基于运动仿真的自动变速器行星齿轮构造传动分析
时间：2020-09-03 04:11:33 来源：达达文档网 本文已影响 人 
谢佺杏 蒋绍军
【摘 要】针对自动变速器行星齿轮构造传动分析复杂的特点，论文提出了一种基于运动仿真的分析方法，并将分析结果的传动比与公式法计算结果进行对比，确认了该方法的有效性，为类似结构的传动分析提供了参考思路。
【Abstract】In view of the complexity of transmission analysis of automatic transmission"s planetary gear structure， a method based on motion simulation is presented in this paper， and the transmission ratio of the analysis results and the calculation results of formula method is compared to confirm the effectiveness of the method， and provide a reference for transmission analysis of similar structures.
【关键词】行星齿轮;自动变速器;传动比;运动仿真
【Keywords】planetary gear; automatic transmission; transmission ratio; motion simulation
【中图分类号】TH132.41 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）07-0192-02
1 引言
行星齿轮系统是自动变速器（AT）中的关键传动结构。随着CAE技术的发展，各种通用的CAE软件逐渐完善了各自的运动仿真模块，其应用的广度与深度随之提升。但在进行自动变速器行星轮系的传动分析时，多以专用分析软件或传统分析方法为主，极少看到借助通用CAE软件进行分析。主要原因是行星齿轮系统过于复杂，而通用软件进行约束设置时的自由度不够高，导致某些约束关系较难实现，或者需要通过间接的方式来实现，初次使用通用CAE软件分析的门槛较高。
下面以较简单的辛普森式自动变速器为例，介绍如何通过运动传真对其进行传动分析，具体操作软件为Siemens PLM Software公司出品的UG。
2 辛普森式自动变速器简介
辛普森式行星齿轮机构由两个内啮合式单排行星齿轮机构组合而成，其结构特点是：前后两个行星排的太阳轮连接为一体，称为前后太阳轮组件，即图1中的组件a;前一个行星排的行星架和后一个行星排的齿圈连接为一体，为前行星架和后齿圈组件，同时连接到本机构的输出轴，即图1中的组件2;其他则按一般的行星齿轮系统结构关系连接。其中各挡位的传动路线如下：
一挡：离合器C1接合，单向离合器Fw锁止，相当于制动器B1起作用。二挡：离合器C1接合，制动器B1锁止，此时动力通过前行星排输出。三挡：离合器C1和C2接合，相当于整个行星齿轮机构连接成为一体。倒挡：离合器C2接合，制动器B2锁止，此时动力通过后行星排输出。
为便于后续建模及仿真分析，现明确各齿轮齿数，并通过公式法计算出各挡具体传动比（见表1），简便起见，前后行星排选用相同的齿数值。
3 建模
首先根据图1的结构，在UG中完成以下各主要零件的建模。由于在UG中设置齿轮副传动时，两齿轮必须相对于同一个啮合连杆旋转，而每个运动副只能存在1个啮合连杆，因此，需要先将前后太阳轮组件分成2个太阳轮，再通过间接的手段进行连接，实现2个太阳之间转速的一致。
建模完成后，通过UG装配功能模块，将各零件按相应的位置关系装配起来，最终效果如图8所示。
4 运动仿真分析
4.1 连杆设置
进入UG的运动仿真模块，第一步先把所有参与运动的零件设置为杆件（Links），质量属性保留默认/自动即可，其他参数留空。注意不要勾选“固定连杆”选项，否则零件将无法运动。
4.2 旋转副设置
完成好连杆设置后，接下来需要给每个连杆指定具体的运动模式，即指定运动副（Joints）类型。在行星齿轮系统中，各连杆的工作模式均为转动，即对应的运动副均应选择旋转副。各旋转副啮合关系如表2所示。
4.3 齿轮副及2-3传动副设置
具体齿轮副及运动副设置需要在旋转副的基本上进行，而且UG中行星轮系各齿轮的显示转速为相对行星架的转速，这就意味着设置齿轮副传动比时，不需要考虑行星架公转的影响，直接使用两齿轮的齿数比即可。
2-3传动副是本辛普森式行星齿轮机构能正常运行的关键。为了保证前后太阳的绝对转速相同，可以给两太阳轮加上传动副，即模拟传动比为1的带传动。特别注意，由于两太阳轮的默认转速是相对于各自行星架的转速，而实际需要的是其绝对转速相等，所以在设置传动副的比值，需要通过换算消除行星架转速的影响，图9为一挡时换算后的前后太阳轮传动比。另外，同一行星轮系的多个行星齿轮之间也可以直接通过2-3传动副连接。
4.4 驱动及解算
在进行驱动设置时，应优先把驱动转速设置在两行星架上，否则会出现计算异常的情况。按各个挡位的传动路线对仿真模型进行约束驱动，即受制动器约束的组件设置为转速为0，再给作为输出端的前行星架和后齿圈指定默认转速后进行求解，系统即会自动解算出其他零件的转速。可根据不同挡位的特性，建立不同的仿真文件，以完成各个挡位的分析。分析完毕进行图表输出时，注意根据不同挡位选择合適位置的测量点，并且应测量其相对绝对坐标系的转速，最后各挡位解算结果汇总如表3所示。其中负值的转速是指其转速方向与参考坐标系方向相反，另外n11和n21测量点主要是为验证两太阳轮的绝对转速是否一致。通过对比前面表1的公式法计算结果，可得知运动仿真确实与实际保持一致。
5 结论
由于通用CAE软件自身功能的限制，在自动变速器行星轮系的传动分析时，确实存在某些约束关系较难实现，或者需要通过间接的方式来实现的情况。但其也有一些自身的特点：①完成了某种特定结构自动变速器的模拟后，如果再分析同类结构的变速器，只需修改变动的参数，即可高效快速进行求解，一劳永逸。②运动仿真可生成所分析机构的运行动画，相对其他方法而言，更加直观形象。还可用作教学视频或成果展示材料。③随着CAE技术的进度，软件功能会更加强大，操作也会更加简单方便，即本分析方法的使用难度会逐步降低，这也是其他分析方法所不具备的。
【参考文献】
【1】郭兆松.丰田U760E型自动变速器行星齿轮变速机构的传动分析[J].拖拉机与农用运输车，2016，43（04）：20-24.
【2】成伟华.自动变速器行星排速比计算方法对比研究[J].自动化与信息工程，2016，37（03）：40-43.
