轎車-桑塔納3000汽車主減速器及差速器設計含4張CAD圖

轎車-桑塔納3000汽車主減速器及差速器設計含4張CAD圖,轎車,桑塔納,3000,汽車,減速器,差速器,設計,CAD 摘要 汽車的驅動橋位于傳動系的末端，其基本功用是增大由傳動軸或者直接由變速器傳來的轉矩，將轉矩分配給左右車輪，并獲得差速要求。在驅動橋中，實現(xiàn)這一系列功用的主要部件有主減速器、差速器、半軸，還包括其他傳動裝置和橋殼。本設計主要就驅動橋的原理進行了仔細的了解與陳述，對桑塔納3000的驅動橋中的主減速器、差速器、半軸等重要部件等進行了詳細的設計。在設計過程中，根據汽車設計的原則與步驟，進行了詳細的計算。在設計過程中，還分析了有關部件需要采用的方法、可行性方案討論等，并對可能出現(xiàn)的故障進行了思考，最后就重要的部件與裝配用工程圖紙的方式展示。 關鍵詞：驅動橋 主減速器 差速器 有限元分析 引言 汽車自誕生以來到現(xiàn)在己有一個多世紀，隨著社會發(fā)展的日新月異，汽車的購買量和使用越來越多，己然成為人民生活的必需品。車輛越來越面臨由監(jiān)管和市場力量驅動的嚴格性能、排放和燃油經濟性標準(例如歐洲的ACEA標準、排放交易政策等)，汽車行業(yè)創(chuàng)新和改革刻不容緩。我國大力推動汽車行業(yè)向節(jié)能汽車、新能源汽車轉型，推動汽車產業(yè)可持續(xù)發(fā)展。這種戰(zhàn)略舉措不僅能加快我國汽車行業(yè)發(fā)展，還能培育新的經濟增長點，激發(fā)我國創(chuàng)造活力，提升我國汽車行業(yè)在國際的競爭優(yōu)勢。 車用變速器是汽車的關鍵部件之一，它用于協(xié)調發(fā)動機的速度和車輪的實際速度，能夠用于發(fā)揮發(fā)動機最佳性能，傳動性能直接影響整車的動力性能。因此其技術創(chuàng)新是我國汽車產業(yè)發(fā)展的關鍵之一。目前我國各大汽車廠商和一些科研院校均積極開展了能夠形成自主知識產權的變速器基礎創(chuàng)新技術研究和開發(fā)工作，爭取領先各國掌握變速器創(chuàng)新關鍵技術。 正文 國內外對載貨汽車輪邊減速器的研究較少，結合本課題研究的方向，行星齒輪機構動力學性能做為本課題研究的重點。 國外研究動態(tài) 世界上一些工業(yè)發(fā)達國家，如日本、德國、英國、美國和俄羅斯等國家對行星齒輪的應用、生產和研究都十分重視，在結構優(yōu)化、傳動性能、傳遞功率、轉矩和速度等方面均處于領先地位，并研究出一些新的行星傳動技術，如封閉行星齒輪傳動、行星齒輪變速傳動和微型行星傳動等早已在現(xiàn)代化的機械傳動設備中獲得了成功的應用。1999年，Jian Lin等研究了行星齒輪機構的純扭轉模型和扭轉橫向耦合模型的自由振動特性，分析了行星齒輪傳動的固有頻率和主模態(tài)的特性；2001年，Robert G.Parker研究特殊的諧波相位嚙合頻率，可以減少行星齒輪傳動裝置的振動，改善系統(tǒng)動力學性能。2001年，Ahmet Kahraman研究了復式行星齒輪系統(tǒng)的自由振動特性。2002年，Jose M對行星齒輪系統(tǒng)傳動效率進行了分析；2004年，Cheon Gill-Jeong研究了具有制造誤差的行星齒輪系統(tǒng)在靜態(tài)特性下對軸承剛度的影響；2009年，W.Bartelmus研究了在外載荷變化的情況下對行星齒輪系統(tǒng)的檢測。 國內研究動態(tài) 行星齒輪傳動在我國已有許多年的發(fā)展史，很早就有了應用，自20世紀60年代以來，我國對行星齒輪傳動進行了較深入、系統(tǒng)地研究和試制工作。但無論是在設計理論方面，還是在試制和應用實踐方面，均取得了許多創(chuàng)新性的研究成果。1998 年，沈允文等應用結構動力學修改重分析的思想和復模態(tài)的矩陣攝動法理論，提出了一整套齒輪系統(tǒng)振動分析和減振研究的理論計算方法；第二年，他們又利用行星架附加阻尼對行星齒輪系統(tǒng)的減振，提出了一種粘性阻尼線性系統(tǒng)的動態(tài)分析和減振設計的有效方法；同一年，朱才朝等研究了運動副間隙對內齒行星齒輪傳動特性的影響及傳動機理。2000 年，張策等通過對齒輪、軸與軸承所組成的齒輪傳動系統(tǒng)中彎曲振動、扭轉振動和橫向振動問題的分析，并考慮到齒輪質量偏心和輪齒嚙合摩擦力對系統(tǒng)振動的影響，應用拉格朗日方程，建立了一對漸開線直齒輪傳動系統(tǒng)振動的數(shù)學模型；同年，楊建明研究了行星齒輪機構彈性動力學建模問題；2005 年，楊建明研究了內齒行星齒輪變速器的彈性動力學的問題，分析了行星齒輪軸承與球軸承的承載能力的比較及初始頻率對振動噪聲的影響；2008 年，天津大學葛楠、張俊在高速行星齒輪機構中內齒輪的有限元分析，研究了齒的厚度對內齒輪剛度的影響；同年，Shuting Li 研究了少齒差行星齒輪驅動的接觸問題和數(shù)值方法，以及齒的接觸個數(shù)對系統(tǒng)動力學性能的影響。 齒輪動力學模型 在分析理論方面，齒輪動力學起初是以沖擊理論為基礎，在二十世紀 50年代以前人們以嚙合沖擊作為描述、解釋齒輪動態(tài)激勵和動態(tài)響應的基礎，用沖擊作用下的單自由度系統(tǒng)的動態(tài)響應來近似齒輪系統(tǒng)的動力學行為。后來發(fā)展到以振動理論為基礎，將3 齒輪系統(tǒng)作為彈性的機械振動系統(tǒng)分析其動力學特性。1950年，Tuplin提出了第一個齒輪動力學模型，開創(chuàng)了齒輪動力學研究的新紀元。此后相繼出現(xiàn)了若干振動模型，并開始考慮齒形誤差、時變嚙合剛度等參數(shù)激勵對動載荷的影響。 60年代以后，在齒輪動力學理論和實驗上取得了大量成果，在理論研究上主要是圍繞動力學建模、激勵形式、求解方法等方面展開。在振動理論的框架內，齒輪系統(tǒng)的動力學模型經歷了由線性振動理論到非線性振動理論，由定常系統(tǒng)向變參數(shù)系統(tǒng)的發(fā)展，可以歸結4種類型：線性時不變模型、線性時變模型、非線性時不變模型、非線性時變模型。 課題研究內容 車用減速器發(fā)展趨勢和特點是向著六高、二低、二化方向發(fā)展，即高承載能力、高齒面硬度、高精度、高速度、高可靠性、高傳動效率，低噪聲、低成本，標準化、多樣化，計算機技術、信息技術、自動化技術廣泛應用。從發(fā)動機的大馬力、低轉速的發(fā)展趨勢以及商用車的最高車速的提升來看，公路用車橋減速器應該向小速比方向發(fā)展:在最大輸出扭矩相同時齒輪的使用壽命要求更高(齒輪疲勞壽命平均可達50萬次以上);在額定軸荷相同時，車橋的超載能力更強;主減速器齒輪使用壽命更長、噪音更低、強度更大，潤滑密封性能更好;整體剛性好，速比范圍寬。 汽車主減速器的汽車驅動橋中的一個重要部件，汽車驅動橋處于動力傳動系的末端，其基本功能是增大由傳動軸或變速器傳來的轉矩，并將動力合理的分配給左、右驅動輪，另外還承受作用于路面和車架或車身之間的垂直立、縱向力和橫向力。驅動橋一般由主減速器、差速器、車輪傳動裝置和驅動橋殼組成。設計主減速器時應滿足如下基本要求： 1）選擇適當?shù)闹鳒p速比，以保證汽車在給定條件下具有最佳的動力性和燃油經濟性； 2）在各種足夠的強度和剛度，以承受和傳遞作用于路面和車架或車身間的各種力和力矩； 3）驅動橋各零部件在強度高、剛性好、工作可靠及使用壽命長的條件下，應力求做到質量小，特別是非懸掛質量應盡量小，以減少不平路面給驅動橋的沖擊載荷，從而改善汽車的平順性； 4）外廓尺寸小，保證汽車具有足夠的離地間隙，以滿足通過性要求； 5）齒輪及其他傳動件工作平穩(wěn)，無噪聲或低噪聲； 6）驅動橋總成及零部件的設計應能盡量滿足零件的標準化、部件的通用化和產品的系列化及汽車變型的要求； 7）在各種載荷和轉速工況下有高的傳動效率； 8）結構簡單，維修、保養(yǎng)方便；機件工藝性好，制造容易。 由于要求設計的是家用型轎車，要設計這樣一個級別的驅動橋，一般選用非斷開式結構以與非獨立懸架相適應，該種形式的驅動橋的橋殼是一根支撐在左右驅動車輪的剛性空心梁，一般是鑄造或鋼板沖壓而成，主減速器，差速器和半軸等所有傳動件都裝在其中，此時驅動橋，驅動車輪都屬于簧下質量。 驅動橋的結構形式有多種，基本形式有三種如下： 1)中央單級減速驅動橋。此是驅動橋結構中最為簡單的一種，是驅動橋的基本形式， 在載重汽車中占主導地位。一般在主傳動比小于6的情況下，應盡量采用中央單級減速驅動橋。目前的中央單級減速器趨于采用雙曲線螺旋傘齒輪，主動小齒輪采用騎馬式支承， 有差速鎖裝置供選用。 2)中央雙級驅動橋。在國內目前的市場上，中央雙級驅動橋主要有2種類型：一類如伊頓系列產品，事先就在單級減速器中預留好空間，當要求增大牽引力與速比時，可裝入圓柱行星齒輪減速機構，將原中央單級改成中央雙級驅動橋，這種改制“三化”（即系列化，通用化，標準化）程度高， 橋殼、主減速器等均可通用，錐齒輪直徑不變；另一類如洛克威爾系列產品，當要增大牽引力與速比時，需要改制第一級傘齒輪后，再裝入第二級圓柱直齒輪或斜齒輪，變成要求的中央雙級驅動橋，這時橋殼可通用，主減速器不通用， 錐齒輪有2個規(guī)格。 由于上述中央雙級減速橋均是在中央單級橋的速比超出一定數(shù)值或牽引總質量較大時，作為系列產品而派生出來的一種型號，它們很難變型為前驅動橋，使用受到一定限制；因此，綜合來說，雙級減速橋一般均不作為一種基本型驅動橋來發(fā)展，而是作為某一特殊考慮而派生出來的驅動橋存在。 3)中央單級、輪邊減速驅動橋。輪邊減速驅動橋較為廣泛地用于油田、建筑工地、礦山等非公路車與軍用車上。當前輪邊減速橋可分為2類：一類為圓錐行星齒輪式輪邊減速橋；另一類為圓柱行星齒輪式輪邊減速驅動橋。 ①圓錐行星齒輪式輪邊減速橋。由圓錐行星齒輪式傳動構成的輪邊減速器，輪邊減速比為固定值2，它一般均與中央單級橋組成為一系列。在該系列中，中央單級橋仍具有獨立性，可單獨使用，需要增大橋的輸出轉矩，使牽引力增大或速比增大時，可不改變中央主減速器而在兩軸端加上圓錐行星齒輪式減速器即可變成雙級橋。這類橋與中央雙級減速橋的區(qū)別在于：降低半軸傳遞的轉矩，把增大的轉矩直接增加到兩軸端的輪邊減速器上 ，其“三化”程度較高。但這類橋因輪邊減速比為固定值2，因此，中央主減速器的尺寸仍較大，一般用于公路、非公路軍用車。 ②圓柱行星齒輪式輪邊減速橋。單排、齒圈固定式圓柱行星齒輪減速橋，一般減速比在3至4.2之間。由于輪邊減速比大，因此，中央主減速器的速比一般均小于3，這樣大錐齒輪就可取較小的直徑，以保證重型汽車對離地問隙的要求。這類橋比單級減速器的質量大，價格也要貴些，而且輪穀內具有齒輪傳動，長時間在公路上行駛會產生大量的熱量而引起過熱；因此，作為公路車用驅動橋，它不如中央單級減速橋。 由于隨著我國公路條件的改善和物流業(yè)對車輛性能要求的變化，驅動橋技術已呈現(xiàn)出向單級化發(fā)展的趨勢，主要是單級驅動橋還有以下幾點優(yōu)點： (l) 單級減速驅動橋是驅動橋中結構最簡單的一種，制造工藝簡單，成本較低， 是驅動橋的基本類型，在重型汽車上占有重要地位； (2) 汽車發(fā)動機向低速大轉矩發(fā)展的趨勢，使得驅動橋的傳動比向小速比發(fā)展； (3) 隨著公路狀況的改善，特別是高速公路的迅猛發(fā)展，汽車使用條件對汽車通過性的要求降低。因此，汽車不必像過去一樣，采用復雜的結構提高通過性； (4) 與帶輪邊減速器的驅動橋相比，由于產品結構簡化，單級減速驅動橋機械傳動效率提高，易損件減少，可靠性提高。 單級橋產品的優(yōu)勢為單級橋的發(fā)展拓展了廣闊的前景。從產品設計的角度看， 本設計主減速比小于6下，應盡量選用單級減速驅動橋。對行星齒輪振動、噪聲的研究歸根結底屬于對齒輪動力學的研究。隨著齒輪技術的發(fā)展，傳動載荷和傳動速度提高很快，同時齒輪的振動與噪聲問題也日益嚴重。齒輪傳動在強度方面的問題己經基本解決，目前有待解決的重大技術課題是齒輪傳動的振動和噪聲問題。目前在這方面的研究還不夠深入，在通常的齒輪設計方法中，多是只進行齒輪的運動和強度方面的設計，幾乎不考慮齒輪的噪聲、振動問題，這往往不能滿足齒輪傳動性能上的要求。機械在工作過程中所產生的振動，惡化了設備的動態(tài)性能，影響了設備原有的精度、生產效率和使用壽命。同時，機械振動所產生的噪聲，又使環(huán)境受到了嚴重污染。齒輪系統(tǒng)是各種機器和機械設備中應用最為廣泛的動力和運動傳遞裝置，其動力學行為和工作性能對整個機器有著重要影響，而且，機械的振動和噪聲大部分來源于齒輪傳動工作時產生的振動，因此，機械產品對齒輪系統(tǒng)動態(tài)性能方面的要求就更為突出。 行星齒輪機構是一種復雜的動力傳動系統(tǒng)，傳統(tǒng)研究工作主要局限于均載性研究。近年來，研究工作轉向動態(tài)特性方面并已取得重要研究成果。齒輪傳動系統(tǒng)在動態(tài)激勵作用下產生動態(tài)響應，齒輪系統(tǒng)的動態(tài)激勵有內部激勵和外部激勵兩類。與一般機械系統(tǒng)的主要不同之處在于它的內部激勵，即輪齒嚙合時產生的激勵，由于行星齒輪傳動結1構復雜且為過約束傳動，對結構進行動力學研究時應該考慮零件或運動副的彈性，根據建立動力學模型時考慮的因素和所使用的方法不同，一般將行星齒輪傳動的動力學模型分為如下兩類：即集中參數(shù)模型和有限元模型，由于集中參數(shù)模型與實際情況相差較遠，因而有必要建立行星齒輪機構的有限元分析模型。 在汽車上，作為雙級減速驅動橋的第二級減速器，輪邊減速器一般安裝在輪轂中間或附近，采用輪邊減速器可以使中間主減速器的外形尺寸減小，保證車輛具有足夠的離地間隙，由于輪邊是最后的一級減速，其前面的半軸、差速器及主減速器的從動輪等零件的尺寸都可以減小。這種二級減速裝置一般使用直齒圓柱行星齒輪傳動，然而由于輪邊減速器在汽車上要受到半軸傳動、路面顛簸及制動時對輪轂所產生力的影響等，故而所受到的力學環(huán)境非常復雜。在許多應用場合，行星齒輪傳動系統(tǒng)的振動和噪聲是影響系統(tǒng)可靠性、壽命及操作環(huán)境的關鍵因素。因此，有必要利用現(xiàn)代設計方法，利用目前比較成熟的 ANSYS 等有限元分析軟件對輪邊減速器的行星齒輪系統(tǒng)的動力學性能進行分析。 參考文獻 [1]王望予.汽車設計(第4版〉[M].機械工業(yè)出版社，2018 [2]劉惟信.汽車設計[M].清華大學出版社，2018 [3]劉惟信編著.汽車設計叢書驅動橋[M].清華大學出版社，2018 [4] 汽車工程手冊編輯委員會.汽車工程手冊[M]：設計篇.北京：人民交通出版社，2001. 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