關(guān)麗麗

海馬轎車(chē)有限公司，河南鄭州 450016

0 引言

汽車(chē)變速器是汽車(chē)重要部件，它對(duì)汽車(chē)動(dòng)力性、尾氣排放都有重要影響，自動(dòng)變速器的誕生和應(yīng)用，不僅使汽車(chē)運(yùn)行的動(dòng)力特性接近理想特性，而且對(duì)駕駛舒適性和行駛性能產(chǎn)生了根本性地變革，由于自動(dòng)變速器所具有的重要地位、市場(chǎng)前景受到汽車(chē)行業(yè)界的高度重視，各汽車(chē)廠家和有關(guān)的部件企業(yè)投入了大量人力、物力研制開(kāi)發(fā)，如今自動(dòng)變速器的技術(shù)已趨成熟，從引進(jìn)消化到自主開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)幾家大型汽車(chē)集團(tuán)公司都已建立了自己的自動(dòng)變速器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)基地。

1 自動(dòng)變速器簡(jiǎn)介

1.1 自動(dòng)變速器的發(fā)展

1939年由美國(guó)通用汽車(chē)公司首先在奧茲莫比爾轎車(chē)上應(yīng)用，它是一項(xiàng)十分重要的發(fā)明，我國(guó)最早裝備自動(dòng)變速器的汽車(chē)是一汽生產(chǎn)的CA770紅旗轎車(chē)，但自主研制、生產(chǎn)自動(dòng)變速器技術(shù)發(fā)展受到了汽車(chē)電子技術(shù)的影響和限制，因自動(dòng)變速器最核心的是電子控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，但我國(guó)汽車(chē)電子技術(shù)發(fā)展一直處于滯后狀態(tài)，所以對(duì)自動(dòng)變速器的整體發(fā)展，近幾年隨著汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)推動(dòng)我國(guó)自動(dòng)變速器的快速發(fā)展起到了主要作用。

汽車(chē)自動(dòng)變速器的基本原理是通過(guò)液力變扭器使得發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩傳遞給行星齒輪組，并以單向式離合器 (或是液力多盤(pán)式離合器、皮帶摩擦輪等結(jié)構(gòu))來(lái)改變速比。由于行星齒輪一直處于嚙合狀態(tài)，消除了齒間嚙合間隙，極好地減小了齒輪噪聲和沖擊。為了使車(chē)輛運(yùn)行更為平穩(wěn)。采用液力變扭器連接發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器。吸收了發(fā)動(dòng)機(jī)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，使得變速比通過(guò)汽車(chē)電子控制系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)操縱，而且液壓系統(tǒng)與電子控制系統(tǒng)互相配合，使汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)始終處于最佳工作狀態(tài)。

由于自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以造價(jià)比手動(dòng)變速器高出數(shù)倍，但因自動(dòng)變速器對(duì)汽車(chē)整車(chē)性能的影響和廣大用戶(hù)的歡迎，盡管價(jià)格比手動(dòng)變速器高得多，但還是迅速被廣大汽車(chē)制造商和客戶(hù)所接受，表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力。

液力變矩器式的自動(dòng)變速器主要由下列部件組成：

1）液力變矩器；2）機(jī)械變速器和變速的執(zhí)行元件；3）機(jī)械操縱及聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)；4）液壓控制和執(zhí)行元件；5）電子控制裝置、電子傳感器和執(zhí)行元件。

1.2 自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)

自動(dòng)變速器外形如圖1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。此自動(dòng)變速器是一個(gè)四擋全電子換擋控制的自動(dòng)變速器，它由帶雙導(dǎo)輪的液力變矩器、行星變速機(jī)構(gòu)、液壓控制系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)拉制模塊四個(gè)主要部分組成。主要的傳動(dòng)和接合元件有：5個(gè)多片離合器，3個(gè)滾子/凸塊式單向離合器，3組行星排，2組制動(dòng)帶江個(gè)控制閥塊，制動(dòng)帶何服系統(tǒng)，蓄壓器，駐車(chē)制動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶閉鎖離合器的液力變矩器。

圖1 自動(dòng)變速器的外形結(jié)構(gòu)

圖2 自動(dòng)變速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 運(yùn)用CAD對(duì)自動(dòng)變速器進(jìn)行三維設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)變速器基于CATIA的設(shè)計(jì)對(duì)象

此自動(dòng)變速器的相關(guān)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。液力變矩器雖然能夠在一定范圍內(nèi)自動(dòng)的改變扭矩比，但由于變扭能力與效率之間的矛盾，目前使用的液力變矩器的變矩系數(shù)一般都難以滿足汽車(chē)工業(yè)的要求，其扭矩比一般在1～3的范圍，因此一般通過(guò)液力變矩器與齒輪式變速器相結(jié)合的液力機(jī)械式變速器來(lái)達(dá)到我們的要求。齒輪式變速器中一般選用行星齒輪結(jié)構(gòu)，因?yàn)樾行驱X輪結(jié)構(gòu)變速器具有體積小、變速比大、操縱容易等眾多優(yōu)點(diǎn)，故行星齒輪結(jié)構(gòu)被大量地應(yīng)用于液力機(jī)械式變速器上。采用行星齒輪機(jī)構(gòu)變速器不僅可以滿足傳動(dòng)比可變、不傳遞動(dòng)力和轉(zhuǎn)向可逆的要求，而且還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）運(yùn)行時(shí)所有行星齒輪都參與工作，一起承擔(dān)載荷，使工作更加安靜，承受強(qiáng)度更大；

2）行星齒輪在運(yùn)行時(shí)，齒輪間產(chǎn)生的作用力不傳遞到自動(dòng)變速器殼體，而是由齒輪系統(tǒng)內(nèi)部來(lái)承受，所以變速器殼體可以設(shè)計(jì)的更加輕薄；

3）行星齒輪結(jié)構(gòu)采用內(nèi)嚙合與外嚙合相匹配的結(jié)構(gòu)，與單一的外嚙合相比，減少了變速器尺寸；

4）行星齒輪在運(yùn)行時(shí)，齒輪處于長(zhǎng)嚙合狀態(tài)，沒(méi)有摘掛擋時(shí)的齒輪沖擊，穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)。

行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)涉及的的對(duì)象包括行星輪、太陽(yáng)輪、內(nèi)轂、外轂、支撐彈簧等。針對(duì)這些部件選用CATIA對(duì)其進(jìn)行建模，由于CATIA針對(duì)各個(gè)機(jī)械的零部件具有很好的可操作性和高精度要求，所以此次各個(gè)部件CATIA進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.2 內(nèi)轂和外轂設(shè)計(jì)

自動(dòng)變速器的內(nèi)轂和外轂的設(shè)計(jì)，應(yīng)用的是CATIA的PART模塊。對(duì)于它們的設(shè)計(jì)，首先選擇XY平面作為創(chuàng)建草圖的基準(zhǔn)平面，然后進(jìn)行草繪，這兩個(gè)零件的大體結(jié)構(gòu)都是以圓為基礎(chǔ)的。對(duì)于內(nèi)轂部分，首先創(chuàng)建一個(gè)圓，然后進(jìn)行凸臺(tái)的操作，再將其抽殼處理，再把這個(gè)凸臺(tái)進(jìn)行再一次的操作，將其表面均布40個(gè)鍵槽。最后將各個(gè)需要進(jìn)行處理的部件進(jìn)行相應(yīng)的倒角操作。自動(dòng)變速器內(nèi)轂三維圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)變速器內(nèi)轂

由于變速器的外轂是與內(nèi)轂相配的，因此在進(jìn)行外轂的模型創(chuàng)建的時(shí)候要與內(nèi)轂的尺寸相互配合，他們共同在一起組成主要的傳動(dòng)保護(hù)組織。自動(dòng)變速器外轂的操作依然是先進(jìn)行草繪然后凸臺(tái)操作，抽殼處理。外轂的建模相對(duì)來(lái)說(shuō)比內(nèi)轂更加復(fù)雜，由于各個(gè)定位孔的存在，需要對(duì)其進(jìn)行均布處理使其均勻的分布在四周，作為固定組織而應(yīng)用它們。自動(dòng)變速器外轂三維圖如圖4所示。

圖4 自動(dòng)變速器外轂

自動(dòng)變速器的內(nèi)轂和外轂的CAD制作基本完成，基于CATIA軟件的創(chuàng)作使他們更加精確。此設(shè)計(jì)也可以用其他的三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行，完成的效果差不多，但是CATIA作為一種專(zhuān)業(yè)性很強(qiáng)的軟件需要對(duì)其廣泛的應(yīng)用，并且更加精確。

2.3 彈簧的三維設(shè)計(jì)

2.3.1 彈簧的應(yīng)用

彈簧是一種利用彈性來(lái)工作的機(jī)械零件。一般用彈簧鋼制成。用以控制機(jī)件的運(yùn)動(dòng)、緩和沖擊或震動(dòng)、貯蓄能量、測(cè)量力的大小等，廣泛用于機(jī)器、儀表中。彈簧的種類(lèi)復(fù)雜多樣，按形狀分，主要有螺旋彈簧、渦卷彈簧、板彈簧等。由于彈簧的應(yīng)用廣泛、設(shè)計(jì)變化頻繁、設(shè)計(jì)復(fù)雜等特點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)彈簧時(shí)采用CAD技術(shù)將會(huì)有較好的效果。

此自動(dòng)變速器中的彈簧用來(lái)減震及傳動(dòng)，位于彈簧支座上面。它是連接換擋離合器的關(guān)鍵部件。

2.3.2 GSD外形設(shè)計(jì)

創(chuàng)成式造型，簡(jiǎn)稱(chēng)GSD，非常完整的曲線操作工具和最基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造工具，除了可以完成所有曲線操作以外，可以完成拉伸，旋轉(zhuǎn)，掃描，邊界填補(bǔ)，橋接，修補(bǔ)碎片，拼接，凸點(diǎn)，裁剪，光順，投影和高級(jí)投影，倒角等功能，連續(xù)性最高達(dá)到G2，生成封閉片體Volume，完全達(dá)到普通三維CAD軟件曲面造型功能，比如Pro/E。完全參數(shù)化操作，設(shè)計(jì)更加精確。

2.3.3 彈簧的建模

本次建模采用的是螺旋彈簧，螺旋彈簧的一般基本尺寸：自由高度L=310，螺旋彈簧中徑Da=80，彈簧材料直徑d=15，螺旋彈簧總?cè)?shù)n=5，螺旋彈簧有效圈數(shù)n1=7。彈簧的建模，首先在創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)的模塊中選擇創(chuàng)建螺旋線的命令，然后切換到PART模塊，選擇肋的命令即可創(chuàng)建螺旋彈簧，然后對(duì)其進(jìn)行一定的修剪就可以創(chuàng)建出符合本次設(shè)計(jì)的螺旋彈簧。如圖5所示。

圖5 螺旋彈簧

2.4 太陽(yáng)輪和行星輪的三維設(shè)計(jì)

2.4.1 行星齒輪機(jī)構(gòu)

由于上述的各項(xiàng)有點(diǎn)，變速器采用行星齒輪機(jī)構(gòu)，變速器齒輪分斜齒和直齒圓柱齒輪。與直齒圓柱齒輪比較，斜齒圓柱齒輪雖然制造時(shí)復(fù)雜、工作時(shí)有軸向力，但因其使用壽命長(zhǎng)、工作時(shí)噪聲低等優(yōu)點(diǎn)而仍然得到廣泛的使用。本自動(dòng)變速器中的所有齒輪均采用斜齒圓柱齒輪，盡管這樣會(huì)使常嚙合齒輪數(shù)增加，并導(dǎo)致變速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大。

2.4.2 太陽(yáng)輪的三維設(shè)計(jì)

太陽(yáng)輪也是在PART模塊中進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先在XY平面上進(jìn)行草繪，由于太陽(yáng)輪是存在斜齒輪的，因此在進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)之后，要特別的針對(duì)斜齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于這個(gè)自動(dòng)變速器中的斜齒輪，有兩種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。第一種方法就是用CATIA的基本設(shè)計(jì)按照步驟進(jìn)行操作，然后按不同的特征進(jìn)行處理，得出斜齒輪；第二種方法是用函數(shù)編程，通過(guò)這種方法可以得出參數(shù)化更加精確的斜齒輪，它的特征也更加的明顯，這里選擇第二種方法，因?yàn)槠湫Ч酶鶞?zhǔn)確。太陽(yáng)輪效果如圖6所示。

圖6 太陽(yáng)輪

2.4.3 行星輪的三維設(shè)計(jì)

行星輪的設(shè)計(jì)方法和太陽(yáng)輪差不多，由于行星輪基本上就是一個(gè)斜齒輪，因此選用參數(shù)化的方法就可以將其制作出來(lái)，操作方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單。行星輪如圖7所示。

圖7 行星輪

3 自動(dòng)變速器的裝配設(shè)計(jì)

3.1 裝配模塊簡(jiǎn)介

裝配設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品部可缺少的一部分，它能很好的制定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和特征，方便工程人員對(duì)產(chǎn)品的認(rèn)知。CATIA的裝配模塊可以很好的定義機(jī)械裝配之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)定位，并檢查裝配之間的一致性。

3.2 自動(dòng)變速器裝配

對(duì)于以上制作的各個(gè)零部件按照一定的約束關(guān)系進(jìn)行裝配。由于自動(dòng)變速器所涉及的主要部件是軸對(duì)稱(chēng)的圓形部件，因此在裝配的過(guò)程中主要應(yīng)用的是相合約束，接觸約束以及偏移約束。自動(dòng)變速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有很多種，比如螺旋彈簧，因此在裝配的時(shí)候需要注意要將所有的部件都要進(jìn)行裝配，不要缺少結(jié)構(gòu)。如圖8所示。

圖8 自動(dòng)變速器裝配圖

4 結(jié)論

CAD技術(shù)在復(fù)雜大型產(chǎn)品的三維造型、動(dòng)態(tài)干涉檢查、虛擬組裝、工程圖生成等方面與原始設(shè)計(jì)方法比較，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，是一次設(shè)計(jì)技術(shù)中的突破，它不僅提高了模型設(shè)計(jì)效率、質(zhì)量，而且使三維造型設(shè)計(jì)--虛擬裝配設(shè)計(jì)--二維工程圖生成等后續(xù)處理工作發(fā)生了歷史性的變革。雖然CAD技術(shù)有著巨大的突破點(diǎn)，但是還是存在一些不足，主要問(wèn)題有：有些常用件和標(biāo)準(zhǔn)件，在生成二維圖時(shí)，得到的視圖與規(guī)定的表達(dá)方法不一致，需在工程圖環(huán)境中再次進(jìn)行必要的繪制或修改，增加了工作量。盡管如此，使用CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)仍是整個(gè)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

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