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[摘要]以某型汽车变速箱为研究对象，运用Pro/Engineer软件完成三维实体建模及其虚拟装配成型，并将其转化为有限元模型。利用ANSYS工程分析软件对其进行有限元分析，得出分析结果。
[关键词]变速箱 虚拟样机技术 设计
中图分类号：TN12 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110123－01
虚拟样机技术是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程(CAE)技术，与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点、涉及产品全生命周期、支持对产品的全方位测试、分析与评估、强调不同领域的虚拟化的协同设计。应用虚拟样机技术能够简化产品的开发过程，缩短产品开发周期，提高经济效益。本文是以一五档手动变速器作为研究对象，运用Pro/Engineer和ANSYS软件为工具，完成了其三维实体建模、虚拟装配成型、有限元分析、振型分析等工作。
一、变速器的几何建模与虚拟装配
（一）几何建模
考虑到变速器的主要零部件结构规则，本研究选用Pro/E建模。建模过程中，齿轮的轮齿利用参数化建模，其它零部件如轴、轴承、孔、花键等使用拉伸、旋转、孔倒角、阵列、镜像等简单的工序即可完成。如图1所示为部分零件的实体模型。
（二）虚拟装配
虚拟装配是利用零部件的链接关系建立装配，是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效分析产品设计合理性的一种手段。在对汽车变速器进行虚拟装配时，首先应该对变速箱的结构、工作原理以及功能有详细的了解，接下来就是对其装配层次、约束关系等进行分类和定义，按照零部件间的设计逻辑依附关系来确定模型的父子关系，最后还要分析产品的可装配性，需要分析产品在装配过程中是否与其他的零部件发生干涉。基于Pro/E的变速器虚拟装配模型如图2所示。
（三）建模及装配正确验证
Pro/E提供的机构仿真（mechanism）模块中，可以对机械装置进行运动仿真。在装配中采用“连接”的方式，再通过添加不同零件间副的关系及电动机，实现零件预期的运动。定义齿轮副机构时，需要输入所定义齿轮的齿数；定义伺服电动机时，在“轮廓”菜单下，定义速度。当所有前提都定义完成，点击“运行”，从而看到模型的运动情况，完成验证。
二、变速器的CAE分析
（一）变速器输出轴应力分析
对变速箱输出轴应力进行分析，将所建立的三维参数化Pro/E变速器输出轴模型，通过ANSYS与Pro/E的接口技术，将变速箱输出轴零件的三维模型导入到ANSYS软件中，使用计算出来的数据，借助于ANSYS软件对零件进行强度计算和校核，判断零件是否满足要求。
例如，通过受力分析，输出轴在一档齿轮位置受到三方向上的力：圆周力为3.21×104N，径向力为6.7×104N，轴向力为6.7×104N。同时在放置齿轮和同步器的位置上受到各个零件的重力。如倒档齿轮30N，同步器10N，一档齿轮35N，同步器25N，二档齿轮40N，三档齿轮20N，同步器35N，四档齿轮20N，五档齿轮10N，同步器12N，所有的力分别加载到轴的相应位置上。输出轴的材料采用的是20CrMnTi，通过机械工程手册查得该钢的弹性模量为2.0×1011pa，泊松比为0.3。经有限元计算，得出如图3所示的输出轴总体应力分布图，分析可知，输出轴和中间轴齿轮相啮合部分的应力较大。
（二）变速器振型分析
模态分析主要用于确定结构或机器部件的振动特性，同时也是其他动力学分析的基础。模态分析主要包括以下4个步骤：建立模型和划分网格；加载求解；扩展模态；后处理。
将变速箱输出轴组件模型导入ANSYS中时，必须进行简化处理，本文采用了自由网格划分方法，得到变速箱输出轴组件有限元模型。
在确定变速箱输出轴组件边界条件的时候，应该同时考虑有限元分析的准确性与复杂性。将输出轴组件有限元分析的边界条件确定为实际工作条件约束，即输出轴轴承座孔处的固定约束。
变速箱材料为灰口铸铁，各部分均由一次铸造而成，没有焊接部件。密度ρ=7.8×103 kg/m3，弹性模量E=2.0×1011 Pa，泊松比μ=0.3。利用 ANSYS 对变速箱输出轴组件进行模态计算，得到输出轴组件前5阶固有振型，表1为输出轴组件的前5阶固有频率。
三、结论
通过对汽车变速箱的Pro/E建模装配、有限元分析，研究了变速箱动力学特性，为变速器的优化提供参考。
参考文献：
[1]李涵武、山其泉，汽车变速器有限元静态分析.黑龙江：林业机械与木工技术.2005.
[2]卢学军、魏智，变速箱噪声的频谱分析与故障诊断.振动与冲击. 1999（2）：75～78.
[3]范钦满、吴永海，Pro/E应用教程.东南大学出版社.2006.
作者简介：
谢宏逵，男，本科，工程师，研究方向：产品设计。
[关键词]变速箱 虚拟样机技术 设计
中图分类号：TN12 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110123－01
虚拟样机技术是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程(CAE)技术，与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点、涉及产品全生命周期、支持对产品的全方位测试、分析与评估、强调不同领域的虚拟化的协同设计。应用虚拟样机技术能够简化产品的开发过程，缩短产品开发周期，提高经济效益。本文是以一五档手动变速器作为研究对象，运用Pro/Engineer和ANSYS软件为工具，完成了其三维实体建模、虚拟装配成型、有限元分析、振型分析等工作。
一、变速器的几何建模与虚拟装配
（一）几何建模
考虑到变速器的主要零部件结构规则，本研究选用Pro/E建模。建模过程中，齿轮的轮齿利用参数化建模，其它零部件如轴、轴承、孔、花键等使用拉伸、旋转、孔倒角、阵列、镜像等简单的工序即可完成。如图1所示为部分零件的实体模型。
（二）虚拟装配
虚拟装配是利用零部件的链接关系建立装配，是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效分析产品设计合理性的一种手段。在对汽车变速器进行虚拟装配时，首先应该对变速箱的结构、工作原理以及功能有详细的了解，接下来就是对其装配层次、约束关系等进行分类和定义，按照零部件间的设计逻辑依附关系来确定模型的父子关系，最后还要分析产品的可装配性，需要分析产品在装配过程中是否与其他的零部件发生干涉。基于Pro/E的变速器虚拟装配模型如图2所示。
（三）建模及装配正确验证
Pro/E提供的机构仿真（mechanism）模块中，可以对机械装置进行运动仿真。在装配中采用“连接”的方式，再通过添加不同零件间副的关系及电动机，实现零件预期的运动。定义齿轮副机构时，需要输入所定义齿轮的齿数；定义伺服电动机时，在“轮廓”菜单下，定义速度。当所有前提都定义完成，点击“运行”，从而看到模型的运动情况，完成验证。
二、变速器的CAE分析
（一）变速器输出轴应力分析
对变速箱输出轴应力进行分析，将所建立的三维参数化Pro/E变速器输出轴模型，通过ANSYS与Pro/E的接口技术，将变速箱输出轴零件的三维模型导入到ANSYS软件中，使用计算出来的数据，借助于ANSYS软件对零件进行强度计算和校核，判断零件是否满足要求。
例如，通过受力分析，输出轴在一档齿轮位置受到三方向上的力：圆周力为3.21×104N，径向力为6.7×104N，轴向力为6.7×104N。同时在放置齿轮和同步器的位置上受到各个零件的重力。如倒档齿轮30N，同步器10N，一档齿轮35N，同步器25N，二档齿轮40N，三档齿轮20N，同步器35N，四档齿轮20N，五档齿轮10N，同步器12N，所有的力分别加载到轴的相应位置上。输出轴的材料采用的是20CrMnTi，通过机械工程手册查得该钢的弹性模量为2.0×1011pa，泊松比为0.3。经有限元计算，得出如图3所示的输出轴总体应力分布图，分析可知，输出轴和中间轴齿轮相啮合部分的应力较大。
（二）变速器振型分析
模态分析主要用于确定结构或机器部件的振动特性，同时也是其他动力学分析的基础。模态分析主要包括以下4个步骤：建立模型和划分网格；加载求解；扩展模态；后处理。
将变速箱输出轴组件模型导入ANSYS中时，必须进行简化处理，本文采用了自由网格划分方法，得到变速箱输出轴组件有限元模型。
在确定变速箱输出轴组件边界条件的时候，应该同时考虑有限元分析的准确性与复杂性。将输出轴组件有限元分析的边界条件确定为实际工作条件约束，即输出轴轴承座孔处的固定约束。
变速箱材料为灰口铸铁，各部分均由一次铸造而成，没有焊接部件。密度ρ=7.8×103 kg/m3，弹性模量E=2.0×1011 Pa，泊松比μ=0.3。利用 ANSYS 对变速箱输出轴组件进行模态计算，得到输出轴组件前5阶固有振型，表1为输出轴组件的前5阶固有频率。
三、结论
通过对汽车变速箱的Pro/E建模装配、有限元分析，研究了变速箱动力学特性，为变速器的优化提供参考。
参考文献：
[1]李涵武、山其泉，汽车变速器有限元静态分析.黑龙江：林业机械与木工技术.2005.
[2]卢学军、魏智，变速箱噪声的频谱分析与故障诊断.振动与冲击. 1999（2）：75～78.
[3]范钦满、吴永海，Pro/E应用教程.东南大学出版社.2006.
作者简介：
谢宏逵，男，本科，工程师，研究方向：产品设计。