【《汽车差速器参数化设计与仿真分析》11000字】

[12]。总结CATIA可知其产品广泛应用于航空航天、汽车制造、机械制造及电子电器等大型企业，能够为用户带来良好的体验，有效地解决用户的设计和制造问题。CATIA软件是典型的模块化应用软件，可以进行草图绘制、三维建模、曲线曲面造型设计及有限元分析等。本文主要应用CATIA软件机械设计中的草图绘制、零件设计及装配设计模块，基于前面章节的整体结构，绘制主要零件的草图，通过拉伸、旋转、凹槽等命令生成相应的三维零件，在设计完成所有的零件后，在装配设计中将所有的零件按照相应的装配配合要求进行相应的组合，从而实现折叠电动车的主体结构，其主要应用的命令有相合、面接触、面偏移等，CATIA具有强大的装配设计功能。3.2差速器齿轮的参数化的设计过程3.2.1定义原始设计参数首先本次设计运用的是创成式外形设计模块，具体的界面如下图3-1所示。图3-1创成式外形设计根据下图3-2的界面所示操作定义其圆锥齿轮的所设计的基本参数，主要有齿轮的模数m、齿数z、分度圆rv以及分锥角δ等参数。图3-2定义齿轮的参数化3.2.2创建锥齿轮的当量曲面通过插入几何图形集参数化定义锥齿轮的当量曲面，因为锥齿轮的背锥参数易于定义，和直齿齿轮进行比较。先定义基准圆，通过在当量曲面的工作台下绘制圆形，可以得到如图3-3所示的基准圆。图3-3创建基准圆得到基准参考圆后通过分割以及外插延伸按钮操作可以得到相应锥齿轮的轮齿齿廓，并将齿廓进行外插延伸，最后就是锥齿轮轮廓的半边齿形。再在半边齿廓的基础上通过对称定义，将半边的齿廓对称可以得到完整的齿廓，如图3-4所示。图3-4完整的齿轮廓通过以上的操作可以得到完整的背锥齿廓，在以上背锥齿廓的基础上将分度圆的中心进行一个旋转操作，就可以得到锥齿轮的分度圆单齿结构齿廓。再我们得到以上齿形结构后，在直接直线定义就可以直接定义出一条直线，该直线是单齿的单侧直线，在以上齿廓的基础上通过下图3-5所示的修剪定义边可以得到完整的背锥齿廓，具体的结果如图3-6所示，该背锥齿廓的结构参数如同直齿齿轮的齿形结构参数，便于计算和设计参考。图3-5修剪定义图3-6齿轮背锥齿廓3.2.3创建锥齿轮的曲面与线架锥齿轮的背锥齿廓得到后将齿顶中心线旋转一定角度，具体的操作如图3-7所该角度的数值通过参数化定义。将通过旋转一定角度后的齿顶中点，再向中心线得方向投影即可得齿顶中心的投影点。在该投影点的基础上采用创建圆命令可以创建一段圆弧，圆弧的角度定义可以通过参数化实现，最后可以得到锥齿轮大端圆弧。同样再根据以上的类似操作步骤可以得到基准圆的所有大端圆弧形状，如下图3-8所示图3-7齿顶中心旋转操作图3-8基准圆弧在大端圆弧结构的基础上再通过圆定义可以创建锥齿轮的大端圆弧齿廓，可以得到的锥齿轮大端近似的齿廓，将近似的齿廓进行外插延伸，得到锥齿轮大端齿廓。然后接着直接定义锥齿轮大端齿廓的直线并且进行外插延伸，具体的如图3-9所示，便于后文创建齿廓曲面。图3-9创建直线并延长在以上曲线的基础上通过下扫掠操作，就可以锥齿轮齿廓曲面。同样再继续通过扫掠创建齿根齿廓曲面。在上述操作过后的齿廓的基础上通过修剪定义可以得到完整的齿根曲面形状，如下图3-10所示。图3-10完整轮齿齿廓再定义锥齿轮的齿顶曲面形状，接着再用相交定义按钮可以得到齿顶和齿廓曲面的相交线，相交保留合适的曲面形状即可得到完整的齿廓结构，便于后文生成锥齿轮的实体结构。接着通过结合按钮可以将上文得到的齿廓曲面接合成一个整体结构，再将齿廓侧面的曲面进行填充合并操作最后可以得到轮齿齿廓曲面结构。再一次将齿廓曲面接合成整体，出现齿廓的大体结构。将以上的齿廓结构进行对称操作得到完整的锥齿轮齿廓结构，再定义锥齿轮大端的齿廓曲面，便于将锥齿轮的大端进行修剪从而得到一定的大端齿廓，并进行相应的修剪操作从而可以得到的完整锥齿轮齿廓结构。如下图3-11所示。图3-11完整曲面轮廓3.2.4创建锥齿轮实体结构通过上述创成式曲面造型得到锥齿轮的完整齿廓结构后就可以创建锥齿轮的实体结构，再会使用到软件中的零件设计模块，进入该模块如下图3-12所示。图3-12零件设计模块基于上述完成的完整的封闭齿廓曲面结构，再通过曲面定义就可以将完整封闭齿廓曲面结构定义锥齿轮的实体结构，再将曲面结构以及一些草图隐藏后得到下图3-13所示的锥齿轮实体结构。图3-13轮齿齿廓实体结构在锥齿轮实体结构基础上重新定义一个草图，草图结构的尺寸如下图3-14所示，并且通过旋转槽的操作就可以得到完整的单齿实体结构。图3-14定义草图在单齿结构的基础上通过圆形阵列操作就可以得到完整的锥齿轮实体结构，如图3-15所示。接着通过修改锥齿轮的齿数z、模数m等参数就可以实现参数化设计锥齿轮结构，便于锥齿轮的快速设计及开发。可以快速得到半轴齿轮。图3-15完整行星齿轮实体结构图3-16半轴实体结构3.3差速器整成的装配此部分的装配设计是基于CATIA的装配设计模块进行，首先打开CATIA的装配设计模块，通过插入现有的已经画好部件，也就是上文所示设计的锥齿轮结构，将其导入装配设计窗口后，通过相合、面接触及偏移等一系列的命令后，在更新即可完成相应零部件间的装配关系，装配时遵循的原则是先主体后附属，该差速器的行星齿轮是主体结构，首先完成主体结构的装配，将行星齿轮装配到十字轴上后，再将其他功能部件及其半轴齿轮结构结构装配起来，该差速器具体的装配设计如下所示。首先点击开始按钮下机械设计中的装配设计，进入相应的装配设计窗口，一些装配显示如下图3-17所示。图3-17装配过程通过装配模块中插入现有部件的操作然后导入部件后，而后通过如下的工具条可以实现零部件间的装配，主要是相合、面接触、面偏移及零部件的固定，其中相合作用是将两个圆孔的轴线共线，面接触就是两个零部件件的面进行接触操作，面偏移是为了满足两个零部件面间一定距离的安装，固定是为了将某个零部件作为主参考，其他零部件都装配到该结构上，各个命令的参考按钮如下图3-18所示。面偏移固定相合面面偏移固定相合面解接触图3-18装配设计主要命令在行星齿轮和十字轴导入后就可以装配，并将行星齿轮进行再次插入已有的零部件，同样通过相应的装配操作使其正确地连接，如此反复直到所有的零部件均装配到该结构上，形成一个完整的行星齿轮结构，同样的操作可以将半轴齿轮装配到行星齿轮结构上，如下图3-19所示。图3-19装配半轴齿轮在装配好零部件后再次插入已有的零部件，同样通过相应的装配操作使其正确地连接，如此反复直到所有的零部件均装配到该结构上，形成一个完整的差速器结构，其结构如下图3-20所示.图3-56差速器三维结构3.4本章小结本章主要是基于前文所设计的差速器结构根据相应的参数通过CATIA这个强大软件进行参数化三维造型设计，从而实现快捷的锥齿轮结构设计及造型，完成绘图及其装配。从而为后文差速器结构的有限元分析奠定一定的基础。

第四章汽车差速器的有限元仿真分析4.1有限元法及ANSYS软件介绍4.1.2有限元基本原理和方法有限元法的思想就是无限连续体的结构进行离散化，简化成有限的自由度，同时这些自由度之间通过一定的方程进行连接，从而实现将无限自由度转变成有限，并通过矩阵等运算来求解各个单元及节点的数值解。目前，有限元方法逐渐应用在一些复杂结构、边界条件下，使得工程问题的求解更加方便快速。有限元法主要是利用相关的软件将连续体进行离散从而求解离散节点的自由度和位移等数值解。有限元分析的主要步骤是：定义材料属性，划分网格，添加边界条件，定义求解类型，求解，后处理分析得到各种云图REF_Ref71124749\r\h[13]。4.1.2ANSYS软件概述目前，随时计算机技术的快速发展，有限元分析软件很多，功能强大，分别应用在各自不同的领域和行业，本文采用目前主流大型通用有限元软件ANSYS对不同钢结构进行有限元分析。结构静力学分析是ANSYS最为常用的，也是求解速度最快的一种分析类型。主要是分析结构在横幅载荷作用下的响应，如汽车结构，车身结构在一定载荷作用下的结构变形及应力分布，再如飞机、航空等零部件在一定的流体压力作用下的变形等。本次有限元的分析主要是运用ANSYS软件的结构静力分析的模块，有限元分析的具体流程图可参考下图4-1所示。图4-1有限元法分析基本流程4.2差速器齿轮有限元模型的建立4.2.1ANSYS建立齿轮结构模型差速器齿轮结构强度分析的传统计算方法是采用经典材料力学的方法，但是经典材料力学只能解决梁类问题，而对于复杂结构的梁类，则显得不太精确，时至今日，随着计算机技术的发展，有限元逐渐崛起，成为复杂结构强度分析的有利工具，所以本课题将用大型通用有限元分析软件ANSYS15对设计好三维差速器齿轮模型进行有限元分析REF_Ref71124776\r\h[14]REF_Ref71124779\r\h[15]。实体建模与导入模型是两种比较常用的ANSYS建模方法，在实体建模的过程中，首先生成能够描述几何形状的几何模型，然后接着划分节点与单元。第二种导入模型，将在三维软件中设计好的三维模型导入到ANSYS中，然后处理模型的连接及划分网格。由于变速器的齿轮铸造成型，曲线曲面较多可以充分利用三维软件强大的造成功能。本文变速器齿轮有限元模型的建立就采用第二种方法。有限元分析首先需要建立合适的差速器齿轮有限元模型，对原始细节之处进行简化，因此，本文基于前文的三维造型设计的齿轮结构进行相应的分析，导入ANSYS中显示的三维实体模型如下图4-2所示。a)行星齿轮的模型b)半轴齿轮的模型图4-2导入ANSYS齿轮的三维模型4.2.2定义单元类型ANSYS软件应用范围较为广泛主要是因为它提供了大约200种单元用于工程分析的各种单元，如线单元、梁单元、杆单元、壳单元和实体单元等[10]。由于变速器齿轮是铸件且结构较复杂，并且是由三维建模软件中转化过来的，所以选择三维4节点Solid95号单元类型进行网格划分。4.2.3定义材料属性绝大多数的单元类型都会需要去定义材料的属性。根据本次设计所需要分析目的的不同，材料的属性可以分为：线性或者非线性；各向同性、正交异性或非弹性。变速器齿轮的制造材料本文在设计时选择为结构轻质的铸铝合金，根据材料手册将其制造材料属性及力学性能列于表4-1所示。表4-1齿轮的制造材料属性及力学性能制造材料弹性模量MPa泊松比密度kg/mm3屈服强度MPa20CrMnTi2.06e50.287.85e-6900定义齿轮的制造材料属性，主要步骤如下：打开主菜单添加单元类型Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete→Add→Sloid→4node95，点击OK完成。然后定义齿轮制造材料属性，主要有弹性模量、泊松比及密度等。4.2.4划分网格在对模型进行网格划分之前，确定是否使用自由网格或者使用映射网格很重要，甚至在构建模型之前。自由网格对单元的形状并没有什么限制，对模型也没有具体的要求，和自由网格相比，映射网格对所含单元的形状有一些限制，要求几何模型符合一定的规则。因此，如果决定选择映射网格，则需要从建立几何模型开始时就对模型进行详细规划，以便生成的模型满足生成映射网格的规则要求。4.2.5齿轮有限元模型对齿轮进行有限元网格的划分，网格划分在控制面的整体网格尺寸后对整体采用自由网格划分，为了得到高质量的网格现状，采用较小的网格尺寸划分网格，于是可以得到齿轮的有限元模型如图4-3所示。a)行星齿轮的模型b)半轴齿轮的模型图4-3齿轮结构的有限元模型4.3齿轮的边界条件4.3.1齿轮约束边界条件约束边界条件又叫节点自由度，同时也叫做自由度约束，它是有限元分析里面中唯一的一个变量。在大多分析中，无论分析类型如何都需要施加相应的自由度约束，并且自由度约束一般作为边界条件加载在模型上[11]。ANSYS中自由度的常见约束如表4-2所示。表4-2结果分析模块中的自由度约束分析类型自由度ANSYS标识符结构分析平移UX，UY，UZ旋转ROTX，ROTY，ROTZ4.3.2齿轮载荷边界条件差速器齿轮在在正常的服役过程中齿轮齿主要承受接触应力作用，该轮齿的载荷及约束边界条件列于表4-3所示。图4-4齿轮单齿啮合作用力表4-3齿轮的边界条件载荷工况载荷边界条件约束边界条件行星齿轮啮合作用力齿轮孔的三向固定约束半轴齿轮啮合作用力半轴齿轮轴的三向固定约束齿轮结构有限元模型在上述确定的两种载荷工况下的载荷及约束边界条件分别如图4-5所示。a)行星齿轮边界条件b)半轴齿轮边界条件图4-5齿轮有限元分析的边界条件4.3.3齿轮有限元模型的求解在建立完齿轮结构的有限元模型并且正确添加了极限条件后，就有必要进入有限元模型的求解过程。在求解之前需要设计求解器，将求解器设置为PCG算法，计算速度设置为最高。之后单击ANSYSMainMenu/Solution/Solve/FromLSFiles，从之前定义的载荷步开始求解，单击“OK”按钮，计算机开始求解，求解完成后弹出Solutionisdone提示求解完成，单击Close，完成其求解，保存结果文件。4.4齿轮有限元计算结果分析根据国家得标准GB/T2591-2008《低合金高强度结构钢》中的规定，齿轮在以上确定的各个载荷工况下其结构强度通过最大冯·米塞斯应力来评定，ANSYS软件里集成了这种应力，直接可以得到齿轮结构有限元模型中每一节点的冯·米塞斯应力，此应力定义如下公式：(4-1)式中——各节点处的冯·米塞斯应力。进入ANSYS软件的后查看处理模块的节点应力云图，只显示齿轮承载受力变形后的云图，齿轮结构在上述各个载荷工况下的应力分布分别如4-6、4-7所示。a）齿轮的整体应力分布图b）齿轮的最大应力位置图图4-6行星齿轮结构的应力分布状况a）齿轮的整体应力分布图b）齿轮的最大应力位置图图4-7半轴齿轮结构的应力分布状况根据GB/T2591-2008标准的规定，在各载荷工况作用下计算有限元模型中每一节点的最大等效应力，即冯·米塞斯应力。将齿轮的最大应力及其相应的位置列于表4-4所示。表4-4齿轮的最大应力分布齿轮的类型最大应力/MPa最大应力的位置行星齿轮519.76接触线末端半轴齿轮469.55齿根根据表4-3所示可知行星齿轮及半轴齿轮的最大冯·米塞斯应力分别为519.76MPa和469.55MPa，分别均位于接触线末端及齿根，可见轮齿为结构薄弱部位，在设计和制造过程中应重点关注。从以上分析结果可以看出，差速器齿轮的结构强度满足相关要求。4.5本章小结本章在基于CATIA软件进行差速器齿轮三维造型结构的基础上对所设计的齿轮进行静力模块的有限元分析，确保自己所设计的锥齿轮结构满足需要正常的使用要求，确保差速器安全平稳地工作，本章的有限元分析结果表明所设计的结构满足一定的相关要求。结论本文主要完成汽车差速器结构的参数化设计及仿真分析，根据任务书的主要要去完成全部的研究工作，得出以下的研究结论：(1)本文在具体参考车型的基础上得到差速器设计的原始参数，并基于该原始参数设计适合该车的差速器结构，主要是行星齿轮及半轴齿轮结构等；(2)在齿轮结构的基础上进行三维造型设计，采用CATIA进行参数化设计，实现快速便捷的齿轮结构三维造型，并且完成相应的装配；(3)在已有齿轮三维结构的基础上采用ANSYS对齿轮结构进行有限元分析，校核齿轮的结构强度，确保所设计的齿轮满足该车差速器的应用要求。参考文献王白王,谭晓明,马鹏.越野汽车变传动比限滑差速器研究现状分析[J].科教导刊(下旬),2017(05):31-32.王军年,杨斌,王庆年,等.汽车转矩定向分配驱动技术发展现状综述[J].机械工程学报,2020,56(18):92-104.刘丽新,汤一飞,屠有余,等.某汽车差速器故障原因分析及对策[J].汽车文摘,2020(08):54-57.徐振.某型差速器参数化设计及动力学分析与结构优化[D].济南大学,2017.蔡健文,林小娟.基于三维建模差速器的参数化设计[J].科技经济导刊,2019,27(12):40-41.童宁娟,王宇鹏.一种商用车桥整