可得： （3-6） n m A zz cos2 21 根据已知数据可计算出：。 53 21 ZZ 联立方程式可得：=19、=34。 1 Z 2 Z 则根据式（3-2）可计算出一档实际传动比为： 。 3.1.3 确定其他档位的齿数 二档传动比 （3-7） 8 7 1 2 z z z z igII 而故有：，对于斜齿轮： 55. 2 gII i425 . 1 / 87 zz （3-8） n m A z cos2 故有： 53 87 ZZ 联立方程式得：。 2231 87 ZZ、 按同样的方法可分别计算出：三档齿轮 ；五档齿轮 2726 65 ZZ、 。 3

19、716 43 ZZ、 二档、三档、五档齿轮三维造型如图3,4,5所示： 图 3-二档齿轮三维造型 图 4-三档齿轮三维造型 图 5-五档齿轮三维造型 3.1.4 确定倒档齿轮的齿数 一般情况下，倒档传动比与一档传动比较为接近，在本设计中倒档传动比取 3.7。 gr i 中间轴上倒档传动齿轮的齿数比一档主动齿轮 10 略小，取。而通常情况下，倒 13 12 Z 档轴齿轮取 2123，此处取=23。 13 Z 13 Z 由 （3-9） 1 2 12 13 13 11 z z z z z z igr 可计算出。 27 11 Z 因本设计倒档齿轮也是斜齿轮，故可得出中间轴与倒档轴的中心距 1213 (

20、) 52 2cos n m zz Amm 而倒档轴与第二轴的中心距 1113 () 72.5 2cos n m zz Amm 倒档轴齿轮三维造型如 6 所示： 图 6-倒档齿轮三维造型 3.1.5 齿轮主要参数表 齿轮主要参数归纳如下表 3-1。 表 3-1 齿轮主要参数 主要 参数 齿 数 模数 (mm) 螺旋角变位系 数 分度圆 直径(mm) 齿根圆 直径(mm) 齿顶圆 直径(mm) 10 z 160.84840.554 1 档 9 z 35 3 0 -0.810597.5111 8 z 22-0.463.557.2568.5 2 档 7 z 31 2.5 30 0.489.583.25

21、94.5 6 z 2707871.7583 3 档 5 z 26 2.5 30 07568.7580 4 z 37-0.2107100.75112 5 档 3 z 16 2.5 30 0.24639.7551 2 z 34-0.29891.75103 常 啮 1 z 19 2.5 30 0.25548.7560 12 z 13-0.837.531.2542.5 13 z 230.13266.560.2571.5 倒 档 11 z 27 2.5 30 0.878.572.2583.5 齿轮上的花键形式和尺寸根据轴的结构和尺寸确定，具体参数见下表 3-26。 表 3-2 花键主要参数 序号名称压力

22、角大圆直径模数齿数 1一轴常啮齿轮 30 46222 2二轴五档齿轮 30 452.517 3二轴三档齿轮 30 52225 4二轴二档齿轮 30 56227 5二轴一档齿轮 30 56227 6二轴倒档齿轮 30 56227 3.2 变速器轴的设计及三维造型 3.2.1 轴的尺寸 变速器轴的确定和尺寸，主要依据结构布置上的要求并考虑加工工艺和装配工艺要 求而定。在草图设计时，由齿轮、换档部件的工作位置和尺寸可初步确定轴的长度。而 轴的直径可参考同类汽车变速器轴的尺寸选定，也可由下列经验 第一轴和中间轴： （3-10）(0.4 0.5) ,dA mm 第二轴： （3-11） 3 max 1.0

23、7, e dTmm 为保证设计的合理性，轴的强度与刚度应有一定的协调关系。因此，轴的直径 d 与 轴的长度 L 的关系可按下式选取： 第一轴和中间轴：d/L=0.160.18 第二轴：d/L=0.180.21 3.2.2 轴的三维造型 第一轴通常和齿轮做成一体，前端大都支撑在飞轮内腔的轴承上，其轴径根据前轴 承内径确定。该轴承不承受轴向力，轴的轴向定位一般由后轴承用卡环和轴承盖实现。 第一轴长度由离合器的轴向尺寸确定，而花键尺寸应与离合器从动盘毂的内花键统一考 虑。第一轴三维造型如图 7 所示： 图 7-变速器第一轴 中间轴分为旋转轴式和固定轴式。本设计采用的是旋转轴式传动方案。由于一档和 倒

24、档齿轮较小，通常和中间轴做成一体，而高档齿轮则分别用键固定在轴上，以便齿轮 磨损后更换7。其结构三维造型如图 8 所示： 图 8-变速器中间轴 3.3 变速器传动机构运动学仿真设计 3.3.1 传动机构的组成 传动机构的组成有输入轴、输出轴、主动齿轮、从动齿轮、同步器总成、倒档惰轮 机构。其装配如图 9 所示： 图 9-变速器传动机构仿真图 3.3.2 同步器设计 同步器的工作原理 如图 10，此类同步器的工作原理是：换档时，沿轴向作用在啮合套上的换档力，推 啮合套并带动定位销和锁环移动，直至锁环锥面与被接合齿轮上的锥面接触为止。之后， 因作用在锥面上的法向力与两锥面之间存在角速度差，致使在锥

25、面上作用有摩擦力矩， 它使锁环相对啮合套和滑块转过一个角度，并滑块予以定位。接下来，啮合套的齿端与 锁环齿端的锁止面接触（图 10-b） ，使啮合套的移动受阻，同步器在锁止状态，换档的第 一阶段结束。换档力将锁环继续压靠在锥面上，并使摩擦力矩增大，与此同时在锁止面 处作用有与之方向相反的拨环力矩。齿轮与锁环的角速度逐渐靠近，在角速度相等的瞬 间，同步过程结束，完成换档过程的第二阶段工作。之后，摩擦力矩随之消失，而拨环 力矩使锁环回位，两锁止面分开，同步器解除锁止状态，接合套上的接合齿在换档力的 作用下通过锁环去与齿轮上的接合齿啮合（图 10-d） ，完成同步换档8。同步器爆炸结果 如图 11

26、所示： 图 10-锁环同步器工作原理 图 11-同步器爆炸图 3.3.3 传动机构运动学仿真过程 （1）设置联接。一轴与箱体,二轴与二轴上的齿轮都是销钉连接;拨叉与拨叉杆,同 步器与二轴要实现滑动,则要采用圆柱连接;而拨叉要带动同步器一起滑动则采用刚性连 接。 （2）设置齿轮运动副。变速器主要是由不同的齿轮啮合实现变速,因此运动副主要 是采用齿轮运动副，设置齿轮运动副的时候选择齿轮相对固定体设置的连接。 （3）设置伺服电动机。一轴和二轴为基于销钉联接的匀速圆周运动,拨叉为基于圆 柱连接的变速滑动。 （4）对上述过程进行干涉检查并捕获仿真分析结果影片。 3.4 变速器的操纵机构的运动学仿真设计

27、3.4.1 变速器操纵机构的功用 变速器操纵机构的功用是保证各档齿轮、啮合套或同步器移动规定的距离，以获得 要求的档位，而且又不允许同时挂两个档位。 3.4.2 换档位置设置 设计操纵机构首先要确定换档位置。换档位置的确定主要从换档方便考虑。为此应 该注意以下三点： （1）按换档次序来排列 ； （2）将常用档放在中间位置，其它档放在两边； （3）为了避免误挂倒档，往往将倒档安排在最靠边的位置，有时与 1 档组成一排。 根据以上三点，本次设计变速器的换档位置如图 12 所示，变速器自锁与互锁的结构 如图 13 所示9： 图 12-换挡位置 1-自锁钢球 2-自锁弹簧 3-变速器盖 4-互锁钢球

28、5-互锁销 6-拨叉轴 图 13-变速器自锁与互锁结构 3.4.3 换挡机构运动学仿真过程 变速器各挡位换档运动过程都很相似, 下面只以制作变速器由空档挂入三档时操纵 机构运动过程的仿真分析为例, 说明机械运动仿真的制作过程。 由空档挂入三档运动仿真制作过程如下: (1) 进入 Mechanism 模块。 (2) 定义操纵杆和拨块间的凸轮连接。 (3) 定义自锁钢球和拨叉轴之间的弹簧连接。 (4) 定义自锁钢球、互锁钢球和拨叉轴之间的槽连接。 (5) 定义操纵杆绕坐标系的 y 轴旋转角速度, 以此作为仿真初始条件。 (6) 对变速器操纵机构由空档换入三档运动过程进行仿真分析。 (7) 对上述过

29、程进行干涉检查并捕获仿真分析结果影片。同理再在 Mechanism 模块 完成三档齿轮传动机构的运动仿真, 便可得到空档挂入三档时, 从操纵杆到输出轴转动 整个运动仿真过程。仿真如图 14 所示： 图 14-变速器操纵结构的仿真图 3.5 差速机构运动学仿真设计 3.5.1 差速器的功能 车轮滑动会加速轮胎的磨损、增加汽车动力消耗、汽车的转向和制动性能下降。因 此，汽车行驶中应尽量避免车轮滑动。差速器用分别驱动的方法来实现左右驱动车轮、 前后驱动车桥的不同角速度，保证车轮在正常行驶状况下纯滚动。差速器运动仿真如图 15 所示： 3.5.2 差速器齿轮的基本参数选择 （1）行星齿轮数目的选择 4

30、 个 （2）行星齿轮球面半径确定 B R 球面半径按经验公式可得： B R 3 3 2.9 485549.11 BBi RKTmm 节锥距： 0 0.990.99 49.1148.62 B ARmm （3）行星齿轮与半轴齿轮齿数的选择 行星齿轮轮齿数 半轴齿轮齿数 1 10z 2 20z 满足安装条件为： 22LR zz I n （4）速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定 行星齿轮与半轴齿轮的节锥角： 12 , 1 1 2 0 10 arctanarctan 20 0.4636 26.565 z z 弧度 2 2 1 0 20 arctanarctan 10 1.1071 63.435 z z 弧度 差速器设计仿真如图 15 所示： 图 15-差速器的仿真图 4 变速器的实体装配 以目前使用最广泛的三轴式有级变速器为研究对象。该变速器采用齿轮传动，具有 5 个前进挡和 1 个倒挡，靠驾驶员直接操作变速杆换挡。该变速器主要包括传动