变速器的快速开发平台研究

慈龙涛

（南京工程学院，江苏 南京211100）

1 概述

目前国内众多科研院所都应用有限元分析方法对变速器设计进行研究，且随着计算机软硬件水平的提高，变速器零部件有限元分析向着更加精确细致的方向发展[1]。沈阳建筑大学的韩泽光教授介绍了对Solid Works 二次开发的核心技术与开发方法[2]。湖南大学的刘子建教授等人以参数化模型驱动及设计数据模型规划方法构建了产品快速设计平台软件架构，最后运用该方法构建了塔式起重机快速优化设计平台[3]。贵州大学的可帅对三维画图软件进行二次开发，实现锁止离合器关键零部件的参数化设计和参数化装配，提高了设计效率[4]。但我国的快速设计技术研究与国外对比，国内的对于快速设计技术的应用尚浅。本研究旨在对变速器的基本参数进行选择确定，对变速器中的关键零件进行设计计算，运用快速设计理论、计算机设计语言等技术研发一套变速器的参数化设计系统和装配系统，并通过CAE 分析和强度校核公式语言对设计完成的零部件进行快速并准确的性能分析与校核。

2 变速器快速开发平台的总体架构

本文以变速器齿轮为研究对象，对变速器产品快速开发平台进行功能模块划分，搭建了该平台的总体结构框架。并综合运用模块化、参数化等先进技术，开发了变速器快速开发系统平台，平台的总体结构框架如图1 所示。

图1 平台的总体结构框架

2.1 查询模块的设计。查询模块中可以通过信息化查询界面可对现有齿轮的编号、齿数、模数、压力角等基本信息进行查询。设计查询模块首先需要建立一个数据库，本文采用Access 构建斜齿轮数据库，设计的表如图2 所示，字段名称的定义方便对所需齿轮参数进行检索，系统管理人员具有对数据库中零部件相关信息的操作权限，包含齿轮相关数据信息的输入增加、也可根据齿轮编号修改或删除数据库中的齿轮信息权限[5]。用户可在如图3 所示的查询模块中通过输入齿轮编号等参数进行其他信息的查询，并在模块的图片窗口对所查询齿轮进行图片展示。

图2 零部件数据库

图3 查询模块

2.2 参数化设计模块。参数化设计模块通过齿轮模型的参数化设计把齿轮模型中的关键尺寸和其他尺寸关联起来，当设计人员修改齿轮模型的关键尺寸时，其关联尺寸随之做出对应的修改，实现了尺寸驱动[6]利用VB 控件实现的斜齿轮的参数化设计对话框，在此界面上可以在对话框中手动输入自设计参数进行修改模型参数值，SolidWorks 系统则可自动更新生成新的变速器齿轮三维模型[7]。如图4 所示为利用VB控件实现的变速器齿轮的参数化设计对话框。

图4 参数化设计模块对话框

斜齿圆柱齿轮参数化设计的一般步骤为：创建新零件→建立齿廓数学模型→绘制螺旋线→绘制齿轮胚体→扫描切除形成单个齿槽→圆周阵列齿槽形成完整的齿形→绘制中间过渡部分→绘制传动毂花键→保存，斜齿轮创建的结果如图5 所示。

图5 斜齿轮的创建

2.3 CAE 分析模块。为了实现平台对结构的静动力学的仿真，在本开发平台中设置了CAE 分析模块。

在CAE 分析模块中，如图6 所示，通过VB其内部函数shell（）函数实现对Windows 应用程序的调用。利用VB对打开的ANSYS程序写入APDL 文件，实现对ANSYS 的控制[8]，如图7。为ANSYS软件对所设计的斜齿轮进行的有限元分析。通过采用Shell Execute 函数直接调用ADAMS软件，在ADAMS软件中对零件进行仿真分析，可以反映出齿轮啮合的实际动态载荷情况。

图6 CAE 分析模块

图7 ANASYS 斜齿轮分析

VB连接ANSYS主要程序：

RetVal = Shell ("D:SoftwareADAMS2016commonmdi.bat aview ru-st i", 1)

VB连接ADAMS主要程序:

Shell("D:Softwareansys2016ANSYSIncv160ANSYSinwinx 64launcher160.exe")

2.4 结构强度校核模块。汽车变速器齿轮有两种失效模式很常见：断齿和点蚀。断齿是一种疲劳失效（弯曲疲劳），其疲劳源发生在受力拉伸侧齿根[9]。点蚀也是一种疲劳失效（接触疲劳），发生在齿面上。故需要对齿轮进行强度校核，在本开发平台中开发了齿轮的强度校核模块[10]。

在接触强度校核模块通过编写程序以及相关公式，输入齿轮的齿宽、分度圆直径、载荷系数等参数可以对齿轮进行接触强度和校核弯曲强度校核，接触强度校核模块如图8，弯曲强度校核模块如图9 所示。

图8 接触强度校核模块

图9 弯曲强度校核模块

接触强度校核模块是以斜齿圆柱齿轮齿面接触疲劳强度校核公式为基础所得：

σH=ZH*2E*Zε*Zβ*√（2*K*T1/bd2）

弯曲强度校核模块是以斜齿圆柱齿轮的齿根弯曲疲劳程度校核公式为基础所得：

σF=2*K*F6*Yε*Yβ*YFa*YSa/（b*mn）

2.5 参数化装配模块。装配体参数化模型的建立的步骤为添加一轴→安装位于一轴的齿轮→添加二轴→安装位于二轴的齿轮→添加中间轴→安装位于中间轴的齿轮→添加倒挡轴→安装倒挡齿轮→总体装配。如图10 所示的变速器整机参数化装配界面。

图10 装配体人机交互界面

装配部分程序如下：

Set Part = swApp.OpenDoc6 (App.Path & " 装配件union.SLDASM", 2, 0, "",longstatus, longwarnings) '打开自动装配模板文件

swApp.ActivateDoc2 "union.SLDASM", False, longstatus '激活当前部件

myModelView.FrameState = swWindowState_e.swWindowMaximized '更新模型，实现自动装配

3 结论

本文建立了以变速器为对象的快速开发平台，该平台综合运用了数据库管理、参数化建模、CAE 分析等技术，设计了查询、参数化、CAE 分析等应用模块，对提高产品的设计效率、缩短产品的生产周期有很大的实用价值，同时提供了可行的方法和技术路线给其他的智能化设计开发。