差速器部分設(shè)計及驅(qū)動橋殼有限元分析【說明書+CAD+PROE+仿真】

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獲取仿真結(jié)果及分析 9 第五章 驅(qū)動橋殼限元結(jié)構(gòu)分析 11 5.1 橋殼有限元模型的建立 11 5.2 橋殼有限元分析 11 第六章 結(jié)語 15 6.1 主要內(nèi)容及成果 15 6.2 感受與展望 15 致謝 參考文獻 附錄 第一章 差速器部分的測繪 1.1 測繪的目的和意義 機器測繪就是對現(xiàn)有的機器或部件進行實物測量，繪出全部非標準件零件的草圖，再根據(jù)這些草圖繪制出裝配圖和零件圖的過程( 簡稱測繪 )。 它在對現(xiàn)有設(shè)備的改造、維修、仿制和先進技術(shù)的引進等方面有著重要的意義。 測繪目的：(1) 復習和鞏固己學知識，并在測繪中得到綜合用。(2) 掌握測繪的基本方法和步驟，培養(yǎng)初步的部件和零件的測繪能力。(3) 為后續(xù)課程的設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。 1.2 測繪的方法和注意事項 測繪方法：（1）做好測繪前的準備工作，如領(lǐng)取部件、量具、工具等，準備繪圖工具、圖紙并做好測繪場地的清潔衛(wèi)生等等。（2）了解部件。（3）繪制裝配示意圖，拆卸零件。（4）繪制零件草圖。（5）量注尺寸。（6）確定并標注有關(guān)技術(shù)要求。（7）繪制裝配圖。（8）繪制零件圖。[1] 測繪過程中需注意事項：a.測繪過程中的設(shè)備、人身安全注意事項。 b. 在拆卸零件時應(yīng)注意以下幾點：（1）注意拆卸順序，嚴防破壞性拆卸，以免損壞機器零件或影響精度。（2）拆卸后將零件按類妥善保管，防止混亂和丟失。（3）要將所有零件進行編號登記并注寫零件名稱，對每一個零件最好掛一個對應(yīng)標簽。 c.標注尺寸時應(yīng)注意以下問題:(1) 兩零件的配合尺寸，一般只在一個零件上測量。(2) 對一些重要尺寸，僅靠測量還不行，還需通過計算來校驗，如一對嚙合齒輪的中心距(3) 對零件上的標準結(jié)構(gòu)尺寸，如倒角、圓角、鍵槽、退刀槽等結(jié)構(gòu)和螺紋的大徑等尺寸，要查閱相關(guān)標準來確定。d.在繪制裝配圖的過程中，若發(fā)現(xiàn)零件草圖上的形狀或尺寸有錯，應(yīng)及時更改，再繼續(xù)畫裝配圖。 e.在完成測繪任務(wù)后，對圖樣全面檢查、整理。 1.3 測量工具 測量尺寸常用量具有：鋼板尺、外卡鉗和內(nèi)卡鉗。測量較精確的尺寸，則用游標卡尺等。[2] 1.4 測量過程 （1）差速器部分工作原理及拆卸裝配順序 差速器是驅(qū)動轎的主件,其作用就是在向兩邊半軸傳遞動力的同時,允許兩邊半軸以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),滿足兩邊車輪盡可能以純滾動的形式作不等距行駛,減少輪胎與地面的摩擦。 差速器的主要裝配線如下：A、先將4個行星齒輪以及行星齒輪墊片套到十字軸作為一個小組件A。 B、差速器殼a部分 ——半軸齒輪墊片——半軸齒輪——組件A——半軸齒輪——半軸齒輪墊片——差速器殼b部分——上螺栓——將從動錐齒輪用螺栓螺母固定在差速器殼A部分。 差逮器在分解與裝配時注意： ●拆圓錐滾子軸承時必須使用專用工具,如圖1.1。 ●更換齒輪、差速器殼,必須重新調(diào)整主、從動錐齒輪的位置。 ●拆卸行星齒輪軸時,先拆下彈性圓柱銷,然后用銅沖將行星齒輪軸敲出。 ●從動錐齒輪與差速器殼連接螺栓應(yīng)均勻交叉擰緊，擰緊力 矩為90N.m。 圖1.1 拆裝圓錐滾子軸承 （2）零件草圖的畫法 A、 選擇表達方案 用一組圖形，完整、清晰地表達出零件的內(nèi)外結(jié)構(gòu)形狀。表達方案的選擇可參考四大典型零件的表達方案，分析所畫零件為哪一類，然后根據(jù)其特點，正確選擇所需的表達方法。 B、尺寸測量和標注 分析尺寸：首先要選擇尺寸基準，基準應(yīng)考慮便于加工和測量，畫出所有尺寸 界線和尺寸線。分析尺寸時主要從裝配結(jié)構(gòu)著手，對配合尺寸和定位尺寸直接注出，其它尺寸則按定形尺寸和定位尺寸考慮，最后確定總體尺寸。 集中量注尺寸：對零件各部分尺寸，從基準出發(fā)，逐一進行測量和標注。對有 配合關(guān)系的尺寸，應(yīng)同時在相關(guān)的零件草圖上注出，以保證關(guān)聯(lián)尺寸的準確性，同時也節(jié)省時間。 （3） 標準件與常用件的測繪 在機械設(shè)備中，標準件與常用件應(yīng)用非常廣泛，其種類繁多、數(shù)量也大。因此，它們的測繪是一項不容忽視的工作。 對標準件，一般不需要畫零件草圖和零件圖，只需正確測量其主要尺寸，然后查找有關(guān)標準，確定標準件的類型、規(guī)格和標準代號，并將其填入裝配圖明細表中。 對常用件應(yīng)畫出零件草圖和零件圖，常用件上的標準結(jié)構(gòu)，如齒輪的模數(shù)、鍵槽等 尺寸，應(yīng)根據(jù)有關(guān)參數(shù)查表取標準值，在圖上直接注出。 對配套使用的螺紋緊固件，應(yīng)注意對照其規(guī)格和有關(guān)尺寸查找標準代號填入裝配圖明細表中。 （4）畫差速器配圖草圖 ●確定表達方案 根據(jù)裝配圖的視圖選擇原則，確定表達方案。主視圖的選擇應(yīng)符合其工作位置或習慣放置位置，并對其做全剖表達清楚各個零件，將內(nèi)部的裝配關(guān)系以及差速器的工作原理表達清楚。俯視圖主要是表達外形，對螺柱連接部分進行局部剖視，表達次要連接。左視圖用于體現(xiàn)尺寸等。[3] ●確定繪圖比例、圖紙幅面，繪制各視圖 在表達方案確定以后，根據(jù)部件的總體尺寸和繪圖比例選定圖紙幅面，建議選用A0圖幅，1:1比例。 畫裝配圖的步驟如下： (1) 合理布圖，畫出作圖基準線畫出圖框、標題欄及明細表的底稿線，再畫各視圖的基準線，即軸線、對稱平面線及其它作圖基準線，然后畫主要零件的部分輪廓線。(2) 依次畫出裝配線上的各個零件(3) 畫剖面線 ●裝配圖上應(yīng)標注的尺寸 裝配圖上應(yīng)標注以下五類尺寸: (1) 規(guī)格性能尺寸(2) 裝配尺寸配合尺寸及公差代號。(3)總體尺寸柱塞泵的總長、總寬 、總高 ( 通過計算或從圖中量取 )。(4) 安裝尺寸 ●檢查、加深 經(jīng)檢查校對后，擦去多余的圖線，然后按線型加深。 ●畫箭頭，填寫尺寸數(shù)值、零件編號、標題欄、明細表及技術(shù)要求等。 ●全面檢查，完成全圖。 第二章 差速器部分三維建模 實體模型的建立是實現(xiàn)CAD/CAE/CAM 一體化的基礎(chǔ)運動仿真能夠直觀地再現(xiàn)機器的工作原理。 2.1 各零部件實體模型的建立 后橋各零部件實體模型的建立通過參數(shù)化建模，用戶能單純地輸入齒輪設(shè)計的已知條件（如齒數(shù)壓力角及模數(shù)和齒寬等），PRO/E 系統(tǒng)即可自動創(chuàng)建出齒輪的三維幾何模型。參數(shù)化設(shè)計是指用參數(shù)來表示零件的尺寸大小和屬性，工程技術(shù)人員可以通過修改零件大小形狀和屬性，然后可得到各種不同規(guī)格的零件。如圖2.1 所示，通過PRO/E 參數(shù)化設(shè)計出的一系列齒輪，這樣大大減少了建模所需時間而且零件間，可替換性極高。[4] 圖2.1（主從動錐齒輪、半軸齒輪、行星輪） 利用特征選項里的拉伸、旋轉(zhuǎn)、混合掃描及陣列等操作命令，生成半軸、差速器殼輪轂及各類非標準墊片等零件，如圖2.2所示。 圖2.2 特征件 圖2.3 標準件 利用各類標準零件導出后再修改成符合自己需要的各類兩件，例如7609E圓錐滾子軸承、彈簧墊片、各類螺栓以及螺母等，可以節(jié)省不少建模的時間，如圖2.3所示。 2.2 差速器部分總裝圖 既然組件要運動，那么組件在組裝時就不能被完全約束（即死鎖）,而是要部分約束。但是所謂部分約束并不是組裝不完全，而是根據(jù)各組件的運動形態(tài)及彼此間的相對運動情況，通過部件間各種連接（connection） 的設(shè)定，來限制組件的運動自 由度。（軸承）總裝配圖如圖2.4 所示。全剖截面圖如圖2.5所示。[5] 圖2.4 差速器總裝圖 個人體會：在Pro/e裝配時，先在Pro/e內(nèi)測量各個兩件的某些影響到定位的尺寸后記錄，在新建裝配文件前，先建一個定位各基準的只有定位軸和定位面的文件，可以提高裝配速度和減少錯誤以及返工率。如圖2.6為Pro/e完成裝配后生成爆炸圖。 圖2.5 全剖顯示 圖2.6 差速器爆炸圖 第三章 工程圖的制作 在Pro/e里完成差速器部分的裝配后，建立工程圖模板后開始制定工程圖，主要有以下幾個過程。[6] ●按照草圖的安排繪制各個視圖，取主視圖為全剖視圖，在三維模型中旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝配體，選擇較好的剖面，使得各零件及其關(guān)系表示清楚。俯視圖則用于體現(xiàn)外形以及繪以局部剖顯示各螺栓螺母。在繪制裝配視圖時應(yīng)注意：各標準件、齒輪軸、斜齒輪等采用機械制圖標準中個規(guī)定畫法；在裝配圖上應(yīng)避免用虛線表示零件結(jié)構(gòu)等。 ●標準尺寸，主要包括外形尺寸、特性尺寸、安裝尺寸、配合尺寸。在選擇配合尺寸時，應(yīng)根據(jù)有關(guān)的資料選定，如半軸齒輪與差速器殼內(nèi)孔為傳動零件與軸配合，一般情況下選擇H7/r6或者H7/n6. ●在Pro/e中運用區(qū)域定義，自動生成各零件明細表并以此為基礎(chǔ)建立BOM球標標于主視圖。制定技術(shù)要求 ●將Pro/e工程圖轉(zhuǎn)入Auto cad 進行各圖層和線條的修改加深，而后填寫標題欄完成工程圖的制定。完成后的工程圖如圖3.1所示。[7] 圖3.1 差速器部分裝配工程圖 第四章 差速器運動仿真分析 4.1 差速器原理 差速器中各元件的運動關(guān)系——差速原理，可用圖九來說明。差速器殼（2） 與行星齒輪軸（3） 連成一體，形成行星架。因它又與主減速器的從動輪（6） 固連故為主動件設(shè)其角速度為；半軸齒輪（1）和（4），為從動件其角速度為和 。A、 B 兩點分別為行星齒輪（5）與兩半軸齒輪的嚙合點。行星齒輪的中心點為C ，A 、B、C 點到差速器旋轉(zhuǎn)軸線的距離均為r。[8] 1.半軸齒輪I 2.差速器殼 3.十字軸 4.半軸齒輪II 5.行星齒輪 6.從動錐齒輪 圖4.1 差速器原理圖 當行星齒輪只是隨同行星架差速器旋轉(zhuǎn)軸線公轉(zhuǎn)時，顯然處在同一半徑r上，A、 B 、C 的圓周速度都相等，其值為r。于是= = ,即差速器不起差速作用兩半軸角速度等于差速器殼（2） 的角速度。當行星齒輪除公轉(zhuǎn)外，還繞本身的軸（5） 以角速度 自轉(zhuǎn)時，嚙合點A 的圓周速度為 r = r + ， 嚙合點B 的圓周速度為r= r - 于是有+=2,即表明左右兩側(cè)半軸齒輪的轉(zhuǎn)速之和等于差速器轉(zhuǎn)速的兩倍而與行星齒輪轉(zhuǎn)速無關(guān)。[9] 4.2 機構(gòu)運動仿真 機構(gòu)運動(mechanism)可以把靜態(tài)設(shè)計轉(zhuǎn)換為活動的虛擬原型并借助運動仿真觀察其動作狀態(tài)。工程師可以對機構(gòu)的數(shù)字化原型進行更高級的交互式處理即實時地評估設(shè)計縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期從而實現(xiàn)真正的產(chǎn)品創(chuàng)新。選擇功能菜單下mechanism 。 首先定義齒輪副定義, 選擇各個齒輪裝配的銷釘連接，在這差速器仿真過程中有9個齒輪副（包括主從動錐齒輪），分別輸入傳動比。在定義行星輪的時候應(yīng)該特別注意行星輪的轉(zhuǎn)向與半軸齒輪的轉(zhuǎn)向的定義，默認的裝配中的有兩個是行星輪的相反的，故定義時應(yīng)設(shè)置反向。[10] 其次定義伺服主動機，選擇齒輪的軸線為連接軸，選擇驅(qū)動器編輯窗口的輪廓，選擇規(guī)范為速率、大小維持、常數(shù)如入設(shè)置值它們之間必須符合傳動比。在該次仿真過程中，兩半軸齒輪在不同的時間段還設(shè)置了伺服電動機一體現(xiàn)差速效果，實現(xiàn) 差速——差速器殼不起作用——差速的整個過程；再則在菜單中依次選擇分析，類型為運動學，在選擇設(shè)置電機如圖4.2所示。點選運行，運行對系統(tǒng)進行模擬運動仿真。 圖4.2 各伺服電機時間設(shè)置 4.3 獲取仿真結(jié)果及分析 點選產(chǎn)生測量分析結(jié)果圖標，測量行星齒輪和前后兩半軸的轉(zhuǎn)速，測量結(jié)果如圖十一、十二、十三所示。 圖4.3 左半軸齒輪轉(zhuǎn)速曲線 圖4.4 從動錐齒輪轉(zhuǎn)速曲線 圖4.5 右半軸齒輪轉(zhuǎn)速曲線 從3個圖中可以看出，對照差速器運動原理，對兩半軸轉(zhuǎn)速及從動錐齒輪轉(zhuǎn)速曲線進行比較，可以看到仿真結(jié)果基本達到了要求，即+=2。 第五章 驅(qū)動橋殼限元結(jié)構(gòu)分析 5.1 橋殼有限元模型的建立 在Pro/e環(huán)境下通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、混合掃描及鏡像等操作命令，建立驅(qū)動橋殼的三維模型，如圖5.1所示。 由于部件三維模型中建模細節(jié)(如螺栓孔、焊縫等)將影響整個結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格分布，增加網(wǎng)格的數(shù)量會導致模型過于復雜。因此，建模時去掉對分析影響不大的特征(如倒角、圓角等)和一些小孔。 5.1 橋殼 在Pro/MECHANICA的Integrate Mode（集成模式） 中采用 Auto GEM（自動劃分網(wǎng)格），劃分網(wǎng)格時選用四面體10節(jié)點單元．建立起橋殼有限元網(wǎng)格模型，如圖5.2所示。[11] 圖5.2 橋殼有限元模型 5.2 橋殼有限元分析 由于前驅(qū)動橋殼是通過螺栓與車架剛性聯(lián)接。而載荷作用的力、彎矩和扭矩等是經(jīng)過車輪及輪邊減速器等傳遞到與制動鉗連接的橋殼的法蘭端面上。因此，在橋殼有限元分析中，法蘭端面處即為載荷作用位置。而在變截面箱形梁與車架聯(lián)接處表面則為固定約束面。[12] 驅(qū)動橋殼的復雜受力狀況可分為3種典型的載荷工況：(1)滿載運行緊急制動工況；(2)通過不平路面最大垂直力工況；(3)鏟斗提升或轉(zhuǎn)斗后輪離地瞬間的最大牽引力工況。[13] 根據(jù)裝載機實際工作時的載荷數(shù)據(jù)，計算得到各工況下各種載荷的具體數(shù)值如表1所示。 表5.1 不同工況計算載荷 工況 垂直力（N） 牽引力（N） 扭矩（N*m） 一 7609 45660 40170000 二 113900 三 74230 42160 38700000 由于在工況一和工況二前后橋的受力相同，工況三前橋的受力明顯大于后橋，而此次設(shè)計做的橋殼是后橋，故以工況一和工況二為后橋有限元分析的載荷工況 。（且由載荷數(shù)據(jù)可以看出工況1和工況3的力作用位置和方向完全一致，但工況1的載荷值都較工況3大）。 橋殼本體材料是QT450-10球墨鑄鐵，彈性模量為169 GPa，泊松比為0.257，許用應(yīng)力為=450MPa-482MPa [14]。 ●滿載運行緊急制動工況 滿載運行急制條件下的位移圖與應(yīng)力圖如圖5.3、圖5.4所示。 圖5.3 工況一應(yīng)力圖（MPa） 圖5.4 工況一位移圖(mm) 由圖4可以看出，橋殼在工況1中受力變形，其最大的位移處于橋殼的法蘭端面，為0.2093mm，最小的位移處于被約束的變截面箱形梁與車架連接處表面。輪距的變形量為0.2093 mm／0.61m=0.343mm／m，遠小于國標規(guī)定的1．5 mm／m。根據(jù)第四強度理論，最大Von mises等效應(yīng)力為209.3MPa，出現(xiàn)在變截面箱形梁約束處的附近，小于許用應(yīng)力。 ●通過不平路面最大垂直力工況 工況二下的橋殼的位移與變形如圖5.5、圖5.6 圖5.5 工況二 應(yīng)力圖（MPa） 圖5.6 工況二 位移圖（mm） 由圖6可以看出，橋殼在工況2中受力變形，其最大的位移處于橋殼的法蘭端面，為0．431 8 mm，輪距的變形量為0.2952mm／0.61m=0.484mm／m，遠小于國標規(guī)定的1．5 mm／m。最大Von mises效應(yīng)力出現(xiàn)在變截面箱形梁在被約束處的周邊處，為406.7MPa，遠小于其許用應(yīng)。 綜合工況1和工況2可知：最大位移處于橋殼的法蘭端面。在法蘭上的外載荷作用區(qū)域，由于局部作用載荷較大產(chǎn)生了應(yīng)力集中，并且垂直力及附加力矩，對該處應(yīng)力集中的影響較大，最大Von mises等效應(yīng)力出現(xiàn)在變截面箱形梁在被約束處的周邊處。因此，建議加大法蘭端面和變截面箱形梁在被約束處的周邊處的厚度或選用強度性能更好的材料以提高橋殼的承載能力，降低最大應(yīng)力值。[15] 綜上分析，此次設(shè)計的20 mm厚度的球墨鑄鐵QT450-10材料橋殼本體是完全符合橋殼結(jié)構(gòu)強度要求的。 第六章 結(jié)語 6.1 主要內(nèi)容及成果 在此次的設(shè)計中，通過測量和計算，又從新溫習了工程機械驅(qū)動橋的設(shè)計，主要是差速器的設(shè)計。并且用計算機輔助設(shè)計完成了裝載機驅(qū)動橋的三維實體建模:應(yīng)用Pro/Mechanism機構(gòu)仿真運動功能模塊實現(xiàn)了差速器的運動學仿真;應(yīng)用有限元分析Pro/Mechanica對裝載機驅(qū)動橋主要的受力部件驅(qū)動橋橋殼進行了分析計算，主要工作和所獲得的成果如下: (1) 采用三維實體造型軟件Pro/E軟件建立裝載機驅(qū)動橋三維實體模型。 (2) 采用Pro/ Mechanism機構(gòu)仿真運動功能實現(xiàn)了差速器的運動學仿真，模擬驗證了差速器的實現(xiàn)的差速功能。 (3) 采用Pro/Mechanica橋殼為例，建立了有限元模型，分別對各工況力學模型輸出了應(yīng)力、變形云圖，檢測了有關(guān)數(shù)值。結(jié)合實際失效情況對結(jié)果進行了分析，驗證了所設(shè)計的橋殼的有限元模型的正確性和有限元分析結(jié)果的可靠性。 6.2 感受與展望 從此次的設(shè)計過程中，從各個的測量的參照以及各種測繪工具、測繪方法的使用到驅(qū)動橋各重要零部件的三維建模、裝配再到工程圖的制定，最終的差速器的運動仿真和橋殼的有限元分析等幾個方面的學習研究，讓我受益匪淺。 但是由于自己所掌握的知識有限，加之時間有限、試驗條件有限等各方面的因素，對許多問題沒有進行更深入的研究。在此指出幾點不足和展望： (1）功 建 立 了驅(qū)動橋的三維模型，但只是初步從運動學的角度進行了仿真分析，而沒有從更深層次的動力學角度進行仿真分析，但這次的經(jīng)歷為今后我自己的學習指出了一個方向。 (2) 提出建立的驅(qū)動橋橋殼的力學模型比較簡單。有限元分析也只是在很多假設(shè) 前提下進行的，同時也未更進一步的進行有限元的動力學分 第 16 頁 共 15頁 致 謝 衷心感謝楊永柏、廖水容兩位老師，在我的整個設(shè)計過程中，給予了我耐心的指導和幫助。正是老師在設(shè)計上給與我的精心指導和悉心的教誨，使我得以順利的完成此次的設(shè)計。。 感謝李遠老師提供的幫助，是他提供給我一些教程使得我可以很好的使用軟件繪圖的參數(shù)化以及一些其他幫助，這使我少走了許多彎路。 感謝在設(shè)計中與我一起研究學習的同學們。從他們我學到了許多，也感受到了自己在某些方面學習的不足。 參考文獻 [1] 華僑大學機電及自動化學院 .基礎(chǔ)實驗指導書[M] .泉州：華大印刷廠，2007 [2] 機械精密度設(shè)計與檢測技術(shù)基礎(chǔ).北京：機械出版社，2007 [3] 機械制圖（第五版）.北京，高等教育出版社，2005 [4] Pro/ENGINEER Wildfire 4.0機械設(shè)計案例教程.北京，清華大學出版社，2009 [5] Pro/ENGINEER Wildfire 3.0中文版機械設(shè)計專家指導教程.北京：機械工業(yè)出版社，2006 [6] 何滿才，工程圖設(shè)計--Pro/ENGINEER Wildfire實例講解.北京：人民郵電出版社，2005 [7] 李濟群、董志勇， Auto CAD機械制圖基礎(chǔ)教程.北京，清華大學出版社，2006 [8] 王望予，汽車設(shè)計.北京，機械工業(yè)出版社，2007 [9] 陳家瑞，汽車構(gòu)造（下）.北京，機械工業(yè)出版社，2008 [10]祝凌云，Pro/ENGINEER運動仿真和有限元分析.北京，人民郵電出版社 [11]葛正浩.Pro/E 3.0機械結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：化學工業(yè)出版社,2007 [12]典型機械產(chǎn)品構(gòu)造.北京，科學出版社，2006 [13]施建春，裝載機驅(qū)動橋運動仿真和強度分析.北京科技大學，2004.3.10 [14]機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊.北京，機械工業(yè)出版社，1995 [15]唐志祥，裝載機驅(qū)動橋殼有限元分析.工程機械，2006 [16]機械設(shè)計設(shè)計實例與禁忌.北京，化學工業(yè)出版社，2009 [17]沈蓮，機械工程材料[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008 [18]吳宗澤.機械零件設(shè)計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2003.11