汽车AT换挡机构的行星齿轮机构演示装置的设计

陈佳　王青春　赵娟妮

摘要：针对汽车AT自动变速器结构复杂，工作原理难理解的问题开发了基于汽车AT换挡机构的行星齿轮机构演示装置。按弯曲疲劳强度条件进行了参数设计，基于CATIA平台进行了结构设计和运动仿真，通过ANSYS/Workbench软件对关键零部件进行了强度校核，提高了产品可靠性和开发效率。成品试验结果表明，该装置演示效果良好。

关键词：行星齿轮机构；离合器；制动器；CATIA；ANSYS

中图分类号：TH132.46 文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2018）03-0013-05

Abstract： A demonstration device for planetary gear mechanism of automobile AT shifting mechanism was developed for the problem that the structure of the automobile AT automatic transmission is complicated and the working principle is difficult to understand. The parameters were designed according to the bending fatigue strength conditions. The structural design and motion simulation were carried out based on the CATIA platform. The strength of the key components was checked by ANSYS/Workbench software， which improved product reliability and development efficiency. The results of the finished product test show that the device demonstrates good results.

Keywords：planetary gear train； clutch； brake； CATIA； ANSYS

液力机械式自动变速器（Automatic transmission，AT）通过液力变矩器和行星齿轮机构组合的方式实现自动变速，是目前世界上技术最成熟、装车率最高、最受消费者欢迎的自动变速器。AT的结构和工作原理是非常重要的教学内容。在现有的AT教学装置中，大多采用解剖后的原型AT，其体积大、内部结构复杂，不利于学生由浅入深地学习内部行星齿轮机构结构及工作原理。因此，AT教具的开发至关重要。试验证明，超过90%的学生认为通过教具教学比传统多媒体教学更便于理解，且教学效果平均提高了24%[1]。肖启瑞等[2]提出的“汽车自动变速器教学模型”模拟了双排行星齿轮机构的结构，但对于单排机构却无法演示。苗剑飞等[3-4]提出的“一种行星齿轮机构运动演示教具”和王黎航等[5]提出的“一种行星轮系演示教具”均通过测速传感器监测了太阳轮和行星架的转速，验证了单排行星齿轮机构的工作原理及传动比公式。王华[1]研究了基于3D打印技术的汽车自动变速器教具的开发。张云龙等[6]提出的“齿轮变速机构实验装置”，在单排行星齿轮中设置了指示设备，指示各元件之间的角度变化关系。叶红仙等[7]提出的“一种行星轮系教具”利用转化机架法原理演示了单排行星齿轮机构的工作原理。连晋毅等[8]提出的“自动变速箱行星齿轮动力传递模拟教学装置”也仅模拟了单排行星齿轮机构的运动过程。上述多种结构均展示了行星齿轮机构的结构和工作原理，但并未涉及AT的换挡过程。

本文提出了一种基于汽车AT换挡机构的行星齿轮机构演示装置的专利方案，将单排行星齿轮机构和AT换挡机构集成为一体，对其进行了方案分析和结构设计等，使复杂的机械结构和多变的换挡过程变得简单透明，用于解决汽车专业课程的教学难题。

1 方案设计与分析

本文研究的演示装置总体方案如图1所示，包括支架、单排行星齿轮机构、换挡元件、外壳和驱动装置。支架上设置有旋转中心轴，中心轴上设置有太阳轮和行星架。太阳轮通过六角花键设置了驱动装置摇柄1。行星架设置了驱动装置摇柄3，且安装了3个形状相同的行星齿轮，行星齿轮分别与齿圈和太阳轮啮合。齿圈外圈和外壳内圈设有花键，多片式换挡离合器C1通过花键连接或分离齿圈与外壳。在太阳轮和外壳上分别设置了带式换挡制动器B1和带式换挡制动器B2。在外壳上设置了驱动装置摇柄2。摇柄和离合器与制动器相互配合可实现多种工作模式，进而展示了AT的结构和换挡过程，并且齿轮均为开式，便于观察齿数和传动比的校验。

为了使结构简单，本文采用螺栓代替多片式换挡离合器中的液压缸活塞，C1主要由钢片、摩擦片、螺栓和回位弹簧组成，如图2所示。钢片通过外圈的花键与外壳内花键槽连接，摩擦片通过内圈的花键槽与齒圈外花键连接，钢片与摩擦片交替安装在外壳和齿圈之间。通过螺栓压紧力产生的摩擦力使钢片与摩擦片连为一体，即外壳与齿圈连为一体。

同理，带式制动器B1和B2主要由制动带和螺栓组成，制动带开口与螺栓连接，一端固定在支架上，内侧粘有摩擦材料的表面围绕在太阳轮和外壳制动鼓上，通过螺栓使制动带锁紧，实现制动。

如表1所示，通过离合器C1、制动器B1和B2、摇柄1、摇柄2和摇柄3，本文研究的演示装置可实现8种工作模式，由式（1）和式（2）可得各模式下的转速状态和挡位情况。

2 参数及结构设计

开式齿轮传动由于首先会发生磨损严重现象，齿轮表面层还来不及产生点蚀即被磨掉，因此看不到点蚀现象。正因如此，在参数设计时，通常只需按弯曲疲劳强度条件确定其主要参数及尺寸，考虑磨损严重，则将算出的模数放大10%～15%，之后不再进行验算[12]。

2.1 材料选择

根据齿轮常用材料及其力学性能，本文采用45钢正火处理加工行星齿轮机构，HBW=162～217，计算时取太阳轮HBWt=200，行星齿轮HBWx=170，齿圈HBWq=200，则满足相互啮合两齿轮间的差值要求20～70。

2.2 按弯曲疲劳强度条件确定主要参数

按齿根弯曲疲劳强度的简化计算公式为：

m≥Am

3KT1YFSdz21[σF]（3）

式中：m为模数/mm；Am为系数；K为载荷系数；T1为传递转矩/（N·m）；YFS为复合齿形系数；d为齿宽系数；z1为最小齿轮齿数；[σF]为许用弯曲应力/Mpa。

本文行星齿轮机构均采用标准直齿轮，压力角为20°，查表[13]得，系数Am=12.6。载荷系数K的常用值为1.2～2.0，本装置为直齿轮、速度很低、工作环境简单，取K=1.2。考虑到本装置小巧轻便，本文取行星齿轮齿数为齿轮最小齿数zx=17，传递转矩T1=100 N·m。根据标准齿轮zx=17，变位系数x=0，可查表[13]得，YFS=4.425。本文的行星齿轮机构是相对于轴承对称布置安装在支架上，因此，其齿宽系数通常取d=0.9～1.4，本文取d=1.2。按照中等材料质量和热处理质量要求，查表[13]得太阳轮与齿圈弯曲疲劳极限为160 Mpa，行星齿轮为140 Mpa，则弯曲疲劳极限为三者中的最小值140 Mpa，许用弯曲应力约等于最小弯曲疲劳极限[σF]≈140 Mpa。

综上所述，由式（3）可得，模数m≥2.79 mm。将初步模数2.79 mm放大10%，则m≥2.79 mm×110%=3 mm。根据标准模数值[14]，本文确定模数为m=3 mm。

为了结构紧凑，通常传动比取i≤3～5，本文取齿圈与太阳轮之间的传动比为i=4。由式（2）、分度圆计算公式d=m·z、太阳轮分度圆直径与齿圈、行星齿轮的关系dt=dq-2dx，可计算出三元件分度圆直径和齿数，如表2所示。

则结构特性参数4/3≤α=2≤4，符合要求。

行星齿轮与太阳轮的中心距等于其与齿圈的中心距a=（dt+dx）/2=76.5 mm。

小齿轮齿宽通常比大齿轮大，以防止齿面硬度较低的大齿轮齿面上形成压痕，导致啮合齿宽减小而增加齿轮单位齿宽的工作载荷。本文利用小齿轮分度圆直径计算出大齿轮齿宽，则齿圈和太阳轮齿宽为bq=bt=ddx=61.2 mm，取整61 mm。行星齿轮齿宽bx=bq+（5～10） mm=66～71 mm，本文取bx=68 mm。

综上，行星齿轮机构主要参数见表2所示。

设计轴时，通常先估算轴的最小直径。本文研究的装置属于低速、低载荷工况，因此本文采用经验公式法对其直径进行计算。对于低速轴的直径d按同级齿轮传动中心距a估算，即d=（0.3～0.4）a=（22.95～30.6） mm，本文取直径d=25 mm。

2.3 结构设计

本文通过CATIA平台建立了三维模型库，如图3所示，主要包括支架、外壳、齿圈、太阳轮、行星架、行星齿轮、制动器、离合器、摇柄等。并进行了运动仿真，排除了干涉，缩短了开发周期。

3 强度校核

在设计过程中，通过ANSYS/Workbench平台，本文对典型工作模式1、3和5中的关键零部件进行了强度校核。

在Static structural模块下，将行星齿轮机构划分网格，添加固定约束Fixed Support、圆柱约束Cylindrical Support和扭转力矩Moment 100 N·m，分析等效应力结果和变形结果。

图4为冯氏应力云图，从图a看出，齿圈固定，太阳轮输入时，机构的应力集中点为太阳轮的中心轴部分，越靠近太阳轮，应力越大，最大应力为42.96 Mpa。从图b和图c看出，太阳轮与行星架分别固定，齿圈输入时，机构的应力集中点均为齿圈外花键，最大应力为0.141 Mpa。从前文可知，本装置采用45钢正火处理制造，其材料屈服强度为290 Mpa，因此，该机构强度符合要求。

4 生产制造

通过CAD平台，设计零件图和装配图，进行机械加工制造，经过装配、调试和改进，最终达到预期的效果，成品已投入到本校的教学中试用。图5为该演示装置的实物照片。

5 结论

基于CATIA、ANSYS/Workbench平台的产品研发，可缩短开发周期，降低研究成本，提高产品的可靠性。

基于汽车AT换挡机构的行星齿轮机构演示装置为纯机械装置，结构简单，尺寸小，质量轻，不受场地限制。生产的成品经过本校的教学试用，可完全展示行星齿轮机构的结构和工作原理，且能演示换挡过程，提高了教学效果。

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[6]张云龙，朱海明，白金国，等.齿轮变速机构实验装置：2015120460376.0[P]. 2015-10-21.

[7]叶红仙，杨胜兵，王威，等.一种行星轮系教具：201420543018.1[P].2015-01-14.

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