郭鵬　丁祺?！⊥鯂?guó)昌　杜季陽(yáng)

摘 要：汽車(chē)二級(jí)圓柱齒輪減速器是底盤(pán)上重要的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，應(yīng)用于各類(lèi)型汽車(chē)上，將動(dòng)力從動(dòng)力源傳遞到驅(qū)動(dòng)橋，并進(jìn)一步降速增扭。減速器在使用過(guò)程中承受較大轉(zhuǎn)矩和沖擊力，容易造成零件的疲勞和損傷。運(yùn)用三維軟件繪制汽車(chē)減速器模型，并進(jìn)行關(guān)鍵部件從動(dòng)軸的力學(xué)仿真分析，有助于汽車(chē)零部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程縮短時(shí)間和降低成本。

關(guān)鍵詞：減速器零件 建模 仿真分析

1 前言

汽車(chē)二級(jí)圓柱齒輪減速器是一種動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)燃油車(chē)和新能源汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)。其利用小齒輪帶動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)，將驅(qū)動(dòng)軸的高速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭?dòng)軸的低速轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步降速增扭，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)電機(jī)等動(dòng)力源的動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上。汽車(chē)二級(jí)齒輪減速器具有運(yùn)動(dòng)速度高、傳遞扭矩大的特點(diǎn)，齒輪的異常磨損和疲勞斷折風(fēng)險(xiǎn)較大，利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行建模和仿真分析，可以模擬齒輪工作場(chǎng)景，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中部位和疲勞點(diǎn)，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高減速器工作可靠度和壽命。

2 二級(jí)圓柱齒輪減速器建模過(guò)程

汽車(chē)二級(jí)圓柱齒輪減速器由箱蓋、箱體、齒輪軸、從動(dòng)軸、通氣塞、油面指示片、墊片、小蓋、套筒、調(diào)整環(huán)、端蓋、擋油環(huán)、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(yīng)分別對(duì)各部分零件進(jìn)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(huà)零件時(shí)，首先畫(huà)箱體。根據(jù)零件圖，先拆解箱體的各種特征，確定基準(zhǔn)點(diǎn)的位置，再將特殊尺寸進(jìn)行定位。在對(duì)零件圖進(jìn)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(jìn)行繪圖。作圖時(shí)可以進(jìn)行“加減法”作圖?！凹臃ā薄獙⒏鞣N各樣小的尺寸特征做出來(lái)，如底板特征、加厚特征、加強(qiáng)筋特征等等?！皽p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(xiāo)釘孔等等。畫(huà)完后需要檢查零件的每個(gè)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(xù)的裝配過(guò)程不會(huì)出問(wèn)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(biāo)注過(guò)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(tái)時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題：在零件圖中，凸臺(tái)只有明確的定形尺寸，定位尺寸難以在草圖中尋找，從而導(dǎo)致凸臺(tái)的位置難以確定?？梢酝ㄟ^(guò)打開(kāi)正視基準(zhǔn)面的草圖，找到與凸臺(tái)中心尺寸相切的虛線，從而確定凸臺(tái)的位置；對(duì)凸臺(tái)進(jìn)行拉伸時(shí)，注意拉伸后的凸臺(tái)一部分與箱蓋頂端分離的問(wèn)題。有兩種解決的方法：一是在對(duì)凸臺(tái)拉伸時(shí)，向兩個(gè)方向上拉伸，一個(gè)方向拉伸相應(yīng)的高度尺寸，另一個(gè)方向選擇“成形到下一面”，即可消除凸臺(tái)與箱蓋之間的縫隙；另一種方法是點(diǎn)擊“直接編輯”中的“刪除面”。下表面可以自動(dòng)修補(bǔ)，從而達(dá)到相同的效果。在做箱蓋加強(qiáng)筋時(shí)，如果加強(qiáng)筋一直顯示沒(méi)有與現(xiàn)存模型相交叉，可以通過(guò)使用3D草圖來(lái)繪制加強(qiáng)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(gè)零件進(jìn)行預(yù)裝配，兩零件能正確裝配在一起，說(shuō)明尺寸標(biāo)注沒(méi)有問(wèn)題，可以接著進(jìn)行其他零部件的繪制。

2.2 驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸建模

減速器的驅(qū)動(dòng)軸是主動(dòng)部分，傳遞傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)力矩。從動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞給差速器或半軸。分別對(duì)驅(qū)動(dòng)軸、從動(dòng)軸、齒輪、端蓋、反光片等零件進(jìn)行建模，標(biāo)準(zhǔn)件從插件按要求導(dǎo)入。驅(qū)動(dòng)軸模型如圖4所示，從動(dòng)軸模型如圖5所示。

減速器內(nèi)的零件模型創(chuàng)建工作完成后，就可以開(kāi)始裝配模型[1]。在對(duì)零件進(jìn)行裝配時(shí)，可以選擇先分別裝配出驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸，再將這兩個(gè)部件作為兩個(gè)整體和其他零件裝配。因?yàn)槿绻麑⑺辛慵挤旁谝淮窝b配中去完成，裝配細(xì)節(jié)太多，裝配關(guān)系太散亂，裝配起來(lái)不方便，可以采用多級(jí)裝配的方法來(lái)進(jìn)行裝配，從而降低裝配難度。對(duì)于這兩個(gè)軸類(lèi)組合，驅(qū)動(dòng)軸組合由驅(qū)動(dòng)軸、擋油環(huán)（兩個(gè)）、深溝球軸承（兩個(gè)）、小端蓋、氈圈組成。從動(dòng)軸組合由從動(dòng)軸、平鍵、齒輪、深溝球軸承（兩個(gè)）、套筒、大端蓋、氈圈組成。在裝配時(shí)應(yīng)注意大、小端蓋的方向，不要裝反，當(dāng)裝配完成后，可以對(duì)軸進(jìn)行干涉檢查，當(dāng)計(jì)算結(jié)果顯示“無(wú)干涉”，則說(shuō)明各零件裝配正確。

2.3 減速器總體裝配

完成對(duì)軸的裝配后，就可以對(duì)減速器整體進(jìn)行總體裝配：打開(kāi)裝配圖，先導(dǎo)入箱體和驅(qū)動(dòng)軸組合，將驅(qū)動(dòng)軸的軸承和半圓槽相配合后，插入小端蓋和小調(diào)整環(huán)與驅(qū)動(dòng)軸裝配。接著導(dǎo)入從動(dòng)軸組合、大調(diào)整環(huán)、大端蓋，按上述方式裝配。如果出現(xiàn)裝配部分零件不顯示的問(wèn)題，可以重新從零件圖打開(kāi)。例如裝配從動(dòng)軸組合時(shí)毛氈出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)，可以通過(guò)零件搜索找到毛氈零件再重新打開(kāi)，毛氈就顯示出來(lái)了。兩個(gè)軸和箱體裝配好之后，導(dǎo)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(xù)導(dǎo)入墊片和小蓋，按導(dǎo)入順序和箱蓋頂端的凸臺(tái)相配合后，插入通氣塞，這時(shí)候通氣塞是活動(dòng)的，沒(méi)有固定住。需要從軟件自帶的設(shè)計(jì)庫(kù)中調(diào)用一個(gè)對(duì)應(yīng)尺寸的平墊圈和螺母，在剖視圖中對(duì)通氣塞進(jìn)行加固鎖定。然后在小蓋上插入螺釘來(lái)固定墊片和小蓋，插入一個(gè)螺釘后，可以采用陣列的方法將螺釘陣列到其余三個(gè)螺紋孔中。接著導(dǎo)入墊片1、反光片、油面指示片、墊片2、小蓋。按導(dǎo)入順序安裝在箱體上并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)約束，確?？孜粚?duì)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(gè)減速器就只剩下螺紋孔沒(méi)有處理了，這時(shí)只需要對(duì)每個(gè)螺紋孔安裝要求規(guī)格的螺釘、墊圈和螺母，整個(gè)減速器的建模就完成了。完成后可以對(duì)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(qū)域，通過(guò)在裝配體中直接點(diǎn)擊或單獨(dú)打開(kāi)零件，即可快速地對(duì)零件進(jìn)行修改，達(dá)到最終設(shè)計(jì)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(dòng)軸靜力分析

汽車(chē)減速器從動(dòng)軸在工作中既要傳遞來(lái)自動(dòng)力裝置的較大轉(zhuǎn)矩，又要承受地面通過(guò)車(chē)輪對(duì)減速機(jī)構(gòu)施加的沖擊，使用過(guò)程中容易出現(xiàn)疲勞和損傷，影響減速器的可靠性和壽命。用仿真軟件對(duì)其性能進(jìn)行仿真模擬，可以有效的優(yōu)化和調(diào)整其使用性能，延長(zhǎng)零件的使用壽命。而利用SolidWorks中的有限元分析插件simulation對(duì)減速器輸出軸進(jìn)行有限元分析，避免了三維建模軟件與力學(xué)分析軟件的不兼容問(wèn)題[3]。

對(duì)從動(dòng)軸進(jìn)行靜應(yīng)力分析：打開(kāi)SolidWorks中的simulation插件，首先對(duì)軸賦予一個(gè)合金鋼的材質(zhì)，然后對(duì)軸兩個(gè)平鍵槽中的一個(gè)槽的四個(gè)面進(jìn)行夾具固定。因?yàn)檩S的主要受力來(lái)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(chē)起動(dòng)的瞬間，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的相互性，一個(gè)槽是靜止的，另一個(gè)槽會(huì)受到一個(gè)扭矩。從靜止到運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，軸受到的力是最大的，所以只需要對(duì)起動(dòng)瞬間的狀態(tài)進(jìn)行模擬分析。對(duì)一個(gè)槽完成固定后，對(duì)另一個(gè)鍵槽面施加一個(gè)1000牛米的扭矩，然后對(duì)整個(gè)軸生成網(wǎng)格，運(yùn)行算例。結(jié)果如圖8所示。

圖8顯示紅色區(qū)域?yàn)殒I槽應(yīng)力集中部位，大小為N·m。在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)對(duì)該部位進(jìn)行強(qiáng)化處理。圖中顯示綠色區(qū)域表示零件受力在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)。有限元分析可以更加高效地驗(yàn)證零件是否滿足使用要求?？s短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期，節(jié)約人力和物力成本。

4 結(jié)論

利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)汽車(chē)零部件進(jìn)行三維建模和性能仿真，可以直觀發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，找到優(yōu)化方向?？s短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間，節(jié)約成本。近年來(lái)隨著新能源汽車(chē)技術(shù)的快速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行汽車(chē)零部件產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和測(cè)試正在逐漸替代原有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式，除本文中使用的仿真軟件Solidworks外，主要面向科學(xué)計(jì)算、可視化和交互式程序設(shè)計(jì)的MATLAB在汽車(chē)仿真方面也有著廣泛的應(yīng)用。利用計(jì)算機(jī)仿真軟件能夠幫助設(shè)計(jì)者們更加有效地實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的模擬和設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目：【2022年度河南工程學(xué)院開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（重點(diǎn)項(xiàng)目）】；【2021年度河南工程學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（一般項(xiàng)目23）】。

參考文獻(xiàn)：

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