摘要：在汽車變速器設計中可實施CAD/CAE技術來提高設計效率和質量。用三維CAD軟件對零件進行造型設計、裝配設計，進行干涉檢查，生成爆炸圖和相應的工程圖。用CAE軟件對主要受力件進行分析和優化設計，給出可視化的分析結果和優化方案。
關鍵詞：CAD/CAE：汽車動力學仿真分析；產品設計：造型設計；齒輪；變速器設計
中圖分類號：TP391文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2011）15-0037-03
一、概述
CAE在汽車等機械產品的開發中應用非常廣泛。如采用有限法（FEM）計算機械零件的應力和變形進行強度和剛度分析；采用多體動力學方法進行汽車整車的操縱穩定性和行駛平順性的動態仿真分析；采用有限元法進行汽車碰撞分析；采用有限元法和邊界方法（BEM）分析汽車的噪聲等等。可以說，CAE在汽車產品開發過程中所發揮的作用已經無法被取代。
CAE在汽車產品開發過程中的作用集中體現在三方面：
1．CAE極大地縮短了產品的研制周期，在建模和分析過程中采用實體造型和參數化，模型和參數的修改都很方便，最終確定合理的結構參數所需時間得到大幅度的縮短。
2．減少了開發費用。相對于道路試驗和室內臺架試驗而言，利用CAE分析汽車整車及零部件的各種性能所需要的費用大幅減少。
3．有利于通過優化等手段開發出性能更為優越的汽車整車和零部件。譬如通過優化車架和車身的結構參數減輕整車重量；通過優化行走系和轉向系的參數提高整車的操縱穩定性和行駛平順性等。當然，從實際應用的角度來說，汽車CAE作用的發揮還依賴于兩個重要前提。其一是對CAE技術的熟練掌握，另一個是要提供最基本的實驗數據和相關數據庫。這里所指的基本實驗數據，是指像輪胎特性數據、道路特性數據、各種材料的力學特性等。所謂相關數據庫是指企業在產品設計和開發過程中不斷積累的、能夠提供結構形式和主要參數（包括價格、外協情況等）的數據庫。除此之外，要更好地實施CAE并發揮其作用，必需與CAD/CAPP/CAM、優化技術等結合起來加以綜合運用。
本文主要介紹CAE在汽車產品開發中的應用及具體實施，并對CAE與CAD、CAPP、CAM和優化技術的關系加以探討。
二、CAE在汽車產品開發中的應用
CAE在汽車產品開發中的應用范圍非常廣泛。這里就幾個主要方面的應用加以介紹。
（一）結構強度和剛度的分析
有限元法在機械結構強度和剛度分析方面因具有較高的計算精度而到普遍采用，特別是在材料應力-應變的線性范圍內更是如此。另外，當考慮機械應力與熱應力的偶合時，像ANSYS、NASTRAN等大型軟件都提供了極為方便的分析手段。
1．車架和車身的強度和剛度分析。車架和車身是汽車中結構和受力都較復雜的部件，對于全承載式的客車車身更是如此。車架和車身有限元分析的目的在于提高其承載能力和抗變形能力、減輕其自身重量并節省材料。另外，就整個汽車而言，當車架和車身重量減輕后，整車重量也隨之降低，從而改善整車的動力性和經濟性等性能。
2．齒輪的彎曲應力和接觸應力分析。齒輪是汽車發動機和傳動系中普遍采用的傳動零件。通過對齒輪齒根彎曲應力和齒面接觸應力的分析，優化齒輪結構參數，提高齒輪的承載載力和使用壽命。
3．發動機零件的應力分析。以發動機的缸蓋為例，其工作工程中不僅受到氣缸內高壓氣體的作用，還會產生復雜的熱應力。缸蓋開裂事件時有發生。如果僅采用在開裂處局部加強的辦法加以改進，無法從根本上解決問題。有限元法提供了解決這一問題的根本途徑。
（二）汽車被動安全性方面的應用
安全、環保和節能是汽車面臨的三大熱點問題。如何提高車身的抗碰撞能力是汽車被動安全性中需要解決的問題之一。利用有限元法進行汽車碰撞過程的模擬計算，涉及到大變形等非線性問題，不同于一般的有限元分析。由于模擬計算可以節省昂貴的實車碰撞試驗經費，且在設計階段模擬分析是唯一的分析手段，國內、外汽車公司普遍采用這一方法。ANSYS軟件中的LS-DYNA模塊常被用來進行汽車碰撞過程的模擬分析。
（三）汽車動力學仿真分析
采用多體（剛體和柔體）動力學分析方法進行汽車動力學仿真，可在研究階段預測整車的動力學性能，對這些性能進行優化，以達到提高產品性能、縮短開發時間、減少開發費用的目的。
以整車的操縱穩定性為例，由于影響因素涉及到輪胎、懸架、轉向等多個方面，簡單的計算難以得到合理的結論，哪怕是定性的結論往往也不可靠。為此，已開發出多種機械動力學仿真軟件。值得一提的是美國MDI公司的ADAMS軟件，被廣泛用來進行汽車操縱穩定性、汽車行駛平順性的動態仿真。ADAMS中的TIRE模塊提供若干種輪胎模型供分析時選用，以準確地建立輪胎的動力學模型。ADAMS中的CAR模塊是專為汽車動力學仿真而設計的，使用十分方便。國內已有多家汽車公司利用該軟件進行了貨車、轎車、汽車列車和大客車的動力學仿真分析，并取得了較好的效果。
三、CAE在變速器設計中的應用
CAE分析在汽車工業中的應用滯后于CAD和CAM，但它的普遍應用是時代發展的必然。國內汽車工業的發展，迫切需要改變過去汽車產品以經驗設計為主、單一車型的設計方法，取而代之的必須是能滿足多品種、小批量、高質量、短周期和低成本的新的設計方法，而CAE技術正是這一新方法中必不可少的環節。有限元法是一種有效的數值計算方法，它能對工程實際中幾何形狀不規則、載荷和支承情況復雜的各種結構及零部件進行變形計算和應力分析，這是經典彈性力學所不及的。綜合運用齒輪軟件和三維軟件，可以基本實現變速器設計或各種齒輪傳動的計算機智能化設計，其實現過程如下所述。
（一）齒輪零部件參數化計算和自動繪圖
對具體的齒輪進行幾何精度計算設計完成后，在ZGCAD軟件中調用AUTOCAD軟件進行自動繪圖，生成各級齒輪的平面二維圖形。所有圖形基本不需要任何修改即可用于生產。而且所有齒輪的參數、尺寸，包括技術要求均能在圖紙中自動標洼，必須手工輸入。
（二）零部件的三維設計
在利用齒輪設計軟件進行各級傳動設計并生成二維圖形后，要進行后續的零件設計，就需運用三維CAD 技術。充分利用已生成的二維圖形的截面，可以進行快速三維轉換。在CAXA實體設計軟件中可以直接調用已有的AUTOCAD圖形作為截面進行旋轉、拉伸等常規建模方式進行快速三維建模，并利用該軟件的齒輪工具模塊，快速地設計出各級齒輪的真實三維圖形。其余的詳細零件設計也可通過三維軟件進行輔助設計。通過快速建模生成各級傳動軸類總成件中的各個零部件。利用軟件中的軸承、緊固件等標準模塊功能可以迅速地生成裝配件，還可以方便地生成爆炸圖，并且通過直觀的修改，使各零部件互不發生干涉。特別是在箱體件設計時，利用實體建模和鍍金造型等功能，可對箱蓋和箱體進行不斷地修改設計，任意增加或刪除某些結構圖素，整個過程充分體現了三維設計帶來的無窮便利。可以完全自由地進行修改和刪除任意零部件，隨時更改零部件的所屬關系等，還可以在裝配圖形階段隨時進行詳細的零件尺寸的修改，其修改內容在總裝配圖中也會自動相應的更改。
（三）變速箱總成的裝配設計
零件設計完成后，即可進行快速裝配，生成裝配總圖。通過CAXA軟件中提供的三維球功能可以十分迅速地進行裝配。利用軟件的干涉檢查功能，隨時進行干涉檢查，發現設計有干涉的地方可以及時更改，以滿足設計需要。整個設計過程顯得十分輕松自如，并且可以任意修改，以達到滿意的設計意圖。最后生成的三維裝配總圖可以經過適當的渲染和修飾，生成非常逼真的效果圖片，使得產品在未制造出來前就能進行宣傳，并且利用該軟件中的動畫功能，直接生成各種生動的模擬實際傳動運轉的動畫文件，以達到廣告宣傳和產品原理介紹時所需要的真實感效果。
四、與傳統設計方法的比較
齒輪在傳統的機械零件設計中，破壞和失效形式主要為折斷、磨損、點蝕和咬合等，在密封條件較好的情況下，破壞和失效形式主要為折斷和磨損，齒輪的設計準則為保證彎曲強度和接觸強度。傳統的方法是解析近似方法，結論為齒根部的彎曲應力為最大，理論彎曲應力為：
直齒輪彎曲應力：
斜齒輪彎曲應力用下列公式計算：
式中：F1一圓周力，F1=2T_/d；
Kd——應力集中系數（直齒取Kd=1.65，斜齒取Kd=1.5）；
Kf——摩擦力影響系數（主動齒輪取Kf=1.1，從動齒輪取Kf=O.9）；
t——端面齒距（t=πm）；n——法面齒距（n=πmn）；y齒形系數；Kt重合度系數（Kt=2）；
為強度極限。
上式討算非常煩瑣，雖然能計算出理論彎曲應力，但對應力、應變的分布和最大應力出現的位置沒有精確的描述，且設計效率低，計算結果難以對結構的改進和優化提供一些有意義的指導和參考。
等效應力分布的結論與傳統的計算結果相符，即最大應力出現在齒根部；其中受力一側的齒根部受拉應力，另一側受壓應力，嚙合齒主要的受力為彎曲應力。等效應力分布不僅給出了最大彎曲應力出現的準確位置，還繪出了整個嚙合齒應力的分布狀態，對分析結果給出了直觀的描述。
五、結論
CAD技術在大型產品的三維造型、虛擬組裝、動態干涉檢查、工程圖生成等方面帶來了革命性的突破，提高了設汁效率。三維設計的真正意義不僅僅在于設計模型本身，而是設計出模型的后處理工作，它的基本思路是：三維實體造型——虛擬裝配——二維工程圖。存在的問題有：有些常用件和標準件，在從三續投影生成二維圖時，所形成的視圖與規定的表達方法不一致，需在工程圖環境中進行必要的繪制或修改。
CAE技術主要解決產品的可靠性和質量問題，已成為產品設計不可少的基本工具。現代CAE技術使產品設計進入了”虛擬樣機時代”，是保證產品開發進度的同時實現產品100%達到設計目標，實現”零缺陷產品”的有效工具。
參考文獻
[1] 王颋．面向CAD設計模型的計算多體動力學虛擬原型[D].西南交通大學，2006．
[2] 龔科家．CAE驅動的汽車覆蓋件模面設計系統若干關鍵技術研究[D]．吉林大學，2006.
[3] 鄭天勇．機織物結構與外觀的三維模擬研究[D]．天津工業大學，2000．
[4] 邢瑋．汽車變速器齒輪參數化建模與有限元分析[D]．吉林大學，2006．
[5] 張磊．變速器齒輪彎曲應力分析有限元軟件的開發[D]．吉林大學，2007．
（責任編輯：趙秀娟）
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