畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
設(shè)計(jì)(論文)題目：汽車主減速器及差速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析
學(xué)生姓名：
二級(jí)學(xué)院：
班 級(jí)：
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目錄
目 錄
摘 要 II
Abstract III
1 緒 論 1
2 數(shù)控加工動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)綜述 2
2.1 數(shù)控加工動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的定義及其重要性 2
2.2 數(shù)控加工動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的研究重點(diǎn) 2
2.3 數(shù)控加工動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的研究狀況 2
3 一種可用于仿真系統(tǒng)開發(fā)的平臺(tái)——ACIS 3
3.1 ACIS概述 3
3.2 ACIS的功能及其在仿真系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用 3
4 其他方面 4
5 結(jié) 論 5
參考文獻(xiàn) 6
附 錄 7
致 謝 8
III
摘要
汽車主減速器及差速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析
摘 要
本文首先對(duì)汽車主減速器及差速器得工作原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹；其次并通過對(duì)汽車主要參數(shù)的分析與計(jì)算設(shè)計(jì)出主減速器及差速器，運(yùn)用三維軟件對(duì)主要零部件進(jìn)行建模以及對(duì)零件進(jìn)行裝配，完成裝配后，對(duì)主減速器及差速器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真；并且通過有限元軟件對(duì)建模后的相關(guān)部件進(jìn)行應(yīng)力分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行一些改進(jìn)或優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：主減速器；差速器；設(shè)計(jì)；建模；分析
Abstract
The structure design and strength analysis of automotive main reducer and differential
Abstract
First, the working principle and structure of automotive main reducer and differential are introduced in this paper. Then after the analysis and calculation of the automotive main reducer and differential, to use 3D software to make 3D model of main components of automotive main reducer and differential and compose them, there is going to realize movement simulation after finishing the composing. Finally, making stress analysis of relevant components by finite element software, besides, making some improvements and optimizing according to the results.
Key words: Main reducer; Differential; Design; Modeling; Analysis
第1章 緒論
1 緒 論
1.1 課題研究背景
汽車問世百余年，特別是從汽車產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)及汽車工業(yè)的打發(fā)展以來(lái)，汽車已經(jīng)對(duì)世界經(jīng)濟(jì)打發(fā)展和人類進(jìn)入現(xiàn)代生活產(chǎn)生了無(wú)法估量的巨大影響，為人類社會(huì)的進(jìn)步作出了不可磨滅的巨大貢獻(xiàn)。目前我國(guó)的車用減速器開發(fā)設(shè)計(jì)不論在技術(shù)上、制造工藝上，還是在成本控制上都存在不小的差距，尤其是齒輪制造技術(shù)缺乏獨(dú)立開發(fā)與創(chuàng)新能力，技術(shù)手段落后(國(guó)外己實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程化、電算化。目前比較突出的問題是，行業(yè)整體新產(chǎn)品開發(fā)能力弱、工藝創(chuàng)新及管理水平低，企業(yè)管理方式較為粗放，相當(dāng)比例的產(chǎn)品仍為中低檔次，缺乏有國(guó)際影響力的產(chǎn)品品牌，行業(yè)整體散亂情況依然嚴(yán)重。
目前國(guó)內(nèi)汽車的差速器產(chǎn)品的技術(shù)基本源自美國(guó)、德國(guó)、日本等幾個(gè)傳統(tǒng)的工業(yè)國(guó)家，我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)基本上是引進(jìn)國(guó)外的基礎(chǔ)上發(fā)展的，而且已經(jīng)有了一定的規(guī)模。但是目前我國(guó)的差速器沒有自己的核心技術(shù)產(chǎn)品，自主開發(fā)能力仍然很弱，影響了整車新車的開發(fā)。在差速器的技術(shù)開發(fā)上還有很長(zhǎng)的路要走。
當(dāng)前汽車在朝著經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的方向發(fā)展，如何能夠使自己的產(chǎn)品燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性盡可能提高是每個(gè)汽車廠家都在做的事情，當(dāng)然這是一個(gè)廣泛的概念，汽車的每一個(gè)部件都在發(fā)生著變化。主減速器及差速器也不例外，尤其是那些對(duì)操控性有較高需求的車輛。因此，目前，上汽集團(tuán)、東風(fēng)、一汽、北汽等各大汽車集團(tuán)正在開展合作項(xiàng)目，希望早日實(shí)與世界先進(jìn)技術(shù)的接軌，爭(zhēng)取設(shè)計(jì)開發(fā)的新突破。
1.2課題研究目的及意義
汽車主減速器及差速器的設(shè)計(jì)涉及到的機(jī)械零部件的品種極為廣泛，對(duì)這些零部件及總成的制造也幾乎要涉及到所有的現(xiàn)代機(jī)械制造工藝。因此，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)將通過對(duì)汽車主減速器及差速器的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)實(shí)踐、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、主要零部件強(qiáng)度的計(jì)算分析和有限元分析等內(nèi)容，可以更好地學(xué)習(xí)并掌握現(xiàn)代汽車零部件設(shè)計(jì)與計(jì)算分析的相關(guān)知識(shí)和技能，
通過對(duì)汽車主減速器及差速器的設(shè)計(jì)與計(jì)算，使我對(duì)綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)有了更好的認(rèn)識(shí)和鞏固，培養(yǎng)了我對(duì)汽車設(shè)計(jì)的基本技能研究和處理問題的能力，為將來(lái)踏入汽車行業(yè)奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。
汽車主減速器及差速器是汽車傳動(dòng)中的最重要的部件之一。它能夠?qū)⑷f(wàn)向傳動(dòng)裝置產(chǎn)來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩傳給驅(qū)動(dòng)車輪，以實(shí)現(xiàn)降速增扭。主減速器及差速器對(duì)提高汽車行駛平穩(wěn)性和其通過性有著獨(dú)特的作用，是汽車設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。
1.3 課題研究?jī)?nèi)容
本畢業(yè)設(shè)計(jì)所研究的對(duì)象是轎車，則主要研究?jī)?nèi)容如下：
轎車主減速器、差速器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法；轎車主減速器、差速器設(shè)計(jì)三維建模及二維工程圖；相關(guān)軸及齒輪等設(shè)計(jì)分析；轎車主減速器、差速器設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)分析以及了解Creo的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。本次課題主要通過對(duì)念轎車主要?jiǎng)恿?shù)得分析計(jì)算，得出其主減速器與差速器的主要參數(shù)，通過Creo軟件實(shí)現(xiàn)主減速器與差速器的三維實(shí)體建模，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并通過ANSYS軟件對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。
1.4 研究對(duì)象主要參數(shù)
本畢業(yè)設(shè)計(jì)研究對(duì)象是轎車，主要參數(shù)如下表：
表1.1 某款轎車主要參數(shù)
主要參數(shù)
數(shù)值
總質(zhì)量
1980
最高車速（km/h）
220
最大功率（kw／rpm ）
118/6000
最大扭距（N·m／rpm）
250/4000
前軸軸荷（滿載/空載）
1000/930
后軸軸荷（滿載/空載）
980/620
變速器一擋傳動(dòng)比
3.46
變速器二擋傳動(dòng)比
1.94
變速器三擋傳動(dòng)比
1.29
變速器四擋傳動(dòng)比
0.99
變速器五擋傳動(dòng)比
0.80
最小離地間隙（mm）
115
車輪半徑（mm）
327
33
第2章 汽車主減速器的設(shè)計(jì)
2 汽車主減速器的設(shè)計(jì)
2.1 汽車主減速器概述
汽車主減速器及差速器是驅(qū)動(dòng)橋最重要的組成部分，它是依靠齒數(shù)少的錐齒輪或斜齒圓柱齒輪帶動(dòng)齒數(shù)多的錐齒輪或斜齒圓柱齒輪。其功用是將萬(wàn)向傳動(dòng)裝置傳來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞給驅(qū)動(dòng)車輪，是汽車傳動(dòng)系中減小轉(zhuǎn)速、增大扭矩的主要部件?？梢允怪鳒p速器前面的傳動(dòng)部件，如變速箱、分動(dòng)器、萬(wàn)向傳動(dòng)裝置等傳遞的扭矩減小，同時(shí)也能減小變速箱的尺寸和質(zhì)量，操作靈敏省力。
驅(qū)動(dòng)橋中主減速器、差速器設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下基本要求：
a）所選擇的主減速比應(yīng)能保證汽車既有最佳的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。
b）外型尺寸要小，保證有必要的離地間隙；齒輪其它傳動(dòng)件工作平穩(wěn)，噪音小。
c）在各種轉(zhuǎn)速和載荷下具有高的傳動(dòng)效率；與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與動(dòng)協(xié)調(diào)。
d）在保證足夠的強(qiáng)度、剛度條件下，應(yīng)力求質(zhì)量小，以改善汽車平順性。
e）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工工藝性好，制造容易，拆裝、調(diào)整方便。
2.2汽車主減速器的工作原理
主減速器是由主減速器主動(dòng)齒輪、主減速器從動(dòng)齒輪、軸承與外殼組成。如圖2.1。
主動(dòng)螺旋錐齒輪
圖2.1主減速器結(jié)構(gòu)圖
主減速器是在傳動(dòng)系中起降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩作用的主要部件，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)還具有改變轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)方向的作用。它是依靠齒數(shù)少的齒輪帶齒數(shù)多的齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)減速的，采用圓錐齒輪傳動(dòng)則可以改變轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)方向。將主減速器布置在動(dòng)力向驅(qū)動(dòng)輪分流之前的位置，有利于減小其前面的傳動(dòng)部件（如離合器、變速器、傳動(dòng)軸等）所傳遞的轉(zhuǎn)矩，從而減小這些部件的尺寸和質(zhì)量。
2.3轎車主減速器結(jié)構(gòu)方案分析
主減速器的結(jié)構(gòu)形式主要是根據(jù)齒輪類型、減速形式的不同而不同。
（1）螺旋錐齒輪傳動(dòng)
圖2.2 螺旋錐齒輪傳動(dòng)
按齒輪副結(jié)構(gòu)型式分，主減速器的齒輪傳動(dòng)主要有螺旋錐齒輪式傳動(dòng)、雙曲面齒輪式傳動(dòng)、圓柱齒輪式傳動(dòng)（又可分為軸線固定式齒輪傳動(dòng)和軸線旋轉(zhuǎn)式齒輪傳動(dòng)即行星齒輪式傳動(dòng)）和蝸桿蝸輪式傳動(dòng)等形式。
在發(fā)動(dòng)機(jī)橫置的汽車驅(qū)動(dòng)橋上，主減速器往往采用簡(jiǎn)單的斜齒圓柱齒輪；在發(fā)動(dòng)機(jī)縱置的汽車驅(qū)動(dòng)橋上，主減速器往往采用圓錐齒輪式傳動(dòng)或準(zhǔn)雙曲面齒輪式傳動(dòng)。
而本畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究對(duì)象是一款發(fā)動(dòng)機(jī)縱置的轎車，整車重量較小，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率不大。主減速器的齒輪選用的螺旋錐齒齒輪形式（如圖2.2所示）。其特點(diǎn)是主、從動(dòng)齒輪的軸線垂直交于一點(diǎn)。由于輪齒端面重疊的影響，至少有兩個(gè)以上的輪齒同時(shí)嚙合，因此可以承受較大的負(fù)荷，加之其輪齒不是在齒的全長(zhǎng)上同時(shí)嚙合，而是逐漸有齒的一端連續(xù)而平穩(wěn)的地轉(zhuǎn)向另一端，所以工作平穩(wěn)，噪聲和振動(dòng)小。而弧齒錐齒輪還存在一些缺點(diǎn)，比如對(duì)嚙合精度比較敏感，齒輪副的錐頂稍有不吻合就會(huì)使工作條件急劇變壞，并加劇齒輪的磨損和使噪聲增大。
（2） 結(jié)構(gòu)形式
為了滿足不同的使用要求，主減速器的結(jié)構(gòu)形式也是不同的。
為適應(yīng)不同車型和使用要求，主減速器有多種結(jié)構(gòu)形式。按照主減速器所具有的齒輪副的數(shù)目可以分為單級(jí)主減速器（有一對(duì)齒輪副）和雙級(jí)主減速器（有兩對(duì)齒輪副）。由于單級(jí)式主減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量小，造價(jià)低，使用方便。但主傳動(dòng)比不能太大，一般不大于7.0。若進(jìn)一步提高將會(huì)增大從動(dòng)齒輪直徑，從而減小離地間隙（降低通過性），并會(huì)使從動(dòng)齒輪熱處理復(fù)雜化。而這次設(shè)計(jì)的為轎車，主傳動(dòng)比一般為3~4.5。
2.4主減速器主、從動(dòng)錐齒輪的支承方案
主減速器必須保證主、從齒輪有良好的嚙合狀況，才能使它們很好的工作。齒輪的正確嚙合，除與齒輪的加工質(zhì)量、齒輪的裝配調(diào)整及軸承、主減速器殼體的剛度有關(guān)以外，還與齒輪的支承剛度有關(guān)。主減速器主動(dòng)齒輪的支承型式及安置方法，對(duì)其支承剛度影響很大，是齒輪能否正確嚙合并具有較高使用壽命的重要因素之一
1．主動(dòng)錐齒輪的支承
主動(dòng)錐齒輪的支承形式可分為懸臂式支承和跨置式支承兩種，如圖2.3所示。
（a）懸臂式支承 （b）跨置式支承
圖2.3 主減速器錐齒輪的支承形式
懸臂式支承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在錐齒輪大端一側(cè)有較長(zhǎng)的軸，并在其安裝一對(duì)圓錐滾子軸承。為了減小懸臂長(zhǎng)度a和增加兩支承間的距離b，以改善支承剛度，應(yīng)使兩軸承圓錐滾子的大端朝外，使作用在齒輪上離開錐頂?shù)妮S向力由靠近齒輪的軸承承受，而反向軸向力則由另一軸承承受。懸臂式支承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但支承剛度較差，用于傳遞較小轉(zhuǎn)矩的主減速器上。
跨置式支承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在錐齒輪兩端的軸上均有軸承，這樣能大大增加支承剛度，又使軸承負(fù)荷減小，嚙合條件改善，因此齒輪的承載能力高于懸臂式。此外，齒輪大端一側(cè)軸頸上的兩個(gè)相對(duì)安裝的圓錐滾子軸承之間的距離很小，可以縮短主動(dòng)齒輪軸的長(zhǎng)度，使得整個(gè)布置更為緊湊，更為合理，并可相對(duì)減小傳動(dòng)軸夾角，有利于整車的布置。但跨置式支承所需的軸承座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)加大制造加工成本。
而本設(shè)計(jì)所研究的對(duì)象傳遞轉(zhuǎn)矩不算大，綜合考慮，使用懸臂式比較合理。
2．從動(dòng)錐齒輪的支承
從動(dòng)錐齒輪的支承剛度與軸承的形式、支承間的距離及載荷在軸承之間的分布比例有關(guān)。從動(dòng)錐齒輪多用圓錐滾子軸承支承。為了增加支承剛度，兩軸承的圓錐滾子大端應(yīng)向內(nèi)，以減小整個(gè)作用長(zhǎng)度，更有利于其穩(wěn)定性位置的設(shè)置。
在具有大主動(dòng)傳動(dòng)比和徑向尺寸較大的從動(dòng)錐齒輪的主減速器中，為了限制從動(dòng)錐齒輪因受軸向力作用而產(chǎn)生偏移，在從動(dòng)錐齒輪的外緣背面加設(shè)輔助支承。輔助支承與從動(dòng)錐齒輪背面之間的間隙，應(yīng)保證當(dāng)偏移量達(dá)到允許極限，即與從動(dòng)錐齒輪背面接觸時(shí)，能夠制止從動(dòng)錐齒輪繼續(xù)偏移。
2.5 轎車主減速器基本參數(shù)選擇與計(jì)算
2.5.1 轎車主減速器傳動(dòng)比i0的確定
主減速器傳動(dòng)比的大小，對(duì)主減速器的結(jié)構(gòu)形式、輪廓尺寸及質(zhì)量的大小影響很大。一般情況下，主減速器比的選擇，應(yīng)在汽車總體設(shè)計(jì)時(shí)和傳動(dòng)系的總傳動(dòng)比（包括變速器、分動(dòng)器和加力器、驅(qū)動(dòng)橋等傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比）一起，由汽車的整車動(dòng)力計(jì)算來(lái)確定。
傳動(dòng)系的總傳動(dòng)比（包括主減速器傳動(dòng)比）對(duì)汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性有非常重大的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件也和汽車傳動(dòng)系的傳動(dòng)比（包括主減速器傳動(dòng)比）有關(guān)?？刹捎脙?yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)與傳動(dòng)系的傳動(dòng)比及主減速器傳動(dòng)比進(jìn)行最優(yōu)匹配。
對(duì)于具有很大功率儲(chǔ)備的轎車、客車、長(zhǎng)途公共汽車，尤其是對(duì)競(jìng)賽汽車來(lái)說，在給定發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率Pemax的情況下，所選擇的值應(yīng)能保證這些汽車有盡可能高的最高車速uamax，此時(shí)i0值應(yīng)按下式來(lái)確定：
=0.377=4.21
式中：r r——車輪滾動(dòng)半徑，rr=0.327m
np——發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)轉(zhuǎn)速，np=6000r/min
uamax——最高車速，uamax=220km/h
igh——變速器最高擋傳動(dòng)比，igh=ig5=0.8
iFH——分動(dòng)器或加力器最高擋傳動(dòng)比，iFH==1
iLB——輪邊減速器傳動(dòng)比，iLB=1
按上式求得的i0值應(yīng)于同類汽車的主減速器傳動(dòng)比相比較，并考慮到主、從動(dòng)主減速齒輪可能有的齒數(shù)，對(duì)i0值予以校正并最后確定下來(lái)。
2.5.2 主減速器計(jì)算載荷的確定
除了主減速器傳動(dòng)比i0及驅(qū)動(dòng)橋離地間隙外，另一項(xiàng)原始參數(shù)是主減速器齒輪的計(jì)算載荷。由于汽車行駛時(shí)傳動(dòng)系載荷的不穩(wěn)定性，因此要準(zhǔn)確地計(jì)算出主減速器齒輪的計(jì)算載荷是比較困難的。通常是將發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩配以傳動(dòng)系最低檔傳動(dòng)比時(shí)和驅(qū)動(dòng)車輪在良好路面上開始滑轉(zhuǎn)時(shí)這兩種情況下作用在主減速器從動(dòng)齒輪上的轉(zhuǎn)矩（Tce、Tcs）的較小者，作為汽車在強(qiáng)度計(jì)算中用以驗(yàn)算主減速器從動(dòng)齒輪最大應(yīng)力的計(jì)算載荷。
（1）按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和最低檔傳動(dòng)比確定從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tce
=
式中：
Tce——計(jì)算轉(zhuǎn)矩，單位
Kd——猛接離合器時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)載系數(shù)，對(duì)于一般的載貨汽車，礦用汽車和越野汽車以及液力傳動(dòng)及自動(dòng)變速器的各類汽車取 Kd=1.0，
Temax——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，Temax=250N·m
K——液力變矩器變矩系數(shù)，取K=1
i1——變速器一檔傳動(dòng)比，i1=3.46
if——分動(dòng)器傳動(dòng)比，if=i2=1.94
i0——主減速比，i0=4.21
η——發(fā)動(dòng)機(jī)到萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸之間的傳動(dòng)效率，取η=0.9
n——驅(qū)動(dòng)橋數(shù)，取n=1
n與if選取見下表。
表2.1 n與if選取表
車型
高檔傳動(dòng)比與抵擋傳動(dòng)比的關(guān)系
n
>/2
1
/2
2
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