自动变速器行星齿轮传动系统建模与仿真分析

宋小艳

Modeling and Simulation Analysis of the Planetary Gear Transmission System of Automatic Transmission

摘要： 本课题利用Catia软件建立自动变速器实体模型，并将所建立的实体模型导入Ansys对模型进行仿真，在仿真结果里分析出结构的薄弱环节，为自动变速器行星齿轮传动机构的优化提供解决方案。

Abstract： This subject uses Catia to establish an automatic transmission entity model，and imports the entity model into Ansys for simulation， analyzes the weak link of structure from the simulation results analyzes， to provide an optimization scheme for the planetary gear transmission mechanism of the automatic transmission.

关键词： 自动变速器；行星齿轮传动机构；Catia；Ansys

Key words： automatic transmission；planetary gear transmission mechanism；Catia；Ansys

中图分类号：U463.212 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0113-02

1 自动变速器简介

自动变速器的核心是可以实现自动换挡，使车辆起步更为平顺，而且大大提高了乘坐舒适性。与手动挡变速器相比，自动变速器通过液力变矩器取代了传统的离合器，将发动机与传动系统连接起来，完成动力传递，驾驶员只需要通过加速踏板就可以控制车速。除此之外，自动变速器的车辆通过性能好，液力传动具有一定的减震性能，可以延长传动系统的使用寿命，所以自动变速器在车辆上得到了广泛的发展和应用。

2 自动变速器结构及原理

2.1 液力变矩器 液力变矩器以液压油为工作介质，其结构包括泵轮、涡轮、导轮三个元件，安装在发动机和变速器之间，起到传递转矩、改变扭矩、变速及离合的作用。

泵轮作为动力的输入元件，当输入轴旋转时，带动泵轮一起旋转，液体通过泵轮叶片流出，经过涡轮、导轮再返回泵轮，周而复始地循环流动，动力通过涡轮连接的输出轴传递给变速器。液力变矩器就是通过液体与各元件叶片的相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。在液体循环流动过程中，固定不动的导轮给涡轮一个反作用力矩，从而使涡轮的输出转矩不同于泵轮的输入转矩，所以具有“变矩”功能。

2.2 行星齿轮传动机构 液力变矩器能在一定程度上改变扭矩的大小，但对于行驶车速来讲，是远远不够的，所以采用了齿轮传动的方法，来改变行驶速度的范围及方向，即行星齿轮传动机构。通常一辆汽车需要有两到三排的行星齿轮传动机构来调节速度。

2.2.1 行星齿轮结构介绍 行星齿轮机构包含类型众多，其中最简单的行星齿轮机构的组成部分主要包括一个行星架、几个行星齿轮、一个齿圈、一个太阳轮。行星齿轮机构的中心齿轮是太阳轮，在行星架上安装行星齿轮，要求将行星齿轮对称布置在太阳轮与齿圈之间，如图1所示。太阳轮、齿圈及行星架有一个共同的旋转轴线，行星齿轮支承在固定于行星架的行星齿轮轴上，同时与太阳轮和齿圈啮合。当行星齿轮机构运转时，空套在行星架上的几个行星齿轮，一方面可以绕自己的轴线旋转，另一方面又可以随行星架一起绕着太阳轮旋转。

2.2.2 行星齿轮机构的变速原理

将太阳轮、齿圈和行星架三者中的任一构件与主动轴相连，第二构件与从动轴相连，第三构件被强制固定或使其运动受到一定约束，如使该构件的转速为某一定值，则整个系统就以一定的传动比传递动力，实现不同档位速度的变化，具体见表1。

3 行星齿轮传动机构的三维建模

3.1 建模流程

进入线框和曲面模块用凸台命令做出坯子，用多截面曲面multisections做出齿曲面，齿轮模板建立完单个轮齿模型后，通过Circle Pattern（圆周阵列）完成齿轮模板绘制，用close surface命令分别将两个曲面闭合成实体，用环形阵列将齿轮的所有轮齿阵列出来，最后在用凹槽命令挖空，完成整个齿轮的三维模型，如图2所示。

图2所示的齿轮模板是以齿数、模数、压力角、螺旋角、齿轮厚度以及齿轮中心孔半径为参数，建立新齿轮模型时，直接修改齿轮基本参数就能得到所需的齿轮模型。

3.2 齿圈模型 齿圈模型建立与齿轮模型建立过程较相似，只是齿轮参数计算方法会有所不同，根据表2中提供的齿圈基本参数，可建立出如图3所示的齿圈模型。

3.3 行星齿轮架 行星齿轮架模型建立过程较简单，先在平面上做出草图，按照尺寸拉伸，然后选择在拉伸后形成的平面上做出草图，再进行拉伸、打孔等操作，反复操作几次就可以建立出行星齿轮架模型，如图4所示。

3.4 行星齿轮轴 行星齿轮轴模型的建立更为简单，建立行星齿轮轴半径大小分别与大太阳轮中心孔和小太阳轮中心孔半径相等，建立的行星齿轮轴模型图如图5所示。

3.5 装配零部件模型 自动变速器主要零件模型建立完成后，利用装配设计模块对机械装配件之间的约束关系进行定义，首先以行星齿轮架为基础先将其固定，再把其它零件添加到行星齿轮架上，采用移动、旋转、添加约束等方式来确定它们之间的装配关系，一直到所有零件都添加完成。在此过程中要确保两个齿轮的齿面之间没有任何干涉，每个零件都是独立存在的，这个过程可以确保装配件的正确和完整。装配图如图6所示。

4 ANSYS分析

通常情况下，设计的行星架强度都能够符合要求，而刚度往往不够，在结构刚度不够的情况下一旦受力很容易发生变形，从而影响到齿轮正常工作。应用有限元分析软件ANSYS对行星架结构进行分析。

首先对行星架进行网格划分，然后对行星齿轮轴，连轴器及安装轴承部分施加载荷和边界约束，得出行星架节点的应力分布图和位移分布图，如图7、图8所示。

①分析行星架组件节点的主应力分布云图发现，这两个零件的受力比较均匀，最大应力出现在输出轴轴径的根部。②位移情况分析。从节点的总位移分布云图看，这两个零件的最大位移出现在两零件的边缘处和安装行星轮轴的轴孔处，其值为5.9172e9。总之，整个行星架组件的设计结构较为合理，最大应力值小于设计应力，且应力分布也较为均匀，应力集中问题并未出现。

5 结论

文章针对变速器输出部分的行星齿轮传动系统，完成了虚拟结构的建立及系统的仿真。该方法不仅可以为行星齿轮传动系统的动态特性及行星架结构设计、优化提供一种研究手段。

参考文献：

[1]张雨佳，贵新成，牛四波，牛善田.基于内啮合行星齿轮的变速器传动方案设计[J].起重运输机械，2017年10月.

[2]孙金风，何红秀，陈胜，黄良玉，王启东.行星齿轮传动機构虚拟样机仿真研究[J].机械，2017年4月.

[3]杨丽萍.基于UG及ANSYS的某行星轮系的参数化建模与应力分析[J].现代机械，2016年10月.