汽车主减速器及差速器的结构设计与强度分析毕业设计

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--内页可以根据需求调整合适字体及大小--汽车主减速器及差速器的结构设计与强度分析毕业设计(总45页)PAGE41目录摘要 IIIAbstract IV1绪论 1课题研究背景 1课题研究目的及意义 1课题研究内容 2研究对象主要参数 32汽车主减速器的设计 3汽车主减速器概述 3汽车主减速器的工作原理 3轿车主减速器结构方案选择与分析 4轿车主减速器基本参数的选择与计算 5轿车主减速器传动比i0的确定 5主减速器计算载荷的确定 5主减速器锥齿轮基本参数的选择 7主减速器锥齿轮主要几何参数的计算 8轿车主减速器螺旋锥齿轮强度计算 103差速器的设计 14差速器概述 14差速器的工作原理 14差速器的结构形式选择 15普通锥齿轮差速器齿轮设计 15差速器齿轮主要参数的选择 15差速器齿轮主要几何参数的计算 17普通锥齿轮差速器齿轮强度计算 184汽车主减速器及差速器的三维实体建模 20主减速器的三维实体建模 20主减速器三维建模分析与设计思路 20主减速器螺旋锥齿轮的主要建模过程 21差速器的三维实体建模 26差速器半轴直齿锥齿轮的主要建模过程 26差速器壳的主要建模过程 27汽车主减速器及差速器的装配 285汽车主减速器及差速器主要部件的强度分析 30强度分析简介 30差速器壳体的强度分析 30半轴的强度分析 356结论 39参考文献 40致谢 41汽车主减速器及差速器的结构设计与强度分析摘要本文首先对汽车主减速器及差速器的工作原理及结构进行了简单介绍；其次通过对汽车主要参数进行分析与计算设计出主减速器及差速器，然后运用三维软件对其主要零部件进行建模，建模完成后对零件进行装配;所有零件装配完成后，通过有限元软件对建模后的相关部件进行应力分析，根据分析结果进行一些改进或优化。关键词：主减速器；差速器；设计；建模；分析ThestructuredesignandstrengthanalysisofautomotivemainreduceranddifferentialAbstractFirst,theworkingprincipleandstructureofautomotivemainreduceranddifferentialareintroducedinthispaper.Thenaftertheanalysisandcalculationoftheautomotivemainreduceranddifferential,touse3Dsoftwaretomake3Dmodelofmaincomponentsofautomotivemainreduceranddifferentialandcomposethemafterthemakingofthemodel.Finally,makingstressanalysisofrelevantcomponentsbyfiniteelementsoftware,besides,makingsomeimprovementsandoptimizingaccordingtotheresults.Keywords:Mainreducer;Differential;Design;Modeling;Analysis1绪论课题研究背景汽车自发明以来，对全球工业制造以及整个经济发展都产生了较大的影响。然而目前随着各项技术的快速发展以及世界整体经济的不断发展，各个国家的人们对汽车依赖很深，同时汽车也给人们的生活与发展带来了巨大的便利。总之，汽车工业对人们生活和国家经济的发展带来了无法估量的影响。目前，我国汽车主减速器的开发，在技术手段上、工艺制造水平上，都与国外的差距很大，尤其是德国、美国、日本这些汽车强国。而且我国在主减速器齿轮的开发、制造等技术上都缺乏相应的独立开发与创新能力，各项技术手段都比较落后，国外尤其是工业强国早就大规模运用自动化设备，不断跟进计算机编程、电算化等。目前所存在最大的问题是，汽车行业整体开发新产品的能力不够、工艺制造以及管理水平较低，所生产出的相当比例的产品依然为中低档次，产品较为粗放，国际竞争力不够。目前我国生产或者装配整车所需的差速器产品大多源自美国、德国、日本等几个传统的汽车工业强国，我国汽车工业技术也基本上都是从引进国外相关技术的基础上进行发展的，逐步呈现出相当的规模。然而目前我国的差速器乃至其他很多工业产品都没有自己的核心技术，对国外技术依赖性较强，自主开发能力依然较弱，很大程度上严重影响了新车整车的开发制造，因此，我国在主减速器及差速器的技术开发上还有很长的路要走。从当前的趋势来看，我国以及全球的汽车工业正在朝着经济性好同时动力性也好的方向发展，从汽车理论以及实际应用角度讲，如何使生产的汽车的燃油经济性和动力性两者都尽可能提高是每个汽车设计、制造、生产厂商都在拼尽全力做的事情。当然，汽车上的每一个零部件组成也一直都在发生着各种变化，汽车主减速器及差速器自然也不例外，特别是那些对操控性要求性很高的车辆，诸如高级轿车、跑车之类。因此，目前随着国家十三五规划的制定，汽车行业向更智能化、环保化方向发展，我国的上汽、东风、一汽、北汽四大汽车集团以及其他各大车企正在广泛开展合作项目，希望早日与世界汽车行业的先进技术接轨，争取整车尤其新能源汽车的设计开发上的新突破，实现汽车强国梦。课题研究目的及意义汽车主减速器及差速器由多种零部件构成，其设计开发制造也涉及到多方面，与当代机械工业制造关系尤为密切。因此，本毕业设计可以通过对汽车主减速器及差速器的分析，深入了解各部件构成与开发设计，由分到总式地深入学习开发设计、选择规划、结构优化、强度分析计算以及有限元分析等内容，从某种程度上讲，可以借此更全面更深入地去学习并掌握现代汽车零部件设计甚至是整车开发设计、计算分析、强度校核、优化改进、开拓创新等各方面能力，意义很大。其次，通过对汽车主减速器及差速器的相关设计与计算，使我能进一步综合运用所学的基础理论、专业知识以及其他多方面知识，进一步提高我对汽车设计相关技能研究以及处理复杂问题的能力，为自己将来踏入汽车行业奠定良好的基础，从而能更好的发展，为我国汽车工业的良好发展尽上自己更多的力。课题研究内容本毕业设计所研究的对象主要是轿车，其主要研究内容大致如下：轿车主减速器及差速器的结构特点及其设计方法；轿车主减速器及差速器的主要零部件三维实体建模及其装配；相关轴及齿轮等的设计分析；轿车主减速器、差速器设计运动分析以及了解掌握Creo的参数化设计方法。本次课题主要是想通过对轿车主要运动参数进行分析计算，进一步得出主减速器与差速器的基本参数，然后通过Creo建模软件实现对主减速器与差速器的三维实体建模，最后通过ANSYS软件能对相关结构进行一定的强度分析。研究对象主要参数 本毕业设计所要研究的对象主要是轿车，其主要参数大致如下表：表某款轿车主要参数主要参数数值总质量1980最高车速（km/h）220最大功率（kw／rpm）118/6000最大扭距（N·m／rpm）250/4000前轴轴荷（满载/空载）1000/930后轴轴荷（满载/空载）980/620变速器一挡传动比变速器二挡传动比变速器三挡传动比变速器四挡传动比变速器五挡传动比最小离地间隙（mm）115车轮半径（mm）3272汽车主减速器的设计汽车主减速器概述汽车主减速器及差速器是汽车正常行驶所必不可少的组成，更是汽车驱动桥中最为关键的组成部分，通常由齿数少的锥齿轮或斜齿圆柱齿轮来带动齿数多的锥齿轮或斜齿圆柱齿轮进行传动，从而执行汽车主减速的主要功能。其主要功用是将由发动机传出经万向传动装置传递的转矩传送到驱动车轮，以完成动力传递并驱动汽车行驶，有些情况也可改变转矩方向。可以使汽车主减速器前面的传动部件所传递过来的转速减小，同时也能减小变速箱的相关尺寸和质量，使操作起来更加灵活便利。汽车主减速器及差速器的设计常常需满足如下基本要求：a）保证其与发动机、变速器等动力装置传递连续且稳定，且保证各种工况下的传动效率都足够高。b）所设计的各零部件及整体尺寸要尽量小，要保证其产生的振动噪音小，且工作时足够稳定可靠。c）能满足相关使用要求，所选择的主减速比应能保证汽车动力性也和燃料经济性两者都较好。d）结构设计简单易行，材料易取，加工制造方便容易，拆装、调整快捷方便。汽车主减速器的工作原理汽车主减速器一般由主减速器主从动齿轮、齿轮轴承与减速器外壳等组成。大致结构如图所示。图主减速器结构图降低转速和增大转矩是汽车主减速器在汽车传动系起到的主要作用，发动机纵置时采用圆锥齿轮传动，有改变转矩方向的作用。从发动机传出动力，经离合器、变速器传递到主减速器主动锥齿轮上，由于发动机纵置，扭矩传递方向改变，即可顺利通过锥齿轮啮合传递到主减速器从动锥齿轮上，完成整个主减速的传递工作。由于锥齿轮的布置合理可相应减少其他传动件承受的载荷，某种程度上减小了这些部件的尺寸和质量，更为轻量化。轿车主减速器结构方案选择与分析一般而言，主减速器设计方案和结构形式往往与所要求的齿轮类型、减速形式有关。（1）主减速器螺旋锥齿轮传动图螺旋锥齿轮传动主减速器齿轮传动按齿轮副的结构型式来分，主要有螺旋锥齿轮式、双曲面齿轮式、圆柱齿轮式和蜗杆蜗轮式几种形式。当汽车发动机横置时，主减速器采用斜齿圆柱式传动；汽车发动机纵置时，采用锥齿轮式即螺旋锥齿轮式或双曲面齿轮式传动。而本毕业设计的研究对象是一款发动机纵置的轿车，整车重量较小，发动机输出功率也不大。主减速器的齿轮选用螺旋锥齿轮形式（如图所示）。该种传动方式下，主、从动齿轮的中心轴线相互垂直，且如图所示，两锥面顶点交于一点。然而齿轮轮齿端面很容易重叠，往往都有2个以上的轮齿啮合在一起，所能承受的运动负荷较大，工作较为平稳，噪声和振动小。（2）主减速器结构形式当今的汽车行业，汽车车型是各种各样，变化也很快，加之不同的车型也会有不一样的使用要求，这就导致汽车主减速的结构形式相应的也是多种多样。主减速器以齿轮副数目为依据一般可以分为单级主减速器和双级主减速器。单级主减速器有结构简单、质量较小、使用方便、维护容易、造价较低等优点，但主传动比一般小于等于，不能太大。主传动比过大会导致从动齿轮的一些尺寸增大比如齿轮直径，则汽车平顺性及通过性变差，加工工艺以及热处理也会更为复杂麻烦。而这次设计对象是轿车，主传动比一般为3~。轿车主减速器基本参数的选择与计算轿车主减速器传动比的确定一般而言，主减速器的结构形式、设计尺寸、质量大小及工作状况等会随主减速器传动比的变化而变化。同时汽车主减速器传动比的选择，应该考虑汽车各传动部件的工作状况以及整个传动系的总传动比，总传动比会影响到汽车的安全性、舒适性、动力性、经济性等，因此得充分考虑汽车的动力性再加以计算主减速器传动比。在这里，需依据相关资料文献进行整合优化设计，根据相关最佳燃油经济性图和动力性曲线图，对发动机排量参数、变速器的传动比及主减速器传动比进行最优选取。一般情况下，根据主减速器传动比常用计算方法，给定了发动机最大功率时，所选择的主减速比应保证有足够大的最高车速，此时：=式中：——车轮滚动半径，由表得=——发动机最大功率时转速，由表得=6000r/min——最高车速，由表得=220km/h——变速器最高挡传动比，==——分动器或加力器最高挡传动比，取=1——轮边减速器传动比，=1一般而言，由上式所求得的值需跟同类汽车的主减速器传动比进行一定的比较，同时要考虑主减速器主、从动齿轮可能的齿数，然后对所求得值进行检验优化后再确定下来。主减速器计算载荷的确定主减速器齿轮的计算载荷是设计主减速器的另一项重要的原始参数。汽车行驶时，发动机及各传动部件间的工作状况是存在差异的，而且往往工作得不够稳定，综合多方面想准确计算出主减速器齿轮计算载荷的可能性不大。因此通常用以下三种计算方法来求得主减速器从动齿轮的计算载荷。（1）按驱动轮打滑时的转矩确定从动锥齿轮的计算转矩式中：——汽车在满载状态下驱动桥上的静载荷，本设计中前桥为驱动桥，=9800N——汽车达到最大加速度时后轴负荷转移系数，取——轮胎与路面的附着系数，取——从主减速器从动齿轮到车轮之间的传动比，取——从主减速器主动齿轮到车轮之间的传动效率，取（2）按发动机最大转矩和最低挡传动比确定从动锥齿轮的计算转矩=式中：——计算转矩，单位——猛接汽车离合器时所产生的动载系数，取=，——发动机最大转矩，由表得=250N·m——液力变矩器的变矩系数，取=——变速器一档传动比，=——分动器传动比，==——主减速比，=——从发动机到万向节传动轴之间的传动效率，取=与选取见下表。表n与if选取表车型高档传动比与抵挡传动比的关系n>/21</22>/22</23由表中所示，的取值为1,取（3）按汽车日常行驶的平均转矩确定从动锥齿轮的计算转矩式中：——汽车满载时总重量，=1980×=19404N；——所牵引挂车满载时总重量，此处无牵引车，故取0——道路滚动阻力系数，轿车可取～，取 ——汽车正常行驶时平均爬坡能力系数，取——汽车的性能系数，取，，——见上式的说明由前两种情况（1），（2）所得的计算转矩一般指的是的最大转矩，与情况（3）所求得的平均转矩区别较大。当计算从动锥齿轮时，计算转矩取前面情况（1），（2）中的较小值,即；当计算从动锥齿轮的疲劳寿命时，一般取。 主减速器主动锥齿轮的计算转矩为式中：——主动锥齿轮计算转矩，单位为N·m——主、从动锥齿轮间的传动效率，取当计算锥齿轮最大应力时，取计算转矩=·m；当计算锥齿轮疲劳寿命时，取计算转矩=·m。主减速器锥齿轮基本参数的选择主减速器锥齿轮的基本参数包括锥齿轮齿面宽、分度圆直径、法向压力角、齿轮齿数、螺旋角、法向端面模数等。（1)一般为了工作稳定以及啮合容易，主、从动锥齿轮齿数Z1和Z2不会有公约数，且两齿数总和不会超过50，同时还需考虑齿轮工作时发出的噪声、齿轮各项强度等因数。当然，对于不同的主传动比，Z1和Z2应有适宜的搭配，当i0较小(如i0=～5)时，Z1可取为7～12，综合考虑，取Z1=9，Z2=iZ1=9×=，Z2取38。（2）对于单级主减速器及其相关组成部件来讲，增大分度圆直径尺寸会影响汽车多项几何参数，比如驱动桥壳的高度尺寸或者说是离地间隙等，则会进一步影响到汽车通过性、安全性等相关指标，而减小分度圆直径却会影响到主动齿轮上轴承的放置、跨置式支承效果以及差速器的安装等。初选，有=式中：——从动锥齿轮大端分度圆直径，单位为mm——直径系数，一般为～，取=14——从动锥齿轮计算转矩，=·m齿轮法向端面模数由下列公式计算得=d2/Z2=212/38mm=同时，还应满足：则初选的齿轮法向端面模数=满足条件，由相关表格取标准模数=6mm则=6×38mm=228mm式中：——从动锥齿轮计算转矩，=·m——齿轮模数系数，取～（3）根据加工的难易度、材料的选取、轮齿应力强度、工作状态及载荷和使用情况等综合考虑，从动锥齿轮齿面宽b2≤A2=（A2为节锥距），但一般也有b2=d2=×212mm=≈33mm。b1通常比b2大10％，b1=×b2=×≈36mm。（4）一般情况下，不作特殊说明，所谓的螺旋角默认为齿宽中点处的螺旋角(中心螺旋角)，而齿轮工作载荷、运行状态、啮合状态即重合度、齿轮轴向力大小等均会随着螺旋角的变化而变化，综合各方面考虑，取=36°。（5）虽然锥齿轮的螺旋方向与工作时受力情况及运行平稳等关系不大，但得注意主从动锥齿轮的旋向是相反的，建模时得特别注意区别，当需要计算相关受力情况时，可借助旋向与相关法则判断出轴向力方向。本设计假设主动锥齿轮左旋，从动锥齿轮右旋。（6）压力角大小与轮齿强度等有关，压力角大一点也可以延长齿轮疲劳寿命，同时也与齿轮啮合状况密切相关，自然也会影响整个减速器的工作平稳性、安全性等，综合多方面考虑，这里选用16°。主减速器锥齿轮主要几何参数的计算相关主要的几何尺寸参数见下表表主减速器锥齿轮的几何尺寸参数表序号计算公式数值注释1923836mm模数433mm大齿轮齿面宽536mm小齿轮齿面宽616°压力角7齿工作高,查相关表取8齿全高,查相关表取990°轴交角1054mm小齿轮分度圆直径11228mm大齿轮分度圆直径12°小齿轮节锥角13°大齿轮节锥角14节锥距15周节16大齿轮齿顶高,查相关表取17小齿轮齿顶高18小齿轮齿根高19大齿轮齿根高20径向间隙21º小齿轮齿根角22°大齿轮齿根角23°小齿轮面锥角24°大齿轮面锥角25°小齿轮根锥角26°大齿轮根锥角27小齿轮外缘直径28大齿轮外缘直径29小齿轮节锥顶点至齿轮外缘距离30大齿轮节锥顶点至齿轮外缘距离31大齿轮理论齿厚，查表取32小齿轮理论齿厚3336°螺旋角表锥齿轮的大齿轮理论齿厚Z1Z1轿车主减速器螺旋锥齿轮强度计算主减速器锥齿轮基本参数选择完成，主减速器锥齿轮几何计算结束之后，一般还需验算其强度，才能确保锥齿轮有足够疲劳寿命，从而能安全可靠地工作。其实，强度计算出的结果也能为前期的开发设计以及后期验证提供一定的参考，一般的机械结构尤其是这种工作极为频繁的零部件，光设计出相关尺寸就去选定好一定材料并不那么可靠，只有经过强度计算才能更好的去加以把握，也有利于后期的有限元结构分析。而汽车上各部位的齿轮正常工作时会受到各种载荷，而汽车驱动桥所承受的一般都是交替变化的载荷，具体变化形式较为复杂，这里不加以深入研究。主减速器齿轮的损坏形式主要是齿轮齿面疲劳磨损。主减速器齿轮的疲劳寿命主要与平均计算转矩有关，下面用常用的三种强度计算方法进行验算。（1）单位齿长上的圆周力 在汽车工业中，主减速器锥齿轮的表面耐磨性常常用轮齿上的单位齿长圆周力来估算，即：式中：——轮齿上单位齿长圆周力，单位为N/mm——作用在轮齿上的圆周力，单位为N——从动齿轮的齿面宽，=33mm圆周力有如下两种计算方法也是最常用的两种方法，换句话说单位齿长圆周力有两种计算方法。大致如下：1）按发动机最大转矩计算式中：——变速器传动比，常取一档传动比，取=——主动锥齿轮分度圆直径，=50mm2）按最大附着力矩计算：式中：——汽车满载状态一个驱动桥上的静载荷，=9800N——从动锥齿轮分度圆直径，=228mm——轮胎与地面的附着系数，取下表给出许用单位齿常的圆周力，可以根据所求得的结果与表里所给的许用值进行比较，从而能够大致判断前面所设计的各项尺寸能否符合相关受力及强度要求。若符合要求自然更好，不符合给定值则需进一步审核，并需充分结合各项指标，准确分析，不断考虑合理性，从而更好地设计出所需产品。表许用单位齿长上的圆周力随着工业技术的发展与进步，现代汽车设计生产中，材料各项性能的提高以及加工工艺的不断改进，单位齿长上的圆周力常高出表中所列值的20%～30%。故上述两种计算方法所求的结果均符合当代技术的要求。（2）轮齿弯曲强度计算螺旋锥齿轮轮齿齿根弯曲应力的表达式为式中：——弯曲应力，单位为MPa——齿轮计算转矩——齿根弯曲强度和齿面接触强度的过载系数，取=——齿根弯曲强度和齿面接触强度的尺寸系数，当时，，在此——齿面载荷分配系数，悬臂式，=～，取——质量系数，取——端面模数，=6——轮齿弯曲应力的综合系数。取小齿轮的=，大齿轮=代入公式，计算得： 所以所设计的主减速器齿轮弯曲强度是足够的，满足要求。（3）轮齿表面接触强度计算 锥齿轮轮齿齿面接触应力为式中:——锥齿轮轮齿的齿面接触应力，单位为MPa——主动锥齿轮大端分度圆直径,=50mm——和中较小值,=33mm——尺寸系数，同上取——齿面品质系数，取=——综合弹性系数，取=,,与（2）中取值相同——齿面接触强度的综合系数，根据课本中的图取=由于主、从动齿轮相关尺寸相当，所以都能不大于接触强度许用值，满足要求。 （4）螺旋锥齿轮材料的选取 汽车主减速器在正常工作时工作状况比较复杂，工作频率也较高，因此主减速器锥齿轮与其他部位的齿轮或者传动部件相比较，工作时间长、承受载荷多而复杂、各部分对其冲击大，其损坏形式主要有齿面磨损擦伤、齿根折断等。 随着化工及材料生产等技术的发展，目前汽车主减速器用的螺旋锥齿轮、双曲面锥齿轮都是采用合金钢材料，并且是渗碳合金钢。一般需对由渗碳合金钢制造出的齿轮进行渗碳、回火等处理，使轮齿表面硬度应达到58～64HRC，而轮齿内部硬度可以稍微低一点，一般达到32～45HRC即可。渗碳合金钢的优点是表面含碳量高、表面硬、耐磨性和抗压性高，芯部较软、韧性好、耐冲击，其锻造及切削性能都较好，且生产效率高、节约材料，但齿形精度差。3差速器的设计差速器概述汽车直线行驶或转向行驶时，左右车轮滚动速度往往是不相等的。左右车轮的载荷往往不一样、两轮胎内的气压也有所差异、轮胎胎面与路面的摩擦不均匀等造成了左右车轮滚动半径不等；而且一般情况下左右两车轮所接触的路面状况也不一样，左右车轮受到的行驶阻力不等。这样的话，无论怎么行驶两车轮都不会完全同步，均会导致车轮的侧滑、滑移、滑转等，汽车行驶的安全性、稳定性也会因此受到较大影响，转向不易、乘坐不舒适、燃油消耗增大等一系列问题都会衍生出来。因此，需要安装差速器来改善以上出现的种种情况。差速器按其结构特征分类一般可分为对称锥齿轮式、滑块凸轮式、蜗轮式和牙嵌自由轮式等几种形式。差速器的工作原理 差速器主要由行星齿轮、行星齿轮轴、半轴齿轮和差速器壳体等组成，如图。图对称式锥齿轮差速器结构图差速器是汽车正常行驶尤其转弯行驶时所必不可少的部件，也是驱动桥的主要构成部件。发动机的动力传出来之后，经变速器等传入主减速器后，直接驱动差速器壳。差速器壳再将动力传递到行星齿轮，由行星齿轮带动左、右半轴齿轮，进而驱动左右车轮。无论什么工况，一般而言，左、右半轴的转速之和应等于差速器壳转速的两倍。当汽车直线行驶时，左右半轴齿轮、行星齿轮以及驱动车轮三者的转速是相同的。当汽车转弯行驶时，由于汽车驱动车轮受力情况发生变化，会传递到左右半轴上，会破坏了差速器之前的平衡，转速将因此重新分配，内侧车轮转速会减小，外侧车轮转速增加，一段时间后将重新达到平衡状态，即成功完成转弯动作。差速器的结构形式选择汽车上常采用的差速器一般是锥齿轮式差速器，该种差速器结构明确、构造简单、容易大规律生产、质量尺寸较小、工作稳定可靠，因此应用广泛。对称锥齿轮式差速器一般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。普通锥齿轮式差速器又分为圆锥齿轮式和圆柱齿轮式两种，一般情况下，由于锥齿轮各方面性能较好，运行更稳定，汽车上的差速器广泛采用圆锥齿轮。查阅汽车构造、底盘设计等文献资料，经多方面考虑，本设计中的差速器结构形式选择对称式圆锥行星齿轮差速器。基本结构如上图所示，工作示意图见下图。图普通锥齿轮式差速器示意图如图所示，主减速器上的从动锥齿轮与差速器壳相连，两者将会同时转动。在差速器组成上可以看出，差速器壳以及与其共同运动的行星齿轮轴是主动件，半轴齿轮以及半轴为从动件，半轴之后将会带动车轮转动，完成动力传递。由图易知，行星齿轮既可以只绕着行星轴转动也可随着转弯等工况下绕着差速器壳中心轴线转动，即分为自转和公转。显然，自转时，左右半轴转速相同，对应于直线行驶工况；公转说明左右半轴转速存在差异，即是对应于转弯工况，实现差速。无论什么行驶工况，左右半轴的转动角速度之和均等于差速器壳转动角速度的两倍即+=2若将角速度转化成转速表示，则普通锥齿轮差速器齿轮设计差速器齿轮主要参数的选择 差速器齿轮基本参数主要有行星齿轮数、行星齿轮球面半径、行星齿轮齿数、半轴齿轮齿数以及节锥角、模数、压力角等。（1）一般根据汽车所受载荷状况来选择行星齿轮数n，承载的载荷不大时n可取两个，承载较大的情况下便需取四个，常用于载货汽车或越野汽车。由于本设计对象为普通轿车，则取n=2。 （2）行星齿轮背面的球面半径其实就是行星齿轮安装时的极限尺寸，某种意义上讲就是节锥距，这个尺寸与后期的建模装配有紧密联系，差速器的强度及承载能力有的时候也可以用该尺寸来衡量。根据各文献中的经验公式确定：式中:——球面半径，单位为mm——行星齿轮球面半径系数，=～，取=——计算转矩，=·m确定后，可预选行星齿轮节锥距：=～=～取=43mm（3）当齿数较少时，可以使得齿轮模数较大，有利于提高轮齿强度以及增加工作稳定性，但一般不少于10。此设计中行星齿轮的齿数选择11，半轴齿数选择20。所选的半轴齿轮的齿数在14～25之间且半轴齿轮与行星齿轮的齿数比/常在～范围内，显然所选的行星齿数和半轴齿数能够符合相关要求。（4）先根据相关公式求出行星齿轮和半轴齿轮的节锥角、：再根据下式初步求出圆锥齿轮大端模数，即： 圆整后取标准模数。选定标准模数后，分度圆直径即可由下式求得： （5）压力角的大小往往与轮齿齿高系数间有联系，以前的汽车差速器齿轮一般选用20º压力角，相对应的齿高系数一般为，所选用齿轮的最少齿数应该是13。然而随着汽车设计加工技术的不断发展与完善以及相关性能的要求，目前汽车上差速器齿轮大都选用22º30′的压力角，对应的可减小至，此时齿轮的最少齿数可减至11左右。（6）行星齿轮轴直径（mm）为：式中：——差速器传递的转矩，取·m——行星齿轮数目，=2 ——行星齿轮支承面中点处到锥顶的距离，——支承面许用挤压应力，取行星齿轮在轴上的支承长度为：==×22mm=取=24mm差速器齿轮主要几何参数的计算主要的参数见下表表半轴、行星齿轮主要参数序号计算公式数值注释11122034mm4b2=～A0，14mm齿面宽5齿工作高616°压力角7齿全高990°轴交角1044mm行星齿轮分度圆直径1180mm半轴齿轮分度圆直径12°行星齿轮节锥角13°半轴齿轮节锥角14节锥距15周节16半轴齿轮齿顶高17行星齿轮齿顶高18行星齿轮齿根高19半轴齿轮齿根高20径向间隙21º行星齿轮齿根角22°半轴齿轮齿根角23°行星齿轮面锥角24°半轴齿轮面锥角25°行星齿轮根锥角26°半轴齿轮根锥角27行星齿轮外缘直径28半轴齿轮外缘直径2930普通锥齿轮式差速器齿轮强度计算差速器锥齿轮相比普通直齿齿轮结构及尺寸比较复杂，相关部件的安置及优化往往会限制到齿轮的尺寸，锥齿轮所受载荷也比较大且复杂。同时，差速器锥齿轮的轮齿并不是时刻都在啮合，一般只有汽车转弯行驶或者由于车轮打滑等引起的滑转时，锥齿轮才处于相对啮合状态，起到真正的差速作用。为了提高轮齿的可靠性，一般还要对差速器锥齿轮进行弯曲强度计算。轮齿弯曲应力为:式中：——行星齿轮数，取=2——综合系数，取=——半轴齿轮齿宽，=14mm——半轴齿轮大端的分度圆直径，=80mm——半轴齿轮计算转矩，=、、按照主减速器齿轮强度计算时所选用的系数值,即尺寸系数=,齿面载荷分配系数=,质量系数=而根据相关文献，差速器齿轮的许用弯曲应力为[]=980MPa,而由上式求出的强度值小于许用值，即满足要求。生产制造汽车差速器齿轮的材料与主减速器齿轮一样，基本上都是渗碳合金钢材料，该种材料能使齿轮具有表面硬、耐磨性和抗压性高、韧性好、耐冲击等优点，20CrMnMo和20CrMo等合金钢材料广泛用于制造差速器锥齿轮。4汽车主减速器及差速器的三维实体建模Creo软件是美国PTC公司于2010年10月推出的多功能CAD设计软件包。Creo囊括ProductView三维可视化技术、CoCreate直接建模技术和PTCPro/Engineer参数化技术，是PTC公司下属的闪电计划所推出的第一个功能强大的产品，Creo是于2012年3月推出的。Creo相当于一个集成了多个可相互操作的应用程序且可伸缩的功能套件，其功能覆盖面极广。Creo的设计理念可以广为多领域行业使用，因此，各领域的专业人士可以全方位参与产品的开发设计等。Creo含有多个独立的应用程序在二维和三维空间里建模，为分析研究、优化、可视化等方面都提供了新功能。Creo交互性比较强，可以使得内外以及多方能同时共享数据。总之，Creo实用性很强，是很多应用型本科学校机械类学生必学软件之一。Creo软件在三维建模方面很有优势，使用起来也更为方便，与AutoCAD三维绘制相比，绘图工具选项更丰富，使用起来更为人性化，修改尺寸等尤为方便。普通的拉伸、旋转等命令即可绘出一般实体的大致轮廓，再通过打孔等命令不断修正模型。与AutoCAD一样，Creo有倒圆角以及倒直角等命令，但其所包含的功能更为强大、更为快捷方便。当然，其还有螺纹修饰等优化功能，能将模型不断优化做到最完美，同时也可以完成各零部件的装配甚至还能通过正确约束实现运动仿真。此外，Creo还能进行曲面操作，通过扫描混合等命令绘出各种复杂曲面造型，其运用范围很为广泛，远不仅仅只用于机械行业。与一般设计软件一样，其可以与有限元分析软件实现端口连接、数据共享，从而更有利于实体模型的分析设计，所以应用广泛，使用者也较多。该软件是的pro/e的升级版本，自然包含了pro/e的所有特点。归纳起来，其主要特点有：实体造型方便快捷、单一数据库及其全相关性、全面的参数化设计、可靠的特征造型、工程数据的再利用、数字化人体建模等。主减速器的三维实体建模主减速器三维建模分析与设计思路主减速器螺旋锥齿轮主要采用参数化的建模思路，依靠参数进行相应的尺寸定义，尤其是画渐开线轮廓更需要借助相应的参数公式，这样可以建立一个模型以适应多种不同齿轮的建模，更能节省时间与精力，也便于修改；除齿轮的轮齿外其他零部件采用普通非参数化建模方法，主要采用旋转、拉伸、草绘、打孔、倒角等命令，毕竟对于简单的模型来说，非参数化建模更为方便直接，借助Creo的强大功能修改起来也不算太难。其中螺旋锥齿轮轮齿的建模分析步骤大致为：草绘创建基本线段；绘制齿轮几个基本圆；利用参数方程创建渐开线齿廓曲线；创建扫描混合的轨迹；创建扫描混合的截面；扫描混合出第一个轮齿；阵列创建出所有轮齿。主减速器螺旋锥齿轮的主要建模过程（1）草绘创建基本线段首先新建一个文件,选取基本的平面创建草绘，通过直线等基本命令以及法向标注及各种尺寸、角度约束等能够大概画出下图的草绘。图草绘线段（2）创建锥齿轮基本圆以上面步骤中的草绘为参照，在关键交点处添加基准点，接着以建好的基准点为参照草绘出四个同心圆，大致结果如下图所示。图草绘基本圆（3）创建渐开线齿廓曲线首先需要根据上一步骤草绘创建的基准点及相关线段创建一个基准坐标系，注意坐标系方向的选取，然后开始进行绘制曲线操作，以前面建立的坐标系为笛卡尔基准坐标系，在相应窗口输入参数方程，该曲面所对应的参数方程如下：r=theta=t*60x=r*cos(theta)+r*sin(theta)*theta*pi/180y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*pi/180z=0上式中r指的是基圆半径，确定后作出的曲线大致如下图所示：图创建渐开线然后以上图中的曲线与分度圆的交点为基准点建立基准平面，再将该基准平面旋转一定的角度建立另一个基准平面，然后将上面的曲线以该基准平面为镜像面镜像，两曲面的适当部分即为齿轮的大致齿廓线，大致如下图所示，该齿廓有利于后面的齿轮轮齿的进一步创建。图对称渐开线（4）创建齿根圆根据第一步所得草绘，在草绘时投影所需的几根线段至草绘平面并加以完善，同时要选取好旋转的草绘截面及旋转轴，需要注意选取的旋转轴是否恰当以及草绘的旋转截面是否闭合，然后按照相关数据按部就班创建齿根圆，草绘的封闭截面及创建成功后的齿根圆实体分别见下图和图。图草绘旋转截面图旋转实体（5）创建扫描混合的轨迹首先需建立与分度圆在同一个平面上的参考平面，然后在该平面上进行草绘螺旋线，螺旋角的大小应符合相关要求，一般于中点处作一条切线看其与相关参考水平线的夹角，草绘出的轨迹大致如下图所示：图草绘螺旋线然后将上述草绘出的轨迹曲线投影至齿根圆表面上，具体如下图。图投影螺旋线（6）创建扫描混合的截面以前面所绘出的渐开线轮廓曲线为边界，以齿顶圆曲线为上界，以齿根圆曲线为下界，绘出扫描混合所需的齿廓截面，以图中绘出的投影线为参照，复制旋转相关截面至投影线两端附近，以便扫描混合。创建出的外部齿廓截面大致如下图所示。内部齿廓截面绘制方法类似，不加以赘述。图草绘齿廓截面（7）扫描混合出第一个轮齿以第五步绘出的在齿根面上的投影曲线为轨迹，以绘出的两个齿廓截面为扫描截面，扫描混合出第一个轮齿，如下图所示，再以中心轴线为阵列轴，阵列出所有齿，即完成创建，创建完成后的实体大致如下图所示。图扫描混合轮齿图阵列轮齿（8）打孔由于该从动锥齿轮最终还需装配到差速器壳上，需在齿轮上打一个中心孔和八个螺柱连接的螺纹孔，螺纹孔可用打孔命令先绘制出一个孔然后圆形阵列即可，完成后如下图所示。图打孔主动螺旋锥齿轮的创建方法与上述从动螺旋锥齿轮的创建方法如出一辙，只需在原有图上进行修改相关尺寸，主要需修改第一步草绘的各项数据以及创立渐开线齿廓曲线方程中基圆半径等，注意主动锥齿轮的旋向与从动锥齿轮相反，同时还需拉伸出一根轴以传递从变速器传来的转矩，创建完成后的实体大致如下图所示。图主动螺旋锥齿轮差速器的三维实体建模差速器半轴直齿锥齿轮的主要建模过程差速器直齿锥齿轮的设计思路与建模过程与上面的主减速器螺旋锥齿轮相似，一样使用参数化以及常用的拉伸、旋转、草绘等命令来绘制。由于是直齿，我们可以不采用上述的混合扫描的方法，那样做相对而言比较复杂，我们可以通过拉伸切除出两相邻轮齿间的空隙，剩下的部分即是直齿轮齿。这里锥齿轮建模分析过程大致为：输入相应关系式绘制锥齿轮所需的基本曲线；用参数方程创建渐开线；创建齿顶圆锥；创建第一个轮齿间空隙；圆形阵列轮齿空隙。 前面的草绘及旋转出齿顶圆锥步骤与上述建模方法一样，这里就不做赘述，此外，这里要注意渐开线镜像所需的镜像平面的旋转方向要与上面螺旋锥齿轮的方向相反，这样才能镜像得到切除所需的截面轮廓，拉伸切除的草绘截面大致如下图所示。图拉伸截面绘制该截面时也需根据实际尺寸大小进行微调。拉伸切除时可以添加一定锥度以得到更好的视觉效果，然后拉伸出的实体以及之后进行阵列得到最终实体图如下图所示。图实体拉伸及阵列由于该锥齿轮需连接半轴，其中间需打出一个花键孔以连接花键半轴，同时为了装配时的方便与美观，对其根部进行了圆滑处理，处理后的效果大致如下图所示。图创建花键孔行星锥齿轮的建模方法及步骤与上述半轴锥齿轮的创建几乎一致，只要稍微修改相关参数即可。行星锥齿轮只需连接普通行星轴，因此中间只需开个普通中心孔，不需要花键孔，背部也进行了相应的圆滑处理，最终效果如下图所示。另外，行星轴的实体建模、行星轴上圆柱销的建模过程、轴承的建模及装配等比较简单，这里就不做详细介绍，最终的实体会在装配图上有所展示。图行星齿轮差速器壳的主要建模过程差速器壳是装配差速器及主减速器必不可少的部件，外接主减速器从动锥齿轮，内含半轴齿轮、行星齿轮等。当然，其建模过程也比较简单，并不复杂，只需按照相关尺寸慢慢绘制即可，注意相关的孔要与相应的轴等尺寸一一对应起来，以免最后没办法成功装配，同时也需考虑有些部分尺寸的承受强度及合理性。至于其详细的建模等步骤也不在此进行赘述，最终创建完成的实体图见下图。图差速器壳实体汽车主减速器及差速器的装配在主减速器及差速器的装配前需先绘制出多个零部件，除了前面已经介绍的主减速主动、从动锥齿轮、差速器壳、行星齿轮、半轴齿轮，还需建模出螺栓、垫片、轴承等标准件，因这些零部件的建模过程也相对简单，虽然多为标准件，只要根据相关手册或文献查阅相关数据进行创建即可，难度并不大，这里也不做一一介绍。至于装配过程只需按步骤从里到外逐个装配即可，注意各个部件间的联系及约束，为了更直观地看出各个零部件，可对不同部件着色以及透明化等，装配及着色完成后实体图见下图，同时对装配图进行了拆解，以清晰的看出各个零部件及其组成，这样的分解图在Creo里也叫爆炸图，详见图。图装配图图爆炸图5汽车主减速器及差速器主要部件的强度分析强度分析简介汽车直线运动或转弯行驶时，主减速器及差速器的一些零部件或多或少都会受到一定的应力作用，主要包括差速器壳、各个齿轮、轴承、半轴等，而随着当代技术的发展，我们可以借助一些软件对建模后的三维实体进行简单的分析，在此选用操作方法较为简单的ANSYS软件对其进行有限元分析。ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，该公司成立于1970年，目前世界上增长最快的计算机辅助工程软件就是ANSYS软件，能与大多数三维设计软件相兼容，通过一定的转换可以进行接口连接，从而实现两者间数据的共享与分析，如Creo,Pro/e,CATIA,AutoCAD等。软件主要有前处理模块，分析计算模块和后处理模块三个部分，该软件功能独特。ANSYS软件能够建立一定复杂度的模型及分析、简化各类较为复杂模型如流体动力学工程问题、仿真各种类型的结构材料、实现电子设备的互联以及嵌入式软件的开发与应用。其分析类型也比较多，仅在机械领域，常用的是动力学分析、结构非线性分析、结构静力分析、结构动力学分析等。用ANSYS进行分析的步骤一般是实体建模、网格划分以及施加载荷，用其他辅助软件建模好的可以直接导入进行分析，省去在ANSYS中建模，况且在ANSYS中建模一些稍微复杂的结构难度比较大，这里我也是通过Creo建模好直接导入ANSYS进行分析。差速器壳体的强度分析 差速器壳体在汽车直线或者转弯行驶过程中受力情况比较复杂微妙，其由两端轴承固定且整个差速器壳随主减速器从动锥齿轮的转动而旋转，具体的受力情况由于个人能力有限，不能分析透彻，只能进行相应的简化，三种情况约束方式相同，都是左、右轴承轴颈表面施加Y、Z两方向约束，壳体半轴轴承安装端面施加X方向约束，行星齿轮轴孔处全部约束。然后施加载荷位置也相同，都是对最大的圆盘施加载荷以及左、右半轴齿轮外端面对壳体施加载荷，且对圆盘施加载荷都为，不同之处在于每次左、右半轴齿轮外端面对壳体施加载荷大小情况不一。加载情况大概分成三种：左、右半轴齿轮外端面对壳体施加相同载荷MPa；左半轴齿轮外端面对壳体施加载荷，右半轴齿轮外端面对壳体施加载荷MPa；左半轴齿轮外端面对壳体施加载荷MPa，右半轴齿轮外端面对壳体施加载荷MPa。（1）左、右半轴齿轮外端面对壳体施加相同载荷MPa由于是将在Creo建好的模型直接导入ANSYS软件，则需要先对Creo文件进行一些处理，需将Creo中的文件另存为model格式，然后在ANSYS软件中以file-import-catia的顺序操作，找到相应文件打开即可，然而此时只是线框结构，不是实体结构，如图所示。接着按照plotctrls-style-solidmodelfacets顺序操作，选fine，此时便会将线框结构转换成实体模型，如下图所示。接着按照上述提到的ANSYS分析一般步骤，下面即是定义模型属性，由于是实体结构，这里选的是solid相关的参数，然后对应选择好模块，具体选择步骤省略。接着需定义材料属性，这里都是选择线性的即可，一直往下点直到输入界面，由于是球墨铸铁材料，则在相应的弹性模量窗口输入，泊松比窗口输入，密度选项输入。然后，进行网格划分，由于有些模型尺寸比较小，在网格划分时要满足所使用的网格大小大于实体中最小面域，下面给出的例子的网格划分密度都是选的3，可能由于选择的网格较小看起来稍微有点密集，但有利于后面的具体分析，则可忽略视觉上感受。其他两种情况的前期定义模型属性及划分网格的步骤都类似，输入的各项数值也一样，后面就不再赘述。主要不同就在于后面的施加约束的位置和施加载荷的位置，由于具体的实际约束情况及载荷以目前的知识能力并不能准确分析出来，简化后载荷施加位置及大小如上面所述，主要是为了了解施加载荷后相关零件的大概变形情况并检验是否满足材料极限强度。差速器壳体划分完网格后的网格图见下图所示，由于差速器壳尺寸相对较大，网格划分后不是显得太密集，但在孔处及其他一些连接处会较为密集，都属于正常情况。图线框模型图实体模型图网格划分添加完约束和施加完载荷后，进行了求解，得到了位移变形图，如下图所示。图位移变形图由上图可知，差速器左端圆盘处位移变形较大，右端较小，最大值为。图应力变形图应力变形图如上图所示。由上图可知，两端处的应力变形最小，较大的应力集中出现在与圆盘较近处，由图中下面的图标可知最大应力为320MPa，小于极限值400MPa。由以上位移变形和应力变形两图我们可知，无论位移变形还是应力变形，差速器壳体两端处的变化都较小，主要变形区均集中在圆盘和行星轴孔之间，因此在加工制造时需注意该区域材料的应用及加工方法的适当选取，从而保证差速器壳在任何工况下都能满足一定的强度要求。（2）左半轴齿轮外端面对壳体施加载荷，右半轴齿轮外端面对壳体施加载荷MPa前期操作与上述相同，在规定位置施加载荷，具体受力情况与第一种略有区别，左边半轴齿轮所施加的是，右边半轴齿轮是MPa。施加约束的位置都一样，们就直施加载荷后观察最终的变形图，位移变形图见下图，应力变形图见下图。此种受力情况是汽车向左转弯工况简化而来，下面第三种情况与之相反。图位移变形图图应力变形图由上面的位移变形图以及应力变形图可知，该种施加载荷情况下差速器壳变形较为复杂，轴承颈处变形较为稳定且应力值较小，在圆盘处变形明显且应力值较大。由图易知，位移变形最大值，应力变形最大值为338MPa，小于材料极限强度值400MPa。（3）左半轴齿轮外端面对壳体施加载荷MPa，右半轴齿轮外端面对壳体施加载荷MPa其操作步骤与方法、思路等与上述第二种情况几乎一致，所有相关详细步骤都省略，此种受力情况是汽车向右转弯工况简化而来，位移变化图见图，应力变化图见图。图位移变形图图应力变形图由上述两图可知，最终的变形情况也与上述第二种情况几乎一致，依然是轴承颈处变形较为稳定且应力值较小，在圆盘处变形明显且应力值较大，由图标知此种情况位移最大值为，应力最大值为342MPa，满足强度极限值。后面两种情况最大变形等几乎相同，因此差速器壳的两端轴承颈处强度足够，需改善圆盘及行星轴孔处的材料或加工方法，提高其强度，从而才能满足相关工况下的正常安全行驶。半轴的强度分析 由于相关知识的匮乏，以及ANSYS软件本身就不太适用外部导入的复杂模型的有限元分析，这里不作对主动螺旋锥齿轮的分析，而主动螺旋锥齿轮轴上的受力变形情况跟普通轴的受力变形差不多，其无非有两个轴承固定，在此基础上受力。这里仅对一根半轴做一个简单的分析，而半轴一般都是左右各一根，对称布置，两根轴的受力情况也几乎相似，由于本设计并没有涉及半轴的具体尺寸，装配中所用到的半轴也是一根极其普通的轴，因此这里也是大概通过这样的模型来了解一下大概的受力变化趋势。 这里计划通过两种受力情况来模拟分析，一种是花键端固定，对车轮端施加载荷；另一种则是车轮端固定，对花键端施加载荷。所对应的实际工况分别是车轮部分先转向且产生应力作用而花键端几乎静止和半轴齿轮通过花键端先产生应力作用而假设车轮端处于静止状态。 （1）花键端固定，对车轮端施加载荷 前期的Creo模型格式转换、导入ANSYS软件并实体化以及定义相关属性过程同最前面介绍的一样，在此详细步骤省略，划分网格步骤包括网格密度也同上，在此效果还可以，网格不算太密，分析起来也比较清晰，划分后大致如图所示。图网格划分 紧接着，开始对左端花键端施加约束，固定全部自由度，右端施加载荷6MPa，这里的载荷一样是个假设值，施加完载荷后位移变形图及应力变形图分别见下图和图。图位移变形图图应力变形图 由上面两幅效果图可知，位移变化大致是由受力端到固定端逐渐减小，最大位移为；而应力分布有点复杂，两端变化比较明显，而应力最大值出现在固定端附近，上图中显示最大值为，满足材料的强度极限值。 （2）车轮端固定，对花键端施加载荷 前期的所有步骤同上，只是约束端及施加载荷端与上述情况正好相反，这里载荷也是施加的6MPa，约束及施加载荷完成后的位移变形图和应力变形图分别见下图和图所示。图位移变形图图应力变形图由以上两幅图可知，位移变化与第一种情况一样，越靠近固定端位移变形量越小，基本跟普通轴受力后应力变形理论情况一致，最大位移量为；而应力变化与第一种情况不太一样，在越靠近受力端应力变形量越大，但应力变化较缓慢，在固定端变化却较为迅速，最大应力为，满足材料的强度极限值。从上述两种情况看来，由于花键的存在，整个轴的应力变化跟普通轴有所差别，因此在加工花键时务必采用特殊的处理方法，从而避免相应的应力集中及强度不够等状况，从而能更有利于汽车的行驶安全性、舒适性、稳定性与通过性。从以上两个主要零部件的有限元分析来看，形状规则的零部件位移变形和应力分布等也较为有序连续，通常按照一定的规律展开变化。而一旦附有稍微复杂的结构，其变化也会变得比较复杂，再加之各种复杂的工况情况更难以把握，总之得根据分析结果对那些出现应力集中、变化不稳定或者容易达到极限值的区域或零部件进行优化，可以通过材料的选取以及加工手段的改进等方法，各组成部分的不断优化必能造就整个主减速器及差速器性能的大幅度提高，从而促进汽车整体安全性、动力性、舒适性多方面协同发展。6总结 此次为期大概六个月的毕业设计让我收获很多，首先让我对大学四年所学的主干知识有了一个全面的复习，尤其是车辆专业的基础课汽车构造。更让我深入了解了本次毕业设计对象相关的知识，当然所涉及的远不止汽车构造的知识，机械设计基础、材料力学、汽车设计、Creo操作、ANSYS操作、机械制造基础等课程都有涉及。