机械工程学院 毕业设计（论文）开题报告
毕业设计（论文）题目：TY1250型载货汽车差速器设计
学 生 姓 名：吴 剑 涛
指导教师姓名：张 瑞 亮
专 业：车 辆 工 程
2010 年 4 月 6 日 1. 课题名称 TY1250型载货汽车差速器设计
2.课题研究背景 目前国内重型汽车的差速器产品的技术基本源自美国、德国、 日本等几个传统的工业国家，我国现有的技术基本上是引进国外的基础上发展的，而且已经有了一定的规模。但是目前我国的差速器没有自己的核心技术产品，自主开发能力仍然很弱，影响了整车新车的开发。在差速器的技术开发上还有很长的路要走。2.1国内外的研究动态
目前汽车在朝着经济性和动力性的方向发展，如何能够使自己的产品燃油经济性和动力性尽可能提高是每个汽车厂家都在做的事情，当然这是一个广泛的概念，汽车的每个部件都在发生着变化。差速器也不例外，尤其是那些对操控性有较高需求的车辆。国外的那些差速器生产企业的研究水平已经很高，而且还在不断地进步， 年销售额达18亿美金的伊顿公司汽车集团是全球化的汽车零部件制造供应商，在发动机气体管理，变速箱，牵引力控制和安全排放控制领域居全球领先地位。主要产品包括发动机气体管理部分及动力控制系统，其中属于动力控制系统的差速器类产品04年的销售量达250万只，在同类产品中居领导地位。国内的差速器起步较晚，目前的发展主要靠引进消化国外产品来满足需求。 因此，我们要抓住市场机遇，在保证现有差速器生产和改进的同时，要充分认识到改革与发展的关系，更要认识到创新对发展的巨大推动作用。我们要紧随世界的步伐，使我们的产品向高技术含量，智能化得方向发展，开发出适合我国国情的，具有自主知识产权的新一代差速器。 2.2差速器今后的发展
目前中国的汽车上广泛采用的差速器为对称锥齿轮式差速器，具有结构简单、质量较小等优点。伊顿公司汽车集团是全球化的汽车零部件制造供应商，在同类差速器产品中居领导地位。最近伊顿开发了新型的锁式差速器，它的工作原理及与其他差速器的不同之处：当一侧轮子打滑时，普通开式差速器几乎不能提供任何有效扭矩给车辆，而伊顿的锁式差速器则可以在发现车轮打滑后，锁定动力传递百分之百的扭矩到不打滑车轮，足以克服各种困难路面给车辆带来的限制。在牵引力测试、连续弹坑、V型沟等试验中，两驱车在装有伊顿锁式差速器后，越野性能及通过性能甚至超过了四轮驱动的车辆。因为只要驱动轮的任何一侧发生打滑空转以后，伊顿锁式差速器会马上锁止动力，并把全部动力转到另一有附着力的轮上，使车辆依然能正常向前或向后行驶。毫无疑问，更强的越野性和安全性是差速器的最终目标。
3. 课题研究的意义 汽车发动机的动力经离合器、变速器、传动轴，最后传送到驱动桥,再左右分配给半轴驱动车轮，在这条动力传送途径上，驱动桥是最后一 个总成，它的主要部件是减速器和差速器。减速器的作用就是减速增矩，这个功能完全靠齿轮与齿轮之间的啮合完成，比较容易理解。而差速器 就比较难理解，什么叫差速器，为什么要“差速”？ 当汽车转向时，车轮以不同的速度旋转。在转弯时，每个车轮驶过的距离不相等，即内侧车轮比外侧车轮驶过的距离要短。因为车速等于汽车行驶的距离除以通过这段距离所花费的时间，所以行驶距离短的车轮转动的速度就慢。同时需要注意的是：前轮较之后轮，所走过的路程是不同的。 对于后轮驱动型汽车的从动轮，或前轮驱动型汽车的从动轮来说，不存 在这样的问题。由于它们之间没有相互联结，它们彼此独立转动。但是两主动轮间相互是有联系的。因此一个引擎或一个变速箱可以同时带动两个车轮。如果你的车上没有差速器，两个车轮将不得不固定联结在一起，以同一转速驱动旋转。这会导致汽车转向困难。此时，为了使汽车能够转弯，一个轮胎将不得不打滑。对于现代轮胎和混凝土道路来说，要使轮胎打滑则需要很大的外力，这个力通过车桥从一个轮胎传到另一个轮胎，这样就给车桥零部件产生很大的应力。 汽车差速器是驱动轿的主件。它主要有三大功用： 把发动机发出的动力传输到车轮上； 充当汽车主减速齿轮，在动力传到车轮之前将传动系的转速减下来； 将动力传到车轮上，同时，允许两轮以不同的轮速转动。 从而满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。汽车差速器原理结构图如下图。
差速器原理实物图
差速器在汽车上有很重要的意义，汽车除了直行，还要转弯。在转弯过程中，由于车体存在宽度，左右轮的回转半径是不一样大的，也就是说在转弯过程中，左右轮的转速是不一样的，可早期的汽车左右驱动轮为刚性连接，轮胎和机械部件在转弯过程中存在相当大的损耗，车辆的寿命受到严重的限制，路易斯.雷诺（法国雷诺汽车公司的创始人）通过一个小小的齿轮机构解决了这个问题，并形象的将其命名为差速器。现代的差速器已经有了越来越优良的性能，能够实现车辆动力和操控性的完美结合。 国内目前的差速器产品大多是通过引进而开发的类型，没有什么核心的技术产品，还有一部分是通过进口的产品。现在我国已经对差速器有了深入的研究设计，但没有形成一定规模的工业化设计和制造，所以我们需要在这个领域开发和生产具有自主知识产权、适合我国国情的重型汽车差速器。
4. 文献查阅概况 在查阅了一些文献以后我的简要概括如下：
4.1防滑差速器壳体有限元分析 有限元模型作为原结构的离散化模型,其好坏直接关系到求解的正确性和精度。首先利用UG三维CAD软件按照差速器壳体设计图纸建立其几何实体模型,几何实体模型完成后导入到ANSYS中,经过修改后再生成有限元模型。 防滑差速器壳体模型的各个部件之间用粘接运算进行连接,以模拟螺钉连接。选择Solid单元中的Brick 8node 45单元划分网格,共有节点18 959个,单元81 046个,如图1所示。
图1 防滑差速器壳体的有限元模型 在进行强度和刚度计算分析时,对防滑差速器壳体的左右轴承轴颈表面、左半轴轴承安装端面以及行星齿轮轴孔处进行位移约束。对有限元模型施加载荷时,作了以下等效处理:分别将圆周力等效为沿其圆周方向的等效节点力,加载到其有限元模型上[1]。
4.2 差速器三维装配模型的建立
在Pro/E 环境中，建立差速器各零件的三维实体模型后，可定义各零部件之
间的装配配合关系，进而建立差速器总成三维实体模型。Pro/E 软件中，装配树（多叉树）的层次关系体现了实际形成产品的装配顺序，形象地表达了产品、部件、零件之间的父子从属关系，其层次结构表达方法，可满足人机交互装配规划和装配过程仿真功能的要求。 根据差速器零件三维模型结构特点及其功能要求，可确定各零部件的装配约束关系。Pro/E 中提供了4 种标准配合约束关系，即，（1）匹配（mate）或匹配偏距（mateoffset），（2）对齐（align）或对齐偏距（align offset），（3）定向（orient），（4）插入（insert）。差速器装配中主要用到匹配与对齐两种约束关系。利用将元件添加到组件等操作可生成差速器总成装配图，如下图1。在根据实际的装配关系对差速器零件进行装配时，应注意进行零件之间干涉分析和检验，以便及时发现问题并更改零件结构设计参数。利用Pro/E 中视图/分解/分解视图命令，完成装配图的初步分解，进一步可生成差速器总成爆炸视图，如下图2。 以基于特征的参数化建模方法，可以建立汽车差速器各零件的三维实体模型，从而为差速器各零件的虚拟装配、数控加工提供精确的数字化模型信息。将虚拟装配技术引入差速器结构设计中，有助于发现并在设计阶段及时解决零部件干涉等结构设计问题，缩短了差速器产品的研发周期，加快了汽车产品对不断变化的客户需求进行及时响应的速度，降低了设计成本，提高了设计质量[2]。
图1 图2
4.3无单边滑动摆块式差速器
研制了一种新型无单边滑动摆块式汽车差速器,阐述其工作原理和结构设计,
加工了试验样机,进行了装车道路试验. 结果表明,与常规差速器相比,这种新型差速器结构简单、加工成本低,在道路试验中能够可靠地实现差速工作,在泥泞、湿滑等不良路面上能够有效避免车轮单侧打滑[3]。
4.4 导球式限滑差速器结构及工作原理
导球式限滑差速器的最大特点是利用滚球沿具有一定轨迹的导槽的 运
动代替了齿轮传动来实现差速与限滑功能，其具体结构组成如下图所示
1壳体 2端盖 3滚球保持架 4滚球 5传力盘 6止推垫片 7平垫片
滚球保持架3与壳体1连接在一起，它是转矩的输入部件，滚球4在保持架的导槽内运动并将力传递给两侧的传力盘5，后者将转矩传给半轴。在传力盘的表面开有具有一定轨迹的导槽，使滚球按一定轨迹运动。导槽槽形设计成与滚球有一定接触角，用于传递对传力盘的压力。止推垫片6是壳体、端盖及传力盘之间的摩擦元件。平垫片7用于调整初始限滑转矩[4]。
4.5 基于ADAMS的差速器仿真 为了提高仿真结果的可靠性,在现有COSMOSMotion软件仿真结论的基础上,把轴向滑块凸轮式差速器模型从UG软件导入ADAMS/View中,并对各连接点添加相应约束、反复修正弹簧参数之后进行了仿真,得到了左右差速轮的角速度曲线及差器壳的合反转矩曲线。分析研究结果表明,当合反转矩在70～120N·m范围内,反转矩差F33N·m时,该差速器基本上都能正常差速运行,并有ω1 +ω2 = 2ω0 , Т1 +Т2 =Т0,即普通锥齿轮差速器的角速度和转矩关系式对于轴向滑块凸轮式差速器同样成立。
ADAMS模型导入及约束设置：UG与ADAMS软件之间具有共同的文件储存格式,为模型的导出和导入提供方便。按要求将模型导入ADAMS后,还要对ADAMS工作环境进行设置,以便于运动仿真的顺利进行。设置内容包括:仿真步数、单位、视窗布局和视窗视角等。ADAMS/View为用户观察模型提供了多种方式,用户可以很容易地从多角度观察模型。可以1个视窗从前方显示模型的整体,也可以设置多个视窗,显示不同的模型角度。根据差速器的结构原理和动力流的流向,在ADAMS软件中需要对差速器的各零部件之间进行约束设置。 仿真分析研究：完成上述设置后初步仿真发现,滑块与两侧差速轮之间 不能始终保持接触,有时还存在着较大间隙。经分析认为,主要问题在于弹簧的设置,因此下面根据仿真结果对弹簧的设置进行修正。弹簧参数主要有刚度、阻尼系数、预加载荷及预设长度等[5]。
4.6 基于CATIA 的差速器分析
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。 在具体建模过程中,可以利用CATIA 知识库中的公式f ( x) 将齿轮的重要基本参数(如齿数z 、模数m 、压力角a 、基圆半径rb、齿顶圆半径rk 、分度圆半径r、齿根圆半径rf ) 参数化表示,利用CATIA 的规则库fog建立关于球面渐开线齿廓面上坐标x 、y 、z 的参数方程。这种方法的好处在于齿轮参数改变时, 只需改变基本参数的取值,渐开线齿廓就会自动更新。 利用上述方法生成的锥齿轮轮齿模型如图1所示。