基于CATIA的汽車自動變速器設計與分析

關麗麗

海馬轎車有限公司，河南鄭州 450016

0 引言

汽車變速器是汽車重要部件，它對汽車動力性、尾氣排放都有重要影響，自動變速器的誕生和應用，不僅使汽車運行的動力特性接近理想特性，而且對駕駛舒適性和行駛性能產生了根本性地變革，由于自動變速器所具有的重要地位、市場前景受到汽車行業界的高度重視，各汽車廠家和有關的部件企業投入了大量人力、物力研制開發，如今自動變速器的技術已趨成熟，從引進消化到自主開發，國內幾家大型汽車集團公司都已建立了自己的自動變速器設計和生產基地。

1 自動變速器簡介

1.1 自動變速器的發展

1939年由美國通用汽車公司首先在奧茲莫比爾轎車上應用，它是一項十分重要的發明，我國最早裝備自動變速器的汽車是一汽生產的CA770紅旗轎車，但自主研制、生產自動變速器技術發展受到了汽車電子技術的影響和限制，因自動變速器最核心的是電子控制系統和液壓系統，但我國汽車電子技術發展一直處于滯后狀態，所以對自動變速器的整體發展，近幾年隨著汽車電子技術的發展，對推動我國自動變速器的快速發展起到了主要作用。

汽車自動變速器的基本原理是通過液力變扭器使得發動機的扭矩傳遞給行星齒輪組，并以單向式離合器 (或是液力多盤式離合器、皮帶摩擦輪等結構)來改變速比。由于行星齒輪一直處于嚙合狀態，消除了齒間嚙合間隙，極好地減小了齒輪噪聲和沖擊。為了使車輛運行更為平穩。采用液力變扭器連接發動機與變速器。吸收了發動機的扭轉振動，使得變速比通過汽車電子控制系統以及液壓系統操縱，而且液壓系統與電子控制系統互相配合，使汽車動力系統始終處于最佳工作狀態。

由于自動變速器的結構復雜，所以造價比手動變速器高出數倍，但因自動變速器對汽車整車性能的影響和廣大用戶的歡迎，盡管價格比手動變速器高得多，但還是迅速被廣大汽車制造商和客戶所接受，表現出強大的生命力。

液力變矩器式的自動變速器主要由下列部件組成：

1）液力變矩器；2）機械變速器和變速的執行元件；3）機械操縱及聯動機構；4）液壓控制和執行元件；5）電子控制裝置、電子傳感器和執行元件。

1.2 自動變速器的結構

自動變速器外形如圖1所示，內部結構如圖2所示。此自動變速器是一個四擋全電子換擋控制的自動變速器，它由帶雙導輪的液力變矩器、行星變速機構、液壓控制系統、動力傳動系統拉制模塊四個主要部分組成。主要的傳動和接合元件有：5個多片離合器，3個滾子/凸塊式單向離合器，3組行星排，2組制動帶江個控制閥塊，制動帶何服系統，蓄壓器，駐車制動機構，帶閉鎖離合器的液力變矩器。

圖1 自動變速器的外形結構

圖2 自動變速器的內部結構

2 運用CAD對自動變速器進行三維設計

2.1 自動變速器基于CATIA的設計對象

此自動變速器的相關傳動機構選擇行星齒輪傳動機構。液力變矩器雖然能夠在一定范圍內自動的改變扭矩比，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一般都難以滿足汽車工業的要求，其扭矩比一般在1～3的范圍，因此一般通過液力變矩器與齒輪式變速器相結合的液力機械式變速器來達到我們的要求。齒輪式變速器中一般選用行星齒輪結構，因為行星齒輪結構變速器具有體積小、變速比大、操縱容易等眾多優點，故行星齒輪結構被大量地應用于液力機械式變速器上。采用行星齒輪機構變速器不僅可以滿足傳動比可變、不傳遞動力和轉向可逆的要求，而且還具有以下優點：

1）運行時所有行星齒輪都參與工作，一起承擔載荷，使工作更加安靜，承受強度更大；

2）行星齒輪在運行時，齒輪間產生的作用力不傳遞到自動變速器殼體，而是由齒輪系統內部來承受，所以變速器殼體可以設計的更加輕薄；

3）行星齒輪結構采用內嚙合與外嚙合相匹配的結構，與單一的外嚙合相比，減少了變速器尺寸；

4）行星齒輪在運行時，齒輪處于長嚙合狀態，沒有摘掛擋時的齒輪沖擊，穩定性好，壽命長。

行星齒輪傳動機構涉及的的對象包括行星輪、太陽輪、內轂、外轂、支撐彈簧等。針對這些部件選用CATIA對其進行建模，由于CATIA針對各個機械的零部件具有很好的可操作性和高精度要求，所以此次各個部件CATIA進行設計計算。

2.2 內轂和外轂設計

自動變速器的內轂和外轂的設計，應用的是CATIA的PART模塊。對于它們的設計，首先選擇XY平面作為創建草圖的基準平面，然后進行草繪，這兩個零件的大體結構都是以圓為基礎的。對于內轂部分，首先創建一個圓，然后進行凸臺的操作，再將其抽殼處理，再把這個凸臺進行再一次的操作，將其表面均布40個鍵槽。最后將各個需要進行處理的部件進行相應的倒角操作。自動變速器內轂三維圖如圖3所示。

圖3 自動變速器內轂

由于變速器的外轂是與內轂相配的，因此在進行外轂的模型創建的時候要與內轂的尺寸相互配合，他們共同在一起組成主要的傳動保護組織。自動變速器外轂的操作依然是先進行草繪然后凸臺操作，抽殼處理。外轂的建模相對來說比內轂更加復雜，由于各個定位孔的存在，需要對其進行均布處理使其均勻的分布在四周，作為固定組織而應用它們。自動變速器外轂三維圖如圖4所示。

圖4 自動變速器外轂

自動變速器的內轂和外轂的CAD制作基本完成，基于CATIA軟件的創作使他們更加精確。此設計也可以用其他的三維設計軟件進行，完成的效果差不多，但是CATIA作為一種專業性很強的軟件需要對其廣泛的應用，并且更加精確。

2.3 彈簧的三維設計

2.3.1 彈簧的應用

彈簧是一種利用彈性來工作的機械零件。一般用彈簧鋼制成。用以控制機件的運動、緩和沖擊或震動、貯蓄能量、測量力的大小等，廣泛用于機器、儀表中。彈簧的種類復雜多樣，按形狀分，主要有螺旋彈簧、渦卷彈簧、板彈簧等。由于彈簧的應用廣泛、設計變化頻繁、設計復雜等特點，所以在設計彈簧時采用CAD技術將會有較好的效果。

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

2.3.2 GSD外形設計

創成式造型，簡稱GSD，非常完整的曲線操作工具和最基礎的曲面構造工具，除了可以完成所有曲線操作以外，可以完成拉伸，旋轉，掃描，邊界填補，橋接，修補碎片，拼接，凸點，裁剪，光順，投影和高級投影，倒角等功能，連續性最高達到G2，生成封閉片體Volume，完全達到普通三維CAD軟件曲面造型功能，比如Pro/E。完全參數化操作，設計更加精確。

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，螺旋彈簧總圈數n=5，螺旋彈簧有效圈數n1=7。彈簧的建模，首先在創成式曲面設計的模塊中選擇創建螺旋線的命令，然后切換到PART模塊，選擇肋的命令即可創建螺旋彈簧，然后對其進行一定的修剪就可以創建出符合本次設計的螺旋彈簧。如圖5所示。

圖5 螺旋彈簧

2.4 太陽輪和行星輪的三維設計

2.4.1 行星齒輪機構

由于上述的各項有點，變速器采用行星齒輪機構，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復雜、工作時有軸向力，但因其使用壽命長、工作時噪聲低等優點而仍然得到廣泛的使用。本自動變速器中的所有齒輪均采用斜齒圓柱齒輪，盡管這樣會使常嚙合齒輪數增加，并導致變速器的轉動慣量增大。

2.4.2 太陽輪的三維設計

太陽輪也是在PART模塊中進行設計，首先在XY平面上進行草繪，由于太陽輪是存在斜齒輪的，因此在進行總體結構的設計之后，要特別的針對斜齒輪進行設計，對于這個自動變速器中的斜齒輪，有兩種方法進行設計。第一種方法就是用CATIA的基本設計按照步驟進行操作，然后按不同的特征進行處理，得出斜齒輪；第二種方法是用函數編程，通過這種方法可以得出參數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，因為其效果更好根準確。太陽輪效果如圖6所示。

圖6 太陽輪

2.4.3 行星輪的三維設計

行星輪的設計方法和太陽輪差不多，由于行星輪基本上就是一個斜齒輪，因此選用參數化的方法就可以將其制作出來，操作方法相對比較簡單。行星輪如圖7所示。

圖7 行星輪

3 自動變速器的裝配設計

3.1 裝配模塊簡介

裝配設計是設計機械產品部可缺少的一部分，它能很好的制定產品的結構和特征，方便工程人員對產品的認知。CATIA的裝配模塊可以很好的定義機械裝配之間的關系，實現零件的自動定位，并檢查裝配之間的一致性。

3.2 自動變速器裝配

對于以上制作的各個零部件按照一定的約束關系進行裝配。由于自動變速器所涉及的主要部件是軸對稱的圓形部件，因此在裝配的過程中主要應用的是相合約束，接觸約束以及偏移約束。自動變速器的內部結構也有很多種，比如螺旋彈簧，因此在裝配的時候需要注意要將所有的部件都要進行裝配，不要缺少結構。如圖8所示。

圖8 自動變速器裝配圖

4 結論

CAD技術在復雜大型產品的三維造型、動態干涉檢查、虛擬組裝、工程圖生成等方面與原始設計方法比較，提高了設計效率和設計質量，是一次設計技術中的突破，它不僅提高了模型設計效率、質量，而且使三維造型設計--虛擬裝配設計--二維工程圖生成等后續處理工作發生了歷史性的變革。雖然CAD技術有著巨大的突破點，但是還是存在一些不足，主要問題有：有些常用件和標準件，在生成二維圖時，得到的視圖與規定的表達方法不一致，需在工程圖環境中再次進行必要的繪制或修改，增加了工作量。盡管如此，使用CAD技術進行產品設計仍是整個行業的發展趨勢。

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