一種新型自動(dòng)變速器行星輪系的設(shè)計(jì)研究論文
引言
變速器是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的核心部件。目前，車輛變速器可分為手動(dòng)變速器(MT)、機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)、電液控制自動(dòng)變速器(AT)、雙離合自動(dòng)變速器(DSU)和無級(jí)變速器(CVT)。本文提出的選擇性輸出并聯(lián)行星輪系自動(dòng)變速器是在雙離合自動(dòng)變速器的基礎(chǔ)上研發(fā)得到的，其工作原理與雙離合自動(dòng)變速器相似，己裝配成樣機(jī)。
在汽車變速器中齒輪被廣泛應(yīng)用，它是變速器傳遞動(dòng)力和承載載荷最主要的零部件之一。因行星齒輪輪系在相同的傳動(dòng)比下，較普通齒輪傳動(dòng)系具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大、傳動(dòng)效率高和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，故己在汽車變速器中普遍運(yùn)用。但在許多應(yīng)用場(chǎng)合，其動(dòng)態(tài)特性如模態(tài)、振動(dòng)與噪聲等，是影響行星輪系可靠性、壽命等的關(guān)鍵因素川。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)行星齒輪輪系時(shí)，應(yīng)事先知道輪系的固有頻率，避免與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相同而發(fā)生共振。
1行星輪系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型的建立
1. 1行星輪系傳動(dòng)方案及工作原理
并聯(lián)行星輪系自動(dòng)變速器采用普通的NUW型三元件行星輪系，其工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠，工藝性好，制造成本低叫。通過綜合考慮變速器的減速比，將行星輪系的減速比初步選定在3~4左右較為合理。選擇性輸出并聯(lián)行星輪系自動(dòng)變速器，可以通過兩組離合器使行星輪系實(shí)現(xiàn)行星差速傳動(dòng)和直接傳動(dòng)兩種不同的傳動(dòng)比。實(shí)現(xiàn)直接傳動(dòng)是通過一組離合器分開，另一組離合器嚙合，使齒圈與行星架固定，此時(shí)的行星輪系相當(dāng)于普通齒輪傳動(dòng)，不具有行星差速傳動(dòng)功能，因此此時(shí)的行星輪系不具有減速效果，其傳動(dòng)比為1;行星差速傳動(dòng)是通過一組離合器嚙合，另一組離合器分開，使齒圈與箱體聯(lián)接，即齒圈固定，從而使行星輪系具有行星差速傳動(dòng)功能。
1.2行星輪系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在裝配過程中，太陽輪8通過花鍵與中間軸連接，將AS3552墊圈(1mm厚)15 ， AXK3552推力滾針軸承14和推力滾針墊圈(厚)12配合成兩組，分別將兩組中的推力滾針墊圈(厚)12與太陽輪8兩端而配合，從而限定左、右行星架1和10的軸向位置。行星架(右)10通過兩對(duì)滾針軸承與中間軸配合，將3個(gè)柱銷分別與行星架(右)孔配合，再將3個(gè)行星輪通過兩對(duì)滾針軸承與柱銷配合。通過柱銷定位，使行星架(左)1與柱銷配合，其軸向位置可由AS3552墊圈(<1 mm厚)15來調(diào)控，左右行星架通過M8X35螺釘n固定連接。齒圈通過卡環(huán)與齒圈嚙合牙嵌浮動(dòng)連接，采用卡環(huán)彈性件的均載系統(tǒng)，在不均衡載荷的作用下，使彈性件產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形，從而達(dá)到各行星輪間載荷分布均勻的目的叫。
1.3行星輪系三維模型
應(yīng)用Pro/E進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，行星輪系的三維模型爆炸圖和簡(jiǎn)化模型。
2行星輪系模態(tài)分析
2. 1行星輪系模型的導(dǎo)入和定義材料屬性
ANSYS Workbench是LAD系統(tǒng)和用戶仿真設(shè)計(jì)的集成平臺(tái)，在此平臺(tái)上用戶可以根據(jù)自己的需要選擇與各種程序模塊交互。通過Pro/E與ANSYSWorkbench鏈接將模型導(dǎo)入，再設(shè)置輪系各齒輪材料屬性。在該行星輪系中，太陽輪和行星輪所用的材料均為20CrMnTi。由于齒圈在熱處理時(shí)變形較大，將會(huì)影響到整個(gè)行星輪系的嚙合特性，故該齒圈選用的材料為40CrMo。模態(tài)分析不需要施加載荷，所以只定義材料的密度、彈性模量、泊松比3種屬性。Engineering Date中可以定義上述材料屬性，20CrMnTi材料密度為7 860 kg/mj，彈性模量為2. 12 X1011 Pa，泊松比為0. 289 ; 40CrMo材料密度為7 850 kg/mj，彈性模量為2. 12 X 1011 Pa，泊松比為0. 280 02.2有限元模型網(wǎng)格的劃分和邊界條件定義
在給模型劃分單元之前，首先應(yīng)設(shè)置單元邊長(zhǎng)，這對(duì)后續(xù)求解非常重要。如果網(wǎng)格單元設(shè)置過大，將可能出現(xiàn)劃分單元畸變;若網(wǎng)格單元設(shè)置過小，又會(huì)花費(fèi)過多計(jì)算時(shí)間。綜合考慮兩者之間的關(guān)系，設(shè)置單元邊長(zhǎng)為3 mm，對(duì)輪系的齒輪采用多域掃掠法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 接著，需要對(duì)行星輪系施加自由度約束。對(duì)于太陽輪，只需要施加圓柱(Cylindrical Support)約束，可以限制軸向和徑向的自由度，不限制太陽輪的切向自由度;對(duì)于行星輪，需要建立局部柱坐標(biāo)系，柱坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置就設(shè)置在行星輪的'中心處，定義設(shè)置完局部柱坐標(biāo)系后，激活該坐標(biāo)系，然后約束中心孔內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的:方向的自由度;對(duì)于內(nèi)齒圈，在Work-bench中采用完全固定約束(fixed)，即對(duì)齒圈內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)自由度進(jìn)行完全約束。完成對(duì)自由度的約束后，在Analysis Setting、中設(shè)置求解前16階固有頻率。
2.3行星輪系的結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析
從模型振型圖可知，當(dāng)其振動(dòng)頻率達(dá)到固有頻率時(shí)，主要是在太陽輪位置處振動(dòng)幅度達(dá)到最大，其最大振動(dòng)位移分別為11. 137 mm, 10. 119 mm, 18. 613mm,9. 95 mm,16.872 mm和17. 67 mm，該振動(dòng)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許位移量，故太陽輪最先破壞，導(dǎo)致整個(gè)行星輪系破壞，從而直接影響變速箱的正常工作。通過模態(tài)分析，可以事先知道行星輪系達(dá)到共振的大致頻率范圍，從而在實(shí)際設(shè)計(jì)中通過改變材料的剛度、密度或是結(jié)構(gòu)形式來避免行星輪系長(zhǎng)期在共振頻率下工作，從而避免該零件的破壞。
3結(jié)語
本文對(duì)并聯(lián)行星輪系自動(dòng)變速器中的行星輪系進(jìn)行了模態(tài)分析，得出行星輪系的前16階固有頻率和前6階振型圖，為以后自動(dòng)變速器選擇行星輪系的材料和結(jié)構(gòu)奠定了理論基礎(chǔ)，可以為今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供大致的參數(shù)參照，旨在實(shí)現(xiàn)功能的可行性和完整性，因此如何進(jìn)一步地完善行星輪系的結(jié)構(gòu)從而提升并聯(lián)行星輪系自動(dòng)變速器傳動(dòng)的穩(wěn)定性、減小噪聲是下一步的研究課題。
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