汽车差速器啮合传动规律及直齿锥齿轮副疲劳失效研究

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1、汽车差速器啮合传动规律及直齿锥齿轮副疲劳失效研究第1章绪论1.1引言齿轮传动是机械运载系统中最为重要的一种传动形式，广泛应用于各类机械传动机构。齿轮机构除了可以实现运动和动力的传递，并且与其他传动装置相比，具有传动效率高、工作可靠性强、寿命长、传动比准确、结构紧凑、适用的速度和传递功率范围广等特点。其传动质量直接影响或决定着机械产品的质量与性能。按照两齿轮轴线的相对位置，可将齿轮传动类型分为：1)平行轴齿轮传动，其中包括直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、人字齿轮、齿轮及齿条传动，此种传动方式多见于结构简单的传动结构；2)相交轴锥齿轮传动，主要包括直齿锥齿轮和螺旋锥齿轮，其中直齿锥齿

2、轮构成的复杂齿轮机构如汽车差速器得到广泛的应用，如图1-1所示。普通的差速器由行星齿轮6、行星架9和半轴齿轮4等构成，其作用就是在向两边半轴传递动力的同时，允许两半轴齿轮以不同的转速旋转，满足两边车轮以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。现在，差速器已广泛应用于汽车等机械中，认识其哨合传动规律对差速器的设计和正确使用具有重要的意义。此外，提高齿轮的使用寿命对差速器的寿命延长具有直接的经济价值。随着计算机技术的发展，通过有限元分析的方法来探究汽车差速器的接触应力和弯曲应力的变化规律，分析直齿锥齿轮副的接触疲劳应力和弯曲疲劳应力的变化，有利于减少实验成本和降低实验周期

3、。因此，本文主要进行汽车差速器哨合传动规律及直齿锥齿轮副的疲劳失效研究。1.2课题相关研究进展圆锥齿轮传动主要用于传递两相交轴间的运动和动力。它可分为直齿、斜齿、圆弧齿或螺旋齿等多种形式⑴。在这些圆锥齿轮传动中，由于直齿圆锥齿轮的设计、制造和安装都很容易，故而应用广泛，特别是在汽车、拖拉机和机床制造业中占有十分重要的地位。从十九世纪末，人们就开始了对圆锥齿轮加工方法的研究和探讨。截止到目前，圆锥齿轮齿形加工工艺根据不同行业和现有设备情况有很多方法，如:仿形铣削法、展成洗齿法、展成刨齿法、圆盘拉切法、精密锻造法和冷挤压加工法等等[5]。随着计算机技术和数字控制技术的发展，高精度

4、电子传动的实现，为高精、高效和柔性化的直齿锥齿轮加工开辟了新的途径[6]。Nc技术的应用极大简化了机床结构和加工计算。并且，三维造型的软件的发展如PRO/E，UG,CATIA等为齿轮的设计研究提供了有利的手段。马延会[7]和黄海浪[8，9]运用UG软件分别完成了非圆锥齿轮和直齿锥齿轮的三维几何造型；张贺[10]运用Pro/E软件完成了双圆弧圆柱齿轮的三维参数化精确建模。但由于直齿锥齿轮理论齿廓形状为复杂的球面渐开线，因此三维精确几何造型较为困难，从而极大程度的阻碍了直齿锥齿轮啮合接触仿真分析及其局部结构优化设计研究的开展。因此，精确的几何模型设计是参数化设计的难点。1.2.1

5、直齿锥齿轮三维建模研究现状目前，国内外很多学者对直齿锥齿轮的咱合特性进行了深入的研究，并取得了显著的成绩。文献[11]根据机械原理对齿轮差速器进行设计与分析，给出了齿轮设计参数。利用Pro/E三维设计软件对汽车差速器齿轮参数化建模，并进行了运动仿真分析。仿真分析结果验证了设计的正确性，从而为齿轮差速器的设计提供了一个可靠、高效的分析和试验方法。文献[I2]介绍了基于UG开发的汽车差速器圆锥齿轮三维实体参数化造型系统的方法，其关键是齿廓曲线釆用精确的空间球面渐开线，通过用户输入的参数驱动UG/openAPI函数直接绘制齿轮实体模型。文献[13]针对小型拖拉机存在故障较多的问题，

6、以泰山-200型拖拉机的差速器为例进行了强度分析。结果表明，差速器弯曲疲劳强度不足是造成拖拉机故障率较高的重要原因。以此分析结果为依据，提出了相应的结构改进措施。文献[14]设计了一种可用于人力轿车的四变速齿轮差速器。该四变速齿轮差速器是将变速器与差速器二者设计为一个整体，具有体积小、重量轻等优点。它是人力轿车非常适用的传动机构。文献[I5]介绍了一种利用CATIA软件对汽车差速器直齿圆锥齿轮进行参数化建模和有限元分析(FEA)的设计方法。该方法最大的特点是建模与有限元分析使用同一软件平台，避免了接口传递可能产生的数据错误，是一种简便可行、运行效率高的齿轮设计与分析方法。最后

7、结合实例，完成了某型差速器直齿圆锥齿轮的建模和有限元分析。文献针对传统悬臂梁理论计算轮齿弯曲应力的不足，在ANSYS软件中釆用从低级到高级的建模方法对准双曲面齿轮进行三维实体建模，并对齿轮进行分析，收敛计算到足够的精确度，得到了满意的结果。第2章汽车差速器唯合传动规律研究差速器的功用[42]是当汽车转弯或在不平路面上行驶时，允许左右车轮以不同的转速旋转，使车轮在地面上做纯滚动。本章汽车差速器的啮合传动规律研究以对称式锥齿轮差速器为研究对象。对称式锥齿轮差速器（图1-1)主要由四个行星齿轮6、行星齿轮轴9