（机械电子工程专业论文）微车主减速器准双曲面齿轮静力学有限元分析.pdf

中文摘要 近年来，随着微车技术的迅猛发展，人们生活质量的提高，顾客对微车乘 坐的舒适性要求也越来越高。微车后桥主减速器的振动是影响舒适性的主要因 素之一。准双曲面齿轮是主减速器的重要组成部分，具有传动平稳、冲击和噪 音比较小、承载能力强和寿命长等优点，所以在汽车后桥中应用更加广泛。准 双曲面齿轮的振动是后桥振动的主要原因，减小后桥振动的关键在于提高齿轮 的加工，装配质量。如果该对齿轮在材料的处理、零件制造、装配和磨合等环 节的处理未完全到位时，微车齿轮副在啮合工作过程中，会产生振动和噪声， 严重时会影响微车运行的平稳性及乘员乘坐的舒适性。本文从实际出发，分析 准双曲面齿轮的动态特性，同时对准双曲面齿轮的装配误差进行分析研究，对 于降低微车后桥主减速器的振动和噪声具有十分重要的意义。 本文在充分了解国内外研究现状的基础上，从模态分析和接触分析两个方 面，对准双曲面齿轮进行分析研究，并通过实验验证分析结论。本文先介绍了 w l t 系统的硬件系统和软件系统，根据此系统测试出了准双曲面齿轮的固有频 率，并计算出后桥齿轮和轴承在各种故障下振动的特征频率，而齿轮的固有频 率远离正常工作范围，证明了后桥不会发生共振。再根据切齿加工原理，建立 了准双曲面齿轮模型，并进行虚拟装配，干涉检查，为后面分析提供精确的模 型。然后，对整个齿轮进行模态分析，得出齿轮的固有频率和六阶振型，为结 构设计提供可靠依据，进而进行优化设计，并通过上述实验验证了理论分析结 论。最后，分别按照正常装配位置，以及存在较大中心距误差情况下的装配位 置，分别对一对齿轮进行接触分析，分析齿轮的接触应力变化规律，并观察齿 轮内部应力云图，同时可以得到齿面接触区形状。通过接触区测试，分析中心 距误差及轴线偏斜等误差对接触区的影响，为齿轮设计提供参考。最后，对全 文进行了总结和展望。 关键词：准双曲面齿轮，实体建模，固有频率，模态分析，接触分析 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n g 谢t l lm i c r ov e h i c l et e c h n o l o g yr a p i dd e v e l o p m e n ta n d l i v i n gq u a l i t yo fp e o p l ei m p r o v i n g , r e q u i r e m e n t so fc u s t o m e r s o nm i n i c a l r i d e c o m f o r t a b l ea r eg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r t h ev i b r a t i o no fm i c r ov e h i c l er e a ra x l e m a i np r o d u c e ri so n eo fm a i na f f e c t i n gc o m f o r t a b l ef a c t o r s t h eh y p e r b o l o i dg e a ri s i m p o r t a n tp a r to fm a i nr e d u c e r , w h i c hh a sm e r i t so fd r i v es m o o t h ，s h o c ka n dn o i s ei s r e l a t i v e l ys m a l l ，b e a r i n gc a p a c i t yt ob es t r o n ga n dl o n gl i f ee t c ，s ot h ea p p l i c a t i o no n m i c r ov e h i c l er e a ra x l ei sm o r ew i d e l y t h ev i b r a t i o no fh y p o i dg e a ri sm a i nr e a s o n o fr e a ra x l ev i b r a t i o n , t h ek e yo fr e d u c er e a ra x l ev i b r a t i o nl i ei ni m p r o v i n gg e a r s p r o c e s s i n g ，a s s e m b l yq u a l i t y i ft h et r e a t m e n to ft h eg e a r si sn o tf u l l yi np l a c ew h i c h i nm a t e r i a l sp r o c e s s i n g , p a r t sm a n u f a c t u r i n g , a s s e m b l ya n dr u n n i n g - i np e r i o da n ds o o n ，t h eg e a rp a i rw i l lg e n e r a t ev i b r a t i o na n dn o i s ei nt h em e s h i n gw o r kp r o c e s s ，w h i c h a f f e c tt h es m o o t hr u n n i n go fm i n i v e h i c l ea n dr i d i n gc o m f o r to fp e o p l e t h i sa r t i c l e e m b a r k sf r o mt h er e a l i t y , a n a l y s i sd y n a m i c sf e a t u r e so fh y p o i dg e a r , s t u d i e sa s s e m b l y e l t o ro fh y p o i dg e a r s ，w h i c hh a sv e r yv i t a ls i g n i f i c a n c ef o rr e d u c et h ev i b r a t i o na n d n o i s eo fm i c r ov e h i c l el e a ra x l ev i b r a t i o n t h i sp a p e r , w h i c hi sb a s e do nf u l l ys t u d y i n gs t a t u so fh o m ea n da b r o a d , a n a l y s i s a n ds t u d y i n gh y p e r b o l o i dg e a rf r o mm o d a l a n a l y s i sa n dc o n t a c ta n a l y s i so ft w o a s p e c t s , a n dt h r o p r o e he x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o na n a l y s i sc o n c l u s i o n t h i sa r t i c l e i n t r o d u c e dh a r d w a r es y s t c ma n dt h es o f t w a r es y s t e mo ft h ew l ts y s t e m ，a n d a c c o r d i n gt ot h es y s t e m , w et e s tn a t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d a lo ft h eh y p o i dg e a r a n d c a l c u l a t ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c yo ft h er e a ra x l eg e a r su n d e rv a r i o u sf a u l t b u tn a t u r a lf r e q u e n c yo ft h eg e a ri sf a ra w a yf r o mt h en o r m a lw o r ks c o p e , p r o v i n g t h er e a ra x l eo fc a l w o n tr e s o n a t e t h e n , a c c o r d i n gt ot h ec u t t i n gt o o t hp r o c e s s i n g p r i n c i p l e ，e s t a b l i s hh y p o i dg e a rm o d e l ，a n dc o n d u c tv i r t u a la s s e m b l y , i n t e r f e r e n c e c h e c k i n g , p r o v i d e st h ep r e c i s em o d e lf o rt h ef o l l o w i n ga n a l y s i s t h e n , c a r r i e so nt h e m o d a la n a l y s i st ot h ee n t i r eg e a r o b t a i n sn a t u r a lf r e q u e n c ya n ds i xs t e pm o d e so f h y p e r b o l o i dg e a rv i b r a t i o n ，p r o v i d e st h er e l i a b l eb a s i sf o rt h es t r u c t u r a ld e s i g n ， c a r r i e so nt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n ，a n dt e s t sn a t u r a lf r e q u e n c yo fg e a r st h r o p r o e ht h e e x p e r i m e n t ，w h i c hc o n f i r m e dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sc o n c l u s i o n n e x t ，i na c c o r d a n c e w i t hn o r m a lc e n t e rd i s t a n c ea s s e m b l y1 0 c a t i o n , a n de r rc e n t e rd i s t a n c ea s s e m b l y p o s i t i o n ，c a r r y i n go nt h ec o n t a c ta n a l y s i st oap a i ro fg e a r ss e p a r a t e l y , a n a l y z e sg e a r s c o n t a c ts t r e s sa sw e l la sa r e a so fc o n t a c ts h a p e ，a n do b s e r v e si n t e r n a ls t r e s so ft h eg e a r a tt h es a m et i m e ，t h r o p r o e ht h ec o n t a c ta r e at e s t ，a n a l y s i st h ei n f l u e n c eo fc e n t e r d i s t a n c ee f f r o ra n da x i a ld e f l e c t i o nt oc o n t a c ta r e a , v e n f yt h ea n a l y t i c a lc o n c l u s i o n s f i n a l l y , t h ep a p e ri sc a r r i e so nt h es u m m a r ya n dt h ef o r e c a s tt ot h ef u l lt e x t k e yw o r d s ：h y p o i dg e a r , e n t i t ym o d e l i n g ，n a t u r a lf r e q u e n c y , m o d a la n a l y s i s ，c o n t a c t a n a l y s i s l l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：五! 鲎国日期：趁：兰：丛 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：万询目导师( 签名) ：锯劲矽日期砷j 彩 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 汽车至今已有1 0 0 多年的发展史，随着技术的不断发展进步，汽车的各种 性能有很大幅度的提高，技术也更加成熟可靠。后桥作为传动系统的主要零部 件，它的好坏将直接影响到汽车的整体质量。准双曲面齿轮已有6 0 多年的发展 历史，因其啮合性能好、传动平稳、噪声较小、承载能力高、结构紧凑，可以 降低传动装置的重心等优点而得到广泛的应用【l l 。特别是在汽车工业中，准双曲 面齿轮大量应用于汽车驱动桥主减速器中。主减速器准双曲面齿轮啮合时，会 产生较大的振动和噪声，减小主减速器的振动和降低噪声，对于提高汽车乘坐 的舒适性具有十分重要的意义。汽车振动、噪声和舒适性是密不可分的，三者 相互联系，既要减小汽车振动和降低噪声，又要提高汽车乘坐舒适性，并要保证 产品的使用性能，经济效益。对准双曲面齿轮传动进行啮合仿真分析，能大大 缩短研发时间，减小人力成本，对于提高产品设计开发效率有着重要的意义。 1 1 概述 近年来，随着汽车工业技术的迅速发展，人们对微车的要求也越来越高， 要求微车不光满足行驶和载货的要求，对其乘坐舒适性也更加关注。准双瞳面 齿轮作为微车后桥( 如图1 - 1 ) 主减速器中的重要零件，其主要功能是将传动轴 输入的转矩增大，同时降低转速，并适于车速的变化。主减速器总成的结构对 微车的动力性、经济性与轻便性、传动的平稳性以及效率都有直接的影响。 微车后桥主减速器齿轮在啮合过程中，齿轮传递较大的转矩，齿面承受很 大的压力，而齿根又受到较大的弯矩，啮合的刚度也在不断变化，引起齿轮传 动系统很大的振动。此外，齿形误差，齿距偏差，轴承制造和安装误差也会弓 起后桥的振动。然而，一切噪声又来源于振动，振动和噪声总是伴随着汽车行 驶过程。过大的振动会引起汽车的传动部件和支撑结构的早期疲劳破坏，从而 降低使用寿命；过高的噪声会影响架驶员的听力，使驾驶员产生疲劳，影响汽 车的安全驾驶，也影响着微车的乘坐舒适性。因此，减小振动和噪声，对于提 高汽车乘坐舒适性具有重要的意义。 武汉理工大学硕+ 学位论文 图卜1 后桥外形图 后桥的结构如图1 2 所示，振动和噪声总是相互伴随，相互联系，人们能 听到声音及感到振动，通过对其频率分析可以知道，“振动问题”主要集中在低 频率部分，而“噪声问题”主要分布在高频率部分。区分振动和噪声的适宜界 限为1 0 0 0h z 。也就是说，频率低于1 0 0 0 h z 是振动问题，而高于10 0 0 h z 则为 噪声范围。后桥在传递动力的过程中，各个部件既有低频振动，又有高频噪声。 为保证主减速器具有良好的工作性能，准双曲面齿轮( 如图13 ) 一般有以下设 计要求：传动效率高、啮合平稳、噪声小、体积小、质量轻、承载能力强、工 作可靠、使用寿命长等。因此，对其进行精确的建模和强度汁算是十分必要的。 图12 后桥结构图 卜后桥壳2 一差速器壳3 差速器行星齿轮4 差速器半轴齿轮 5 一半轴6 一主减速器7 一主减速器壳劲部 武汉理工大学硕士学位论文 图卜3 主减速器内准双曲面齿轮示意图 早在2 0l | = 纪初，人们就已经开始进行准双曲面齿轮传动的振动和噪声性能 研究，也取得一定成果。随着汽车测试技术的发展，各种传感器的广泛应用， 到2 0 世纪6 0 年代中期，人们才用后桥的振动和噪声来评价个汽车传动系统 的好坏，随后引起世界范围内的广泛关注，在世界范围内推广和传播”】。 汽车的噪声、振动、与舒适性，即n v h ( n o i s e ，v i b r a t l o d ，h a r s h n e s s ) 是衡 量汽车生产质量的一个综合指标。据统计，汽车约i 3 的故障问题与n v h 有关， 国际上各大汽车公司也投入2 0 研发费用，用于解决汽车的n v h 问题。在汽车噪 声中，后桥齿轮传动噪声是主要噪声源之一。因此，后桥总成的传动平稳性、 振动噪声对整车质量有着重要的影响，在整车装配前，检测主减速器性能对于 保证主减速器总成质量和提高整车的性能指标具有重要意义。后桥齿轮的传动 噪声，一方面，污染环境，影响人体生命健康；另一方面，含有齿轮的故障信 息，根据齿轮噪声中所携带的故障信息，利用振动噪声诊断方法和虚拟仪器的 技术，就可以对系统进行监测，对故障进行早期诊断和预报。 本项1 2 是后桥总成噪声性能测试研究，本课题的目的是建立准双曲面齿轮 的精确模型，同时运用有限元分析方法，研究准双曲面齿轮在啮合过程中的几 何以及边界非线性问题，得出准双曲面齿轮在啮合过程中齿轮的接触应力和齿 根弯曲应力，并分析齿轮在较大的装配误差下，接触区及接触应力的变化规律。 本文也分析了准双曲面齿轮的模态特性，为结构设计和改进提供参考避免了 人工计算中误差大的问题，大大增强了设训的可靠性。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 本课题国内外研究现状 早在1 8 2 0 年，很多数学家就已经提出了准双曲面齿轮的概念，其本质是空 间几何问题，经过数学家们多年研究，根据空间啮合理论，矢量运算规则建立 了几何模型。但是，由于当时技术条件的限制，缺乏精密的加工设备，准双曲 面齿轮也一直处于理论阶段。随着数控机床的出现，加工技术的进步，准双曲 面齿轮才得以从理论变为现实，进而应用到各种设备中l 。1 9 1 0 年，德国人p a u l b t t c h e r 发表了一份关于准双曲面齿轮加工技术的报告，这份报告的内容非常广 泛，系统讲述了准双曲面齿轮的设计原理和加工技术。在这份报告中，他首次 提出了用盘形铣刀加工准双曲面齿轮的技术。1 9 1 3 年，美国的格利森公司的工 程师j a m e s g l e a s o n 设计出了第一台准双曲面齿轮切削加工机床，并成功生产 出准双曲面齿轮，随后格利森机床在世界范围内广泛推广，各国都在此基础上 设计出自己的加工机床，准双曲面齿轮开始广泛应用l s - 6 。 二十世纪七十年代，我国才开始研究准双曲面齿轮相关技术，主要以“格 利森齿轮 为目标，把“格利森齿轮技术 的研究列为重点项目，并组织国内 有关专家，一起进行技术攻关。曾韬、郑昌启等专家深入研究与分析了准双曲 面齿轮空间啮合理论，根据数学矢量运算法则，最终推导出格利森机床加工参 数调整卡上的公式，得出其详细的理论依据及计算方法，并对其中不足地方进 行改进完善，丰富了准双曲面齿轮理论，为我国其它科研工作者的工作，打下 了坚实的理论基础。到了二十世纪八十年代，我国科学家们已基本弄清格利森 齿轮技术的理论以及加工原理，设计制造出自己的准双曲面齿轮加工机床，并 生产出高质量的齿轮模型。1 9 9 9 年，中南大学曾韬教授的科研团队，研制出我 国第一台七轴五联动数控磨齿机y k 2 0 4 5 ，加工出高精密的准双曲面齿轮，并在 全国范围内广泛应用。目前，国内研究准双曲面齿轮技术的专家团队有重庆大 学的齿轮传动系统国家重点实验室、西安交通大学、中南大学和华中科技大学 等研究团队 7 1 。随着科技的发展，人们对准双曲面齿轮提出了更高的精度和强度 要求，齿轮的工作环境也更加苛刻，市场上不断出现各类高精密数控加工机床， 使得其发展更为完善。 有限单元法伴随着数值计算方法的发展，运算速度和精度不断提高，在工 程分析中广泛应用，也是计算机辅助制造( c a m ) 和计算机辅助分析( c a e 的重要 组成部分。目前，有限单元法广泛应用于准双曲面齿轮强度分析和刚度分析， 通过计算机对其进行仿真分析( c a e ) ，已成为准双曲面齿轮分析的重要工具和手 4 武汉理工大学硕士学位论文 段。轮齿强度分析是用计算机来模拟仿真齿轮副啮合的整个过程，记录其中的 各个过程的变化，得到有价值的信息，这些工作为齿轮的设计和制造提供基本 的判断依据，也为切齿加工机床的调整提供更好，更精确的参数。准双曲面齿 轮的啮合部位是局部点接触的、共轭啮合方式，格利森公司专家研究准双曲面 齿轮的接触过程，提出了齿面接触分析( t c a ) i s ) ，这种分析方法未考虑外界负 载和轮齿变形的影响，分析结果误差较大，往往与实际情况不相符合。后来， 齿面接触分析又发展为加载接触分析，科学家们提出了轮齿加载接触分析方法， 在此基础上，研制出了相应的分析软件，即加载齿面啮合分析，简称l t c a m 。其 分析结果十分准确可靠，它为齿轮设计和制造提供基本的依据，具有十分重要 的意义。现在，轮齿加载接触分析( l t c a ) 己经在国内外引起高度的重视，各国 都在这方面展开研究，并取得一定成果。在齿轮研究领域中，该技术是联结几 何设计与力学分析的一座桥梁，其研究成果具有十分重要的指导意义【l o 】。 1 3 课题的提出及课题来源 1 3 1 课题的提出 目前，某汽车制造商生产的微车中，对噪声和乘坐舒适性要求特别高，对 生产质量提出了更高的要求。传动系统的振动和噪声主要来源于后桥，减小后 桥的振动关键在于提高准双曲面齿轮的加工和装配质量。 为提高齿轮的加工和装配质量，许多齿轮厂家都采取更严历的措施，对齿 轮啮合质量进行检查，目前主要是靠人工根据齿轮传动的噪声和振动来判断齿 轮的好坏，有无异响，噪声是否过大等。还要进行人工配对，装配等，这对工 人的业务要求较高，需要有经验的老师傅才能担当这一任务，主观因素影响比 较大。工作人员长期工作下，也会出现人为误差，误判等。因此，在生产线上 需要一套专门的设备，能根据各种故障的特征频率，判断故障发生位置，对其 进行返修再利用，对于节省成本，提高材料利用效率，都有重要意义。研究主 减速器的动态特性以及装配误差造成的振动大小规律，并用来指导生产，由此 提出了这项课题。 1 3 2 课题来源 针对某公司汽车后桥振动较大的问题，本文分析了装配误差对主减速度器 5 武汉理工大学硕士学位论文 振动和噪声的影响，对于降低主减速器的振动和噪声有着重要的意义。本文主 要来源于以下两个项目。 课题来源l ：微车后桥主减速器噪音性能测试系统研究。 课题来源2 ：主减速器在线监测产业技术开发与示范。 1 4 本论文研究的主要意义和研究内容 1 4 1 本论文研究的主要意义 首先，准双曲面齿轮广泛应用于汽车、飞机、轮船、机械、高精密加工设 备等领域，其传动具有高效、平稳等特点，并可以承受较大的载荷，需求量是 相当大的。目前，我国的准双曲面齿轮生产厂家，技术比较落后，主要依靠成 套购买国外数控机床或仿制机床来进行齿轮生产，只能起到生产作用，调整加 工比较缓慢，不能适应市场的快速变化。尤其是高精度准双曲面齿轮的生产， 仍然达不到要求，核心技术仍然没有全面掌握，创新能力比较低。而且，我国 汽车工业迎来了蓬勃的发展的高峰，需求比较大，市场前景好，迫切需要提高 产品的质量、性能，发展民族自主品牌，坚持走自主创新的道路，尽快缩小与 发达工业国家的差距等【埘 随着现代工业的发展，人们对准双曲面齿轮传动的性能要求也越来越高， 传统的设计计算方法己经不能满足要求，也存在很多设计缺陷，不能满足各行 各业的要求，设计上仍需改进和完善。在高精密齿轮传动方面，设计原理已经 不能满足假设条件，加工计算原理已经不适用，按原来的计算方法会产生较大 的误差，需要重新完善计算方法【i l 】。在加工制造方面，数控技术( c n c ) ，计算 机辅助分析( c a e ) 等先进技术的应用，其结果对于指导生产也具有越来越重要 的作用。因此，对准双曲面齿轮的进行模拟仿真和有限单元法的研究，对于提 高准双曲面齿轮的制造和加工精度，对于提高齿轮的使用寿命，对于研制高精 密仪器，对于我国汽车工业的长远发展，取得长足进步，乃至成为世界先进制 造大国均有重要意义【1 2 j 。 1 4 2 本论文主要研究内容 为了对准双曲面齿轮进行分析，必须建立精确的几何模型，为后面的分析打 下基础。同时，本文分析了准双曲面齿轮在不同装配误差位置，通过施加各种 6 武汉理工大学硕士学位论文 载荷，力矩，模拟实际工作情况，分析各种误差对齿轮传动的影响，并通过实 验验证分析结论。本文还分析了准双曲面齿轮的动态性能，得出各种模态参数。 本论文的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 建立准双曲面齿轮三维实体模型。根据图纸的设计要求，在p r o e 建 立了准双曲面齿轮的三维实体模型，并对准双曲面齿轮进行虚拟装配、干涉检 查分析等。 ( 2 ) 采用微车后桥主减速器振动测试系统，测试齿轮的固有频率，并计算 各部件故障振动的特征频率。研究与减速器相关联的部件对振动的响应，分析 主减速器的特性及影响因素。 ( 3 ) 进行准双曲面齿轮的模态分析，分析出各个齿轮的固有频率和各阶振 型，得出系统的动态性能，为结构设计和改进提出建议，并与测试结果进行对 比分析。 ( 4 ) 进行准双曲面齿轮的静态啮合分析，分析齿轮在中心距误差条件下， 齿面接触应力的变化。讨论影响齿轮接触区的各种因素。 1 4 3 本论文的组织结构 本论文采用理论与实验相结合的研究方法，主要分为p r o e 建模、准双曲面 齿轮固有频率测试、模态分析和接触分析四个部分，其技术路线如图1 4 所示。 针对以上这些问题，展开如下工作。 第1 章是绪论，概述了微车主减速器准双曲面齿轮国内外研究的状况，结 合本论文实际的研究课题，提出了本论文具体的研究内容，并制定了研究路线： 第2 章介绍了准双曲面齿轮的切齿原理及加工方法，并在p r o e 建立了准双曲面 齿轮的三维实体模型；第3 章介绍了振动测试设备及相应测试软件( w l t ) ，并计 算出齿轮和轴承在各种故障下的特征频率，分析主减速器的特性及影响因素： 第4 章对准双曲面齿轮的主动轮和被动轮进行模态分析，分析齿轮的六阶固有 频率和振型，并通过实验测试出齿轮的固有频率，与分析结果进行对比；第5 章对准双曲面齿轮在各种安装位置，对其进行接触分析，得出接触应力及其变 形，通过实验测试不同误差下的接触区；第6 章是对全文的总结及其后研究展 望。 7 武汉理工大学硕士学位论文 w l t 测试 得出固有 频率 利用p r o e 建立准双 曲面齿轮的三维模型 将p r o e 中的三维模型导入到a n s y s 中 模态分析 参数修改 简化模型 一彳 对比实验结果，得 出分析结论 图1 - 4 技术路线 3 接触区 测试 对比实验结果，得 出分析结论 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章微车主减速器准双曲面齿轮模型的建立 微车后桥准双曲面齿轮的模型比较复杂，而p r o e 具有强大的三维建模功 能，能构建出各种形状复杂的曲面、实体等。本章主要讨论如何在p r o e 中建立 准双曲面齿轮的三维模型，并进行虚拟装配，干涉检查等。 2 1p r o e 概述 p r o e n g d 汜e r 是美国p t c 公司开发的一套集c a d c 舢倒c a e 于一体的三 维软件，各模块之间切换非常方便，是目前最先进的计算机辅助设计、制造和 分析软件之一，其技术领先，在机械、电子、航空、邮电、兵工、纺织等各行 各业都有着广泛的应用，它集零件设计、装配设计、钣金设计、造型设计、模 具开发、数控加工、运动分析、有限元分析、数据库管理等功能于一体，具有 参数化设计，特征驱动，单一数据库等特点，这些都大大提高了产品开发的效 率，加快了产品开发的速度【1 4 ) 。 p r o e 第一个提出了参数化设计的概念，通过参数化，提高设计绘图效率， 并且采用了单一数据库来解决相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可 以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。p r o e 的基于特征的建模方 式，能够将设计到生产的全过程集成在一起，实现并行设计。本文主要介绍p r o e 的特点及各功能模块，初步了解p r o e 这个软件的基本功能，在此基础上建立准 双曲面齿轮的模型。 ( 一) 工业设计( c a i d ) 模块 工业设计模块主要用于对新产品几何设计。在此以前，零件未生产时，是 无法观看零件形状的，只能通过二维平面图进行想象，设计过程容易出现问题。 现在，用p r o e 生成的实体模型，可以清楚地看到产品的形状、大小、几何信息， 使产品设计更加方便快捷。 ( 二) 机械设计( c a d ) 模块 机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制任意复杂形状的 零件。在实际生活中，存在大量形状不规则的曲面，随着人们生活水平的提高， 对曲面产品的需求将会大大增加。用p r o e 生成复杂曲面的方法较多，因此p r o e 9 武汉理工大学硕士学位论文 可以迅速创建任何复杂曲面。 ( 三) 功能仿真( c a e ) 模块 功能仿真( c a e ) 模块主要进行有限元分析。机械零件的内部应力变化情况是 难以知晓的，有限元仿真使我们可以了解零件内部应力状况，找到应力集中和 应力较大的部位，进行结构优化。利用该功能，在满足零件受力要求的基础上， 便可充分优化零件的设计。 ( 四) 制造( c a m ) 模块 在机械行业中，c a m 制造模块中的功能主要是n cm a c h i n i n g ( 数控加工) 。 在制造模块中可以进行模拟仿真，并生成可以用于加工的n c 代码，只需要简单 地修改程序就可以完成同类型的产品加工。 ( 五) 数据交换( g e o m e 仃yt r a n s l a t o r ) 模块 在实际中还存在一些别的c a d 系统，如p r o ei i 、e u c l i d 、c i m a t r t o n 、 m d t 等，由于它们来自不同的软件公司，所以各自的数据都难以被其它软件所 识别。但在实际工作中，往往需要接受别的c a d 数据。这时几何数据交换模块 就会发挥作用。p r o e 是建立在统一基层的数据库上，在整个设计过程的任何一 处发生改动，都可以反应在整个设计过程的相关环节上。p r o e 还可输出二维和 三维图形，给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标 准数据交换格式来实现，用户还可安装p r o e 软件的其它模块或自行利用c 语言 编程，以增强软件的应用性功能，满足特定的用户。 2 2 准双曲面齿轮的切齿加工原理 微车主减速器准双曲面齿轮是在准双曲面齿轮铣齿机上加工的。格利森机 床的加工原理如图2 1 所示。y 2 2 5 0 和y 2 2 8 0 机床是按照“假想平顶齿轮 原理设 计的，也就是说，在轮齿切削过程中，根据局部共轭原理，假定有一个平顶齿 轮与机床的摇台同心，机床摇台转动的过程中与被切齿轮做无隙啮合，而这个 假想的平顶齿轮由刀具的运动轨迹共同组成。通过两者之间的相对运动，摇台 转动的过程中，刀具逐步在轮坯上切出齿槽。由此可以知道，齿轮的切削过程 就像准双曲面齿轮的啮合过程一样，铣刀盘的切削面与被切齿轮的齿面形成一 对完全共轭的曲面。准双曲面齿轮的这种加工方法称为展成法，摇台所代表的 假想齿轮称为产形轮【5 】。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 准双曲面齿轮的切齿原理 准双曲面齿轮加工中，常用的产形轮有平面产形轮和锥形产形轮两种，分 别如图2 - 2 和2 3 所示。平面产形轮刀盘中心轴线与摇台的中心轴线是平行的，产 形轮的面锥角万- - - - 9 0 。，锥形产形轮的刀盘轴线和摇台轴线不平行，产形轮的面 锥角艿9 0 。1 6 l 。 准双曲面齿轮的被动轮一般都用平面产形轮加工，为了提高加工效率，被 动轮采用双面法加工，在双面铣刀盘上安装内切刀片和外切刀片，这样就可以 同时切削，一次切出整个齿廓，再进给到下一个工位切削，逐步加工出整个齿 轮。当被动轮的节锥角万小于7 0 。时，被动轮必须用展成法加工。当被动轮的节 锥角万大于7 0 。时，用展成法加工出来的被动轮齿面与刀盘形状相近，而且被动 轮的根锥与根锥中点切平面接近，这样就可以不用展成法加工被动轮，让铣刀 盘直接切入轮坯，即采用成形法加工，这样可以极大的提高生产效率，适用于 大批量齿轮生产。同时，用成形法加工时，机床结构可大大简化，更适合大批 量生产 5 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 平面产形轮图2 - 3 锥形产形轮 准双曲面齿轮的主动轮既可以采用锥形产形轮加工，也可以采用平面产形 轮加工。如采用锥形产形轮时，产形轮与工件之间的传动比是不变的，只能在 带有刀倾机构的机床加工，这种加工方法称为刀倾法。刀倾法加工主动轮对刀 盘的齿形角要求很低，刀盘齿形角与主动轮节锥压力角的误差可通过刀倾机构 来补偿，加工调整比较方便；采用平面产形轮时，产形轮与工件的传动比是变 化的，这种加工方法必须在装有变性机构的机床上加工，所以称这种加工方法 为变性法。无论刀倾法或变性法，主动轮刀盘齿形角均无特别严格的要求。均 可以在标准值中选取；但变性法被动轮刀盘齿形角要求与理论值相差不得超过 1 5 度【6 l o 微车主减速器准双曲面齿轮是在格利森铣齿机上进行加工的，加工过程中 要不断地冷却，以免温度过高而损坏刀具和工件，冷却剂一般用粘度较低的润 滑油。格利森机床的加工过程如图2 4 所示。 1 2 武汉理l 人学硕士学位论立 图2 - 4 格利森n 0 1 1 6 机床 对机床结构进行简化，构造出机床的简化模型如图2 5 所示m i 。本文中采用 的后桥主减速器准双曲面齿轮的齿数比为8 4 1 ，对于这种准双曲面齿轮，根据其 设计和技术要求，由于被动轮的节锥角占大于7 0 。，采用成形法加工，而主动轮 采用刀倾法加工，提高生产效率。 图25 格利森铣齿机床的结构简蹦 武汉理1 人学硕十学位论文 23 准双曲面齿轮三维实体模型的建立 该公司提供了某车型的主减速器准双曲面齿轮的零件图和装配图，根据图 纸设计要求，齿轮的齿数比为8 4 l ，在p r o ，e 中建立这对准双曲面齿轮的三维 实体模型，其中主动轮为左旋齿轮被动轮为右旋齿轮。然后在p r o e 装配模块 中进行装配、干涉分析等，从而为下文的分析提供精确的模型。 2 3l 准双曲面齿轮的创建步骡 ( 1 ) 按照被动轮的零件图，创建基本曲线和基本圆，包括齿根圆、齿顶圆、 分度圆等。先创建基准面，在基准面中分别创建好大端和小端的基本圆如图 2 - 6 所示： 图2 - 6 被动轮的基本曲线阁 ( 2 ) 按照图纸所给尺寸，刨建被动轮的轮坯截面，再将截面绕中心轴( y 轴) 旋转一周，得 u 被动轮轮坯，如图2 7 所示。 武汉理工大学硕士学 t 论文 图27 被动轮的轮坯 ( 3 ) 创建被动轮大端的渐开线。建立局部坐标系，插入曲线，按照渐开线的 参数方程，在局部坐标系上生成渐开线，其中渐开线的方程为： 所示 r = 1 7 0 他 t h e t a - 一t * 6 0 x 2 一e o s ( t h e t a ) + r + s 叫t 1 1 e t a ) + t h e m + p v l 8 0 y - r s i n o h e t a ) r * e o s ( t h e t a ) + t h e t a + d “1 8 0 z = o 其中自变量t 对x ，y 和z ( 将从0 变到1 ) ，生成一条完整的渐开线，如图2 - 8 幽2 - 8 碳动轮的大端新开线 ( 4 ) 按照相同的方法，生成被动轮小端的渐丌线，再将两条渐开线镜像。根 据齿轮基本圆和渐开线，分别创建犬端和小端的齿廓截面，再将小端截面绕中 武汉理【大学硕士学位论文 心轴旋转，得到如图2 - 9 所示的模型。 图2 - 9 被动轮的齿廓曲线 ( 5 ) 创建扫引轨迹线。根据铣刀盘直径d = 1 7 0 6 及中点螺旋角2 67 7 。，生成 刀具轨迹并将刀具轨迹投影至分度圆曲面上，完成好的扫引轨逊线如图2 一1 0 所示。 底 弋一图2 - l o 被动轮的扫引轨迹线 ( 6 ) 创建扫描混合截面。按照扫描混合的方法，分别选择两个截面，并保证 方向的一致性，按照扫引轨迹线完成第一个轮齿的创建，完成后的特征如图 21 1 所示。 武汪理t 人学硕十学位论文 图2 一儿被动轮的一个轮齿 ( 7 ) 对第一个轮齿进行环形阵列，个数为4 l ，角度为( 3 6 0 4 1 ) 。，得到完 整的被动轮三维实体模型。再对其进行倒角处理，最后按零件图完成螺孔螺 纹等特征，完成后的被动轮模型如图2 1 2 所示。 图2 - 1 2 被动轮的三维实体模型 采用相同的方法，按照主动轮的零件图，创建主动轮的三维实体模型，如 图2 一1 3 所示。 壁堡翌三丕芏堡圭望堡堡塞 围2 1 3 主动轮的三维实体模型 本节按照公司的设计图纸，详细介绍了准双曲面凿轮的创建步骤，完成一 对准双曲面齿轮的创建，与实际模型一致。为下文的分析奠定了基础。 2 3 2 准双曲面齿轮的装配仿真 虚拟装配是指通过零件之问的引用和链接关系，确定模型之弼的相对位置， 完成模型装配。先建立好被动轮、主动轮实体模型，再根据其安装位置进行实 体装配。装配完成后，在进行干涉分析，啮合区检查等。 准双曲面齿轮的具体装配过程为：建立一个新文件，进入装配模块，先导 入被动轮按绝对位置装配。再按照理论装配位置x ；8 6 m m ，y = 5 2 5 r a m ， z ；3 0 m m ( 其中z ；3 0 m m 为主动轮的偏置距) 装好主动轮。主动轮和被动轮 都可以绕自身的轴线旋转直至完全啮台、没有干涉为止，在对相互接触的齿 面添加相切约束，使其处于接触状态。装配好的模型如图2 1 4 所示。 堡堡里三盔堂堡主堂壑垫兰 崮2 一1 4 准双曲圄齿轮的三维宴体装配 在p r o e 的装配模型中，可以进行干涉检查分析。一对准双曲面齿轮在啮合 传动的过程中，如果装配不合理，轮齿之问可晚会发生干涉；如果两个轮齿之 间相互碰撞而嵌入，这将使以后分析不收敛，结果无效。所以建立精确的模型 和装配体是非常重要的，这直接关系到结果的准确性。干涉检查是对齿轮剐的 可装配性进行评估，在齿轮动态啮合整个过程中，检查主动轮和被动轮之间是 否存在干涉，间隙大小和装配公差设计是否合理。检查其装配路径、装配关系 和约束条件是否合理，是否能够正常啮合运动。通过对一对准双曲面齿轮的干 涉检查，结粜表明，两齿轮在啮合传动的过程中，正常啮合且不发生干涉。 以上为一对准双曲面齿轮实体建模的详细过程，通过咀上步骤，完成准双 曲面齿轮的建模。然后再对准双曲面齿轮的模型进行装配以及干涉检查分析， 得到的模型是精确可靠的，理论模型为a n s y s 做有限元分析奠定了基础。 2 4 本章小结 本章首先对p r o e 软件傲了简单的介绍接着阐述了主减速器准双曲面齿轮 的切齿原理及加工方法，最后在p r o e 详细地建立了主减速器准双曲面齿轮的三 维实体模型，再对实体模型进行装配以及干涉分析检查等。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章微车主减振动测试系统w l t 与频率计算 本项目主要研究的是装配误差对微车后桥振动的影响，针对该后桥，开发 出了微车主减振动测试系统w l t 。目前，w l t 系统已进入实用化推广阶段，可 实现不停机状态下的后桥振动信号采集。w l t 系统还可以对主减速器各零部件 作动态性能测试，得出齿轮，轴承等部件的固有频率、幅值和相位等信息。本 文通过理论计算，得出齿轮和轴承的固有频率，与测试结果进行对比，得出分 析结论。 3 1w l t 简介 微车主减振动测试系统( w a h a nl i g o n gt e s ts y s t 锄) ，简称w u ，是武汉理 工大学在2 0 0 9 年3 月为公司提供的振动测试分析系统。利用w l t 系统，可以测量 出微车后桥的振动和噪声。通过时域和频域分析，找出特征频率，诊断故障发 生位置，同时还可以测出系统的固有频率等。 微车在工作时，后桥是通过各种弧齿锥齿轮来传递动力，齿轮、轴承及相 关零部件制加工质量和精度要求高，轴线偏差、齿轮啮合区、轴承预紧力、齿 侧间隙等都要在装配环节来调整，装配质量对后桥主减速器的振动有较大的影 响。因此，装配误差成为微车后桥产生振动的主要因素。w l t 可以通过时域分 析得到后桥各部件的振动周期，幅值和相位信息：通过频域来分析来确定后桥 振动的各个特征频率，识别故障位置，测量固有频率等，从而为设计和改进提 供可靠的依据。 3 1 1w l t 的功能 w l t 是进行微车后桥主减速器振动测试和分析的有效工具，利用本系统， 可以进行机械振动、冲击、噪声等数据采集，再对数据进行频谱分析、系统分 析、模态分析等，从而完成机械振动监视、机械设备维护、自动化控制等。w l t 主要功能包括时域分析、频域分析、倒频谱分析、小波分析、相关分