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SANTANA 轿车 差速器 设计 分析

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上海工程技术大学毕业设计（论文） SANTANA轿车差速器设计与分析 摘 要 自从法国工程师雷诺发明差速器，解决了汽车转弯行驶时的问题后，差速器便成为了现代汽车基本配置。随着人们对安全性和舒适性要求的提高，差速器的作用显的更为重要。由此产生了各种结构和功能的差速器。 本课题以桑塔纳轿车差速器为研究目标。首先通过比较各种差速器的优缺点，再根据桑塔纳的实际特点选择合适的差速器结构类型。本课题为桑塔纳选用的是对称式锥齿轮差速器。此类差速器技术成熟，制造安装简单，可适用于一般路况，符合桑塔纳轿车的产品定位和使用特点。接着，查阅资料获得桑塔纳轿车的相关参数，包括发动机最大转矩、变速箱传动比、主减速器传动比。利用这些数据计算得出差速器壳体和各齿轮所传递的转矩。再根据转距完成差速器主要部件——差速齿轮和半轴齿轮的尺寸计算，再对齿轮的强度进行校核，保证差速器工作的可靠性和安全性。 完成计算后，运用Unigraphics NX4.0软件的建模模块建立差速器各部件的实体模型。其中运用到了抽壳、阵列、扫描等命令。 接着使用UG的装配模块。首先了解UG的三种转配方式：自上而下、自下而上和混合装配以及它们各自的特点。因为差速器结构较为复杂，所以采用混合装配方式差速器总成的装配工作。然后生成爆炸视图方便查看差速器的结构和各个零件组成。 最后使用UG的运动分析模块分析设计结果。先是对UG运动分析模块中的运动副和驱动方式的定义进行了解。明白它们的使用方法，然后对车辆直线行驶状态和转弯行驶状态下差速器部件不同的工作原理进行定义，并在运动仿真中设置合适的时间和步长，最后开始模拟仿真。最后观察到结果和设计要求相吻合。这样既保证设计的正确性，同时也对差速器的结构和工作原理有了更直观、形象的了解。 关键词：差速器，UG，实体建模，装配，运动分析 The Design and Analysis On SANTANA Differential ABSTRACT Ever since the French engineer Renault invented the differential, solving the problems when vehicles turn corners, the differentials have become the basic equipments on modern vehicles. As people get more and more strict on safety and comfort, the function of the differential is more important. Thus all kinds of configurations and functions of differentials are invented. This topic bases on the differential on SANTANA. Compared the advantages and disadvantages of all kinds of differentials, choose the appropriate type according to the actual characteristic of the SANTANA. This topic chooses the bevel type differential for the SANTANA. This type of differential has mature technology, it’s easy to manufacture and install, it can match the needs of general road conditions, so it suits the use characteristic and product orientation of the SANTANA. Next, look up the references and get the relative parameters about the SANTANA which conclude the engine’s max torque, the ratio of the transmission box, the radio of the final drive. Use these data to work out the torque that transferred by the differential carrier and the gears. After that finish the calculation of the main parts of the differential——planetary gear and side gear, then check the intension of the gears to ensure the safety and reliability of the design. After the calculation, use the modeling module of Unigraphics NX4.0 software to create the solid models of the parts of the differential. Then use the assembly module to finish the assembly work of the differential. At last, use the animation module of UG to observe and analyze the work principle of the differential under both straight condition and cornering condition. It ensure the correctness of the design, and also have a more intuitionistic and visual comprehension of the configuration and principle of the differential. Key words: differential，UG，modeling，assembly，animation analysis SANTANA轿车差速器设计与分析 张 凯 061103105 0 引言 自从1885年德国工程师卡尔本茨制成第一辆汽车以来，由于科技、技术的进步以及人们认识逐步认识到汽车的不足，汽车在不断地改变着。其中一个比较重要的设计就是1928年法国人雷诺设计的差速器。这个巧妙的装置改变了当时汽车转向不灵活的现象。现今的差速器无论在类型，结构还是功能上已经远远超过了雷诺当时能够想象的。 1 差速器的技术概述 1.1 基本概念 差速器的功能是当汽车转弯行驶或者在不平路面上行驶时，使左右驱动轮以不同的转速滚动，即保持两侧的驱动轮作纯滚动运动。 当汽车转弯行驶时，内外两侧车轮中心在同一时间内移动过的曲线距离显然不同，即外侧车轮移动过的距离大于内侧的车轮。若两侧车轮都固定在同一刚性转轴上，两轮角速度相等，则此时外轮必然是边滚动边滑动，内轮必然是边滚动边滑动转。 同样，汽车在不平路面上直线行驶时，两侧车轮实际移过曲线的距离也不相等。即使路面非常平直，但由于轮胎制造尺寸误差，磨损程度不同，承受的载荷不同或者充气压力不等，各个轮胎的滚动半径实际上不可能相等。因此，只要各车轮角速度相等，车轮对路面的滑动就必然存在。 1.2 差速器的分类 1.2.1 按使用的场合分 车轮对路面的滑动不仅会加速轮胎磨损，增加汽车的动力消耗，而且可能导致转向和制动性能的恶化。所以，在正常的行驶条件下，应使车轮尽可能不发生滑动。为此，在汽车结构上，必须保证各个车轮有可能以不同的角速度旋转，若主减速器从动轮可用不同角速度旋转，以保证纯滚动状态，就必须将两侧车轮的驱动轴断开，而由主减速器从动轮通过一个差速齿轮系统——差速器分别驱动两侧半轴和驱动轮。这种装在同一驱动桥两侧驱动轮之间的差速器称为轮间差速器。 多轴驱动汽车上，各驱动桥间由传动轴相连。若各桥的驱动轮均以相同的角速度旋转，同样也会发生上述轮间差速器类似的现象。为使各驱动桥有可能具有不同的输入角速度，以消除各桥驱动轮的滑动现象，可以在驱动桥之间装设轴间差速器。 1.2.2 按结构类型分 1、开式差速器：切诺基的开式差速器的结构，是典型的行星齿轮组结构，只不过太阳轮和外齿圈的齿数是一样的。在这套行星齿轮组里，主动轮是行星架，被动轮是两个太阳轮。通过行星齿轮组的传动特性我们知道，如果行星架作为主动轴，两个太阳轮的转速和转动方向是不确定的，甚至两个太阳轮的转动方向是相反的。 　　车辆直行状态下，这种差速器的特性就是，给两个半轴传递的扭矩相同。在一个驱动轮悬空情况下，如果传动轴是匀速转动，有附着力的驱动轮是没有驱动力的，如果传动轴是加速转动，有附着力的驱动轮的驱动力等于悬空车轮的角加速度和转动惯量的乘积。 　　车辆转弯轮胎不打滑的状态下，差速器连接的两个半轴的扭矩方向是相反的，给车辆提供向前驱动力的，只有内侧的车轮，行星架和内侧的太阳轮之间由等速传动变成了减速传动，驾驶感觉就是弯道加速比直道加速更有力。 　　开式差速器的优点就是在铺装路面上转行行驶的效果最好。缺点就是在一个驱动轮丧失附着力的情况下，另外一个也没有驱动力。 　　开式差速器的适用范围是所有铺装路面行驶的车辆，前桥驱动和后桥驱动都可以安装。 2、限滑差速器：限滑差速器用于部分弥补开式差速器在越野路面的传动缺陷，它是在开式差速器的机构上加以改进，在差速器壳的边齿轮之间增加摩擦片，对应于行星齿轮组来讲，就是在行星架和太阳轮之间增加了摩擦片，增加太阳轮与行星架自由转动的阻力力矩。 　　限滑差速器提供的附加扭矩，与摩擦片传递的动力和两驱动轮的转速差有关。 　　在开式差速器结构上改进产生的LSD，不能做到100％的限滑，因为限滑系数越高，车辆的转向特性越差。 　　LSD具备开式差速器的传动特性和机械结构。优点就是提供一定的限滑力矩，缺点是转向特性变差，摩擦片寿命有限。 　　LSD的适用范围是铺装路面和轻度越野路面。通常用于后驱车。前驱车一般不装，因为LSD会干涉转向，限滑系数越大，转向越困难。 3、锁止式差速器：为了保证车辆在复杂的越野路况下的行驶性能，通过一定的机械结构把差速器锁死，实现两个半轴的同步转动。通过行星齿轮组分析，就是把行星齿轮组的变速机构锁死，保证行星架和太阳轮之间，以及两个太阳轮之间的传动比都是1：1。可以把太阳轮和行星架锁止，可以把行星架和行星齿轮锁死，还可以把两个太阳轮锁死。 　　锁止式差速器，在没有锁止的时候，其传动特性与开式差速器完全相同，在锁止的情况下，传动比被固定为1：1。 　　这种差速器的优点不言而喻，在越野路面提供了最大的驱动力，缺点是在差速器锁止的情况下，车辆转向极其困难；存在单车轮承受发动机100％的扭矩的可能，半轴会因为扭矩过大而变形或折断；车辆在转向的过程中，两半轴承受相反的扭矩，如果两侧轮胎的附着力都很大，会扭断半轴。另外这种差速器，在车辆行驶过程中执行锁止动作会产生比较大的噪音。 　　锁止式差速器具备开式差速器的所有结构和特性，在未锁止的情况下，应用范围与开式差速器相同；在锁止的情况下，只适合于低速行驶在非铺装路面，不能在铺装路面上行驶，否则会导致车辆损坏和转向失控。 　　这类差速器以ARB的气动锁止产品和Eaton的电动锁止产品为代表。 4、电子差速器锁：电子差速器锁与上述的几种相比，没有改变开式差速器的结构和特性，而是利用ABS或EBD系统来执行单侧制动打滑的车轮的动作，限制两驱动轮的转速差，保证两个驱动轮都有动力。 　　它的优点是安全性好，不会损坏车辆。而缺点是需要ABS和EBD系统，造价昂贵；在严酷的越野环境下，电子产品的可靠性不如机械产品；单侧车轮的驱动力，不如锁止式差速器的大。这类差速器锁，由于成本原因，一般只应用于高档轿车和高档的SUV。 5、自动机械锁止差速器：这类差速器的基本结构和机械锁止式差速器相同，不同的是，机械锁止差速器的锁止和解锁，完全由驾驶员人工控制；自动机械锁止式差速器则是根据路况自行锁止和解锁。它的锁止检测机构很精巧，检测量有两个，一个是差速器边齿轮和差速器壳子之间的转速差，另外一个就是差速器壳的转速。 此类差速器的锁止条件是差速器壳体转速不超过设定值（也就是车速低于设定值），变齿轮与差速器壳的转速差超过设定值（左右车轮的转速差太大），如果两个条件都符合，就会触发差速器的锁止，正常行驶中的转向不会引起它的锁止。整个锁止过程，车轮空转的角度差不超过360度。 解锁条件则是差速器壳转速超过设定值（车速超过设定值），左右半轴的扭矩方向相反（车辆开式转向），满足两者中的任何一个，就会立即解锁。 它的优点是公路行驶特性与开式差速器完全相同。越野路面，与锁止式差速器特性完全相同，不会因为转向而扭断半轴，其锁止和解锁过程完全是自动的，不需要人为干预。可靠性非常高。 缺点就是锁止噪音比较大，结构比机械锁止差速器复杂，每一种差速器只能适用于一种车型，不具有通用性。此类差速器可以直接替换开式差速器，前驱后驱都可以用，没有适用性方面的限制。 　　以Eaton公司的产品为代表的自动机械锁止差速器是最适合越野车适用的差速器，遗憾的是，没有能直接给小切用的产品。 6、自动解锁差速器：自动解锁差速器的工作原理和锁止差速器恰恰相反，这个产品设计的非常巧妙。锁止差速器工作的时候，是执行锁止操作；而自动解锁差速器工作的时候，执行的是单边解锁操作。 自动解锁差速器在车辆直行的时候，左右半轴通过齿轮与小齿轮轴同步转动，工作在锁止状态。当两驱动轮存在转动角度差的时候（车辆转向或者一个轮子打滑），自动解锁差速器会通过它的机械机构，将一个轮子的离合器分离，取消它的动力输出。两个轮子转动角度相同的时候，离合器再结合。完成一次分离并重新结合的操作，两个车轮的角度差不小于18度。加油门的时候，分离的是转的稍快的车轮，收油门发动机制动的时候，分离的是转的稍慢的车轮。如果用于前桥驱动，车辆的转向系统会随着加减油门有失控的倾向。在附着力高的路面（土路或柏油路），如果两个驱动轮因为驱动力过大而同时打滑，则每一个车轮转动一周，与其相联的自动解锁差速器离合器都会分离结合2到10次，两个车轮交替的获得分动箱输出的100％扭矩，驱动轮的动力输出状态不是连续的，而是脉动的，地面的附着力越大，两个驱动轮打滑转速越高，自动解锁差速器离合器结合时的冲击力就会越大。为了承受这种高频的大扭矩冲击，制造PowerTrax NoSlip的材料强度必须特别耐冲击，所以使用的时钛合金。但原车半轴设计没有考虑这种冲击扭矩，往往承受不了。 　　优点：通用性好，安装简便，没有锁止式差速器的锁止噪音，在铺装路面上不会因为转向而扭断半轴。 　　缺点：不能用于全时四驱的前桥；在附着力比较高的平坦路面，提供的牵引力小于锁止式差速器；在高附着力路面，两个驱动轮同时打滑，对半轴的冲击力非常大，容易扭断半轴；安装自动解锁差速器会导致自动档车换档冲击变大。 　　适用性：适合后桥驱动轻度越野和低附着力路面。不适合高附着力路面和大动力输出的场合的使用，不适合在前桥内安装（即使是4驱的切诺基，很容易断前半轴）。 1.3 SANTANA差速器的具体构造及工作原理 1.3.1 SANTANA差速器的具体结构 SANTANA差速器为对称式锥齿轮式。下面就它的具体结构的详细介绍。见图1.1 图1.1 SANTANA差速器结构 1、5-差速器壳；2-半轴齿轮推力垫片；3-半轴齿轮；4-行星齿轮；6-螺栓；7-行星齿轮球面垫片；8-行星齿轮轴（十字轴） 其转矩的传递路线如下： 从动锥齿轮→差速器壳→十字轴→行星齿轮→半轴齿轮→半轴→驱动轮 1.3.2 SANTANA差速器的工作原理 图1.2 SANTANA差速器工作原理 1、2-半轴齿轮；3-差速器壳；4-行星齿轮；5-行星齿轮轴；6-主减速器从动齿轮 差速原理。见图1.2。 l 当车辆直线行驶时：行星轮无自转，只随行星十字轴架绕差速器轴线公转，； l 当车辆转弯行驶时：设行星轮自转角速度，则对于行星轮的A点和B点（分别为行星轮与左右半轴齿轮的啮合点）有如下运动方程： 其中（半轴齿轮转速）是绝对速度，（差速器壳即从动锥齿轮转速）是牵连速度，是相对速度；上述两式相加，得 结论： ①. 左右两侧半轴齿轮转速之和等于差速器转速的两倍，而与行星齿轮转速无关； ②. 当其中一个时，另一个； ③. 若，则。这相当于将差速器壳锁止（中央制动器，锁住传动轴），但汽车仍然能动，所以现在逐渐取消中央制动器。 转矩分配见图1.3 MT n4 n1 n2 F2 F2‘ F1‘ F1 M2 M1 图1.3 SANTANA差速器转距分配 主减速器传来的转矩为，当行星齿轮没有自转时，； 当行星齿轮有自转时，，则由于行星轮自转，行星轮轮孔与行星齿轮轴间，及齿轮背部与差速器壳之间产生摩擦，行星齿轮所受的摩擦力矩为，如上图所示， ， 左右轮上的转矩之差等于差速器内部摩擦力矩；使得转的快的半轴减速，转得慢的半轴加速，从而实现转矩的分配。 锁紧系数：，衡量差速器内部摩擦力矩大小及转矩分配特性。由于转矩分配特性，在通过坏路时（一边车轮在好路上，一边车轮在坏路上滑转）静止不动车轮上分配转矩与滑转车轮上的很小的转矩近似相等，总的牵引力不能克服行驶阻力，汽车不能前进。 1.4 Unigraphics系统简介 UG是UnigraphicsSolutions公司的拳头产品。该公司首次突破传统CAD/CAM模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。在UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数CAD/CAM软件厂商所采用。 UG最早应用于美国麦道航空公司。它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。90年代初，美国通用汽车公司选中UG作为全公司的CAD/CAE/CAM/CIM主导系统，这进一步推动了UG的发展。1997年10月Unigraphics Solutions公司与Intergraph公司签约，合并了后者的机械CAD产品，将微机版的SOLIDEDGE软件统一到Parasolid平台上。由此形成了一个从低端到高端，兼有Unix工作站版和WindowsNT微机版的较完善的企业级CAD/CAE/CAM/PDM集成系统。 UG软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能；而且，在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性；同时，可用建立的三维模型直接生成数控代码，用于产品的加工，其后处理程序支持多种类型数控机床。另外它所提供的二次开发语言UG/Open GRIP，UG/Open API简单易学，实现功能多，便于用户开发专用CAD系统。 具体来说，该软件具有以下特点： 1. 具有统一的数据库，真正实现了CAD/CAM/CAE等各模块之间的无数据交换的自由切换，可实施并行工程。 采用复合建模技术，可将实体建模、曲面建模、线框建模、显 示 几何建模与参数化建模融为一体。 3. 用基于特征（如孔、凸台、型腔、槽沟、倒角等）的建模和编辑方法作为实体造型基础，形象直观，类似于工程师传统的设计方法，并能用参数驱动。 4. 面设计采用非均匀有理B样条基础，可用多种方法生成复杂的曲面，特别适合于汽车外形设计、汽轮机叶片设计等复杂曲面造型。 5. 出图功能强，可十分方便地从三维实体模型直接生成二维工程图。能按ISO标准和国际标注尺寸、形状公差和汉字说明等。并能直接对实体做旋转剖、阶梯剖和轴侧图挖切生成各种剖视图，增强了绘制工程图的实用性。 6. 以PARASOLID为实体建模核心，实体造型功能处于领先地位。目前著名CAD/CAM/CAE软件均以此作为实体造型基础。 7. 提供了界面良好的二次开发工具GRIP ( GRAPHICAL INTERACTIVE PROGRAMING ) 和UFUNC ( USER FUNCTION )，并能通过高级语言接口，使UG的图形功能与高级语言的计算功能紧密结合起来。 8. 具有良好的用户界面，绝大多数功能都可通过图表实现；进行对象操作时，具有自动推力功能；同时，在每个操作步骤中，都有相应的提示信息，便于用户做出正确的选择。 利用Unigraphics 系统，汽车及其零部件现在可以以一种完全数字化的方式进行设计、实验、制图及制造。Unigraphics已成为拥护缩短产品开发周期、降低成本的必不可少的强有力的工具。 2 汽车差速器的设计计算 2.1桑塔纳轿车及差速器的主要参数 2.1.1桑塔纳轿车的技术参数 l 发动机最大扭矩 根据《上海桑塔纳轿车结构图册》，桑塔纳轿车发动机的最大输出扭矩 l 变速器的传动比 因为传动比越大，传动系所传递的扭矩就越大。因此为了设计计算的可靠和有效，只需考虑一档传动时的情况 一档传动比 减速器传动比 l 差速器所受到的扭矩 主减速器传递的最大扭矩： …………………（2.1） 行星齿轮所受到的最大扭矩： …………………………… （2.2） 半轴齿轮所受到的最大扭矩： ……………… （2.3） 2.1.2 差速器的基本参数 l 行星齿轮数目n的选择： 行星齿轮数n需根据承载情况来选择。通常情况下轿车 n=2；货车或越野车n=4。根据本设计的情况，取n＝2 l 行星齿轮球面半径确定 行星齿轮球面半径Rb反映了差速器锥齿轮节锥距的大小和承载能力，可根据经验公式来确定： ………………………………………（2.4） 式中，Kb为行星齿轮球面半径系数，Kb =2．5～3．0，对于有四个行星齿轮的轿车和公路用货车取小值，对于有两个行星齿轮的轿车及四个行星齿轮的越野车和矿用车取大值。本设计中取3.0 节锥距：…………………………………（2.5） l 行星齿轮与半轴齿轮齿数的选择 为了使轮齿有较高的强度，希望取较大的模数，但尺寸会增大，于是又要求行星齿轮的齿数Z1应取少些，但Z1一般不少于10。半轴齿轮齿数Z2在14～25选用。大多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比Z2／Z1在1．5～2．0的范围内。 为使两个或四个行星齿轮能同时与两个半轴齿轮啮合，两半轴齿轮齿数和必须能被行星齿轮数整除，否则差速齿轮不能装配。 因此： 行星齿轮轮齿数 半轴齿轮齿数 满足安装条件为： l 速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定 l 行星齿轮与半轴齿轮的节锥角： …………………………………………（2.6） …………………………………………（2.7） l 圆锥齿轮的大端面模数m： ……………………………………………（2.8） 取m=4.5 l 压力角 某些重型货车和矿用车采用压力角，以提高齿轮强度。本设计中根据实际情况，采用压力角为、齿高系数为0.8的齿形。 2.1.3 差速器的主要工作部件： l 从动轴　见图2.1 图2.1 从动轴 l 从动锥齿轮　见图2.2 图2.2　从动锥齿轮 l 差速器半轴齿轮 见图2.3 图2.3 半轴齿轮 l 防转螺母 见图2.4 图2.4 防转螺母 l 行星齿轮轴 见图2.5 图2.5 行星齿轮轴 l 行星齿轮 见图2.6 图2.6 行星齿轮 l 圆锥滚子轴承 见图2.7 图2.7 圆锥滚子轴承 l 差速器壳 见图2.8 图2.8 差速器壳 l 凸缘轴螺栓 见图2.9 图2.9 凸缘轴螺栓 l 凸缘轴 图2.10 图2.10 凸缘轴 l 里程表主动齿轮衬套 见图2.11 图2.11 里程表主动齿轮衬套 l 里程表主动齿轮 见图2.12 图2.12 里程表主动齿轮 l 螺栓 图2-13 图2.13 螺栓 l 弹性锁销 图2.14 图2.14 弹性锁销 l 球型垫圈 图2.15 图2.15 球形垫圈 l 圆柱滚子轴承 图2.16 图2.16 圆柱滚子轴承 l 双列圆锥滚子轴承 图2.17 图2.17 双列圆锥滚子轴承 2.1.4差速器主要部件的尺寸计算 l 齿数 ， l 大端模数 l 齿顶高系，顶隙系数 ………………………（2.9 ） l 径向变位系数　， …………（2.10） l 切向变位系数　， …………………………… （2.11） l 分锥角 , ……………… （2.12） l 分度圆直径 ， ……………………………（2.13） l 外锥矩 …………………………………………… （2.14） 锥距R反映锥齿轮传动的外廓尺寸及承载能力的大小，是锥齿轮传动的特征尺寸，它大体相当于圆柱齿轮传动的中心矩 l 齿宽 ,取12 …………………………………………………（2.15） l 齿宽系数 ………………………………………………………（2.16） l 齿宽中点分度圆直径 ………………………………………………… （2.17） l 齿宽中点模数 ，取标准值4 …………………………（2.18） l 齿宽中点锥矩 ……………………………………（2.19） l 齿顶高 ………………………………………………… （2.20） l 齿根高 …………………………………………… (2.21） l 齿顶圆直径 ………………………………………………(2.22) 齿根圆直径 …………………………………………… (2.23) l 齿根角 ……………………………………………(2.24) l 齿顶角， …………………………………………………(2.25) l 顶锥角 ， ……………(2.26) l 根锥角 ， ……………(2.27) 表2-1 差速齿轮与半周齿轮的几何尺寸计算 序号 名称 符号 差速齿轮 半周齿轮 1 大端模数 4.5 4.5 2 传动比 1.5 1.5 3 分度圆锥角 4 分度圆直径 45 67.5 5 齿顶高 4.5 4.5 6 齿根高 5.4 5.4 7 全齿高 9.9 9.9 8 顶隙 0.9 0.9 9 齿顶圆直径 52.49 72.49 10 齿根圆直径 36.01 61.51 11 外锥距 40.56 40.56 12 齿宽 12 12 13 齿顶角 14 齿根角 15 顶锥角 16 根锥角 2.1.5 强度验算 l 选择材料及确定需用应力 差速齿轮和半轴齿轮均采用20CrMnTi渗碳淬火回火，齿面硬度为60HRC 因，，故 ………………………………………… (2.28) 因，，故 …………………………………………… (2.29) l 齿轮的齿面接触强度验算 交角为直角的钢制直齿圆锥齿轮的齿面接触强度验算公式为： ………………………………………………………(2.30) 从公式中可以看出，只需验算传递转矩较大的齿轮即和保证设计的可靠性，同时也可以减少不必要的计算量。因此： ， 所以，安全 l 齿轮的齿根弯曲应力验算 交角为直角的钢制直齿圆锥齿轮的齿根弯曲强度验算公式为： ……………………………………………………………………… (2.31) 同上，只需验算传递转矩较大的齿轮，即半轴齿轮即可 ，所以安全 因此设计的差速齿轮和半轴齿轮满足可靠性和安全性的要求 3 零件的装配 3.1零件装配 装配是将产品零件进行组织，定位的一个过程。通过装配，形成产品的总体结构，绘制装配图，检查零件之间是否发生干涉等。在计算机上进行装配，可以及早发现零件配合之间存在的 ,提供一个产品的整体模型。 3.1.1基本概念 1、装配件和子装配件 装配件就是我们在机械设计中学过的整件，子装配件就是部件，整件由部件和零件装配而成。在UG软件中任何一个.prt文件都可以作为装配件和子装配件，当然也可以作为零件，通常我们将.pat文件称为部件。 2、组件对象 每一个装配件和子装配件都可以看作是一个组件对象，组件对象是一个从装配件或子装配件链接到主模型部件的指针实体。组件对象记录的信息有：名字、层、颜色、线型、线宽、引用集和配对条件等。 3、组件 组件是装配中由组件对象所指的.pat文件，实际几何体存储在组件中，并被装配件引用，而不是拷贝。组件可以是： （1） 英制或公制两种不同的单位。 （2） 组件的版本没有限制，可以使V13版本以前的或以后的任何版本。 （3） 组件的读写权限没有限制，可以是只有读权限的文件。 （4） 组件的目录没有限制，可以是当前目录的，也可以不是，只要你有读的权限就可以用来装配。 4、单个零件 单个零件是指含有零件几何模型的.prt文件，它可以作为组件添加到装配件中，但它本身不能作为装配件。 5、主模型概念 主模型是各个模块都能引用的部件模型，是机算机并行工程思想再UG软件中的一种体现。一个主模型可以同时被工程图、装配、加工、机构分析和有限元分析等模块引用。装配件也是一个主模型，主模型改变后，相关的应用会自动更新。 3.1.2装配模式 1、多零件装配 用此方法进行装配，装配件中的零件与原零件之间是一种拷贝关系而非链接关系，对原零件的修改不能自动反映到装配中，是一种非智能装配，既浪费内存，又影响装配速度。最好不使用此方法。 2、虚拟装配 所谓虚拟装配是指通过零件之间的引用和链接关系，形成装配模型。虚拟装配采用了许多先进技术：将零件放在不同的文件中以减少装配存储量；以主模型为基础保持几何相关性和零件的自 动刷新；采用引用集简化显示模型信息；约束零件之间的定位关系；建立装配结构树便于装配的各种操作。这是一种推荐使用的方法。 3.1.3装配方法 1、自顶向下装配 自顶向下装配就是在上下文中进行设计,即由装配件的顶级向下产生子装配和组件，在装配层次上建立和编辑组件，从装配件的顶级开始自顶向下进行设计。 2、自底向上装配 自底向上装配是建立在单个零件的几何模型即组件，在组装成子装配件，最后装成装配件，自底向上逐级地进行设计。 3、混合装配 在实际工作中，根据需要可以混合运用上述两种方法。例如，一开始在自底向上模式下工作，随着设计过程的进展，可以转到自顶向下模式。根据需要，可以在这两种方法之间任意转换。 在本课题中零件较多比较复杂，因而采用了多种装配方法来装配零件。具体的装配顺序见图3.1 3.1 差速器零件的装配顺序 3.1.4 装配过程 下面以球型垫片的装配方法为例，具体介绍自顶向下的装配方式。 １. 打开装配文件assemblie：File→Open→选择文件assemblie→ok。 ２. 进入编辑装配模式：Application→Modelin…；Application→Assemblies; ３. 加入组件Differential carrier: Assemblies→Components→Edit Existing…或　 Choose Part File→Differential→ok→定义安放位置（０，０，０） ４. 建立新文件One-piece spherical washer： Assemblies→Components→creat new　或　 →跳出选择框，ok→输入新的文件名One-piece spherical washer，ok→ok ５. 在装配数中右击文件One-piece spherical washer，选择make　work　part，将其变为工作零件;或电击　在列表中选择文件； ６. 抽取内表面：选择Assemblies→wave Gemetry　Linker…→选择face图标　选择主减速器壳球型内表面ok； ７. 加厚片体Insert→Form Feature→Thicken sheet…→选中被抽取出来的片体，First Offset:1,ok。结果如图3.2所示 图3.2 球形垫圈的装配 最终的装配结果如图3.3所示 图3.3 差速器装配结果 3.2 爆炸视图 在产品装配中，利用爆炸分离图可以将装配图中的零件分离开，以便清晰地反映出零件的装配方向和关系。部件按照指定的方向和距离，例如中轴线，分离开装配位置。爆炸图不影响实际的装配模型，它仅是一个供观察的视图，并可输出到工程制图中。 爆炸视图的特点：a可对爆炸视图中的组件进行所有的UG操作，b任何对爆炸视图中组件的操作都影响到非爆炸视图中的组件，c爆炸视图可随时在任意视图中显示或不显示。 爆炸视图的限制：a不能爆炸装配部件中的实体，只能爆炸装配部件中的组件，b爆炸视图不能从当前模型中输入或输出。 简单介绍建立爆炸视图的一般步骤： 选择建立爆炸视图：Assemblies→Exploded Views→Create Explosion或→；弹出对话框3.4 图3.4 爆炸图建立对话框 输入爆炸视图的名称 选择爆炸的组件 用点到点的爆炸方法爆炸开组件 （注：Point to Point 指定两点间的距离为爆炸距离。选择此选项，弹出点构造器，可用他指定两点，组件从第一点移到第二点。） 图3.5是汽车差速器的爆炸视图 图3.17 差速器爆炸试图 4 差速器的运动分析 4.1 UG运动分析简介 4.1.1运动分析模块简介 运动分析模块是CAE应用软件，用于建立运动机构模型，分析其运动规律。运动分析模块自动复制主模型的装配文件，并建立一系列不同的运动分析方案。每个运动分析方案均可独立修改，而不影响装配主模型，一旦完成优化设计方案，就可直接更新装配主模型以反映优化设计的结果。 4.1.2 运动分析模块能执行的类型 运动分析模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。运动分析模块的分析结果可以指导修改零件的结构设计（加长或缩短构件的力臂长度、修改凸轮型线、调整齿轮比等）或调整零件的材料（减轻或加重或增加硬度等）。设计的更改可以反映在装配主模型的复制品分析方案（Scenario）中，再重新分析，一旦确定优化的设计方案，设计更改就可以直接反映到装配主模型中。 一、 创建运动分析方案 可以认为机构是一组连接在一起运动的连杆（Links）的集合，UG可用下面三步产生一个运动分析方案： 第一步 创建连杆（Links） UG可在运动机构中创建代表运动件的连杆。 第二步 创建运动副（Joints） UG可创建约束连杆运动的运动副。在某些情况下，可同时创建其他的运动约束特征，如弹簧、阻尼、弹性衬套和接触。 第三步 定义运动驱动（Motion Driver） 运动驱动驱动机构的运动。每个运动副可包含下列五种可能的运动驱动中的一种： 无运动驱动（None）（机构只受重力作用） 运动函数（Motion Function）（用数学函数定义运动方式） 恒定驱动（恒定的速度和加速度） 简谐运动驱动（Harmonic Driver）（振幅、频率、和相位角） 关节运动驱动（Articulation Driver）(步长和步数) 二、 使运动分析中的机构运动起来 运动分析方案中的机构以下面的两种形式运动： （1） 关节运动（Articulation） 关节运动是基于位移的一种运动方式。机构以指定的步长（旋转角度或直线运动）和步数运动。 (2) 运动仿真（Animation） 运动仿真是基于时间的一种运动方式。机构在指定的时间段中运动，并同时指定该时间段中的步数进行运动分析。 4.2 差速器的运动分析方案 在简单介绍了UG运动分析模块之后，我们就差速器的运动分析作详细阐述。预览 4.2.1 差速器在直线运动时的运动分析 第一步：打开装配件assemble，进入Modeling模块； 第二步：启动运动分析模块 选择Application→Motion。 在分析方案导航器中激活Scenario_1。 系统切换到Scenario_1,并使之成为工作部件。 第三步：定义连杆 进入定义连杆菜单，Insert→Link…或。 创建连杆对话框图4-1，将显示连杆默认的名字（Name），格式为 L001、L002、…L00n。编辑名字项按回车键可改变名字。 图4.1 连杆创建对话框 注意：（1）对象不能与多个连杆相关，例如，一旦一个对象被选择并被选择成为一个连杆的一部分，他不能再次被选中而成为另外的一个连杆的一部分。 （2）当装配文件中创建连杆并选择组件（Component）时，可设过滤器（Filter）或用上一级（Up One Level）按钮。 连杆一L001，如图4.2 图4.2 连杆一 连杆二L002，如图4.3 图4.3 连杆二 连杆三L003，如图4.4 图4.4 连杆三 第四步：创建运动副 顾名思义，运动副（Joints）就是将机构中的连杆连接（Joint） 在一起，从而使连杆一起运动。另外，为了让机构作规定的运 动，必须用运动副限制连杆之间的运动。 运动副约束：在创建运动副之前，机构中的连杆是在空间浮动 的，没有约束，具有6个自由度（Degrees Of Freedom,DOF）： 沿X、Y、Z方向的移动，绕X、Y、Z方向的转动。 当运动副创建后，会约束一个或几个运动（移动或转动）自由 度，机构中的运动副约束和自由度的概念即是已知的机构 Gruebler数。必须记住的是，运动副具有双重作用：允许所需 运动、限制不要运动。 进入运动副菜单：Insert→Joint…或。 注：UG运动分析模块提供12种运动类型，共分两大类：普通类型运动副8种，特殊类型的运动副4种。 普通类型的运动副是独特的，它只与自身有关。而特殊类型的运动副是在两个普通类型的运动副之间定义了特殊关系的运动副，它允许两个普通类型的运动副一起工作完成特殊功能。 运动副对话框，如图4.5所示。 图4.5 运动副对话框 ：旋转副 ：滑动副 ：柱面副 ：螺旋副 ：万向节 ：球面副 ：平面副 创建运动副的操作分四步： （1） 选择运动副要约束的第一连杆（First Link）. （2） 确定运动副第一连杆的原点和方向(Origin and Orientation on First Link). （3） 选择运动副要约束的第二连杆(Second Link) （4） 确定运动副第二连杆的原点和方向（Origin and Orientation on Second Link）. 选择步骤见图4.6： 图4.6 运动副的定义 其他的运动副参数 运动副参数对话框的下部有5个选项：运动驱动（Motion Driver）、运动副图表比例（Joint Scale）、比例（Ratio）、运动副图表颜色（Joint Color）及运动范围限制（Limits）。 运动副限制（Joint Limits） 打开复选框Limits（限制），限制运动副的运动范围（Upeer、lower）。 运动驱动（Motion Driver） 运动驱动是赋在运动副上控制运动的运动参数。当建立或编辑用一个运动副时，就会弹出运动驱动对话框，见图4.7 图4.7 运动驱动对话框 共有5个输入类型： （1） 无驱动 无驱动（No driver）：顾名思义，没有外加的运动驱动赋在运动副上。 （2） 运动函数 运动函数（Motion Function）是描述复杂运动驱动的数学函数。 （3） 恒定驱动 恒定驱动（Constant Driver）设置某一运动副为等常运动（旋转或线性位移），所需的输入参数是位移（时间t=0时的初始位移位置）、速度和加速度。 （4） 简谐运动驱动 简谐运动驱动（Harmonic Driver）产生一个光滑的向前或向后的正弦运动。所需的输入参数是振幅（Amplitude）、频率（Frequency）、相位角（Phase Angle）和位移（Displacement）。 （5） 关节运动驱动 关节运动驱动（Articulation Driver）设某一运动副以特定的步长（旋转或线性位移）和特定的步数运动，所需的输入参数为步长（Step Size）和步数（Number of Step）。 运动副图标比例（Joint Scale） 控制运动副图标的相对显示大小。 比率（Ratio） 比率参数只用于特殊的运动副。这类运动副包括可以表达为比率的运动关系。 名称 允许为运动副指定用户自定义的名称。 第五步：创建齿轮副 进入创建齿轮副菜单：Insert→Gear…或。如图4.8 图4.8 创建齿轮副 （1） 选择现有的旋转副1； （2） 选择现有的旋转副或平面副2； 注意：两个运动副须预先建立，且两个运动副的第二连杆是同一连杆（即第二个连杆是公共的）。 （3） 可以在运动副参数菜单中设定齿轮比参数，方法有两种——输入一个数值或用Origin按钮拾取齿轮啮合点作为运动副的原点。 （4） 单击ok或Apply按钮创建齿轮副。 表4-1 直线运动时的连杆与运动副 序号 名称 部件 备注 1 连杆L001 从动轴、圆柱滚子轴承、双列圆锥滚子轴承 如图4.3 2 连杆L002 从动锥齿轮、差速器壳、球形垫圈、圆锥滚子轴承、螺栓、里程表主动齿轮和衬套、弹性锁销、行星齿轮轴及行星齿轮 如图4.4 3 连杆L003 凸缘轴、凸缘轴螺栓、差速器侧齿轮、防转螺母 如图4.5 4 运动副J001 定义连杆L001为旋转副 如图4.10 5 运动副J002 定义连杆L002为旋转副 如图4.10 6 运动副J003 定义连杆L003为旋转副 如图4.10 7 运动副J004 定义连杆L001、L002为一齿轮副 如图4.10 图4.10 直线时的连杆与运动副 第六步：运动仿真 当运动驱动为运动函数、恒定驱动或简谐运动时，则进入运动仿真（Animation）对话框进行分析。 在分析工具条中选择运动仿真图标即启动运动仿真分析过程如图4.11 图4.11 运动仿真启动图标 弹出分析对话框，见图4.12 图4.12 分析对话框 机构运动学分析 机构运动学（Kinematic）按输入的时间和步骤进行仿真分析。 时间值代表运动分析模型所分析的时间段内的时间，步数值代表在此时间段内分几个瞬态位置进行分析或显示。 图4-12的例子表示：在100秒内分100步，即每步为1秒分析模型的运动状况。 在分析选项对话框上单击ok按钮，启动ADAMS解算器进程。分析完成后，运动仿真对话框自动弹出，见图4.13。 步数项只是读的，所显示的数值即为分析选项对话框所指定的步数值。当前步数项显示当前步数值，当执行全程（Full Range）运动仿真时，步数值会快速循环显示。当将特定步数值输入该项并按回车键后，模型会自动前进到那一步并暂停。 运动仿真控制按钮执行这些功能。见图4.14。 图4.13 运动仿真对话框 图4.14 仿真控制功能 4.2.2 差速器在转弯时的运动分析 第一步：进入另一运动分析方案 选择assemble用鼠标右键点击，选中New Scenario; 激活Scenario_2,并使之成为工作部件。见图4.15。 图4.15 激活Scenario_2 第二步：创建连杆 进入定义连杆菜单，Insert→Link…或，如图4-2所示。 连杆一L001（Out shaft…），如图4.16 图4.16 连杆一 连杆二L002。如图4.17 图4.17 连杆二 连杆三L003。如图4.18 图4.18 连杆三 连杆四L004。如图4.19 图4.19 连杆四 连杆五L005、连杆六L006。如图4.20。 图4.20 连杆五、连杆六 第三步：创建运动副 进入运动副菜单：Insert→Joint…或，如图4.5所示。 注：创建运动副具体方法和直线运动时基本一致，只是在差速器壳内行星齿轮的运动不再是单单的公转，并且要自转，从而使得差速器侧齿轮的运动速度在方向一致的前提下产生快慢变化。 关键在于直线运动时行星齿轮是与差速器壳体作为同一连杆一起运动，而转弯时它作为单个连杆可以自己定义转动，并且不是固定转动，这样它便可实现自转和公转的运动。 第四步：创建齿轮副 进入创建齿轮副菜单：Insert→Gear…或，如图4.9。 （1） 选择已建立的旋转副J001； （2） 选择已建立的旋转副J002； （3） 在运动副参数菜单中设定齿轮比参数：4.11 （4） 单击ok或Apply按钮创建齿轮副。 表4-2 转弯行驶时的连杆和运动副 序号 名称 部件 备注 1 连杆L001 从动轴、圆柱滚子轴承、双列圆锥滚子轴承 如图4.16 2 连杆L002 从动锥齿轮、差速器壳、球形垫圈、圆锥滚子轴承、螺栓、里程表主动齿轮和衬套、弹性锁销、行星齿轮轴 如图4.17 3 连杆L003 凸缘轴、凸缘轴螺栓、差速器侧齿轮、防转螺母 如图4.18 4 连杆L004 凸缘轴、凸缘轴螺栓、差速器侧齿轮、防转螺母 如图4.19 5 连杆L005、L006 行星齿轮 如图4.20 6 运动副J001 定义连杆L001为旋转副 如图4.21 7 运动副J002 定义连杆L002为旋转副 如图4.21 8 运动副J003 定义连杆L003为旋转副 如图4.21 9 运动副J004 定义连杆L004为旋转副 如图4.21 10

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