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1、合肥工业大学硕士学位论文汽车新型六速自动变速器的CAE分析研究姓名：马文博申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：孙骏20090301汽车新型六速自动变速器的C A E 分析研究摘要自动变速器是当今汽车动力总成的重要部件。由于其担负着将发动机扭矩传递到车轮扭矩输出，所以自动变速器的效率和寿命直接关系到整车的动力性能。变速范围较窄的低速自动变速器，比如四速自动变速器和五速自动变速器，已经不能够充分满足现在汽车各工况的设计要求。所以六速变速器必将成为自动变速器产品的主导速率设计配置。同时，对于带有液力变矩器的六速变速器，由于设计中必须安装液力变矩器，这不仅会增大变速器的尺寸，多占整车总布置的空间
2、，而且也增加了成本。本文先介绍了行星齿轮技术在变速器产品中的应用，汽车自动变速器的发展历程和先进C A E 软件在工程上的应用。重点介绍了英国R o m a x 科技公司的并行工程C A E 软件产品R o m a x D e s i g n e r 在传动工程上的应用。而后，本文提出了一种不使用液力变矩器的新型六速自动变速器，并详细描述了该自动变速器的各档传动路线，结合R o m a x D e s i g n e r 分析验证了该系统的优势，并与市场上流行的六速自动变速器产品进行功能和效率的对比。关键词：自动变速器行星齿轮计算机辅助工程R o m a x D e s i g n e rC
3、A Ea n a l y s i sa n ds t u d yo nan e wa u t o m o t i v es i x-s p e e da u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nA B S T R A C TN o w a d a y s，a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n sa r et h em a j o ra u t o m o t i v ep o w e r t r a i nc o m p o n e n t si na u t o m o t i v em a n u f a c
4、t u r ei n d u s t r ya r e a B e c a u s ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nt r a n s f e r st h ee n g i n eo u t p u tt o r q u et ot h ew h e e l s，S Ot h ee f f i c i e n c ya n dl i f ee x p e c t a n c yo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n sa r ed i r e c t l yr e l a t e dt ot h
5、 ev e h i c l e Sp o w e ro u t p u tp e r f o r m a n c e T h el o w s p e e da u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n so n l yh a v en a r r o ws c o p eo fs p e e dv a r i a b l ec a p a c i t y，s u c ha sf o u r s p e e da u t o m a t i ct r a n s m i s s i o na n df i v e s p e e da u t o m a t
6、 i ct r a n s m i s s i o n，a n dc a nn o tb ea b l et of u l l ym e e tt h ep r e s e n tc o n d i t i o no ft h ev e h i c l ed e s i g nr e q u i r e m e n t s T h e r e f o r e，t h es i x-s p e e dt r a n s m i s s i o na u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nw i l lb e c o m et h ed o m i n a n
7、 tp r o d u c ta si t sh i g h l yd e s i g nc o n f i g u r a t i o n A tt h es a m et i m e，f o rt h o s es i x-s p e e da u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nw i t ht o r q u ec o n v e r t e r s，t h eb a s i cd e s i g ni st h a tt h e ym u s tb ei n s t a l l e dw i t ht o r q u ec o n v e r
8、t e r s，w h i c hw i l ln o to n l yi n c r e a s et h eo u t l i n es i z eo ft h et r a n s m i s s i o n s，b u ta l s oi n c r e a s e sc o s t so ft h ew h o l ea s s e m b l y T h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ep l a n e t a r yg e a rt e c h n o l o g i e si n t ot h ea p p l i c a t
9、i o no ft h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nd e s i g na n dd e v e l o p m e n t A d v a n c e dC A Es o f t w a r ea p p l i c a t i o n si ni n d u s t r ye n g i n e e r i n ga r ea l s oi l l u s t r a t e d T h i sa r t i c l em o s t l yf o c u s e so nt h ec o n c u r r e n te n g i
10、 n e e r i n gC A Es o f t w a r ep r o d u c t sR o m a x D e s i g n e r，w h i c hi sa na d v a n c e dt r a n s m i s s i o ne n g i n e e r i n ga i ds o f t w a r em a d eb yt h eU Kc o m p a n yR o m a xe s p e c i a l l yf o rp o w e r t r a i na n a l y s i si na e r o s p a c ea n da u t o
11、m o t i v ei n d u s t r ya r e a s T h e n，i nt h i sp a p e r，at o r q u ec o n v e r t e rw i l ln o ts h o wi nt h en e ws i x s p e e da u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n B u tad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ea u t o m a t i ct r a n s m i s s i o na td i f f e r e n tg e a r s
12、，c o m b i n e dw i t ha n a l y s i so fc o m p r e s ss t r e s sw i t hR o m a x D e s i g n e ra d v a n t a g ei si l l u s t r a t e d A tl a s t，t h ef e a t u r e sa n de f f i c i e n c yo ft h et r a n s m i s s i o ni Sc o m p a r e dw i t ht h o s ep o p u l a rs i x s p e e da u t o m a
13、 t i ct r a n s m i s s i o n si nt h em a r k e t K e y w o r d s：A u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n；P l a n e t a r yg e a r s；C A E；R o m a x D e s i g n e r插图清单图2 1六速变速器T X 6 示意图一7图2 2六速自动变速器T X 6 输入轴示意图7图2 3六速自动变速器T X 6 中间轴示意图8图2 4四个行星齿轮的行星齿轮系示意图”8图2 5五个行星齿轮的行星齿轮系示意图9图2 6一档传递路线示意图1 1图2 7二
14、档传递路线示意图1 2图2 8三档传递路线示意图1 3图2-9四档传递路线示意图一1 3图2 1 0 五档传递路线示意图1 4图2 1 1 六档传递路线示意图1 5图2 1 2 倒档传递路线示意图1 5图3 1R o m a x D e s i g n e r 软件启动界面1 7图3 2R o m a x D e s i g n e r 软件系统模块一1 7图3 3R o m a x D e s i g n e r 传动系统分析能力1 8图3 4R o m a x D e s i g n e r 软件模型结构1 9图3 5R o m a x D e s i g n e r 软件建模与分析功能1
15、 9图3 6R o m a x D e s i g n e r 中的行星齿轮模型结构1 9图3 7R o m a x D e s i g n e r 载荷谱分析示意图2 0图3 8R o m a x D e s i g n e r 齿轮参数设计界面示意图一2 1图3-9行星齿轮系均载分析示意图2 1图3 1 0R o m a x D e s i g n e r 轴承分析方法示意图2 2图3 1 1 轴承寿命小结示意图2 2图3 1 2 轴承载荷分布分析示意图”2 2图3 1 3 有限元模型导入R o m a x D e s i g n e r 缩聚示意图一2 3图3 1 4R o m a x
16、D e s i g n e r 有限元分析优化示意图2 3图4 1使用的试验车和试验台架2 4图4 2六速自动变速器各部件示意图一2 5图4 3分动齿轮T 1 受力分析2 6图4 4分动齿轮T 2 受力分析2 6图4 5太阳轮S u n 2 受力分析图2 6图4-6行星齿轮S a t 2 受力分析图2 6图4 7轮圈2 的受力分析图2 7图4 8驱动轮环和输出齿轮受力分析图2 8图4 9输入轴受力分析图2 9图4 1 0 分动齿轮T 2 和行星轮系2 的太阳轮轮轴的受力分析2 9图4 1 1 行星齿轮轮芯的受力分析2 9图4 1 2 行星架受力分析示意图3 0图4 1 3 中间轴的受力分析3
17、0图4 1 4 输出差速器轴受力分析3 0图4 1 5 分动齿轮T 1 A 和T 3 受力分析图3 1图4 1 6 齿圈3 的受力分析3 2图4 1 7 行星轮S a t 3 受力分析图3 2图4 18 太阳轮S u n 3 的受力分析3 3图4 1 9 驱动齿环和输出齿轮受力分析3 4图4 2 0 输入轴的受力分析3 4图4 2 1 分动齿轮T 3 和齿圈轴的受力分析3 5图4 2 2 行星齿轮轮芯受分析3 5图4 2 3 行星架的受力分析3 5图4 2 4 中间轴的受力分析图3 6图4 2 5 输出差速器轴的受力分析3 6图4 2 6 行星齿轮系R 的切向作用力3 7图4 2 7 行星齿轮
18、系3 的切向受力分析3 9图4 2 8 行星齿轮系3 的切向力受力分析4 l图4 2 9 六速自动变速器的输入轴模型4 1图4 3 0 行星齿轮系2 的建模模型4 1图4 3 1 六速自动变速器的整体组装模型4 1图4 3 2R o m a x D e s i g n e r 的C A E 建模、应力分析和载荷设定4 5图4 3 3R o m a x D e s i g n e r 载荷谱应力分析结论4 6表格清单表2 1离合器和制动器档位工作说明9表2 2六速自动变速器T X 6 行星齿轮齿数表1 0表2 3六速自动变速器T X 6 分动齿轮齿数表1 0表2 4六速自动变速器T X 6 齿轮
19、传动比率表1 0表2 5T X 6 与丰田爱信T F 6 0 S N 六速自动变速器变速范围比较表10表2-6行星齿轮系统传动比结论表1 1表4 1行星齿轮系2 的参数2 5表4 2分动齿轮T 1 B 和T 2 分析计算结果2 6表4 3行星齿轮系2 的分析计算结果2 8表4 4输出齿轮轮组分析计算结果2 8表4 5行星齿轮系3 参数3 l表4 6分动齿轮T 1 A 和T 3 分析计算结果3 1表4 7行星齿轮系3 的分析计算结果3 3表4 8输出齿轮轮组的分析计算结果3 4表4 9四档时各构件的分析计算结果3 8表4 1 0 五档时各构件的分析计算结果4 0表4 1 1 六档时各构件的分析计
20、算结果4 2表4 1 2 载荷设定参数表4 2表4 13R o m a x D e s i g n e r 分析计算应力报告数据表4 7独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签字：马支博签字日期2)D 7 年月M学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金旦巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权
21、保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金月巴王些太壹L 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文者签名吗支缚导师签名：签字日期：2 I)D 7 年年月，。日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：丽久签字日期：穸年包月，D 日l电话：邮编：致谢本文是在我的导师孙骏教授的悉心指导下完成的。在我研究生三年的学习时间里，孙老师不论是在学业上还是生活上都给予了我极大的帮助。研究生三年的时光不仅提升了我的专业理论知识，也提高了我实际动手能力，
22、更重要的是使我学会了分析问题和解决问题的能力。在这里由衷感谢孙骏导师!孙骏导师在学业指导及各方面所给予我的关心以及从言传身教中学到的治学态度和道德情操，老师广博的学识、严谨的作风、诲人不倦的教育情怀、对教育事业以及对汽车产业的热情必将使我终身受益，并激励我勇往直前。同时，真诚感谢机汽学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了理论基础，并创造了许多条件和学习机会。最后，感谢多年来所有给予我帮助、关心和支持的亲朋好友，祝大家万事如意!作者：马文博2 0 0 9 年3 月2 0 日第一章绪论1 1 所选课题的科学意义汽车自问世以来，其对人类文明的推动作用日益明显。这不仅仅体现在汽车加快了人类的移动
23、速度，也体现在它改变了人类的生活方式。汽车工业的大发展对世界经济的大发展产生了无法估量的巨大影响，为人类社会的进步作出了不可磨灭的巨大贡献。汽车动力总成技术是汽车生产制造领域中的关键重要技术。一个国家对动力总成技术的掌握一定程度上发映出这个国家的造车能力。自动变速技术就是汽车动力总成中的一项十分重要的技术，其主要的功能是可以根据行驶情况自动地改变发动机曲轴的转矩及转速，以适应汽车在起步、加速、行驶以及克服各种道路障碍等不同行驶条件下对驱动车轮牵引力及车速的不同要求的需求。自动变速器因其可以使驾驶变得操作简便，在现在中高级轿车和多用途汽车上日益普及。车辆性能的优劣除与其自身结构有关外，还取决于正
24、确的控制和操纵。而自动换挡系统可按最佳换挡规律，自动地完成换挡任务，满足换挡需求，从而可获得整车的最佳燃油经济性、动力性及较低的污染排放，使其与驾驶员的技术差异无关。这样就大大降低了对驾驶人员操作水平的要求。自动变速的速度变换不仅迅速而且连续平稳，避免了粗暴换挡所产生的冲击与动载，能把发动机工作状态控制在一定的范围之内，避免了急剧的变化，减小了发动机的振动并降低了噪声，从而提高了乘坐舒适性及传动系零部件的使用寿命。据统计，装载液力元件的车辆在恶劣运行条件下行驶时，自动换挡车辆传动轴上的最大力矩峰值相当于手动换挡时的2 0 4 0，原地起步时力矩峰值相当于手动时的5 0 7 0。其结果，可使发动
25、机寿命提高1 5 2。0 倍，变速箱寿命提高2 0 3 0 倍，传动系其它零部件寿命提高1 5 2 5 倍。自动变速器改善了车辆的动力性和通过性。装载液力元件的自动变速器因其可实现分段无级自动换挡，从而可使汽车的起步、加速性能大大提高。自动换挡过程中传动系功率不中断，且可获得最佳换挡时刻进行换挡，提高了车辆的加速性能和平均行驶速度。另外，液力传动的自动换挡，可显著地改善车辆的通过性，能以较高的速度通过雪地、松软路面。试验表明，装有自动变速器的公共汽车起步后加速至2 0 k m h 的时速，所需时间比手动换挡节省2 0，而加速到4 0 k m h，可节省10 的时间。工程车辆及重型卡车在恶劣路面
26、及山地行驶时，其平均速度可提高1 0-1 5 B 1。自动换挡减轻了驾驶员疲劳强度，提高了行车安全性。自动变速器从根本上简化了操纵，由于取消了离合器踏板和变速杆，驾驶员只需操纵油门踏板，即可实现自动变速。若用巡航控制，则连油门也无需人工控制。这样极大地降低了驾驶员的劳动强度，使驾驶员从频繁的换挡操纵中解放出来，集中精力观察路面状况，操纵方向盘。统计表明，采用自动换挡系统的车辆，行车事故率降低了1 4 1 3，工程车辆可提高生产率1 3 倍。自动换挡减少了发动机排气污染。汽车排放的C O 和H C 有毒物质的含量与发动机工作状况有关。发动机在稳定工况下排放量小，而在非稳定状况下排放量大。发动机在
27、极高与极低转速工作或加速时，容易产生黑烟。C O 的含量在接近怠速时高，H C 的排放量与转速成正比，转速升高，H C 的含量也提高。由于无级变速和自动换挡技术的使用，能把发动机限制在污染较小的转速范围内工作，从而可降低发动机排放中有害物含量。1 2 国内外研究状况自动变速器具有操纵方便、能提高发动机和传动系的使用寿命及汽车的动力性和适应性、能减轻汽车对环境的污染等多方面的优点，在汽车上被广泛应用。自动变速器技术在很大程度上可以克服手动变速器换挡较慢的缺点。在现代汽车应用上，自动变速器技术是常变常新的。对自动变速器技术的研究，我们起步较晚，与发达国家还有一定的差距。在世界范围内，各位国家都有其
28、各自不同的占主导的自动变速器产品。对自动变速器的研究对中国汽车工业的发展意义重大。1 2 1 行星齿轮技术行星齿轮传动，属于现代的先进机械传动。共有三种类型：渐开线行星齿轮传动、摆线针轮行星齿轮传动和谐波齿轮传动。行星齿轮传动的概念是至少有一个齿轮，它通中心轮(太阳轮)相啮合；该轮在随自身几何轴线公转的同时，还绕自身的几何轴线自转。通过该轮和太阳轮的运动复合，能把运动和动力从该齿轮机构的一个基本构件传递到输出构建，得到新的转速和力矩，以便于向下一级机构或工作机传递。这样的齿轮传动便称为行星齿轮传动。世界上一些先进的工业化国家，如德国、日本、英国、美国等，在行星齿轮传动的研究中、生产制造和应用等
29、方面处于领先水平。行星齿轮技术在工业变速领域有详实的标准。行星齿轮系统在当今的汽车自动变速器产品中应用广泛，其原因是因为行星齿轮技术有极好的机械变速优势，而且设计较方便。在过去，机械的大变速传动比主要是通过多级传动机构变速来实现的。在精密的变速机构中，主要是采用多级齿轮变速。这样，所需的齿轮就较多，啮合的级数多，传动链长，变速箱的体积大。传统的变速箱效率低，耗材料。由于传动链长，动力经过的构件多，因而机构运动惯性力大，运动传递的灵敏性差，制造成本也较高。而行星齿轮机构的应用可以实现低速、大扭矩，还可以实现分流传动、低应力啮合、工作平稳、高可靠性、同轴传动，2多数行星机构的效率较高。在同样的功能
30、条件下，与一般变速器相比，应用行星齿轮技术的变速器，其外廓尺寸和质量可以减少1 6 1 2。而且现在的行星齿轮传动的圆周速度可以达到15 0 2 0 0 m s，传递的功率达到7 3 5 5 k W，效率高达9 8。行星齿轮传动可以实现无级变速，即让行星齿轮中的三个基本构件都转动起来并传动功率。这样的机构，只要把原来一个自由度行星齿轮机构的输入变为无级调整的差动输入，就可以使输出的转速按无级变化，让其转速增减成为无级变化的量，此机构就成为无级变速器。现已制成行星齿轮机构的无级变速齿轮箱，其功率可以高达1 4 7 I k W 以上。近年来，国内外将蜗杆传动、螺旋齿传动、圆锥齿轮传动等与行星齿轮传
31、动结合起来，或组合使用，构成复合的行星齿轮箱。1 2 2 汽车自动变速器技术目前汽车自动变速器主要有电控液压操纵式有级自动变速器和电控液压操纵式无极自动变速器。包括液力自动变速器(A u t o m a t i cT r a n s m i s s i o n 简称“A T”)，电控机械式自动变速器(A u t o m a t e dM e c h a n i c a lT r a n s m i s s i o n 简称“A M T”)和金属带式无级自动变速器(C o n t i n u o u s l yV a r i a b l eT r a n s m i s s i o n 简称“C
32、 V T”)。美国和西欧采用最多的是液力自动变速器，其传动部分主要由液力变矩器和多组行星齿轮组成，它仍然分多档，分几速，是实现局部无级变速的有级变速器。其中19 9 8 年上海通用汽车公司(S G M)生产的用于别克轿车上的4 T 6 5 E 电子控制自动变速器正式下线，l9 9 9 年开始批量生产并投放市场，率先在国内将A T作为标准配置装于轿车。19 9 9 年中日合资生产的本田雅阁轿车也正式投产，其A T 为本田技术P A X 型，它弃用行星齿轮，而选择常啮合平行轴式结构，零件少、易制造是其长处，它采用了全电子直控式变速装置，能使变速、燃油喷射以及巡航等控制相结合。与此同时，上海大众的帕
33、萨特B 5、一汽大众的捷达都市先锋都装备了自动变速器A G 4 9 5。神龙公司也向市场投放了装备进口的A L 4智能型自动变速器的富康9 8 8“领导者”以及富康1 6 L 轿车。它采用了模糊控制理论和动力传动系统综合控制技术，实现了智能化控制，电子控制单元中有1 0种换挡规律，按需分别调用几种换挡规律或同时或交替工作，共同控制变速器的状态。一汽大众的A 6 高级轿车上作为选装件的A T 为T i p t r o n i c 型，在自动变速的基础上可提供手动换挡功能。北京吉普公司在切诺基越野汽车上小批量装备了A W 4 自动变速器，现已达到10 0 0 多台。因此，在国产车上选装液力自动变速
34、器已成为必然之势”引。至于城市客车(即公共汽车)频繁起步换挡，变速器、离合器和制动器的使用频率是一般车辆的1 0 倍左右，劳动强度极大，即使是职业驾驶员也因受心理与生理所限，迫切要求使用自动变速器。国外几乎是1 0 0 装用，我国1 9 9 5年首次在国产公共汽车上装备了A l l i s o n 自动变速器，遍及深圳、上海、广州、南京等城市，其中深圳已占有4 0。在电子控制机械式自动变速器方面，国内有关部门也正在进行研究。国内对A M T 技术的研究开展的比较晚，九五期间被列为“九五 科技攻关项目。目前，开展这方面研究的有吉林工业大学、北京理工大学、上海交通大学、深圳市欣源晟实业有限公司、哈
35、尔滨埃姆特汽车电子有限公司、重庆东方欧翔汽车电子有限公司等。国内的研制水平基本上处于全自动A M T 的发展阶段，和国外相比还存在着相当大的差距，但在理论上的研究和国际水平相当。原吉林工业大学对A M T 理论进行了广泛的研究，先后提出了2 参数最佳换档规律、动态3 参数换档规律、最佳同步换档规律、动态闭环换档控制、离合器模糊起步控制等理论，并在轻型车、重型车、轿车等不同的车型上进行了装车实验。北京理工大学对A M T 的研究主要在重型车辆上，该校所研制的某装甲车A M T 产品已经进行了3 0 0 0 k m 定型试验考核，通过了产品设计定型。该产品采用电控液压执行机构，能够完全进行自动换档
36、操作，也可操作换档手柄进行人工换档，该产品还具有保持档功能、自学习功能。原车的操纵机构仍然保留，在电控系统出现故障时，可以进行手动操纵。深圳市欣源晟实业有限公司在轿车上实现了A M T 自动换档，其执行机构为普通电机，由3 个电机分别实现油门、离合器、选档、换档的操作动作，通过对传动机构的设计，选档和换档的操作只需一个电机就可完成，离合器的驱动机构采用省力装置，减小了驱动电机的功率。目前部分车型如奇瑞Q Q 等已选装A M T 自动变速器。至于机械式无级变速器，早在十年前，国内就有高校购买过国外样机作分析研究。重庆大学正在对C V T 的结构、运动机理进行基础研究；东风汽车公司和吉林大学、东北
37、工业大学、湖北汽车工业学院合作，承担了国家科技部九五重大攻关项目，对C V T 技术进行实用化研究。目前，C V T 自动变速器已应用于很多车型，如奥迪A 6、南京菲亚特的西耶那S p e e d g e a r、奇瑞旗云等。根据国外目前C V T 应用的趋势和所做的预测，C V T 可能是小功率(发动机排量2 L以下)液力自动变速器最有威胁的挑战者，国内市场前景不容忽视。但要想完全依靠国内自己的力量做成实用的C V T，既不现实，时间上也不允许。乘用车方面，采埃孚、玛瑞利、博格华纳3 家公司加大在华投资。前者与上汽集团合资成立变速器公司，并在今年引进6 挡A T，准备为上海大众配套。玛瑞利则
38、计划将其A M T 在华组装能力提高到每年5 万台；博格华纳则准备为上海汽车荣威轿车提供双离合器自动变速器(D C T)。对于国内自动变速器产业的发展，国家有关部委也给予了高度重视。国家科技部将A M T 和D C T 的研发列入“十一五”期间的国家“8 6 3”计划重点发展项4目。其中，吉利汽车、重庆青山工业等公司承担了轿车D C T 的研发任务，陕西法士特公司与山西大同齿轮公司承担了商用车A M T 的研发任务。1 2 3C A E 技术计算机辅助工程(C o m p u t e rA i dE n g i n e e r i n g)技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术。C
39、 A E 软件是由计算力学、计算数学、结构动力学、数字仿真技术、工程管理学与计算机技术相结合，而形成一种综合性、知识密集型信息产品。C A E 的核心技术是有限元理论和数字计算方法。经过几十年的发展，C A E 软件分析的对象逐渐由线性系统发展到非线性系统，由单一的物理场发展到多场耦合系统，并在航空、航天、机械、汽车等领域获得了成功的应用。计算机辅助工程C A E(C o m p u t e r A i d e dE n g i n e e r i n g)是一个很广的概念，从字面上讲它可以包括工程和制造业信息化的所有方面，但是传统的C A E 主要是指用计算机对工程和产品的运行性能与安全可靠
40、性分析，对其未来的状态和运行状态进行模拟、及早地发现设计计算中的缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。准确地说，C A E 是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动动力学仿真。工程数值分析用来分析确定产品的性能；结构与过程优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能最优；结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行，可靠性如何以及使用寿命为多少；运动动力学仿真用来对C A D 建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真。从过程化、实用化技术发展的角度看，C A E 的核心技术为有限元技术与虚拟
41、样机的运动动力学仿真技术。对C A E 进一步分析，其具体的含义表现为以下几个方面：(1)运用工程数值分析中的有限元等技术分析计算产品结构的应力、变形等物理场量，给出整个物理场量在空间与时间上的分布，实现结构的从线性、静力计算分析到非线性、动力的计算分析；(2)运用过程优化设计的方法在满足工艺、设计的约束条件下，对产品的结构、工艺参数、结构形状参数进行优化设计，使产品结构性能、工艺过程达到最优：(3)运用结构强度与寿命评估的理论、方法、规范，对结构的安全性、可靠性以及使用寿命做出评价与估计；(4)运用运动动力学的理论、方法，对由C A D 实体造型设计出动的机构、整机进行运动动力学仿真，给出机
42、构、整机的运动轨迹、速度、加速度以及动反力的大小等。上世纪9 0 年代是C A E 技术的成熟壮大时期。C A D 据说经过三十年的发展，经历了从线框C A D 技术到曲面C A D 技术，再到参数化技术，直到目前的变量化技术，为C A E 技术的推广应用打下了坚实的基础。这期间各C A D 软件开发商一方面大力发展自身C A D 软件的功能，如世界排名前几位的C A D 软件5C A T I A，C A D D S，U G 都增加了基本的C A E 前后处理及一般的线性、模态分析功能，或者通过并购另外的C A E 软件来增加其软件的C A E 功能。如P T C 对R a s n a 的收购
43、。在C A D 软件商大力增强其软件C A E 功能的同时，各大分析软件也在向C A D 靠拢。C A E 软件发展商积极发展与各C A D 软件的专用接口，并增强软件的前后处理能力。如M A C N a s t r a n 在1 9 9 4 年收购了P a t r a n 作为自己的前后处理软件，并先后开发了与C A T I A、U G 等C A D 软件的数据接口。同样A N S Y S 也在大力发展其软件的A N S Y S P r e p o s t 前后处理功能。而S D R C 公司利用I-D E A S 自身的C A D 功能强大的优势，积极开发与别的C A D 模型传输接口，先
44、后投放了P r o Et oI-D E A S，C A T I At o l f r o mI D E A S，U Gt o f r o mI D E A S，C A D D S 4 5S o l i dt o f r o mI D E A S 的前后处理功能，以保证C A D C A E 的相关性。这一时期的C A E 软件一方面与C A D 软件紧密结合，另一方面扩展C A E 本身的功能。M S C 先后通过开发、并购，目前旗下拥有1 0 几个产品，如用于非线性瞬态动力问题的M S C D y t r a n 等。同时A N S Y S 也把其产品扩展为A N S Y S M e c h
45、 a n i c a l，A N S Y S L S D Y N A，A N S Y S p r e p o s t 等多个应用软件。而S D R C 则在自己的单一分析模型的基础上先后形成了耐用性、噪声与震动、优化与灵敏度、电子系统冷却、热分析等专项应用技术，并将有限元技术与实验技术有机地结合起来，开发了实验信号处理、实验与分析相关等分析能力。主要表现为以下几个方面：(1)在产品的工作原理、工作性能、结构已经确定的条件下，通过C A E 技术给出产品的最大效能；(2)在产品工作原理不变的前提下，借助于C A E 计算分析指导产品结构中某些部分进行修改，以期得到更加优良的性能：(3)对新开发的
46、产品进行仿真分析，验证预期的功能，及时发现设计中的缺陷，使新产品更加有效、可靠。计算机辅助工程技术是现在工业制造领域的先进技术手段。它可以缩短原形样机的诞生时间，加速产品设计和制造。1 3 本课题所做的工作(1)新型六速自动变速器原型机行星齿轮传动相关C A E 设计。(2)设计计算了六速各档转矩传动比例。(3)利用R o m a x D e s i g n e r 对原型机进行仿真测试。1 4 本章小结本章简单分析了研究汽车自动变速器的必要性，并介绍了行星齿轮技术、汽车自动变速器技术和C A E 技术在国内外的研究现状。明确了本课题应做的工作。6第二章新型自动变速器T X 6 的结构原理新型
47、自动变速器T X 6 是英国新近正在开发的一种六速汽车自动变速器。它放弃了传统的液力变矩器的设计，而是直接采用行星齿轮系问的变速技术，使得珐自动变速器的体积能够更小，传动效率更高。21 六速自动变速器T X 6 的基本组成T X 6 一个输入轴、一个中间轴、彳：i _ 星齿轮系l、行星齿轮系2、行星齿轮系3、行垡齿轮系R 和一个输出轴组成。幽2 1 六述变速器Y x 6 示意图2 1 1 六速自动变速器T X 6 的轴该六速自动变速器的输入轴与分动齿轮是花键固定在一起的。7、叫幽2-2 六速自动变述器T X 6 输A 轴示意囤图2-3 六速自动变速器T X 6 中问轴示意图该六速自动变速器的输
48、出轴为差速器转矩输出。2 12 行星齿轮系该六速自动变速器的行星齿轮系有四组。由于每个齿轮系的行星轮轮芯和行星架所受力不同，设计的行星轮个数会有区别。图2-4 四个行星齿轮的行星齿轮系示意剖图2-5 五个行星齿轮的行星齿轮系示意图2 l3 制动器和离合器为了让换挡控制更简便，更便于控制，该六速自动变速器对每一个档位使用唯一一个制动器或者离合器。制动嚣和离合器都是由几幅摩擦片和压力片组成。不同的是各个制动器和离合器由于特定的载荷要求，其摩擦片和压力片的个数、摩擦材料面积大小和半径有略微区别。制动器是指其压力片是固定不动，不随构件转动而转动的。而离合器巧好相反，箕压力片和摩擦片一样都是固定在构件上
49、，并且随着构件的转动而转动。2 1 4 六速自动变速器控制策略为了体现该变速器的市场适应能力，此六速自动变速器的控制策略和市场上一般的变速器没有本质的区别，仍然使用的是电液控制系统。依靠制动器和离台器对变速器构件的制动或者锁死改变传动比，实现对发动机输出转矩的变换。六速自动变速器T X 6 的控制原理可以通过表2-1 说明。制动器制动器制动器离合器离合器离台器制动器B lB 2B 3C 4C 5C 6B R一档二档三档四档五档六档倒档o 表示此档位时村动器，离音器起作用2 2 六速自动变速器T X 6 设计概述六速自动变速器T X 6 的一些基本设计参数如下列一些表格所示。表2 2 六速自动变
50、速器T X 6 行星齿轮齿数表行星齿轮齿数齿圈齿数行星轮齿数太阳轮齿数行星齿轮系18 32 23 7行星齿轮系210 72 45 8行星齿轮系38 8175 2行星齿轮系R6 72 12 3表2-3 六速自动变速器T X 6 分动齿轮齿数表分动齿轮齿数T 19 1T 28 3T 18 3T 39 1T 45 8T 57 7驱动轮环2 3输出齿轮8 1表2-4 六速自动变速器T X 6 齿轮传动比率表齿轮传动比率行星轮T 4 T 5T 2 T 1T 3 T lT 5 T 4总比率传动比传动比传动比传动比传动比一档3 2 4 31 3 2 84 3 0 6二档2 8 4 5O 9 1 22 5 9