（机械设计及理论专业论文）齿轮参数对汽车自动变速器动力学性能影响规律的研究.pdf

齿轮参数对汽车自动变速器动力学性能影响规律的研究 摘要 自动变速器与发动机一样同是汽车的心脏，目前它已成为汽车整车的核心 技术，是制约我国汽车产业进一步发展的瓶颈之一。现在国内关于自动变速器 的研究主要集中在控制系统以及液压系统上，对于自动变速器的行星齿轮机构 则研究较少，并且仅仅局限于对行星齿轮机构结构的研究，对于自动变速器齿 轮特别是自动变速器齿轮参数的研究基本上没有。行星齿轮机构的力学特性直 接关系到自动变速器的性能，特别其动态特性对行星齿轮机构的振动和噪声有 很大的影响，而齿轮参数对齿轮系统的动态性能影响很大，因此研究齿轮参数 问题对于改善自动变速器的振动和噪声有着重要的意义。 本文以四挡a t 辛普森式行星齿轮机构作为研究对象，利用参数化方法建 立了系统模型，通过改变齿轮的基本参数( 模数、螺旋角、变位量等) 可快速 建立不同齿轮参数的系统模型。通过对不同齿轮参数系统动力学性能的研究， 获得了齿轮参数对系统固有特性的影响规律，以及齿轮变位量对系统振动的影 响规律。 经研究分析表明：齿轮参数的变化对辛普森系统的固有特性有很大的影响， 随着齿轮模数和螺旋角的增大，辛普森系统的固有频率逐渐增大；变位量的变 化对辛普森系统的固有特性基本没有影响；当齿轮的模数和变位量同时发生变 化时，系统固有频率的变化主要取决于齿轮模数的改变；当齿轮的螺旋角和变 位量同时发生变化时，系统固有频率的变化主要取决于齿轮螺旋角的改变；模 数对系统固有特性的影响要强于螺旋角对系统固有特性的影响；齿轮参数对辛 普森系统刚度的影响要远远超过齿轮参数对其质量的影响；随着齿轮变位量的 增加，系统振动逐渐减小。 总之，齿轮参数的变化对自动变速器行星齿轮系统的动力学性能有明显的 影响，通过合理的选择齿轮参数可以有效地降低系统的振动，从而减小噪声。 本文的研究结果为行星轮系的设计提供了参考依据和理论基础，同时为我国自 主研发自动变速器( a t ) 齿轮传动系统提供丫理论依据。 关键词：汽车自动变速器齿轮参数辛普森式行星齿轮系统动力学性能 参数化建模 r e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo fg e a rp a r a m e t e r st ot h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n a bs t r a c t n o wr e s e a r c ho na u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ni sc o n c e n t r a t e di nt h ec o n t r 0 1s y s t e m s a n dh y d r a u l i cs y s t e m s ，w h i l er e s e a r c ho nt h ep l a n e t a r yg e a rs y s t e m si s l e s s ，a n d s e l d o mi n v o l v e dt h e g e a r se s p e c i a l l y t h e g e a rp a r a m e t e r s t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ep l a n e t a r yg e a rs y s t e m se s p e c i a l l yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r e d i r e c t l yr e l a t e dt ot h ep r o p e r t i e so ft h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ( v i b r a t i o na n dn o i s e ， e t c ) a n dg e a rp a r a m e t e r sg r e a t l yi n f l u e n c et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h eg e a r s y s t e m s s oi ti sb e n e f i c i a lt oi m p r o v et h ev i b r a t i o na n dn o i s eo ft h ea u t o m a t i c t r a n s m i s s i o nt os t u d yt h eg e a rp a r a m e t e r s a 4 一s p e e da ts i m p s o nt y p ep l a n e t a r yg e a rs y s t e mw a sc h o s ea st h er e s e a r c h o b j e c t t h e nap a r a m e t r i cm o d e lo ft h es y s t e mw a se s t a b l i s h e db a s e do nc a t i a s o f t w a r e ，s ot h a t d i f f e r e n tm o d e so ft h e s i m p s o ns y s t e mw i t hd i f f e r e n tg e a r p a r a m e t e r sc a nb eq u i c k l yb u i l tb yc h a n g i n gt h eb a s i cp a r a m e t e r so fg e a r ( m o d u l u s ， h e l i xa n g l e ，m o d i f i c a t i o nc o e f f i c i e n t ，e t c ) t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo ft h es i m p s o ns y s t e mw i t hd i f f e r e n tg e a rp a r a m e t e r s ，t h ei n f l u e n c eo n t h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mb yg e a rp a r a m e t e r sa n dt h ei n f l u e n c eo n t h ev i b r a t i o no ft h es y s t e mb yt h em o d i f i c a t i o nc o e f f i c i e n tw e r eo b t a i n e db yt h e r e s e a r c h i t i sf o u n dt h a t ：t h ei n f l u e n c eg e a rp a r a m e t e r sv a r i a t i o n so nt h ei n h e r e n t c h a r a c t e r i s t i c so ft h es i m p s o ns y s t e ma r es i g n i f i c a n t ，a n da sm o d u l ea n dh e l i x a n g l ei n c r e a s e ，t h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h es i m p s o ns y s t e mg r a d u a l l yi n c r e a s e s ； t h ec h a n g eo fm o d i f i c a t i o nc o e f f i c i e n tb a s i c a l l yh a sn oi n f l u e n c eo nt h ei n h e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s ；w h e nm o d u l ea n dm o d i f i c a t i o nc o e f f i c i e n tc h a n g e ss i m u l t a n e o u s l y , t h ec h a n g eo ft h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h es i m p s o ns y s t e md e p e n d so nt h e c h a n g e o fm o d u l e ；w h e nh e l i x a n g l ea n d m o d i f i c a t i o nc o e f f i c i e n t c h a n g e s s i m u l t a n e o u s l y ，t h ec h a n g eo ft h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h es i m p s o ns y s t e m d e p e n d so nt h ec h a n g eo fh e l i xa n g l e ；m o d u l e so nt h ei n f l u e n c eo ft h ei n h e r e n t p r o p e r t i e so ft h es y s t e mi ss t r o n g e rt h a nh e l i c a la n g l e ；g e a rp a r a m e t e r so nt h e i n f l u e n c eo ft h es t i f f n e s so ft h es y s t e mi ss t r o n g e rt h a nt h ei n f l u e n c eo ft h em a s so f t h es y s t e m ；a st h em o d i f i c a t i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e s ，t h ev i b r a t i o no ft h es y s t e m d e c r e a s e s i n s n o r t ，g e a rp a r a m e t e r sh a v e s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h e d y n a m i c p e r l b r m a n c eo ft h ep l a n e t a r yg e a rs y s t e mo ft h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ns v s t e m s o v 1b r a t l o na n dn o i s eo ft h e s y s t e mc a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e db yt h er e a s o n a b l e s e l e c t i o n0 士g e a rp a r a m e t e r s t h e s er u l e sw o u l dp r o v i d er e f e r e n c eb a s i s f o rt h e d e s l g n o ft h e p l a n e t a r yg e a r ， s oa st od o m e s t i c d e v e l o p m e n to fa u t o m a t i c t r a n s m is s io n k e yw o r d s ：a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ； g e a rp a r a m e t e r s ； s i m p s o nt y p e p l a n e t a r y g e a r s y s t e m ；d y n a m i cp e r f o r m a n c e ； p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n g 致谢 “为什么我的眼里常含泪水，因为我对这土地爱得深沉。”一一题记 本论文是在导师一赵韩教授的悉心指导下完成的。赵老师高尚的品德、渊 博的学识、深邃的思想、严谨的治学态度、精益求精的工作作风、开拓的创新 思维、教书育人的责任心都给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅，终生难忘。 在将近三年的研究生学习生涯中，我从赵老师身上不仅学到了学习知识，还学 到了如何做人，如何做事，如何做学术。赵老师高尚的人格魅力一直影响着我， 也将继续影响着我。在此之际，谨向导师赵韩教授致以最崇高的敬意和最衷心 的感谢! 祝愿恩师合家幸福，一生平安! 从论文的选题、研究、撰写到定稿，无不渗透着黄康老师的心血，黄康教 授于百忙之中给了我无微不至的关怀和指导。黄老师虚怀若谷、深刻睿智、平 易近人，无时不给我深刻的启发，使我得以顺利完成论文，在此表示特别感谢， 愿黄康老师及其家人身体健康，万事如意! 同时也要感谢机械设计教研室的所有老师，以及4 0 2 、4 0 9 、4 1 6 室的所有同 学、师兄、师弟、师姐、师妹们，他们对我的论文研究工作提出了许多宝贵意 见，在此向他们表示衷心的感谢! 特别感谢一下2 12 的所有室友们，他们不仅给予了我学习上的帮助，还给予 了我生活上很大的帮助，愿他们前程似锦，马到成功! 焉得谖草，言树之背，非常感谢我的爸爸妈妈，他们用温暖的双肩呵护我， 给了我自由的成长空问，一直支持我的决定，我深深爱着他们。 从大学到研究生，我在合肥工业大学大学生活了将近7 年，对这片土地充满 了深深的眷恋和热爱，如今又到了一个告别的季节，不禁心怀感伤。就要告别 美好的校园了，衷心祝愿母校的明天更加灿烂辉煌! 就要再见了，我的老师、同学，室友们，为什么我的眼里常含泪水，因为 我对你们爱得深沉! ! 公彦军 二零一二年四月于合肥 图2 图3 图3 图3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1o 图3 1l 图3 12 图3 13 图3 14 图3 15 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 插图清单 辛普森式行星齿轮机构啮合方式( 一) 8 辛普森式行星齿轮机构啮合方式( 二) 9 四挡辛普森式行星齿轮变速器一9 改良型四挡辛普森式行星齿轮变速器1 0 1 挡的动力传递路线11 2 挡的动力传递路线1 2 3 挡的动力传递路线1 2 4 挡的动力传递路线1 3 倒挡的动力传递路线1 3 齿轮渐开线的展开图1 5 行星齿轮传动19 齿轮初始化位置( 行星轮齿数为偶数时) 1 9 齿轮初始化位置( 行星轮齿数为奇数时) 一2 0 行星轮系装配分析2 0 渐开线的生成2 2 u d 太阳轮2 2 u d 齿圈2 2 o d 齿圈2 3 o d 行星轮2 3 轴2 3 支j 堕2 4 u d 行星轮系的装配2 4 o d 行星轮系的装配2 4 辛普森式行星齿轮系统的装配2 5 辛普森式行星齿轮系统的动力学仿真模型一2 8 1 挡时输入输出机构的角速度3 0 1 挡时输出机构的角加速度3 0 1 挡时u d 太阳轮与u d 行星轮之间的啮合力及啮合频率3 0 2 挡时输入输出机构的角速度3 l 2 挡时输出机构的角加速度3 1 2 挡时u d 太阳轮与u d 行星轮之间的啮合力及啮合频率3 1 2 挡时o d 太阳轮与o d 行星轮之间的啮合力及啮合频率3 2 4 挡时输入输出机构的角速度3 2 l 2 3 4 5 6 7 8 2 2 2 2 2 2 2 2 图图图图图图图图 图4 1o 图4 1 1 图4 12 图4 13 图4 1 4 图4 15 图4 1 6 图4 1 7 图4 18 图4 19 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 4 挡时输出机构的角加速度3 2 4 挡时o d 太阳轮与o d 行星轮之间的啮合力及啮合频率3 3 倒挡时输入输出机构的角速度3 3 倒挡时输出机构的角加速度3 3 倒挡时o d 太阳轮与o d 行星轮之问的啮合力及啮合频率3 4 系统的一阶固有频率及其振型3 6 系统的二阶固有频率及其振型3 7 系统的三阶固有频率及其振型3 7 系统的四阶固有频率及其振型3 7 系统的五阶固有频率及其振型3 8 系统的六阶固有频率及其振型3 8 模数对系统固有频率的影响3 9 螺旋角对系统固有频率的影响3 9 变位量对系统固有频率的影响一4 0 模数和变位量同时变化对系统固有频率的影响4 1 螺旋角和变位量同时变化对系统固有频率的影响4 2 增大变位量时系统输出机构的角加速度4 3 继续增大变位量时系统输出机构的角加速度4 4 减小变位量时系统输出机构的角加速度4 4 继续减小变位量时系统输出机构的角加速度4 4 表格清单 表i 1a t 的组成5 表2 1四挡辛普森式变速器换挡执行元件的工作规律及其各挡传动比1 4 表3 1斜齿轮几何尺寸计算公式1 7 表4 1各挡传动比理论计算结果与仿真结果比较3 4 表4 2各挡的齿轮啮合力3 4 表4 3各挡齿轮啮合频率理论值与仿真结果的比较3 5 表4 4不同模数时系统的前6 阶固有频率3 8 表4 5不同螺旋角时系统的前6 阶固有频率4 0 表4 6不同变位量时系统的前6 阶固有频率4 0 表4 7模数和变位量同时变化时系统的前6 阶固有频率4 1 表4 8螺旋角和变位量同时变化时系统的前6 阶固有频率4 2 表4 9改变齿轮变位量时输出机构的角加速度及齿轮问的啮合力4 5 第1 章绪论 1 1 选题背景 汽车是由德国人卡尔本茨在18 8 5 年发明的【lj ，到今天已经有了1 2 0 多年 的发展。汽车为人类社会的发展及人们的生活做出了重大的贡献。近年来，随 着自动变速技术的飞速发展，自动变速器的装车率越来越高，使得汽车更加快 捷、舒适、安全和可靠。然而目前，我国汽车上装有的变速器绝大多数仍为手 动变速变速器，手动变速器的换挡比较频繁，容易造成驾驶员的疲劳，影响行 驶的安全；同时驾驶技术水平的高低会影响车辆的燃料经济性、动力性和乘坐 舒适性，所以自动变速是人们长期追求的目标，是车辆向高级阶段发展的重要 标志【2 1 。目前，国产汽车用自动变速器几乎全部需要进口或者采用合资企业生 产【3 j ，因此迫切需要开发具有自主知识产权的自动变速器。 自动变速器是指能够完全按照驾驶员意愿，根据发动机负荷和车辆行驶速 度，自动变换传动比的大小，或者说自动变换挡位的高低，以满足汽车在各种 复杂多变路面上行驶要求的装置。其英文译为a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n - - a t l 4 j 。 目前轿车上普遍使用的是液力自动变速器，a t 几乎成为了液力自动变速器的代 名词1 5 】。目前关于自动变速器的研究主要集中在控制系统以及液压系统上，对 于自动变速器的核心机构一一行星齿轮机构则研究较少，并且仅仅局限于对其 结构的研究，对于自动变速器齿轮特别是自动变速器齿轮参数的研究基本上没 有【6 1 。齿轮参数对自动变速器的性能有何影响，如何选取齿轮参数才能获得更 好的自动变速器性能是开发设计自动变速器必须要面对的重大问题，因此有必 要研究齿轮参数对汽车自动变速器齿轮传动系统性能的影响规律，找出自动变 速器齿轮参数的设计依据，只有这样才能掌握自动变速器行星齿轮机构设计的 关键技术。 1 2 汽车自动变速器简介 1 2 1 自动变速器的优缺点 汽车主要由发动机、底盘、车身及其附件、电气设备四部分构成。其中底 盘由传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统组成。变速器属于传动系统 的一部分。由于活塞式内燃发动机的转矩和转速变化范围较小，不能适应汽车 行驶时车速改变和牵引力变化的需要，需要采用变速器来改变发动机和车轮之 间的转速比，使发动机在合理的工作范围内工作，提高汽车的动力性和经济性， 减少排放。通过变速器还能解决发动机不能有载起动的问题，保证汽车平稳起 步；以及发动机只能单向旋转，而汽车需要前进后退双向运动的问题：有时需 要切断发动机动力，使发动机处于怠速状态，较长时间停车等问题。现在变速 器已成为汽车不可缺少的重要部件【4 j 。 汽车变速器主要有手动变速器和自动变速器之分。近几十年来随着科学技 术的不断进步，特别是计算机技术、通信技术、电子技术和智能控制技术等领 域的发展，自动变速技术得到了迅速的发展，越来越多的汽车开始装配自动变 速器。自动变速器较手动变速器主要有以下几个方面的优点1 7 j ： ( 1 ) 可以消除驾驶员换挡技术的差异性 车辆性能的优势除与自身的结构有关，还取决于正确的控制和操纵。自动 变速就是让系统自动地完成使用要求，以使整车获得最佳的燃料经济性、动力 性和低的污染排放，从而使驾驶员的技术水平不再影响车辆的性能。 ( 2 ) 可以提供好的传动比转换性能 自动变速的速度变换不仅快且连续平稳，提高了乘坐舒适性。驾驶员技术 不再是影响汽车性能的因素，这对汽车进入家庭和非职业驾驶员越来越多的情 况尤为重要。 ( 3 ) 可减轻驾驶员的疲劳并提高行车安全性 操纵车辆的任务在于根据不断变化的道路和交通情况，对车辆的行驶方向 和速度进行灵活机动的控制。然而，如果驾驶员频繁操作，注意力容易分散， 甚至紧张忙乱，不利于行车的安全，而自动变速避免了驾驶员的频繁操作，减 轻了驾驶员的疲劳，从而提高了行车安全。 ( 4 ) 可以减少污染 手动变速为非动力换挡，由于在换挡过程中供应量急剧变动，所以非稳定 工况强烈，转速变化也大起大落，从而使排放增加，污染严重：而自动换挡技 术属于动力换挡，且能使发动机在较小的转速范围工作，从而可以减少排放， 降低污染。 然而自动变速器也有缺点【s 】： ( 1 ) 结构较复杂 自动变速器的结构比手动变速器的结构更为复杂，零件的加工难度更大， 生产成本更高，修理也更为麻烦。 ( 2 ) 效率较低 同手动变速器相比，自动变速器的效率还比较低。 1 2 2 自动变速器的分类及其特点 当前主要有四种常用的汽车自动变速器：液力机械式自动变速器 ( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，简称a t ) 、机械式无级变速器( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ，简称c v t ) 、电控机械式自动变速器( a u t o m a t e dm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n ，简称a m t ) 和双离合式自动变速器( d u a lc l u t c ht r a n s m i s s i o n ， 简称d c t ) 。 ( 】) a t a t 是指由液力变矩器、行星齿轮变速器、自动变速操纵系统组成的自动变 速系统。液力变矩器以液体为传递介质，可以在小范围内无级地改变传动比； 机械变速器通过自动换挡系统的控制，可较大范围地完成换挡变速功能，所以 通常称为液力机械式自动变速器。液力变矩器中的液体在循环流动过程中没有 受到外力，故不能改变传递的转矩。液力变矩器主要由涡轮、导轮和泵轮组成， 涡轮和泵轮之间可以产生较大的转速差，因此可以保证汽车平稳起步和加速， 减少传动系统的扭转振动，防止传动系统过载；除可传递转矩外，液力变矩器 还能随着汽车行驶阻力的不同而自动改变变矩系数和传动比。但单个液力变矩 器的传动效率较低、变矩范围有限，需要串联或并联一个机械变速器，以扩大 变速和变矩的范围。 当前，a t 传动系统技术最成熟，应用最广，占据着自动变速系统的主导地 位，在美国和日本都有很高的市场占有率，现在国产汽车的自动变速器采用的 也大都是a t 传动系统。a t 传动系统的优点是：操纵简单，乘车舒适性好和车 辆的平均速度高，车辆行驶安全性和通过性好；其缺点是：传动效率低、结构 复杂、制造困难、成本较高【9 1 。a t 传动系统在技术成熟性和制造成本上还具有 很大的优势，在短期内其乘用车自动变速器的主流地位不会改变【5 j 。 ( 2 ) c v t c v t 是由具有v 形槽的主动锥轮、从动锥轮和传动带组成的。主动轮旋 转时通过传动带将扭矩传递给从动轮，传动带安装在主动锥轮和从动锥轮的v 形槽中。根据路况和驾驶员的意图，电控系统可以改变液力的大小，使得液力 分别作用到主从锥轮的可动锥盘上，从而使主从锥轮传递扭矩的节圆半径连续 地发生变化，达到无级改变传动比的目的。c v t 是真正的无级变速器，其优点 是：重量轻、体积小、零部件少，与a t 相比具有传动效率高、油耗低。主要 缺点包括：技术含量高、国内研究基础薄弱、制造复杂、投资规模大、传动带 不能承受较大载荷且寿命短、易损坏、关键零部件必须完全依赖进口h o l 。 为了提高产品的竞争力，目前全世界各大汽车厂商都在大力进行c v t 的研 发工作。n i s s a n 、t o y o t a 、g m 、a u d i 等汽车品牌，都有配备c v t 变速器 的轿车销售。但是c v t 的缺点也很明显，除了a u d i 公司在a 4 和a 6 车型大 排量车型上采用了无级变速器，绝大部分的c v t 还只能限用于在1 升排量左右 的低功率和低扭矩汽车。而且c v t 的批量较小，成本较高，因此当前c v t 变 速器在自动变速器中的占有率还比较低p j 。 ( 3 ) a m t a m t 主要由自动离合器、齿轮式机械变速器和电子控制系统组成，它是 在传统有级固定轴式变速器和干式离合器的基础上，应用微电子驾驶和自动变 速理论并增加自动变速操纵系统组成的。a m t 以电控单元( e c u ) 为核心，根 据驾驶员的操纵( 油门踏板、制动踏板、转向盘以及选挡器的操纵) 、车辆的运 行状态( 车速、发动机转速以及输入轴转速) 以及道路路面状况( 坡道和弯道) 等因素，e c u 会按照预先设定的驾驶规律( 换挡规律和离合器接合规律) ，采 用相应的控制规律，发出控制指令，通过相应的执行机构，对车辆的发动机、 离合器及变速器的协调动作进行自动联合操纵。其优点是：传动效率高、成本 低、油耗少、易于制造：缺点是：控制参量多，控制部分的实现难度大，实现 自动控制困难一j 。 a m t 保留了原手动变速器的绝大部分机件，只是用自动操纵机构代替了手 动操纵机构。因此a m t 的生产继承性好，改造成本较低，可通过软件的优化 设计全面提高车辆的使用性能，所以世界各大汽车公司都在进行a m t 技术的 研究开发。但是现在a m t 还没有得到大面积地推广，应用车型也较少，主要 集中在商用汽车上，尤其在欧美的商用汽车上【3 j 。 ( 4 ) d c t d c t 是一种更为先进、更为复杂的新型电控机械式自动变速器。使用d c t 的典型代表是由大众汽车公司和博格华纳公司合作生产的6 挡d c t 。它是由双 离合装置、三轴式齿轮变速系统、自动换挡机构和电子液压控制系统所组成的 双传动输入双传动输出变速器系统。该6 挡d c t 的输入轴总成是由一个实心轴 和一个外部套筒( 空心) 轴组合而成的双传动输入系统，其上分别布置有奇数 挡位和偶数挡位的传动齿轮。d c t 的一个离合器与实心输入轴相联，控制奇数 挡；另一个离合器与套筒输入轴相联，控制偶数挡。双传动输出系统的2 根输 出轴是独立布置的，一根安装有低速挡齿轮并实现低速挡的动力输出，另一根 安装有高速挡和倒挡齿轮并实现高速挡和倒车挡的动力输出。本质上d c t 相当 于将2 套3 挡手动变速器合二为一。 d c t 不仅具有结构简单、安装空间紧凑、质量轻、传动效率高等优点，还 具有的不问断动力和迅速平稳换挡等优点，因此世界各大汽车公司都在纷纷研 发d c t 。此外，d c t 的换挡时间更短，换挡舒适性更高，变速器质量更可靠， 维修成本更低，加速性能更好，燃油消耗更低，但是d c t 的电子控制系统也更 为复杂，技术难度更大，生产成本更高，目前只有美国博格华纳和德国舍弗勒 等少数公司掌握d c t 的核心控制模块【n j 。 综上所述可知，a t 传动系统在短期内乘用车自动变速器主流地位不会改 变，因此仍是世界各大汽车厂商研究的重点。 1 3a t 的发展历史及现状 1 3 1a t 的组成及其工作原理 ： 按功能分，a t 可分为供油系统，液力变矩器，变速齿轮机构、液压控制或 电子控制自动换挡系统四大部分。各部分的功用及主要组成件如表1 1 所示8 1 。 4 表1 1a t 的组成 组成功用 组成零部件 供油系为液力变矩器、换挡执行机构、自动换挡控制系统等部油泵、油器、调 统分提供一定压力、流量的液压油压阀等 液力变 将发动机的动力传递给自动变速器的输入轴，并能根据 汽车行驶阻力的变化，在一定范围内自动地、无级地改 泵轮、涡轮、导 矩器轮等 变传动比和转矩比 行星齿轮机构、 变速齿 实现变速的机构，改变动力传递的方向和速比 离合器、制动器 轮机构 等 液力控 根据手动阀的位置及节气门开度、车速、控制开关的状液力控制的各 制自动 态等因素，按照一定控制规律控制换挡执行机构的工作，种控制阀及油 换挡系 实现自动换挡路 统 电力控 控制电脑、各种 制自动电子计算机根据某些传感器信号控制电磁阀，从而控制 传感器、电磁阀 换挡系换挡执行机构二 作，实现自动换挡功能 等 统 自动变速器实现自动换挡的原理如下： 自动换挡系统根据驾驶员踏下加速踏板的位置( 发动机进气歧管的真空度) 和汽车的行驶速度调节各控制阀的工作状态，从而控制变速齿轮机构中离合器 的分离与结合、制动器的制动与释放，来改变变速齿轮机构的动力传递路线， 实现变速器挡位的变换。其换挡控制方式是通过机械方式将节气门开度信号和 车速信号转换成控制油压，并将油压加到换挡阀的两端( 节气门油压信号加到 换挡阀上端，车速油压信号加到换挡阀下端) ，以控制换挡阀的位置，从而改变 换挡执行元件( 离合器和制动器) 的油路。工作液压油进入相应的执行元件， 使离合器结合或分离，制动器制动或释放，控制行星齿轮变速器的升挡或降挡， 从而实现自动变速。 电控液力自动变速器是在液力自动变速器的基础上增设电子控制系统而形 成的。电控液力自动变速器通过传感器和开关监测汽车和发动机的运行状态， 并将所获得的信息转换成电信号输入到电控单元，电控单元根据这些信号，通 过电磁阀控制液压控制装置的换挡阀，使其打开或关闭通往换挡离合器和制动 器的油路，从而控制换挡时刻和挡位的变换，实现自动变速。 1 3 2a t 的发展历史 l9 2 6 年，别克轿车上开始使用液力机械传动的变速器。19 3 8 年美国克莱斯 勒汽车公司采用了液力耦合技术，并在1 9 3 9 年首先成功研制了由液力耦合器和 行星齿轮变速器组成的4 挡液力变速器。该变速器被认为是自动变速器的代表， 是当今自动变速器的原始形式，标志着自动变速器的诞生。 1 9 3 9 1 9 5 0 年是液力自动变速器的成长期。这一时期的特点是液力传动部 分采用液力耦合器，机械变速部分采用行星齿轮。1 9 5 0 年美国福特汽车公司成 功研制了装有液力变矩器的3 挡液力自动变速器。19 6 9 年，法国雷诺汽车采用 了电控液力自动变速器，其控制方式是由计算机依据检测到的车辆速度和节气 门开度信号来判断变速的时机，并确定变速程序。19 7 7 年，日本丰田汽车公司 成功研制了具有超速挡的液力自动变速器。l9 9 1 年，美国通用汽车公司在前轮 驱动的轿车上装备了4 t 6 0 e 型电控液力自动变速器【4 j 。 在我国，液力传动装置的应用始于2 0 世纪5 0 年代，当时成功研制了红旗 高级轿车使用的液力自动变速器。到2 0 世纪7 0 年代，我国已将液力传动应用 于一系列的重型矿用汽车上，s h 3 8 0 型3 2 t 矿用自卸车、c a 3 9 0 型6 0 t 矿用自 卸车等。目前我国生产的部分型号的汽车上已装备了液力自动变速器。但是国 产汽车装备的a t 几乎全部需要进口或采用合资企业生产，可喜的是国内企业 已开始了自主研发或合作开发。长城等汽车企业正在研发4 挡a t ，有的已经生 产出了样机：此外山东省动力传动工程技术研究中心正与欧洲的科研机构合作 开发具有自主知识产权的8 挡a t j 。 1 3 3a t 的发展方向 目前，自动变速器主要有以下几个发展方向【5 】【l l 】【1 2 】： ( 1 ) 向多挡位方向发展 5 挡或者6 挡甚至7 挡的自动变速器正在逐步取代4 挡自动变速器的主导 地位。挡位越多使得变速器具有更大的速比范围和更细密的挡位之问的速比分 配，从而可改善汽车的动力性、燃油经济性和换挡平顺性。 ( 2 ) 采用多电磁阀方式控制换挡 以前的自动变速的执行器只有一两个电磁阀，现在许多自动变速器已有了 多个电磁阀。换挡电磁阀数量的增加使得换挡电磁阀完全代替了节气门油压和 速度油压对d 挡位升降挡的控制。现在，一些变速器的换挡电磁阀完全负责了 对d 挡、手动模式、倒挡的控制，被称为全电子控制自动变速器。多电磁阀控 制换挡的方式有利于改善换挡质量。 ( 3 ) 通过改造油泵、优化液压控制系统提高变速器传动效率 采用现代控制理论的电控技术，可使自动变速器的机械效率大大提高。通 过降低油泵的轴向和径向泄漏可提高油泵效率；同时对整个油泵系统设计进行 改进，可以进一步提高油泵高转速时的传动效率。 1 3 4 国内外齿轮参数研究情况 目前，国内外对于齿轮参数的研究也有不少，西北工业大学的刘更、彭雄 奇在其齿轮参数对内啮合斜齿轮传动振动特性的影响一文中，运用三维有 限元方法较为全面的研究了齿轮齿数、模数、齿宽、螺旋角和变位系数等齿轮 参数对内啮合齿轮副载荷分布、齿间载荷分配、刚度及计算振幅的影响【1 3 】；南 6 京航空航天大学的盛冬平在其硕士学位论文中运用a n s y s 软件分析了当齿轮 模数、压力角、行星轮个数分别变化时对单排行星齿轮传动的模态的影响1 1 4 】； 南京航空航天大学的吴文光、朱如鹏在其基于w o r k b e n c h 的斜齿轮固有特性 分析一文中通过w o r k b e n c h 软件对一对斜齿轮的啮合模型进行了分析，研究 了齿面接触及螺旋角对齿轮副固有特性的影响纠；长沙大学的唐勇、张志强、 贺静在渐开线齿轮模态分析一文中研究了齿轮螺旋角、齿宽及模数和齿数 的组合形式对渐开线齿轮固有频率的影响 1 6 l ；在考虑齿轮啮合刚度的情况下， 西安交通大学的张锁怀、石守红、邱大谋研究了齿轮宽度、模数、压力角、螺 旋角、齿轮相对轴承的安装位置以及轴承组合形式等因素，对系统稳定性的影 响【1 7 】；李润芳、王建军编著的齿轮系统动力学一一振动、冲击、噪声中详 细介绍了齿轮系统的固有特性，着重研究了定轴传动齿轮的固有特性及螺旋角 对齿轮系统固有特性的影响【1 8 】。然而，他们研究的内容大都针对单独的齿轮副， 对于整个齿轮系统，特别是自动变速器的行星齿轮机构的研究则基本上没有。 1 4 本文的主要工作内容 本文的研究内容来源于国家科技支撑计划项目一一汽车自动变速器( a t ) 关键零部件及技术研究( 课题编号：2 0 0 9 b a g l 2 8 0 3 ) 。该项目中自动变速器的 齿轮具有模数不是标准模数、螺旋角和变位量特别大的特点。研究这些齿轮参 数对齿轮传动系统以及对整个自动变速器的性能的影响是本项目组所面临的一 个关键问题。本项目组的罗时帅同学在其硕士论文中以r o m a x 为平台，着重研 究了齿轮变位系数的分配对整个a t 齿轮传动系统动静态特性的影响【6 】，得出 了一定的结论，但仍不能得到一个关于齿轮参数对系统性能影响的规律。在此 基础上本文对于齿轮参数( 模数、螺旋角、变位量) 对四挡a t 辛普森式行星 齿轮机构的动力学性能的影响进行研究分析，以求获得自动变速器行星齿轮机 构齿轮参数的设计依据。本文的主要工作如下： ( 1 ) 选择改良型四挡辛普森式行星齿轮机构作为本文的研究对象，研究该 四挡辛普森式行星齿轮机构的工作原理，并对其进行运动分析。 ( 2 ) 研究用c a t i a 软件进行参数化建模的方法以及基于尺寸驱动技术的 行星轮系的装配技术，建立渐丌线斜齿轮的参数化模型，实现四挡辛普森式行 星齿轮系统的装配，最终建立四挡辛普森式行星齿轮系统的参数化模型。 ( 3 ) 建立四挡辛普森式行星齿轮系统的动力学仿真模型，并利用a d a m s 软件对系统进行动力学仿真；建立不同齿轮参数的辛普森系统模型，通过对其 动力性性能的分析，研究齿轮参数对四挡辛普森式行星齿轮系统固有特性的影 响规律和变位量对系统振动的影响规律。 7 第2 章四挡辛普森式行星齿轮系统结构分析及运动分析 a t 中，一般将几排行星齿轮机构联接在一起来提供满足汽车行驶所需要的 传动比。a t 行星齿轮机构一般有两种型式：一种为辛普森( s i m p s o n ) 式行星 齿轮机构；另一种为拉威娜( r a v i g n e a v x ) 式行星齿轮机构【1 9 】。拉维娜式行星 齿轮机构由于其结构更为复杂，所以自动变速器中多采用辛普森式行星齿轮机 构，而又因4 挡自动变速器仍占据自动变速器的主导地位，所以本文将选取四 挡辛普森式行星齿轮机构作为研究对象，并对其进行运动学分析，为后面的参 数化建模和动力学分析作准备。 2 1 辛普森式行星齿轮机构及其特点 2 1 1 辛普森式行星齿轮机构及其特点 辛普森式行星齿轮变速器是由辛普森式行星齿轮机构和相应的换挡操作元 件组成的，目前大部分汽车用自动变速器均采用辛普森式行星齿轮变速器。辛 普森式行星齿轮机构是由h o w a r ds i m p s o n 发明的，它是一种双排行星齿轮机 构，由两组单排行星齿轮机构组合而成，具有结构简单紧凑、传动效率高、工 艺性好、制造费用低、换挡平稳、操纵性能好等优点，适用于各种自动变速器 及动力换挡变速器。辛普森式齿轮机构一问世即被福特、通用、克莱斯勒三大 汽车公司采用，从2 0 世纪7 0 年代初期开始就一直大量生产【2 0 】【2 1 1 。 辛普森式行星齿轮机构的双行星排有两种结构方式，一种为前行星排的行 星架与后行星排的齿圈连接为一个整体，称前行星架和后齿圈组件，如图2 1 所示，输出轴常与前行星架和后齿圈组件相连。另一种为前行星排的齿圈与后 行星排的行星架连接为一个整体，称前齿圈和后行星架组件，如图2 2 所示， 输出轴常与前齿圈和后行星架组件相连。根据前进挡挡数的不同，辛普森式行 星齿轮变速器通常分为三挡辛普森式行星齿轮变速器和四挡辛普森式行星齿轮 变速器1 8 1 1 2 2 2 3 1 。 人? l 4 ，、 j匹 一一+ j ：= j匕 ? 匠 干 6 _ j 7 i 几 1 。前齿圈2 前后太刚轮组件3 一前行星轮4 一后行星轮5 一后行星架6 一前行星架和后齿圈组什 图2 1辛普森式行星齿轮机构啮合方式( 一) 8 1 前齿圈后行星架组件2 一前行星架3 一前行星轮4 一后行星轮5 前后太阳轮组件6 一后齿圈 图2 2辛普森式行星齿轮机构啮合方式( 二) 图2 3 所示为一四挡辛普森式行星齿轮变速器的结构示意图，其结构特点 如下： ( 1 ) 前后星排的太阳轮连接成一个整体，称为前后太阳轮组件； ( 2 ) 含有