基于CATIA五档手动变速器结构仿真设计

□张 军 朱亮亮 彭思茂

手动变速器因结构简单、传动效率较高、维修方便，在国内汽车上占有很大的使用比例，且手动变速器各方面技术经过长期市场考验，通过逐步积累与改进，技术已经相当成熟。目前各制造商也通过先进的设计软件对变速器进行仿真，并加以动态模拟分析，以设计并生产出更加符合市场需求的衍生产品。本文以桑塔纳2000型五挡手动变速器为基础，对其进行结构仿真，实现从实物到虚拟装配模型的逆向设计。

一、CATIA软件介绍

CATIA三维软件广泛用于汽车、航空航天、轮船、军工、仪器仪表、建筑、电气管道、通信等领域。波音飞机除了发动机以外的所有零部件以及总装均采用CATIA软件进行设计，从概念设计到调试运行实现无纸化办公。在汽车行业，通用(同时使用UG)，福特，大众，宝马，沃尔沃，标致雪铁龙，丰田，本田，雷诺，菲亚特，三菱，博世，现代，起亚以及中国的上汽，一汽，东风等大公司均使用CATIA软件。同时美国军方也是其忠实的用户。因其具有强大的曲面、结构设计能力，无以伦比的精度，越来越多的汽车制造企业和设计公司加入了其使用行列。

二、桑塔纳2000轿手动变速器结构及特点

桑塔纳2000型轿车五挡手动变速器由传动机构、操纵机构、变速器壳体等主要部分组成，因其结构简单、噪音低、操作灵活且工作可靠，在手动变速器之中具有典型的代表意义。经长期的市场考验以及工艺改进，该变速器在结构以及整车匹配方面已相当成熟。其结构示意图如1所示。

图1 桑塔纳2000轿车五挡手动变速器传动机构的结构图

特点:桑塔纳2000手动变速器的齿轮变速机构由平行布置的输入轴和输出轴组成，动力由发动机经离合器的从动部分传递到变速器输入轴，通过齿轮改变传动比后由输出轴输出，最终通过主减速器的主动锥齿轮轴将动力输出给半轴。同时设有自锁、互锁以及到挡锁止装置，使得变速器工作更加可靠。

三、桑塔纳2000变速器传动比及传动路线

桑塔纳手动变速器挡位由5个前进挡与一个倒车档构成，其传动比为0.8～3.455，能较好地实现从低速到高速的动力传递，充分发挥发动机的扭矩输出，为汽车提供良好的动力。各挡位传动比如表1所示。

表1 桑塔纳2000五档手动变速器各档的传动比

图2 桑塔纳2000五挡手动变速器动力传递路线示意图

一档:变速器操纵杆从中间位置向左、向前移动，实现:动力→输入轴→输入轴一挡齿轮→输出轴一挡齿轮→输出轴上一二挡同步器→输出轴→动力输出。二档:变速器操纵杆从中间位置向左、向后移动，实现:动力→输入轴→输入轴二挡齿轮→输出轴二挡齿轮→输出轴一二档同步器→输出轴→主减速器→动力输出。三档:变速器操纵杆从中间位置向前移动，实现:动力→输入轴→输入轴三四挡同步器→输入轴三挡齿轮→输出轴三挡齿轮→输出轴→主减速器→动力输出。四档:变速器操纵杆从中间位置向后移动，实现:动力→输入轴→输入轴三四挡同步器→输入轴四挡齿轮→输出轴四挡齿轮→输出轴→主减速器→动力输出。五档:变速器操纵杆从中间位置向右、向前移动，实现:动力→输入轴→输入轴五挡同步器→输入轴五挡齿轮→输出轴五挡齿轮→输出轴→主减速器→动力输出。倒档:变速器操纵杆从中间位置向右、向后移动，实现:动力→输入轴→输入轴倒挡齿轮→输出轴倒挡齿轮→输出轴倒挡同步器→输出轴→主减速器→动力反向输出。

四、运用CATI软件进行结构仿真

结构仿真过程:变速器拆解－零部件测绘－绘制零件模型－完成装配模型。此次结构仿真设计只涉及变速器齿轮传动机构部分，变速器壳体部分只作为装配过程的尺寸参考，不进行结构仿真。装配总成模型如图3所示。

五、结语

本次仿真设计以CATIA软件为基础，齿轮变速机构为桑塔纳2000型五挡手动变速器，在仿真设计过程中以各挡位齿轮齿数为前提，对变速器进行拆装与测绘，整个过程采用逆向设计思维，将该变速器的齿轮变速机构进行1:1结构仿真，建立三维结构装配图，从而更深入了解各挡位的动力传递路线以及各挡位工作齿轮的结合过程，同时可以直观地展示换挡拨叉推动锁环式惯性同步器的移动，以及自锁、互锁、倒挡锁的工作原理和工作过程。

［1］潘文斌.CATIA V5设计基础与实践(中文版)［M］.北京:机械工业出版社，2006

［2］曹岩主编.CATIA V5基础版与进阶版［M］.北京:化学工业出版社，2007

［3］机械工程手册(第五卷)机械零部件设计［M］.北京:机械工业出版社，1996，第2版

［4］濮良贵主编.机械设计［M］.北京:高等教育出版社，2006，第8版

［5］孙恒主编.机械原理［M］.北京:高等教育出版社，2006，第7版

［6］刘海江.汽车齿轮［M］.上海:同济大学出版社，1994

［7］张展.机械零件传动手册［M］.北京:科学出版社，1994

［8］唐梓容.机械加工工艺基础［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1991