毕业设计（论文）-汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真.doc

安徽工程大学毕业设计（论文） - 1 - 引言引言 毕业设计是学生完成基础课程，专业课程，进行了生产实习之后进行的一个实践 性教学环节,它一方面要求学生通过毕业设计能获得综合运用过去所学过的全部课程进 行工艺及结构的基本能力，另外，也为以后工作进行一次综合训练和准备。其目的: (1)使学生能熟练运用所学的课程的基本理论以及在生产实习中学到的实践知识， 以提高理论联系实际的设计与计算能力. (2)使学生有收集、使用、分析和运用资料的能力，以提高独立工作的能力。 (3)提高学生结构设计能力。 (4)使学生学会利用计算机学习绘图软件，以提高现代绘图方法的能力。并且学会 使用分析软件进行分析和后处理。 随着汽车对安全、节能、环保的不断重视，汽车后桥作为整车的一个关键部件，其 产品的质量对整车的安全使用及整车性能的影响是非常大的，汽车车桥是汽车的主要 部件之一,其质量、性能的好坏直接影响整车的安全性、经济性、舒适性。虽然我国车 桥制造企业众多，但与国外相比差距较大，没有形成自己的核心竞争力,随着国内越来 越多拥有自主产权的汽车企业崛起，汽车零部件的设计在国内车企中的应用将越来越 显重要。因而对汽车后桥进行有效的优化设计计算是非常必要的。 本文采用 solidworks 软件对汽车后桥传动机构作了初步设计，包括三维建模和运 动仿真。但由于没有参加过真正的实车研发工作，与实车研发的方法乃至结果有差异， 恳请老师、同学给予批评、指正。 汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真 - 2 - 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 solidworks 简介 solidworks 软件是世界上第一个基于 windows 开发的三维 cad 系统，该系统在 1995-1999 年获得全球微机平台 cad 系统评比第一名，从 1995 年至今，已经累计获得 十七项国际大奖 由于 solidworks 出色的技术和市场表现，不仅成为 cad 行业的一颗耀眼的明星， 也成为华尔街青睐的对象。终于在 1997 年由法国达索公司以三亿一千万的高额市值将 solidworks 全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以原来一千三百万美元的风险 投资，获得了高额的回报，创造了 cad 行业的世界纪录。并购后的 solidworks 以原来 的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为 cad 行业一家高素质的专业化公司。 功能描述: 1.top down(自顶向下)的设计 自顶向下的设计是指在装配环境下进行相关设计子部件的能力，不仅做到尺寸参数 全相关，而且实现几何形状、零部件之间全自动完全相关，并且为设计者提供完全一 致的界面和命令进行全自动的相关设计环境。 用户可以在装配布局图做好的情况下，进行设计其它零部件，并保证布局图、零部件 之间全自动完全相关，一旦修改其中一部分，其它与之相关的模型、尺寸等自动更新， 不需要人工参与。 2.down top (自下向上)的设计 自下向上的设计是指在用户先设计好产品的各个零部件后，运用装配关系把各个零 部件组合成产品的设计能力，在装配关系定制好之后，不仅做到尺寸参数全相关，而 且实现几何形状、零部件之间全自动完全相关，并且为设计者提供完全一致的界面和 命令进行全自动的相关设计环境。 用户可以在产品的装配图做好后，可以设计其它零部件、添加装配关系，并保证零部 件之间全自动完全相关，一旦修改其中一部分，其它与之相关的模型、尺寸等自动更 新，不需要人工参与。 3.配置管理 在 solidworks 中，用户可利用配置功能在单一的零件和装配体文档内创建零件或 装配体的多个变种(即系列零件和装配体族)，而其多个个体又可以同时显示在同一总 装配体中。其它同类软件无法在同一装配体中同时显示一个零件的多个个体，其它同 类软件也无法创建装配体族。 4易用性及对传统数据格式的支持 solidworks 完全采用了微软 windows 的标准技术，如标准菜单，工具条，组件技 术，结构化存取，内嵌 vb(vba)以及拖放技术等。设计者进行三维产品设计的过程自始 至终享受着 windows 系统所带来的便捷与优势。其它同类软件虽然也是与 windows 兼 容的产品，但其仍无法真正在整个系统内采用拖放技术，也无法在系统内自动地进行 vb 编程和过程回放。solidworks 提供各种 3d 软件数据接口格式，其中包括 iges、vdafs、step、parasolid、sat、stl、mdt、ugii、pro/e、solidedge、invent or 等格式输入为零件和装配，还可输出 vrml、tiff、jpg 等等文件格式。 5零部件镜像 solidworks 中提供了零部件的镜像功能，不仅镜像零部件的几何外形，而且包括 产品结构和配合条件，还可根据实际需要区分是作简单的拷贝还是自动生成零部件的 安徽工程大学毕业设计（论文） - 3 - 对称件。这一功能将大大节约设计时间，提高设计效率。而其它同类软件是没有这一 重要功能的。 6.装配特征 solidworks 提供完善的产品级的装配特征功能，以便创建和记录特定的装配体设 计过程。实际设计中，根据设计意图有许多特征是在装配环境下在装配操作发生后才 能生成的，设计零件时无需考虑的。在产品的装配图作好之后，零件之间进行配合加 工比如：零件焊接、切除、打孔等功能。 solidworks 支持大装配的装配模式，拥有干涉检查、产品的简单运动仿真、编辑零 件装配体透明的功能。 7工程图(rapiddraft,剖中剖,交替位置视图) solidworks 提供全相关的产品级二维工程图，现实世界中的产品可能由成千上万 个零件组成，其工程图的生成至关重要，其速度和效率是各 3d 软件均要面临的问题。 solidworks 采用了生成快速工程图的手段，使得超大型装配体的工程图的生成和标 注也变得非常快捷。 solidworks 可以允许二维图暂时与三维模型脱离关系，所有标注可以在没有三维 模型的状态下添加，同时用户又可随时将二维图与三维模型同步。从而大大加速工程 图的生成过程。 solidworks 在已有配置管理的技术基础上提供了生成交替位置视图的功能，从而 在工程图中清晰地描述出类似于运动机构等的极限位置视图。其它同类软件是无法生 成这种视图的。因为其它同类软件没有配置管理，也就无法提供由此而创新出的各种 功能。 solidworks 提供 gb 标注标准，可以生成符合国内企业需要的工程图，用于指导生产。 8edrawing solidworks 一向以创新领先而著称，其中 edrawing 的出现就是一个典型代表。 长期以来，工程技术人员交换工程设计信息的主要方式就是二维工程图，而要读懂一 张复杂的产品工程图是一件非常费时费力的事。 edrawing 的出现使得工程师们交换设计信息变得便捷而又轻松，还是一张二维工程图， 却赋予了更多的智能和信息，轻松实现二维图纸三维看，而且以三维动画方式展现产 品各个角度和剖面的细节，结构再复杂的产品也可让设计者在几分钟内了如指掌。同 时，所生成的电子文件体积小巧，便于传递。文档内还包含了免费的浏览工具，任何 人可以在任何一台装有 windows 系统的 pc 机上进行自由地浏览，而无需任何其他软件 的支持。 9钣金设计 solidworks 提供了非常强劲的钣金设计能力。 103d 草图 solidworks 提供了直接绘制三维草图的功能，在友好的用户界面下，象绘制线架 图一样不再局限在平面上，而是在空间直接画草图，因而可以进行布线，管线及管道 系统的设计；这一功能在主流实体造型领域内是独一无二的，而且是作为 solidworks 内置功能。如果设计中有管线零部件，solidworks 可直接解决问题；此外 3d 草图还 可作为装配环境下的布局草图进行关联设计。其它同类软件是没有这一功能的。 11.曲面设计 曲面设计功能对三维实体造型系统尤为重要，solidworks 提供了众多的曲面创建命 汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真 - 4 - 令，同时还提供了多个高级曲面处理和过渡的功能如混合过渡，剪裁，延伸和缝合等， 而且是完全参数化的；从而帮助设计者快捷而方便地设计出具有任意复杂外形的产品。 12基于 internet 的协同工作。 现在的时代是网络的时代，solidworks 深知这一点，因而采用了超链接，3d 会 议，edrawings，web 文件夹以及 3d 实时托管网站等技术来实现基于 internet 的协同 工作。 13动画功能animator solidworks 提供了一个动画功能，它把屏幕上的三维模型以及我们所作的操作记 录下来，生成脱离软件环境并可直接在 windows 平台下面运行的动画文件。利用这些 文件用户可制作产品的多媒体文件，以供设计评审、产品宣传、用户之间交流，技术 协调运用。 动画功能可以生成产品的装配过程、爆炸过程、运动过程的动画文件，同时也生成各 个过程的组合的动画文件。 14渲染功能photoworks solidworks 提供了产品的渲染功能，提供了材质库、光源库、背景库，可以在产 品设计完成还没有加工出来的情况下，生成产品的宣传图片，同输出通过的图片文件 格式如：jpg、gif、bmp、tiff 等。用户可以通过调整软件环境下的光源、背景和产品 的材质，并在产品的一些面上进行贴图操作，可以生成专业级的产品图片。 15toolbox 工具箱 solidworks 的 toolbox 工具箱提供了建立企业库文件的工具，可以对轴承等一些 通用的标准零件进行计算，提供了 iso、ansi 等标准的标准件库，并可与装配环境进 行自动插入。 16管道设计piping 对于化工或对设计管道的企业，运用管道设计piping 功能可以自动布置管道， 并生成相关的管道布置图。同时，它提供了制作管道库的工具。 17特征识别featureworks solidworks 提供了特征识别的功能，它可以把其他软件的数据进行分析，自动生 成它识别的特征，并可进行编辑和修改。 1.2 驱动桥的作用和组成 驱动桥位于传动系末端，其基本功用首先是增矩、降速，改变转矩的传递方向， 即增大由传动轴或直接从变速器传来的转矩，并将转矩合理地分配给左、右驱动车轮； 其次，由驱动桥还要承受作用于路面和车架或车身之间的垂向力、纵向力、横向力， 以及制动力矩和反作用力矩等1。 驱动桥一般有主减速器、差速器、车轮传动装置、和桥壳组成。驱动桥结构如下 图 1-1。 安徽工程大学毕业设计（论文） - 5 - 图 1-1 驱动桥结构图 1 一主减速前轴承;2 一主动齿轮;3 一主减速器后轴承;4 一差速器;5 一行星、半轴齿轮副;6 一半轴;7 一制动器及制动鼓;8 一半轴轴承;9 一桥壳;10 一差速器轴承:11 一从动齿轮;12 一主减速器壳;13 一凸缘 1.3 选定的车型及相关参数 表 1-1 isuzu cvr14k 参数 项目参数 发动机最大功率（kw）150（2300r/min） 最大输出扭矩 temax（n.m）700(1400r/min) 一档 ig16.608 二档 ig23.993 三档 ig32.423 四档 ig41.518 五档 ig51.000 变速器各档 传动比 倒档6.937 后桥主减速比 io5.571 汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真 - 6 - 第第 2 2 章章 主减速器设计主减速器设计 2.1 齿轮转矩计算 表 1-1 便是主减速器齿轮的计算载荷。由于汽车行驶时传动等载荷的不稳定性，因 此要准确地算出主减速器齿轮的计算载荷是比较困难的。通常是将发动机最大转矩配 以传动系最低档传动比时和驱动车轮打滑时这两种情况下作用在主减速器从动齿轮最 大应力的计算载荷。即 （2-1）nkitt totleje/max （2-2） lblbrjirgt/2 式中: 一发动机最大转矩，n.m；maxet 由发动机到所计算的主减速器从动齿轮之间的传动系最低档传动比；tli 传动系上述传动部分的传动效率，取=0.9；tt 超载系数，对一般载货汽车，矿用汽车和越野汽车以及液力传动的各类汽ok 车取ko=1；当性能系数几0时，可取ko= 2 或由实验决定 ； n 该汽车的驱动桥的数目； 汽车满载时一个驱动桥给水地面的最大负载(对后驱动桥来说，应考虑汽车2g 最大加速时负荷增大量)； 轮胎对地面的附着系数；对于安装一般轮胎的公路用汽车，取=0.85；对 越 野汽车取=1.0；对于安装专门的防滑宽轮胎的高级轿车取=1.25； 车轮的滚动半径，m；rr 主减速器从动齿轮到驱动轮之间的传动效率；lb 主减速器从动齿轮到驱动轮之间的减速比；lbi 根据表 1-1 参数进行计算得到以下数据： =700*6.608*1*0.9/2=2081.52nm （2-3）nkitt ttleje / 0max =5387.86nm （2-4）jt lblb r i rg * * 2 2*9 . 0*571 . 5 2 . 0*8 . 9*1000*215.16 取较小的进行下面的计算。jet 进行主减速器从动齿轮的平均计算转矩计算：jmt = （2-5）jmtnifffrgglblbphrrta/()() 安徽工程大学毕业设计（论文） - 7 - 汽车满载总质量，n；ag 所牵引的挂车的满载总质量，n，但仅用于牵引车的计算；tg 道路滚动阻力系数，=0.010-0.015；rfrf 汽车正常使用时的平均爬坡能力系数；hf 汽车或汽车列车的性能系数；pf =1/10016-0.195（+）/ （2-6）pfagtgmaxet 当 0.195（+）/16 时，取=0.agtgmaxetpf 代入数据算得16，取=0。pfpf 代入数据算得=278nmjmt 当计算主减速器主动齿轮时，应将（2-3）-（2-5）各式分别除以该对齿轮的减速比 及传动效率。由此可计算出主动齿轮的平均计算转矩 t=11.06n.m 2.2 主减速器齿轮基本参数的选择 2.2.1 齿数的选择 对于单级主减速器，当较大时，则应尽量使主动齿轮的齿数取得小些，以得到 0 i 1 z 满意的驱动桥离地间隙。当=6 时，的最小值可取为 5，但为了啮合平稳及提高疲 0 i 1 z 劳强度，最好大于 5。当较小（如=3.55）时，可取为 712，但这时常常会因 1 z 0 i 0 i 1 z 主、从动齿轮齿数太多、尺寸太大而不能保证所要求的桥下离地间隙。为了磨合均匀， 主，从动齿轮的齿数之间应避免有公约数；为了得到理想的齿面重叠系数，其齿数之 和对于载货汽车应不少于 40，对于轿车应不少于 50。 可取 z1=7,z2=39 2.2.2 节圆直径的选择 可根据从动锥齿轮的计算转矩，取两者中较小的一个为计算依据，根据经验公式选 出： 3 2 2 jd tkd 式中 d2从动锥齿轮的节圆直径，mm; k直径系数，取=1316; t计算转矩，n.m;取最小者为 2081.52n.m 根据上式可得 d2=178.75mm 根据以上参数算得主减速器主动齿轮与从动齿轮参数如下表： 表 2-1 圆弧齿双曲面齿轮参数 汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真 - 8 - 序号计算公式结果 (1) 1z7 (2) 2z39 (3)(1)/(2)0.179487 (4)f=0.1552d27.7 (5)e20 (6)2d178.75 (7) dr95.250 (8) 1 46.8 (9) tan1 1.06 (10) cos=1.2(3)i2 0.215 (11) sini2 0.976614 (12) =-fsin/2.02mr2di2 150.94 (13) )12( )11)(5( sin i 0.12945 (14) i cos 0.99158 (15)(14)+(9)(13)1.128797 (16)(3)(12)27.09 (17)=(15)(16)1mr30.58 (18)=0.02(1)+1.06rt1.20 (19)(12)/(10)+(17)732.6265 (20)tan=(5)/(19)0.0273 (21) 2)20(0 . 1 1.00037 (22)sin=(20)/(21)0.0273 (23)1.564 (24)sin=(5)-(17)(22)/(12)20.12697 (25)tan20.1280 安徽工程大学毕业设计（论文） - 9 - (26) tan=(22)/(25)1 0.2133 (27) cos 1 0.978 (28)sin =(24)/(27)20.1298 (29)cos20.9915 (30) tan =(15)-(29)/(28)1 1.0578 (31)(28)(9)-(30)0.000285 (32)(3)(31)0.000051 (33)sin =(24)-(22)(32)10.12697 (34)tan10.1280 (35)tang =(22)/(34)10.2133 (36)g112.04 (37)cosg10.9780 (38)sin =(33)/(37)10.1298 (39) 17.46 (40)cos 10.9915 (41)tan =(15)+(31)-(40)/(38)11.06 (42)146.67 (43)cos10.6862 (44) =(42)-(39)239.21 (45)cos20.7748 (46)tan20.8159 (47)cosg =(22)/(33)20.215 (48)g277.58 (49)sing20.9767 (50)cosg20.215 (51)(17)+(12)(32)/(37)31.28 (52)(12)/(50)702.05 (53)(51)+(52)733.33 (54)(12)(45)/(49)119.74 汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真 - 10 - (55)(43)(51)/(35)100.63 (56)-tana=(41)(55)-(46)(54)/(53)010.0122 (57)-a010.699 (58)cosa010.99992 (59)(41)(56)/(51)0.0004134 (60)(46)(56)/(52)0.000014178 (61)(55)(54)12049.436 (62)(54)-(55)/(61)0.001586 (63)(59)+(60)+(62)0.0004276 (64)(41)-(46)/(63)570.86 (65)r =(64)/(58)d570.91 (66)(7)/(65)0.16684 (67)(3)(50)0.0386 (68)(5)/(34)-(17)(35)149.75 (69)(37)+(40)(67)1.016204 (70)=(49)(51)mz30.55 (71)=(12)(47)-(70)z1.9021 (72) a=(12)/(49)m 154.54 (73)a。=0.5(6)/(49)174.585 (74)(73)-(72)20.045 (75)=k(12)(45)/(2)gmh10.795 (76)(12)(46)/(7)1.293 (77)(49)/(45)-(76)0.0324 (78)ai45 (79)sinai0.707107 (80)a /2i22.5 (81)cosa /2i0.9239 (82)tana /2i0.4142 (83)(77)/(82)0.0782 安徽工程大学毕业设计（论文） - 11 - (84) d )2( )83(10560 21.17 (85)ka0.130 (86)k =1.15-(85)b1.02 (87)h=(75)(85)2m1.40335 (88)h=(75)(86)+0.052m11.0609 (89)t22.7521 (90)sin20.0048 (91)=-t2trt218.418 (92)sint20.3159 (93)h =(87)+(74)(90)21.50 (94)h =(88)+(74)(92)217.3931 (95)c=0.15(75)+0.051.66925 (96)h=(93)+(94)18.8931 (97)h =(96)-(95) g17.22385 (98)g=(48)+(89)0280.3321 (99)sing020.9858 (100)cosg020.1679 (101)r=(48)-(91)2r59.162 (102)sinr2r0.8586 (103)cosr2r0.5126 (104)cotr2r0.5970 (105)=(93)(50)/0.5+(6)02d179.395 (106)(70)+(74)(50)34.8596 (107)x=(106)-(93)(49)0233.39455 (108)(72)(90)-(87)/(99)-0.671 (109)(72)(92)-(88)/(102)43.97 (110)z =(71)-(108)02.5731 (111)z=(71)+(109)r-2.341 汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真 - 12 - (112)(12)+(70)(104)45.8786 (113)sin=(15)/(112)0.0246 (114) cos=2)113(1 0.9996 (115)tan=(113)/(114)0.0246098 (116)sing=(103)(114)010.5967612 (117)g0136.638 (118)cosg010.8024 (119)tang010.7437 (120)(102)(111)+(95)/(103)-0.6647 (121)g =(5)(113)-(120)/(114)01.157 (122) tan= )69( )67)(38( 0.00493 (123) 0.2826 (124)=（39）-（123）7.1774 (125) =(117)-(36) 124.598 (126)（113） （67）-（68）-149.74905 (127)（123）/（124）0.03937 (128)（68）+（87） （68）359.90 (129)（118）/（125）0.0326 (130)（74） （127）0.7891 (131)b =（128）+（130） （129）+（75）0 （126） 125.66 (132)（4） （127）-（130）0.301449 (133)b =（128）-（132） （129）+（75）i （126） 125.665 (134)（121）+（131）126.817 (135)d=（119） （134）/0.501188.6276 (136)（70） （100）/(99)+(12)156.14 (137)sin =(5)/(136)00.12809 (138)07.359 安徽工程大学毕业设计（论文） - 13 - (139)cos00.9917 (140)(99)(110)+(95)/(100)25.05 (141)g=(5)(137)-(140)/(139)r-22.676 (142)sinr=(100)(139)1r0.1665 (143)r1r9.584 (144)cosr1r0.9860 (145)tanr1r0.16885 (146)bmin0.11 (147)bmax0.16 (148)(90)+(92)0.3207 (149)(96)-(4)(148)10.00971 (150)a =(73)-(4)i146.885 2.3 齿轮强度计算 “格里森制”圆锥齿轮与双曲面齿轮的强度计算，通常进行以下几种： 2.31 单位齿长上的圆周力 p=t1000/(d /2f) （2-7）maxegi1 式中： t发动机最大转矩，nm；maxe 变速器传动比，常取 i 档及直接进行计算；gi d 主动齿轮节圆直径；1 根据 i 档计算单位齿长上的圆周力 p1 p =177.057n/mm1 7 . 27 2 6276.188 106.608700 3 p 常用作估算主减速器齿轮的表面耐磨性。许用单位齿长上的圆周力如下表所示： 表 2-2 许用单位齿长上的圆周力 f d it ge 2 /10 1 3 max 汽车类别 参数 i 档ii 档直接档 f d rg p r 2 10 2 3 2 轮胎与地面的附着 系数 轿车8935363218930.85 载货汽车142925014290.85 汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真 - 14 - 公共汽车9822140.85 牵引汽车5362500.65 载货汽车 p 为 1429n/mm,p p =1429n/mm11 根据以上的计算表明，后桥的主减速齿轮与从动齿轮耐磨性都比较好，满足要求。 2.32 齿轮的弯曲强度计算 汽车主减速器螺旋锥齿轮与双曲面齿轮的计算弯曲应力 （）为 w 2 /mmn （2- jfzmk kkkt v msj w 2 0 3 102 8） 式中： t 齿轮的计算转矩，nm，从动齿轮 ， 两者中较小者和 t计算；对于主jjetjtjm 动齿轮还需将上述计算转矩算到主动齿轮上； k 超载系数；0 k 尺寸系数，反映材料的不均匀性，与齿轮尺寸及热处理等有关。当端面模数s m1.6mm 时，k =s 4 4 . 25 m k 载荷分配系数，当两个齿轮均采用骑马式支承型式时，k =1.001.10；当一个齿mm 轮采用骑马式支承时，k =1.101.25。支承刚度大时取小值;m 质量系数，对于汽车驱动桥齿轮，当齿轮接触良好、周节及径向跳动精度高时， v k 可取=1 ； v k f 计算齿轮的直面宽，mm； z计算齿轮的齿数； m齿轮的端面模数，mm； j计算弯曲应力的综合系数，该车后桥取 j=0.22 则有： =210002081.520.64881.10/127.7394.5 0.22w 计算得 =617.34mpa，其中尺寸系数 k =0.6488，汽车主减速器齿轮的许用弯曲应ws 力为 700mpa 。因为 617.34700，所以很容易看出后桥齿轮能满足弯曲强度要求。 安徽工程大学毕业设计（论文） - 15 - 2.3.3 齿轮的接触强度计算： 汽车主减速器双曲面齿轮的接触应力公式为： （2-15） fjk kkkkt d c v fmsozp j 3 1 102 式中： 材料的弹性系数，对于钢制齿轮副取 232.6； p cmmn / 2 1 见式（2-14）下的说明； zsmvo tkkkk, 表面质量系数，一般情况下，对于制造精确地齿轮可取=1； f k f k 计算接触应力的综合系数，它综合考虑了啮合齿面的相对半径、载荷作用位置、j 轮齿间的载荷分配、有效齿宽及惯性系数等因素的影响，=0.22；j 代入数据进行计算得到： =1019.198mpa j 22 . 0 7 . 271 11 . 11152.2081102 6276.188 6 . 232 3 汽车主减速器齿轮的许用弯曲应力为 2800mpa ，因为 1019.1982800，所以可以看出 后桥设计齿轮的弯曲应力满足接触强度要求。 第第 3 3 章章 差速器设计差速器设计 根据汽车行驶运动学的要求和实际的车轮道路以及它们之间的相互关系表明：汽车 在行驶过程中左右车轮在同一时间内所滚动的行程往往是有差别的。例如，转弯时外 侧车轮的行程要比内侧的长。另外，即使汽车作直线行驶，也会由于左右车轮在同一 时间内所滚过的路面垂向波形的不同，或由于左右车轮轮胎气压、轮胎负荷、胎面磨 损程度的不同以及制造误差等因素引起左右车轮外径不同或滚动半径不相等而要求车 轮行程不等。在左右车轮行程不等的情况下，如果采用一根整体的驱动车轮轴将动力 传给左右车轮，则会由于左右驱动车轮的转速虽相等而行程却又不同的这一运动学上 的矛盾，引起某一驱动车轮产生滑转或滑移。这不仅会使轮胎过早磨损、无益地消耗 功率和燃料及使驱动车轮轴超载等，还会因为不能按所要求的瞬时中心转向而使操纵 性变坏。此外，由于车轮与路面间尤其在转弯时有大的滑转或滑移，易使汽车在转向 时失去抗侧滑能力而使稳定性变坏。为了消除由于左右车轮在运动学上的不协调而产 生的这些弊病，汽车左右驱动轮间都装有差速器，后者保证了汽车驱动桥两侧车轮在 行程不等时具有以不同速度旋转的特性，从而满足了汽车行驶运动学的要求。 3.1 汽车轮间差速器结构型式的选择 3.1.1 齿轮式差速器 齿轮式差速器有圆锥齿轮式和圆柱齿轮式两种。 按两侧的输出转矩是否相等，齿轮式差速器有对称式（等转矩式）和不对称式（不 等转矩式）两类。对称式主要用做汽车轮间差速器或由平衡悬架联系的两驱动桥 （66 或 64 汽车的中、后驱动桥）之间的轴间差速器。不对称式差速器用做前、后 驱动桥之间（44 汽车）或前驱动桥与中、后驱动桥之间（66 汽车）的轴间差速器。 汽车上广泛采用的差速器为对称锥齿轮式差速器，具有结构简单、质量较小等优点， 汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真 - 16 - 应用广泛。又可分为普通锥齿轮式差速器、摩擦片式差速器和强制锁止式差速器等。 1、普通圆锥齿轮式差速器 普通锥齿轮差速器锁紧系数一般为 0.050.15，两半轴转矩比 kb=1.111.35， 这说明左、右半轴的转矩差别不大，故可以认为分配给两半轴的转矩大致相等，这样 的分配比例对于在良好路面上行驶的汽车来说是合适的。但当汽车越野行驶或在泥泞、 冰雪路面上行驶，一侧驱动车轮与地面的附着系数很小时，尽管另一侧车轮与地面有 良好的附着，其驱动转矩也不得不随附着系数小的一侧同样地减小，无法发挥潜在牵 引力，以致汽车停驶。 2、摩擦片式差速器 摩擦片式差速器的锁紧系数可达 0.6，kb可达 4。这种差速器结构简单，工作平稳， 可明显提高汽车通过性。 3、强制锁止式差速器 当一个驱动轮处于附着系数较小的路面时，可通过液压或气动操纵，啮合接合器 (即差速锁)将差速器壳与半轴锁紧在一起，使差速器不起作用，这样可充分利用地面 的附着系数。采用差速锁将普通锥齿轮差速器锁住，可使汽车的牵引力提高，从而提 高了汽车通过性。当然，如果左、右车轮都处于低附着系数的路面，虽锁住差速器， 但牵引力仍超过车轮与地面间的附着力，汽车也无法行驶。 强制锁止式差速器可充分利用原差速器结构，其结构简单，操作方便。目前，许 多使用范围比较广的重型货车上都装用差速锁。 3.1.2 滑块凸轮式差速器 滑块凸轮式差速器是一种高摩擦自锁差速器，其结构紧凑、质量小。但其结构较 复杂，零件材料选择、机械加工、热处理、化学处理等方面均有较高的技术要求。 3.1.3 蜗轮式差速器 蜗轮式差速器也是一种高摩擦自锁差速器。其半轴转矩比可高达 5.67-9.00，锁紧 系数达 0.70.8。但在如此高的内摩擦情况下，差速器磨损快、寿命短。当把半轴转 矩比降到 2.653.00，锁紧系数降到 0.450.50 时，可提高该差速器的使用寿命。由 于这种差速器结构复杂，制造精度要求高，因而限制了它的应用。 3.1.4 牙嵌式自由轮差速器 牙嵌式自由轮差速器是自锁式差速器的一种。其半轴转矩比是可变的，最大可为 无穷大。该差速器工作可靠，使用寿命长，锁紧性能稳定，制造加工也不复杂。 3.1.5 差速器类型选择结果 目前，汽车上广泛采用的差速器为对称锥齿轮式差速器，具有结构简单、质量较小 等优点，故本论文以普通对称式圆锥行星齿轮差速器作为研究对象。 3.2 差速齿轮的基本参数选择： 行星齿轮球面半径 r 的确定，圆锥行星齿轮差速器的结构尺寸，通常取决于行星b 齿轮背面的球面半径 r ，它是行星齿轮的安装尺寸。b r = (3-1)bbk 3 jt 式中： 行星齿轮球面半径系数，=2.522.99，对于有 4 个行星齿轮的轿车和公路载bkbk 荷汽车取小值；对于有两个行星齿轮的轿车以及越野汽车、矿用汽车取大值； 计算扭矩，nm，取、中较小值。jtjetjt 安徽工程大学毕业设计（论文） - 17 - r =2.99=38.177mmb 3 52.2081 节锥距的确定： a =（0.980.99）r （3-2）0b 计算： a =0.98538.177=37.6 mm0 行星齿轮齿数和半轴齿轮齿数的选择。1z2z 为了得到较大的模数从而使齿轮有较高的强度，应使行星齿轮尽量少，但一般不 应该少于 10。半轴齿轮齿数采用 1425. 根据所选车型以及其用途情况，其后桥需要较为紧凑且要保证齿轮有足够的强度 特点去：=10；=141z2z 差速器圆锥齿轮模数以及半轴齿轮节圆直径的初步确定如下： 先初步求出行星齿轮和半轴齿轮的节锥角 g 、g :12 g =arctan（/） （3-3）11z2z g =arctan（/） （3-4）22z1z 计算: g =arctan(10/14)=35.53771 g =arctan（14/10）=54.46232 计算圆锥齿轮的大端面模数： m=（2a /）sing =（2a /）sing （3-5）01z102z2 由以上数据可算 m=4.4 再进行节圆直径计算： d=zm （3-6） 所以可知道：d =44 mm1 d =61.6 mm2 差速器的行星半轴齿轮压力角 a 的确定如下： 过去汽车差速器都选用 20压力角，这时齿高系数为 1，而最少齿数是 13。目前， 汽车差速器齿轮大都选用 2230 的压力角，齿高系数为 0.8，最少齿数可减至 10，并 且在小齿轮(行星齿轮)齿顶不变尖的条件下还可由切向修正加大半轴齿轮齿厚，从而使 行星齿轮与半轴齿轮趋于等强度。由于这种齿形的最小齿数比压力角 20的少，故可用 较大的模数以提高齿轮的强度。 考虑所选车使用道路环境选择 a=223015 对汽车差速器直齿锥齿轮的进行几何尺寸计算： 表 3-1 差速器直齿锥齿轮几何尺寸表 序号项目计算公式及结果 1行星齿轮齿数z =101 2半轴齿轮齿数z =142 3模数m=4.4 4齿面宽f=0.3a =11.280 汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真 - 18 - 5齿工作高h =1.6m=7.04 g 6齿全高h=1.788m+0.051=7.9182 7压力角 2230 8轴交角 90 9节圆直径d =44；d =61.6 12 10节锥角g =35.5377;g =54.462312 11节锥距a =37.60 12周节t=3.1416m=13.823 13齿顶高 h =h -h =6.42;h =0.61881g22 14齿根高 h =1.788m-h =1.4472;h =1.788m-112 h =7.24842 15径向间隙c=h-h =0.8782 g 16齿根角 =arctan（h /a ）110 =2.204； =arctan（h /a ）220 =10.91 17面锥角g=g + =46.45；g=g + = 01120221 56.6663 18根锥角 g=g - =33.33；g=g -r111r22 =43.552 19外圆直径 d=d +2h cosg =54.448；d=d0111102 +2h cosg =62.319222 20节锥顶点至齿轮外院 距离 =d /2-h sing =27.068;=dx01111x02 /2-h sing =21.496222 21理论弧齿厚s =7.202;s =6.6212 22齿侧间隙b=0.150 23弦齿厚s=7.0948;s=6.5321x2x 安徽工程大学毕业设计（论文） - 19 - 24弦齿高h=6.5599;h=0.72221x2x 由于行星齿轮在差速器工作之中经常只起等臂推力杆的作用，仅在左右驱动轮有差 速时候才进行相对转动，所以只需要对差速器齿轮进行弯曲强度计算，疲劳寿命则不 需要考虑。 弯曲应力为： =21000k tk k /k fz j (3-7)wosmv2 式中：t差速器一个行星齿轮给予一半轴齿轮的转矩，nm t=t 0.6/nj t 计算转矩，按、两者中的较小者和 t计算；jjetjtjm n行星齿轮数目； z 半轴齿轮数目；2 k 、k 、k 、f、m见前面的说明；ovs j计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数； t=2081.520.6/2=624.456 nm =21000k tk k /k fz j wosmv2 =2000624.45610.64881.1/127.7144.54.50.222 =511.27mpa 按、两种计算转矩中的较小者进行计算时，弯曲应力应不大于 980mpa。 je t j t 由于 511.27980 齿轮的强度达到要求。 至此差速器齿轮，及半轴齿轮与行星齿轮计算完毕。 第第 4 4 章章 基于基于 solidworkssolidworks 后桥传动机构建模后桥传动机构建模 4.1 主要零部件建模 后桥建模主要包括：主减速器主动齿轮建模、从动齿轮建模；差速器半轴齿轮建模、 行星齿轮建模、差速器桥壳建模以及各个零部件的装配。具体建模过程是在软件中操 汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真 - 20 - 作的，模型在论文附件中。本文只列出建模的截图。 图 4-1 减速器大齿轮 图 4-2 减速器大齿轮 安徽工程大学毕业设计（论文） - 21 - 图 4-3 减速器小齿轮 汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真 - 22 - 图 4-4 减速器小齿轮 图 4-5 差速器小齿轮 1 安徽工程大学毕业设计（论文） - 23 - 图 4-6 差速器小齿轮 2 图 4-7 差速器大齿轮 1 汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真 - 24 - 图 4-8 差速器大齿轮 2 图 4-9 壳体 1 安徽工程大学毕业设计（论文） - 25 - 图 4-10 壳体 2 图 4-11 十字节 4.2 主要零部件装配 装配过程可参见光盘中的装配动画。 汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真 - 26 - 第第 5 5 章章 后桥传动机构运动仿真后桥传动机构运动仿真 本主要是在前一章的建模基础上进行的，对建模后的装配进行运动仿真。对装配的 后桥传动系统运动仿真，能有效的减少系统在设计过程中所出现的干涉以及设计不合 理现象出现，对于后桥传动系统运动仿真主要是检查后桥在运动仿真时是否出现干涉 现象。 solidworks/motion 是基于 windows 环境的参数化三维实体造型软件。为广大工程 技术人员提供了在单一的 windows 界面上无缝集成实体造型、有限元分析和优化设计、 虚拟装配、三维机构运动仿真、运动干涉检查、工艺规程生成、数控加工、三维实体 图转化二维工程图、产品数据共享与集成等多种多样的功能。 由于系统仿真属于动画效果，只有在软件中才能体现出仿真过程，故在文字部分 就不做赘述了。 安徽工程大学毕业设计（论文） - 27 - 第第 6 章章 齿轮的有限元分析齿轮的有限元分析 6.16.1 simulationsimulation 简介简介 本文有限元分析采用的是 solidworks 软件中的 simulation 模块其主要分析功能如 下： (a)系统及部件级分析 以 fea 为例，为了实现有价值的分析，设计的几何部件会需要不同的单元类型， 实体、壳、梁、杆进行离散。而且需要充分考虑装配体间的连接关系和接触关系。 其中连接关系的处理尤其重要，涉及到螺栓连接、销钉连接、弹簧、点焊、轴承 等非常复杂的连接关系。 (b)多领域的全面分析 任何一个产品决计不能仅考虑静强度，必须考虑多领域的问题，比如静强度、动 强度、模态、疲劳、参数优化等。图 5 展示了在统一界面下产品的多领域分析。 (c)面向设计者的多场耦合 热-结构、流体-结构、多体动力学-结构等多场分析是目前分析中的一个重要发展 方向，他可以解决非常复杂的工程问题。 (d)特殊行业及领域的需求 面对很多行业有很多特殊需求，因此需要特殊的 cae 模块。例如面对压力容器， 需要符合 asme 标准的压力容器校核工具；面对电子和消费品领域，需要解决跌落分析 的能力。 (e)高级分析需求 面对日益复杂的使用环境，必须考虑复合材料、材料非线性、高级机械振动、非 线性动力学等高级分析的需求。 6.2 具体分析 1 打开 solidworks 软件，打开齿轮装配体文件 图 6-1 打开文件 2 打开 simulation 模块 图 6-2 simulation 插件 汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真 - 28 - 3 新建运动算例，静态算例。 图 6-3 新算例 图 6-4 静态算例 4 定义材料属性 图 6-5 合金刚 图 6-6 材料属性 安徽工程大学毕业设计（论文） - 29 - 5 夹具顾问 对小齿轮施加轴承夹具，对大齿轮施加固定集合体。 图 6-7 固定大齿轮 图 6-8 小齿轮轴承约束 汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真 - 30 - 6 施加载荷，在小齿轮上施加 11.06n.m 的扭矩 图 6-9 载荷顾问 图 6-10 施加扭矩 7 网格划分 图 6-11 网格划分 安徽工程大学毕业设计（论文） - 31 - 8 运行结果 （1）应力 图 6-12 应力结果 由图可以看出齿轮的最大应力为 321.8mpa,材料的屈服强度为 620mpa,齿轮应力合格 （2）合位移 图 6-13 合位移 汽车后桥传动机构三维建模及运动仿真 - 32 - （3）应变 图 6-14 应变 （4）结果比较 图 6-15 结果比较 安徽工程大学毕业设计（论文） - 33 - 结论与展望结论与展望 驱动桥是汽车上的一个重要总成，它对汽车的各种性能有着直接的影响。本文重 点进行了驱动桥各个组成部分的设计计算。这包括主减速器主、从动齿轮的设计，差 速器齿轮的设计。对各个零部件进行了三维建模和运动仿真。完成上述工作，不仅使 我更加深入了解驱动桥的构造，而且让我熟悉了驱动桥的整个设计过程，收获很大。 由于本文是基于 solidworks 三维软件的后桥传动机构建模，