1、陕西理工学院毕业设计论文基于 UG的商用车变速箱三维设计及仿真建模段 战 锋（陕理工机械工程学院热能与动力工程专业汽车 032班，陕西 汉中 723003）指导教师：赵永强摘要本文阐述汽车变速器在汽车中的功用、汽车变速器的工作原理及汽车变速器的设计和发展形势。讨论了汽车变 速器的分类情况， 阐述了国内外汽车变速器的研究现状。具体说明了汽车机械式变速器的设计步骤及本课题的设计情况。文中表述了该变速器的动力传动方案，计算列举了相关 挡位的传动比， 设计了 变速器的传动齿轮， 轴等重要零部件。利用 UG 软件进行汽车机械式有机变速器总成设计，并配有重要的零件设计和制作过程。零部件和变速器整体的装配制
2、作过程，以及 变 速器的运动仿真过程，二 维工程图的产生。有限元分析的过程 。关键词：汽车变速箱 三维实体建模 运动分析陕西理工学院毕业设计论文The Design and Simulation of 3D Modeling Commercial Vehicle Transmission Gearbox Based on UGAuthor：Duan Zhan-feng（Grade03,Class032, Major Heat energy and power engineering，School of Mechanical engineering，Shaanxi University of T
3、echnology，Hanzhong 723003，Shaanxi）Tutor：Zhao Yong-qiang Abstract The article also elaborates the automobile transmission gearbox in automobile function, the automobile transmission gearbox principle of work and the automobile transmission gearbox design and the development situation. Discussed the a
4、utomobile transmission gearbox classified situation, elaborated the domestic and foreign automobile transmission gearbox research present situation. Specifically explained the automobile mechanical type transmission gearbox design procedure and this topic design situation. In the article has indicat
5、ed this transmission gearbox power drive plan, and the computation enumerated the correlation to keep off position the velocity ratio, has designed the transmission gearbox transmission gear, the axis and so on the important spare part.This article uses UG software to carry on the automobile mechani
6、cal type organic transmission gearbox always to become the design, and has the important components design and the manufacture process. Spare part and transmission gearbox whole assembly manufacture process, as well as transmission gearbox movement simulation process, two-dimensional engineering pla
7、t production. Finite element analysis process. Key words: gearbox modeling assembling Sport analysis陕西理工学院毕业设计论文I 目 录1.绪论 .11.1 CAD软件在国内外发展现状及研究意义 .11.2设计开发平台的选取 .11.3 Unigraphics软件的简介 .21.4 商用车变速器在国内发展现状 .21.5 机械式商用汽车变速器的技术特点 .31.6本文主要工作 .32.变速器的结构设计与参数选取 .42.1手动变速器的工作原理 .42.2设计参数 .52.3发动机的选择 .52.3
8、.1发动机最大功率和相应转速的确定 .52.3.2发动机最大转矩的确定 .62.3.3发动机型号 .62.4变速器设计 .62.4.1传动系最小传动比选择 .62.4.2变速器形式的选择 .72.4.3传动机构布置方案分析 .72.5变速器主要参数的选择 .92.6轴的计算 .132.7变速器轴承 .142.8同步器 .153.变速器的实体建模与装配 .203.1变速器各部件的实体建模方法 .203.1.1直齿轮的建模 .203.1.2斜齿轮的建模 .233.1.3一轴的建模 .273.1.4轴承的建模 .333.2变速器装配体的建模 .343.2.1 UG装配模块功能简述 .343.2.2添
9、加已有的组件到装配体 .353.2.3在装配中定位组件 .353.2.4装配综合实例 .363.3平面工程图的生成 .394.变速器的仿真分析 .44陕西理工学院毕业设计论文II 4.1运动仿真 .444.2有限元分析 .46致 谢 .50参考文献 .51陕西理工学院毕业设计论文第 1 页 共 51 页1.绪论1.1 CAD软件在国内外发展现状及研究意义在如今全球市场统一的情况下，市场竞争日益激烈，产品更新速度更快，但是有限的资源加上消费者对复杂产品的需求日益增加，很难保持市场分额。而使用传统的产品设计思路和方法已经不能满足产品更新的速度。在这种背景下，CAD(计算机辅助设计)/CAM(计算机
10、辅助制造)/CAE（计算机辅助测量）技术得到迅速普及和极大发展。在为数众多的 CAD/CAM/CAE 软件中，主流软件种类繁多，UG，PRO/E， CIMATR， MDT，IDEAS，MASTERCAM 各个都是极品，但近年来Unigraphics（简称 UG）在工业解决方案中地位显赫。Unigraphics Solutions 公司（简称UGS）是全球著名的 MCAD 供应商，主要为汽车、航空航天、日用消费、通用机械、及电子工业等领域通过其虚拟产品开发（VPD）的理念提供多极化的、集成化的、企业级的完整 MCAD 解决方案。其主要的 CAD 产品是 Unigraphics。当今发达国家的汽车
11、产品设计方法和手段已经不局限于利用通用的 CAD/CAE 软件（如 UG，CATIA，PRO/E 等）进行一般的设计计算和三维制图，还进行包括设计参数的优化计算，设计结果的分析于仿真等在内的一系列计算机辅助设计和开发活动。如果仅使用一些通用的 CAD/CAE 软件而缺乏对有针对性的汽车产品开发专用软件的使用，实现汽车产品开发从设计，试验，修改到最终定型过程高度的计算机化，就难以使这些软硬件设备充分发挥最大效用，而只能起到“计算机辅助绘图”的作用。只有在通用的 CAD/CAE 软件的基础上开发适合企业自身需要的汽车软件，把产品数据库，设计分析过程，设计知识和通用 CAD/CAE 软件有机的结合起
12、来，才能实现新型的快速，高性能，低成本开发。商用汽车变速箱的设计比较复杂，实现从总布置设计，分析计算过程的高度计算机化，提高设计效率。随着我国汽车、摩托车、家电等工业的迅速发展，工业产品的外形在满足性能要求的同时，变得越来越复杂，而这些产品的制造离不开模具，这就要求模具制造行业以最快的速度、最低的成本、最高的质量生产出模具。为了达到上述要求，模具企业只有运用先进的管理手段和 CAD/CAM 集成制造技术，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。1.2设计开发平台的选取20世纪80年代以来，国际上推出了一大批通用CAI 集成软件，如UG、AUTOCAD、Pro/E、Solidwork等。相比之下，U
13、G是一个完全参数化的软件，而陕西理工学院毕业设计论文第 2 页 共 51 页且它还提供了一套完整的设计、设计和制造的方案。因此，课题拟采用UG作为开发平台。1.3 Unigraphics软件的简介Unigraphics在航空、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其他高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到广泛的应用。多年来，UGS一直在支持美国通用汽车公司目前全球最大的虚拟产品开发项目，同时Unigraphics也是日本著名汽车零部件制造商DENSO公司的计算机应用标准，并在全球汽车行业得到了很大的应用。Unigraphics软件是一个集成化的 CAD/CAE/CAM系统软件，他
14、为工程设计人员提供了非常强大的应用工具，这些工具可以对产品进行设计（包括零件设计和装配设计） 、工程分析（有限元分析和运动机构分析） 、绘制工程图、编写数控加工程序等。除此之外还有模具设计模块（冷冲模，注塑模等） 、钣金加工模块、管道布局、总体设计及车辆工程包。它使产品的设计效率大大提高，使产品在设计初期具有更多的灵活性，保证在日后根据系统要求进行相应的更改和计算;另外在产品的设计方案阶段，可以形象的表现系统的组成特点，而在产品的生产阶段可以方便与加工中心数据连接。UG具有以下优势：（1）可以为机械设计、模具设计以及电器设计单位提供一套完整的设计，分析和制作方案。（2）UG是一个完全参数化的软
15、件，为零部件的系统化建模、装配、分析提供了强大的基础支持。（3）UG可以管理CAD数据及整个产品开发周期中的所有相关数据，实现逆向工程（erverse Design ）和并行工程（Concurrent Engineer）等先进设计方法。（4）UG可以完成包括自由曲面在内的复杂模型的创建，同时在图形显示方面运用了区域化管理方式，节约系统资源。（5）具有强大的装配功能，并在装配的过程中引用了装配集的设计思想。为节省计算机资源提供了行至有效的解决方案，可以极大的提高设计效率。随着UG版本的提高，软件的功能越来越强大，复杂程度也越来越高。对于汽车设计者来说，UG是使用的最广发的设计软件之一。1.4 商
16、用车变速器在国内发展现状虽然自动变速器在近年来有很大发展，但手动机械变速器在汽车传动中仍占有很陕西理工学院毕业设计论文第 3 页 共 51 页大比例，一般商用运输车辆，特别是长途运输车辆，因为所需挡位多，速比范围大，故多采用手动机械变速器，在我国相当长的时间里，手动机械变速器会占很高的比例。国内商用车变速器产品的技术多源于美国、德国、日本几个国家，引进技术多为国外上世纪8090年代的产品。作为汽车高级技术领域的商用汽车变速器在国内漫长的引进消化过程中，如今已有长足的进步，能够在原有技术引进的基础上，通过改型自行开发出符合配套要求的新产品，每年商用车变速器行业都能有十几个新产品推向市场。但从当今
17、商用车变速器的发展情况来看，在新产品开发上国内商用车变速器仍然走的是一般性的开发过程，没有真正的核心技术产品；从国内商用汽车变速器市场容量来看，有三分之一的产品来自进口，而另外三分之二的产品中有80%以上源自国外技术，国内自主开发的商用汽车变速器产品销量很小，从而说明国内商用汽车变速器厂家的自主开发能力仍然很薄弱，应对整车新车型配套产品的能力远远不够。1.5 机械式商用汽车变速器的技术特点商用汽车的装载质量大，使用条件复杂。欲保证重型汽车具有良好的动力性、经济性和加速性，必须扩大变速器传动比的范围并增加档位数。为避免变速器的结构过于复杂和便于系列化生产，多采用组合式机械变速器。即以一二种46档
18、变速器为主体，通过更换系列齿轮副和配置不同的副变速器，得到一组不同档位数、不同传动比范围的变速器系列。目前，组合式机械变速器已成为重型汽车采用的主要型式。组合式机械变速器一般分为倍档(分段式配档)组合式机械变速器和半档(插入式配档)组合式机械变速器。1.6本文主要工作1）根据设计要求对变速器的结构进行合理的布局。2）根据设计要求计算确定变速器的各个主要参数。3）对变速器的各零部件进行三维建模。4）将变速器的三维实体模型进行装配。5）对装配好变速器模型进行运动仿真和有限元分析。陕西理工学院毕业设计论文第 4 页 共 51 页2.变速器的结构设计与参数选取变速器按传动比的变化可分为有级式变速器，无
19、级式变速器和综合式变速器。有级式变速器是目前采用最广的一种。他采用齿轮传动，具有若干个定值传动比，有较大的速比范围，价格便宜维修简单。无级式变速器，其传动比在一定的数值范围内可按无限多级变化。综合式变速器是指用液力变矩器和齿轮式有机变速器组成的液力机械式变速器，其传动比可在最大值和最小值之间的几个间断的范围内做无级变化。变速器按操纵方式可分为手动强制操纵式变速器和自动操纵式变速器。手动强制操纵式变速器是靠驾驶员直接操纵变速杆换挡。自动操纵式变速器是指机械变速器每个档位的变换是借助反应发动机负荷和车速的信号系统来控制换挡系统的执行元件而实现的，驾驶员只需要操纵加速踏板以控制车速。商用车用于载荷较
20、大需要频繁换挡，要求有较大的速比范围因此多采用机械式手动变速器。2.1手动变速器的工作原理机械式手动变速器是最常见的变速器，简称 MT。常见的是中间轴式变速器，即输入轴、轴出轴和中间轴，它们构成了变速器的主体，当然还有一根倒档轴。手动变速器又称手动齿轮式变速器，含有可以在轴向滑动的齿轮，通过不同齿轮的啮合达到变速变扭目的。典型的手动变速器结构及原理如下。输入轴也称第一轴，它的前端花键直接与离合器从动盘的花键套配合，从而传递由发动机过来的扭矩。第一轴上的齿轮与中间轴齿轮常啮合，只要轴入轴一转，中间轴及其上的齿轮也随之转动。中间轴也称副轴，轴上固连多个大小不等的齿轮。输出轴又称第二轴，轴上套有各前
21、进档齿轮，可随时在操纵装置的作用下与中间轴的对应齿轮啮合，从而改变本身的转速及扭矩。输出轴的尾端有花键与传动轴相联，通过传动轴将扭矩传送到驱动桥减速器。由此可知，变速器前进档位的驱动路径是：输入轴常啮齿轮中间轴常啮齿轮中间轴对应齿轮第二轴对应齿轮。倒车轴上的齿轮也可以由操纵装置拨动，在轴上移动，与中间轴齿轮和输出轴齿轮啮合,以相反的旋转方向输出。多数汽车都有 5个前进档和一个倒档，每个档位有一定的传动比，多数档位传动比大于 1，第 4档传动比为 1，称为直接档，而传动比小于 1的第 5档称为加速档。空档时输出轴的齿轮处于非啮合位置，无法接受动力传输。陕西理工学院毕业设计论文第 5 页 共 51
22、 页由于变速器输入轴与输出轴以各自的速度旋转，变换档位时合存在一个“同步“问题。两个旋转速度不一样齿轮强行啮合必然会发生冲击碰撞，损坏齿轮。因此，旧式变速器的换档要采用 “两脚离合”的方式，升档在空档位置停留片刻，减档要在空档位置加油门，以减少齿轮的转速差。但这个操作比较复杂，难以掌握精确。因此设计师创造出“同步器”，通过同步器使将要啮合的齿轮达到一致的转速而顺利啮合。目前全同步式变速器上采用的是惯性同步器，它主要由接合套、同步锁环等组成，它的特点是依靠同步锁环摩擦作用实现同步。接合套、同步锁环和待接合齿轮的齿圈上均有倒角（锁止角），同步锁环的内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触产生摩擦。锁止角与
23、锥面在设计时已作了适当选择，锥面摩擦使得待啮合的齿套与齿圈迅速同步，同时又会产生一种锁止作用，防止齿轮在同步前进行啮合。当同步锁环内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触后，在摩擦力矩的作用下齿轮转速迅速降低（或升高）到与同步锁环转速相等，两者同步旋转，齿轮相对于同步锁环的转速为零，因而惯性力矩也同时消失，这时在作用力的推动下，接合套不受阻碍地与同步锁环齿圈接合，并进一步与待接合齿轮的齿圈接合而完成换档过程。2.2设计参数下列为此次设计汽车主要参数，根据其主要参数设计与其相匹配的机械式手动变速器。1) 额定载重质量： 4000（Kg）2) 最大总质量： 7140（Kg）3) 最大车速： 100（Kmh
24、 ）14) 比功率： 15（Kmt ）5) 比转矩： 40（Nmt ）12.3发动机的选择设计要求货车的载重量为 4t，根据商用车汽油发动机和柴油发动机优缺点的比较，最终选择柴油发动机。选用四冲程、直列气缸、水冷、直喷式柴油机。2.3.1发动机最大功率和相应转速的确定在对发动机的最大功率 Pemax和最大功率是相应的转速 np进行确定时，应根据所要设计的汽车的主要参数和相应的理论计算公式进行确定。（1）所设计汽车最大车速 ，估算 。hKmVa/10xmaxeP陕西理工学院毕业设计论文第 6 页 共 51 页（2-1）3maxmaxmax13607140aIDeIgfCAPV 发动机最大功率 K
25、w； 传动系效率；I 汽车总质量 Kg； g 重力加速度；a 滚动阻力系数； 最大车速 Kmh；If maxV 空气阻力系数； A 汽车正面投影面积 m ；DC 2则 =107.12KwmaxeP（2）根据设计方案中给出的发动机比功率 P =15 Kmt ,则所求发动机功率：b1=157.14=107.1，与经验公式相差不大。axe（3）最大功率是对应的转速 n ，参考中型载货汽车及所选用发动机形式，取p=25003200 。 pnir2.3.2发动机最大转矩的确定用下式计算确定发动机的最大转矩 Tamax（2-2）mNnaPTpa /16.409954mxmx 转矩适应性系数 发动机最大转矩
26、 最大功率对用转数eax pn2.3.3发动机型号根据设计要求选用发动机型号为 EQD6105：四冲程、直列气缸、水冷、直喷式柴油机。缸数缸径行程（mm） 6105120压缩比 17：1额定功率/转速（kw/r/min） 107/2800最大转矩/转速（Nm/r/min） 420/1600怠速（r/min） 800 502.4变速器设计2.4.1传动系最小传动比选择）传动系总传动比是传动系中各部分传动比的乘积，即 式中， 为变tzocigi速器的传动比； 为主减速器的传动比； 为分动器或副变速器的传动比。一般的汽车oi ci没有分动器，此设计中也没有分动器，则可省去 。ci）传动系的最小传动比发动机的转速与汽车行驶速度的关系 ，式中：n 为发动机转速0.37agomVi
