一种新型自动变速器行星轮系的设计研究

引言

变速器是汽车传动系统中的核心部件。目前，车辆变速器可分为手动变速器(MT)、机械式自动变速器(AMT)、电液控制自动变速器(AT)、双离合自动变速器(DSU)和无级变速器(CVT)。本文提出的选择性输出并联行星轮系自动变速器是在双离合自动变速器的基础上研发得到的，其工作原理与双离合自动变速器相似，己装配成样机。

在汽车变速器中齿轮被广泛应用，它是变速器传递动力和承载载荷最主要的零部件之一。因行星齿轮轮系在相同的传动比下，较普通齿轮传动系具有体积小、质量轻、结构紧凑、承载能力大、传动效率高和运动平稳等优点，故己在汽车变速器中普遍运用。但在许多应用场合，其动态特性如模态、振动与噪声等，是影响行星轮系可靠性、寿命等的关键因素川。因此，我们在设计行星齿轮轮系时，应事先知道轮系的固有频率，避免与转动频率相同而发生共振。

1行星轮系的结构设计和模型的建立

1. 1行星轮系传动方案及工作原理

并联行星轮系自动变速器采用普通的NUW型三元件行星轮系，其工作状态稳定可靠，工艺性好，制造成本低叫。通过综合考虑变速器的减速比，将行星轮系的减速比初步选定在3~4左右较为合理。选择性输出并联行星轮系自动变速器，可以通过两组离合器使行星轮系实现行星差速传动和直接传动两种不同的传动比。实现直接传动是通过一组离合器分开，另一组离合器啮合，使齿圈与行星架固定，此时的行星轮系相当于普通齿轮传动，不具有行星差速传动功能，因此此时的行星轮系不具有减速效果，其传动比为1;行星差速传动是通过一组离合器啮合，另一组离合器分开，使齿圈与箱体联接，即齿圈固定，从而使行星轮系具有行星差速传动功能。

1.2行星轮系结构设计

在装配过程中，太阳轮8通过花键与中间轴连接，将AS3552垫圈(1mm厚)15 ， AXK3552推力滚针轴承14和推力滚针垫圈(厚)12配合成两组，分别将两组中的推力滚针垫圈(厚)12与太阳轮8两端而配合，从而限定左、右行星架1和10的轴向位置。行星架(右)10通过两对滚针轴承与中间轴配合，将3个柱销分别与行星架(右)孔配合，再将3个行星轮通过两对滚针轴承与柱销配合。通过柱销定位，使行星架(左)1与柱销配合，其轴向位置可由AS3552垫圈(1 mm厚)15来调控，左右行星架通过M8X35螺钉n固定连接。齿圈通过卡环与齿圈啮合牙嵌浮动连接，采用卡环弹性件的均载系统，在不均衡载荷的作用下，使弹性件产生相应的弹性变形，从而达到各行星轮间载荷分布均匀的目的叫。

1.3行星轮系三维模型

应用Pro/E进行三维造型设计，行星轮系的三维模型爆炸图和简化模型。

2行星轮系模态分析

2. 1行星轮系模型的导入和定义材料属性

ANSYS Workbench是LAD系统和用户仿真设计的集成平台，在此平台上用户可以根据自己的需要选择与各种程序模块交互。通过Pro/E与ANSYSWorkbench链接将模型导入，再设置轮系各齿轮材料属性。在该行星轮系中，太阳轮和行星轮所用的材料均为20CrMnTi。由于齿圈在热处理时变形较大，将会影响到整个行星轮系的啮合特性，故该齿圈选用的材料为40CrMo。模态分析不需要施加载荷，所以只定义材料的密度、弹性模量、泊松比3种属性。Engineering Date中可以定义上述材料属性，20CrMnTi材料密度为7 860 kg/mj，弹性模量为2. 12 X1011 Pa，泊松比为0. 289 ; 40CrMo材料密度为7 850 kg/mj，弹性模量为2. 12 X 1011 Pa，泊松比为0. 280 02.2有限元模型网格的划分和边界条件定义

在给模型划分单元之前，首先应设置单元边长，这对后续求解非常重要。如果网格单元设置过大，将可能出现划分单元畸变;若网格单元设置过小，又会花费过多计算时间。综合考虑两者之间的关系，设置单元边长为3 mm，对轮系的齿轮采用多域扫掠法进行网格划分。 接着，需要对行星轮系施加自由度约束。对于太阳轮，只需要施加圆柱(Cylindrical Support)约束，可以限制轴向和径向的自由度，不限制太阳轮的切向自由度;对于行星轮，需要建立局部柱坐标系，柱坐标系的原点位置就设置在行星轮的中心处，定义设置完局部柱坐标系后，激活该坐标系，然后约束中心孔内所有节点的:方向的自由度;对于内齿圈，在Work-bench中采用完全固定约束(fixed)，即对齿圈内所有节点自由度进行完全约束。完成对自由度的约束后，在Analysis Setting、中设置求解前16阶固有频率。

2.3行星轮系的结构改进分析

从模型振型图可知，当其振动频率达到固有频率时，主要是在太阳轮位置处振动幅度达到最大，其最大振动位移分别为11. 137 mm, 10. 119 mm, 18. 613mm,9. 95 mm,16.872 mm和17. 67 mm，该振动幅度远远超过允许位移量，故太阳轮最先破坏，导致整个行星轮系破坏，从而直接影响变速箱的正常工作。通过模态分析，可以事先知道行星轮系达到共振的大致频率范围，从而在实际设计中通过改变材料的刚度、密度或是结构形式来避免行星轮系长期在共振频率下工作，从而避免该零件的破坏。

3结语

本文对并联行星轮系自动变速器中的行星轮系进行了模态分析，得出行星轮系的前16阶固有频率和前6阶振型图，为以后自动变速器选择行星轮系的材料和结构奠定了理论基础，可以为今后的结构设计提供大致的参数参照，旨在实现功能的可行性和完整性，因此如何进一步地完善行星轮系的结构从而提升并联行星轮系自动变速器传动的稳定性、减小噪声是下一步的研究课题。