（光学工程专业论文）基于proengineer的汽车手动变速器虚拟装配仿真技术及在教学中的应用与研究.pdf

基于 pro/engineer 的汽车手动变速器虚拟装配仿真技术及在教 学中的应用与研究 摘 要 基于 pro/engineer 的汽车手动变速器虚拟装配仿真技术及在教 学中的应用与研究 摘 要 近年来我国高等职业教育取得了长足的发展， 特别在数量上有了很大的提高， 但是由于受到教育资金投入、场地、师资等诸多因素的影响，多数院校在实践教 学环节上并无太大的改善，教育教学设施、实训手段的不足制约着高职教育的发 展。计算机虚拟现实技术，为解决这制约高职教育发展的瓶颈问题，提供了某种 技术手段。 本论文首先系统分析了手动变速器的型式，结构及工作原理，通过 pro/engineer 软件对某型手动变速器零部件进行参数化建模，运用簇表技术建立 变速器零部件的“虚拟零件库”并对其管理。然后采用“自底向上”的装配方法， 按一定的装配关系和装配工艺组装成手动变速器总成，再按既定的连接关系将手 动变速器设置运动参数按一定的运动规律进行运动模拟仿真，进而生成 mpg 格式 的仿真动画。 本论文主要是以手动变速器为研究对象，利用虚拟现实技术和计算机仿真 技术，将变速器的内部构造可视化，实现手动变速器的模拟装配和运动仿真。试 图解决高职汽车专业教学中出现的实训设备投入不足这一短时间内难以解决的瓶 颈问题，为职业技术教育提供先导性的实训手段和工具，建立一个虚拟的实习实 训环境，减少实训设施的投入，减少原材料的消耗和浪费。 关键词：关键词：虚拟现实技术；虚拟装配；计算机仿真技术；pro/engineer 参数化建模 5 application and study of virtual assembly simulation on technology of auto mobile manual transmission based on the software called pro / engineer in the teaching abstract in recent years, higher vocational education in our country has obtained the considerable progress, especially in the quantity has been greatly improved, but due to the education funds, the location, the teachers, and other factors, most colleges and universities in practical teaching and do not have too big improvement, the facilities and the training methods of the higher vocational education insufficient restricts the development. along with the application of the computer virtual reality technology in the education teaching, for solve the restriction on the development of higher vocational education, and provides some technical means. this article first analysis systematically the manual transmission gearbox types, the structure and the working principle, carried on the parametrization modelling through the pro/engineer software to transmission gearbox spare part, using cluster table technology to establish virtual parts library of the transmission gearbox spare part, and manage it. then use the bottom-up assembly method, according to the assembly relations and assembly process to build a manual transmission gearbox, and then press the connection relations which decides the manual transmission gearbox establishment parameter of movement according to certain law of motion to carry on the movement simulation simulation, then produces the mpg form the simulation animation. this article mainly is take the manual transmission gearbox as the object of study, using the virtual reality technology and the computer simulation technology, and to make transmission gearbox internal structure visualization, to realize manual transmission gearbox simulation assembly and movement simulation.trying to solve the problem which difficult to solve in a short time that the less training equipment investment which appears in the automobile profession, provide the guiding training methods and tools for the vocational-technical education, and establish a virtual practice training environment,reduce the investment of the training facilities, the consumption and the waste of the raw material. keywords: virtual reality technology; the virtual assembly; the computer simulation technology; pro/engineer parametrization modelling 4 插图清单 插图清单 图 2-1 档位序列组合图 . 6 图 2-2 手动变速器齿轮布置图 . 6 图 2-3 手动变速器第一档传动路线. 7 图 2-4 手动变速器二档传动路线 . 7 图 2-5 手动变速器三档传动路线 . 9 图 2-6 手动变速器四档传动路线 . 10 图 2-7 手动变速器五档传动路线 . 10 图 2-8 手动变速器倒档传动简图 . 10 图 2-9 变速器操纵机构示意图 . 10 图 2-10 空档位置示意图 . 11 图 2-11 互锁、自锁装置示意图 . 11 图 3-1 变速箱下箱体 . 12 图 3-2 下箱体的基体 . 16 图 3-3 抽壳后的下箱体 . 16 图 3-4 倒档轴凸台建模 . 16 图 3-5 安装盖板凸台的建模 . 16 图 3-6 轴承端盖的凸台和吊耳 . 17 图 3-7 上盖安装凸台的建模 . 17 图 3-8 倒档齿轮检查口、动力输出检查口的建模 . 18 图 3-9 轴孔以及辅助特征的建模 . 19 图 3-10 为直齿圆柱齿轮内齿的参数化设计结果. 21 图 3-11 齿轮参数的设定 . 21 图 3-12 齿轮渐开线 . 21 图 3-13 齿根圆实体特征的创建 . 22 图 3-14 第一个轮齿特征的创建 . 22 图 3-15 轮齿的阵列 . 23 5 图 3-16 参数和关系式 . 24 图 4-1 外六角螺栓的原型文件 . 25 图 4-2 簇表菜单 . 26 图 4-3 变速器零件库管理树形结构图 . 28 图 4-4 汽车变速箱零件库管理系统功能 . 28 图 4-5 从菜单调用下箱体 . 29 图 4-6 下箱体调用图片预览 . 29 图 4-7 下箱体零件在 pro/e 中的调用 . 29 图 5-1 变速器装配过程示意图 . 31 图 5-3 变速器轴 1-1-0-1-shaft_1.prt 的放置 . 33 图 5-4 变速器一轴锥环的装配 . 34 图 5-5 变速器一轴轴承装配 . 35 图 5-6 变速器一轴卡环的装配 . 35 图 5-7 变速器一轴另一侧卡环的装配 . 36 图 5-8 变速器二轴总成装配 . 36 图 5-9 变速器中间轴总成装配 . 37 图 5-10 变速器倒档轴总成装配 . 37 图 5-11 变速器传动机构总成装配 . 38 图 5-12 变速器的总成装配 . 38 图 5-13 变速器爆炸视图 . 39 图 5-14 变速器一轴总成装配图 . 39 图 5-15 定义动画 . 40 图 5-16 定义主体 . 40 图 5-17 捕捉快照 . 40 图 5-18 添加关键帧 . 41 图 5-19 机构运动仿真的工作流程 . 42 图 5-20 输入轴与中间轴上的常啮合齿轮副的定义 . 42 图 5-21 中间轴与倒档轴上倒档齿轮副的定义 . 43 6 图 5-22 定义伺服电动机 . 43 图 5-23 设定机构的运行条件 . 44 图 5-24 倒档机构运动仿真动画 . 44 图 5-25 齿轮上的一点的角速度和时间关系曲线图 . 46 图 6-1 汽车仿真教学平台模块组成 . 47 图 6-2 底盘模块 . 49 图 6-3 发动机模块 . 49 图 6-4 现代汽车教学子系统的组成 . 50 图 6-5 汽车零部件剖面显示 . 50 3 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 合肥工业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 合肥工业大 学 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 电话： 通讯地址： 邮编： 1 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 1.1 虚拟装配技术概述虚拟装配技术概述 时间不知不觉进入了新世纪的第 10 个年头， 中国已经是名副其实的制造业 大国，是“世界的工厂” ，然而我们面对着的是全球市场的竞争。制造企业如何 赢得竞争，夺取市场这就要求制造企业需要以最短的产品开发时间（time） 、 最优的产品质量（quality） 、最低的成本和价位（cost） 、最优的服务（service） 、 快速的市场适应性（flexibility）来获得客户认可1。虚拟设计制造技术就是在 这一目标背景下发展起来的一门新兴学科，它是将系统科学，计算机科学、虚 拟现实、人工智能等有机的融合，具有信息化、自动化、智能化、敏捷性的特 点。虚拟装配是虚拟制造研究领域的重要研究分支它也是并行工程的支持技术 之一。 虚拟装配是在虚拟环境中， 利用虚拟现实技术将设计的产品三维模型 进行预装配， 在满足产品性能与功能的条件下，通过分析、评价、规划、仿真 等改进产品的设计和装配的结构，实现产品可装配性和经济性。据统计，产品 的装配费用占整个生产成本 30%50%乃至更高，因此对产品装配工艺进行以 提高质量和效率、降低成本为目标的改进和再规划，是增强制造业竞争力的重 要环节。虚拟装配技术可缩短产品的设计开发周期、降低成本、提高质量2-5。 1.2 虚拟装配技术在国内外研究状况及发展趋势虚拟装配技术在国内外研究状况及发展趋势 虚拟装配技术正受到世界各国越来越多的重视，很多国家都投入了大量的 人力物力进行研究，国外对虚拟装配技术的研究起步较早，发展势头迅猛。例 如数字化飞机波音 777，它的设计、装配、调试、包括试飞都是借助于虚拟装 配技术在电脑上完成的，研制时间从过去的 8 年虽短为 5 年，第一个虚拟装配 规划原型系统由德国人开发成功，该系统能够在虚拟环境中完成对零件的拆卸 与组装，能够产生装配的前趋图，能进行装配工时和装配成本分析。虚拟装配 设计环境 vade( vade virtual assembly design environment) 是一个具有代表性 的虚拟装配系统 10 。该系统由美国 washington 州立大学 vrcim virtual reality and computer integrate manufacturing 实验室与美国国家标准技术研究所 nist 合作开发， 研究的主要目的是通过生成一个用于装配规划和评价的虚拟环 境来探索产品制造中运用虚拟现实技术的可能性。 我国从 90 年代中后期开始进 行虚拟装配方面的探索和研究工作，我国虚拟装配技术的应用研究尚处于起步 阶段，只有为数不多的机构如清华大学、浙江大学、武汉理工大学和西北工业 大学等院校作了有益的研究， 由于虚拟现实设备非常昂贵，近年来国内大多数 研究被限制在介绍国外的进展理论探讨范围内， 或者在非虚拟现实环境下进行 研究。目前 ,大多数虚拟装配系统只提供了初步的装配评估与验证功能,实际产 2 品设计与制造过程中 ,影响装配质量的因素有很多,如装配精度以及装配变形 等 ,然而目前的虚拟装配系统并未提供对这些影响因素进行评估与验证的功 能。因此 ,如何提供更多与装配相关的评估、验证功能 ,从而促进最终产品质 量的提高 ,是虚拟装配今后要解决的问题之一3,5。当前大多数虚拟装配系统的 研究仅停留在仿真实际生产中的手工装配过程,而对于生产线的装配过程研究 不够。生产线装配过程与手工装配过程之间往往存在着很大差异,因此,由手工 装配过程仿真过渡到生产线装配过程仿真也是虚拟装配的发展方向之一。虚拟 装配技术虽然取得了很大进步 ,但仍有许多不足。我国的装配技术虽然得到了 很大发展 ,但仍与世界先进水平有一定差距。虚拟装配技术在各方面都需要进 一步发展 ,尤其是标准化的实现将为未来虚拟装配技术的发展铺平道路。而由 手工装配过程仿真向生产线装配过程仿真的实现将成为未来虚拟装配技术发展 的研究重点5-11。 1.3 虚拟装配技术在高职教育中的运用虚拟装配技术在高职教育中的运用 在教育领域，虚拟现实技术具有广泛的作用和影响。亲身去经历、亲身去 感受比空洞抽象的说教更具说服力。主动地去交互与被动的观看，有质的差别。 难怪教育界的专家指出：崭新的技术，会带给我们崭新的教育思维，解决了我 们以前无法解决的问题,将给我们的教育带来一系列的重大变革。随着高等职业 教育的迅猛发展，实验实训设施的不足与日益扩大的招生人数之间的矛盾日臻 凸显，由于资金。场地或者师资的原因，很多高职院校无法满足实验实训的要 求，学生得不到充足的技能训练，制约着高等职业教育的发展。虚拟装配技术 在职业教育领域中的应用很好的弥补了这一现实中的不足，它的优势更是无可 代替。在没有任何危险和原材料消耗的前提下，完成了实验实训，减少了成本。 据调查，在手动变速器拆装实训中，很多职业院校都是 8-9 人一台，现场指导 老师的指导面临着极大地困难，这时候可以设计一个虚拟装配系统，这个系统 应该是易操作，可视化的界面，学生可以利用其进行模拟训练，熟练掌握变速 器的拆装，缩短实物训练的时间，力求获得良好的教学效果。本文主要通过手 动变速器的原理演示与拆装实训来探讨虚拟装配技术在高职汽车专业教学中应 用的可能性与必要性。 1.4 课题的意义课题的意义 1.4.1 课题的研究背景 高职类汽车专业的人才培养目标是使学生掌握先进的维修、检测技术,具备 现代汽车检测与维修实际操作能力, 学生毕业后能迅速适应相关岗位的需要, 成为生产一线的适用人才。汽车变速器的结构分析，装配是非常重要的内容， 而高职生的特点是普遍文化基础差，接受能力不强，在短短的三年时间内很难 3 熟练掌握并运用工作中，教师在教学过程中存在诸多难题，体现在以下几个方 面： 汽车手动变速器零件多，结构复杂，传统教学很难讲述，学生要通过装配 图了解其结构，要求识图能力很强，而实际情况是即使是识图能力很强的工程 技术人员，也容易迷惑。很难用二维图形来描述三维物体之间的位置和装配关 系。 很多高职院校都是从原来的中专学校升格而来，面临着资金，场地，设备 等各种因素的制约，在汽车变速器的装配和维修实训中，很难做到人手一机， 往往是很多人围绕着一台机器转，实训效果大打折扣。 初次参加实训的学生，由于对变速器的结构和装配关系不熟悉，很容易造 成变速器的损坏，甚至安全事故。 装配过程中，遗漏少装零件对学生来说在所难免，很多情况下是装配完成 才发现，这时只得重新再装，势必浪费很多时间，影响教学计划的完成。因此， 针对职业技术教育中的汽车修理专业，利用计算机辅助设计软件和虚拟装配技 术构建三维手动变速器，实现虚拟装配并进行运动仿真，具有重要的意义。 1.4.2 本课题的现实的意义本课题的现实的意义 虚拟技术在职业教育中应用比较多的是数控仿真，在汽车专业教学中的应 用还是个空白。 本系统创建以后将对汽车专业的装配实训与教学产生重大意义， 原因如下： 高职院校实训设备投入不足，实训场地不够的状况有望得到缓解 可代替大量的实物实训，大大缩短实物实训的时间，教学效率大幅提高， 大量的原材料得以节省。 变速器的结构原理及装配关系可视化程度高， 比实物模型更容易搞清楚， 而且避免了因为结构装配关系的不熟悉造成的机械零件的损伤。 可视化的界面，易于操作，可极大地调动学生的学习积极些，也便于教 师进行集中指导。 通过本系统的使用，可提高学生的创新能力。例如通过零件结构的优缺 点的分析，可及时对零件的结构进行修改，达到零件优化设计的目的。 1.4.3 课题的研究规划课题的研究规划 本课题首先对我院的一台手动变速器进行三维建模，通过三维建模的过程 对变速器的设计，制造、工艺及装配有一个全面的认识和了解，最后建成全套 的适合学生模拟装配的零件库，实现虚拟装配和倒档轴的运动仿真，并将其制 成动画。 零件的三维建模 4 任务说明：在这个阶段主要完成手动变速器零件的建模。 实施步骤：先理清变速器的组成，而后按部件进行分类并测绘出每一个零 件的二维工程图，大家通力合作共同完成整套产品的建模。为了便于今后零件 库的管理，在建模时每一个零件应用阿拉伯数字或者英文来命名。建模过程中 还应分析每个零件的设计意图，并要形成文字记录下来。 零件分析 任务说明：对手动变速器主要零件的功能和特点进行分析，条件允许时可 对部分零件做应力分析，达到对零件优化设计的目的。将某一组内的零件分为 标准件和非标准件，以备装备时从零件库中调用。 实施步骤： 变速器整体查看 先对变速器外观进行整体观察，然后拆除变速器拨叉机构及上盖，用手转 动观察变速器内部各机构的运动情况。 按轴系进行拆分 将变速器按一轴、二轴、中间轴及倒档轴进行拆分，分析每一部件的功能 和装配关系，再分配到每一组的学生进行详细拆分。 零件的测绘 对每一部分拆下来的零件按种类和数量进行记录，测出每一零件的各部分 尺寸，为三维建模做准备 利用三维 cad 软件进行三维模型的创建 任务说明：完成对手动变速器设计流程的分析，对零件进行三维建模 基于簇表技术的零件库的创建 任务说明：将创建好的零件分为标准件和非标准件，分别存入相应的文 件夹。 在计算机上完成变速器的模拟装配 任务说明：将已创建好的零件三维模型按装配关系进行装配。 变速机构的运动仿真 任务说明：以倒档机构和第二、三档齿轮拨动仿真为例完成其运动仿真 装配仿真动画的制作 任务说明：将已完成的运动仿真制作成可以当做课件资源的动画。 1.4.4 虚拟装配系统软件的选择 本课题所选用的软件是 pro/engineer, 是美国 ptc 公司研制的一套由 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。 5 本章小结本章小结： 本章主要从虚拟装配技术的应用及发展现状， 探讨了该技术在高职教育中的 应用，阐述了本课题的构想及现实意义，试图通过虚拟仿真技术为高职院校构 建一个可视化的模拟实践教学平台。 - 6 - 第第 2 章章 汽车变速器的结构及工作原理汽车变速器的结构及工作原理 2.1 变速器简述 2.1 变速器简述 变速器作为汽车动力系统重要的组成部分，主要用于转变从发动机曲轴传 出的转矩和转速，以适应汽车在起步、加速、行驶以及克服各种道路障碍等不 同行驶条件下对驱动车轮牵引力及车速的不同需求12。 变速器可以使汽车以稳定的车速行驶，倒档使汽车倒退行驶，空档使汽车 在起动发动机、停车和滑行时能将发动机与传动系分离。汽车变速器按其传动 比的改变方式不同，可分为有级、无级和综合式;按操纵方式不同可分为手动变 速器和自动变速器，其中手动变速器也称普通变速器;按轴的不同，可分为固定 轴式和旋转轴式，而固定轴式又分为两轴式、只轴式和多轴式。汽车手动变速 器采用不同的齿轮啮合改变传动比，而齿轮啮合位置的变换依靠脚踩离合器、 手拉变速杆来实现。装有手动变速器的汽车具有加速快、省油等特点，同时需 要驾驶者具有灵活的操控性12。 2.2 传动机构的结构及工作原理 2.2 传动机构的结构及工作原理 2.2.1 传动机构的组成 三轴式手动变速器的传动机构主要由壳体、输入轴、输出轴、中间轴以及 倒档轴等零部件组成，具体结构如下。 变速器壳体:壳体上主要有输入轴、输出轴、中间轴以及倒档轴的轴承孔 等。 输入轴:输入轴也称为第一轴，是变速器的动力输入轴，即离合器的输出 轴。其中，输入轴上常啮合齿轮和第四档齿轮均采用与轴制成一体的结 构。 输出轴:输出轴也称为第二轴，主要包括第一档、倒档齿轮，第二档、第 三档齿轮，第五档齿轮等零件，各个齿轮均为轴向定位。 中间轴:中间轴的前端和后端通过轴承支承在壳体的轴承孔内，其上装配 有常啮合齿轮、第三档、第五档及取力齿轮等。其中，中间轴倒档齿轮与中间 轴制成一体的结构。 倒档轴:倒档轴直接支承在壳体倒档轴孔内，用锁片锁止。其中，两个倒 档齿轮制成一体的结构12。 2.2.2 传动机构的换档形式 本课题所介绍的手动变速器采用啮合套换档形式。啮合套换档是将构成某 传动比的一对齿轮制成常啮合的斜齿轮， 斜齿轮上有一部分制成直齿的接合齿， - 7 - 用来与啮合套啮合。这种换档方式具有结构简单、制造成本低以及减小变速器 长度等优点，可以满足重型商用车对变速器的要求。 该变速器包括五个前进档和一个倒档， 各齿轮副的相对位置对整个变速器的结构安 排有较大影响。综合考虑到整车布局、驾驶 员习惯、传动效率以及齿轮受载状况等，本 课题采用了如图 2-1 所示的档位序列组合方 案。下面对各个档位的动力传递进行分析。 图 2-1 档位序列组合图 该手动变速器处于空档位置时，各齿轮布置如图 2-2 所示。 图 2-2 手动变速器齿轮布置图 1-输入轴 2-输入轴上常啮合齿轮 3-第四、五档固定齿座 4-第四、五档滑动齿套 5-第五档齿轮 6-第三档齿轮 7-第二档齿轮 8-第一、倒档齿轮 9-输出轴 10-中间轴 11-中间轴常啮合齿轮 12-取力齿轮 13-中间轴第五档齿轮 14-中间轴第五档齿轮 15-中间轴倒档齿轮 16-倒档齿轮 17-中间轴第一档齿轮 18-倒档轴 19-中间轴第一档齿轮 动力由输入轴 1 输入， 通过输入轴与中间轴上常啮合齿轮副 2 和 11 带动中间轴 10 及其上的各个齿轮转动;中间轴上倒档齿轮 15 与倒档轴 18 上的倒档齿轮 16 啮合，从而带动倒档轴及其上倒档齿轮转动;输出轴 9 及其上第一档、倒档齿轮 8 则不转动，因而变速器无动力输出。 当通过操纵机构将第一档、倒档齿轮移动至如图 2-3 所示位置时，第 一档、倒档齿轮 2 与中间轴第一档齿轮 4 啮合，变速器换到第一档位。此时动 - 8 - 力通过输入轴上齿轮 1 与中间轴上常啮合齿轮 3，再经过中间轴第一档齿轮 4 与第一档、倒档齿轮的啮合，传送到输出轴。 图 2-3 手动变速器第一档传动路线 1-输入轴上常啮合齿轮 2-第一档、倒档齿轮 3-中间轴常啮齿轮 4-中间轴第一档齿轮 当通过操纵机构将第一档、倒档齿轮移到空档位置，将输出轴上第二档 齿轮固联的滑动齿套移动，从而使花键套在第二档齿轮接合齿圈上，使第二档 齿轮 2 与中间轴第二档齿轮 4 啮合，如图 2-4 所示 图 2-4 手动变速器二档传动路线 1-输入轴上常啮合齿轮 2-第二档齿轮 3 -中间轴常啮齿软 4-中间轴第二档齿轮 此时动力通过输入轴上的齿轮 1 与中间轴上常啮时为手动变速合齿轮 3，传送 到中间轴上，再经过中间轴上的第二档齿轮 4 与第二档齿轮 2 啮合，传送到输 出轴。 当输出轴上第二档齿轮固联的滑动齿套移动至与第三档齿轮上固联的 接合齿圈相啮合时，如图 2-5 所示变速器换到三档，其他各齿轮均空转。此时 - 9 - 动力传动为: 输入轴输入轴上常啮合齿轮 1中间轴常啮合齿轮 3中间轴第三档齿轮 4 输出轴第三档齿轮 2输出轴。 图 2-5 手动变速器三档传动路线 1- 输入轴上常啮合齿轮 2-第三档齿轮 3-中间轴常啮合齿轮 4-中间轴第三档齿轮 当第二档齿轮与第一档、倒档齿轮都处在空档位置，而第四、五档滑动 齿套移动至与输入轴上接合齿圈啮合时，如图 2-6 所示变速器换到第四档，此 时第四档、第五档滑动齿套将输入轴和输出轴直接连接在一起，所有齿轮均空 转而不传递动力。 图 2-6 手动变速器四档传动路线 1-输入轴上常啮合齿轮 2-第四、五档滑动齿套 3-第四、五固定齿套 动力直接由输入轴经过第四档、五档滑动齿套，传递到输出轴。第四档的传动 比为 1，是变速器的直接档。 当第四、五档滑动齿套移动至第五档齿轮固联的接合齿圈上时， 如图 2-7 所示，变速器换到五档。 - 10 - 此时动力传动为:输入轴输入轴上常啮合齿轮 1中间轴常啮合齿轮 5中 间轴第五档齿轮 6第五档齿轮 4输出轴。 图 2-7 手动变速器五档传动路线 当第四、五档滑动齿套，第二档齿轮固联的滑动齿套均移动到空档，通过 操纵机构使第一档、 倒档齿轮移动至与倒档轴上的倒档齿轮相啮合时， 如图 2-8 所示变速器换到倒档。 此时动力传动为:输入轴输入轴上常啮合齿轮 1中间轴上的常啮齿 3中 间轴上的倒档齿轮 4倒档轴上的倒档齿轮 5第一、倒档齿轮 2输出轴。 图 2-8 手动变速器倒档传动简图 1-输入轴上常啮合齿轮 2-第一、倒档齿轮 3-中间轴常啮合齿轮 4-中间轴上的倒档齿轮 5-倒档上的倒档齿轮 - 11 - 2.3 操纵机构的结构及工作原理操纵机构的结构及工作原理 变速器的操纵机构要防止变速器自动脱档和自动挂档，并要保证变速器不 同时挂两个档位，此外，为了防止驾驶员误挂倒档，必须保证在汽车停止前进 后才允许挂倒档。变速器的操纵机构通常有直接操纵式、远距离操纵式、电控 自动操纵式等，本变速器采用直接操纵式机构，它主要由变速操纵杆、变速叉、 拨块、变速叉轴以及互锁装置、自锁装置、倒档锁装置等零部件组成。该操纵 机构安装于变速器上盖中，具有结构简单，操纵方便的特点。2-9 所示为操纵 机构示意图12。 图 2-9 变速器操纵机构示意图 1-第一、倒档变速叉轴 2-变速操纵杆弹簧 3-变速导块 4-变速操纵杆 5-第一、倒档变速叉 6-第四、五档变速叉轴 7-第二、三档变速叉轴 8-第二、三档变速叉 9-第四、五档变速叉 变速叉轴可以在上盖的轴孔座中轴向移动，三个变速叉用止动螺栓固定在 各自的变速叉轴上，在第一、倒档变速叉轴 1 上用止动螺栓固定有变速导块 3。 变速导块 3 与变速叉 8. 9 上各有一个凹槽，如图 2-10 所示空档位置时，三个凹 槽互相对齐，变速操纵杆下端伸到该凹槽中，可以分别拨动三个变速叉前后移 动，从而实现换档。变速操纵杆中部有球形支点，当变速操纵杆向左偏移时， 其下端进入右侧变速叉凹槽中;同样，变速操纵杆向右偏移时，其下部将进入左 侧变速叉凹槽中。球形支点安装的弹簧可以使变速操纵杆的下端始终保持在中 间变速叉上部的凹槽中。当变速操纵杆上方向前或者向后拨动时，可以将变速 叉向后或者向前移动，实现换档。 - 12 - 图 2-10 空档位置示意图 在变速器操纵机构中，锁止装置主要包括互锁装置、自锁装置。本课题中手动 变速器采用锁球式互锁、自锁装置。互锁装置是保证移动某一变速叉轴时，其 他变速杆叉轴互被锁止。如图 2-11 所示，在相邻的两个变速叉轴间各有两个锁 球，锁球两端可以进入相邻变速叉轴的侧面凹槽内，以锁住这个变速叉轴。第 四、五档变速叉轴的两侧都有互锁凹槽，而且相互对称，在该变速叉轴内的通 孔连通这两个凹槽，通孔内装有销。当变速器操纵杆从空档位置推动任一根变 速叉轴时，其他两根变速叉轴即被锁止，从而避免同时挂上两个工作档。锁装 置起定位作用，防止汽车振动或有较小的轴向力作用而导致脱档，从而保证啮 合齿轮以全齿长进行啮合，并使驾驶员有换入档位的感觉。定位的作用是通过 自锁装置中的钢球压入变速叉轴的凹槽中实现的。变速叉轴凹槽间的距离是由 挂档时齿轮移动的距.离来确定的12 (见图 2-11)。 图 2-11 互锁、自锁装置示意图 1-自锁弹簧 2-自锁滚珠 3-互锁滚珠 4-互锁圆柱销 5-变速叉轴 - 13 - 本章小结：本章小结： 本章首先说明了手动变速器的常见型式及工作原理，接着以图解的形式详细的说 明了传动机构与操纵结构的结构及其各档位的工作原理，旨在说明手动变速器是如何 传递动力的。 - 14 - 第第 3 章章 基于基于 pro/engneer 下的手动变速器零件的三维建模下的手动变速器零件的三维建模 3.3.1 pro/engineer 简述pro/engineer 简述 pro/engtneer是 美 国 参 数 技 术 公 司 (parametric technology corporation, ptc)开发的 cad/cae/cam 软件。pro/engineer wildfire 版软件 功能强大，模块众多，涉及到机械工程的各个方面。pro/engineer wildfire 是目前 ptc 公司使用稳定的三维软件，与以前的版本相比较， pro/engineer wildfire 版有较大变化:用户界面的可操作性大大提高，通过简化菜单管理器 的菜单数量和菜单层数，设计人员可以减少操作次数，将更多精力投入到产品 的设计上13 。 3.1.1 pro/engineer 的主要特性 pro/engineer 第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来 解决设计中的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需 要进行选择，而不必安装所有模块。pro/engineer 基于特征的设计方式，能够 将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作 站，而且也可以应用到单机上。 单一数据库、全相关性 pro/engineer 是建立在统一基层上的数据库，这 就意味着在产品开发过程中任何位置的修改都会自动体现到整个设计系统的各 个位置，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图样以及制造数据 等。这种全相关性使得在开发周期的任一点进行修改，不会有任何数据的损失， 这就使得并行工程成为可能，使开发后期的一些功能提前发挥作用。整个系统 建立在单一的数据库上，具有完整统一的模型，便于移植。 基于特征的参数化造型 pro/engineer 是一个基于特征的实体建模工具， 以特征作为组成模型的基本单元，通过特征的叠加完成设计实体模型。配合单 一数据库，所有设计过程中使用的尺寸参数与物理参数都存在于数据库中，可 以随时修改这些参数。此外，设计人员可以运用强大的数学运算方式建立各种 尺寸参数间的关系式，使得计算机能够计算出模型应用的形状和位置。 三维实体造型可以将设计人员的设计概念以最真实的模型在计算机上 展现出来，因为通过系统预设参数(system parameters )，设计人员可以随时 计算出产品的体积、面积、质心、重量、惯性矩等，用以了解产品的真实性， 并弥补了传统线框造型,曲面造型的不足。使用者在产品设计过程中，可以随时 掌握以上设计物理参数，并减少许多人为计算时间14。 - 15 - 3 3.2 零件三维建模简述 零件三维建模简述 在手动变速器的建模过程中，如何简化复杂模型，如何使用最灵活、最 简单的建模方法来满足要求的产品模型，是使用软件者需要注意和思考的，零 件特征建模是常用的一种建模方法，pro/engineer 提供的三维建模特征主要包 括基本特征、工程特征、高级特征等。其中，基本特征比较简单，且使用频率 最高。因此在初期使用建模时，可采用基本特征为主的思想来进行建模，下箱 体模型就是以应用基本特征为基础，将下箱体按照本身的结构分为几个部分进 行建模的，对于一个复杂的产品，设计者需要具备较强的草绘能力，合理安排 建模的经验，以及灵活创建基准特征的水平，在此基础上，才可以通过简单特 征创建出三维模型 参数化建模是模型创建中另一种比较有效的一种方法，例如，在齿轮创 建的过程中， 应用 pro/engineer 提供的参数关系式进行驱动建模可以有效缩短 建模、提高效率。其主要是通过设定齿轮参数关系式（如模数、齿数、齿顶圆 等）来创建渐开线基准曲线， 3.3 零件特征建模的步骤零件特征建模的步骤 进入零件设计模式 建立基体特征 添加特征和修改特征 重绘零件 合格否 添加特征和 修改特征 不合格 存盘退出 合格 - 16 - 零件特征建模实例 以变速器的下箱体为例说明建模过程 图 3-1 是变速箱下箱体的实体模型 图 3-1 变速箱下箱体 创建下箱体的基体 先创建下箱体的草图，通过拉伸命令获得下箱体的基体如图 3-2 所示 图 3-2 下箱体的基体 - 17 - 抽壳后的下箱体 图 3-3 抽壳后的下箱体 创建放置倒档轴的凸台，如图 3-4 所示 图 3-4 倒档轴凸台建模 - 18 - 创建安装盖板的凸台，如图 3-5 所示 图 3-5 安装盖板凸台的建模 创建安装轴承端盖的凸台和吊耳，如图 3-6 所示 图 3-6 轴承端盖的凸台和吊耳 - 19 - 创建与上盖安装的凸台，如图 3-7 所示 图 3-7 上盖安装凸台的建模 创建倒档