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拖拉机差速器的结构工艺规程设计开题报告一、国内外研究的背景、及意义1课题研究背景目前国内的差速器产品的技术基本源自美国、德国、 日本等几个传统的工业国家，我国现有的技术基本上是引进国外的基础上发展的，而且已经有了一定的规模。但是目前我国的差速器没有自己的核心技术产品，自主开发能力仍然很弱。在差速器的技术开发上还有很长的路要走。2课题研究的意义 拖拉机发动机的动力经离合器、变速器、传动轴，最后传送到驱动桥,再左右分配给半轴驱动车轮，在这条动力传送途径上，驱动桥是最后一 个总成，它的主要部件是减速器和差速器。减速器的作用就是减速增矩，这个功能完全靠齿轮与齿轮之间的啮合完成，比较容易理解。而差速器 就比较难理解，什么叫差速器，为什么要“差速”？ 当拖拉机转向时，车轮以不同的速度旋转。在转弯时，每个车轮驶过的距离不相等，即内侧车轮比外侧车轮驶过的距离要短。因为车速等于拖拉机行驶的距离除以通过这段距离所花费的时间，所以行驶距离短的车轮转动的速度就慢。同时需要注意的是：前轮较之后轮，所走过的路程是不同的。 因此一个引擎或一个变速箱可以同时带动两个车轮。如果你的车上没有差速器，两个车轮将不得不固定联结在一起，以同一转速驱动旋转。这会导致拖拉机转向困难。此时，为了使拖拉机能够转弯，一个轮胎将不得不打滑。对于现代轮胎和混凝土道路来说，要使轮胎打滑则需要很大的外力，这个力通过车桥从一个轮胎传到另一个轮胎，这样就给车桥零部件产生很大的应力。拖拉机差速器是驱动轿的主件。它主要有三大功用： 把发动机发出的动力传输到车轮上； 充当拖拉机主减速齿轮，在动力传到车轮之前将传动系的转速减下来； 将动力传到车轮上，同时，允许两轮以不同的轮速转动。 从而满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。拖拉机差速器原理结构图如下图。 差速器原理实物图差速器在拖拉机上有很重要的意义，拖拉机除了直行，还要转弯。在转弯过程中，由于车体存在宽度，左右轮的回转半径是不一样大的，也就是说在转弯过程中，左右轮的转速是不一样的，可早期的拖拉机左右驱动轮为刚性连接，轮胎和机械部件在转弯过程中存在相当大的损耗，车辆的寿命受到严重的限制，路易斯.雷诺通过一个小小的齿轮机构解决了这个问题，并形象的将其命名为差速器。现代的差速器已经有了越来越优良的性能，能够实现车辆动力和操控性的完美结合。二、国内外的研究动态 目前拖拉机在朝着经济性和动力性的方向发展，如何能够使自己的产品燃油经济性和动力性尽可能提高是每个拖拉机厂家都在做的事情，当然这是一个广泛的概念，拖拉机的每个部件都在发生着变化。差速器也不例外，尤其是那些对操控性有较高需求的车辆。国外的那些差速器生产企业的研究水平已经很高，而且还在不断地进步。国内的差速器起步较晚，目前的发展主要靠引进消化国外产品来满足需求。 因此，我们要抓住市场机遇，在保证现有差速器生产和改进的同时，要充分认识到改革与发展的关系，更要认识到创新对发展的巨大推动作用。我们要紧随世界的步伐，使我们的产品向高技术含量，智能化得方向发展，开发出适合我国国情的，具有自主知识产权的新一代差速器。2.2差速器今后的发展目前中国的拖拉机上广泛采用的差速器为对称锥齿轮式差速器，具有结构简单、质量较小等优点。最近开发的新型锁式差速器，它的工作原理及与其他差速器的不同之处：当一侧轮子打滑时，普通开式差速器几乎不能提供任何有效扭矩给车辆，而锁式差速器则可以在发现车轮打滑后，锁定动力传递百分之百的扭矩到不打滑车轮，足以克服各种困难路面给车辆带来的限制。在牵引力测试、连续弹坑、V型沟等试验中，装有伊顿锁式差速器后，性能都超过了其他的车辆。因为只要驱动轮的任何一侧发生打滑空转以后，锁式差速器会马上锁止动力，并把全部动力转到另一有附着力的轮上，使车辆依然能正常向前或向后行驶。毫无疑问，更强的动力和安全性是差速器的最终目标。三 差速器的研究方法及步骤1 基于CATIA 的差速器分析 该方法最大的特点是建模与有限元分析使用同一软件平台,避免了接口传递可能产生的数据错误,是一种简便可行、运行效率高的齿轮设计与分析方法。最后结合实例,完成了某型差速器直齿圆锥齿轮的建模和有限元分析。 在具体建模过程中,可以利用CATIA 知识库中的公式f ( x) 将齿轮的重要基本参数(如齿数z 、模数m 、压力角a 、基圆半径rb、齿顶圆半径rk 、分度圆半径r、齿根圆半径rf ) 参数化表示,利用CATIA 的规则库fog建立关于球面渐开线齿廓面上坐标x 、y 、z 的参数方程。这种方法的好处在于齿轮参数改变时, 只需改变基本参数的取值,渐开线齿廓就会自动更新。 利用上述方法生成的锥齿轮轮齿模型如图1所示。 图1 锥齿轮球面渐开线轮齿 在对轮齿根据设计要求进行沿分度圆锥拷贝后,便可以形成直齿圆锥齿轮的雏形。然后在根据实际制造方法、安装尺寸及提高工作强度等方面的要求对齿轮模型进行后期完善(如对于本例,考虑锻造方法和强度要求,在轮齿间有一定厚度有加强筋,从而在满足装配要求的前提下有效提高了工作强度) 。最后得到差速器行星齿轮和半轴齿轮的三维模型如图2、图3 所示,其中半轴齿轮渐开线内花键的建模方法与前述一样,在此不再赘述。 图2 行星齿轮三维几何模型 图3 半轴齿轮三维几何模型2差速器的优化设计 提出将差速器圆锥齿轮的结构设计与性能设计结合起来,分两个阶段运用CAE 技术对其受载情况进行分析计算和优化研究, 主要改善了拖拉机后桥差速器圆锥齿轮设计方案中应力集中、应力不合理分布与扩展的状况,提高了基体的承载能力,减少了断裂失效的预期,优化了产品的结构设计。首先在三维实体造型软件UG平台上进行二次开发2 ,创建出差速器圆锥齿轮参数化特征造型实体模型,再利用有限元分析软件ANSYS 中的Parasolid专用接口程序进行模型导入,这样结合了CAD 与CAE 两种工具高效便捷的操作, 可充分发挥各自的领域优势3 - 4 ,快速建立起差速器圆锥齿轮标准啮合状态的有限元模型,为后续分析优化提供了计算基础。再次，进行实例失效分析。最后结构优化设计，在第一阶段分析计算的基础上,进一步提出了第二阶段的针对性改进分析方案,在增加压力角、减小齿高等轮齿强度增强设计意图基础上,直接将目标调整为主要解决应力集中与应力不合理分布扩展的问题,以获得直观有效的失效状况削减结果9。 圆锥齿轮的优化：目标函数的建立及设计变量的确定设计差速器时，在保证其性能和结构强度的前提下，应尽量使差速器结构紧凑。因此，选取差速器的体积最小为目标函数。直齿圆锥齿轮的体积可以近似认为等于以齿轮大端分度圆为下底、以小端分度圆为上底、以齿宽b与分锥角d 的余弦函数的乘积为高h 的圆台的体积。 为更好的适应企业产品快速设计环境下FEA技术的开发与利用,从设计过程知识重用的角度出发,提出了一种基于知识融合技术的产品结构分析优化方法,通过在设计活动中引入动态分析仿真预制流程模板对所设计的产品进行最佳实践的仿真分析,实现结构有限元网格模型与分析计算的参数化,从而支持企业产品设计内部知识和被验证可重复的分析优化方法的可延续形积累。通过在拖拉机后桥差速器圆锥齿轮结构设计过程中的应用表明:此方法能够协助设计人员在产品开发过程中有效应用FEA技术,改善了设计方案中的应力集中、应力不合理分布与扩展状况,提高了齿轮基体的承载能力,减少了断裂失效的预期,促进了设计质量和设计效率的提高。 首先在已有拖拉机后桥差速器圆锥齿轮设计经验的基础上,针对某型号原有设计方案定义了分析优化预制流程模板。然后根据设计人员提出的多个单项改进方案和综合改进方案(如加大过渡圆角、行星齿轮小端加凸台、大端加连皮、增加压力角、减小齿高、加长小端、半轴齿轮小端加凸台、大端半封闭、改变齿数比、行星齿轮与半轴齿轮小端加凸台、行星齿轮小端加凸台与大端加连皮、增加压力角并减小齿高等)创建差速器圆锥齿轮参数化特征造型实体模型。并通过模型转换接口,自动将其模型文件导入分析环境中,并调用分析优化预制流程模板,快速建立起各方案差速器圆锥齿轮标准啮合状态的有限元模型,为后续分析优化提供了计算基础。最后通过自动化任务分析单元执行有限元求解计算各方案啮合过程的应力与应变状况,并提取出同类结果数据存档。虽然目前完全自动化的FEA分析集成还难以达到,尤其是对复杂机械产品的有限元分析及其结果的综合评价,以及如何进一步改进产品结构设计等方面还有待人工智能化技术的深入发展。但应用表明:在分析专家的密切参与下,利用人机交互方式控制和预定义FEA的信息流处理过程,并提供一个有效的知识重用环境,以协助设计人员分析优化结构方案,实现产品的快速设计是可行的。四 差速器的设计时间进度安排（分阶段按实际教学周填写）：第一周第四周：调研.查阅资料.开题报告，文献翻译。第五周第六周：原理.方案构思。第七周第八周：完成设计方案.设计草图.并起草论文说明书第九周第十四周：完成总体设计及系统的装配图.零件图。第十五周第十六周：准备答辩。五 参考资料与来源：（1） 方伟强，欧元贤.机械工艺与设备及其计算机辅助设计.广州：华南理工大学，2008（2） 沈阳工业大学等编.组合机床设计.上海：上海科学技术出版社，1985（3） 谢家瀛.组合机床设计简明手册.北京：机械工业出版社，1992（4） 大连组合机床研究所编.组合机床设计第二册.北京：机械工业出版社，1975（5） 丛凤廷,迟建山.组合机床设计第二版.上海：上海科学技术出版社，1994（6） 大连组合机床研究所编.组合机床设计参考