（车辆工程专业论文）基于catia和adams的轿车差速器参数化设计及仿真.pdf

独创性声明 l i ti if 1 1ri l lii lrr lr iiii y 18 7 9 7 2 2 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：沙f s 6 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着工业设计的飞速发展，低成本、高效率的设计方法越来越受到重视， c a d 技术、虚拟样机技术的出现正好顺应了这一潮流。参数化设计应该说属于 c a d 技术的核心，参数化设计思路的提出，大大降低了设计人员的工作量，使 设计人员大大减少了在设计、计算、绘图上的重复工作，提高了产品的开发效 率；虚拟样机是一种崭新的产品开发方法，它能够帮助设计人员在物理样机没 有生产出来前完成一些仿真实验，帮助设计人员及时发现并修改产品的设计缺 陷，这样能够缩短开发周期，降低开发成本，提高产品性能。 本文基于参数化设计方法与虚拟样机技术，通过相关理论的查询，根据已 知整车参数完成了对差速器各零件设计计算，将计算过程通过v i s u a lb a s i c 语言 程序化处理，通过c a t i a 软件的相关模块对差速器各个零件实现了参数化建 模，将各零件尺寸进行内部关联以及相互关联，完成了差速器总成的装配，对 各零件的位置关系进行了相关约束；然后通过v i s u a lb a s i c 语言编写交互式界 面，将计算程序嵌入后台并实现c a t i a 文件的参数表中数据的修改更新以及保 存，通过v i s u a lb a s i c 语言实现对c a t i a 的驱动，完成c a t i a 文件的打开、更 新和保存，这样一套具有交互式界面的差速器参数化设计程序就完成了，用户 仅仅需要根据需要更改相关整车参数，就能够实现差速器的迅速重构；将生成 的差速器模型导入a d a m s 软件中，对模型进行相关的运动学以及动力学仿 真，本文主要对直线行驶工况和转弯行驶工况进行了仿真分析，研究了设计的 合理性与正确性，验证了差速器的相关理论。 关键词：差速器；参数化设计；仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a ld e s i g n d e s i g nm e t h o d sw i t hl o wc o s t a n dh i 曲e 施c i e n c yh a v eg a i n e di n c r e a s i n ga t t e n t i o n t h ea p p e a r a n c eo fc a d t e c h n o l o g ya n dv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yj u s tf o l l o w st h i st r e n d p a r a m e t r i cd e s i g n i sr e g a r d e da st h ee s s e n c eo fc a dt e c h n o l o g y a n dt h ep r o p o s a lo fp a r a m e t r i cd e s i g n l a r g e l yd e c r e a s e st h ew o r k l o a do fd e s i g n e r s e s p e c i a l l yt h er e p e a t e dw o r k l o a do n d e s i g n ，c a l c u l a t i o na n dp l o t t i n g ，a n di n c r e a s e st h ep r o d u c td e v e l o p m e n te f f i c i e n c y v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yi san e wp r o d u c td e v e l o p m e n tm e t h o d ，w h i c hc a nh e l p d e s i g n e r sf i n i s hs o m es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tb e f o r e t h ep h y s i c a lp r o t o t y p e i s p r o d u c e d ，f i n da n dm o d i f yt h ed e s i g nd e f e c t so fp r o d u c t si nt i m e ，s oa st os h o r t e n d e v e l o p m e n tc y c l e ，r e d u c i n gd e v e l o p m e n tc o s ta n di m p r o v i n gp r o d u c tp e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ok n o w nv e h i c l ep a r a m e t e r sa n dt h er e s e a r c ho nr e l a t e dt h e o r y ，a n d b a s e do np a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o da n dv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ，t h i sp a p e r f i n i s h e s t h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o no ft h ep a r a m e t e r sf o re a c hc o m p o n e n to ft h e d i f f e r e n t i a l ，a n dp r o g r a mp r o c e s s e st h ec a l c u l a t i o nw i t hv i s u a lb a s i cl a n g u a g e t h i s p a p e ru s e sc a t i ar e l a t e dm o d u l e st or e a l i z e t h ep a r a m e t r i cm o d e l i n go fe a c h c o m p o n e n to ft h ed i f f e r e n t i a l m a k e si n t e m a lc o n n e c t i o na n dc o r r e l a t e dc o n n e c t i o no f a l lt h ed i m e n s i o n s f i n i s h e st h ea s s e m b l yo ft h ed i f f e r e n t i a l ，a n dc o n s t r a i n st h e p o s i t i o nr e l a t i o n s h i po fa l lt h ec o m p o n e n t s ；a n dt h e nc o m p i l e st h ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c e w i t hv i s u a lb a s i cl a n g u a g e ，e m b e d st h ec o m p u t e rp r o g r a mi n t ot h eb a c k g r o u n d ，a n d r e a l i z e st h em o d i f i c a t i o n ，u p d m ea n ds a v eo ft h ed a t ai nc a t i ad a t at a b l e i nt h i s w a y ，t h ed i f f e r e n t i a lp a r a m e t r i cd e s i g np r o g r a mw i t hi n t e r a c t i v ei n t e r f a c ei sp r o d u c e d ， a n du s e r sc a nr e c o n s t r u c tt h ed i f f e r e n t i a lr a p i d l yo n l yw i t hc h a n g i n gt h er e l a t e d v e h i c l ep a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h e i rn e e d s a n dt h e n ，t h e yc a ni n s e r tt h ep r o d u c e d d i f f e r e n t i a lm o d e li n t oa d a m s m a k er e l a t e dd y n a m i ca n dk i n e m a t i cs i m u l a t i o no f t h em o d e l t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e dt h es i m u l a t i o na n a l y s i so fs t r a i g h td r i v i n g c o n d i t i o na n dt u r n i n gd r i v i n gc o n d i t i o n ，s t u d i e dt h ev a l i d i t ya n dc o r r e c t n e s so ft h e d e s i g n ，v e r i f i e dr e l a t e dt h e o r yo ft h ed i f f e r e n t i a l k e yw o r d s ：d i f f e r e n t i a l ；p a r a m e t e r sd e s i g n ；s i m u l a t i o n i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义| l 1 2 差速器的研究现状2 1 3 参数化设计技术2 1 3 1 参数化设计的发展一2 1 3 2 参数化设计的方法3 1 3 3 参数化技术的特点4 1 4c a d 技术及其发展4 1 5 本文的研究内容和方法5 第二章差速器的设计计算及其程序化7 2 1 差速器零部件结构设计7 2 1 1 对称式圆锥行星齿轮差速器的运动学原理7 2 1 2 对称式行星齿轮差速器相关尺寸的设计9 2 2 差速器设计计算的程序化处理1 1 2 3 本章小结1 6 第三章基于c a t i a 的差速器参数化建模1 7 3 1c a t i a 简介17 3 1 1 核心技术17 3 1 2 主要功能和模块1 8 3 1 3 划时代产品c a t i av 5 1 9 3 2 直齿锥齿轮的参数化建模2 0 3 2 1 目标车型的相关整车参数与要求2 1 3 2 2 建模参数的计算结果2 l 3 2 3 球面渐开线原理及建模过程2 2 3 3 其他零件的参数化建模2 6 3 4 差速器的虚拟装配及干涉分析2 9 3 5 本章小结31 第四章基于v i s u a lb a s i c 的交互式界面设计3 2 4 1v i s u a lb a s i c 介绍3 2 4 2v b 与e x c e l 的无缝连接3 3 4 3v b 与c a t i a 的无缝连接3 5 4 4 本章小结3 7 第五章基于a d m a s 的虚拟样机动力学仿真分析3 8 5 1a d a m s 软件介绍3 8 5 2 差速器虚拟样机模型的建立3 8 5 2 1c a t i a 与a d a m s 间的接口3 8 5 2 2 约束与载荷的施加3 9 5 3 不同工作状态下的仿真分析4 1 i i i 武汉理工大学硕士学位论文 5 3 1 直线行驶工况4 2 5 3 2 转弯行驶工况4 4 5 4 本章小结4 8 第六章结论4 9 参考文献5l 致谢5 3 作者攻读硕士学位期间研究成果5 5 i v 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 2 0 11 年1 月，中汽协最新发布数据，2 0 1 0 年1 2 月，汽车产销分别达到1 8 6 万辆和1 6 7 万辆，双双打破历年1 2 月产销记录；2 0 1 0 年，汽车产销双双超过 1 8 0 0 万辆，创新高，稳居全球产销第一。中国汽车市场俨然已经成为当今世界 最红火的汽车市场，这无疑给中国制造业带来了巨大的机遇和压力。信息化时 代的到来，促进了经济全球化、贸易自由化、社会信息化的飞速发展，中国本 土制造业遭遇到了国外先进制造技术前所未有的冲击，同时中国制造业也在竞 争中逐步做大做强。目前，产品的自动化及系列化已经成为很多公司重点发展 方向；如何在短时间里研发出高质量、低成本的产品是汽车整车及零部件企业 技术工作的重点。显然，低效的传统设计理念和制造技术已经不能符合当今的 汽车制造的要求，所以设计理念的更新和新的开发模式的形成势在必行。 在制造业中占据重要地位的汽车行业的技术革新也在不断深入，众多零部 件厂商把形成自主开发能力、提升产品技术水平放在了首要位置，不断增强自 身的竞争力，实现与主机厂同步或超前开发产品的能力。在一款新车的研发 中，处于传动系末端的驱动桥是一个重要的总成，其主要功用是增大由传动轴 或直接由变速器传来的转矩，将转矩分配给左、右车轮，并使左、右驱动车轮 具有汽车行驶运动学所要求的差速功能，同时，驱动桥还要承受作用于路面和 车架或者车厢之间的铅垂力、纵向力和横向力。由此可见，实现差速功能的差 速器是驱动桥的关键部件之一，其设计的强度和空间将直接影响汽车的转向性能 和通过性能。根据汽车行驶运动学的要求和实际的车轮、道路以及它们之间的 相互关系表明：汽车在行驶过程中左、右车轮在同一时间内所滚动的距离是不 相同的，例如，转弯时外侧车轮的行程比内侧长，另外，即使在直线行驶的时 候，由于路面垂向波形的不同或者轮胎气压、载荷、磨损程度的差异等因素， 左、右车轮滚动的路程也是不相同的。那么，在这种状况下，如果采用整体的驱 动桥将动力传递给左右车轮，则会由于左、右驱动车轮的转速虽相等而行程却不 同的这一运动学上的矛盾，引起某一驱动车轮产生滑转或滑移。这不仅加剧了 轮胎的磨损、功率损耗及燃油消耗量的上升，还会影响汽车的转向能力，降低 其的操纵性能【l j 。 目前，许多厂商都是采用采购齿轮、壳体等零件进行组装，这种形式不仅 要花费大量的人力，延长生产周期，同时也限制了下游零件厂的利润空间和自 主性，零件厂也希望能够通过提供参数化、系列化的生产总成给上游厂商增加 自己的利润空间。如果汽车的各大总成能够参数化、系列化，这将大大缩短新 车的开发周期，这对汽车产业的发展来说具有相当的意义。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 差速器的研究现状 差速器是驱动桥总成的一部分，多数著作均是在介绍驱动桥设计的时候大 致描述差速器的设计，市面上单独介绍差速器设计的著作非常少，因此差速器 的设计方法和分析方面的研究非常粗略，缺少详细具体的描述。但是对于差速 器关键零件直齿圆锥齿轮的参数化造型、有限元分析等的研究分析还是比较深 入。2 0 0 9 年武汉理工大学博士研究生黄海浪对渐开线直齿圆锥齿轮的参数化设 计以及修形方法进行了比较完整的阐述。其利用u g 中的o p e n a p i 开发齿轮模 块，详细介绍了创建了直齿圆锥齿轮的参数化设计模块的过程，提高了建模精 度和效率；采用a n s y s 有限元分析软件对直齿圆锥齿轮进行了接触的静态分析 和动态分析模拟；基于u g 软件中直齿圆锥齿轮设计模块生成了不同高变位、切 变位圆锥齿轮三维模型；采用了圆弧曲线进行修形，给出了最大修形量、修形 圆弧中心和半径等有关参数的确定方法【2 j 。早些时候，四川大学的李建超等人 从理论上对差速器的设计进行了比较全面的阐述，他们从类型、结构、受力以 及运动等方面进行了初步研究，为差速器的设计提供了理论支持。2 0 0 8 年，吉 林大学的谢飞等人也对差速器直齿圆锥齿轮的参数化设计以及有限分析进行了 研究，其利用专业的三维建模软件( o h c a t i a 、u g 、p r o e 、s o l i d w o r k s 等) 进 行精确的三维造型，复杂实体建模，然后配置数据接口，将模型进行数据交 换，以s t e p 、d x f 或i g e s 等格式转入有限元分析系统，然后进行有限元计算， 最后把结果与实验结果进行分析比较，验证方法可行性。江苏大学的高翔，程 建平等人基于l s d y n a 软件对差速器直齿锥齿轮进行了动力学接触仿真分 析。他们采用的是一对齿的啮合分析，定义齿轮内圈为s h e l l l 6 3 单元并定义为刚 体，便于施加转矩；创建了4 个p a r t 定义了面面接触；然后施加一定的约束和 载荷，可以看到齿轮啮合的每个瞬间的应力情况，同时也为齿轮的动力学接触 分析提供了新的方法。 1 3 参数化设计技术 1 3 1 参数化设计的发展 一个产品的整个设计过程就是约束规定、约束变换求解以及约束评估的约 束求精过程，因此，我们可以定义参数化设计为基于约束的产品设计方法。6 0 年代早期，s u t h e r l a n d 在他开发的s k e t c h p a d 系统中，首次将几何约束表示为非 线性方程来确定二维几何形体的位置，这应该是最早的参数化设计理念，后来 g o s s a r d 将这一思想进一步发展，并运用到实际生产中。人们在运用这个理念的 过程中，为了优化改进这一方法，总结得出了符号法、规则法等等，其中规则 法在现代设计制造中得到广泛应用。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 参数化设计的方法 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) ，也称为尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e n ) ，是通 过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或者修改已经定义好的参数，自动 完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。其核心是约束造型， 特征是尺寸驱动。参数化设计与c a d 技术的发展是相辅相成，c a d 技术为参数 化设计提供了很好的平台，参数化设计又促进了c a d 技术的发展。机械设计的 过程本来就是一个反复修改、不断完善的过程，传统的设计方法中，由于部分 参数的初选不够准确，使得设计的产品无法满足要求，这样，需要重新进行设 计绘图造型，浪费大量的时间，延长了开发周期；参数化设计的方法便能很好 的解决这个问题，设计人员只需要对特定参数进行修改，图形或者三维模型就 能迅速重构，无需重复整个设计过程，能够为设计人员减少大量繁琐的计算设 计过程和绘图工作。参数化设计方便快捷的修改手段，在概念设计、动态设 计、实体造型、公差分析、机构仿真、优化设计等领域运用的越来越广泛，体 现了很高的工程运用价值。 常用的设计方法有：代数法：数值迭代法、符号法、概率约束法与基于 遗传和退火算法的参数化设计方法都可归结为代数法。数值迭代技术是最早用 于求解约束集的方法。在这种方法中，约束集用一组非线性方程组来表示，然 后用n e w t o n 迭代方法整体求解以确定所有的参数值；符号法主要思想是把原约 束方程组转化为等价的另一组被称为是g r o b n e r 基的方程组，这里所有的 g r o b n e r 基所形成的方程组的根都将是原约束方程组的解；试图求解由等式及不 等式组成的高次非线性高度交叉方程组( 或不等式组) 所对应的约束满足问题， 即该约束方程组有下述特性：高次性；高度交叉性，即约束方程组难以分解， 必须整体求解；把约束模型表示为一概率方程组，然后用k a l m a n 滤波器求解 之，以获得确定该约束模型所有几何特征点所必需的全部参数值，这种方法把参 数化设计模型看作是一个随机过程，一个柔性约束的“柔性度”被表示为一个 具有适当分布的随机变量的协方差。柔性约束并不要求该约束必须得到严格满 足，而只需根据一定准则得到近似满足即可。基于规则的方法：在这种方法 中，约束集往往用一阶谓词来表达，用几何推理和规则匹配法来分别确定约束 满足次序及应用何种规则来进行求解。几何推理( 即全局推理) 是参数化设计理 论与应用中广为使用的方法，它确立了在约束网中使用哪些规则及使用这些规 则的次序问题。所以也可以这么说，全局推理是对局部推理过程的一个管理与 组织过程。在基于规则的方法中，有一种思路是值得人们注意的，不妨也可称 之为约束的转换方法。即由于对原来的一组约束集直接求解较为困难，因而通 过引入新几何元素把该约束集转化为另一组等价的较易求解的约束集的方法来 武汉理工大学硕士学位论文 求解。直接编程法和参数化操作法：编程法将尺寸作为变量，对每种不同结 构的零件分别编写不同的程序，用编程的方法实现参数化设计；参数化操作方 法则是在归纳几何图形拓扑约束关系的基础上，结合工程制图常见尺规作图步 骤与方法，采用参数化操作表示与处理几何约束，并通过与参数化操作对应的 几何计算程序逐步确定出精确几何模型。基于构型变异的参数化方法：对于 构型变异，常见的表现形式有以下几种，尺寸变异、几何变异、拓扑变异、混合 变异、突变，上述变异是构型类之间的演化【3 j 。构型的变异蕴含了一定的本质不 变性，这就是构型的语义。语义几何元素是指构型整体、构型边界以及其它与 构型语义相关的几何元素，例如对称轴、基准面等等。 1 3 3 参数化技术的特点 ( 1 ) 初始设计要求低。初步设计时，无需精确绘图，只要把相关参数进行相 关联，然后通过适当的约束得到所需精确图形。 ( 2 ) 便于系列化设计。设计出一套成型的产品后，仅需要对主要参数进行调 整，就能得出不同尺寸的产品系列。 ( 3 ) 便于编辑、修改。当设计中遇到不符合要求的部分时，能够通过编辑、 修改参数满足反复修改的需求，得到满足生产要求的产品。 这些优点非常适合零件或者总成的设计开发，设计人员能够根据设计要求 和加工需求得出相关约束条件，通过这些约束条件的限制，得到符合要求的设 计产品。 1 4c a d 技术及其发展 计算机辅助设计c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 指的是利用计算机强大的计算 能力和高效率的图形处理能力，辅助一项设计的建立、修改、分析或优化的过 程，是综合了计算机科学和工程设计方法的最新发展而形成的一门学科。c a d 技术起步于二十世纪5 0 年代后期，随着计算机软硬件技术的发展，计算机绘图已 经成为现实，c a d 开始快速发展，人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、 精度低的传统手工绘图。在c a d 软件发展初期，c a d 的含义仅仅是c o m p u t e r a i d e dd r a w i n g ( o rd r a f t i n g ) 而非现在我们经常讨论的c a d ( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ) 所包含的全部内容。c a d 技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续 到7 0 年代末期，以后作为c a d 技术的一个分支而相对独立、平稳地发展。早 期应用较为广泛的是c a d a m 软件，近十年来占据绘图市场主导地位的是 a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 软件。进入7 0 年代后，飞机和汽车工业飞速发展， 设计人员发现在飞机和汽车的制造中会遇到大量的自由曲面，如果用先前的 c a d 技术设计出来的样品与设计者的设想的差异巨大，这给c a d 技术的发展提 4 武汉理工大学硕士学位论文 出了新的要求。法国人提出了贝赛尔算法，使人们用计算机处理曲线及曲面问 题变得可行，法国达索飞机制造公司，开发出以表面模型为特点的自由曲面建 模方法，推出了三维曲面造型系统c a t i a ，它的出现，标志着计算机辅助设计 技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完全描 述产品零件的主要信息，同时也使得c a m 技术的开发有了现实的基础 4 1 。 c a d 技术作为成熟的普及技术已经在企业中广泛应用，并已成为企业的现实生 产力。c a d 技术的发展趋势主要集中在标准化、开放化、集成化、智能化四个 方面： l 、标准化 c a d 软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，为了支持异构跨平台的 环境，就要求它应有一个开放的系统。主要是靠标准化技术解决这个问题。目 前标准有两大类：一是公用标准，二是市场标准或行业标准，前者注重标准的 开放性和所采用技术的先进性，而后者以市场为导向，注重考虑有效性和经济 利益。 2 、开放化 c a d 系统目前广泛建立在开放式操作系统窗1 2 1 9 5 9 8 n t 和u n i x 平台上， 在j a v al i n u x 平台上也有c a d 产品，此外c a d 系统都为最终用户提供二次开发 环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制自己的c a d 系统。 3 、集成化 集成化体现在三个层面上：一是广义c a d 功能经过集成成为企业一体化解 决方案，推动企业信息化进程；二是将c a d 技术的算法、模块或者系统做成芯 片集成，提高系统的效率；三是c a d 基于网络计算环境实现异地、异构系统在 企业间的集成。 4 、智能化 智能c a d 不仅仅是简单地将现有的智能技术与c a d 技术相结合，更要深入 研究人类设计的思维模型，并用信息技术来表达和模拟它。这样不仅会产生高 效的c a d 系统，而且必将为人工智能领域提供新的理论和方法。c a d 的这个发 展趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响【5 j 。 1 5 本文的研究内容和方法 本文通过c a t i a 和a d a m s 软件平台，实现轿车差速器全参数化设计与动力 学仿真。能够通过生成的可视化界面改变相关参数( 比如：发动机最大转矩、传 动比等) ，自动生成相应的一套完整的差速器数字模型，并实现动力学仿真。即 基于某轿车的整车参数，完成一套差速器总成的参数化模型的建立，通过 d e s i g nt a b l e 命令导出相关零件的控制参数e x c e l 表格，通过基于v i s u a lb a s i c 编 武汉理工大学硕士学位论文 写的交互式界面驱动e x c e l 表格的参数更新和c a t i a 三维模型的重构。 具体设计过程包括： ( 1 ) 差速器总成的设计计算，包括齿轮、壳体等尺寸的计算以及装配尺寸的确 定； ( 2 ) 利用c a t i a 中的g s d 模块以及相关命令进行差速器相关零件三维模型的建 立；利用a s s e m b l y 模块进行装配； ( 3 ) 利用c a t i a 中的d m u 模块进行静态干涉分析与虚拟装配； ( 4 ) 利用v i s u a lb a s i c 开发平台创建交互式界面，将外部整车参数输入c a t i a ， 实现差速器模型的重构； ( 5 ) 利用m s cs i m d e s i g n e rr 2c a t i av 5 r 1 7e d i t i o n 软件将c a t i a 建立的模型导 入a d m a s 进行动力学仿真。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章差速器的设计计算及其程序化 2 1 差速器零部件结构设计 差速器结构设计是其零部件三维建模的基础，必须综合考虑动力总成特性 参数、匹配车型、平均路面条件、汽车通过性参数( 如地隙) 等。汽车差速器的 结构型式很多，对于差速器结构型式的选择，一般是从所设计的汽车类型及其 使用条件出发，使得设计的产品能够满足该车型在给定条件下的使用性能。大 多数汽车都用于公路行驶，对于在公路上和市区行驶的汽车来说，由于路况较 好，驱动轮与路面的附着系数变化很小，因此多数采用结构简单、工作平稳、 制造方便、对于公路汽车能保证可靠性的普通对称式圆锥行星齿轮差速器，作 为轮间差速器使用在左、右驱动轮间，实现差速功能；对于行驶路况比较恶劣 的越野车来说，为了防止因某一驱动轮滑转而陷车，可采用防滑差速器。本文 研究的是轿车差速器，属于前者，因此选用对称式圆锥行星齿轮差速器【6 j 。 2 1 1 对称式圆锥行星齿轮差速器的运动学原理 对称式圆锥行星齿轮差速器的工作原理如图所示：为差速器壳或主减 速器从动齿轮的角速度；c o ，、，分别为左、右驱动车轮或差速器半轴齿轮的角 速度；，为行星齿轮绕一字轴或者十字轴的自转角速度。当汽车在平坦路面上 直线行驶时，差速器各零件之间无相对运动，则有1 - c o ：= c o o ，蛾= 0 这时差 速器壳经十字轴或者一字轴以力f 带动行星齿轮绕半轴齿轮中心作“公转”而 无自转( q = o ) 。行星齿轮的轮齿以f 2 力推动左、右半轴齿轮的轮齿使它们 一起绕半轴齿轮的中心旋转，而左、右半轴齿轮则给行星齿轮以f 2 的反作用 力。对于对称式差速器来说，两半轴齿轮的节圆半径，- 相同，故传给左、右半 轴的转矩均等于f 宰，2 ，故汽车在平坦路面上直线行驶时驱动左、右车轮的转 矩相等。 当汽车转弯时，假如左、右轮之间无差速器，则按运动学关系，行程长的 外侧车轮将产生滑移，而行程短的内侧车轮将产生滑转。由此导致在左、右轮 胎切线方向上产生附加阻力，并且方向相反。当装上差速器后，附加阻力所形 成的力矩使差速器起差速作用，避免了内外侧车轮在地面上的滑转和滑移，保 证它们以不同的角速度劬和，正常转动。若差速器工作时阻抗其中各零件相对 运动的摩擦大，则扭动该零件的力矩就大。在普通的齿轮差速器中这种摩擦力 很小，故只要左、右车轮所走路程稍有差异，差速器即开始工作。在差速器运 转时，行星齿轮不但会绕半轴齿轮中心公转，还会绕行星齿轮轴线以角速度 自转。半轴齿轮及其对应的外侧车轮的转速将增高，且增高量为c o ，奉z z ，( z ， 为行星齿轮齿数，z ，为该半轴齿轮的齿数) ，由此得出外侧半轴齿轮的角速度为 7 武汉理工大学硕士学位论文 f - 2f 2 图2 1 普通圆锥齿轮差速器的工作原理简图 0 ) 12c o o + c 0 3 z 1 z 2 ( 2 1 ) 在同一时间内，内侧车轮及其对应半轴齿轮( 齿数为z ；) 的转速将降低 c o ，宰z ，z ；，由于左右半轴齿轮齿数相等，得出内侧半轴齿轮的转速为 c 0 22c o o 一3 木z l z 2 ( 2 2 ) 由以上两个式子得到差速器工作时的运动关系： 国1 + 22 ：z c o o ( 2 3 ) 即两半轴齿轮的转速和为差速器壳转速的两倍。我们考虑一种极限状态，当制 动器紧急制动时，差速器壳的角速度= 0 ，很容易导致汽车失去控制，使汽 车急转和甩尾。在汽车转弯时，行星齿轮绕其轴线转动，那么必然存在一个使 其转动的力矩，设为2 心事r ( r 为行星齿轮的节圆半径) 。转弯时在转得慢的一 边即内侧的半轴齿轮上，从与f 2 的方向相同；而在转得快的一边即外侧的 半轴齿轮上，灯与f 2 的方向相反，于是旋转较慢的半轴齿轮所传的转矩较 大，而旋转较快的半轴齿轮所传的转矩较小。即 正= ( f 2 一z x f ) r( 2 4 ) 疋= ( f 2 + a v ) r( 2 5 ) 令f 母r = t o ，心奉r = v f 2 ，有 8 武汉理工大学硕士学位论文 正= 7 o 2 一丁，2( 2 - 6 ) 瓦= t o 2 + 0 2 ( 2 - 7 ) 五+ 瓦= t o ( 2 8 ) 疋一互= 巧 ( 2 - 9 ) 式中，t 旋转较快的半轴齿轮上的转矩； 1 z 旋转较慢的半轴齿轮上的转矩； 1o 差速器壳上的转矩； 1 ，差速器零件在相对运动时所产生的摩擦力矩。 由此可见：使驱动桥左、右半轴的转矩分配改变是差速器的内摩擦，这有 利于改善汽车的通过性1 7 j 。 2 1 2 对称式行星齿轮差速器相关尺寸的设计 普通的对称式圆锥行星齿轮差速器由差速器壳体、2 个半轴齿轮、刀个行星 齿轮( 载货汽车和越野车一般n = 4 ；小型、微型汽车一般n = 2 ) 、行星齿轮轴 ( 一字轴、十字轴等等) 、2 个半轴、行星齿轮垫片等组成。由于其结构简单、 工作平顺、制造方便、可靠性高等优点，被广泛应用在轿车、客车和各种公路 用载货汽车的上，有些越野汽车也采用这种结构，但用到越野汽车上时需要采 用防滑措施。 差速器壳与主减速器从动齿轮通过相关工艺固结为一体，所以在确定主减 速器从动齿轮尺寸时，应考虑差速器的安装空间问题；同时差速器壳的尺寸大 小也受到从动齿轮及主动齿轮导向轴承支座的限制。差速器壳体的结构参数主 要有壳体厚度、壳体外部直径、内部直径、壳体的长度及半轴直径等。差速器 壳体的内部直径主要由行星齿轮和半轴齿轮的安装半径决定；差速器的外部直 径则有壳体厚度和内部直径决定；差速器壳沿驱动轴方向的长度与半轴齿轮、 行星齿轮及半轴齿轮内部花键的长度有关。差速器壳体厚度主要决定于差速器 壳体强度的要求，在满足强度和足够的安全系数条件下，依据现在车身轻量化 的趋势，壳体厚度应尽量减小，以减轻质量，节约成本；同时差速器壳体的结 构参数还与半轴的结构参数有关，特别是与半轴的直径关系最密切，如半轴与 差速器半轴齿轮连接处的花键的齿数、模数及直径直接决定了差速器壳沿驱动 轴方向的长度峭】。 差速器齿轮是很重要很关键的零件，因此其基本参数的精确确定也是非常 重要的。行星齿轮在差速器的工作过程中经常只起等臂推力杆的作用，仅在左 右车轮有差速时行星齿轮和半轴齿轮才有相对滚动，所以对差速器齿轮可不考 虑其疲劳寿命，只需要进行相关的弯曲强度校核即可，齿轮材料一般选择 2 0 c r m n t i 、2 0 c r m o t i 或者2 0 c r m o 。对差速器的设计从以下几个方面入手： 9 武汉理工大学硕士学位论文 行星齿轮数目n 的选择：轿车常用2 个行星齿轮，载货汽车和越野汽车多 用4 个行星齿轮，少数汽车采用3 个齿轮。 行星齿轮球面半径r b 的确定：圆锥行星齿轮差速器的尺寸通常决定于行 星齿轮背面的球面半径r r ，它是行星齿轮的安装尺寸，实际上代表了差速器圆 锥齿轮的节锥距，在一定程度上表征了差速器的强度，可根据经验公式来确定 球面半径： 一 心= v 乃 ( 2 1 0 ) 式中，k r 行星齿轮球面半径系数，k b = 2 5 2 - 2 9 9 ，对于有4 个行星齿轮的 轿车和公路载货汽车取小值；对于有2 个行星齿轮的轿车以及越 野汽车、矿用汽车取大值。 t ；主减速器齿轮的载荷 载货汽车和越野汽车在强度计算中用以验算主减速器从动齿轮最大应力的 计算载荷通常是这样确定的：发动机最大转矩与传动系最低档传动比匹配时作 用于主减速器从动齿轮的转矩t 诘和驱动车轮打滑时作用于主减速器从动齿轮的 转矩t ；。两者中的较小者，即 t j 。= l 一f 死k o 7 7 ri n ，t 妒= g 2 9 o ( f l u i u 3 ) ( 2 - 11 ) 式中t e 一发动机最大转矩，n 聊； i 仃由发动机到所计算的主减速器从动齿轮之间的传动系最低 档传动比； 叩t 上述传动部分的效率，取叩t = o 9 ； k 。超载系数，对于一般载货汽车、矿用汽车和越野汽车以及液 力传动的各类汽车取k 。= l ； n 驱动桥数目； u z 汽车满载时一个驱动桥给水平地面的最大负荷，；对后 桥来说还应该考虑到汽车加速时的负荷增大量； 妒轮胎对路面的附着系数，对于安装一般轮胎的公路用汽车， 取够= 0 8 5 ；对于越野汽车取t p = 1 0 ；对于安装专门的防滑宽 轮胎的高级轿车取c p = 1 2 5 ； r r 车轮的滚动半径，m ； r l l b 、1 l b 分别为主减速器从动齿轮到驱动轮之间的传动效率 和减速比。 r b 确定后，即可根据式子a 。= ( o 9 8 0 9 9 ) r b 预选其节锥距 一般设计的时候选择的行星齿轮齿数尽量少，得到较大的模数，从而保 证齿轮能够得到较高的强度，但是一般齿数不应小于1 0 ；而半轴齿轮的齿数的 l o 武汉理工大学硕士学位论文 选择范围为1 牝5 。半轴齿轮与行星齿轮的齿数z ：l 、z ：r 之和，必须能被行星 齿轮的数目整除，否则将不能安装，即满足( z j l + z 2 r ) i n = 整数，汽车半轴齿 轮与行星齿轮的齿数比大多在1 5 2 的范围内； 差速器行星齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定：先初步求出行星 齿轮和半轴齿轮的节锥角y ，、y ：， y 。= a r c m n z z - 刍：_ ；y z = a r c 切n 詈， 其中z 。、z ：为行星齿轮和半轴齿轮齿数。再根据式子 一等s i n 舻等 来求出圆锥齿轮的大端模数，算出模数后由公式d = z m 求得节圆直径。 压力角的选择：过去差速器齿轮的压力角都选用2 0 。，相应的齿高系数 选着为1 ，对最少齿数也限制为1 3 当今汽车差速器齿轮压力角大都选用2 2 。3 0 7 ，齿高系数确定为0 8 ，相应的最少齿数也减至1 0 ，这种齿形的最小齿数比压 力角为2 0 。的少一些，故可用较大的模数以提高齿轮的强度，某些重型汽车和 矿用汽车的差速器也可采用2 5 。的压力角。 行星齿轮安装孔直径9 及其深度l 的确定：行星齿轮安装孔直径妒与行星齿轮 轴名义直径相同，而行星齿轮安装孔深度l 就是行星齿轮在其轴上的支撑长 度。由下列公式求得： l = 1 埘埘_ 1 妒= 篇驴 式中t o 差速器传递的转矩，n m ； n 行星齿轮数； ，为行星齿轮支承面中点到锥顶的距离，m m 。，0 5 d ，d ：是半轴齿 轮齿面宽中点处的直径，d ：0 8d 2 ，d 2 为半轴齿轮节圆直径； 仃c 支承面的许用挤压应力。 2 2 差速器设计计算的程序化处理 根据上节的差速器各零件的设计计算公式，在v i s u a lb a s i c 语言环境下，将 差速器零件设计的计算过程程序化。 我们已知的参数为整车相关参数，如发动机最大转矩、最低档传动比、驱 武汉理工大学硕士学位论文 动桥数目、轴荷比、车轮滚动半径等等，然后根据相关条件选择压力角、行星 齿轮齿数和半轴齿轮齿数等。如下图所示： 图2 2 参数输入界面 当参数输入完毕以后，点击计算按钮，计算按钮后台是根据前文提及的设计公 式和相关参数并基于v b 语言编写的设计计算程序。 计算按钮的后台程序为： 撑撑拌拌群j f j 撑撑群撑撑撑撑拌拌撑撑撑撑拌群拌撑群j f