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1、20机械传动2008年文章编号:1004-2539(2008)04-0020-03基于CATIA的差速器直齿圆锥齿轮参数化建模与有限元分析(吉林大学汽车工程学院,吉林长春130025)谢飞宋传学王建华王云成摘要介绍了一种利用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,
2、是一种简便可行、运行效率高的齿轮设计与分析方法。最后结合实例,完成了某型差速器直齿圆锥齿轮的建模和有限元分析。关键词直齿圆锥齿轮参数化建模有限元分析CATIA[2]圆锥齿轮齿廓表面为球面渐开线,其方程为引言x=l(sinsin+coscoscos)差速器是汽车的重要总成,它能够消除由于左、右y=l(-cossin+sincossin)(1)驱动车轮在运动学上的不协调,以保证汽车驱动桥两z=lcoscos侧车轮在行程不等时能以相应的不同的转速旋转,从式中参数的几何关系见图1
3、。而满足汽车行驶运动学的要求。差速器的结构型式有222其中,l=x+y+z,为很多种,其中以普通对称式圆锥行星齿轮差速器应用球面方程式;为基锥角;最为广泛。对称式行星齿轮差速器由差速器左、右壳1为OC与ON之间的夹角;体、半轴齿轮、行星齿轮(小型、微型汽车多采用2个,为OA与瞬时回转轴ON1少数汽车采用3个)、行星齿轮轴以及齿轮垫片等组之间的夹角。成,其中,作为主要传动部分的半轴齿轮和行星齿轮多利用球面渐开线方程我为直齿圆锥齿轮。们就能准确地求出球面渐开圆锥齿轮能够传递任意两相交轴间的运动和动线
4、齿廓表面的形状。力,其中,直齿圆锥齿轮是圆锥齿轮中最简单的一种,图1球面渐开线形成过程中2.2直齿圆锥齿轮的基本其节锥齿线为径向直线形,轮齿走向沿圆锥母线方向,的几何关系参数齿面节线通过节锥顶点,其齿长上各点的螺旋角都是表1是圆锥齿轮参数化建模的主要参数列表。零度,因此它的轴向力是各种齿线型式锥齿轮中最小表1锥齿轮建模主要参数的。直齿圆锥齿轮其特点是便于制作,轴向力较小,支行星齿轮半轴齿轮承系统简单,甚至可以用滑动轴承,可以减少安装空齿数1116[1]间。模数/mm4.83对直齿圆锥齿轮的强度校
5、核通常采用齿轮手册中齿宽/mm15.64传统的校核计算方法,但随着现代齿轮加工工艺的迅压力角25速发展,尤其是齿轮精锻技术的进步,现在的汽车差速节圆直径/mm53.1577.31器采用精锻齿轮的日益广泛,相比传统工艺加工的齿节锥角343036!552924!轮,这类齿轮的尺寸更小,而强度更高,所以传统齿轮节锥距/mm46.91设计中采用的设计及校核方法显得相对保守。为了更准确的对齿轮进行几何设计和强度分析,使用先进的齿顶高/mm4.8082.923CAE工具显得愈加重要。本文利用CATIA软件强大
6、齿根高/mm3.8315.716的实体建模与有限元功能对差速器行星齿轮和半轴齿面锥角412736!60936!轮进行了建模与有限元分析,并通过具体实例说明了根锥角295024!483224!CAE工具在齿轮设计与分析方面的优势。弦齿厚/mm8.286.66弦齿高/mm5.083.021直齿圆锥齿轮参数化建模2.3锥齿轮建模方法2.1直齿圆锥齿轮建模原理2.3.1建模步骤在采用CAD/CAM/CAE集成化第32卷第4期基于CATIA的差速器直齿圆锥齿轮参数化建模与
7、有限元分析21软件CATIA进行锥齿轮参数化建模的过程中,我们将进行网格划分、加载,得到有限元模型的相关数据;分CATIA的三维参数化造型、表达式处理、自由曲面扫描析计算部分根据有限元模型的数据文件进行有限元分[3]等功能有机结合起来。具体步骤如下:析;后处理是有限元计算输出结果的加工阶段,主要包1.根据直齿圆锥齿轮的基本参数和几何尺寸的计括数据输出和图形显示,由于后两个阶段采用批处理算公式,算出所有建模所需的齿轮几何参数,特别是基方式和单纯的输出形式,所以人工干预不多,相比之
8、圆锥的几何参数。下,最重要的工作还在于前处理阶段,及确定对象建立2.画出直齿圆锥齿轮的基圆锥、齿根圆锥、分度圆模型,确定节点数,划分网格、加载,因此重点工作主要锥、齿顶圆锥。放在前处理过程中。3.根据球面渐开线齿廓面方程画出齿轮的左、右齿廓面。4.根据齿廓面的边界线,分别画出齿轮的大端、小端、齿顶和齿根,从而得到封闭的轮齿。5.将这个轮齿沿分度圆锥进行拷贝,从而得到完整的齿轮实体。在具体建模过程中,可以利用CATIA知识库中的图3行星齿轮三维几何模型公
