畢業(yè)設計(論文)-差速器總成的設計與分析

上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文）SUES-06差速器總成的設計與分析PAGEPAGE72各專業(yè)完整優(yōu)秀畢業(yè)論文設計圖紙摘要差速器作為汽車驅(qū)動橋中的主要部件，在汽車行駛轉向中起著至關重要的作用。它在向兩邊半軸傳遞動力的同時也能保證兩邊半軸以不同的轉速旋轉，很大程度上的避免了汽車在轉向過程中驅(qū)動車輪產(chǎn)生滑轉或滑移的現(xiàn)象。本次設計的意圖是通過UG軟件對SUES-06差速器進行設計，并通過UG和CATIA軟件對其進行裝配、仿真及分析，模擬現(xiàn)代汽車零部件的設計過程。根據(jù)畢業(yè)論文設計任務書中的要求，本文首先對汽車差速器做了闡述，并介紹了汽車差速器的分類和設計要求，著重介紹了SUES-06差速器的組成和功用，并對其幾個重要的設計參數(shù)進行分析計算。然后運用UG/CAD模塊建立汽車差速器的實體模型并進行了裝配。接著運用CATIA軟件對SUES-06差速器進行運動仿真分析。最后對差速器典型零件進行有限元分析，最后做出結論。在這次的畢業(yè)設計中，完成了差速器參數(shù)的計算，使用UG軟件完成了差速器所有零件的數(shù)字模型，順利地進行了虛擬裝配。并通過對差速器受力零件有限元的分析，說明是符合實際應用要求的，這些計算和設計也都是正確、可行的。關鍵詞：差速器，UG，實體模型，有限元DesignandAnalysisonSUES-06DifferentialABSTRACTAstheimportantpartofthedrivingaxle,differentialgearplaysacrucialroleinsteeringofcar-driving.Itnotonlytransfersthepowerforsemiaxlesofbothsides,butalsoensuresthemtwirlingatdifferentspeed,whicheffectivelyavoidedthewheel-slippingsituationinturning-around.TheintentionofthisdesignistoinventSUES-06differentialgearthroughUGCATIA,whichwillbefixed,emulatedandanalyzedthroughcomputersothatIcanemulatetheprocessofdesignforthemodernsparepartsforcar.Inaccordingtotherequirementsofthetaskbook,firstlyIexpoundedtheprinciplesofthedifferentialgearaswellasintroduceditscategoriesandrequirements.IpaidmuchattentiontointroducethecompositionsandfunctionsofSUES-06differentialgearandexplainthekeyparameters.Secondly,IusedCAEtoemulatethemovementprocessofSUES-06differentialgear.Ianalyzedthetypicalsparepartsofdifferentialgearbymeansoffiniteelementandmadetheconclusionatlast.Inthisdesign,Ihavecompletedthecalculationofparameters,thedigitalmodelofallpartsthroughUGandvirtualassemblymodule.Thedesignisprovedtobecorrect,feasibleandpracticalbymeansoffiniteelementmethodinanalyzingtheforceofsparepartsofdifferentialgear.Keywords:differentialgear,UG,solidmodel,finiteelementmethodSUES-06差速器總成的設計與分析鮑鶴亭06210320引言汽車問世百余年來，特別是從汽車產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)及汽車工業(yè)的大發(fā)展以來，汽車已經(jīng)對世界經(jīng)濟大發(fā)展和人類進入現(xiàn)代化生活產(chǎn)生了無法估量的巨大影響，為人類社會的進步作出了不可磨滅的巨大貢獻。如今世界各大汽車生產(chǎn)商在汽車研發(fā)過程中，從整車的構思到具體零部件的設計研究、試驗及制造的所有領域都綜合性地應用計算機技術來開展工作。使新產(chǎn)品在汽車市場上占有領先地位，同時也使得整個汽車市場的競爭越發(fā)激烈。近年來，汽車工業(yè)在中國機械工業(yè)各行業(yè)中，其增長速度相對比其它行業(yè)都要高得多。作為其重要部位，差速器在汽車的轉向時無疑提供了一個很好的保障，使得汽車在轉向過程中保證了其很好的穩(wěn)定性。而差速器作為汽車上常見的結構形式，其質(zhì)量水平直接決定著整車的檔次，因此顯得尤為重要。課題擬定內(nèi)容是采用部分CAD和UG知識對SUES-06汽車差速器殼體進行設計，根據(jù)已知條件，設計各零件的尺寸和形狀，裝配總成，并對所設計的總成進行機構運動分析。1驅(qū)動橋的總成1.1驅(qū)動橋的概述驅(qū)動橋的結構形式與驅(qū)動車輪的懸架形式密切相關。當車輪采用非獨立懸架時，驅(qū)動橋應為非斷開式(或稱為整體式)，即驅(qū)動橋殼是一根連接左右驅(qū)動車輪的剛性空心梁，而主減速器、差速器及車輪傳動裝置(由左、右半軸組成)都裝在它里面。當采用獨立懸架時，為保證運動協(xié)調(diào)，驅(qū)動橋應為斷開式。這種驅(qū)動橋無剛性的整體外殼，主減速器及其殼體裝在車架或車身上，兩側驅(qū)動車輪則與車架或車身作彈性聯(lián)系，并可彼此獨立地分別相對于車架或車身作上下擺動，車輪傳動裝置采用萬向節(jié)傳動。為了防止運動干涉，應采用滑動花鍵軸或一種允許兩軸能有適量軸向移動的萬向傳動機構。1.2主減速器的概述汽車主減速器是汽車驅(qū)動橋中重要的傳力部件,是汽車底盤中主要的減速增扭部件。它的功用是將輸入的轉矩增大,轉速降低,并將接受的動力傳遞方向改變后傳給差速器。主減速器的結構形式主要是根據(jù)齒輪類型、減速器形式不同而不同。主減速器的齒輪主要有螺旋錐齒輪、雙曲面齒輪、圓柱齒輪和蝸輪蝸桿等形式。在現(xiàn)代汽車驅(qū)動橋上，主減速器采用的最廣泛的是“格里森”制或“奧利康”制的螺旋錐齒輪和雙曲面齒輪。在雙級主減速中，通常還要加一對圓柱齒輪或一組行星齒輪。在輪邊減速器中則通常采用普通平行軸式布置的斜齒圓柱齒輪傳動或行星齒輪傳動。在某些公共汽車，無軌電車和超重型汽車的主減速器上，有時也采用蝸輪傳動。1.3差速器的簡介差速器是一種結構緊湊、空間位置集中且布置復雜的裝配部件。根據(jù)汽車行駛運動學的要求和實際的車輪，道路以及他們之間的相互關系表明：汽車在行駛過程中左右車輪在同一時間內(nèi)所滾過的行程往往是有差別的。例如，轉彎時外側車輪的行駛的距離總要比內(nèi)側的長。另外，即使汽車作直線行駛，也會由于左右車輪在同一時間內(nèi)所滾動的路面垂向波形的不同，或由于左右車輪胎氣壓，輪胎負荷，胎面磨損程度的不同以及制造誤差等因素引起左右車輪外徑不同或滾動半徑不相等而要求車輪行程不等。在左右車輪形成不等的情況下，如果采用一根整體的驅(qū)動車輪軸將動力傳給左右車輪，則會由于左右驅(qū)動車輪的轉速雖相等而行程卻又不同的這一運動學上的矛盾，引起某一驅(qū)動車輪產(chǎn)生滑移或滑轉。這不僅會使輪胎過早磨損，無益的消耗功率和燃料及使驅(qū)動車輪軸超載等，還會因為不能按所要求的瞬時中心轉向而使操縱性變壞。此外，由于車輪與路面間尤其在轉彎時有大的滑轉或滑移，易使汽車在轉向時失去抗側滑能力而使穩(wěn)定性變壞。為了消除由于左右車輪在運動學上的不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的這些弊病，汽車左右驅(qū)動輪間都裝有差速器，后者保證了汽車驅(qū)動橋兩側車輪在行程不等時具有以不同速度旋轉的特性，從而滿足了汽車行駛運動學的要求。同樣情況也發(fā)生在多橋驅(qū)動中，前，后驅(qū)動橋之間，中，后驅(qū)動橋之間等會因車輪滾動半徑不同而導致驅(qū)動橋間的功率循環(huán)，從而傳動系的載荷增大，損傷其零件，增加輪胎的磨損和燃料的消耗等，因此一些多橋驅(qū)動的汽車也裝了軸間差速器。1.4差速器的結構形式介紹汽車差速器的結構形式很多，用的最廣泛的是對稱式圓錐行星齒輪差速器。它又可分為普通錐齒輪式差速器、摩擦片式差速器和強制鎖止式差速器等。普通的對稱式圓錐行星齒輪差速器由差速器左，右殼，2個半軸齒輪，4個行星齒輪（少數(shù)汽車采用3個行星齒輪，小型，微型汽車多采用2個行星齒輪），行星齒輪軸（不少裝4個行星齒輪的差速器采用十字軸結構），半軸齒輪及行星齒輪墊片等組成。由于其結構簡單，工作平穩(wěn)，制造方便，用在公路汽車上也很可靠等優(yōu)點，最廣泛的用在轎車，客車和各種公路用載貨汽車上。有些越野汽車也采用了這種結構，但用在越野汽車上需要采取防滑措施。例如加進摩擦元件以增大其內(nèi)摩擦，提高其鎖緊系數(shù)；或加裝可操縱的，能強制鎖住差速器的裝置差速鎖等。由于差速器殼是裝在主減速器從動齒輪上，故在確定主減速器從動齒輪尺寸時，應考慮差速器的安裝。差速器殼的輪廓尺寸也受到從動齒輪及主動齒輪導向軸承支座的限制。而差速器齒輪的基本參數(shù)選擇又分為以下幾個：行星齒輪數(shù)目的選擇，行星齒輪球面半徑的確定，行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)的選擇，差速器圓錐齒輪模數(shù)及半軸齒輪節(jié)圓直徑的初步確定，壓力角，行星齒輪安裝孔直徑及其深度的確定。傳統(tǒng)差速器的種類很多。在驅(qū)動橋的設計中選擇差速器的結構型式時，應當首先從所設計的汽車類型以及其使用條件出發(fā)，使所選用的那種結構型式的差速器，能夠滿足該型式汽車在給定使用條件下的使用性能要求。差速器的典型結構形式如下圖：差速器的結構型式差速器的結構型式防滑差速器普通對稱式圓錐行星齒輪差速器自鎖式強制差速器-差速鎖變傳動式差速器自由輪式高磨擦式滾柱式自由輪差速器牙嵌式自由輪差速器帶有磨擦元件的圓錐齒輪差速器滑塊-凸輪式帶有常作用是磨擦元件的圓錐齒輪差速器圖1.1差速器的典型結構形式圖1.4.1普通錐齒輪式差速器由于普通錐齒輪式差速器結構簡單、工作平穩(wěn)可靠，所以廣泛應用于一般使用條件的汽車驅(qū)動橋中。圖1.2為其示意圖，圖中為差速器殼的角速度；、分別為左、右兩半軸的角速度；為差速器殼接受的轉矩；為差速器的內(nèi)摩擦力矩；、分別為左、右兩半軸對差速器的反轉圖1.2普通圓錐齒輪差速器的工作原理簡圖根據(jù)運動分析可得…………(1.1)顯然，當一側半軸不轉時，另一側半軸將以兩倍的差速器殼體角速度旋轉；當差速器殼體不轉時，左右半軸將等速反向旋轉。根據(jù)力矩平衡可得…………………(1.2)差速器性能常以鎖緊系數(shù)是來表征，定義為差速器的內(nèi)摩擦力矩與差速器殼接受的轉矩之比，由下式確定結合式(1.2)可得……………(1.3)定義快慢轉半軸的轉矩比,則與之間有……………………(1.4)普通錐齒輪差速器的鎖緊系數(shù)是一般為0．05～0．15，兩半軸轉矩比=1．11～1．35，這說明左、右半軸的轉矩差別不大，故可以認為分配給兩半軸的轉矩大致相等，這樣的分配比例對于在良好路面上行駛的汽車來說是合適的。但當汽車越野行駛或在泥濘、冰雪路面上行駛，一側驅(qū)動車輪與地面的附著系數(shù)很小時，盡管另一側車輪與地面有良好的附著，其驅(qū)動轉矩也不得不隨附著系數(shù)小的一側同樣地減小，無法發(fā)揮潛在牽引力，以致汽車停駛。1.4.2摩擦片式差速器為了增加差速器的內(nèi)摩擦力矩，在半軸齒輪7與差速器殼1之間裝上了摩擦片2(圖1.3)。兩根行星齒輪軸5互相垂直，軸的兩端制成V形面4與差速器殼孔上的V形面相配，兩個行星齒輪軸5的V形面是反向安裝的。每個半軸齒輪背面有壓盤3和主、從動摩擦片2，主、從動摩擦片2分別經(jīng)花鍵與差速器殼1和壓盤3相連。1.差速器左殼2.半軸齒輪3.行星齒輪4.行星齒輪軸5.V形斜面6.差速器右殼7.推力盤8.主動摩擦片9.從動摩擦片10.錐形摩擦盤圖1.3摩擦片式差速器當傳遞轉矩時，差速器殼通過斜面對行星齒輪軸產(chǎn)生沿行星齒輪軸線方向的軸向力，該軸向力推動行星齒輪使壓盤將摩擦片壓緊。當左、右半軸轉速不等時，主、從動摩擦片間產(chǎn)生相對滑轉，從而產(chǎn)生摩擦力矩。此摩擦力矩Tr，與差速器所傳遞的轉矩成正比，可表示為示為……………………(1.5)式中，為摩擦片平均摩擦半徑；為差速器殼V形面中點到半軸齒輪中心線的距離；f為摩擦因數(shù)；z為摩擦面數(shù)；為V形面的半角。摩擦片式差速器的鎖緊系數(shù)k可達0．6，可達4。這種差速器結構簡單，工作平穩(wěn)，可明顯提高汽車通過性。1.4.3強制鎖止式差速器當一個驅(qū)動輪處于附著系數(shù)較小的路面時，可通過液壓或氣動操縱，嚙合接合器(即差速鎖)將差速器殼與半軸鎖緊在一起，使差速器不起作用，這樣可充分利用地面的附著系數(shù)，對于裝有強制鎖止式差速器的4X2型汽車，假設一驅(qū)動輪行駛在低附著系數(shù)的路面上，另一驅(qū)動輪行駛在高附著系數(shù)的路面上，這樣裝有普通錐齒輪差速器的汽車所能發(fā)揮的最大牽引力為……………(1.6)式中，為驅(qū)動橋上的負荷。如果差速器完全鎖住，則汽車所能發(fā)揮的最大牽引力為………(1.7)可見，采用差速鎖將普通錐齒輪差速器鎖住，可使汽車的牽引力提高倍，從而提高了汽車通過性。當然，如果左、右車輪都處于低附著系數(shù)的路面，雖鎖住差速器，但牽引力仍超過車輪與地面間的附著力，汽車也無法行駛。強制鎖止式差速器可充分利用原差速器結構，其結構簡單，操作方便。目前，許多使用范圍比較廣的重型貨車上都裝用差速鎖。1.4.4滑塊凸輪式差速器圖1.4為雙排徑向滑塊凸輪式差速器。差速器的主動件是與差速器殼1連接在一起的套，套上有兩排徑向孔，滑塊2裝于孔中并可作徑向滑動。滑塊兩端分別與差速器的從動元件內(nèi)凸輪4和外凸輪3接觸。內(nèi)、外凸輪分別與左、右半軸用花鍵連接。當差速器傳遞動力時，主動套帶動滑塊并通過滑塊帶動內(nèi)、外凸輪旋轉，同時允許內(nèi)、外凸輪轉速不等。理論上凸輪形線應是阿基米德螺線，為加工簡單起見，可用圓弧曲線代替。1.差速器殼2.滑塊3,4分別為凸輪套（外凸輪）與凸輪（內(nèi)凸輪）5,6卡環(huán)圖1.4滑塊-凸輪式高摩擦差速器圖1.5為滑塊受力圖。滑塊與內(nèi)凸輪、外凸輪和主動套之間的作用力分別為Pl、P2和P，由于接觸面間的摩擦，這些力與接觸點法線方向均偏斜一摩擦角戶。由P1、P2和P構成的力三角形可知圖1.5計算用簡圖……（1.8）式中，β1β2分別為內(nèi)、外凸輪形線的升角。左、右半軸受的轉矩Tl和T2分別為…………(1.9)中，r1、r2分別為滑塊與內(nèi)、外凸輪接觸點的半徑。將式(2.8)代人式(2.9)可得……（1.10）……（1.11）因此，凸塊式差速器左、右半軸的轉矩比kb為……………………(1.12)滑塊凸輪式差速器址一種高摩擦自鎖差速器，其結構緊湊、質(zhì)量小。但其結構較復雜，禮零件材料、機械加工、熱處耶、化學處理等方面均有較高的技術要求。1.4.5牙嵌式自由輪差速器牙嵌式自由輪差速器是自鎖式差速器的一種。裝有這種差速器的汽車在直線行駛時，主動環(huán)可將由主減速器傳來的轉矩按左、右輪阻力的大小分配給左、右從動環(huán)(即左、右半軸)。當一側車輪懸空或進入泥濘、冰雪等路面時，主動環(huán)的轉矩可全部或大部分分配給另一側車輪。當轉彎行駛時，外側車輪有快轉的趨勢，使外側從動環(huán)與主動環(huán)脫開，即中斷對外輪的轉矩傳遞；內(nèi)側車輪有慢轉的趨勢，使內(nèi)側從動環(huán)與主動環(huán)壓得更緊，即主動環(huán)轉矩全部傳給內(nèi)輪。由于該差速器在轉彎時是內(nèi)輪單邊傳動，會引起轉向沉重，當拖帶掛車時尤為突出。此外，由于左、右車輪的轉矩時斷時續(xù)，車輪傳動裝置受的動載荷較大，單邊傳動也使其受較大的載荷。牙嵌式自由輪差速器的半軸轉矩比Ab是可變的，最大可為無窮大。該差速器工作可靠，使用壽命長，鎖緊性能穩(wěn)定，制造加工也不復雜。1.4.6托森差速器托森差速器作為一種新型的差速器機構，在四輪車驅(qū)動橋上得到日益廣泛的應用。它利用蝸桿傳動的不可逆性原理和齒面高摩擦條件，使差速器根據(jù)其內(nèi)部差動轉矩大小而自動鎖死或松開，即在差速器內(nèi)差動轉矩較小時起差動作用，而過大時自動將差速器鎖死，有效的提高了汽車的通過性。托森差速器的結構如圖（1.6）所示，該差速器由差速器殼，左、右半軸蝸桿、蝸輪軸和蝸輪等組成。差速器殼與主減速器的被動齒輪相連。三對蝸輪通過蝸輪軸固定在差速器殼上，分別與左、右半軸蝸桿相嚙合，每個蝸輪兩端固定有直齒圓柱直齒輪。成對的蝸輪通過兩端相互嚙合的直齒圓柱齒輪發(fā)生聯(lián)系。差速器外殼通過蝸輪軸帶動蝸輪繞差速器半軸軸線轉動，蝸輪再帶動半軸蝸桿轉動。當汽車轉向時，左、右半軸蝸桿出現(xiàn)轉速差，通過成對蝸輪兩端相互嚙合的直齒圓柱齒輪相對轉動，使一側半軸蝸桿轉速加快，另一側半軸蝸桿轉速下降，實現(xiàn)差速作用。轉速比差速器殼快的半軸蝸桿受到三個蝸輪給予的與轉動方向相反的附加轉矩，轉速比差速器殼慢的半軸蝸桿受到另外三個蝸輪給予的與轉動方向相同的附加轉矩，從而使轉速低的半軸蝸桿比轉速高的半軸蝸桿得到的驅(qū)動轉矩大，即當一側驅(qū)動輪打滑時，附著力大的驅(qū)動輪比附著力小的驅(qū)動輪得到的驅(qū)動轉矩大。托森差速器又稱蝸輪－蝸桿式差速器，它的鎖緊系數(shù)K為3.5，這就意味著任意一端輸出的扭矩可以是另一輸出端的3.5倍。因此，可使轉速低的軸比轉速高的軸的驅(qū)動力大，附著力好的軸比附著力差的軸分配到的驅(qū)動力大。1.差速器殼；2.直齒輪軸；3.半軸；4.直齒輪；5.主減速器被動輪；6.蝸輪；7.蝸桿圖1.6托森輪間差速器2SUES-06汽車差速器主要參數(shù)的設定及其計算驅(qū)動型式4×2（后輪為雙胎）裝載質(zhì)量2000㎏空車質(zhì)量1880㎏滿載時前軸載荷13400N滿載時后軸載荷27350N車輪半徑R=0.325m最高車速=85km/h發(fā)動機最大功率=51.47KW及轉速=3800～4000r/min發(fā)動機最大轉矩=137N·m及轉速=2000～2300r/min主減速器傳動比=5.833傳動效率=0.9變速器傳動比（表2.1）表2.1變速器傳動比III=3\*ROMANIII=4\*ROMANIVR四檔變速器6.093.091.711.004.952.1差速器的鎖緊系數(shù)與轉矩分配系數(shù)通常采用系數(shù)……………………（2.1）,分別表示兩側車輪的轉矩，而K則表示兩側驅(qū)動車輪的轉矩可能相差的最大倍數(shù)，因為它也說明了迫使差速器工作所需的轉矩大小，即差速器“鎖緊”的程度，故被稱為差速器的鎖緊系數(shù)。因為＞，鎖緊系數(shù)K＞1。有的文獻將差速器的鎖緊系數(shù)定義為………………（2.2）……………………（2.3）……………………（2.4）這時，K＇是一個小于1的數(shù)。差速器的轉矩分配特性可用轉矩分配系數(shù)ξ來表示：……………………（2.5）由于慢轉的一側的半軸齒輪上的轉矩小于差速器上的轉矩，故ξ小于1。系數(shù)K以及ξ對汽車性能有直接影響。在汽車設計中是根據(jù)汽車的類型、性能要求以及使用條件等來選擇差速器的鎖緊系數(shù)K的。在一般情況下從汽車的通過性要求來看，希望鎖緊系數(shù)K的值越大越好；但從轉向操縱的靈活性、行駛的穩(wěn)定性、延長有關傳動零件的使用壽命和減小輪胎磨損等方面考慮，鎖緊系數(shù)K的值有不宜過大。系數(shù)K與ξ主要決定于差速器的結構型式。普通的圓錐行星齒輪式差速器的鎖緊系數(shù)K=1.1～1.5，轉矩分配系數(shù)ξ=0.55～0.6，故可近似地看成它是將轉矩平均分配給左、右驅(qū)動車輪。這樣的分配比例對在良好的路面上行駛的汽車來說是適當?shù)?。但當汽車越野行駛或在泥濘、冰雪路上行駛，且一側?qū)動車輪車輪與地面的附著系數(shù)很小時，即使另一側驅(qū)動車輪與路面有良好的附著性，其驅(qū)動轉矩也不得不隨著附著系數(shù)小的一側同樣地減小，使汽車無法發(fā)揮出附著良好驅(qū)動車輪的潛在牽引力，甚至有陷車而不能前進的危險。當驅(qū)動橋裝有高摩擦差速器時，由于高摩擦差速器具有大的K值和ξ值，能使與地面附著良好的驅(qū)動車輪比附著不良的驅(qū)動車輪有更大的驅(qū)動轉矩，故通過性就會好些。有時鎖緊系數(shù)過大，例如當采用差速鎖裝置將左、右半軸聯(lián)成一體時，會使鎖緊系數(shù)K增至無限大，這時，似乎全部轉矩會傳到一個半軸上而使其過載，但在一般情況下，其載荷不應超過該側驅(qū)動車輪與地面的最大附著力。對高摩擦式自鎖差速器來說更是如此，即它不會使半軸有明顯的過載。本設計使用的是普通對稱式圓錐行星齒輪，由于普通的圓錐行星齒輪式差速器的鎖緊系數(shù)為1.1～1.5因此在這里我設定差速器鎖緊系數(shù)為1.1，轉矩分配系數(shù)為0.55。2.2差速器的效率與差速器的傳動效率差速器的效率是指差速器殼不轉時（=0），一個半軸驅(qū)動另一個半軸時輸出功率與輸入功率之比，即………………（2.6）由于此時兩半軸的轉速相等，即=，故有……………（2.7）即差速器的效率為其鎖緊系數(shù)的倒數(shù)。約為0.1（某些蝸輪式差速器）～0.9（普通的圓錐行星齒輪差速器）。由上式可知，差速器的鎖緊系數(shù)K與差速器的效率成反比。差速器的內(nèi)摩擦力矩越大，其鎖緊系數(shù)也就越大，將使得差速器的效率越低，則越有利于兩側驅(qū)動車輪轉矩的重新分配，越有利于提高汽車的通過性。這里還應指出，差速器的效率低表明有大的內(nèi)摩擦損失，但后者僅僅在左、右車輪有顯著的轉速差時才發(fā)生，在一般的情況下這種轉速差不大，因此差速器的摩擦損失功率也不顯著。當左、右驅(qū)動車輪轉速相等時，差速器的摩擦損失功率為零。汽車以最小轉彎半徑轉向時，差速器的摩擦損失功率達到最大值。差速器的傳動效率是指動力經(jīng)差速器殼傳給左、右半軸的效率，即…………………（2.8）圖2.1給出的是當汽車轉彎的時候后驅(qū)動橋的運動學簡圖。圖中為外側車輪的轉速；為內(nèi)側車輪的轉速；B為輪距；R為后驅(qū)動橋中間一點的轉彎半徑；△ω為驅(qū)動車輪或半軸與差速器的轉速差。圖2.1汽車轉彎時后驅(qū)動橋的運動學簡圖由圖2.1可知：……………（2.9）由此得=B/2R………………（2.10）而=（+）………（2.11）=/=（-）/……（2.12）……（2.13）將它們代入式（2.8），得整理后得到差速器的傳動效率的表達式為………（2.14）由式（2.14）可知，差速器的傳動效率區(qū)別于差速器的效率，后者僅與差速器的結構有關，而前者還與汽車后驅(qū)動橋中間點的轉彎半徑R以及輪距B有關，并隨R的變化而改變。分析式（2.14）可以看出，即使差速器的效率很低，差速器的傳動效率依然會得到較高的數(shù)值。這就是為什么有些高摩擦式自鎖差速器的效率雖然很低，但仍然被采用的原因。由于本設計選擇普通對稱錐齒輪差速器，而且本次我設定的鎖緊系數(shù)為1.1，所以為0.9，為0.99。2.3差速器行星齒輪的力矩分析差速器內(nèi)摩擦主要由三部分組成，一是行星齒輪自轉時與行星齒輪軸之間以及行星齒輪背球面與差速器殼之間因相對運動產(chǎn)生的摩擦力矩,方向與行星自轉方向相反；二是行星輪支撐滑動軸承產(chǎn)生的摩擦力矩,方向與行星自轉方向相反；三是兩半軸輪背面同差速器殼之間產(chǎn)生的摩擦力矩,大小相等，其中外輪與地面對車輪的附加阻力引起的阻力矩方向相反，內(nèi)輪則與附加阻力引起的阻力矩方向相同。由于差速器在工作中齒輪的轉速較低，可忽略速度對摩擦力的影響。各部分摩擦力與摩擦系數(shù)的關系符合以下關系：………………………（2.15）即滿足庫侖定律。式中為相對運動面正壓力。輸入轉矩已知，行星齒輪和半軸齒輪參數(shù)已知時，,可由計算得到。設行星齒輪壓力角，節(jié)錐角，安裝孔直徑，球面直徑，背球球半徑，節(jié)圓半徑，半軸齒輪節(jié)錐角，錐訂圓直徑，支撐軸外徑，節(jié)圓半徑。行星齒輪上同半軸齒輪捏合齒面受力分析如圖2.2所示圖2.2同半軸齒輪捏合齒面受力分析圖中行星齒輪齒面正壓力行星齒輪齒面正壓力的徑向分量行星齒輪正壓力軸向分量輸入轉矩在行星齒輪輪齒與半軸齒輪輪齒嚙合點上的等效圓周力，圖中大小為…………………（2.16）其中T0為差速器殼傳遞到行星齒輪上的力矩。，，，之間的關系如方程組所示…………（2.17）根據(jù)方程組（2.17）可知……………………（2.18）令……………（2.19）則行星齒輪背球面上承受的正壓力可以用下式簡化計算………………（2.20）根據(jù)經(jīng)典摩擦力學理論知識，行星齒輪背球與差速器之間產(chǎn)生的摩擦力為：…………………（2.21）摩擦力矩為：……………（2.22）將式（2.19），（2.20），（2.21）代入（2.22）得：……（2.23）式（2.23）即為行星齒輪背球面產(chǎn)生的摩擦力力矩的計算模型。同理，行星齒輪滑動軸承產(chǎn)生的摩擦力為…………………（2.24）摩擦力矩為：………………（2.25）式（2.8.11）即為行星齒輪滑動軸承產(chǎn)生摩擦力矩的計算模型。2.4差速器轉矩計算由于汽車行駛時傳動系載荷的不穩(wěn)定性，因此要準確地計算出主減速器齒輪比較困難。通常是將發(fā)動機最大轉矩配以傳動系最低檔傳動比時和驅(qū)動車輪在良好路面上開始滑轉時這兩種情況下作用在主減速器從動齒輪上的轉矩（，）的較小者，作為載貨汽車和越野汽車在強度計算中用以驗算主減速器從動齒輪最大應力的計算載荷。由于主減速器與差速器屬于剛性連接，因此所得的值也同樣可以驗算差速器最大應力的計算載荷。方程如下：……………………(2.26)……………………(2.27)——發(fā)動機最大轉矩，已知SUES-06型載重汽車發(fā)動機最大轉矩為137N·m——由發(fā)動機至所計算的主減速器從動齒輪之間的傳動系最低擋傳動比；這里等于==35.52；——傳動系上傳動部分的傳動效率，取等于0.9；——對于一般載貨汽車、礦用汽車和越野汽車以及液力傳動及自動變速的汽車取等于1；n——該汽車的驅(qū)動橋數(shù)目。這里n等于1；——汽車滿載時一個驅(qū)動橋給水平地面的最大負荷，N；對后橋來說還應該考慮到汽車加速度時的負荷增加量；設計SUES-06型汽車空載時的質(zhì)量為1880千克，前軸載荷為9230牛，后軸載荷為9570牛；允許滿載時的總質(zhì)量為4075千克，前軸載荷為13400牛，后軸載荷為27350牛。所以這里的取27350牛?！喬Φ孛娴母街禂?shù)，對于安裝一般輪胎的公路用汽車，取；——車輪的滾動半徑，m；這里取0.39米；，——分別為所計算的主減速器從動齒輪到驅(qū)動車輪之間的傳動效率和減速比（例如輪邊減速等）。這里取0.9，取1。將以上參數(shù)代入式（2.26）與式（2.27）所以取小值，即4354.96N·m。以上兩結果是汽車最大轉矩而不是正常持續(xù)轉矩，不能作為疲勞損壞的依據(jù)。汽車的類型很多，行駛工況有非常復雜，轎車一般在高速輕載條件下工作，而礦用汽車和越野汽車則在高負荷低車速低條件下工作，沒有簡單的公式可算出汽車的正常持續(xù)使用轉矩。對于公路汽車而言，使用條件比較穩(wěn)定，主減速器從動齒輪的平均計算轉矩可按下式計算：…………（2.28）—汽車滿載時的總重力，N—所牽引的掛車的滿載總重力，N，僅用于牽引車的計算；—道路滾動阻力系數(shù)，對于貨車取0.015～0.020，本設計取=0.020；—汽車正常使用時的平均爬坡能力系數(shù)，貨車取0.05～0.09，本設計取=0.05；—汽車的性能系數(shù)：當時，取=0。本次設計=0所以，由式（2.28）可得：由式（2.26）和式（2.27）求得的計算載荷是從動齒輪的最大轉矩，不同于式（2.28）求得的平均計算載荷。當計算齒輪最大應力時，平均計算載荷取前面兩種的較小值，即=min[,]。2.5差速器齒輪的基本參數(shù)選擇1）行星齒輪數(shù)n行星齒輪數(shù)n需根據(jù)承載情況來選擇。通常情況下，轎車：n＝2；貨車或越野車：n＝4。少數(shù)汽車采用3個行星齒輪。本課題中，針對SUES-06型汽車為輕型載重汽車這一特性，選擇的行星齒輪數(shù)n=4。2）行星齒輪球面半徑圓錐行星齒輪差速器的結構尺寸，通常取決于行星齒輪背面的球面半徑，它就是行星齒輪的安裝尺寸，實際上也代表了差速器圓錐齒輪的節(jié)錐距，因此在一定程度上也表征了差速器的強度。球面半徑可以按照如下的經(jīng)驗公式來確定：…………（2.29）——為行星齒輪球面半徑系數(shù)，＝2.52～2.99，對于有四個行星齒輪的轎車和公路用貨車取小值，對于有兩個行星齒輪的轎車及四個行星齒輪的越野車和礦用車取大值；——為差速器計算轉矩（N·m），；通過式（2.27）與式（2.26）得知=4354.96N·m。將以上數(shù)據(jù)代入式（2.47）得=54mm。行星齒輪節(jié)錐距為………（2.30）這里選擇。3)行星齒輪和半軸齒輪齒數(shù)、為了使齒輪有較高的強度，希望取較大的模數(shù)，但尺寸會增大，于是又要求行星齒輪的齒數(shù)應取少些，但一般不少于10。半軸齒輪齒數(shù)在14～25選用。大多數(shù)汽車的半軸齒輪與行星齒輪的齒數(shù)比在1.5～2.0的范圍內(nèi)。在這里行星齒輪的齒數(shù)選擇10，而半軸齒輪齒數(shù)選擇16。半軸齒輪與行星齒輪的齒數(shù)比等于1.6，符合以上要求。差速器的各個行星齒輪與兩個半軸齒輪是同時嚙合的，因此在確定這兩種齒輪的齒數(shù)時，應考慮它們之間的裝配關系。在任何圓錐行星齒輪式差速器中，左、右兩半軸齒輪的齒數(shù)、之和，必須能被行星齒輪的數(shù)目所整除，以便行星齒輪能均勻地分布半軸齒輪的軸線周圍，否則差速器將無法安裝。即應滿足的安裝條件為……………（2.31）式中：、——左、右半軸齒輪的齒數(shù)，對于對稱式圓錐行星齒輪差速器來說，=；n——行星齒輪數(shù)目；I——任意整數(shù)。由于SUES-06型汽車差速器為對稱式圓錐行星齒輪差速器，因此，n等于4，因此,滿足上述安裝條件。4)差速器圓錐齒輪模數(shù)以及半軸齒輪節(jié)圓直徑的初步確定首先初步求出行星齒輪與半軸齒輪的節(jié)錐角、；…………(2.32)…………（2.33）在這里已知=10、=16，將它們代入上述兩式，得：=35.56°，=64.44°再按照下式初步求出圓錐齒輪的大端端面模數(shù)m：…………………（2.34）而式中已經(jīng)初步確定了：=50.96mm，=10、=16，=35.56°，=64.44°。將它們代入上式，得m=5.4。求出模數(shù)后，節(jié)圓直徑d即可根據(jù)齒數(shù)z及模數(shù)m由下式求得：………………………（2.35）將m=5.4，=10、=16分別代入上式，得差速器行星齒輪節(jié)圓=54mm，半軸齒輪節(jié)圓=86.4mm。5）壓力角α汽車差速器齒輪過去都采用壓力角為，這時齒高系數(shù)為1，而最少齒數(shù)為13。目前大都選用22°30ˊ的壓力角，齒高系數(shù)為0.8，最少齒數(shù)可減少到10，并且在小齒輪（行星齒輪）齒頂不變尖的條件下，還可以由切向修正加大半軸齒輪的齒厚，從而使行星齒輪與半軸齒輪趨向于等強度。由于這種齒行的最少齒數(shù)比壓力角為的少，因此可以用比較大的模數(shù)以提高齒輪的強度。某些重型貨車和礦用汽車也可以采用壓力角。由于這里設定SUES-06型汽車為輕型載貨汽車，所以選用的差速器齒輪壓力角為22°30ˊ。6）行星齒輪安裝孔的直徑φ及支承長度L行星齒輪安裝孔的直徑φ與行星齒輪軸的名義直徑相同，而行星齒輪安裝孔的深度L就是行星齒輪在其軸上的支承長度。通常取……………………（2.36）……………………（2.37）…………（2.38）式中：——為差速器殼傳遞的轉矩（N·m）；n——為行星齒輪數(shù)；l——為行星齒輪支承面中點到錐頂?shù)木嚯x（mm），約為半軸齒輪齒寬中點處平均直徑的一半；——為支承面許用擠壓應力，取69MPa；根據(jù)上述，已知：，n=4，代入式（2.38），得，。2.6差速器齒輪的幾何尺寸計算接下來說明一些齒輪中的幾何計算問題1）齒輪齒數(shù)z：已知行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)分別為，。2）模數(shù)m：已知行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)==5.43）齒面寬F：（0.25～0.30），。行星齒輪與半軸齒輪齒面寬為12.8mm。4）齒工作高：=1.6m，行星齒輪與半軸齒輪齒工作高為8.64mm。5）齒全高h：6）軸交角：。7）周節(jié)t：。8）齒頂高；=-。9）齒根高：；。10）徑向間隙c：。11）齒根角：；。12）面錐角：；=。13）根錐角：；。14）外圓直徑：，得，。15）節(jié)錐頂點至齒輪外緣的距離：；。16）理論齒厚S：。其中，根據(jù)/以及的值查表以確定切向修正系數(shù)；。17）齒端間隙B：根據(jù)模數(shù)為5.4查表，取高精度，得到B的范圍是：0.152～0.203；在這里選擇。18）弦齒厚：，推出。19）弦齒高：,推出，。2.7差速器齒輪的強度計算差速器齒輪主要進行彎曲強度計算，而對于疲勞壽命在不予考慮，這是因為差速器齒輪的尺寸受結構限制，而且承受的載荷較大，它不像主減速器齒輪那樣經(jīng)常處于嚙合傳動狀態(tài)，行星齒輪在差速器的工作中經(jīng)常只起等臂推力桿的作用。只有當汽車轉彎或左、右輪行駛不同的路程時，或一側車輪打滑而滑轉時，差速器齒輪才能有嚙合傳動的相對運動。汽車差速器齒輪的彎曲應力（MPa）為…………（2.39）式中：T——差速器一個行星齒輪給予一個半軸齒輪的轉矩，N·m；其計算式為：……………………（2.40）——按照min[,]與計算轉矩，由上述已知它們的值分別為4354.96N·m與946.4N·m；n——為行星齒輪數(shù)；已經(jīng)選定n是4個；——半軸齒輪齒數(shù)，=16；J——為計算汽車差速器齒輪彎曲應力用的綜合系數(shù)，取法見參考文獻；這里根據(jù)差速器齒輪的齒數(shù)=10，=16查出0.226；m——差速器齒輪模數(shù)，m=5.4；F——差速器計算齒輪的齒面寬，根據(jù)上面計算F=12.8；——超載系數(shù)，=1；——尺寸系數(shù)，反映材料性質(zhì)的不均勻性，與齒輪尺寸與熱處理等有關。當端面模數(shù)≥1.6mm時，，所以=0.68；——載荷分配系數(shù)，這里取1.10；——質(zhì)量系數(shù)，對于汽車驅(qū)動橋齒輪，當齒輪接觸接觸良好、周節(jié)及徑向跳動精度高時，可取 =1；按照以上方式用進行計算后所得的彎曲應力不應大于210.90MPa；按照,兩種計算轉矩中的較小值進行計算時，彎曲應力不應大于980MPa；將以上數(shù)據(jù)代入式（2.39），得分別等于157.35MPa和724.08MPa。因此計算符合要求。上述汽車差速器直齒錐齒輪的設計計算方法，使用與在直齒錐齒輪刨齒機上用成對刨刀滾切加工（切除非腰鼓形輪齒），或在直齒錐齒輪銑齒機上用成對原盤銑刀滾切加工（切出腰鼓形輪齒）的汽車差速器齒輪。在現(xiàn)代汽車大批量生產(chǎn)中，有時還采用生產(chǎn)效率更高、用弧刃圓盤拉刀加工、齒形接近于圓弧的Revacycle錐齒輪。這種齒輪在齒高方向的收縮齒型屬于雙重收縮齒；而齒輪兩側的齒廓曲線為用同一曲率半徑但不同心的弧刃圓盤拉刀回轉拉削時所形成的近似圓弧。這種齒輪也具有腰鼓形輪齒，而且具有齒數(shù)少（如=5～11）而且無根齒、齒頂不會變尖和齒根強度比較高等優(yōu)點。但刀具復雜，齒輪模數(shù)也不能過大，一般m＜6.35，所以僅用于大批量生產(chǎn)的中等模數(shù)的汽車、拖拉機差速器錐齒輪。2.8差速器的材料選擇由于汽車差速器和主減速器還有雙曲面齒輪目前都用滲碳合金鋼制造目前用于制造差速器錐齒輪20CrMnTi,22CrMnMo,20CrNiMo,20MnVB和20Mn2TiB。由于差速器齒輪輪齒要求的精度較低，所以精鍛差速器齒輪工藝已被廣泛應用。此次設計汽車差速器齒輪的所用材料為20CrMnTi。3.UG的建模3.1UG軟件介紹UG是UnigraphicsSolutions公司的拳頭產(chǎn)品。該公司首次突破傳統(tǒng)CAD/CAM模式，為用戶提供一個全面的產(chǎn)品建模系統(tǒng)。在UG中，優(yōu)越的參數(shù)化和變量化技術與傳統(tǒng)的實體、線框和表面功能結合在一起，這一結合被實踐證明是強有力的，并被大多數(shù)CAD/CAM軟件廠商所采用。UG軟件不僅具有強大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配和產(chǎn)生工程圖等設計功能；而且，在設計過程中可進行有限元分析、機構運動分析、動力學分析和仿真模擬，提高設計的可靠性；同時，可用建立的三維模型直接生成數(shù)控代碼，用于產(chǎn)品的加工，其后處理程序支持多種類型數(shù)控機床。另外它所提供的二次開發(fā)語言UG/OpenGRIP，UG/OpenAPI簡單易學，實現(xiàn)功能多，便于用戶開發(fā)專用CAD系統(tǒng)。UG是當前世界上最先進和緊密集成的、面向制造行業(yè)的CAD／CAE／CAM高端軟件。作為一個集成的全面產(chǎn)品工程解決方案，UG軟件家族使得用戶能夠數(shù)字化地創(chuàng)建和獲取三維產(chǎn)品定義。UG軟件被當今許多世界領先的制造商用來從事概念設計、工業(yè)設計、詳細的機械設計以及工程仿真和數(shù)字化的制造等各個領域。UG是知識驅(qū)動自動化技術領域中的領先者。它實現(xiàn)了設計優(yōu)化技術與基于產(chǎn)品和過程的知識工程的組合，顯著地改進了汽車、航天、航空、機械、消費產(chǎn)品、醫(yī)療儀器和工具等工業(yè)的生產(chǎn)。UG為各種規(guī)模的企業(yè)帶來了顯而易見的價值：更快地遞交產(chǎn)品到市場；使復雜產(chǎn)品的設計簡化：減少產(chǎn)品成本和增加企業(yè)的競爭實力。它已成為世界上最優(yōu)秀公司廣泛使用的系統(tǒng)。3.2差速器總成的建模要求和特點后橋差速器建模目的是將差速器總成數(shù)字模擬化，利用先進的CAD/CAE技術對機體進行仿真設計、修改、分析，有利于提高設計生產(chǎn)效率和成本。因此三維建模時必須嚴格按照二維設計圖紙標注的尺寸進行，不能私自更改尺寸，使設計失去實用意義。后橋差速器建模應按照實物制造工藝為原則依據(jù)，建模思想易于理解、模型結構清晰、且盡量保證相關參數(shù)化，使模型利于修改。而非概念設計那樣以效果圖展示為目的的三維建模。根據(jù)所測得的尺寸數(shù)據(jù)后，就開始后橋差速器的建模工作。本次建模工作用到的是美國EDS公司的Unigraphics(簡稱UG)軟件，它是當前世界上最先進和緊密集成的、面向制造行業(yè)的CAD／CAE／CAM高端軟件。作為一個集成的全面產(chǎn)品工程解決方案，UG軟件家族使得用戶能夠數(shù)字化地創(chuàng)建和獲取三維產(chǎn)品定義。UG軟件被當今許多世界領先的制造商用來從事概念設計、工業(yè)設計、詳細的機械設計以及工程仿真和數(shù)字化的制造等各個領域。差速器總成由行星齒輪軸以及薄鋼板、行星齒輪零件、差速器螺栓防松墊片、后橋半軸齒輪、后橋差速器殼（右）、后橋差速器殼（左）、后橋差速器行星齒輪、后橋差速器軸承蓋、行星齒輪止推墊圈、軸承調(diào)整螺母、軸承調(diào)整螺母鎖片組成。其中要求建模的后橋差速器零件包括后橋差速器軸承蓋、后橋差速器行星齒輪、后橋差速器殼、后橋半軸齒輪和差速器螺栓放松墊片，軸承螺母墊片，軸承調(diào)整螺母等零件；要求建模的差速器裝置零件包括后橋差速器殼（左），軸承調(diào)整螺母，行星齒輪軸等零件。以下部件大多有復雜的尺寸或外形，進行三維建模有一定的難度，現(xiàn)對其中的幾個部件的建模特點進行簡單闡述。3.2.1軸承調(diào)整螺母建模特點軸承調(diào)整螺母形狀較為復雜，尤其是其上下表面并非是一對平行的平面，而是有很多的相似特征，其模型中滾珠較多，初步建模思想是用草圖拉伸，然后做出一個滾珠的特征，通過鏡像陣列的方式完成其他滾珠的建模。如圖3.1所示。圖3.1軸承調(diào)整螺母建模3.2.2軸承調(diào)整螺母鎖片建模特點軸承調(diào)整螺母鎖片形狀看似簡單，但由于不是在同一個基準面內(nèi)，所以首先在底面由草圖繪制拉伸出實體，然后建立與之地面垂直的基準平面，在此由繪制草圖來完成拉伸實體。在建立與底面垂直的基準平面時，根據(jù)零件的尺寸，確定另一基準平面的位置，以確保零件尺寸的完整，如圖3.2所示。圖3.2軸承調(diào)整螺母鎖片3.2.3行星齒輪軸建模特點行星齒輪軸的外形并不難，看上去是一根軸。但是，在其上有鍵槽等特征，不是簡單的草圖拉伸即可完成，需要在一根軸上去除材料得到一根需要的行星齒輪軸，如圖3.3所示。圖3.3行星齒輪軸建模3.2.4差速器螺栓防松墊片建模特點差速器螺栓防松墊片結構并不困難，只要在基準平面內(nèi)繪制草圖（依據(jù)二維圖紙確定尺寸），實體拉伸即可得到模型。如圖3.4所示。圖3.4差速器螺栓防松墊片建模3.3差速器的建模過程鑒于差速器中零部件比較多，所以以下就對軸承調(diào)整螺母鎖片和軸承調(diào)整螺母的建模過程進行詳細介紹3.3.1軸承調(diào)整螺母鎖片建模下面就以軸承調(diào)整螺母鎖片建模過程來說明本次設計的建模過程。在UGNX4.0中建模過程，首先進入start－Modeling，選擇進行草圖的繪制，依據(jù)二維圖形要設計要求，在此繪制軸承調(diào)整螺母墊片圖形。建立基準平面YC-XC，在此平面上繪制二維圖形：圖3.5繪制二維平面圖完成二維圖形繪制之后，點擊鼠標右鍵彈出以下圖形：圖3.6二維圖確認此時選擇finishSketch結束二維圖形繪制，進行下一步拉伸實體。選擇命令，此時會彈出以下界面，給定拉伸的深度值圖3.7拉伸菜單圖3.8拉伸實體接下來還是在中選擇建立基準平面，選擇粉色的區(qū)域也是剛建好的實體的一個邊，也是下一個實體的基準平面。圖3.9建立基準平面在此基準平面上繪制如圖所示的二維圖形圖3.10繪制二維圖形拉伸實體得到下圖所示：圖3.11拉伸三維實體當所有的結構完成之后，開始對一些需要倒圓角的棱進行倒圓角。在此需要注意的是，我們所要倒的圓角是由二維圖形而來。具體的指令是EdgeBlend，彈出如下所示的菜單，需要注意的是首先選擇需要倒圓角的邊、線、棱或是面，之后在對話框中輸入倒圓角半徑值5mm，最終得到需要的三維圖形：圖3.12實體倒圓角3.3.2軸承調(diào)整螺母建模軸承調(diào)整螺母的建模主要是使用陣列命令，大的還面建好之后，建立一個滾道之后按照二維圖紙要求，環(huán)形陣列得到所要求的圖形。首先，建立基準平面。輸入insert,選擇zc－xc選擇sketch進入設置界面進行平面的創(chuàng)建（可以選擇當前建好基準平面，也可以自建一個繪制平面）。在平面上建立一草圖，草圖建立完畢之后點擊Extrude命令對二維草圖進行拉伸，輸入拉伸的深度11mm，此時出現(xiàn)實體，如圖3.13所示圖3.13拉伸后的齒圈外形之后再繪制滾道。選擇zc－xc基準面，進入Datum/Point選項中的DatumAxsi命令，然后建立基準軸，因為在環(huán)形陣列中，需要基準軸來確定旋轉中心，為以后的環(huán)形陣列所用。效果如圖3.14所示圖3.14基準軸的建立然后再齒圈面上繪制一個滾道外形草圖，將其拉伸后得到圖3.15圖3.15拉伸后的帶有一個滾道的環(huán)形圖下面主要介紹陣列在本次建模中的應用。點擊，然后選擇mirrorarray（環(huán)形陣列），進行陣列的創(chuàng)建。再選擇需要陣列的實體如圖3.16，之后點擊ok進入?yún)?shù)設置界面，如圖3.17圖3.16陣列實體的選擇圖圖3.17陣列參數(shù)的設置選擇陣列的個數(shù)為12并將相鄰特征之間的夾角設定為30度，之后得到整個滾道圖形，如圖3.18所示圖3.18陣列后所得到的軌道實體圖整體的實體拉伸完畢之后，剩下的主要是對特征進行倒圓角。主要的命令為EdgeBlend,而倒斜角則使用命令Chamfer，之后得到如圖3.19的實體圖圖3.19倒角后的效果圖完成上述操作后，還要進行齒圈內(nèi)槽的建立。為了切除內(nèi)環(huán)一圈，必須先建立一個基準平面作為繪制二維圖形的基準。在基準面上建立圓環(huán)草圖（直徑設定為76mm）,之后對草圖進行拉伸，選擇Extrude選項，點擊草圖圖形后進行參數(shù)設置。如圖3.20所示。再選擇切除內(nèi)環(huán)，然后對邊界線倒圓角，得到所要的三維實體，如圖3.21所示圖3.20參數(shù)設置界面圖3.21拉伸后的效果圖完成上述所有操作后最終得到的軸承調(diào)整螺母的實體圖。如圖3.22所示圖3.22軸承調(diào)整螺母3.4差速器的裝配在UG（NX4）中裝配零件，首先要定義坐標原點。一般的做法是定義世界座標系為裝配原點。這樣是為了增加裝配的方便性，使得零件的裝配過程順利完成?？偟难b配圖如下圖3.34所示：圖3.34后橋差速器總裝圖首先選擇第一個零件，在選擇工具中的start-assembiles進入裝配。導入要裝配的零件，在此導入已經(jīng)建立好的零件。圖3.35零件導入過程圖3.36零件導入過程中原點選擇圖3.37第一個零件的導入選擇第二個建立好的零件點擊進行添加，然后以配對約束將其圓柱面與圓柱面進行約束，再以距離約束加以配合達到裝配要求，其裝配效果如下圖3.38所示。圖3.38第二個零件的導入由于零件裝配的特殊性，軸兩邊的錐齒輪完全相同。所以在此，我們可以通過鏡像零件，選擇命令執(zhí)行徑向裝配。如下圖3.39所示圖3.39鏡像裝配為了裝配的順利，一般的選擇裝配順序比較重要。所以在裝配之前要確定裝配的順序。以便后續(xù)的裝配合理得當。下布的裝配選擇于追齒輪嚙合的后橋半軸齒輪。裝配如圖3.40所示圖3.40后橋半軸齒輪的裝配由于零件裝配的特殊性，軸兩邊的錐齒輪完全相同。所以在此，我們可以通過鏡像零件，選擇命令執(zhí)行徑向裝配。如下圖3.41所示圖3.41后橋半軸齒輪鏡像裝配以下幾個零件的裝配操作過程都與上述一致，在此不一一詳述后橋差速器殼(左)的裝配，如下圖3.42所示圖3.42后橋差速器殼裝配（左）后橋差速器殼(右)的裝配，如下圖3.43所示圖3.43后橋差速器殼裝配（右）軸承調(diào)整螺母的裝配，如下圖3.44所示圖3.44軸承調(diào)整螺母的裝配后橋差速器軸承蓋的裝配，如下圖3.45所示圖3.45后橋差速器軸承蓋的裝配最后鏡像所得到整個裝配如圖3.46所示圖3.46后橋差速器總裝圖4差速器的有限元分析4.1有限元概述有限元法是最近二三十年發(fā)展起來的一種有效的通用計算方法，它既包括有數(shù)學理論、又包括有程序設計技巧。這種方法首先在固體力學范疇，而后在工程技術各個領域中得到了廣泛的應用。眾所周知，從數(shù)學角度來看，一個工程問題往往可以用一個偏微分方程來描述，但是常常很難求得精確的解析解。50年代開始，隨著電子計算機的配合，使得以前這類難以處理的工程技術問題都可獲得一個近似的計算機解?，F(xiàn)在，有限元法已經(jīng)被公認是一種有效的數(shù)值計算方法，被廣泛應用于固體力學、流體力學、熱傳導以及電磁學等連續(xù)介質(zhì)或場問題這類工程技術領域。在機械設計中，從齒輪、軸、軸承等通用零部件到機床、汽車、飛機等復雜結構件的應力和變形分析（包括熱應力和熱變形分析），采用有限元法計算，都可以獲得一個足夠精確的近似值來滿足工程上的要求。由于人類的認識能力有限，不可能直接分析許多很復雜的東西。因此，把復雜的系統(tǒng)分解成特性容易了解的單個元件或單元，研究其特性，就可以再將這些元件重建原來的系統(tǒng)以得到其整體特性。4.2有限元分析計算的大致步驟先將某個某個結構連續(xù)的系統(tǒng)分割為有限個單元組成的計算模型，這一步稱作單元剖分，也叫離散。離散后單元與單元之間只在數(shù)目有限的指定點（稱為節(jié)點）連接起來，這樣便構成一個單元集合體來代替原來的連續(xù)系統(tǒng)。然后，在節(jié)點上引進等效載荷（或邊界條件），代替實際作用于系統(tǒng)上的外載荷（或邊界條件）。關于單元節(jié)點的設置、性質(zhì)、數(shù)目等應視問題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計算精度而定（一般情況單元劃分越細則描述變形情況越精確，即越接近實際變形，但計算量越大）。實際上有限元中分析的結構已不是原有的物體或結構物，而是同新材料的由眾多單元以一定方式連接成的離散物體。這樣，用有限元分析計算所獲得的結果只是近似的，但如果劃分單元數(shù)目非常多而又合理，則所獲得的結果就基本與實際情況相符合。然后對于單元特性進行分析。根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關系式，這是單元分析中的關鍵一步。此時需要應用彈性力學中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導出單元剛度矩陣，這是有限元法的基本步驟之一。物體離散化后，假定力是通過節(jié)點從一個單元傳遞到另一個單元；但是對于實際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊傳遞到另一個單元中去的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要等效的移到節(jié)點上去，也就是用等效的節(jié)點力來代替所有作用在單元上得力。根據(jù)對每個單元分塊近似的思想，按一定的規(guī)則（由力學關系或選擇一個簡單的函數(shù)），可以建立求解未知量與節(jié)點相互作用之間的關系（如：力——位移、熱量——溫度、電壓——電流等）。以力——位移為例：在有限單元法中，選擇節(jié)點位移作為未知量（稱為位移法），也可選擇節(jié)點力作為基本未知量（稱為求力法），還可取一部分節(jié)點力和一部分節(jié)點位移作為基本未知量時（稱為混合法）。其中位移法較易于實現(xiàn)計算自動化，所以在有限單元法中位移法應用范圍最廣。當采用位移法時，系統(tǒng)離散化之后，就可把單元總的一些物理量如位移，應變和應力等由節(jié)點位移來表示。這時可以對單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，就可得到將位移表示為坐標變量的簡單函數(shù)。最后利用結構力的平衡條件和邊界條件把各個單元按原來的結構重新連接起來，形成整體的有限元方程式。求解未知節(jié)點位移解有限元方程式得出位移，可以根據(jù)方程組的具體特點來選擇合適的計算方法。4.3半軸齒輪的有限元分析差速器的最大計算應力載荷 =4354.96N·m從上面的計算得知：差速器一個行星齒輪給予一個半軸齒輪的轉矩T==653.24N·m。圓錐齒輪受力簡圖如下（圖4.1）圖4.1圓錐齒輪受力簡圖直齒錐齒輪齒面上所受的法向載荷通常都視為集中作用在平均分度圓上，即在齒寬中點的法向截面N-N內(nèi)。將分解為切于分度圓錐面的周向分力（圓周力）、徑向分力及軸向分力，則：=……………………（4.1）=…………………（4.2）=…………………（4.3）根據(jù)以上所得數(shù)據(jù)代入上述三式，得：=15365N，=5619N，=750N。根據(jù)以上數(shù)據(jù)開始進行有限元分析。第一步，打開半軸齒輪模型的CATIA文件并從中打開hqbcl.stp文件。第二步，定義材料性能參數(shù)。選擇STEEL作為半軸齒輪的材料，進入屬性里面的分析模塊，因為材料的密度為7.9g/cm^3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.27，屈服強度這里為1.08e+0.09N_m2（1080MPa）。圖4.2材料定義圖第三步，建立約束：進入工具條中的CLAMP（邊界條件）選項,選擇實體中的約束。對于半軸齒輪來說，先將齒輪背部約束，然后再將其中間花鍵處進行約束，如圖4.3和圖4.4所示圖4.3約束示意圖圖4.4約束示意圖第四步：施加載荷進入Distributedforce選項，作用在齒面上，選Global，一次在xyz欄里填入作用力，如圖4.5加載作用力。加載完畢點確定結束。圖4.5添加載荷示意圖第五步模塊分析和察看結果點擊圖標“計算”，直接進入半軸齒輪分析。之后點擊進入“結果”就能直接看到計算機自動生成的應力圖。圖4.6半軸齒輪應力分布示意圖通過對于材料工程手冊可以得到為20CrMnTi的極限應力（屈服極限）為1080MPa，安全系數(shù)取1.5左右，得到許用應力720MPa。根據(jù)應力圖4.6，得出最大的應力556MPa，即材料的最大應力小于其許用應力，滿足強度條件。5結論本次畢業(yè)設計過程中，主要做了三個核心工作：差速器參數(shù)的計算、對各零部件的建模和虛擬裝配、對差速器半軸齒輪的強度分析。（1）通過給定的一些差速器的參數(shù)的要求，然后通過查閱機械設計手冊進行了一系列嚴格的計算，最后確定設計的參數(shù)標準化。（2）裝配過程中以差速器的實際裝配過程為順序進項虛擬裝配。由于建模過程中對各零部件的尺寸繪制都十分精確，所以裝配過程比較順利，裝配效果也很好，沒有裝不上或出現(xiàn)虛裝配等情況。（3）使用CATIA有限元模塊對差速器半軸齒輪的強度進行分析，得出最大應力，并在最大應力的許用范圍內(nèi)，說明其強度都是足夠的，符合載荷要求的。在這次的畢業(yè)設計中，完成了差速器參數(shù)的計算，使用UG軟件完成了差速器所有零件的數(shù)字模型，順利地進行了虛擬裝配。并通過CATIA軟件對差速器受力零件進行有限元分析，說明是符合實際應用要求的，這些計算和設計也都是正確、可行的。參考文獻[1]胡寧.現(xiàn)代汽車底盤構造[M].上海：上海交通大學出版社,2003.[2]陳家瑞.汽車構造（第四版）下冊[M].北京：人民交通出版社,2002.[3]王望予.汽車設計（第四版）[M].北京：機械工業(yè)出版社,2004.[4]劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社,2001.[5]劉惟信.機械可靠性設計[M].北京：清華大學出版社,1996.[6]張永茂,馬衛(wèi)東.AutoCAD2005實戰(zhàn)指導[M].中國鐵道出版社,2004.[7]朱凱,李曉武.UGNX中文版機械設計基礎教程[M].北京：人民郵電出版社,2006.[8]趙波,龔勉,屠建中.UGCAD實用教程(NX2.0版)[M].北京：清華大學出版社,2004.[9]劉哲義,何明輝.專用汽車設計[M].武漢：武漢工業(yè)大學出版社,1994.[10]徐達,蔣崇賢.專用汽車結構與設計[M].北京：北京理工大學出版社,1998.[11]盛伯浩,陳宗舜.機械產(chǎn)品設計與CAD技術[M].北京：清華大學出版社,2005.[12]于長吉,于學兵.重型汽車結構現(xiàn)代設計[M].大連：大連理工大學出版社,1997.[13]王樹華.英漢汽車工程技術大辭典[M].北京：科學技術文獻出版社,1999.[14]吳宗澤.機械設計師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社,2004.[15]王文彬.機械設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社,2004.[16]余志生.汽車理論（第三版）[M].北京：機械工業(yè)出版社,2000.[17]孟少農(nóng).汽車設計方法論[M].北京：機械工業(yè)出版社,1992.[18]汽車工程手冊編輯委員會.汽車工程手冊（設計篇）[M].北京：人民交通出版社,2001.[19]中國機械工程學會.中國機械設計大典[M].江西：江西科學技術出版社，2002.[20]楊滔,張晶,路遙.AutoCAD2005中文版應用教程[M].北京：北京工業(yè)出版社出版,2005.[21]朱張校.工程材料[M].北京：清華大學出版社,2001.[22]Heisler.heniz.ADVANCEDVEHILETECHNOLOGY[M].England:oxford,2002.致謝為期一個學期的畢業(yè)論文已經(jīng)臨近尾聲?；貞浧疬@一學期的論文工作不禁感慨萬千。從學習初期的課程選擇到論文的完成，都離不開李俊鵬老師認真、嚴謹、耐心地指教。同時他淵博的知識，嚴謹治學的工作態(tài)度，平易近人的處事態(tài)度，都是我學習的楷模。此外，在生活上李老師同樣給予了我莫大的關心，使我能順利的完成學業(yè)。僅此我向所有老師表示由衷的感謝！本次的論文工作中也得到了許多同學的熱情指導和許多支持，在此也向他們表示由衷的感謝。最后也要感謝我的父母，是他們無微不至的關懷和幫助才能使我順利的完成本次畢業(yè)論文工作。譯文汽車差速器的小齒輪軸失效的鑒別分析H.BayrakcekenAfyonkocatepe大學、技術教育學院、03200Afyon,土耳其2005年7月8日收到;2005年7月14日接受2005年9月2日在網(wǎng)上公布摘要差速器是用來降低車速，并在轉向時通過引擎來增加傳輸，它使車輪按合適的角速度旋轉,并規(guī)定汽車內(nèi)外輪的轉速不同，小齒輪和軸在入口處作為一個單一的加工好的部分然而它們也會因為不同的車型而有著不同的形式。和齒輪一起運作的從動錐齒輪會在裝配前磨合好。如果發(fā)生故障，他們會一起改變。一般來說,這些系統(tǒng)有害于齒輪的磨損。這項研究已先后考察了齒輪軸斷裂和損壞的幾種形式.在這項研究中，將會對差速器的小齒輪軸的失效進行分析和鑒別。其中機械特性的材料,將是第一位的。屆時,其化學成分和微觀結構也會被確定和研究。一些金屬斷面的顯微鏡觀察結果也會被用來解決差速器齒輪破損斷裂條件的研究。2005Elsevier有限公司版權所有.關鍵詞：差速器斷裂能量轉換齒輪軸引言最終傳動齒輪可能會直接或間接地被輸出齒輪傳動軸所帶動。開車時使用直接驅(qū)動引擎和傳輸系統(tǒng)結合在一起，形成一個整體。最終驅(qū)動傳動軸采用間接裝配的形式,要么被裝配在車體，采用輕量化結構或者被接入車后方軸套管。最終傳動齒輪采用的傳輸系統(tǒng)有以下原因：從變速箱接續(xù)驅(qū)動或者螺旋槳軸轉動90度。提供一個永久性減少齒輪之間的發(fā)動機驅(qū)動和道路車輪。在汽車中，差速器是很重要的一部分，它被用來從引擎中傳送一部分運動到車輪。在平穩(wěn)的道路,兩個車輪轉速都很平均。在沒有側向滑移的正常轉向情況下，內(nèi)輪的轉向距離相比外輪要來得小一些。被裝配在后橋中部的差速器由小齒輪，從動錐齒輪，差速箱，兩個輪軸齒輪和兩個小行星輪齒輪組成。一個差速器的示意插圖已經(jīng)在圖1中給出。一個斷裂的小齒輪技術圖也在圖2中給出。圖3給出了一個小齒輪軸的斷裂圖和破損部位。在差速器中，從動錐齒輪和齒輪軸在一樣的數(shù)據(jù)給定的情況下它們在生產(chǎn)過程中被制造成互相捏合的。一旦發(fā)生問題它們兩者都會被改變。在那種系統(tǒng)下，共同的損傷就是齒輪的磨損。在這項研究中，一輛小面包車里的差速器小齒輪將會被分析與研究。這輛車是柴油動力,滿載時可容納15人。最大發(fā)動機功率是90/4000HP/rpm，最大扭矩是205/1600Nm/rpm。他的變速器箱是手動系統(tǒng)。造成的損害是由于在交通燈那里的汽車的突然起動和突然減速停止所造成的。在這個差速器里，用來裝載小齒輪軸的入口軸破損了。各個的研究被用來計算這次小齒輪軸破損的類型和破損的原因。他們分別是1研究以及確定軸的材料。2研究以及確定軸內(nèi)部的微結構。3研究軸相關的斷裂層。圖4是一張近距離照片顯示了表面的裂縫和斷裂區(qū)。斷裂是由面中間的一個圓狀標記齒輪所造成的。主動錐齒輪半軸齒輪行星齒輪十字軸從動錐齒輪半軸主動錐齒輪半軸齒輪行星齒輪十字軸從動錐齒輪半軸圖1差速器的示意圖圖2斷裂的小齒輪示意圖破損的區(qū)域破損的區(qū)域圖3小齒輪軸的斷裂和破損圖斷裂區(qū)域裂縫區(qū)域斷裂區(qū)域裂縫區(qū)域圖4表面近距離的裂縫和斷裂圖bayrakceken/工程失效分析13(2006)1422至1428年2.實驗程序樣本中提取的軸經(jīng)過很多的測試，包括硬度測試，冶金相學測試，電子顯微鏡掃描還有化學成分的測試。所有的測試都是在室溫下進行的。2.1化學和冶金分析斷裂的差速器材料的化學分析使用分光計來進行的?；瘜W成分材料在表1中會給出?；瘜W成分顯示材料是低合金滲碳鋼的AISI8620型。這種鋼的淬透度很低，因為它的含碳量很低。因此，它的表面變得很硬并且具有很高的持久性，內(nèi)部區(qū)域也變得很堅韌由于碳比例的增加，并且和表面區(qū)域所膠結。這種鋼被普遍用于機械部件的扭轉和彎曲。高電阻得到了表面的疲勞和抗性加高，可與壓縮殘余應力使表面強硬。其中合金元素散發(fā)出來的化合物主要取決于碳鋼、硬質(zhì)合金形成中每個元素的傾向性。鎳溶化在鋼的鐵氧體里因為它在形式上相比于鐵更接近于碳化物。硅在一定的程度時與氧氣結合稱為目前的非鋼金屬夾雜，否則就溶化在鐵氧體里。加上大部分的錳碳鋼溶化在鐵氧體硬質(zhì)合金之間間隔期，分配數(shù)額取決于鉻碳和其他強碳化物目前所形成的礦元素如鈦。如果有足夠的碳成分，如果其他更強的碳化物組成的元素如鈦沒有的話，鎢與碳結合將形成碳化物。鎳在低溫時會鍍在錳的表面。一些破損差速器所用的材料的微觀結構初步審查在圖5中有顯示。因此可見一些材料有混合體結構，由于長時間的冷卻過程和高硅含量現(xiàn)象會有一些鐵氧體存在。高硅含量很大程度上的提高了這種鋼熱處理以及易感性。表1小齒輪材料的化學分析FeCSiMnPSCrMoNi96.920.2350.2520.7860.0440.0160.4810.1510.517無碳區(qū)域帶有碳的過渡邊界區(qū)域帶碳的區(qū)域無碳區(qū)域帶有碳的過渡邊界區(qū)域帶碳的區(qū)域圖5一些破損的差速器所用材料的微觀結構改進屈服強度和最大應力沒有延性降低。如果微觀結構沒有經(jīng)過馬氏體淬火，那么疲勞極限就能夠很輕易得觀察到。有些碳的區(qū)域被列入圖5a中。也有些碳的過渡邊界在圖5b中，圖5c中則是無碳的區(qū)域。這種狀況可以從馬氏體中理解出來。2.2硬度測試硬度測試是由一臺METTEST-HT型一體化硬度測試電腦來進行的。負載是1471N.它內(nèi)部的中等硬度值保持在43HRC。由于表面積的硬化碳，所以微硬度測試已經(jīng)被用來確定沿截面的硬度值。表格2說明了維氏硬度測試的結果低于4903n.2.3斷裂的觀察斷裂表面的直接觀察和掃描分析將在這段中給出。由于一個底部缺口的裂縫問題將會使軸完全損壞。裂紋從外層部分開始，過了一段時間它會延伸到當中的部分，然后僅會有一部分區(qū)域沒有裂紋。這塊區(qū)域也會因為在交通燈那里的汽車的突然啟動而也遭到損壞。作為一個疲勞斷裂的特點，將會有兩個區(qū)域在這個斷裂表面上。光滑的表面會產(chǎn)生很明顯的裂紋，而粗糙的表面則會輕易地斷裂。在圖4中，你將會很清楚的看到這兩個區(qū)域的所有問題。裂紋區(qū)域覆蓋了80%的斷面。表2微型硬度值距離中心表面的距離50100200400中心壓力值588410293286263圖6裂紋區(qū)域內(nèi)部結構圖7材料中疲勞裂紋的痕跡軸在彎曲的影響下運作，扭力和軸向力將會不停的依靠在這個部位上。有一個明顯的齒根過渡曲面在斷裂部位。因為這個，所以該區(qū)域的應力集中因素就能夠確定。把這些區(qū)域暴露在結合負載很具有研究價值。這些觀察和分析表明，這片是由于在扭力的低應力和中等各種應力集中的影響下破損的。掃描電子顯微鏡表明這些斷裂以一種延展性的方式發(fā)生。圖6有一些剪切的斜嵌件薄端在裂紋區(qū)域，這也是一種塑膠剪切變形。圖7表明了一些疲勞裂紋的痕跡。任何兩條裂紋線的距離接近133納米。3．結論失效的差速器齒輪軸研究分析。這個齒輪軸是由AISI低碳滲透鋼制成，它通過了碳化，淬火，還有高溫的熱處理工藝。其機械性能、微觀結構特性、化學成分以及部件的一系列原因都可能形成斷裂。作為結論,可以得出以下聲明:1）斷裂常常發(fā)生在一些區(qū)域，而那些區(qū)域往往高應力集中，而且扭力和軸向應力有高度的可逆性質(zhì)。2）斷裂的裂縫大多數(shù)發(fā)生在一些關鍵位置上的材料缺陷上。3）斷裂以一種延展性方式發(fā)生。以后通過減少關鍵位置的集中應力很可能也能很輕易地避免這些失敗。鳴謝感謝S.Tasgetiren教授在研究中給予的咨詢和建議參考資料[1]HeislerH.Vehicleandenginet