一種新型自動變速器行星輪系的設計研究論文
引言
變速器是汽車傳動系統中的核心部件。目前，車輛變速器可分為手動變速器(MT)、機械式自動變速器(AMT)、電液控制自動變速器(AT)、雙離合自動變速器(DSU)和無級變速器(CVT)。本文提出的選擇性輸出並聯行星輪系自動變速器是在雙離合自動變速器的基礎上研發得到的，其工作原理與雙離合自動變速器相似，己裝配成樣機。
在汽車變速器中齒輪被廣泛應用，它是變速器傳遞動力和承載載荷最主要的零部件之一。因行星齒輪輪系在相同的傳動比下，較普通齒輪傳動系具有體積小、質量輕、結構緊湊、承載能力大、傳動效率高和運動平穩等優點，故己在汽車變速器中普遍運用。但在許多應用場合，其動態特性如模態、振動與噪聲等，是影響行星輪系可靠性、壽命等的關鍵因素川。因此，我們在設計行星齒輪輪系時，應事先知道輪系的固有頻率，避免與轉動頻率相同而發生共振。
1行星輪系的結構設計和模型的建立
1. 1行星輪系傳動方案及工作原理
並聯行星輪系自動變速器採用普通的NUW型三元件行星輪系，其工作狀態穩定可靠，工藝性好，製造成本低叫。透過綜合考慮變速器的減速比，將行星輪系的減速比初步選定在3~4左右較為合理。選擇性輸出並聯行星輪系自動變速器，可以透過兩組離合器使行星輪系實現行星差速傳動和直接傳動兩種不同的傳動比。實現直接傳動是透過一組離合器分開，另一組離合器齧合，使齒圈與行星架固定，此時的行星輪系相當於普通齒輪傳動，不具有行星差速傳動功能，因此此時的行星輪系不具有減速效果，其傳動比為1;行星差速傳動是透過一組離合器齧合，另一組離合器分開，使齒圈與箱體聯接，即齒圈固定，從而使行星輪系具有行星差速傳動功能。
1.2行星輪系結構設計
在裝配過程中，太陽輪8透過花鍵與中間軸連線，將AS3552墊圈(1mm厚)15 ， AXK3552推力滾針軸承14和推力滾針墊圈(厚)12配合成兩組，分別將兩組中的推力滾針墊圈(厚)12與太陽輪8兩端而配合，從而限定左、右行星架1和10的軸向位置。行星架(右)10透過兩對滾針軸承與中間軸配合，將3個柱銷分別與行星架(右)孔配合，再將3個行星輪透過兩對滾針軸承與柱銷配合。透過柱銷定位，使行星架(左)1與柱銷配合，其軸向位置可由AS3552墊圈(<1 mm厚)15來調控，左右行星架透過M8X35螺釘n固定連線。齒圈透過卡環與齒圈齧合牙嵌浮動連線，採用卡環彈性件的均載系統，在不均衡載荷的作用下，使彈性件產生相應的彈性變形，從而達到各行星輪間載荷分佈均勻的目的叫。
1.3行星輪系三維模型
應用Pro/E進行三維造型設計，行星輪系的三維模型爆炸圖和簡化模型。
2行星輪系模態分析
2. 1行星輪系模型的匯入和定義材料屬性
ANSYS Workbench是LAD系統和使用者模擬設計的整合平臺，在此平臺上使用者可以根據自己的需要選擇與各種程式模組互動。透過Pro/E與ANSYSWorkbench連結將模型匯入，再設定輪系各齒輪材料屬性。在該行星輪系中，太陽輪和行星輪所用的材料均為20CrMnTi。由於齒圈在熱處理時變形較大，將會影響到整個行星輪系的齧合特性，故該齒圈選用的材料為40CrMo。模態分析不需要施載入荷，所以只定義材料的密度、彈性模量、泊松比3種屬性。Engineering Date中可以定義上述材料屬性，20CrMnTi材料密度為7 860 kg/mj，彈性模量為2. 12 X1011 Pa，泊松比為0. 289 ; 40CrMo材料密度為7 850 kg/mj，彈性模量為2. 12 X 1011 Pa，泊松比為0. 280 02.2有限元模型網格的劃分和邊界條件定義
在給模型劃分單元之前，首先應設定單元邊長，這對後續求解非常重要。如果網格單元設定過大，將可能出現劃分單元畸變;若網格單元設定過小，又會花費過多計算時間。綜合考慮兩者之間的關係，設定單元邊長為3 mm，對輪系的齒輪採用多域掃掠法進行網格劃分。 接著，需要對行星輪系施加自由度約束。對於太陽輪，只需要施加圓柱(Cylindrical Support)約束，可以限制軸向和徑向的自由度，不限制太陽輪的切向自由度;對於行星輪，需要建立區域性柱座標系，柱座標系的原點位置就設定在行星輪的'中心處，定義設定完區域性柱座標系後，啟用該座標系，然後約束中心孔內所有節點的:方向的自由度;對於內齒圈，在Work-bench中採用完全固定約束(fixed)，即對齒圈內所有節點自由度進行完全約束。完成對自由度的約束後，在Analysis Setting、中設定求解前16階固有頻率。
2.3行星輪系的結構改進分析
從模型振型圖可知，當其振動頻率達到固有頻率時，主要是在太陽輪位置處振動幅度達到最大，其最大振動位移分別為11. 137 mm, 10. 119 mm, 18. 613mm,9. 95 mm,16.872 mm和17. 67 mm，該振動幅度遠遠超過允許位移量，故太陽輪最先破壞，導致整個行星輪系破壞，從而直接影響變速箱的正常工作。透過模態分析，可以事先知道行星輪系達到共振的大致頻率範圍，從而在實際設計中透過改變材料的剛度、密度或是結構形式來避免行星輪系長期在共振頻率下工作，從而避免該零件的破壞。
3結語
本文對並聯行星輪系自動變速器中的行星輪系進行了模態分析，得出行星輪系的前16階固有頻率和前6階振型圖，為以後自動變速器選擇行星輪系的材料和結構奠定了理論基礎，可以為今後的結構設計提供大致的引數參照，旨在實現功能的可行性和完整性，因此如何進一步地完善行星輪系的結構從而提升並聯行星輪系自動變速器傳動的穩定性、減小噪聲是下一步的研究課題。