武理工高等机构学教学案例05后桥主减速器主被齿轮安装距分析与应用

后桥主减速器主被齿轮安装距分析与应用报告人:8/22/20262026/8/22目录1课题概述2主减速器简介及齿轮设计要求3最佳安装距理论优化4主减速器仿真模型建立5主减速器虚拟仿真分析8/22/20262026/8/22课题概述8/22/2026主减速器简介8/22/2026微车后桥处于微车传动系统的末端，多为驱动桥，是一个复杂的多传动系统，同主减速器总成、差速器总成、桥壳总成、半轴总成等部分组成。其中，主减速器是汽车传动系中减小转速、增大扭矩的主要部件。它最重要的两个作用是：第一，改变动力传输的方向；第二，降速增矩，为变速器的各个档位提供一个共同的传动比。其一般结构如右图所示。图1-2主减速器结构图1-主动齿轮；2-被动齿轮；3-半轴齿轮；4-行星齿轮轴；5-行星齿轮；6-差速器壳2026/8/221321898年，法国人雷诺发明伞齿轮式主减速器传动装置，从而开起了汽车主减速器的元年。上世纪90年代后，世界一些著名汽车公司都成立了NVH研究中心，采用虚拟样机仿真等方法对汽车零部件进行减振降噪。Gleason公司于1978年就发表了格里森齿轮齿面接触分析（ToothContactAnalysis）的原理和方法。课题国内外研究现状（国外）4近年来，随着计算机技术、测试技术、有限元技术的快速发展，在国外使用模态综合法、有限元法和边界元法研究驱动桥的振动、优化设计更加成熟。

8/22/20262026/8/22132西安建筑科技大学的张淑艳，针对某型新开发的电动汽车减速器箱体进行了优化设计分析，对减速器也进行了拓扑结构优化。武汉理工大学何锡进，进行了后桥的打滑、转弯、外部激励等工况下的动力学仿真分析，对后桥减振降噪提供支持。电子科技大学的黄嘉，阐述了主减速器齿轮噪声产生的机理和来源。课题国内外研究现状（国内）4国内研究的学者将整个主减速器作为一个整体进行振动、优化研究鲜为少见，现有的研究大部分都集中在主减速器的准双曲面齿轮的振动或者箱体单独的优化设计上。8/22/20262026/8/22课题来源：CN100后桥总成减振（降噪）的机理分析及改进措施。课题背景：本课题组在之前已经对此车型完成了“微车主减速振动和噪声在线检测系统”，大大提升了该厂主减速器的质量。同时，也完成了主减速器主被动轮的振动测试与模态分析等。课题目的：本课题以某公司CN100车型的主减速器为研究对象，拟从结构力学分析和虚拟仿真分析出发，为解决主动齿轮安装距的优化，从理论分析主动轴的最佳安装距，并引入CAD技术、CAE技术，对主减速器总成进行参数化建模，建立主减速器虚拟样机模型并进行仿真分析，为最终解决该款车型后桥NVH问题提供一定的理论和仿真依据，解决实际工程问题。

课题研究背景及目的8/22/20262026/8/22安装距理论优化。根据主减速器安装结构，建立齿轮安装距的力学模型，包括计算相关参数，再用迭代方法对其进行求解，得出理论优化结果；010203实体建模。采用UG建立其三维实体模型；通过ADAMS动力学仿真工具，对安装距在正常、偏大和偏小三种情况下进行仿真。课题研究内容8/22/2026本课题以微车后桥主减速器总成为研究对象，借用机械结构振动、优化理论和动力学分析理论，采用CAD、CAE技术，对主减速器主动轴安装距进行理论与虚拟仿真分析。其主要研究内容如下：2026/8/22技术路线8/22/20262026/8/22准确建立主减速器三维实体模型、虚拟样机模型；理论计算主动轴的最佳安装距，为以后主减速器的设计、制造提供一定的理论支持；在正常、偏大、偏小及不同转速情况下研究微车主减速器主动轴安装距对主减速器齿轮啮合冲击振动的影响，利用ADAMS进行动力学分析，进而确定合理的安装距课题创新点8/22/20262026/8/22主减速器简介及齿轮设计要求8/22/20262026/8/22本课题所研究的微车CN100车型，其主减速器（如右图所示）属于单级、单速式、准双曲面齿轮结构，结构简单、重量轻、体积小、传动效率高，下面就按照此结构进行介绍。主减速器结构8/22/2026CN100主减速器结构1-主减速器外壳，2-差速器，3-被动轮2026/8/22主减速器齿轮结构8/22/2026主减速器主被齿轮结构主减速器主动齿轮结构2026/8/22

主被齿轮和差速器齿轮是主减速器振动的重要来源，齿轮振动主要是由于齿轮啮合传动时造成的，常见因素主要有以下几点：（1）齿面接触不良。如轮齿表面有毛刺，造成齿轮啮合时周期性的振动噪声；两齿轮安装距未调整正确，造成齿轮接触副过宽、过窄等不合理接触区，这些都会影响齿轮传动时的振动噪声。（2）安装距不合理，引起齿轮、轴的支承刚度不足，长期使用造成轴的弯振、轴承的振动。

（3）轮齿磨损。（4）齿轮周节误差较大、齿圈径向跳动过大。

另外，齿轮的设计不当，如传动比、重叠系数的不合理都会增大齿轮的振动。齿轮传动的振动8/22/20262026/8/22（1）旋转精度旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主动齿轮前端（主动锥齿轮）悬伸量的径向跳动和轴向跳动。主动齿轮的旋转精度的影响因素有轴承、减速器壳等的制造、装配等。主动齿轮的旋转速度、润滑等以会影响主动齿轮的旋转精度。（2）抗振性主动齿轮的在工作时产生振动会降低转矩传递效率，缩短主动齿轮及轴承的使用寿命，还会产生噪声。另外，像主动齿轮工作温度和热变形、主动齿轮的结构和材料的热处理等都会影响着主动齿轮的性能，在设计时都需要考虑。主动齿轮设计要求8/22/20262026/8/22主动齿轮设计要求8/22/2026主动齿轮的静刚度示意图主动齿轮的静刚度反映其抵抗静止状态下外载荷变形的能力。其弯曲刚度K定义为：使主动齿轮前端产生单位位移时，在位移方向测量处所需施加的力，如图2-7所示，主动齿轮简化为一横梁，两支承轴承为两支承点，其在受力F作用下产生变形。2026/8/22本课题研究对主动齿轮安装距进行优化与仿真，提高微车的NVH性能。本文研究的策略是：通过理论建立主动齿轮安装距的力学模型，按照现有结构及尺寸进行理论优化，得出最佳安装尺寸；再通过动力学仿真软件，建立虚拟样机模型，对现行安装距、偏大和偏小值三种情况进行动力学仿真，通过仿真结果进行对比分析，得到仿真结果，并与理论进行对比与验证，是否一致，为主减速器的减振降噪提供一定的理论依据。主动齿轮研究策略8/22/20262026/8/22最佳安装距理论优化8/22/20262026/8/22最佳安装距理论优化方法目前，国内外对最佳安装距的传统计算方法主要是图解法，但是这样计算较繁琐。本文运用结构力学的相关知识，简化并建立主动齿轮安装距的力学模型，通过引入相关参数和变量，建立关于安装距的计算式，详细计算关系式中的相关参数等，再利用迭代的方法来得到最佳安装距。8/22/2026主动齿轮安装结构1-主动轮，2，5-调整垫片，3-30306轴承，4-隔套，6-30305轴承，7-法兰总成，8-油封，9-垫圈，10-主齿锁紧螺母最佳安装距理论优化方法右图是主动齿轮安装结构，从图中可以看出主动齿轮的安装距是57mm，其由两个圆锥滚子轴承支承，型号为30306、30305，它们紧固在减速器壳上。零件2和5是调整垫片，用于主减速器主动齿轮的调整，它们的使用对主减速器的使用寿命及传递平稳性有着重要作用。零件1是主动齿轮，其悬伸在30306轴承外，这种支承方式即为前文所提到的悬臂式支承结构。8/22/20262026/8/22轴承支承刚度计算方法

圆锥滚子轴承广泛地应用于汽车设备中，用于支承各类回转零部件，是决定系统性能的最关键的元件之一。轴承刚度指，在负载的作用下轴承抵抗变形的能力，按照位移的方向分，轴承刚度可以分为轴向刚度、径向刚度和角刚度；按照轴承的运转状态，轴承刚度又可分为静刚度和动刚度。轴承刚度的研究由来已久，国内外学者已经做了很多的研究，EI-Sayed研究了深沟球轴承接触刚度问题，Stone对滚动轴承刚度及阻尼进行了实验分析，得到了不同参数对滚动轴承刚度和阻尼的影响规律；在国内，杜迎辉研究了一种轴承轴向刚度、径向刚度及角刚度的计算方法。8/22/20262026/8/22主减速器仿真模型建立8/22/20262026/8/22主减速器三维模型的建立8/22/2026将所建立的零件在UG中进行装配，并使用干涉功能对装配体装配关键位置进行干涉检查，以免影响后面的动力学仿真。去掉了主减速器的一些配件，如轴套、法兰、调整垫片等，它们对本次仿真的影响不大。最终完成的主减速器总成物理模型如右图所示。主减速器总成物理模型2026/8/22ADMAS动力学仿真理论8/22/2026汽车主减速器是一个复杂、多自由度的机械系统，其很多零部件的运动是大位移非线性的，在建立动力学方程时，面对着很多繁杂的微分方程及非线性方程，由于其具有非线性、复杂性，很难求出其解析解。因此，在经典力学的基础上发展起来的一个新的分支学科——多体动力学，这为解决这一问题提供了强大的动力。多体动力学研究的内容主要有两大类：第一类：分析结构系统在力等的作用下的运动或响应，称其为正动力学（ForwardDynamics）；第二类：已知结构系统的运动情况，求解结构系统的作用力，称之为逆动力学。2026/8/22ADMAS动力学仿真理论8/22/2026ADAMS分析步骤ADAMS软件与CAD软件（UG等）、CAE软件（ANSYS）有着良好的兼容性，通过兼容的文件格式进行数据交换，并保持文件的一致性。本文运用ADAMS进行微车主减速器总成动力学仿真的步骤如右图所示。2026/8/22动力学仿真的虚拟样机模型的建立8/22/2026完整的虚拟样机模型步骤：（1）ADAMS与UGNX8.0的数据转换（2）系统的简化及假设处理（3）模型的约束与负载的添加

建立好的虚拟样机模型如右图，这是按照主动齿轮正常安装距（57mm）进行建立的模型，这为主动齿轮安装距的对比分析做好了第一步。2026/8/22系统参数的计算与选择（输入驱动函数的选择）8/22/2026本文中的主减速器启动过程同微车发动机的启动状态一样，即发动机通过一时间段的加速达到稳定运行状态，而不是直接达到稳定状态。因此，合理的驱动函数是必要的，本文选择STEP函数作为仿真的驱动函数，其能够实现发动机启动过程中的动力递增的过程。驱动函数设置参数2026/8/22系统参数的计算与选择（负载的计算）8/22/2026汽车负载一般指汽车除自身重量外，所承受的最大载重量。本文中这里的负载指的是主减速器被动齿轮所受到的载荷，即转矩，它与汽车的行驶阻力等有关。本课题中，主要研究的是微车（CN100）在正常直线行驶时主动齿轮安装距对主减速器振动的影响，对安装距进行优化仿真，因此，在动力学仿真分析中，只考虑微车轮胎与地面因摩擦而产生的汽车阻力。主减速器被动齿轮转矩一般有三种计算方法：按发动机最大转矩及最低档传动比状态计算其转矩；按驱动轮打滑状态计算其转矩；按照正常行驶状态计算其转矩。本课题选择第三种方法进行计算其转矩。2026/8/22系统参数的计算与选择（接触副参数的选择）8/22/2026计算接触刚度，再结合课题组的前期工作，计算完接触副的其它参数，并完成接触副的设置，齿轮和部分轴承接触副参数设计对话框如右图所示。驱动函数设置参数2026/8/22主减速器虚拟仿真分析8/22/20262026/8/22模型仿真验证8/22/2026通过上章，已经完成了虚拟模型的建立，为了验证模型的正确性，本小节对模型结果进行验证。这里只针对主动齿轮在正常安装距装配、转速为怠速（800r/min）的情况下，对虚拟样机模型进行角速度仿真，可以得出主被动齿轮随时间t的变化曲线，以此验证是否符合所加驱动函数的条件。右图分别为主动齿轮和被动齿轮的角速度-时间曲线图。主动齿轮角速度-时间曲线图被动齿轮角速度-时间曲线图2026/8/22主减速器动力学仿真分析8/22/2026通过对建立好的虚拟样机的模型进行仿真，可以进ADAMS/PostProcessor后处理模块，对仿真结果进行数据、曲线的提取与分析等。本小节主要根据仿真分析的结果，分析选取哪些仿真结果来进行对比分析；再针对主动齿轮在不同安装距的情况下，进行动力学仿真，提取仿真结果，对主动齿轮的安装距进行对比分析并得出结论。2026/8/22仿真结果与理论对比8/22/2026在研究主减速器主动齿轮安装距优化仿真过程中，首先在第三章中，利用材料力学的相关理论，建立了关于安装距的力学模型，然后采用迭代的方法对微分方程进行数值求解，并得出理论优化结果。为了使论文更加严谨可靠，本文在第四章建立主减速器虚拟样机模型，在本章中