變速器的快速開發平臺研究

慈龍濤

（南京工程學院，江蘇 南京211100）

1 概述

目前國內眾多科研院所都應用有限元分析方法對變速器設計進行研究，且隨著計算機軟硬件水平的提高，變速器零部件有限元分析向著更加精確細致的方向發展[1]。沈陽建筑大學的韓澤光教授介紹了對Solid Works 二次開發的核心技術與開發方法[2]。湖南大學的劉子建教授等人以參數化模型驅動及設計數據模型規劃方法構建了產品快速設計平臺軟件架構，最后運用該方法構建了塔式起重機快速優化設計平臺[3]。貴州大學的可帥對三維畫圖軟件進行二次開發，實現鎖止離合器關鍵零部件的參數化設計和參數化裝配，提高了設計效率[4]。但我國的快速設計技術研究與國外對比，國內的對于快速設計技術的應用尚淺。本研究旨在對變速器的基本參數進行選擇確定，對變速器中的關鍵零件進行設計計算，運用快速設計理論、計算機設計語言等技術研發一套變速器的參數化設計系統和裝配系統，并通過CAE 分析和強度校核公式語言對設計完成的零部件進行快速并準確的性能分析與校核。

2 變速器快速開發平臺的總體架構

本文以變速器齒輪為研究對象，對變速器產品快速開發平臺進行功能模塊劃分，搭建了該平臺的總體結構框架。并綜合運用模塊化、參數化等先進技術，開發了變速器快速開發系統平臺，平臺的總體結構框架如圖1 所示。

圖1 平臺的總體結構框架

2.1 查詢模塊的設計。查詢模塊中可以通過信息化查詢界面可對現有齒輪的編號、齒數、模數、壓力角等基本信息進行查詢。設計查詢模塊首先需要建立一個數據庫，本文采用Access 構建斜齒輪數據庫，設計的表如圖2 所示，字段名稱的定義方便對所需齒輪參數進行檢索，系統管理人員具有對數據庫中零部件相關信息的操作權限，包含齒輪相關數據信息的輸入增加、也可根據齒輪編號修改或刪除數據庫中的齒輪信息權限[5]。用戶可在如圖3 所示的查詢模塊中通過輸入齒輪編號等參數進行其他信息的查詢，并在模塊的圖片窗口對所查詢齒輪進行圖片展示。

圖2 零部件數據庫

圖3 查詢模塊

2.2 參數化設計模塊。參數化設計模塊通過齒輪模型的參數化設計把齒輪模型中的關鍵尺寸和其他尺寸關聯起來，當設計人員修改齒輪模型的關鍵尺寸時，其關聯尺寸隨之做出對應的修改，實現了尺寸驅動[6]利用VB 控件實現的斜齒輪的參數化設計對話框，在此界面上可以在對話框中手動輸入自設計參數進行修改模型參數值，SolidWorks 系統則可自動更新生成新的變速器齒輪三維模型[7]。如圖4 所示為利用VB控件實現的變速器齒輪的參數化設計對話框。

圖4 參數化設計模塊對話框

斜齒圓柱齒輪參數化設計的一般步驟為：創建新零件→建立齒廓數學模型→繪制螺旋線→繪制齒輪胚體→掃描切除形成單個齒槽→圓周陣列齒槽形成完整的齒形→繪制中間過渡部分→繪制傳動轂花鍵→保存，斜齒輪創建的結果如圖5 所示。

圖5 斜齒輪的創建

2.3 CAE 分析模塊。為了實現平臺對結構的靜動力學的仿真，在本開發平臺中設置了CAE 分析模塊。

在CAE 分析模塊中，如圖6 所示，通過VB其內部函數shell（）函數實現對Windows 應用程序的調用。利用VB對打開的ANSYS程序寫入APDL 文件，實現對ANSYS 的控制[8]，如圖7。為ANSYS軟件對所設計的斜齒輪進行的有限元分析。通過采用Shell Execute 函數直接調用ADAMS軟件，在ADAMS軟件中對零件進行仿真分析，可以反映出齒輪嚙合的實際動態載荷情況。

圖6 CAE 分析模塊

圖7 ANASYS 斜齒輪分析

VB連接ANSYS主要程序：

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

VB連接ADAMS主要程序:

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

2.4 結構強度校核模塊。汽車變速器齒輪有兩種失效模式很常見：斷齒和點蝕。斷齒是一種疲勞失效（彎曲疲勞），其疲勞源發生在受力拉伸側齒根[9]。點蝕也是一種疲勞失效（接觸疲勞），發生在齒面上。故需要對齒輪進行強度校核，在本開發平臺中開發了齒輪的強度校核模塊[10]。

在接觸強度校核模塊通過編寫程序以及相關公式，輸入齒輪的齒寬、分度圓直徑、載荷系數等參數可以對齒輪進行接觸強度和校核彎曲強度校核，接觸強度校核模塊如圖8，彎曲強度校核模塊如圖9 所示。

圖8 接觸強度校核模塊

圖9 彎曲強度校核模塊

接觸強度校核模塊是以斜齒圓柱齒輪齒面接觸疲勞強度校核公式為基礎所得：

σH=ZH*2E*Zε*Zβ*√（2*K*T1/bd2）

彎曲強度校核模塊是以斜齒圓柱齒輪的齒根彎曲疲勞程度校核公式為基礎所得：

σF=2*K*F6*Yε*Yβ*YFa*YSa/（b*mn）

2.5 參數化裝配模塊。裝配體參數化模型的建立的步驟為添加一軸→安裝位于一軸的齒輪→添加二軸→安裝位于二軸的齒輪→添加中間軸→安裝位于中間軸的齒輪→添加倒擋軸→安裝倒擋齒輪→總體裝配。如圖10 所示的變速器整機參數化裝配界面。

圖10 裝配體人機交互界面

裝配部分程序如下：

Set Part = swApp.OpenDoc6 (App.Path & " 裝配件union.SLDASM", 2, 0, "",longstatus, longwarnings) '打開自動裝配模板文件

swApp.ActivateDoc2 "union.SLDASM", False, longstatus '激活當前部件

myModelView.FrameState = swWindowState_e.swWindowMaximized '更新模型，實現自動裝配

3 結論

本文建立了以變速器為對象的快速開發平臺，該平臺綜合運用了數據庫管理、參數化建模、CAE 分析等技術，設計了查詢、參數化、CAE 分析等應用模塊，對提高產品的設計效率、縮短產品的生產周期有很大的實用價值，同時提供了可行的方法和技術路線給其他的智能化設計開發。