差速器的参数化设计及有限元分析

南京理工大学硕士学位论文差速器的参数化设计及有限元分析姓名：刘飞申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：王良模20090525硕士论文差速器的参数化设计及有限元分析摘要差速器是汽车传动系的重要组成部分。当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时，它 使左右驱动车轮以不同的转速滚动，即保证两侧驱动车轮作纯滚动。首先根据对称式圆锥行星齿轮差速器设计计算理论，进行了某车型差速器参数的设 计计算，建立了锥齿轮优化设计数学模型，基于MATLAB软件进行了锥齿轮优化设计； 同时利用大型三维建模软件UG进行二次开发，建立了差速器的参数化造型系统，该系 统能够根据输入的参数精确而快速地生成差速器齿轮的三维模型，大大提高了设计质量 和设计效率。将建好的几何模型导入前处理软件HyperMesh中，利用壳单元和实体单元划分网 格，并建立合适的MPC单元以方便载荷和约束的施加，最终得到差速器各零部件的有 限元模型。利用有限元分析软件ANSYS对差速器的主要部件进行静强度分析、动态接 触分析以及模态分析，结果表明所设计的差速器能够满足要求。基于齿轮有限元分析结果，利用专业疲劳分析软件MSC.Fatigue,进行了齿轮的疲 劳寿命预测，得到齿轮寿命云图及最低疲劳寿命。论文以壳体的体积为目标变量，提出 对差速器壳体的优化方案，并运用ANSYS的优化模块对壳体进行了有限元优化分析， 以达到减轻垂量，节约成本的目的。关键词：汽车，差速器，设计，有限元，优化Abstract硕士论文AbstractDifferential is an important component of automobile power train. When the automobile turns or runs on the uneven road, it can make the driving wheels ran with different speed; as a result, the two driving wheels only roll without any glide.This paper, firstly, gets the parameters of the differential with the calculation theory of gears, sets up the mathematic mode of gear's optimization, carries out the optimization of the gears based on MATLAB; creates a modeling system with parameters, which can quickly establish a new model after inputing certain parameters, improving the quality and efficiency of the gears' designSecondly, gets the finite element model of parts of gears in HyperMesh, with shell elements, solid elements, and well MPC elements for loading and constraining; analyzes the important parts of the differential in ANSYS, including the analysis of static intensity, dynamic contact and mode, the outcome indicates that the design can meet the requirementsFinally, with the professional fatigue analysis software MSC.Fatigue, forecasts the fatigue life of the gears on basisc of the results of the finite element structure analysis above; gives the optimizing project for the body of the differential, and carries out the optimization with the optimization module of ANSYS.Key words: Automobile, Differential, Design, FEM, Optimize硕士论文差速器的鑫数化设计及有限元分析硕士论文差速器的鑫数化设计及有限元分析本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。研究生签名：k飞_学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。1绪论1.1课题研究的背景随着汽车工业的发展，寒部件供应商和规模较大的零部件厂把形成自主开发能力建 设摆到重要地位，提升产品技术水平，实现和主机厂同步开发甚至超越主机厂产品发展 的优势，这是增强竞争力的关犍所在，形成了“引进T收一试制一自主创新”的良性 发展。 '在新车型的研发中，驱动桥作为汽车传动系中的一个关键性的部件总成，其性能直 接影响着整车性能。而差速器则是驱动桥的关键部件之一，其力矩的分配和各构件的强 度，直接决定带车辆的转向性能、通过性和可靠性。汽车行驶运动学的要求和实际车轮、 道路及其相互关系表明：汽车在行驶过程中，左右车轮在同一时间内所滚过的路程往往 是不相等的，如转弯时内侧车轮行程比外侧车轮短。即使汽车作直线行驶，也会由于左 右车轮在同一时间内所滚过的路面垂向波形的不同，或由于左右两轮胎的气压、轮胎负 荷、胎面磨损程度的不同以及制造误差等因素，引起车轮滚动半径不相等。这种情况下， 如果驱动桥的左右车轮刚性连接，则不论转弯行驶或直线行驶，均会引起车轮在路面上 的滑移或滑转。一方面会加剧轮胎磨损，功率和燃料消耗；另一方面会使转向沉重，通 过性和操纵性变坏。为此，在驱动桥的左右轮间都装有轮间差速器。在多桥驱动的汽车 上还装有轴间差速器，以提高通过性，同时避免在驱动桥间产生功率循环及由此引起的 附加载荷，传动系零件损坏，轮胎磨损和燃料消耗等。差速器用来在两输出轴间分配转 矩，并保证两输出轴有可能以不同角速度转动。国内外大多车桥制造企业所需的差速器都是分别从零部件制造厂购买齿轮，壳体和 垫片等零件，然后自行装配差速器总成。这种方式，一方面增加了车桥企业的劳动5L 因此车桥企业希望根据需求直接采购差速器总成；另一方面也限制了零部件厂的利润空 间，而零部件厂也希望产品系统化以提髙利润。因此差速器的参数化设计以及强度验证 成为双方都亟待解决的问题。1.2差速器的研究现状差速器作为汽车零部件中一个较小的总成，把它单独拿来进行设计、分析的比较少, 通常都把它作为驱动桥设计的一部分，因此对它的设计方法及分析的相关研究一般都不 够详细具体。2005年，四川大学的李建超等人在研究后桥的设计过程中对差速器的设计从理论上 作了比较完整的阐述。他们详细叙述了差速器的类型，分析了差速器的结构，受力以及 硕士论文差速器的参数化设计及有限元分析运动情况。并且列出了差速器设计所需的计算公式，为差速器的设计提供了理论依据。2005年，吉林大学的蒋法国等人对差速器的行星齿轮进行了弯曲强度分析，并且分 析了齿根圆角变化对结构的影响，结果表明该该差速器行星齿轮的齿根弯曲应力在规定 的范围内.另外随着齿根圆角半径的増大齿根应力逐渐减小.通过他们的分析为行星齿 轮的设计提供了依据，并且他们对单齿齿根应力的加载求解方法也为其它齿轮分析找到 了一种新方法。2005年，华中科技大学的吴忠鸣，王新云等基于ANSYS对差速器圆锥齿轮进行了 轮齿接触碰撞有限元分析。建立了完整的行星齿轮和半轴齿轮的接触模型，采用solid95 单元，选择大齿轮齿面做接触面，小齿轮齿面作目标面。采用MPC184单元来传递扭矩。 从而在静态中近彳以模拟接触碰撞。分析结果表明随着啮合位置向齿顶推移，齿轮的接触 变形就越严重，符合实际情况。2007年，合肥工业大学的姜平应用MATLAB软件对差速器进行优化设计。设置齿 轮的体枳为目标函数，约束行星齿轮的齿数、半轴齿轮齿数、模数、尺宽、装配条件等， 然后利用MATLAB软件的优化工具箱输出计算后的最优设计结果。计算结果显示比传 统设计方法更有效，更精确。2007年，华中科技大学的郑威、金俊松等学者基于UG开发了一套差速器圆锥齿轮 的参数化造型系统。该系统供用户输人齿轮造型所需的参数，包括基本参数和形状参数。 形状参数包括两部分，一部分由基本参数计算得到（如节锥角、弧齿厚等），另一部分 需要用户指定（如齿轮背面的球半径、齿轮中心孔直径等）。在实际的工程应用中，由 基本参数计算得到的部分数据还需要进行修改（弧齿厚、齿顶角、齿根角）。因此，设 计的系统界面包括基本参数输入对话框和需要用户指定或修改的形状参数输入对话框。 设计结果表明只需输入一些参数，差速器齿轮就能自动生成，大大的节约了设计开发的 时间。2008年，江苏大学的高翔，程建平等人基于LSDYNA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shelll63 单元并定义为刚体，便于施加转矩；创建了 4个PART；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课题研究的具体内容及方法本课题的主要研究内容及方法包括以下几个方面：（1）利用UG/OPEN对UG进行二次开发，开发出的系统界面包括行星齿轮参数输 入对话框和半轴齿轮参数输入对话框，能达到只需在对话框中输入若干的参数值，即可 生成精确的齿轮模型的目的。(2) 根据对给定的车型相关参数以及差速器结构特点的分析，确定行星齿轮和半 轴齿轮的类型和数目，然后通过计算确定基本参数后，运用MATLAB软件进行优化设 计，寻求满足各项条件下的最优解，并综合考虑确定最终的设计方案。(3) 根据获得的齿轮的参数，利用开发的系统生成行星齿轮和半轴齿轮的精确三 维模型，然后建立差速器壳体、销轴和垫片等模型，完成差速器总成的建模。(4) 利用专业前处理软件HyperMesh &0,通过简化三维模型以及选择单元类型、 确定单元尺寸、创建各部件之间的装配连接或接触对、选择计算工况、确定载;荷、定义 边界约束条件等过程，建立了差速器壳体、行星齿轮、半轴齿轮和啮合的齿轮对的有限 元模型。(5) 对所设计的差速器进行有限元分析，包括对差速器壳体的有限元分析，对半 轴齿轮和行星齿轮的齿根弯曲强度的分析，对啮合齿轮的动态接触分析以及差速器壳体 和齿轮的模态分析等。(6) 将齿轮的静力分析结果导入MSC.Fatigue疲劳分析软件，对齿轮进行全寿命分 析。在ANSYS软件中通过提取壳体的壁厚做为自变量,以壳体的强度做状态变量, 把壳体的体积做为目标变量，对壳体