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1、第32卷第4期汽车后桥差速器齿轮结构设计优化研究23文章编号:1004-2539(2008)04-0023-02汽车后桥差速器齿轮结构设计优化研究(四川大学制造科学与工程学院,四川成都610065)陈珂殷国富汪永超摘要提出将差速器圆锥齿轮的结构设计与性能设计结合起来,分两个阶段运用CAE技术对其受载情况进行分析计算和优化研究,主要改善了汽车后桥差速器圆锥齿轮设计方案中应力集中、应力不合理分布与扩展的状况,提高了基体的承载能力,减少了断裂失效的预期,优化了产品的结构设计。关键词差速器直齿圆锥齿轮有限元分析结构优化小端加凸台与大端加连皮
2、、增加压力角并减小齿高等;引言并运用有限元方法计算各方案啮合过程的应力与应变汽车后桥差速器圆锥齿轮是汽车重要传动部件之状况,同时作出对比分析,以期获得对结构性能影响较一,所受载荷大,引起的应力情况复杂。传统设计计算大的因素集(分析计算结果如表1所示)。过程中对齿轮强度的分析是建立在经验公式的基础表1单项改进与综合改进方案分析计算结果[1]半轴齿轮行星齿轮上,难以准确反映出其真实的应力及变形分布规律。分析方案危险部位目前,国内CAE技术在产品早期设计阶段的应用相对/Pa/Pa薄弱,设计后期发现的任何设计缺陷都可能影响新产尖点接触、行星
3、齿轮背部原方案4.10E+94.60E+9品的适时推出,并使产品成本大幅上扬。故在设计活球面台阶处动中引入CAE技术可直接优化产品设计流程,分析最尖点接触、行星齿轮背部加大圆角3.80E+94.00E+9新的设计方案,是制造企业降低成本,扩大市场占有率球面台阶处的一项关键性的策略。行星齿轮3.50E+94.00E+9过渡圆角处、尖点接触本文从弹性力学出发,将差速器圆锥齿轮的结构小端加凸台设计与性能设计结合起来,分两个阶段运用CAE技术大端加连皮4.50E+94.00E+9过渡圆角处、尖点接触对其受载情况进行分析计算和优化研究,减少设
4、计过尖点接触、行星齿轮背部增加压力角4.00E+93.90E+9程中强度校核的局限性和不确定性,以获得产品结构球面台阶处的优化设计,使其计算机数字模型与物理模型的测试行星齿轮背部球面台阶减小齿高4.35E+93.70E+9结果相吻合,确保产品在其使用环境中满足设计任务处、齿根部书对产品性能指标的要求。尖点接触、行星齿轮背部加长小端4.13E+95.70E+9球面台阶处1分析计算半轴齿轮过渡圆角处、尖点接触、背5.25E+94.10E+9首先在三维实体造型软件UG平台上进行二次开小端加凸台部台阶处发[2],创建出差速器圆锥齿轮参数化特
5、征造型实体模大端半封闭4.70E+95.70E+9过渡圆角处、尖点接触型,再利用有限元分析软件ANSYS中的Parasolid专用改变齿数比3.36E+93.80E+9行星齿轮背部球面台阶处接口程序进行模型导入,这样结合了CAD与CAE两种综合13.80E+94.00E+9尖点接触、过渡圆角处工具高效便捷的操作,可充分发挥各自的领域优综合23.00E+93.80E+9尖点接触、过渡圆角处[3-4]尖锐棱角、行星齿轮背部势,快速建立起差速器圆锥齿轮标准啮合状态的综合33.30E+94.80E+9有限元模型,为后续分析优化提供了计算基础
6、。球面台阶处在已有汽车后桥差速器圆锥齿轮设计经验的基础从分析结果的对比发现,第一阶段的各改进方案上,针对某型号原有设计方案(如图1所示),提出了9未能达到预期的效果,经过对结果数据的详细对比后,个单项改进方案和3个综合改进方案:加大过渡圆角、可以看出,各方案出现危险状况时的部位有明显的一行星齿轮小端加凸台、大端加连皮、增加压力角、减小致性,这些部位产生的强烈应力集中现象掩盖了改进齿高、加长小端、半轴齿轮小端加凸台、大端半封闭、改方案可能取得的改进效果,如行星齿轮背部球面台阶变齿数比、行星齿轮与半轴齿轮小端加凸台、行星齿轮处的应力集中
7、,可能导致轮齿呈一定角度斜向折断;而24机械传动2008年改进方案中所加凸台或连皮,由于过渡圆角的设计不磨损方向变化。尽合理,直接在凸台(连皮)与轮齿的过渡处产生强烈的应力集中,并使得此处的应力扩展受到阻碍,易产生凸台(连皮)与轮齿间材料的撕裂;同时应力扩展方式也呈现出一定的规律性,轮齿小端应力扩展方向主要为径向,如果齿轮基体强度不足,将直接导致齿轮的径向断裂失效(如图2所示)。2失效实例分析经过对实际失效齿轮的图2第一阶段有限元分析计算云图对比分析(如图3所示),可发现具有明显的一致性。行星齿轮的失效形式主要是基体的剖分断裂,在轮
8、齿尚未出现明显磨损、点蚀、黏合等现象时,就直接出现图1某型号差速器齿轮方案了径向的齿轮断裂。而半轴啮合模型图3失效齿轮照片齿轮的失效形式主要是轮齿的折断,且以偏向轮齿大端成一定角度的斜向断裂。故可得出第一阶段的分析结论为,行星齿轮的基
