（机械电子工程专业论文）汽车变速系统性能分析研究.pdf

中文摘要 汽车是重要的交通工具，是科学技术发展水平的标志，汽车工业是资金密 集、技术密集、人才密集、综合性强、经济效益高的产业。随着经济的发展， 汽车已经进入普通家庭的日常生活，人们对汽车性能的要求也迅速提高。那么， 作为影响汽车性能的重要部分汽车变速系统，其自身性能除了要满足工作 性能要求，如强度要求、刚度要求和精度要求等，更要满足结构特性要求，好 的结构性能，可以提高汽车整车性能，提高安全可靠性；另外，汽车变速系统 还要有良好的经济性，好的经济性可以帮助其占领广阔的市场空间。 那么，本论文首先针对某一型号东风汽车变速系统为对象，使用s o l i d w o r k s 对变速系统的轴、斜齿轮、直齿轮等零件进行特征建模，然后将所有零件装配 起来，建立汽车变速系统特征模型；其次，对汽车变速系统进行静力学分析， 采用a n s y s 对汽车变速系统的关键零件进行有限元静力学分析，主要研究了 在第二速传动时，第二轴二速齿轮和第一轴的受力情况，查看了其应力状况， 分析集中应力，存在的危险截面。研究了常啮合齿轮、中间轴以及第二轴的应 力分布情况；第三，对汽车变速系统进行动力学分析，采用a n s y s 对汽车变 速系统的第二速齿轮和第一轴进行模态分析，确定了其固有振动特性，分析其 在输入固定激励时能否正常工作：进一步对汽车变速系统的整体进行动力学分 析研究；最后，对汽车变速系统性能评价分析方法进行研究，对汽车变速系统 进行性能评价。 本论文汽车变速系统建模、有限元分析手段和性能分析评价研究方法为工 程实际中的机械产品性能研究方面提供理论指导和技术支持。 关键词：汽车变速系统，有限元分析，静力学分析，模态分析，性能评价 a b s t r a c t a u t o m o b i l ei sa ni m p o r t a n tt r a n s p o r t a t i o nv e h i c l e s ，a n da l s oi sas i g no f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tl e v e l a u t o m o b i l ei n d u s t r yi sc a p i t a l i n t e n s i v e ， t e c h n o l o g y - i n t e n s i v e ，p e r s o n n e l - i n t e n s i v e , h i 曲l yi n t e g r a t e d ，c o s t - e f f e c t i v eh i 曲 i n d u s t r y w i mt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，t h ea u t o m o b i l eh a se n t e r e dd a i l yl i f eo f o r d i n a r yf a m i l i e s ，i nt h es a m et i m e , t h er e q u i r e m e n t so fp e o p l eo nt h ev e h i c l e p e r f o r m a n c ei sa l s or a p i d l yr i s i n g s o ，a u t o m o t i v eg e a r s h i f ts y s t e m ，a st h ei m p a c to f a ni m p o r t a n tp a r to fv e h i c l ep e r f o r m a n c e ，n o to n l ym u s tm e e tt h ep e r f o r m a n c eo f w o r kr e q u i r e m e n t ，s u c ha ss t r e n g t h ，s t i f f i = l e s sr e q u i r e n e n t sa n da c c u r a c yr e q u i r e m e n t s ， b u ta s l om e e tt h er e q u i r e m e n t so fs t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ag o o ds t r u c t u r a l p e r f o r m a n c e ，c a l li m p r o v et h ew h o l ev e h i c l ep e r f o r m a n c ea n di n c r e a s es e c u r i t ya n d r e l i a b i l i t y i na d d i t i o n ，t h ea u t o m o t i v eg e a r s h i f ts y s t e ma l s oh a v eag o o de c o n o m y , b e c a u s eg o o de c o n o m yc a nh e l pt h ec o m p a n yo c c u p a t i o no fab r o a dm a r k e ts p a c e s o ，f i r s t l y , t a k i n gs o m ead o n g f e n ga u t o m o t i v eg e a r s h i f ts y s t e mf o re x a m p l e , w eu s es o l i d w o r k ss o f t w a r em o d e l i n gt h es h a f t s ，h e l i c a lg e g e a rp a r t so ft h i s s y s t e m ，a s s e m b l c i n ga l lt h ep a r t st o g e t h e r , a n dc o n s t r u c t i n gt h ea u t o m o t i v eg e a r s h i f t s y s t e mc h a r a c t e r i s t i cm o d e ；s e c o n d l y , w ee a r l yo u ts t a t i ca n a l y s i si na l l u s i o nt o a u t o m o t i v eg e a r s h i f ts y s t e m ，b yu s i n ga n s y st oa n a l y s ek e yp a r t so ft h e a u t o m o t i v eg e a r s h i f ts y s t e m ，r e s e a r c ho nc h e c k i n gt h es t r e s sc o n d i t i o na n da n a l y s i s c o n c e n t r a t e ds t r e s so ft h es e c o n ds p e e dt r a n s m i s s i o ng e a ro nt h es e c o n da x i sa n dt h e f i r s ta x i sw h e nt h ea u t o m o t i v eg e a r s h i f ts y s t e mi s d u r i n g t h es e c o n ds p e e d t r a n s m i s s i o np r o c e s s a n da l s od os o m er e s e a r c ho nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no nt h e c o n s t a n tm e s hg e a r t h em i d d l ea x i sa n dt h es e c o n da x i s ；t h i r d l y , w ec a r r yo u t d y n a m i ca n a l y s i si na l l u s i o nt oa u t o m o t i v eg e a r s h i f ts y s t e m u s i n ga n s y sf o r m o d a la n a l y s i so ft h ea u t o m o t i v eg e a r s h i f ts y s t e m ss e c o n ds p e e dg e a ra n df i r s ta x i s ， w ec o n f i r mt h e i ri n h e r e n tv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n da n a l y z ew h e t h e rt h e yc a n w o r kn o r m a l l yu n d e rc o n s t a n te x c i t a t i o n ，f u r t h e r m o r o ，i na l l u s i o nt oa u t o m o t i v e g e a r s h i f ts y s t e m ，w ec a r r yo u tt h ew h o l ed y n a m i ca n a l y s i s ；f i n a l l y , r e s e a r c ht h e i i p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nm e t h o do fa u t o m o t i v eg e a r s h i rs y s t e m ，a n de v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo f a u t o m o t i v eg e a r s h i f ts y s t e m t h ep a p e rp r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dt e c h n i c a ls u p p o r ti na u t o m o t i v e g e a r s h i f ts y s t e mm o d e lc o n s t r u c t i o n 、 f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm e a s u g 骼 a n d p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nm e t h o df o rc h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c ho nm e c h a n i c a lp r o d u c t k e yw o r d s ：a u t o m o t i v eg e a r s h i f ts y s t e m ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s t a t i ca n a l y s i s ， m o d ea n a l y s i s ，p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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了谢意。 签名：盟日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：照导师签名：遨 日 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 汽车是重要的运输工具，是科学技术发展水平的标志，汽车工业是资金密 集、技术密集、人才密集、综合性强、经济效益高的产业。汽车的研制、生产、 销售、营运，与国民经济许多部门都息息相关，对社会经济和科技的发展起着 重要的推动作用【l 】。目前，绝大多数汽车仍采用机械式变速系统，分动系统， 主减速系统，构成整车的传动系，其结构简单，操纵方便，造价低廉仍不失为 汽车传动系中的主要总成。由于汽车上广泛采用活塞式内燃机，其转矩和转速 变化范围较小，而复杂的使用条件则要求汽车的牵引力和车速能在相当大的范 围内变化。为此在传动系中设置了变速系统，变速系统是汽车传动系统中一个 比较关键的部件，它的设计好坏直接影响到汽车的使用性能【2 1 。 目前，现代机械产品性能要求方面，除了要满足工作性能要求，如强度、 刚度、精度等；还要满足结构特性要求，结构方式的不同，对功能的保证措施 也不同，随之带来的是产品特性的不同，好的结构性能，可以提高整体性能， 提高安全可靠性；另外，机械产品还要具有良好的经济性，好的经济性可以帮 助机械产品占领更广阔的市场空间，对企业经营和制造业的发展也是大有裨益 的。因而，对机械产品的性能分析就包括了对机械产品的结构性能分析、工作 性能分析以及经济性能分析等性能分析【3 】。汽车制造企业要在激烈的市场竞争 中立于不败之地，就必须不断保持产品创新。c a d c a m 技术是实现创新的关 键手段，而c a e ( c o m p u t e ra i d d e x le n g i n e e r i n g ) 技术是实现创新设计的最主要技 术保障之一。计算机辅助工程技术是一个涉及面广、集多种学科与工程技术于 一体的综合性、知识密集型技术。相应的c a e 软件则是包含了数值计算技术、 数据库、计算机图形学、工程分析与仿真等在内的综合型软件系统。 c a e 软件的主要价值在于：在设计阶段，通过对工程和产品进行加工、性 能和安全可靠性的模拟，可以及早发现设计缺陷，并预测工程、产品的可用性 与可靠性，为工程实施、产品创新提供技术保障。c a e 技术的发展动力是 c a d c a m 技术水平和应用水平的提高，c a e 技术的发展条件是计算机及图形 武汉理工大学硕士学位论文 显示设备的推出，c a e 软件的理论基础是有限元、边界元法等现代计算力学方 法，其核心内容是计算机模拟和仿真【4 1 。 随着微计算机技术的飞速发展，在微计算机上进行有限元分析将是必然趋 势，在竞争日渐激烈的市场上，能够快速满足市场需求成为企业生存的必要条 件，快速有限元分析方法的推广应用，将成为企业发展的必然趋势。 1 2 本课题相关的国内外研究现状 在汽车变速系统1 0 0 多年的历史中，主要经历了从手动到自动的发展过程。 目前世界上使用最多的主要汽车变速系统为三种型式：手动式变速系统( m t ) 、 液力自动变速系统( a t ) 、电子控制机械式手自一体化变速系统( a m t ) 。随着 技术的发展和人们物质生活水平的提高，a t 的应用越来越多，据统计，目前轿 车上自动变速系统的装车率：美国9 0 以上，日本已接近8 0 ，西欧3 0 - 4 0 左右，在城市客车、载货车和工程车辆方面，a t 车也占优势，从静态来看，a t 车数量超过手动变速系统( m t ) 车。但是，m t 以其结构简单、效率高、功率 大三大显著优点依然在汽车变速系统使用中占有重要的地位【5 】。 目前，c a e 技术已得到广泛应用，在机械行业中也发挥着越来越重要的作 用。c a e 的理论基础起源于2 0 世纪4 0 年代，其核心技术是有限元理论和数学 计算方法。c a e 软件的主要价值在于：在设计阶段，通过对工程和产品进行加 工、性能和安全可靠性的模拟，可以及早发现设计缺陷，并预测工程、产品的 可用性与可靠性，为工程实施、产品创新提供技术保障。c a e 技术的发展动力 是c a d c a m 技术水平和应用水平的提高，c a e 技术的发展条件是计算机及图 形显示设备的推出，c a e 软件的理论基础是有限元、边界元法等现代计算力学 方法，其核心内容是计算机模拟和仿真【6 1 。 有限元方法的发展，其基本思想的提出可以追溯到上世纪4 0 年代初。1 9 4 3 年，数学家r c o u r a n t 7 首次提出离散的概念，他将一个连续的整体离散成有限 个分段连续单元的组合，并第一次尝试应用三角形单元的分片连续函数和最小 势能原理相组合，来求解s t v e n a n t 扭转问题。航空工业的发展大大促进了有限 元的进一步发展。1 9 5 6 年，美国波音飞机制造公司m j t u n e r 和r w c l o u g h 等 人在分析大型飞机结构时，第一次采用了直接刚度法，给出了用三角形单元求 解平面应力问题的正确解答，从而开创了利用电子计算机求解复杂弹性平面问 2 武汉理工大学硕士学位论文 题的新局面【引。有限元或有限单元( f i n i t ee l e m e n t ) 这一术语，是r w c l o u g h 9 于1 9 6 0 年在一篇论文中首次提出的。6 0 年代初，g n w h i t e 和k 0 f r i e d r i c h s 采用了规则的三角形单元，从变分原理出发来求解微分方程式。1 9 6 3 年到1 9 6 4 年，j e b e s s e l i n g 等人证明了有限元法是基于变分原理的r i t z ( 里兹) 法的另一种 形式，此后有限元法开始巩固其地位。1 9 6 9 年，英国o c z i e n k i r e w c z i o 】教授提 出了等参单元的概念，从而使有限元法更加普及和完善，无论是在理论方面， 还是在实践方面都得到了飞速的发展。 计算机的飞速发展和广泛应用，有限单元法得到了巨大的发展，成为在计 算数学、计算力学和工程科学领域的最有效的计算方法。随之出现了很多通用 和专用的有限元计算软件，比如a n s y s 、i d e a s 、m a r c 等【i l 】。经过3 0 多年的发 展，它已经成为一个功能强大的，灵活的设计分析及优化的软件系统。在工程 实际中，采用c a e 技术对汽车变速系统关键零部件进行静力学分析和对变速系 统进行动力学分析，针对分析结果，可以对汽车变速系统性能做出评估，然后， 根据分析评估结果对变速系统设计进行相应的优化和修改，获得一个足够精确 的近似解来满足工程实际上的要求。 目前，国内外制造行业科研院所广泛开展对机械产品安全性能和可靠性能 方面的研究，并且卓有成效。机械产品的安全性能的高低对机械产品打入国际 市场与国际竞争有着十分重要的影响。2 0 世纪7 0 年代末，钱学森教授提出“系 统工程是组织管理的科学 的著名论断【1 2 1 。欧盟和美国将机械产品的安全设计 在九十年代初正式列为研究内容，他们将安全系统工程方法、安全人机工程学、 可靠性及可维护性等结合起来，从机械的结构设计、安全防护和提供使用信息 三大方面来保证机械产品的安全性能。国内虽然在可靠性及可维护性设计方面 有研究，但也还缺乏经验。欧盟和美国遵照系统安全工程方法，在九十年代己 相继制定和颁布了统一的机械安全一风险评价模式，旨在把危险消除在设计过 程的每一个环节上，使自己生产的机械产品达到本质上的安全。而我国由于没 有相应的评估模式和安全设计规范，不能开展安全评估，即使进行过一些简单 的评估，也是在产品出来之后，我国在这方面尚没有做出多少成果，刚刚开始 起步【1 3 1 。 对于机械产品的可靠性研究，国内外科研机构开展了比较深入的研究，并 且取得较大成果。可靠性至今已在电子工业、航天与宇航工业及机械工程自动 化等领域广泛应用。随着科学技术的迅速发展，可靠性要求已经成为产品的重 3 武汉理工大学硕士学位论文 要技术指标之一，并贯穿于整个产品的研制过程中f 1 4 1 。二战后期德国首先定量 的表达了产品的可靠性，从上世纪5 0 年代开始，定量的可靠性才得到广泛的应 用，可靠性才被系统的加以研究。美国可靠性研究始于第二次世界大战，初期 应用于电子管，机械产品可靠性的研究始于上世纪6 0 年代初。日本是在1 9 5 6 年由美国引进的可靠性技术，并将其应用到民用，带来了巨大的经济效益【1 5 】。 我国在6 0 年代初进行了有关可靠性评估的开拓性工作。可靠性技术起源于电子 产品和设备。电子可靠性的技术体系比较完整和成熟。相对而言，机械产品可 靠性发展比较缓慢。随着机械产品对于可靠性性能的要求越来越高，机械产品 可靠性的研究将日益受到重视并蓬勃发展【1 6 1 。 1 3 课题的来源、研究意义以及研究内容 1 3 1 课题的来源 ( 1 ) 武汉市青年科技晨光计划项目：机械系统数字化维修智能决策技术研 究，编号：2 0 0 7 5 0 7 31 2 8 9 ； ( 2 ) 武汉元丰汽车零部件有限公司项目，数控加工中心可靠性分析及维修 策略。 1 3 2 本课题研究的意义 汽车变速系统以其传动比固定，传动力矩大，结构紧凑等优点，使之成为 汽车的关键性传动部件之一，其操作性、传动性和安全性的好坏直接影响到汽 车的整体性能。它是否正常工作涉及到整机系统或机组的工作性能。变速系统 工作形式和结构的复杂性，又使得它容易引发故障。因此变速系统性能的分析 在动力机械工程中占有重要的地位。在实际的工程中，采用c a e 技术对汽车变 速系统关键零部件进行静力学分析和对变速系统进行动力学分析，针对分析结 果，对汽车变速系统性能做出评估，得到分析评估结果。然后，根据分析评估 结果对变速系统设计进行相应的优化和修改，使c a e 与c a d c a m 有效的结 合起来，以达到制造业高效、低成本、自动化的市场要求具有重要的现实意义。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3 本课题研究内容 ( 1 ) 针对汽车变速系统为对象，使用s o l i d w o r k s 进行特征建模。以某一型 号东风汽车变速系统为对象，使用s o l i d w o r k s 对变速系统的轴、斜齿轮、直齿 轮等零件进行特征建模，然后将所有零件装配起来，建立汽车变速系统特征模 型。 ( 2 ) 汽车变速系统静力学性能分析。汽车变速系统的静力学有限元分析， 主要内容包括有限元静力学分析的基本原理；汽车变速系统处于二档时，对第 二轴二速齿轮和第一轴进行静力学分析，查看其应力状况，分析集中应力；研 究了常啮合齿轮、中间轴以及第二轴的最大应力情况。 ( 3 ) 汽车变速系统动力学性能分析。对汽车变速系统关键零部件的固有特 性分析，分析了第二速齿轮和第一轴的固有模态频率；研究汽车变速系统整体 瞬态动力学分析。 ( 4 ) 汽车变速系统综合性能评价方法研究。建立了汽车变速系统性能评价 体系，根据汽车变速系统的静力学和动力学分析结果，结合可靠性分析结果， 评价汽车变速系统的性能。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车变速系统性能分析基础 2 1 汽车变速系统的工作原理 目前，汽车上广泛采用的是活塞式内燃机，其转矩变化范围较小，而汽车 实际行驶的道路条件非常复杂，要求汽车的牵引力和行驶速度必须能够在相当 大的范围内变化。另外，任何发动机的曲轴始终是向同一方向转动，而汽车实 际行驶过程中常常需要倒车行驶【1 7 1 。为此，在汽车传动系中设置变速系统，其 具体功用是： ( 1 ) 改变传动比，扩大汽车牵引力和速度的变化范围，以适应汽车不同 条件下的需要； ( 2 ) 在发动机曲轴旋转方向不变的条件下，使汽车能够倒向行驶； ( 3 ) 利用空挡中断发动机向驱动轮的动力传递，以使发动机能够启动和 怠速运转，并满足汽车暂时停车和滑行的需要； ( 4 ) 利用变速系统作为动力输出装置驱动其他机构，如自卸车的液压举 升装置等。 普通齿轮变速系统，由变速器箱体、轴线固定的几根轴和若干对齿轮组成， 可以实现变矩和改变旋转方向，其工作原型1 8 1 ： l 、变速原理 一对齿数不同的齿轮啮合传动时，若小齿轮为主动齿轮，带动大齿轮转动 时，输出转速降低；若大齿轮为主动齿轮，带动小齿轮转动时，输出转速升高。 这就是齿轮传动的变速原理。汽车变速系统就是根据这一原理利用若干大小不 同的齿轮副传动而实现的变速的。设主动齿轮转速为，齿数为z l ，从动齿轮 转速为惕，齿数为z ，主动齿轮( 即输入轴) 转速与从动轮( 即输出轴) 转速 之比值称为传动比，如图2 1 所示，传动比用q ：表示，即 铲 2 卺 因而，n 2 = 强( 争) 6 武汉理工大学硕士学位论文 两级齿轮变速器的传动如图2 - 2 所不，发动机的转矩经输入轴i 输入，经 两对齿轮传动，由输出轴i i 输出，其中第一对齿轮，1 为主动齿轮，2 为从动 轮：第二对齿轮，3 为主动齿轮，4 为从动齿轮，传动比计算过程如下： _ 。2 2 云所以一2 惕c 考， 妒i n 32 考所以( 考) 齿轮2 、3 在同一中间轴i i i 上，转速相同，即n 2 = n 3 ，总传动比 矿丢2 器、 同理，多级齿轮传动的传动l t r 为 f = 所有从动轮齿数的连乘积所有主动齿轮齿数的连乘积= 各级齿轮传动比 的乘积 汽车变速器某一档位的传动比就是这一档位各级齿轮传动比的乘积。 由于f ：坠：孥( m 表示转矩) ，可见传动比既是变速比又是变矩比。降 n 凸m 入 速则增扭，增速则降扭。汽车变速系统就是利用这一关系通过改变速比来适应 汽车行驶阳力变化的需要。 图2 1 齿轮传动比 2 、换挡原理 若将图2 2 中的齿轮3 与4 脱开，再将齿轮6 与5 啮合，传动比变化，输 出轴i i 的转速、转矩也发生变化，即挡位改变。当齿轮4 、6 都不与中间轴上 的齿轮3 、5 啮合时，动力不能传到输出轴，这就是变速器的空挡。 7 武汉理工大学硕士学位论文 6 氧 l il i i ( -i 、 r 卫 ， r 。o ， - i r，t r l l 上。 i i i 轴 一 5 2 j _ 图2 2 两级齿轮传动简图 3 、变向原理 如图2 3 中，相啮合的一对齿轮旋向相反，每经一传动副，共轴改变一次 转向。图2 3 ( a ) 所示的两对齿轮( 1 和2 、3 和4 ) ，其输出轴与输入轴转向相 同，这是普通三轴式变速箱前进档的传动情况。图2 3 ( b ) 所示齿轮4 装在中 间轴与输出轴之间的倒档轴上，三对齿轮副( 1 和2 、3 和4 、4 和5 ) 传递动力， 输出轴与输入轴的转向相反，这是三轴式变速箱的传动情况。齿轮4 称为倒档 轮或惰轮。 一 4 1 一 i j ，l - j ， 一 一一 ， 2一一3 一 ( a ) 曹避彗( b ) 饲挡 图2 - 3 齿轮传动的转向关系 2 2 汽车变速系统性能分析内容及分析平台构建 随着汽车工业的迅猛发展，车型的多样化、个性化已经成为汽车发展的趋 势。而汽车变速系统的设计是汽车设计中重要的环节之一。它是用来改变发动 机传到驱动轮上的转矩和转速，目的是在各种行驶工况下，使汽车获得不同的牵 8 武汉理工大学硕士学位论文 引力和速度，同时使发动机在最有利的工况范围内工作。因此，汽车变速系统的 性能影响到汽车的动力性和经济性指标。所以，汽车变速系统必须具备良好的 性能以满足汽车设计的需要，汽车变速系统应该满足的性能有以下几个方面： ( 1 ) 稳定的工作性能。 ( 2 ) 良好的结构性能。结构方式的不同，对功能的保证措施也不同，随之 带来的是产品特性的不同，好的结构性能，可以提高整体性能，提高安全可靠 性； ( 3 ) 良好的经济性能。好的经济性能可以帮助产品占领开阔的市场空间， 对经营的发展大有裨益。 因此，对汽车变速系统的性能分析就包括了对汽车变速系统的结构性能分 析、工作性能分析以及经济性能分析等性能分析。本文以某型号机械式变速系 统为对象，探讨该型号的汽车变速系统在某一挡变速传动时，对其关键零部件 进行静力学性能分析，对变速系统进行动力学性能分析。 因而，本文进行性能分析平台构建是采用s o l i d w o r k s 进行汽车变速系统的 特征建模；采用大型通用有限元分析软件a n s y s 对汽车变速系统的关键零部 件作静力学分析；对汽车变速系统进行动力学分析，从而，构建建模与性能分 析一体化的性能分析平台，如图2 - 4 所示。通过对汽车变速系统进行特征建模， 检验变速机构的几何特性与装配关系，为后续的有限元分析做前期准备工作。 然后，使用c a e 分析技术及可靠性技术对汽车变速系统关键零部件进行静力学 分析和系统的动力学性能进行分析1 1 9 】。 2 3 有限单元法 在工程实际中，对于许多力学问题和物理问题，人们已经得到了他们应遵 循的基本方程( 常微分或偏微分方程) 和相应的定解条件。但能用解析求出精确 解的只是少数方程性质比较简单，且几何形状相当规则的问题。对于大多数问 题，由于方程的某些性质的非线形性质，或由于求解区域的几何形状比较复杂， 则不能得到解析的答案【2 0 1 。这类问题的求解方法通常有两种，( 1 ) 引入简化假 设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到它在简化状态下的解， 但过多的简化可能导致不正确的甚至错误的解；( 2 ) 人们在广泛吸收现代数学、 力学理论的基础上，借助于现代科学技术的产物计算机及现代数值分析技 9 武汉理工大学硕士学位论文 术来获得满足工程技术要求的数值解，特别是近三十年来，随着电子计算机的 迅速发展和广泛应用，数值分析方法已经成为求解科学技术问题的主要工具。 目前，在工程实际中常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离 散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单 元法【2 1 1 。 图2 - 4 汽车变速系统性能分析平台 2 3 1 有限单元法基本理论 有限单元法的基本思想是将问题的求解域化分为一系列单元，单元之间仅 靠节点连接。单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求 得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之问的方程式， 然后将各个单元方程“组集 在一起而形成总体代数方程组，计入边界条件求 解。单元划分越细，计算结果就越精确 2 2 1 。 有限元方法是2 0 世纪5 0 年代电子计算机诞生之后，在计算数学、计算力 学和计算工程科学领域里最有效的计算方法。经过5 0 年的发展不仅使各种不 同的有限元方法相当丰富，而且理论基础也相当完善。汽车的机械结构复杂， 用有限元法不但能完成车身、车架等结构静力学分析，而且还能进行动力学分 析，因此是汽车设计计算的重要工具【2 3 1 。近年来，由于电子计算机应用的日益 l o 武汉理工大学硕士学位论文 发展，数值分析在弹性力学中的作用显得更为突出，使得一些复杂的问题能够 得到数值解2 4 】。 2 3 2 有限单元法分析步骤 有限元法用相互连接的单元模拟结构，每个单元都有一个位移函数与之相 关。相互联结的单元通过共同的界面，与其他单元联结起来。通过使用构成结 构材料己知的应力应变特性，可以用结构中其他单元的特性确定给定节点的特 性。描述每一节点特性的整组方程得出一系列用矩阵符号最佳表示的代数方程。 具体说，有限单元法分析计算的步骤可归纳如下f 2 5 】： l 、离散结构和选择单元类型 将给定的模型划分为具有相关节点的等价的有限元系统，选择适当的单元 类型来模拟系统实际的物理性能。单元节点的设置、性质、数目等应视工程实 际问题的性质、描述变形形态的需要和计算精度而定。单元必须小到可以给出 有用的结果，又必须足够大以节省计算费用。一般来说，一维结构的有限单元 可以为线段；二维连续体的有限单元为三角形、四边形：三维连续体的有限单 元可以是四面体、长方体和六面体。 2 、选择位移函数 假设的位移函数或模型只是近似地表示了真实的位移分布。通常假设位移 函数为多项式，最简单的情况为线性多项式。在工程实际应用中，没有一种多 项式可以与实际位移完全一致。用户所要做的是选择多项式的阶次、以使多项 式在可以承受的计算时间内达到足够的精度。此外，还需要选择表示位移大小 的参数，它们通常是节点的位移，也有可能包括节点的位移导数。所选择的位 移函数是用单元的节点值在单元内部定义的，并且每个单元可以重复使用同一 个通用的位移函数。 3 、定义应变位移和应力应变关系 为了推导每一个有限单元的方程，需要应变位移和应力应变关系。例如， 在一维变形和小应变的情况下，x 方向的应变占。和位移u 的关系如下： ：字 ( 2 1 ) & 2 瓦 ) 此外，应力相应变必须通过应力应变关系( 通常叫做本构关系) 联系起来。 4 、推导单元刚度矩阵和方程 武汉理工大学硕士学位论文 单元刚度矩阵是根据最小位能原理或其他原理，由单元材料和几何性质导 出的平衡方程系数构成的。单元刚度矩阵将节点位移和节点力联系起来，物体 受到的分布载荷变换为节点处的等价集中力。刚度矩阵k 、节点力矢量f 和节 点位移矢量d 的平衡关系表示为矩阵形式： f ) = k ) d )( 2 2 ) 5 、组装单元方程得出总体方程并引进边界条件 可以便用叠加法将步骤4 得到的单个单元方程组装在一起得出整个结构的 总体方程。叠加法中所隐含的是连续和协调概念，要求结构保持完整，在结构 任何一处都不发生撕开。最后得到如下形式的总体矩阵方程： f = ) d )( 2 3 ) 式中，) 一整体节点力矢量： 足卜一总体刚度矩阵； d ) _ 总体节点位移矢量。 6 、解未知自由度 求解上面得到的矩阵方程。 7 、求解单元应变和应力 对于结构应力应变分析来说，因为应力应变用步骤6 确定的位移直接表达。 因此，应力应变是第二批得到的重要的量，可以使用典型的应变和位移关系以 及应力应变关系。 8 、解释结果 最后的目标是解释和分析用于应力应变分析过程的结果。在进行设计和分 精决策时，通常需要确定结构中位移最大和应力最大的位置。后处理计算机程 序用图形显示的方式帮助用户解释结果。 2 3 3 有限元软件a n s y s a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的通用有限元分析软 件，可以广泛应用于核工业、航空航天、汽车、船舶、通信、建筑结构、通用 机械、医疗器械、轻工、日用家电等一般工业及科学研究【2 6 】。 a n s y s 软件从2 0 世纪7 0 年代诞生，经过了3 0 多年的发展，已经被全球 工业界所广泛接受。通过分析结构受到外部负载后的响应，如位移、应力、温 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 度等，便可以提前预示结构受到外部负载后的状态，从而判断结构是否符合设 计要求。因而，引入该软件进行产品设计分析，不仅可以缩减设计研发成本、 缩短设计周期，而且还可以对产品性能提前预估，以满足设计要求。 a n s y s 软件主要包括三部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供强大的实体建模和网格划分工具，用户可以方便地构造有限元 模型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线 性分析) 、流体分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分 析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析以及优化分析能力；后 处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显 示、立体切片显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显 示或输出。 2 4 汽车变速系统实体模型构建 2 4 1s o l i d w o r k s 软件 s o l i d w o r k s 自从诞生以来，就受到了众多企业的欢迎，目前s o l i d w o r k s 是 市场份额增长最快、技术发展最快、市场前景最好、性能价格比最优的软件。 s o l i d w o r k s 的功能强大，从零件设计、曲面建模、钣金设计，再到装配图设计 以及工程图绘制，从有限元分析到动态仿真，s o l i d w o r k s 提供的功能涵盖了从 设计到分析直至优化的完全生成流程。可以通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级 抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现零件建模；可以通过带控制线的扫描、 放样、填充以及拖动可控制相切操作来产生复杂曲面；可以利用智能化装配技 术来进行零部件装配：可以动态地查看装配体的所有运动，并且对运动的零部 件进行动态的干涉检查和间隙检测；可以从三维模型中自动产生工程图，包括 视角、尺寸和标注【2 7 j 。 2 4 2s o l i d w o r k s 实体建模流程 使用s o l i d w o r k s 进行零件实体建模时，特征是组成零件实体模型的基本元 素，它体现了产品的功能要素和工程含义，是描述产品信息的集合，特征是参 数化的几何实体，通过改变特征尺寸参数，可以用有限的特征构造出无限的零 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 部件实体模型，同时利用参数化功能实现零部件的系列化1 2 8 1 。因而，在汽车变 速系统实体建模的过程是围绕变速系统零部件的特征设计、修改、再设计、再 修改为主线的过程。那么，s o l i d w o r k s 实体建模的流程如图2 5 所示【2 9 3 ： 确定设计意图 j l 创建基本特征 j i 设计细节特征 修改特征 j l 模型确定 图2 5s o l i d w o r k s 实体建模的流程 1 、确定设计意图 设计意图，从广义方面讲是指规划出零件实体建模的设计思路，从分析零 件的结构开始，确定零件由哪些主要特征组成，特征创建的顺序，如何通过特 征的切割、合并和求交等布尔操作最终创建完整的实体模型的过程。从狭义方 面讲是指关于实体模型被改变后如何表现其它特征的规划。 设计意图是创建实体模型的关键性基础过程，确定比较合理的设计意图是 顺利创建基体特征和其他细节特征的保证。如图2 - 6 所示的斜齿轮的模型是由 拉伸、切除、扫描、圆周阵列、轴孔和倒角等特征组成。 2 、创建基体特征 最初建立的实体模型称为基体，是后续细节特征的基础。一般创建基体特 征应以零件整体几何形状或保证零件各组成特征的尺寸基准体形状为前提，创 建最佳的基体特征。如图2 - 6 的斜齿轮实体模型，其基体特征可以在草图平面 绘制齿顶圆草图，然后沿轴向拉伸一定厚度创建。 3 、细节特征设计 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 零件模型的细节特征设计是实体建模逐步完善的过程，即在基体特征上进 行新特征的添加，逐步完成整个实体的创建。一般细节特征设计均按以下步骤 进行：选择进行特征设计的草图平面。对于不是直接生成的特征，均首选一 草图平面，在该草图平面上进行二维草图绘制，以图2 - 6 为例，斜齿轮的单个 齿形草图应选择零件表面为草图平面。完成草图绘制。草图绘制是二维轮廓 绘图，在草图轮廓形状绘制完成后，对草图及草图与其它特征体之间添加尺寸 和约束关系，这一过程不仅定义草图轮廓的位黄，而且是实现零件参数化、系 列化设计的基础。一般对已定型零件的草图轮廓要完全定义( 全约束) 。创建 特征。对完全( 或不完全) 定义的草图根据零件模型形状，选择拉伸、旋转、 扫描和放样等特征进行切除、合并或求交等布尔操作创建细节特征，如图2 - 6 中斜齿轮完整齿形是以单个齿形草图为草图轮廓，并绘制螺旋线，经切除扫描 操作形成单个齿廓，最后经圆周阵列形成的特征。对于直接生成特征则不 需草图绘制，直接在已存在的实体特征上创建细节特征即可。 2 - 6 斜齿轮的模型 2 43 汽车变速系统实体模型构建 s o l i d w o r k s 把三维实体的模型分成两类：一类为p a r t 文件，即零件文件； 另一类为a s s e m b l y 文件，即装配文件唧。使用s o l i d w o r k s 对汽车变速系统进 行三维模型建模时，首先要绘制出输入轴、中间轴、输出轴、传动齿轮、箱体、 拨叉等零件的三维模型，然后再根据它们之间的装配关系把这些零件组装成装 配体，即汽车变速系统。 武汉理t 大学硬士学位论文 首先，进行零件的建模。进行零件建模前一般应进行深入的特征分析， 搞清楚零件由哪几个特征构成，明确各个特征的形状之间的相对位置和表面 连接关系，按照特征的主次和一定的顺序进行建模。 零件模型完成后，就要把这些零件根据他们之间的装配关系组装成装配体。 s o l i d w o r k s 采用的是自底向上的装配体建模方法，即通过加入已有零件并调整 其方向来建立的。零件在装配体中以零部件形式加入在零部件之间建立配合 关系可以调整它们在装配体中的方向和位置，配合关系是零部件的表面或边与 平面、其他的表面或边的约束关系。零部件的装配过程中主要是依靠零部件之 间的配合关系来使零部件相对于其他部件定位，而零部件的自由度由配合关系 进行限制。常用的配合关系是“重合”和“同心”。在s o l i d w o r k s 中，可以利用 多种实体或参考几何体来建立零件间的配合关系，如：模型面、参考平面、模 型边、顶点、草图线、基准轴、原点。确定了实体或参考几何体后，在零件中 选择对象，建立零件间的配合关系口”。 汽车变速系统的主要零件包括箱体、第一轴、中间轴、第二轴、传动齿轮、 箱体、拨叉等零件，通过使用s o l i d w o r k s ，构建其三维模型如图2 - 7 2 - 1 2 所示。 利用s o l i d w o r k s 将变速系统的所有零件建模完成后，根据变速系统的结构 特点以及零件完成的功能，将该变速系统整体装配分为若干个子装配，如下表 2 1 所示。 2 7 上箱盖2 - 8 下箱体 武汉理工大学硕士学位论文 嘲霜 2 - 9 第一轴 2 - 1 1 第二轴 2 1 0 中间轴 2 - 1 2 第三速齿轮 表2 - 1 汽车变速系统装配表 淤 第一轴系第二轴系中间轴系倒车轴系上箱体下壳体 其他 子装配体子装配体子装配体子装配体子装配体子装配体 l第一轴 第二轴中间轴