基于Solidworks的汽車減速器建模及仿真分析

郭鵬　丁祺睿　王國昌　杜季陽

摘 要：汽車二級圓柱齒輪減速器是底盤上重要的動力傳動機構，應用于各類型汽車上，將動力從動力源傳遞到驅動橋，并進一步降速增扭。減速器在使用過程中承受較大轉矩和沖擊力，容易造成零件的疲勞和損傷。運用三維軟件繪制汽車減速器模型，并進行關鍵部件從動軸的力學仿真分析，有助于汽車零部件的設計優化過程縮短時間和降低成本。

關鍵詞：減速器零件 建模 仿真分析

1 前言

汽車二級圓柱齒輪減速器是一種動力傳動機構，廣泛應用于傳統燃油車和新能源汽車傳動系統。其利用小齒輪帶動大齒輪旋轉，將驅動軸的高速轉動轉變為從動軸的低速轉動，進一步降速增扭，從而將發動機或驅動電機等動力源的動力傳遞到驅動輪上。汽車二級齒輪減速器具有運動速度高、傳遞扭矩大的特點，齒輪的異常磨損和疲勞斷折風險較大，利用計算機軟件進行建模和仿真分析，可以模擬齒輪工作場景，發現應力集中部位和疲勞點，從而優化設計、提高減速器工作可靠度和壽命。

2 二級圓柱齒輪減速器建模過程

汽車二級圓柱齒輪減速器由箱蓋、箱體、齒輪軸、從動軸、通氣塞、油面指示片、墊片、小蓋、套筒、調整環、端蓋、擋油環、反光片等零件組成，利用三維軟件Solidworks建立減速器整體的裝配模型之前應分別對各部分零件進行圖形繪制。零件列表如圖1所示。

2.1 減速器箱體和箱蓋建模

在畫零件時，首先畫箱體。根據零件圖，先拆解箱體的各種特征，確定基準點的位置，再將特殊尺寸進行定位。在對零件圖進行充分的分析后，即可使用軟件按照“零件即特征、特征即草圖、草圖即平面”的邏輯進行繪圖。作圖時可以進行“加減法”作圖。“加法”——將各種各樣小的尺寸特征做出來，如底板特征、加厚特征、加強筋特征等等。“減法”——切除部分特征和打孔特征，如箱體中間的空腔、半圓形槽、螺釘孔、銷釘孔等等。畫完后需要檢查零件的每個尺寸、特征的位置是否正確，確保每一處特征都符合零件圖的要求。確保后續的裝配過程不會出問題。圖1為減速器各部分零件圖形列表。

箱蓋的整體特征和尺寸標注過程，按照由大特征向小特征的順序作圖。在繪制箱蓋頂端凸臺時應注意以下問題：在零件圖中，凸臺只有明確的定形尺寸，定位尺寸難以在草圖中尋找，從而導致凸臺的位置難以確定。可以通過打開正視基準面的草圖，找到與凸臺中心尺寸相切的虛線，從而確定凸臺的位置；對凸臺進行拉伸時，注意拉伸后的凸臺一部分與箱蓋頂端分離的問題。有兩種解決的方法：一是在對凸臺拉伸時，向兩個方向上拉伸，一個方向拉伸相應的高度尺寸，另一個方向選擇“成形到下一面”，即可消除凸臺與箱蓋之間的縫隙；另一種方法是點擊“直接編輯”中的“刪除面”。下表面可以自動修補，從而達到相同的效果。在做箱蓋加強筋時，如果加強筋一直顯示沒有與現存模型相交叉，可以通過使用3D草圖來繪制加強筋。減速器的箱體模型如圖2所示。箱蓋模型如圖3所示。

在繪制完成后，可以在裝配圖中將箱體和箱蓋兩個零件進行預裝配，兩零件能正確裝配在一起，說明尺寸標注沒有問題，可以接著進行其他零部件的繪制。

2.2 驅動軸和從動軸建模

減速器的驅動軸是主動部分，傳遞傳動軸的旋轉力矩。從動軸將動力傳遞給差速器或半軸。分別對驅動軸、從動軸、齒輪、端蓋、反光片等零件進行建模，標準件從插件按要求導入。驅動軸模型如圖4所示，從動軸模型如圖5所示。

減速器內的零件模型創建工作完成后，就可以開始裝配模型[1]。在對零件進行裝配時，可以選擇先分別裝配出驅動軸和從動軸，再將這兩個部件作為兩個整體和其他零件裝配。因為如果將所有零件都放在一次裝配中去完成，裝配細節太多，裝配關系太散亂，裝配起來不方便，可以采用多級裝配的方法來進行裝配，從而降低裝配難度。對于這兩個軸類組合，驅動軸組合由驅動軸、擋油環（兩個）、深溝球軸承（兩個）、小端蓋、氈圈組成。從動軸組合由從動軸、平鍵、齒輪、深溝球軸承（兩個）、套筒、大端蓋、氈圈組成。在裝配時應注意大、小端蓋的方向，不要裝反，當裝配完成后，可以對軸進行干涉檢查，當計算結果顯示“無干涉”，則說明各零件裝配正確。

2.3 減速器總體裝配

完成對軸的裝配后，就可以對減速器整體進行總體裝配：打開裝配圖，先導入箱體和驅動軸組合，將驅動軸的軸承和半圓槽相配合后，插入小端蓋和小調整環與驅動軸裝配。接著導入從動軸組合、大調整環、大端蓋，按上述方式裝配。如果出現裝配部分零件不顯示的問題，可以重新從零件圖打開。例如裝配從動軸組合時毛氈出現報錯，可以通過零件搜索找到毛氈零件再重新打開，毛氈就顯示出來了。兩個軸和箱體裝配好之后，導入箱蓋，將箱蓋的半圓槽和箱體的半圓槽相配合，完成減速器的整體造型。繼續導入墊片和小蓋，按導入順序和箱蓋頂端的凸臺相配合后，插入通氣塞，這時候通氣塞是活動的，沒有固定住。需要從軟件自帶的設計庫中調用一個對應尺寸的平墊圈和螺母，在剖視圖中對通氣塞進行加固鎖定。然后在小蓋上插入螺釘來固定墊片和小蓋，插入一個螺釘后，可以采用陣列的方法將螺釘陣列到其余三個螺紋孔中。接著導入墊片1、反光片、油面指示片、墊片2、小蓋。按導入順序安裝在箱體上并進行旋轉約束，確保孔位對齊，同軸裝配。再接著安裝出油孔的螺塞。螺塞裝配完成后，整個減速器就只剩下螺紋孔沒有處理了，這時只需要對每個螺紋孔安裝要求規格的螺釘、墊圈和螺母，整個減速器的建模就完成了。完成后可以對減速器整體做一次干涉檢查，在干涉檢查中，高亮顯示干涉區域，通過在裝配體中直接點擊或單獨打開零件，即可快速地對零件進行修改，達到最終設計要求[2]。減速器如圖6所示，爆炸圖如圖7所示。

3 減速器從動軸靜力分析

汽車減速器從動軸在工作中既要傳遞來自動力裝置的較大轉矩，又要承受地面通過車輪對減速機構施加的沖擊，使用過程中容易出現疲勞和損傷，影響減速器的可靠性和壽命。用仿真軟件對其性能進行仿真模擬，可以有效的優化和調整其使用性能，延長零件的使用壽命。而利用SolidWorks中的有限元分析插件simulation對減速器輸出軸進行有限元分析，避免了三維建模軟件與力學分析軟件的不兼容問題[3]。

對從動軸進行靜應力分析：打開SolidWorks中的simulation插件，首先對軸賦予一個合金鋼的材質，然后對軸兩個平鍵槽中的一個槽的四個面進行夾具固定。因為軸的主要受力來源于齒輪配合的鍵槽，鍵槽是受到剪切力最大的地方。在汽車起動的瞬間，因為運動的相互性，一個槽是靜止的，另一個槽會受到一個扭矩。從靜止到運動的過程，軸受到的力是最大的，所以只需要對起動瞬間的狀態進行模擬分析。對一個槽完成固定后，對另一個鍵槽面施加一個1000牛米的扭矩，然后對整個軸生成網格，運行算例。結果如圖8所示。

圖8顯示紅色區域為鍵槽應力集中部位，大小為N·m。在設計和生產環節應對該部位進行強化處理。圖中顯示綠色區域表示零件受力在材料許用應力范圍內。有限元分析可以更加高效地驗證零件是否滿足使用要求。縮短產品開發的周期，節約人力和物力成本。

4 結論

利用計算機軟件對汽車零部件進行三維建模和性能仿真，可以直觀發現設計問題，找到優化方向。縮短產品開發的時間，節約成本。近年來隨著新能源汽車技術的快速發展，利用計算機軟件進行汽車零部件產品的開發和測試正在逐漸替代原有的產品設計模式，除本文中使用的仿真軟件Solidworks外，主要面向科學計算、可視化和交互式程序設計的MATLAB在汽車仿真方面也有著廣泛的應用。利用計算機仿真軟件能夠幫助設計者們更加有效地實現汽車的模擬和設計。

基金項目：【2022年度河南工程學院開放實驗項目（重點項目）】；【2021年度河南工程學院教育教學改革研究項目（一般項目23）】。

參考文獻：

[1]王春香，孫洪軍.二級圓柱齒輪減速器3D模型與其運動和裝配仿真研究[J].煤礦機械.2005.01．

[2]肖啟明，蘇道齊，陳冀文. 基于Solid Works的二級齒輪減速器虛擬裝配與運動仿真[J]. 裝備制造技術.2010.08．

[3]劉雪松，王東亮，薛曉瑩. 基于Solid Works礦用電機車減速器的三維模型建立及輸出軸的有限元分析[J]. 煤礦機械.2012.04．