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越野车轮边减速器设计越野车轮边减速器设计越野车轮边减速器设计越野车轮边减速器设计研究研究研究研究【【【【摘要摘要摘要摘要】】】】本文设计了某军用越野车轮边减速器,主要从方案选型、基本参数的设计计算、强度校核、三维建模、有限元分析等方面对轮边减速器的设计过程进行了介绍,较为清晰及精确的反应了轮边减速器的整体设计过程,为今后相关产品的开发提供了参考。关键词关键词关键词关键词轮边减速器行星齿轮机构三维建模有限元分析DesignofOffroadVehicleWheelReducerAbstractInthispaper,thewheelhubreducerofamilitaryoffroadvehiclewasdesigned.Thepaperintroducedthedesignprocessfromseveralaspects,suchasthechoiceoftheproject,thedesigncalibration,thethreedimensionalmodeling,aswellasthefiniteelementsanalysisandsoon.Itismoreclearandaccurate,anditwillprovideareferenceforthefuturedevelopmentofrelatedproducts,too.KeywordsThewheelreducerplanetarygears3DModelingfiniteelementsanalysis引言引言引言引言越野车要求有高的动力性,而车速一般较低,因此其传动系的低档传动比都很大。为了使变速器、分动器、传动轴等总成不致因承受过大转矩而使尺寸及质量过大,应将传动系的传动比以较大的比率分配给驱动桥,这就使得越野车的主减速比往往要求很大。采用轮边减速器,可以使中间主减速器的外形尺寸减小,保证车辆具有足够的离地间隙,而且由于是最后的一级减速,其前面的半轴、差速器及主减速器的从动轮等零件的尺寸都可以减小。1国外发达国家在汽车轮边减速器方面的研究开展得比较早,如针对其结构和传动比的优化,结构的轻量化,以及在机构上能妥善处理制动器、轮毂等分总成与轮边减速器的布置关系,目前已达到产品成熟化阶段。众所周知的乌尼莫克等国外军用越野车在汽车通过性方面的优良表现,与国外轮边减速器的生产设计技术水平是分不开的。国内外在技术上的主要差别除了零部件的材料、加工工艺外,就是正向设计方法方面。本文在某型越野车设计中主要涉及后者的工作。目前,国内外关于轮边减速系统的设计研究主要有以下几个方面内容1轮边减速器设计理论及方法2轮边减速器的优化设计3轮边减速器对车辆通过性的影响。本文主要是从方案选型、基本参数的设计计算、三维模型建立、重要部件的有限元分析等方面对轮边减速器的设计过程进行研究。1结构方案分析结构方案分析结构方案分析结构方案分析1.1轮边减速器方案的介绍轮边减速器方案的介绍轮边减速器方案的介绍轮边减速器方案的介绍轮边减速器按齿轮及布置方式分为普通圆柱齿轮式及行星齿轮式两类1)普通圆柱齿轮式由一对外啮合圆柱齿轮构成,借助与其主动齿轮和从动齿轮的相对位置的变化,改变汽车的离地间隙或车厢地板的高度,如图1所示。图1普通圆柱齿轮式轮边减速器2)行星齿轮式常见的行星齿轮式轮边减速器为单排圆柱行星齿轮机构。由于其太阳轮、齿圈和行星齿轮架等零件在轮边减速器中的作用可以有所变化,轮边减速器有图2a、图2b、图2c所示的三种结构方案。765432112213344556677abc图2单排圆柱行星齿轮式轮边减速器1.齿圈2.行星齿轮架3.桥壳4.半轴5.太阳轮6.行星齿轮7.驱动车轮1.2设计设计设计设计方法方法方法方法图3轮边减速器设计流程如图3所示,轮边减速器的设计主要分为方案选择、参数选取、设计计算、强度校核、三维建模、有限元分析等方面。并依据流程图中的综合性能分析,综合判断设计是否满足要求。并通过编程计算,选取最优参数。1.3方案确方案确方案确方案确定定定定普通外啮合圆柱齿轮式轮边减速器,根据主、从动齿轮相对位置的不同,分为主动齿轮上置和下置两种形式。主动齿轮上置式轮边减速器可提高桥壳的离地间隙主动齿轮下置式轮边减速器主要可提高汽车行驶稳定性。与普通圆柱齿轮式相比,行星齿轮式轮边减速器具有如下优点可以在较小的轮廓尺寸条件下获得较大的传动比,且可以布置在轮毂之内,同时它的刚度大、强度高,传动效率也较高,并且各齿轮间的径向作用力可得到平衡。综合分析后,本次设计采用行星齿轮式轮边减速器,并根据整车设计要求,采用第2种方案。2主要参数主要参数主要参数主要参数选取选取选取选取1)确定主减速比0i主减速比0i的大小,对主减速器的结构型式、轮廓尺寸及质量的大小影响很大,而对本次设计的越野车来说,为了获得足够的功率储备,主减速比0i一般应选得比平常值大10~25。2LBFHgHapriiivnrimax0472.0377.0式中rr为车轮的滚动半径,mpn为最大功率时的发动机转速,min/rmaxav为汽车的最高车速,hkm/gHi为变速器最高档传动比FHi为分动器或加力器高档传动比LBi为轮边减速器传动比。2)轮边减速器输入转矩①转矩计算方法一按发动机最大转矩和传动系的最低传动比确定前轮轮边减速器的输入转矩niiiTTfe2T01max1η式中1T为第一种方法计算的转矩maxeT为发动机最大使用转矩n为计算的驱动桥数1i为变速器一挡速比fi为分动器低档传动比0i为主减速器传动比Tη为传动系上述传动部分的传动效率,按取9.0Tη。②转矩计算方法二按驱动轮打滑扭矩计算的输入转矩LBLBrirGTηφ2式中2T为第二种方法计算的转矩,mNG为满载状态一个前轮的静负荷,Nφ为轮胎对地面的附着系数,对于越野车,取φ1.0rr为车轮滚动半径,mLBη为轮边减速器的传动效率,取LBη0.98LBi为轮边减速器传动比。按上述计算方法计算出1T和2T后,选取计算结果的较小值作为计算转矩。23行星齿轮机构的行星齿轮机构的行星齿轮机构的行星齿轮机构的设计设计设计设计在行星齿轮的设计计算过程中,根据行星齿轮机构的计算公式进行整体编程,一方面缩短了设计时间,同时还可以优化结构参数。根据设计要求LBi4,结合文献3,选择行星齿轮数n5,并根据选定的越野车主要参数及其约束条件,应用数值计算软件Matlab得出齿轮参数为齿轮模数m4.5,太阳轮齿数为22,变位系数为0.38。行星轮齿数为22,变位系数为0.356。齿圈齿数为68,变位系数为0.36。并应用Matlab所提供的GUI工具箱,建立汽车轮边减速器计算的用户图形界面。部分计算界面如图4所示。图4轮边减速器输入转矩计算界面3.1校核校核校核校核轮边减速器的强度校核轮边减速器的强度校核轮边减速器的强度校核轮边减速器的强度校核1)轮边减速器常见的失效模式有①轮齿断裂②齿面剥落③齿面点蚀④轴承损坏⑤轴类零件断裂、变形或工作面烧蚀⑥壳体开裂⑦油封漏油。42)轮边减速器强度校核在国内没有现成的标准,但行星齿轮机构的具体校核方法可根据机械设计手册中圆柱齿轮许用接触疲劳、弯曲疲劳的校核公式来计算。校核结果反馈至流程图(图2)中,进行下一步工作。3)行星齿轮轴承的校核。轴承的名义寿命L与轴承的当量动载荷之间满足如下关系εnullnullnullnullnullnullPC10L6式中C为轴承的额定动载荷,N根据选定的轴承型号查轴承手册P为轴承的当量动载荷,Nε为轴承的寿命指数,对球轴承取ε3对圆锥滚子轴承取ε10/3。53.2三维建模三维建模三维建模三维建模及及及及有限元计算求解有限元计算求解有限元计算求解有限元计算求解根据计算结果,建立三维模型。其中,太阳轮和行星轮的材料选用20CrMnTi渗碳淬火,齿圈采用40Cr,调质,齿面淬火。并根据行星轮轴承需承受径向力和轴向力,选择圆锥滚子轴承。轮边减速器行星齿轮机构三维模型如图5所示。图5行星齿轮机构以齿圈支座为例,为了减轻整个轮边减速器总成的重量,该支座设计有8个工艺孔,如图6所示。为保证强度,下面对工艺孔处利用ANSYS软件进行有限元分析。在不影响精度的条件下,为缩短计算时间,则需将花键孔简化,在花键孔处施加全约束,并在齿圈支座的每个齿面上施加均布载荷。网格划分如图7所示总变形云图如图8所示应力云图局部放大图如图9所示。图6齿圈支座模型图7网格划分图8变形云图图9应力云图局部放大图3.2.1有限元有限元有限元有限元结果分析结果分析结果分析结果分析由以上结果可知1)齿圈支座轮齿处有0.5mm的位移,但受到的应力很小。2)圆孔处的应力最大,达1.73Mpa。从变形图中可以看到,圆孔处的变形主要集中在靠外齿的地方,在0.4mm左右。3)工艺孔处足够安全,可以考虑更换材料或者减小齿宽的方式来节约制造成本。4结论结论结论结论本文通过对某越野车总体布置的要求,分别从方案选型、Matlab计算、三维建模、有限元分析等方面,较系统地阐述了越野车轮边减速器的设计过程,对今后类似的设计工作或有一定的指导作用。参考文献参考文献参考文献参考文献1刘惟信.汽车设计.清华大学出版社,20012刘惟信.汽车车桥设计.清华大学出版社,20033成大先.机械设计手册(第五版).2008.114汪振晓,李增辉.轮边减速器总成的设计J.汽车科技,2008,S15彭文生,李志明,黄华梁.机械设计.高等教育出版社.2002.86张银保.汽车轮边减速器J.湖北工业大学学报,2005,2031031067邓勋,张文明,郭耀斌.BZQ3390矿用自卸车轮边减速器的设计J.煤矿机械,2008,(06)8刘玉春,罗维东,张文明,侯银娟.矿用汽车轮边减速器可靠性优化设计J.机械设计与制造,2006,099曾攀,工程中的有限元法,清华大学出版社,2006.10王立涛.大型有限元分析软件ANSYS的应用技巧J.安徽工程科技学院学报自然科学版,2003,03.附附附附作者简介作者简介作者简介作者简介王斌,男,1987年生,硕士研究生,研究方向汽车传动系统分析Emailwangbinxsh163.com通信地址通信地址通信地址通信地址武汉理工大学汽车工程学院传动系统研究室邮编邮编邮编邮编430070联系电话联系电话联系电话联系电话13487090208
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