五挡amt变速器结构三维设计

毕业设计明书评阅教师： 2016年6 月摘要随着车辆自动变速器设计理论与手段的不断进步，各式自动变速器已经广泛地在乘用车、客车、重型货车、自卸车、特种车辆、工程机械、拖拉机等各种车辆上得到了应用。不仅装车率得到了迅速增长，同时各种自动变速技术也得到了进一步完善和发展。目前市场主要有四种：机械式无级变速器（CVT）、电控机械式自动变速器（AMT）、液力自动变速器（AT）、双离合自动变速器（DCT）。AMT是在齿轮变速器基础上加装微机控制的自动变速系统。具有自动变速、传动效率高、构造简单、便于制造、性价比相对较高等优点，在中低端市场具有广阔的应用前景。本毕业设计以某型车装配的五挡AMT变速器为对象，以机械基础、汽车设计和汽车传动理论为基础，运用现代设计方法和手段以及工程应用软件进行汽车传动系统变速器的设计、运动分析及优化。强化机械原理和设计、汽车设计技术及理论的应用，培养机械和汽车传动变速系统综合设计和工程软件的应用能力。为企业方案选型、设计计算提供参考。关键词 AMT；变速器结构；三维设计；运动分析；优化I五挡AMT变速器结构三维设计 宋宇The 3D design of five AMT transmission structureAbstract：With the continuous progress of vehicle automatic transmission device design theory and means, all kinds of automatic transmission has been widely used in passenger cars, buses, heavy truck, truck, special vehicle, engineering machinery, tractors and other vehicles has been applied. Not only the loading rate has been growing rapidly, but also a variety of automatic transmission technology has been further improved and developed.At present there are four main markets: mechanical continuously variable transmission (CVT), electronic control mechanical automatic transmission (AMT), hydraulic automatic transmission (AT), dual clutch automatic transmission (DCT).AMT is an automatic transmission system which is equipped with a microcomputer control on the basis of the gear transmission. With the advantages of automatic transmission, high transmission efficiency, simple structure, easy manufacture, high cost performance, and has broad application prospects in the middle and lower end market.This graduation design to a certain type of car assembly five block AMT transmission as the object, basic mechanical, automotive design and automotive transmission theory based, using modern design methods and means and the application of software engineering design of automobile transmission gearbox system, motion analysis and optimization. Strengthening the application of mechanical principle and design, automobile design technology and theory, the comprehensive design of training machine and automobile transmission speed change system and the application ability of Engineering software. To provide reference for selection and design calculation of enterprise project.Keywords: AMT; Transmission Structure; Three-Dimensional Design; MovementAnalysis; Optimization目 录1 绪论 11.1 研究目的和意义 11.2 AMT变速器发展现状、趋势及应用 11.3 研究内容 32 变速器结构方案 42.1 变速器功用 42.2 变速器设计要求 32.3 变速器分类 42.4 两轴式和中间轴式变速器 42.5 倒挡形式及布置方案 52.6 齿轮形式 72.7 换挡的结构形式 72.8 小结 73 变速器三维设计分析 93.1 技术参数 93.2 中心距 93.3 外形尺寸 93.4 变速器的三维建模 93.5 平面工程图 143.6 运动仿真 163.7 有限元分析 184 变速器的优化设计 234.1 目标函数的确定 234.2 设计变量 244.3 约束条件的确定 244.4 数学模型 28 4.5 优化设计 284.6 优化结果 28结论 30致谢 31参考文献 32I届学士学位毕业答辩附图1 五挡AMT变速器设计图附图2 五挡斜齿圆柱齿轮零件图附图3 倒挡直齿圆柱齿轮零件图1 绪论1.1 研究的目的和意义毕业设计是根据教学计划，在大学学习期间全面检查学生综合素质，培养高级专业技术人才基本训练的最后一个重要的教学环节。其目的是要求学生综合运用所学基础理论知识和专业技术知识，通过课题研究或者工程设计，培养学生理论联系实际，独立解决本专业工程技术问题的综合能力和工作能力。这一教学环节对于形成学生良好的思想品德、严谨的工作态度、求实的工作作风、科学的思维方式、独立的工作能力具有深远影响。要求每一个同学必须正确认识、严格要求，掌握时间，保证质量，严肃认真完成毕业设计任务。 本课题以机械基础、汽车设计和汽车传动理论为基础，运用现代设计方法和手段以及工程应用软件进行汽车传动系统变速器的设计。强化机械原理和设计、汽车设计技术及理论的应用，培养机械和汽车传动变速系统综合设计和工程软件的应用能力。通过本次毕业设计，不仅可以巩固所学的理论知识，还可以培养运用所学专业理论知识的能力，同时提高了应用UG软件的能力，因而是一次很好的理论和实践相结合的锻炼机会。本次毕业设计源于生产实际，对于我们今后从事实际技术工作有很大的帮助，为日后的工作打下一个坚实的基础。1.2 AMT变速器发展现状、趋势及应用1.2.1 AMT变速器发展现状电控机械式自动变速器(AMT)是在原有机械变速器基本结构不变的情况下，通过加装微机控制的自动操纵机构，取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离与接合、摘挡与挂挡以及发动机的转速同步调节等操作，最终实现换挡过程的操纵自动化。它的主要功能需靠软件来实现，在电控机械式自动变速器中，微机代替了熟练司机的大脑，多种传感器代替了人的感觉神经，电液或全电的执行机械代替了人的手与脚的操作。电控机械式自动变速器由于原有的机械传动结构基本不变，所以齿转传动固有的传动效率高、机构紧凑、工作可靠等优点被很好的继承下来。大家认为这种机电一体化的第三代变速器，集经济、方便、安全、舒适于一体，是目前各国开发的热点。AMT的智能阶段，是随着电控机械式自动变速器在使用中问题的出现以及人们对车辆性能要求的不断提高，人们引入了各种最新的监测、控制技术以改善自动变速器的性能，使挡位决策及换挡控制对路面环境、使用者特点、使用者意图具有适应性。AMT在离合器控制和挡位决策方面采用模糊逻辑，模仿熟练驾驶员驾驶车辆中的相应操纵以改善起步、换挡、离合器接合控制特性和挡位选择的适应性。神经网络方法也被引入AMT的挡位决策和控制中。通过GPS获得更多路面特征信息以提高AMT对路面的适应性，AMT电控系统与其它机电控系统一体化以增加信息共享、协调控制能力，以及实现整车控制系统网络化等思想也受到重视。所有这些都将大大提高AMT的智能化水平。1.2.2 AMT变速器发展趋势我国的吉林工业大学，电控机械式自动变速器的研究工作开展地较早，不仅在理论研究方面有很多成果，而且开发出的桑塔纳2000型电控机械式自动变速器在1998年就通过了国家级的样机鉴定。与此同时，吉林工业大学还承担了开发其它车型电控机械式自动变速器的任务。已接近或将达到第三代电控机械式自动变速器水平。而北京理工大学通过多年对电控机械式自动变速器的研究，已研制了三轮样机，分别装在不同车辆上进行了试验，并分别于1991年、1994年和1998年通过了部级技术鉴定，其特点是适用于以大功率柴油机为动力的重型车辆的电控机械式自动变速器技术。所有这些，都使我们对具有自己知识产权的AMT技术的发展充满信心。虽然电控机械式自动变速器产业化的进程不会一帆风顺，但是前景是广阔的。汽车厂商和配套的变速器厂家以此为契机，根据市场要求精心打造AMT变速器。AMT变速器是有比较广阔市场的。1.2.3 AMT变速器应用如今，随着技术日趋成熟和成本降低等，AMT这种以前堪称奢侈的手自一体装备离我们普通消费者越来越近。这种AMT变速系统首先由德国专业高性能跑车生产厂家保时捷在其911车型上推出，称之为Tiptronic。作为保时捷的扛鼎之作，自问世7年以来，以其高稳定性及领先的科技，在世界范围内广受各方赞誉。它的出现使得高性能跑车不必受限制于传统的自动挡的束缚。让驾驶者也能享受手动换挡的乐趣。国产车型方面，东风307采用这套系统后，完全继承了原系统反应敏捷、换挡柔顺的特点。城市道路行驶状态下，把挡位放入D挡，使其处于自动挡的模式下。有效减少驾驶疲劳。而在郊区路段就可以使用手动模式，换挡杆推向“+”符号时完成加挡操作，推向“”符号时则完成减挡操作。东风标致307将手动挡的驾驶乐趣和自动挡的方便融和在一起，给我们带来更多的方便和乐趣。但有一点不得不提。先进技术的应用往往意味着较高的维护成本及苛刻的使用要求。所以消费者在选购一款带有手自一体变速器的车型时，技术是否先进、系统是否稳定成熟就显得格外重要。AMT变速系统向人们提供两种驾驶方式为了驾驶乐趣使用手动挡，而在交通拥挤时使用自动挡，这样的变速方式对于我国的现状还是非常适合的。手动变速器有着很大的使用群体，而自动变速器也能适应女士群体以及解决交通堵塞带来的麻烦，这样对于一些夫妻双方均会驾车的家庭来说，可谓是兼顾了双方，体现了“夫妻挡”。虽然这种二合一的配置拥有较高的技术含量，但这类的汽车并不会在价格上都高不可攀。所以，手动/自动车在普及上还是具有相当的优势。1.3 研究内容 1）以机械基础、汽车设计和汽车传动理论为基础，运用现代设计方法和手段以及工程应用软件，正确地解决五挡AMT变速器结构三维设计中的变速器结构方案设计、变速器结构三维设计、变速器运动分析和变速器优化设计等问题。根据自己所选择的变速器类型进行设计。2）提高结构设计的能力。根据结构示意图进行五挡AMT变速器结构三维设计、定型、建模，装配，制作爆炸图。进行分析。3） 提高分析能力。根据获得变速器结构三维模型进行变速器运动仿真和有限元分析。4） 提高优化水平。根据获得结构三维图数据进行变速器设计优化，获得最优化的变速器。5）熟练掌握查阅手册图表资料文献。充分利用与变速器设计有关的各种资料，做到科学合理地熟练运用。2 变速器结构方案2.1 变速器功用变速器用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，目的是在原地起步、爬坡、转弯、加速等各种行驶工况下，使汽车获得不同的牵引力和速度，同时使发动机在有利的工况范围内工作。变速器设有空挡和倒挡。需要时变速器还有动力输出功能。2.2 变速器设计要求对变速器提出如下基本要求：1）保证汽车有必要的动力性和经济性；2）设置空挡，用来切断发动机动力向驱动轮的传输； 3）设置倒挡，使汽车能倒退行驶； 4）设置动力输出装置，需要时能进行功率输出； 5）换挡迅速、省力、方便； 6）工作可靠；汽车行驶过程中，变速器不得有跳挡、乱挡以及换挡冲击等现象发生； 7）变速器应当有高的工作效率； 8）变速器的工作噪声低； 9）满足轮廓尺寸和质量小、制造成本低、维修方便等要求； 10）满足汽车有必要的动力性和经济性指标。2.3 变速器分类按汽车构造进行总结变速器由变速传动机构和操纵机构组成。变速器传动机构按传动挡数分为：三挡变速器、四挡变速器、五挡变速器和更多挡位变速器；按轴的形式不同分为：固定轴式和旋转轴式，其中固定轴式又分为：两轴式、三轴式、中间轴式、双中间轴式和多中间轴式。在原变速传动机构基础上，再附加一个副箱体，这就在结构变化不大的基础上，达到增加变速器挡数的目的。近年来，变速器操纵机构有向自动操纵方向发展的趋势。2.4 两轴式和中间轴式变速器变速器传动机构有两种分类方法。根据前进挡数的不同，有三、四、五和多挡变速器。根据轴的形式不同，分为固定轴式和旋转轴式(常配合行星齿轮传动)两类。固定轴式又分为两轴式、中间轴式、双中间轴式和多中间轴式变速器。固定轴式应用广泛，其中两轴式变速器多用于发动机前置前轮驱动的汽车上，中间轴式变速器多用于发动机前置后轮驱动的汽车上。旋转轴式主要用于液力机械式变速器。本次设计为五挡电控机械式自动变速器（AMT）的结构三维设计，所以选用固定轴式。与中间轴式变速器比较，两轴式变速器有结构简单、轮廓尺寸小、布置方便、中间挡位传动效率高和噪声低等优点。本设计中拟采用前置发动机前轮驱动。两轴式变速器的倒挡齿轮、一挡输入齿轮、二挡输入齿轮均与输入轴做成一体，三挡输入齿轮、四挡输入齿轮、五挡输入齿轮与输入轴采用花键连接。输出轴上的倒挡输出齿轮布置在同步器上，一挡输出齿轮，二挡输出齿轮是空套在轴上，三挡输出齿轮、四挡输出齿轮与输出轴做成一体，五挡齿轮空套在输出轴上。一挡齿轮、二挡齿轮采用同步器换挡，布置在输出轴上，三挡四挡齿轮之间也采用同步器换挡，布置在输入轴上。五挡单独用采用同步器换挡，布置在输出轴上。2.5 倒挡形式及方案布置与前进挡位比较，倒挡使用率不高，而且都是在停车状态下实现换倒挡，故多数方案采用直齿滑动齿轮方式换倒挡。倒挡布置方案多种多样，有些方案利用在中间轴和第二轴上的齿轮传动路线中，加入一个中间传动齿轮的方案，图2-1a、b、c；也有利用两个联体齿轮方案的，图2-2a、b。前者虽然结构简单，但是中间传动齿轮的轮齿，是在不利的正、负交替对称变化的弯曲应力状态下工作，而后者是在较为有利的单向循环弯曲应力状态下工作，并使倒挡传动比略有增加。倒挡的控制形式图2-3。 图2-1 两轴式五挡变速器传动方案 图2-2 中间轴式五挡变速器传动方案 图2-3 倒挡布置方案变速器在一挡和倒挡工作过程中有较大的力，工作时作用在齿轮上的力也相应增大，由此导致变速器的轴会产生较大的转角和挠度，使工作中齿轮的啮合状态受到影响，最终表现为工作噪声大并且轮齿磨损加快。所以不管是两轴式还是中间轴式变速器的倒挡与低挡位，都应该放在靠近轴的支承处，以减少轴的形变，保证齿轮重合度变化幅度不大，然后按由低到高次序布置各挡齿轮，这样做既可以使轴拥有足够大的刚度，又能保证装配简便。倒挡的传动比虽然与一挡的传动比接近，但由于倒挡的工作时间非常短，由此一般将一挡位布置在靠近轴的支承处。2.6 齿轮形式变速器用齿轮有直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮两种。与直齿圆柱齿轮比较，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长、工作时噪声低等优点；缺点是制造时稍复杂，工作时有轴向力。变速器中的常啮合齿轮均采用斜齿圆柱齿轮，尽管这样会使常啮合齿轮数增加，并导致变速器的转动惯量增大。直齿圆柱齿轮仅用于低挡和倒挡。2.7 换挡的结构形式变速器换挡机构有直齿滑动齿轮、啮合套和同步器换挡三种形式。汽车行驶时各挡齿轮有不同的角速度，因此用轴向滑动直齿齿轮的方式换挡，会在轮齿端面产生冲击，并伴随有噪声。这使齿轮端部磨损加剧过早损坏，同时使驾驶员精神紧张，而换挡产生的噪声又使乘坐舒适性降低。只有驾驶员用熟练的操作技术，使齿轮换挡时无冲击，才能克服上述缺点。但是该瞬间驾驶员注意力被分散，会影响行驶安全性。所以尽管这种换挡方式结构简单，但除一挡、倒挡外已很少使用。 由于变速器第二轴齿轮与中间轴齿轮处于常啮合状态，所以可用移动啮合套换挡。这时，因同时承受换挡冲击载荷的接合齿齿数多，而轮齿又不参与换挡，它们都不会过早损坏，但不能消除换挡冲击，所以仍要求驾驶员有熟练的操作技术。此外，因增设了啮合套和常啮合齿轮，使变速器旋转部分的总惯性矩增大。因此，目前这种换挡方法只在某些要求不高的挡位及重型货车变速器上应用，能降低制造成本及减小变速器长度。 使用同步器能保证讯速、无冲击、无噪声换挡，而与操作技术的熟练程度无关，从而提高汽车的加速性、经济性和行驶安全性。综上述两种换挡方法比较，虽然它有结构复杂、制造精度要求高、轴向尺寸大等缺点，但仍然得到广泛应用。 利用同步器或啮合套换挡，其换挡行程要比滑动齿轮换挡行程小。在滑动齿轮特别宽的情况下，这种差别就更为明显。为了操纵方便，不同挡位的变速杆行程要求尽可能一样。本次设计除倒挡使用直齿滑动齿轮外，其余各挡均采用同步器实现换挡。2.8 小结本次五挡AMT变速器结构三维设计中的变速器：采用两轴式变速器；设置倒挡和倒挡齿轮；除倒挡齿轮使用直齿圆柱齿轮外，其余齿轮均为斜齿圆柱齿轮，进行常啮合齿轮传动；除倒挡使用直齿滑动齿轮外，其余各挡均采用同步器实现换挡。作出本次设计五挡AMT变速器结构示意图如图2-4。图 2-4 五挡AMT结构示意图1-驱动源，2-输入轴，3-倒挡齿轮，4-挡齿轮，5-二挡齿轮，6-输出轴，7-五挡齿轮，8-四挡齿轮，9-三挡齿轮，10-同步器。3 变速器三维设计分析3.1 技术参数（给定AMT技术参数）表3-1 整车技术参数标准净重 轮胎 风阻系数 迎风面积 车型1245kg 185/65R14 0.33 2.458 MPV表3-2 变速器数据挡位 最大扭矩 主减速比 1挡 2挡 3挡 4挡 5挡 R挡5 130Nm 3.909 4.425 2.722 1.792 1.226 1 4.722表3-3发动机数据发动机类型 排量 最大扭矩 最大功率 缸数纵置 1.4L 131Nm 76kW 43.2 中心距中心距A（mm）是一个基本参数，其大小对变速器的外形尺寸、体积和质量大小均有影响。所选中心距要能保证齿轮的强度。发动机前置前轮驱动（FF）和发动机前置后轮驱动（FR）乘用车的变速器中心距A，可以根据发动机排量与变速器中心距A的统计数据初选。乘用车变速器的中心距在6080mm范围内变化，本次设计车型排量为1.4L，拟选用发动机前置前轮驱动（FF），可初选变速器中心距为67mm。取整数为70mm。1 3.3 外形尺寸变速器的横向外形尺寸，可根据齿轮直径以及倒挡中间（过渡）齿轮和换挡机构的布置初步确定。乘用车五挡变速器壳体轴向尺寸为（4.04.4）A。则本次设计变速器壳体轴向尺寸为（4.04.4）70=（280308)mm，取290mm。13.4 变速器的三维建模3.4.1 直齿轮直齿轮的结构简单，制造容易，本设计中的倒档齿轮采用直齿轮。 直齿轮的建模步骤如下：首先输入相关表达式,如图3-1，使用“规则曲线”命令画出渐开线,如图3-2。通过“基本曲线”画出齿顶圆、分度圆及齿根圆。绘制过渐开线的端点并与齿根圆相垂直的直线，再过原点绘制一条与之前绘制直线夹角为的直线。再通过“镜像”、“修剪”等，得到齿廓截面，如图3-3。以齿顶圆为直径，齿厚为高，做出圆柱，即齿坯，如图3-4。然后以齿廓截面进行拉伸求差，再进行圆形阵列，得到齿轮，如图4-5。 图3-1 齿轮相关参数 图3-2 渐开线 图3-3 齿廓截面 图3-4齿坯 图3-5 倒挡直齿轮3.4.2 斜齿轮斜齿圆柱齿轮有使用寿命长，运行平衡，工作噪音低等优点，本设计除倒挡外均使用斜齿圆柱齿轮。其建模方法与直齿轮的建模类似，得到齿坯后，绘制分度圆螺旋线，见图3-6。选择齿槽截面和螺旋线作为扫掠截面曲线和扫掠引导线，选择圆柱体求差。选择齿槽扫掠体进行圆形阵列，得到斜齿轮，如图3-6。 图3-6 斜齿圆柱齿轮3.4.3 轴 变速器的倒挡齿轮、一挡输入齿轮、二挡输入齿轮均与输入轴做成一体，三挡输入齿轮、四挡输入齿轮、五挡输入齿轮与输入轴采用花键连接。输出轴上的倒挡输出齿轮布置在同步器上，一挡输出齿轮，二挡输出齿轮是空套在轴上，三挡输出齿轮、四挡输出齿轮与输出轴做成一体，五挡齿轮空套在输出轴上。 图3-7 变速器输入轴图3-8 变速器输出轴3.4.4 零部件装配图与爆炸图为了更好地完成变速器的总装配图，应调整尺寸把各部分总成进行装配。打开输入轴的实体建模，选择“装配”界面后，在“添加组件”中依次选择齿轮、轴套等，对其进行约束、布置，完成二轴的总成装配，如图3-9。选择“创建爆炸图”，对其进行编辑，得到爆炸图，如图3-10。然后以相同方法完成输出轴的装配图与爆炸图。图3-9 输入轴总成装配图3-10 输入轴总成装配爆炸图图3-11输出轴总成装配图3-12 中间轴总成装配爆炸图3.4.5 变速器传动机构总成装配图与爆炸图有了各部件总成后，就仅需要在选择“装配”界面，在“添加组件”中依次选择输入轴总成装配、输出轴总成装配，对其进行约束、布置，完成其总成装配。选择“创建爆炸图”，对其进行编辑，便可得到如下爆炸图，如图3-13。（a）（b）图3-13 传动机构总成装配图3-14爆炸图3.5 平面工程图UG制图功能模块建立的工程图是有投影三维实体模型得到的，因此二维工程图和三维实体模型是完全相关联。通过工程图模块可以建立工程图，包括尺寸标注、注释、公差标注等，而且生成的工程图会随着实体模型而同步更新。在UG的工作界面里单击“开始”选择“制图”命令，即启动UG工程图模块，此时将弹出“片体”对话框，设置图幅为A3、单位为毫米、投影方式为第三象限角投影，如图3-15所示；单击确定，此时UG进入绘图模块界面。单击“基本视图”按钮，将弹出添加基本视图工具栏如图3-16，此时在绘制边界内单击鼠标左键将基本视图放置在绘图区域，如图3-17。 图3-15 片体对话框 图3-16 基本视图工具栏图3-17 装配平面工程图绘制变速器设计图，见附图1。 五挡斜齿圆柱齿轮零件图见附图2。倒挡直齿圆柱齿轮零件图见附图3。3.6 运动仿真运动仿真模块是一个集成的，关联的运动分析模块，提供了机械运动系统的虚拟样机；能够对机械系统的大位移复杂运动进行建模、模拟和评估；还提供了对静态、动力学、运动学模拟的支持；同时提供了结果分析包括图、动画、MPEG动画、电子表格等输出。1）打开装配好的文件，单击“开始”“运动仿真”按钮进入仿真模块；2）单击 “运动导航器”按钮，将鼠标放在“运动导航器”中文件上单击右键点击“新建仿真”按钮，如图3-18所示。 图3-18 图3-19 3）单击仿真工具条中的“连杆”按钮，系统弹出如图3-19所示下“连杆”对话框。选中工作区域变速器的输入轴，单击“连杆”对话框中的“应用”按钮，添加输入轴为连杆部件。用同样的方法添加输出轴和和各挡齿轮为连杆部件。4）单击仿真工具条中的“运动副”图标按钮，系统弹出如图3-20所示的“运动副”对话框，为个连杆部件添加运动副。单击“运动副”对话框中的转动副图标“旋转副”按钮。选中输入轴的转动圆心，在“运动副”对话框中“运动驱动”一栏中选择“恒定的”在“速度”一栏中输入速度为100，单击“运动副”对话框中的“应用”按钮如图3-21所示。用同样的方法为中间轴和和各挡齿轮添加转动副不添加运动驱动。 图3-20 图3-215）单击仿真工具条中的“齿轮”图标按钮，系统弹出如图3-22所示的“齿轮”对话框。分别选中每对啮合齿轮主从动齿轮的转动副，在“齿轮”对话框中 “比率”一栏中输入主从动齿轮的传动比。单击“齿轮”对话框中的“应用”按钮。如图3-23所示。 图3-22 图3-23 6）单击仿真工具条中的“动画”图标按钮。系统弹出“分析选项”对话框，输入参数。单击“确定”按钮。系统弹出“动画”对话框。单击“动画”对话框中的播放图标按钮，即可演示仿真动画。3.7 有限元分析在UG系统中的有限元分析模块是针对设计工程师和对几何模型进行专业分析的人员开发的，功能强大，采用图形应用接口，使用方便。该模块是一个集成化的有限元模型和解算工具能够对零部件进行前后处理（包括结构分析和热分析），用于工程学仿真和性能评估。1） 启动UG系统后，打开输入轴的文件。2） 单击“开始”“所有应用模块”“设计仿真”，系统弹出“新建FEM和仿真”对话框如图3-24所示，在对话框中“求解器”一栏中选择“NX NASTRAN”“分析类型”中选择“结构”，单击“确定”按钮。系统弹出“创建解算方案”对话框如图3-25所示。在对话框中“求解器”一栏中选择“NX NASTRAN”， “分析类型”中选择“结构”，在 “解算方案类型”中选择“线性静力学单约束”。单击“确定”按钮。 图3-24 图3-253）单击“有限元分析”工具条中的“材料属性”图标，系统弹性如3-26图所示的“指派材料”对话框。4）单击“指派材料”对话框中的“材料列表”图标，弹出如图3-27所示的“过滤器”对话框，按图3-27所示的“过滤器”对话框中“类别”选择“金属”选项，“类型”选择“各项同性”进行选择，弹出“材料”对话框，根据需要在列表中选择材料为“Iron_Cast_G40”，单击“确定”按钮，返回到“设计仿真”界面，如图3-28所示。图3-26 图3-27图3-285）单击“有限元分析”工具条中的“约束类型”图标，在下拉菜单中选择“销钉约束”图标如图3-29，选择图3-30中输入轴加亮处，单击 “确定”按钮，添加完约束后如图3-31所示。图3-29图3-30 图3-31 图3-32 图3-336）在“载荷类型”下拉菜单中选择“扭矩”，如图3-32，选择图3-33所示输入轴加亮处选择加载转矩，然后在“创建扭矩”对话框中的“扭矩”一栏中输入扭矩值，单击 “确定”按钮，即加载好扭矩，如图3-34所示。 图3-34 图3-35 7）单击“有限元分析”工具条中的“3D 四面体网格”图标，系统弹出 “3D网格”对话框如图3-35所示，在屏幕中选择需要划分的网格模型，单击“确定”按钮，开始划分网格，如图3-36有限元模型。图3-368） 单击“结构分析”工具条中的“解算方案”图标，如图3-37所示，系统弹出图3-38“创建解算方案”对话框，单击“确定”按钮。然后单击“有限元模型检查”图标，弹出图3-39所示“模型检查”对话框，单击“确定”按钮对整个模型进行检查。检查后如图3-40。 图3-37 图3-38 图3-39 图3-40 9）完成模型的解算后进入后期处理阶段，用户可以通过生成云图，找最大最小值等方式得到有用的结果。单击“结构分析”工具条“进入后处理视图”图标，即可进弹出有限元的云图。然后可在云图上中显示分析结果的最大值和最小值。4 变速器优化设计4.1 目标函数的确定 一个理想的变速器应该能使汽车在给定发动机的情况下，达到理想的动力性能，并且满足在可靠的工作条件下体积最小、节省材料、降低成本。所以，这里以变速器体积最小作为设计目标。由于齿轮的尺寸是决定变速器体积大小的重要因素，因此，可按它们的体积之和为最小的原则来建立目标函数，而不考虑箱体、轴及轴承的体积和重量。 如图2-5所示，五挡变速器体积为 （4-1） 齿轮齿宽； 齿轮分度圆直径。 当各个齿轮的齿宽一定，模数与螺旋角已知时，式（4-1）为（4-2） 齿轮模数，i=1，10； 齿轮螺旋角，i=1，10； 齿轮齿数，i=1，10。 由图2-5可得，变速器传动比为 （4-3） 变速器的中心距为（4-4） 由以上公式可以得到 将以上各式带入式（4-2）得到目标函数 （4-5）4.2 设计变量 设计一个在一定使用期限内可靠工作的四档变速器，并且要求所设计的变速器体积最小，其影响因素很多。如果将所有能影响设计质量的参数都列为设计变量，将会使问题复杂化，根据式(4-2)，设计时考虑的主要参数有各档的传动比、齿轮模数、齿轮的螺旋角、齿轮的齿宽、齿数等。因此，优化设计的变量取以下几个参数（4-6）4.3 约束条件的确定4.3.1 传动系最大传动比限制 确定最大传动比时，要考虑三方面的问题：最大爬坡度或一档最大动力因素附着力以及汽车最低稳定车速。通常，汽车传动系的最大传动比是变速器一档传动比与主减速器传动比的乘积。确定传动系最大传动比 （4-7）汽车最大爬坡度，一般汽车最大爬坡度约为30%，即；道路滚动阻力系数，取0.015；地面附着系数，一般，取0.55；传动系机械效率，取；汽车总重；驱动轮上法向反作用力；发动机最大扭距；为主减速器的传动比；车轮的滚动半径。即有约束条件4.3.2 变速器使用性能限制变速器各档之间传动比的比值影响变速器的使用性能。比值大会造成换档困难，一般认为比值不宜大于1.51.8。考虑到换档过程中，由于外部阻力的影响换档时车速常有所下降，而且换档时车速越高，换档过程的速度下降越多。因此，随着档位的提高，相邻两档传动比逐渐降低。即 （4-8）有相应约束条件4.3.3 斜齿重叠系数限制在斜齿圆柱齿轮中，分度圆柱的螺旋角应保证轴向重迭系数，即，即相应的约束条件有4.3.3 变速器中心距A的限制变速器的中心距A对变速器的体积和重量有很大的影响，在保证传递发动机最大扭矩，变速器具有最大传动比和齿轮具有足够强度的条件下，应尽量减小中心距A，一般 （4-9）K中心距系数，对于轿车：K=8.99.3，对于货车：K=8.69.6；变速器在一档时，输出的转矩，其值为；为变速器的 ff 传动效率，取。即有相应的约束条件、4.3.4 其他一些显示的约束条件1） 模数的限制本次商务车所设计变速器齿轮模数取2.252.75mm。1即有相应约束条件2） 螺旋角的限制 斜齿轮的螺旋角范围选用，轿车变速器：两轴式变速器为2025 。1即有相应约束条件3） 齿宽b的限制通常根据齿轮模数的大小来选定齿宽：斜齿 (4-10)为6.O8.5 1即有相应约束条件4.4 数学模型综合上述各式，可得到变速器优化设计的数学模型4.5 优化设计根据前面所建立优化设计的数学模型，可知该问题是一个非线性的最优化问题，而且约束条件均为不等式约束，所以可利用复合型法来解该问题。为此利用Matlab软件的优化工具箱解决。4.6 优化结果本次变速器设计。已知：、 、。优化后变速器体积为，原设计变速器体积为。则有 由上式可知， 优化设计的变速器体积比原变速器体积减小5.94%左右。变速器优化数据和原始数据的对比，见表4-1。表4-1 优化结果和原始数据对照表优化项目 优化结果 9 37 15 35 20 30 25 31 26 26原始数据 9 37 13 33 18 33 23 28 25 25 优化结果和原始数据对照表优化项目 优化结果 2.75 2.5 2.5 2.25 2.25 23.962 23.360 24.369 24.369 23.765原始数据 2.75 2.75 2.5 2.5 2.5 25 25.36 24.369 24.369 26.765 优化结果和原始数据对照表优化项目 优化结果 4.246 2.461 1.482 1.226 21.98 19.98 19.98 17.97 15.95原始数据 4.425 2.722 1.792 1.226 22 20 20 18 16结 论经过数月的不断努力，本次五挡AMT变速器的结构三维设计终于完成。此次设计主要为AMT的机械变速器部分。刚开始设计时是参照某1.4L商务车各项参数，经过变速器结构方案确定、变速器主要参数的选择、齿轮齿数及几何尺寸计算校核、轴的计算校核、轴承、同步器和操纵机构的选择等步骤完成整体设计工作，并绘图。后来经过和指导老师的沟通，确定重新进行逆向设计，即参照某1.4L商务车各项参数，经过变速器结构方案确定、变速器结构三维设计、变速器运动分析和变速器结构优化设计等步骤完成整体设计工作。然而与其他很多成熟的设计相比，本设计所需学习改进的地方还很多，许多地方的结构还有待商榷。AMT在中低端市场具有广阔的应用前景。AMT是在齿轮变速器基础上加装微机控制的自动变速系统。具有自动变速、传动效率高、构造简单、便于制造、性价比相对较高等优点。在几种自动变速器中，AMT的性价比最高。致 谢为期一个学期的毕业设计已接近尾声，我的四年大学生涯也将圈上一个圆满的句号。首先，我要感谢我的导师教授，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；在毕业设计完成的过程中，导师不断关心，耐心细致地帮我们解决设计中遇到的问题和困难，给予我们意见和建议；在反馈进度的过程中导师更是严谨地修改删减初稿，不断完善对设计的要求，在本次设计表现在，指导老师要求我运用不同的方法进行设计。可以说本次设计的完成是和导师的帮助分不开的，在此我谨向李翔晟教授致以崇高的敬意和诚挚的谢意。其次我要感谢同学、朋友对我的帮助和指点，没有与他们的讨论和资料交流，没有他们的鼓励和支持，这次毕业设计就不会如此的顺利进行。在论文完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，他们给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意。最后我还要感谢学院和我的母校大学四年来对我的栽培。在此表示衷心地感谢。第 31 页 共 33 页参 考 文 献1 王望予.汽车设计M.北京：机械工业出版社，2014,78-113.2 陈家瑞.汽车构造（下册）M.北京：机械工业出版社，2014，41-97.3 濮良贵，陈国定，吴立言. 机械设计M.北京：高等教育出版社，2014.4 吴宗泽，高志，罗圣国，李威.机械设计课程设计手册M.北京：高等教育出版社，2013.5 龚溎义，潘沛霖，陈秀，严国良. 机械设计课程设计图册Z.北京：高等教育出版社，2013.6 潘存云，等.机械原理M.长沙：中南大学出版社，2013.7 罗新闻，霍志毅.汽车自动变速器结构原理彩色图解Z.北京：机械工业出版社，2008.8 王宏宇，房永，王德军. 汽车自动变速器原理及研发M.北京：机械工业出版社，2015.9 朱新涛，等.汽车变速器设计M.北京：机械工业出版社，2008.10 黄宗益.现代轿车自动变速器原理和设计M.上海：同济大学出版社，2006.11 谭继锦.汽车有限元分析M.北京：人民教育出版社，2005.12 李伟.手把手教您学修双离合与电控机械式自动变速器M.北京：机械工业版社，2015,309-329.13 骆素君，朱诗顺.机械课程设计简明手册M.北京：化学工业出版社，2006.14 朱辉，曹桄，唐保宁，陈大复，等.画法几何及工程制图M.上海：上海科学技术出版社，2012.15 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