汽车主减速器及差速器的结构设计与强度分析毕业设计

学士学位论文 目录I目 录摘 要 .IIIAbstract .IV1 绪 论 .11.1 课题研究背景 .11.2 课题研究目的及意义 .11.3 课题研究内容 .21.4 研究对象主要参数 .32 汽车主减速器的设计 .32.1 汽车主减速器概述 .32.2 汽车主减速器的工作原理 .32.3 轿车主减速器结构方案选择与分析 .42.4 轿车主减速器基本参数的选择与计算 .52.4.1 轿车主减速器传动比 i0的确定 .52.4.2 主减速器计算载荷的确定 .52.4.3 主减速器锥齿轮基本参数的选择 .72.4.4 主减速器锥齿轮主要几何参数的计算 .82.5 轿车主减速器螺旋锥齿轮强度计算 .103 差速器的设计 .143.1 差速器概述 .143.2 差速器的工作原理 .143.3 差速器的结构形式选择 .153.4 普通锥齿轮差速器齿轮设计 .153.4.1 差速器齿轮主要参数的选择 .153.4.2 差速器齿轮主要几何参数的计算 .173.5 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学士学位论文 目录II4.1 主减速器的三维实体建模 .204.1.1 主减速器三维建模分析与设计思路 .204.1.2 主减速器螺旋锥齿轮的主要建模过程 .214.2 差速器的三维实体建模 .264.2.1 差速器半轴直齿锥齿轮的主要建模过程 .264.2.2 差速器壳的主要建模过程 .274.3 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 .305.1 强度分析简介 .305.2 差速器壳体的强度分析 .305.3 半轴的强度分析 .356 结 论 .39参考文献 .40致 谢 .41学士学位论文 摘要III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；分析学士学位论文 AbstractIVThe structure design and strength analysis of automotive main reducer and differential AbstractFirst, 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 after the making of the model. 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学士学位论文 第 1 章 绪论11 绪 论1.1 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。1.2 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、优学士学位论文 第 1 章 绪论2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。1.3 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。1.4 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 1.1：表 1.1 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（kwrpm ） 118/6000最大扭距（Nmrpm） 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 3.46变速器二挡传动比 1.94变速器三挡传动比 1.29变速器四挡传动比 0.99变速器五挡传动比 0.80最小离地间隙（mm） 115车轮半径（mm） 327学士学位论文 第 2 章 汽车主减速器的设计32 汽车主减速器的设计2.1 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。2.2 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 2.1 所示。图 2.1主减速器结构图学士学位论文 第 2 章 汽车主减速器的设计4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。2.3 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 2.2 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 2.2 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 7.0，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，0i学士学位论文 第 2 章 汽车主减速器的设计5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 34.5。0i2.4 轿车主减速器基本参数的选择与计算2.4.1 轿车主减速器传动比 的确定0一般而言，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maxeP选择的主减速比应保证有足够大的最高车速 ，此时：maxU=0iLBFHghapriunmx37. 21.4802637.0式中： 车轮滚动半径，由表 1.1 得 =0.327mr r发动机最大功率时转速，由表 1.1 得 =6000r/minpn p最高车速，由表 1.1 得 =220km/hmaxUmaxU变速器最高挡传动比， = =0.8ghighi5分动器或加力器最高挡传动比，取 =1FH FH轮边减速器传动比， =1LB LB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， 0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0i下来。2.4.2 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 csTmNmNirmGTcs 72.3409.013278520,2式中： 2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， 2G=9800N学士学位论文 第 2 章 汽车主减速器的设计62m汽车达到最大加速度时后轴负荷转移系数，