UG对一般自动变速器齿轮组教具的设计——以拉维娜式和辛普森式为例

第27卷　第5期Vol.27　No.5北京印刷学院学报Journal of Beijing Institute of Graphic Communication 2019年5月May2019基于UG和3D打印的双离合自动变速器齿轮组教具的设计邹锦波,王　华(安徽工业经济职业技术学院机械与汽车工程学院,合肥230051)摘　要:双离合自动变速器由两个离合器分别控制奇数挡和偶数挡,交替切换完成换挡操作,换挡快速,具有较好的驾驶乐趣,但它结构复杂,其换挡原理较为抽象㊂自3D打印技术出现以来,在自制教具方面起到了很好的作用㊂运用UG三维软件的草图㊁齿轮建模和拉伸功能,设计双离合自动变速器齿轮组的参数,绘制输入轴㊁输出轴㊁齿轮组和同步器三维模型,转化成3D打印格式㊁打印教具,在教学中起到了很好的效果㊂在自动变速器的相关课程中,它已成为理论教学和实验教学中的重要辅助工具㊂关键词:双离合自动变速器;UG;3D打印;教具中图分类号:U463.212文献标志码:A文章编号:1004⁃8626(2019)05⁃0099⁃03 双离合自动变速器也可称为直接换挡变速器,目前社会应用的汽车较多, 手动挡自动换”,是基于手动变速器发展而来㊂双离合自动变速器早期被装配于赛车上,它消除了换挡离合时的动力传递停滞现象,换挡快速,很多教科书上都讲述了双离合自动变速器的运动原理㊂如果将内部的齿轮机构做成3D打印教具,通过操作此教具的运动,再结合多媒体的动画演示,那么学生学习自动变速器的机械部分就简单易懂,提高了教与学的有效性㊂一㊁双离合自动变速器的齿轮组结构双离合自动变速器有两根输入轴,分别与两个离合器连接,一根轴分布奇数挡齿轮和倒档齿轮,另一根轴分布偶数挡齿轮,发动机的扭矩经过离合器传到输入轴,再将扭矩传到输出轴上的齿轮,它的齿轮机构类似于手动变速器的齿轮机构,但在传递扭距过程中,两个离合器不会同时结合传递扭矩,而是通过变速器的控制模块切换两个离合器的工作状态来完成换挡动作,它综合了手动变速器与自动变速器的优点㊂双离合自动变速器是新型的自动变速器之一,换挡齿轮结构基本与手动变速器类似,是利用不同齿数的齿轮啮合传动实现转速和转距的改变,是采用多种大小不同的齿轮啮合传动,这样就构成了多个不同的挡位,离合器K1负责一挡㊁三挡㊁五挡和倒挡,离合器K2负责二挡㊁四挡㊁六挡,其结构如图1所示㊂图1　双离合自动变速器结构图[1]二㊁UG软件对双离合自动变速器齿轮机构的设计UG8.0是一款强大的三维参数化设计软件,在使用UG建模时,一定要考虑3D打印机的尺寸要求,三维建模是3D打印的基础㊂在设计双离合自动变速器的齿轮机构中,主要应用其创建草图㊁齿轮建模和拉伸功能㊂(一)齿轮组的设计前进挡齿轮设计为斜齿,倒档齿轮设计为直齿,尺寸如下:模数m为2,1-7挡各挡啮合齿轮的齿数比分别为:42/18,40/20,38/22,34/26,32/28, 收稿日期:2019⁃03⁃0627/33,26/34,倒挡37/11,惰轮的齿数为12㊂分度圆的直径与模数㊁齿数的关系如下:d =m ㊃z 式中d 为分度圆直径,m 为模数,z 为齿数㊂因此,设计的1-7挡各齿轮分度圆直径为84/36,80/40,76/44,68/52,64/56,54/66,52/68,倒挡齿轮分度圆直径为74/22,惰轮分度圆直径为24mm㊂输入轴与齿轮一体,两齿轮的间隔为25mm,当离合器结合传递发动机的扭矩时,输入轴与其上所有齿轮一同旋转,输出轴上的齿轮空套在轴上,通过同步器与轴连到一起,如图2所示㊂此部分主要应用UG 的创建草图和齿轮建模功能㊂图2　双离合自动变速器齿轮机构(二)齿轮轴和支撑架的设计两根输入轴和输出轴轴线平行,均设计成实心轴,尺寸如下:输入轴1轴长300mm,输入轴2轴长280mm,两根输出轴的轴长均为300mm,轴直径均为ϕ8mm㊂此部分主要应用UG 的创建草图和拉伸功能㊂输入输出轴需要支撑架来支撑,根据轴的尺寸,设计的支撑架长150mm,宽150mm,高55mm,厚度2mm,输入轴与输出轴的间距为60mm;支撑架的凹槽处放置齿轮轴,设计为半圆形,其尺寸为ϕ10mm;由于倒挡惰轮需要一根轴,因此还要单独设计支撑此轴的支架㊂如图3所示㊂图3　支撑架示意图(三)同步器的设计同步器使将要啮合的齿轮圆周速度一致而顺利啮合,平顺的挂上挡位㊂同步器设计为接合套和外花键两部分,接合套可轴向移动,接合套宽20mm,外花键齿数12㊂当同步器在相邻的两齿之间时,输出轴上的齿轮空转,不对外输出动力,当同步器的接合套拨向一侧与这一侧的齿圈啮合,此时扭矩经齿轮传到同步器再传到输出轴,那么对外输出动力㊂同步器的设计数目为6组,主要应用UG 的创建草图㊁齿轮建模㊁拉伸和移动对象功能㊂三㊁导出三维数据文件格式,打印教具3D 打印技术以数字化模型文件为基础,通过逐层打印㊁层层累积的策略来制造三维实体,它非常适合新产品的开发和小批量复杂零件的生产,已经在汽车构造㊁产品设计等领域应用㊂在使用3D 打印之前,三维数据模型的获取是3D 打印技术的基础,三维模型的设计既要考虑齿轮组的空间结构,又要考虑手动操作换挡的运动性,还要考虑局部更换零件的方便性和打印机尺寸㊂因此三维模型的设计是3D 打印的开始阶段,也是非常重要的阶段,如果开始没有设计好模型结构或者合适的尺寸,那么在打印过程中往往半途而废㊂利用三维设计软件UG(也可以使用其他三维设计软件)实体建模后,导出三维数据文件格式(STL㊁IGES㊁STEP),目前STL 文件是3D 打印中应用最广的数据接口格式;在选取打印材料时,目前常用的是价格便宜的ABS 材料和PLA 材料,ABS 材料在高温下有刺鼻气味,PLA 是可降解的环保塑料,打印性能较好,最后设置好打印参数,利用打印机打印出教具㊂由于3D 打印时间较长,最好几个打印机同时打印齿轮教具㊂四㊁结语3D 打印技术还不是很成熟,但色彩丰富,立体感较强㊂由于受3D 打印机尺寸的限制,在设计教具的总体尺寸时不要超出最大范围㊂先用三维绘图软件设计教具的模型,这是3D 打印技术的基础,三维设计软件可以使用PRO -E㊁SolidWorks㊁UG 等㊂3D 打印的双离合自动变速器齿轮机构与一般自动变速器(拉维娜式和辛普森式)的机构进行比较,能非常形象的展示复杂的内部结构,通过手动操作换挡过程,加深对自动变速器工作原理的理解,在理论教学中起到了很好的教学效果㊂3D01北京印刷学院学报2019年打印教具灵活多样,丰富了教具资源并降低了成本,具有其他大型实训设备没有的优势,进一步激发了学生的学习和探索热情,在自动变速器的相关课程中,已成为理论教学和实验教学中的重要辅助工具㊂参考文献:[1]　金加龙.汽车底盘构造与维修(第3版)[M].北京:电子工业出版社,2012.[2]　李淑英.汽车底盘电控系统结构检修[M].天津:天津科学技术出版社,2011.[3]　胡亚南,陈鑫,赵锦文.3D打印技术在护理系教具制作与教学中的应用[J].当代教育实践与教学研究,2017(12):35. [4]　王华.基于3D打印的四种自动变速器教具的应用[J].北京印刷学院学报,2017,25(4):38⁃41.[5]　王菊霞.3D打印技术在汽车制造与维修领域应用研究[D].长春:吉林大学,2014.[6]　张学军,唐思熠,肇恒跃,等.3D打印技术研究现状和关键技术[J].材料工程,2016(2):122⁃128.(责任编辑:谢蓓)Design of Teaching Aids for Gear Sets of Dual ClutchAutomatic Transmission Based on UG and3D PrintingZOU Jinbo,WANG Hua(Anhui Technical College Of Industry And Economy,Hefei230051,China)Abstract:The dual clutch automatic transmission has two clutches to control odd gears and even gears respectively,and the gear shifting operation is completed through alternate switching,so that the gear shifting is fast,and the dual clutch automatic transmission has better driving pleasure.However,its structure is complex and its shifting principle is abstract.Since the advent of3D printing technology,it has played a very good role in self⁃made teaching ing the sketch,gear modeling and stretching functions of UG3D software,the parameters of the gear set of the dual clutch automatic transmission are designed,and the three⁃dimensional models of the input shaft,output shaft,gear set and synchronizer are drawn and converted into3D printing format and printing teaching aids,which have achieved good results in teaching.In the related courses of automatic transmission,it has become an important auxiliary tool in theoretical teaching and experimental teaching.Key words:double clutch automatic transmission;UG;3D printing;teaching aids 101第5期邹锦波,王　华:基于UG和3D打印的双离合自动变速器齿轮组教具的设计。

摘要自动变速技术是汽车传动技术发展过程中一项十分重要的发明。

AT 的致命弱点是效率不够高，其效率明显低于手动变速器。

本论文以提高AT 的效率为出发点，具体研究内容如下：比较不同结构型式行星齿轮机构的特点，基于它们各自的优缺点，选用拉威娜式自动变速器作为研究对象。

对自动变速器的齿轮参数进行了优化，使行星排的效率得到明显的提高。

关键词：自动变速器，行星齿轮机构，效率，优化ABSTRACTAutomatic transmission is a very important Invention in the development of transmission technology for vehicle. The fatal weakness of AT is the low efficiency which is obviously lower than manual transmission. According to improve efficiency of AT, This paper involves followed contents: The structure and characteristic of different kinds of planetary gear train is briefly analyzed, based on this, Ravigneavx AT is selected as the research object.Automatic transmission gear of the parameters are optimized. Efficiency of AT is improved obviously.Keywords: Automatic transmission, Planetary gear train, Efficiency, Optimization目录摘要 (I)ABSTRACT ...................................................................................................... I I 第1章绪论 . (1)1.1 课题的来源及意义 (1)1.2 自动变速器的应用现状及发展动向 (1)1.3 行星齿轮传动的应用现状与发展趋势 (2)1.3.1 国外的发展现状 (2)1.3.2 国内的发展现状 (3)1.4 行星齿轮自动变速器的概述 (3)1.5 行星齿轮机构的类型及特点 (3)1.6 论文的主要研究内容 (4)第2章行星齿轮机构的工作原理与功率流程 (5)2.1 行星齿轮变速机构 (5)2.1.1 辛普森式行星齿轮机构 (5)2.1.2 拉威娜式行星齿轮机构 (6)2.2 拉威娜式行星齿轮变速器 (7)2.2.1 拉威娜行星齿轮机构的结构 (7)2.2.2 拉威娜式行星齿轮变速器4个档位工作原理、动力传递路线及传动比计算 (8)2.3本章小结 (11)第3章行星齿轮机构的传动效率分析与计算 (12)3.1 斜齿轮传动基本啮合效率的计算式 (12)3.2 各档位传动效率分析 (14)3.2.1减速传动一、二档时的效率 (14)3.2.2 加速传动四档时的效率 (15)3.2.3 直接档的传动效率分析与计算 (15)3.3 减速传动与加速传动效率的比较 (15)3.4 本章小结 (16)第4章行星齿轮变速器的参数优化 (17)4.1 确定目标函数 (17)4.2 设计变量的选取 (18)4.3 优化软件 (18)4.4 优化结果 (19)4.5 本章小结 (19)结论 (21)致谢 (22)参考文献 (23)附录1 (25)附录2 (29)第1章绪论1.1 课题的来源及意义在汽车传动技术发展过程中，自动变速技术是一项十分重要的发明，至今已有半个多世纪。

UG NX4的齿轮建模方法齿轮机构是用来传递空间任意两轴之间的运动和动力，是目前广泛应用于各种机械设备、车辆、仪表以及自动化生产线中的一种传动机构[1]。

三维立体模型的精确建立对于有限元分析和数控加工具有重要意义。

齿廓曲线有渐开线、摆线、圆弧很多种，渐开线齿廓以其设计、制造和安装等方面的优越性而被广泛采用[2]。

建立齿轮三维立体模型关键是渐开线齿廓的绘制，使用UG NX4中的规律曲线，可以建立精确的渐开线，在此基础上，创建齿轮的模型。

1 渐开线的形成及数学表达式当直线BK 沿半径为Rb 基圆作纯滚动时，直线上任一点K 的轨迹KA 就是该基圆的渐开线，如图1所示渐开线的形成过程。

其中θk 为渐开线在KA 段的展角，αk 为齿轮的压力角，Rk 为渐开线上任意点K 的向径。

由图1知图1 渐开线形成b k k R R =*αcos()tan b k k k b b bR KB AB R R R αθα*+====k k θα+ 渐开线的极坐标方程为⎪⎩⎪⎨⎧-===k k k kk b k inv R R αααθαtan cos UG 中规律曲线能识别的是直角坐标，所以将上式转化为参数方程[3] t *=90φ：t 为UG 系统变量，90度内的渐开线s = 1/2π﹡R b ﹡t ：临时变量⎩⎨⎧-=+=φφφφcos sin sin cos s R y s R x b tb t2 UG NX4环境建立齿轮的步骤2.1利用UG 表达式输入齿轮各参数。

2.2利用齿顶圆半径、尺宽拉伸建立齿轮的齿胚。

2.3使用规律曲线建立90度范围内的渐开线齿廓曲线。

注意渐开线一定存在于基圆与齿顶圆之间，不一定存在于齿根圆与齿顶圆之间。

如果齿根圆半径小于基圆半径，则齿根圆与基圆之间不存在渐开线，可以用样条曲线近似该段渐开线或线性延长渐开线即可，用样条曲线近似代替时，要将渐开线与样条曲线连接。

使用修剪曲线功能，得到齿根圆与齿顶圆之间的一段曲线。

拉维娜式行星齿轮机构组成拉维娜式行星齿轮机构是一种常见的传动装置，由拉维娜齿轮和行星齿轮组成。

它广泛应用于机械设备中，具有传动效率高、承载能力强等优点。

拉维娜齿轮是拉维娜式行星齿轮机构中的主动齿轮，通常由一个内齿圈和多个外齿圈组成。

内齿圈是一个固定不动的齿轮，外齿圈则围绕内齿圈转动。

行星齿轮则是由一个中央齿轮和多个行星齿轮组成，行星齿轮与外齿圈相连，并绕着中央齿轮旋转。

拉维娜式行星齿轮机构的工作原理如下：当内齿圈旋转时，外齿圈也会跟随旋转，同时行星齿轮也会绕着中央齿轮旋转。

由于行星齿轮与外齿圈相连，所以行星齿轮也会带动外齿圈一起旋转。

这样，通过拉维娜齿轮和行星齿轮的相互作用，就实现了传动效果。

拉维娜式行星齿轮机构具有多个优点。

首先，由于拉维娜齿轮和行星齿轮分别承担了传动的部分负荷，所以整个传动装置的承载能力较强。

其次，由于行星齿轮的存在，可以实现不同速比的传动，提高了传动的灵活性。

此外，拉维娜式行星齿轮机构的传动效率较高，能够有效减少能量损失。

拉维娜式行星齿轮机构在实际应用中有着广泛的用途。

例如，在汽车变速器中，拉维娜式行星齿轮机构常用于实现不同档位的切换。

此外，在工业生产中，拉维娜式行星齿轮机构也常用于传动大扭矩和高速比的装置，如机床、起重机等。

然而，拉维娜式行星齿轮机构也存在一些缺点。

首先，由于机构中的行星齿轮数量较多，制造和安装难度较大，成本也较高。

其次，由于行星齿轮与外齿圈的接触面积较小，所以在承载能力上存在一定的限制。

此外，由于机构中的行星齿轮数量较多，存在一定的传动误差，影响传动精度。

为了解决这些问题，人们在实际应用中对拉维娜式行星齿轮机构进行了改进。

例如，通过优化齿轮的材料和制造工艺，提高了齿轮的承载能力和传动效率。

同时，通过减少行星齿轮的数量，降低了制造成本，并提高了传动精度。

此外，还可以利用电子控制技术对机构进行精确控制，提高传动的性能和稳定性。

拉维娜式行星齿轮机构是一种常见的传动装置，具有传动效率高、承载能力强等优点。

基于3D打印的四种自动变速器教具的应用王华【摘要】3D打印技术已经在许多领域得到应用,其灵活、方便性得到很多大、中、小学教师的关注,并在自制教具方面得到了推广.目前常用的自动变速器有辛普森式、拉维娜式、双离合式和无级变速器这四种,他们都有齿轮传动机构,有自己的空间布置及特色,但它们在壳体内部,结构复杂,较难拆卸,因此在教学中讲解其机械结构和运动规律较为抽象和枯燥.为了提高"教、学、做"一体化教学的效果,各高校教师已在自制教具方面开展了研究,鼓励学生运用三维软件建模并利用3D打印技术将四种变速器齿轮部分做成教具,在教与学的环节中起到了很好的效果.【期刊名称】《北京印刷学院学报》【年(卷),期】2017(025)004【总页数】4页(P38-41)【关键词】四种变速器;教具;3D打印;教学效果【作者】王华【作者单位】安徽工业经济职业技术学院机械与汽车工程学院,安徽合肥 230051【正文语种】中文【中图分类】TP334.8;G642.4目前社会应用的自动变速器主要有四种，它们分别是一般电控自动变速器和新型的自动变速器：带有液力变矩器的辛普森式和拉维娜式两种自动变速器，以及电控双离合式和无级变速器（CVT）两种新型的自动变速器，应用十分广泛，因此很多汽车类专业的教科书上都讲述了这些自动变速器的机械部分和运动原理。

但自动变速器结构较为复杂，不易拆卸，光凭书上的图片和文字学生是难以理解的，而且实训室中的教学设备大多是金属材料，不易携带和拆解。

因此，3D打印在自制教具方面体现出了很大优势，它方便、灵活、便于携带，逐渐被小学、中学、大学教师所使用，在辅助教学方面起到了很好的作用。

学生可以通过设计和打印各种变速器齿轮组教具，掌握各种变速器齿轮部分的区别和它们的优缺点，理解动力传递路线，在教－学－做过程中就起到事半功倍的效果。

（一）辛普森式自动变速器的齿轮机构辛普森行星齿轮机构是以其设计者霍华德·辛普森的名字命名，它是由两个单排行星齿轮组连接而成的一种双排行星齿轮机构，分别将其称为前行星齿轮机构和后行星齿轮机构。

拉维娜式、辛普森式自动变速器的拆装实习一、实验目的1、熟悉了解拉维娜式、辛普森式自动变速器的结构组成。

2、掌握前驱自动变速器的拆卸方法。

3、熟悉前驱自动变速器各组件、部件的名称和安装位置、连接关系等。

4、根据拆装过程熟悉了解前驱自动变速器的总体工作原理和工作过程。

二、实验内容对拉维娜式、辛普森式自动变速器进行分解，取出各组成部件，并有序整齐摆放。

在拆装过程中掌握拉维娜式自动变速器的拆装顺序和拆装方法，不同组件的拆装要求和拆装技巧等。

注意观察零部件的外形特点，各组件之间的连接关系等。

将拆出的组件在变速器壳体外组装，分析研究拉维娜式自动变速器内部的工作过程。

三、实验条件拉维娜式自动变速器一台、辛普森式自动变速器一台、拆装工具一套。

四、注意事项：1、注意安全操作，严格按照操作规程进行。

2、分解自动变速器之前，应对其外部进行有效和彻底的清洗，以防污物弄脏其内部的精密配合件。

3、分解自动变速器时不能直接用铁榔头敲打，只能采用橡胶锤或铜棒，以免损坏零件。

4、分解过程中应保持沿轴线方向拆出，避免损坏零件，禁止暴力操作。

5、在分解自动变速器时，应将所有组件和零件按分解顺序依次摆放，以便于检修和组装。

要特别注意各个止推垫片、推力轴承的位置，不可错乱。

大众桑塔纳拉维娜式自动变速器拆装一、拉维娜式变速器结构特点：维娜式自动变速器采用双排行星齿轮结构，双排行星齿轮机构在小太阳轮和齿圈之间有两组互相啮合的行星齿轮，其中有长行星轮和大太阳轮和齿圈啮合，短行星齿轮和小太阳轮和长行星轮啮合，这就是拉维娜式行星齿轮结构。

二、拉维娜式变速器结构图：三、拉维娜式变速器拆装步骤D位1档：在D位1档时，离合器K1接合，驱动后排小太阳轮，单向离合器F单向制动行星架，则齿圈同向减速输出，其动力传动路线为：泵轮→涡轮→离合器K1→小太阳轮→短行星轮→长行星轮→输出齿圈。

D位1档滑行时，输出齿圈由被动件变为主动件，行星架顺时针空转，单向离合器解锁，小太阳轮不干涉发动机的低速运转，因此发动机对滑行无制动作用。

拉维娜式自动变速器的原理拉维娜式自动变速器是一种常见的汽车变速器，它是由一系列的离合器、制动器、行星齿轮等组成的机构，通过自动化的机械传动系统来调整发动机输出的扭矩大小，并将车辆的速度分配到发动机和车轮之间。

下面将进一步介绍其原理。

拉维娜式自动变速器是一种基于液压控制的变速器，它可以通过一系列的动力元件来改变档位。

首先，它的离合器和制动器主要负责连接和断开输入轴与输出轴之间的联系。

在拉维娜式自动变速器中，行星齿轮是一个非常重要的部分，它通过一系列的行星齿轮组件将传动能力分配给前后轮和高低档位。

此外，电子控制单元(ECU)也是拉维娜式自动变速器中的关键部件，它可以对机械系统进行控制，从而实现自动变速器的功能。

拉维娜式自动变速器的基本原理是将发动机驱动输出轴的动力通过车辆的转换装置分配到车轮上。

其中，发动机输出的扭矩首先经过转子，在这里液压行星齿轮组件通过制动器和离合器的控制将扭矩分配给不同的转子和反转子。

此外，小行星组件可以通过单字母和双字母的长度配对产生不同的行星组合，并在不同的转速下提供不同的扭矩输出。

这些不同的组合可以通过变速器中的齿轮和离合器等部件的调整来调整变速器的工作方式。

拉维娜式自动变速器的关键部件是电子控制单元(ECU)，它可以通过传感器测量发动机转速、油门信号和车速等参数，然后指导系统控制离合器、制动器和行星组件的调整，从而为车辆提供合适的扭矩输出，并按照不同的路况来调整变速器的工作方式。

在汽车行驶时，ECU会根据不同的车速和发动机转速调整离合器和制动器的工作，从而实现自动变速和良好的行驶效果。

总之，拉维娜式自动变速器是一种基于液压控制的变速器，它通过离合器、制动器和行星齿轮等部件的有序调整和控制来实现自动变速，并通过电子控制单元(ECU)来实现自动控制，从而为驾驶员提供舒适和安全的行驶体验。