軸向滑塊凸輪式差速器的設計【含三維圖紙、說明書】

喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== SY-025-BY-2 畢業(yè)設計（論文）任務書 學生姓名 于秋影 系部 汽車工程系 專業(yè)、班級 車輛工程 B05-18 指導教師姓名 王永梅 職稱 講師 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 軸向滑塊凸輪式差速器的設計 一、設計（論文）目的、意義 軸向滑塊凸輪式差速器具有鎖緊系數大，徑向尺寸小，結構簡單，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在各種越野車中得到廣泛應用。應用Pro/E 軟件建立了軸向滑塊凸輪式差速器主要零件的實體模型, 并完成虛擬裝配。然后利用Ansys 對該差速器殼體進行有限元分析，最后利用Adams軟件、Solidworks軟件、Clipmate軟件建立差速器的運動仿真過程，為差速器的設計與研究提供了一種方法,，可縮短差速器的研發(fā)周期, 降低產品的研發(fā)成本, 并為以后進一步的結構優(yōu)化設計、制造及運動分析奠定了基礎。 二、設計（論文）內容、技術要求（研究方法） （一）設計內容 確定差速器的基本參數，對差速器的幾何尺寸和強度進行計算，利用Pro/E軟件建立差速器三維模型及裝配圖，通過干涉檢查驗證差速器設計的正確性。利用Ansys軟件對差速器殼體剛度有限元分析。利用Adams軟件、Solidworks軟件、Clipmate軟件建立差速器的運動仿真過程。 （二）研究方法 1、 參考相關資料，對比各種差速器優(yōu)缺點，初步確定設計方案。 2、 實地考察相關類型的車，為最終設計方案提供依據。 3、 利用Pro/E軟件建立差速器的三維模型, 利用Ansys軟件對差速器殼體剛度有限元分析。 4、 利用Adams軟件、Solidworks軟件、Clipmate軟件建立差速器的運動仿真過程。 三、設計（論文）完成后應提交的成果 （一）計算說明部分 完成設計說明書1.5萬字。其中確定差速器基本參數，對差速器的幾何尺寸進行計算，利用Pro/E軟件建立差速器三維模型及裝配圖，利用Adams軟件、Solidworks軟件、Clipmate軟件建立差速器的運動仿真過程。利用Ansys軟件對差速器殼體剛度有限元分析部分。 （二）圖紙部分 差速器裝配圖零件圖若干張。 四、設計（論文）進度安排 （1）調研、查閱相關資料、完成開題報告 第1～2周（3月3日～3月16日） （2）確定總體方案 第3～4周（3月17日～3月30日） （3）對差速器參數進行設計第5～6周（3月31日～4月13日） （4）建立差速器的三維零件及裝配模型 第7～8周（4月14日～4月27日） （5）Ansys軟件對差速器殼體剛度有限元分析和利用Adams軟件、Solidworks軟件、Clipmate軟件建立差速器的運動仿真過程第9～10周（4月21日～5月4日） （6）書寫設計說明書第11～13周（5月12日～6月2日） （7）設計審核、修改 第14～16周（6月3日～6月23日） （8）畢業(yè)設計答辯準備及答辯 第17周（6月24日～7月1日） 五、主要參考資料 [1]蔣崇賢，何明輝《專用汽車設計》 武漢工業(yè)大學出版社 [2]龔曙光.ANSYS在應力分析設計中的應用.CAD/CAM計算機輔助設計與制造.2001，(7):70-80 [3]工程中的有限元方法(第3版)．機械工業(yè)出版社，2004 [4]黃天澤，黃金陵．汽車車身結構與設計．機械工業(yè)出版社，2000 [5]孫桓主編.機械設計.機械工業(yè)出版社出版 [6]余志生． 汽車理論[M]，機械工業(yè)出版社，1987 [7]陳家瑞主編.汽車構造.人民交通出版社出版 [8]吳鎮(zhèn)著.理論力學.上海:上海交通大學出版社，1997 [9]呂慧瑛.機械設計基礎.北京:清華大學出版社，2002 六、備注 指導教師簽字： 年 月 日 教研室主任簽字： 年 月 日 SY-025-BY-10 優(yōu)秀畢業(yè)設計（論文）推薦表 題 目 軸向滑塊凸輪式差速器的設計 類別 Z 學生姓名 于秋影 系、專業(yè)、班級 汽車工程系 車輛工程 B05-18 指導教師 王永梅 職 稱 講師 設計成果明細： 答辯委員會評語： 答辯委員會主任簽字（蓋章）： 系部公章： 年 月 日 備 注： 注：“類別”欄填寫畢業(yè)論文或畢業(yè)設計 本科學生畢業(yè)設計 軸向滑塊凸輪式差速器的設計 系部名稱： 汽車工程系 專業(yè)班級： 車輛工程 B05-18 學生姓名： 于秋影 指導教師： 王永梅 職 稱： 講師 黑 龍 江 工 程 學 院 二○○九年六月 The Graduation Design for Bachelor's Degree Design of the Axial Cam Sliders Differential Candidate： Yu Qiuying Specialty： Vehicle engineering Class： B05-18 Supervisor：Lecturer Wang Yongmei Heilongjiang Institute of Technology 2009-06·Harbin 畢業(yè)設計（論文）過程管理材料 題 目 軸向滑塊凸輪式差速器的設計 學生姓名 于秋影 系部名稱 汽車工程系 專業(yè)班級 車輛工程B05-18 指導教師 王永梅 職 稱 講師 教研室 起止時間 2009年03月02日～6月28日 教 務 處 制 SY-025-BY-3 畢業(yè)設計（論文）開題報告 學生姓名 于秋影 系部 汽車工程系 專業(yè)、班級 車輛工程 B05-18 指導教師姓名 王永梅 職稱 講師 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 軸向滑塊凸輪式差速器的設計 一、 課題研究現狀、選題目的和意義 1、研究現狀 近幾年來，隨著國民經濟的迅速發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，各種越野車及工程車輛的擁有量越來越大。普通錐齒輪差速器的轉矩分配特性是的車輛在較差路況道路上的動力性、通過性變差，同時還極易發(fā)生側滑和激動現象。為了解決這一問題，國外越野汽車普遍采用可靠性能差速器，顯著提高了車輛的越野通過性。國內車輛所配備的防滑自鎖式差速器包括高摩擦式、自由輪式和便傳動比式等。高摩擦式有帶摩擦元件的圓錐齒輪式、滑塊-凸輪式和渦輪式等。滑塊-凸輪式差速器具有縮緊系數大，徑向尺寸小，結構簡單，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。 2004年3月，我國首先將軸向滑塊式差速器應用于ATV沙灘摩托車上。該差速器式是一種適應現代車輛發(fā)展潮流的新型差速器，尚處于實驗研究階段。傳統(tǒng)差速器采用所目標目優(yōu)化方法,建立目標函數、設計變量和約束條件。目前，軸向滑塊凸輪式差速器通過Solidworks進行設計和仿真分析的較多，利用Pro/E進行三維建模，Ansys進行應力分析還很少。 2、依據、目的和意義 軸向滑塊凸輪式差速器具有鎖緊系數大，徑向尺寸小，結構簡單，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在各種越野車中得到廣泛應用。應用Pro/E 軟件建立了軸向滑塊凸輪式差速器主要零件的實體模型, 并完成虛擬裝配。然后利用Ansys 對該差速器進行了有限元分析，利用Adams軟件、Solidworks軟件、Clipmate軟件建立差速器的運動仿真過程，為差速器的設計與研究提供了一種方法,，可縮短差速器的研發(fā)周期, 降低產品的研發(fā)成本, 并為以后進一步的結構優(yōu)化設計、制造及運動分析奠定了基礎。 二、設計（論文）的基本內容、擬解決的主要問題 1、基本內容 （1）研究目的意義、技術現狀、存在問題及發(fā)展趨勢 （2）總體設計 （3）差速器工作原理和結構分析 （4）利用Pro/E對軸向滑塊凸輪式差速器進行三維建模 （5）利用Ansys對軸向滑塊凸輪式差速器進行有限元分析 （6）建立軸向滑塊凸輪式差速器的運動仿真過程 2、擬解決的主要問題 （1）利用Pro/E對軸向滑塊凸輪式差速器進行三維建模 （2）利用Ansys對軸向滑塊凸輪式差速器進行有限元分析 （3）建立軸向滑塊凸輪式差速器的運動仿真過程 二、 技術路線（研究方法） 確定總體設計 差速器工作原理和結構形式分析 差速器的三維建模 運用Ansys進行有限元分析 是否滿足條件 差速器的運動仿真 完成畢業(yè)設計和設計說明書 調研并查閱相關資料 N Y 四、進度安排 （1）調研、查閱相關資料、完成開題報告 第1～2周（3月3日～3月16日） （2）確定總體方案 第3～4周（3月17日～3月30日） （3）對差速器參數進行設計第5～6周（3月31日～4月13日） （4）建立差速器的三維零件及裝配模型 第7～8周（4月14日～4月27日） （5）Ansys軟件對差速器殼體剛度有限元分析，利用Adams軟件、Solidworks軟件、Clipmate軟件建立差速器的運動仿真過程第9～10周（4月21日～5月4日） （5）書寫設計說明書第11～13周（5月12日～6月2日） （6）設計審核、修改 第14～16周（6月3日～6月23日） （7）畢業(yè)設計答辯準備及答辯 第17周（6月24日～7月1日） 五、參考文獻 [1] 劉惟信編著 汽車車橋設計 北京：清華大學出版社 2004 [2] 劉惟信主編 汽車設計 北京：清華大學出版社 2001 [3] 王望予 汽車設計 機械工業(yè)出版社 2003 [4] 孫傳祝 機械設計與研究 2007 03 [5] 孫傳祝 董煥俊 職大學報 2005 02 [6]余志生． 汽車理論[M]，機械工業(yè)出版社，1987 [7]陳家瑞主編.汽車構造.機械工業(yè)出版社 2005 [8]董昌利 孫傳祝 李家鵬 職大學報 2006 04 [9]呂慧瑛.機械設計基礎.北京:清華大學出版社，2002 [10]成大先 機械設計手冊 北京化學工業(yè)出版社 2004 [11]張景巖 孫傳祝 拖拉機與農用運輸車 2007 02 [12]王遠 潘震 石琴 合肥大學學報 2007 03 [13]Lin W,Wang H.Linearization techniques in fault diagnosis of norr linear systems[J].Journal of Systems and Control Engineering,2000,214(14):241-245 [14]Robert H,D Lew is M,Jason L,et al.Optimal stochastic fault detection filter[J].Automatica,2003,39:377-390 [15]AI-Jarrah O M,AFRousan M.Fault detection and acconr modation in dynamic systems using adaptive neurofuzzy systems[J].IEE Proc,Control Theory and Application,2001,148(4):234-238 六、備注 指導教師意見： 簽字： 年 月 日 SY-025-BY-9 畢業(yè)設計（論文）成績評定表 學生姓名 于秋影 性別 女 系部 汽車工程系 專業(yè) 車輛工程 班級 B05-18 設計（論文）題目 軸向滑塊凸輪式差速器的設計 指導教師姓名 王永梅 職稱 講師 指導教師 評分（X） 評閱教師姓名 職稱 評閱教師 評分（Y） 答辯組組長 職稱 答辯組 評分（Z） 畢業(yè)設計（論文）成績 百分制 五級分制 答辯委員會評語： 答辯委員會主任簽字（蓋章）： 系部公章： 年 月 日 注：1、指導教師、評閱教師、答辯組評分按百分制填寫，畢業(yè)設計（論文）成績百分制=0.3X+0.2Y+0.5Z 2、評語中應當包括學生畢業(yè)設計（論文）選題質量、能力水平、設計（論文）水平、設計（論文）撰寫質量、學生在畢業(yè)設計（論文）實施或寫作過程中的學習態(tài)度及學生答辯情況等內容的評價。 SY-025-BY-10 優(yōu)秀畢業(yè)設計（論文）推薦表 題 目 軸向滑塊凸輪式差速器的設計 類別 Y 學生姓名 于秋影 系、專業(yè)、班級 汽車工程系 車輛工程 B05-18 指導教師 王永梅 職 稱 講師 設計成果明細： 答辯委員會評語： 答辯委員會主任簽字（蓋章）： 系部公章： 年 月 日 備 注： 注：“類別”欄填寫畢業(yè)論文或畢業(yè)設計 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 摘 要 近幾年來，隨著國民經濟的迅猛發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，各種越野車及工程車輛的擁有量越來越大。越野車輛要求具有較高的通過性，這樣就要求其差速器的徑向尺寸盡量小。因此，各汽車生產廠迫切需要一種鎖緊系數大、徑向尺寸小、結構簡單、性能穩(wěn)定的差速器。 軸向滑塊凸輪式差速器是一種新型防滑差速器，適用于各種越野車輛，它具有鎖緊系數大，徑向尺寸小，結構簡單，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。本文首先比較各種差速器的優(yōu)缺點，分析軸向滑塊凸輪式差速器的結構組成，工作原理，設計差速器的幾何尺寸，對其零部件基本參數進行計算和選擇；然后利用Pro/E軟件對軸向滑塊凸輪式差速器進行三維建模，并做虛擬裝配；利用Ansys軟件對差速器殼體進行有限元分析；利用Adams軟件對差速器進行等速仿真，用Solidworks、ClipMate、Moviemaker軟件模擬差速器差速仿真過程。 關鍵詞：滑塊；凸輪；差速器；運動仿真；有限元分析；三維建模 ABSTRACT In recent years, with the rapid development of the national economy and the western development strategy for the implementation of a variety of off-road vehicles and engineering vehicles, more and more possession. Off-road vehicles require a higher adoption of, so that its differential radial dimensions as small as possible. Therefore, the automobile production plant coefficient of the urgent need for a lock, and the radial size of a small, simple structure, stable performance of the differential. Axial cam slider-style non-slip differential is a new type of differential for a variety of off-road vehicles, it has a locking factor, and radial size of a small, simple structure, the advantages of stable performance. In this paper, to compare the advantages and disadvantages of differential analysis of the axial cam slider-style differential structure, working principle, design of differential geometry, the basic parameters of its components to carry out the calculation and choice; then the use of Pro / E software for the cam slider-style differential axial three-dimensional modeling, and to do virtual assembly; differential use of Ansys software for finite element analysis of shell; using Adams software to speed simulation of differential with Solidworks, ClipMate, Moviemaker software differential differential analog simulation. Key words：Slider；Cam；Differential；Motion simulation; Finite element analysis; Three-dimensional modeling III SY-025-BY-6 畢業(yè)設計指導教師評分表 學生姓名 于秋影 系部 汽車工程系 專業(yè)、班級 車輛工程B05-18 指導教師姓名 王永梅 職稱 講師 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是□否 題目名稱 軸向滑塊凸輪式差速器的設計 序號 評 價 項 目 滿分 得分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況；題目難易度 10 2 題目工作量；題目與生產、科研、實驗室建設等實際的結合程度 10 3 綜合運用知識能力（設計涉及學科范圍，內容深廣度及問題難易度）；應用文獻資料能力 15 4 設計（實驗）能力；計算能力（數據運算與處理能力）；外文應用能力 20 5 計算機應用能力；對實驗結果的分析能力（或綜合分析能力、技術經濟分析能力） 10 6 插圖（圖紙）質量；設計說明書撰寫水平；設計的實用性與科學性；創(chuàng)新性 20 7 設計規(guī)范化程度（設計欄目齊全合理、SI制的使用等） 5 8 科學素養(yǎng)、學習態(tài)度、紀律表現；畢業(yè)論文進度 10 得 分 X= 評 語：（參照上述評價項目給出評語，注意反映該論文的特點） 　 　 　 　 　 　 　　 指導教師簽字： 年 月 日 SY-025-BY-7 畢業(yè)設計評閱人評分表 學生 姓名 于秋影 專業(yè) 班級 車輛工程B05-18 指導教 師姓名 王永梅 職稱 講師 題目 軸向滑塊凸輪式差速器的設計　 序號 評 價 項 目 滿分 得分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況；題目難易度 10 2 題目工作量；題目與生產、科研、實驗室建設等實際的結合程度 10 3 綜合運用知識能力（設計涉及學科范圍，內容深廣度及問題難易度）；應用文獻資料能力 15 4 設計（實驗）能力；計算能力（數據運算與處理能力）；外文應用能力 25 5 計算機應用能力；對實驗結果的分析能力（或綜合分析能力、技術經濟分析能力） 15 6 插圖（圖紙）質量；設計說明書撰寫水平；設計的實用性與科學性；創(chuàng)新性 20 7 設計規(guī)范化程度（設計欄目齊全合理、SI制的使用等） 5 得 分 Y= 評 語：（參照上述評價項目給出評語，注意反映該論文的特點） 　 　　 　 　 　 　 　　 　 　 　　 　 　 評閱人簽字 ： 年 月 日 SY-025-BY-8 畢業(yè)設計答辯評分表 學生 姓名 于秋影 專業(yè) 班級 車輛工程B05-18 指導 教師 王永梅 職 稱 講師 題目 軸向滑塊凸輪式差速器的設計 答辯 時間 月 日 時 答辯組 成員姓名 出席 人數 序號 評 審 指 標 滿 分 得 分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況，題目難易度、工作量、與實際的結合程度 10 2 設計（實驗）能力、對實驗結果的分析能力、計算能力、綜合運用知識能力 10 3 應用文獻資料、計算機、外文的能力 10 4 設計說明書撰寫水平、圖紙質量，設計的規(guī)范化程度（設計欄目齊全合理、SI制的使用等）、實用性、科學性和創(chuàng)新性 15 5 畢業(yè)設計答辯準備情況 5 6 畢業(yè)設計自述情況 20 7 畢業(yè)設計答辯回答問題情況 30 總 分 Z= 答辯過程記錄、評語： 　 　 　 　 　 　 　 　 　 答辯組長簽字： 年 月 日 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 目　　錄 摘 要.............................................................................I Abstract..........................................................................II 第1章 緒論 1 1.1課題研究現狀 1 1.2 課題目的和意義 2 1.3 背景技術 2 1.4主要設計內容..................................................... 3 第2章 軸向滑塊凸輪式差速器的設計 4 2.1 差速器的分類和原理 .4 2.1.1 差速器的分類 4 2.1.2 軸向滑塊凸輪式差速器的組成 5 2.1.3軸向滑塊凸輪式差速器的結構特點 5 2.2差速器車型參數確定 7 2.3差速輪的基本參數.........................................................7 2.4滑塊的基本參數 9 2.5強度計算 9 2.6蝶形彈簧的選擇 11 2.7材料的選擇 ..... 11 2.8本章小結 11 第3章 軸向滑塊凸輪式差速器的建模與裝配 12 3.1差速輪的建模 12 3.2滑塊的建模 13 3.3差速器殼與差速器蓋的建模 14 3.4其他元件的建模 15 3.5差速器的裝配及分解 16 3.6檢測裝配干涉 16 3.7本章小結 18 第4章 軸向滑塊凸輪式差速器殼體的有限元分析 19 4.1有限元概述 19 4.2有限元的基本思想及步驟 20 4.3殼體有限元法的分析過程 21 4.4殼體有限元的加載與求解 22 4.5轉矩分配關系及鎖緊系數的建立 26 4.6本章小結 27 第5章 運動仿真 28 5.1 軟件概述 28 5.2 軸向滑塊凸輪式差速器的運動仿真 29 5.3 本章小結 32 結論 33 參考文獻 34 致謝 35 附錄 36 51 第1章 緒 論 1.1課題研究現狀 汽車行駛運動學的要求和實際的車輪、道路以及它們之間的相互關系表明：汽車在行駛過程中左右車輪在同一時間內所滾過的行程往往是有差別的。例如，轉彎時外側車輪的行程總要比內側的長。另外，即使汽車作直線行駛，也會由于左右車輪在同一時間內所滾過的路面垂向波形的不同，或由于左右車輪輪胎氣壓、輪胎負荷、胎面磨損程度的不同以及制造誤差等因素引起左右車輪外徑不同或滾動半徑不相等而要求車輪行程不等。在左右車輪行程不等的情況下，如果采用一根整體的驅動車輪軸將動力傳給左右車輪，則會由于左右驅動車輪的轉速雖相等而行程卻又不同的這一運動學上的矛盾，引起某一驅動車輪產生滑轉或滑移。這不僅會使輪胎過早磨損、無益地消耗功率和燃料及使驅動車輪軸超載等，還會因為不能按所要求的瞬時中心轉向而使操縱性變壞。此外，由于車輪與路面間尤其在轉彎時有大的滑轉或滑移，易使汽車在轉向時失去抗側滑能力而使穩(wěn)定性變壞。為了消除由于左右車輪在運動學上的不協調而產生的這些弊病，汽車左右驅動輪間都裝有差速器，后者保證了汽車驅動橋兩側車輪在行程不等時具有以不同速度旋轉的特性，從而滿足了汽車行駛運動學要求。 近幾年來，隨著國民經濟的迅速發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，各種越野車及工程車輛的擁有量越來越大。普通錐齒輪差速器的轉矩分配特性是車輛在較差路況道路上的動力性、通過性變差，同時還極易發(fā)生側滑和激動現象。為了解決這一問題，國外越野汽車普遍采用可靠性能差速器，顯著提高了車輛的越野通過性。國內車輛所配備的防滑自鎖式差速器包括高摩擦式、自由輪式和變傳動比式等。高摩擦式有帶摩擦元件的圓錐齒輪式、滑塊-凸輪式和渦輪式等。滑塊-凸輪式差速器具有縮緊系數大，徑向尺寸小，結構簡單，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。 2004年3月，我國首先將軸向滑塊式差速器應用于ATV沙灘摩托車上。該差速器式是一種適應現代車輛發(fā)展潮流的新型差速器，尚處于實驗研究階段。傳統(tǒng)差速器采用所目標目優(yōu)化方法，建立目標函數、設計變量和約束條件。目前，軸向滑塊凸輪式差速器通過Solidworks進行設計和仿真分析的較多，利用Pro/E進行三維建模，Ansys進行應力分析還很少。 1.2 課題目的和意義 差速器是當今各種動力車輛上普遍采用的一種傳動裝置，其主要功能是在車輛直線行駛時把主減速器傳來的動力平均分配給兩側驅動輪，車輛轉彎時使兩側驅動輪以不同的轉速轉動，依次來保證兩側驅動輪做純滾動。若沒有差速器，車輛在轉彎時其運動相當于平移和自轉合成運動，即外側車輪邊滾動邊滑移，內側車輪邊滾動邊滑轉。這樣一來，將造成車輪的嚴重磨損，如果車輛轉彎過急甚至有可能造成車輛的側翻或甩尾。為此，在車輛轉彎時就必須要求兩側驅動輪以不同的轉速轉動，這就要求兩側車輪之間不能剛性連接，而且要裝有差速裝置。 目前，國內車輛所配備的防滑自鎖式差速器包括高摩擦式、自由輪式和變傳動比式等，高摩擦式有帶摩擦元件的圓錐齒輪式、滑塊凸輪式和渦輪式等。在普通錐齒輪差速器基礎上改進的帶摩擦元件的園錐齒輪差速器雖然結構簡單，摩擦系數較高，但其體積大，影響車輛的越野性能。為了提高車輛通過性，又出現了滑塊凸輪式差速器，這種差速器的轉矩比可達到2.3~3.0，有較高的轉向操縱靈活性，但其結構比較復雜，精度、技術要求高，制造困難、成本很高。自由輪式差速器可分為滾柱式和牙嵌式，滾柱式只用于傳遞載荷不大的場合。牙嵌式改進后有良好使用性，其鎖緊系數可為無限大，使汽車的通過性有了很大提高，但其左右輪傳遞轉矩式時斷時續(xù)，導致傳動裝置內載荷不均勻。 因此，各種越野車輛迫切需要一種體積小、防滑能力強、性能穩(wěn)定的新型差速器。軸向滑塊凸輪式差速器具有鎖緊系數大，徑向尺寸小，結構簡單，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在各種越野車中得到廣泛應用。應用Pro/E軟件建立了軸向滑塊凸輪式差速器主要零件的實體模型，并完成虛擬裝配。然后利用Ansys對該差速器進行了有限元分析，為差速器的設計與研究提供了一種方法，可縮短差速器的研發(fā)周期，降低產品的研發(fā)成本，并為以后進一步的結構優(yōu)化設計、制造及運動分析奠定了基礎。 1.3 背景技術 現有的滑塊凸輪式差速器具有較高的摩擦力矩，適應于經常在壞路面行駛的各種越野車輛，主要由差速器殼（兼主傳動套）、內外凸輪和滑塊等組成，其中內外凸輪采用花鍵分別與左右半軸連接，而滑塊可以在內外凸輪之間沿主傳動套的槽孔徑向滑動，因此又稱之為徑向滑塊凸輪式差速器。 當汽車直線行駛時，主傳動套通過滑塊帶動內外凸輪一起轉動，此時兩側驅動輪轉速相同；汽車轉彎時，由于兩側驅動輪轉速不同，滑塊一方面隨主傳動套旋轉，并帶動內外凸輪轉動，同時還在內外凸輪之間沿槽孔徑向滑動，保證兩側車輪在不脫離傳動的情況下實現差速。由于滑塊與內外凸輪間的摩擦力矩較大，使慢轉的驅動輪上得到比快轉驅動輪更大的力矩。 滑塊凸輪式差速器的鎖緊系數K與凸輪表面的摩擦系數及傾角有關，一般為0.5~0.7，轉矩比可達3~6。并且由于體積較小，因此可在很大程度上提高車輛的通過性。但是，該差速器的滑塊需在主傳動套的徑向槽孔內滑動，因此其徑向尺寸不可能小。另外，該差速器還存在結構復雜、主傳動套工藝性差等問題。 近幾年來，隨著國民經濟的迅猛發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，各種越野車及工程車輛的擁有量越來越大。但是，通過上述分析得知，目前所采用的各種高摩擦抗滑差速器，均存在不同程度的體積大（指徑向尺寸）、結構復雜等問題。而越野車輛往往都要求具有較高的通過性，這就要求盡最大可能減小差速器的徑向尺寸。因此，各汽生產廠迫切需要一種鎖緊系數大、徑向尺寸小、結構簡單、性能穩(wěn)定的差速器。 1.4 主要設計內容 本課題的設計主要內容分以下幾點： 1、 確定差速器的整體結構，計算差速器各零部件尺寸及對參數進行選擇，校核差速輪與滑塊的擠壓應力； 2、 利用Pro/E軟件對差速器建模并完成裝配，在裝配的每一步都要進行干涉檢查，確保零件間配合正確； 3、 由于差速器工作時產生較大的軸向力，要求差速器殼體的強度足夠大，因此利用Ansys軟件對差速器殼體進行有限元分析； 4、 利用Adams軟件對差速器進行等速仿真，通過Solidworks、Clipmate、Moviemaker軟件共同進行差速器的差速仿真過程。 第2章 軸向滑塊凸輪式差速器的設計 軸向滑塊凸輪式差速器是一種新型的防滑差速器。本章首先對差速器的分類、結構特點和工作原理進行闡述，然后是計算和選擇軸向滑塊凸輪式差速器各零件的基本參數，并對其材料進行選擇。 2.1 差速器的分類和原理 2.1.1 差速器的分類 差速器的結構型式有多種。大多數汽車都屬于公路運輸車輛，對于在公路上和市區(qū)行駛的汽車來說，由于路面較好，各驅動車輪與路面的附著系數變化很小，因此幾乎都采用了結構簡單、工作平穩(wěn)、制造方便、用于公路汽車也很可靠的普通對稱式圓錐行星齒輪差速器，作為安裝在左、右驅動輪間的所謂輪間差速器使用；對于經常行駛在泥濘、松軟土路或無路地區(qū)的越野汽車來說，為了防止因某一側驅動車輪滑轉而陷車，則可采用防滑差速器。后者又分為強制鎖止式和自鎖式兩類。自鎖式差速器又有多種結構型式的高摩擦式和自由輪式的以及變傳動比式的[2]。 1、對稱式圓錐行星齒輪差速器 普通的對稱式圓錐行星齒輪差速器由差速器左、右殼，2個半軸齒輪，4個行星齒輪(少數汽車采用3個行星齒輪，小型、微型汽車多采用2個行星齒輪)，行星齒輪軸(不少裝4個行星齒輪的差逮器采用十字軸結構)，半軸齒輪及行星齒輪墊片等組成。由于其結構簡單、工作平穩(wěn)、制造方便、用在公路汽車上也很可靠等優(yōu)點，最廣泛地用在轎車、客車和各種公路用載貨汽車上．有些越野汽車也采用了這種結構，但用到越野汽車上需要采取防滑措施。例如加進摩擦元件以增大其內摩擦，提高其鎖緊系數；或加裝可操縱的、能強制鎖住差速器的裝置——差速鎖等。 由于差速器殼是裝在主減速器從動齒輪上，故在確定主減速器從動齒輪尺寸時，應考慮差速器的安裝。差速器殼的輪廓尺寸也受到從動齒輪及主動齒輪導向軸承支座的限制。 2、強制鎖止式防滑差速器 充分利用牽引力的最簡單的一種方法是在普通的圓錐齒輪差速器上加裝差速鎖，必要時將差速器鎖住。此時左、右驅動車輪可以傳遞由附著力決定的全部轉矩。 當汽車駛入較好的路面時，差速器的鎖止機構應即時松開，否則將產生與無差速器時一樣的問題，例如使轉彎困難、輪胎加速磨損、使傳動系零件過載和消耗過多的功率等。由于上述種種原因，強制鎖住差速器的方法未得到廣泛應用。 3、自鎖式差速器 為了充分利用汽車的牽引力，保證轉矩在驅動車輪間的不等分配以提高抗滑能力，并避免上述強制鎖止式差速器的缺點，創(chuàng)造了各種類型的自鎖式差速器。 用以評價自鎖式差速器性能的主要參數，是它的鎖緊系數。為了提高汽車的通過性，似乎是鎖緊系數愈大愈好，但是過大的鎖緊系數如前所述，不但對汽車轉向操縱的輕便靈活性、行駛的穩(wěn)定性、傳動系的載荷、輪胎磨損和燃料消耗等，有不同程度的不良影響，而且無助于進一步提高驅動車輪抗滑能力。因此設計高通過性汽車差速器時，應正確選擇鎖緊系數值。 一般越野汽車的低壓輪胎與地面的附著系數的最大值為0.7~0.8(在于燥的柏油或混凝工路面上)，而最小值為0.1~0.2(在開始溶化的冰上)?？梢娤嗖顟沂獾母街禂档淖畲蟊戎禐?。因此，為了充分利用汽車牽引力，差速器的鎖緊系數K實際上選定為8就已足夠。而汽車在不好的道路和無路地區(qū)行駛的實踐表明，各驅動車輪與地面附著系數不同數值之比，一般不超過3~4。因此選取K＝3~4是合適的，在這種情況下汽車的通過性可以得到顯著的提高，而其轉向操縱等使用性能實際上并不變壞。 自鎖式差速器有滑塊-凸輪式、蝸輪式、自由輪式等多種形式。 2.1.2 軸向滑塊凸輪式差速器的組成 近幾年來，隨著國民經濟的迅猛發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，各國越野車及工程車輛的擁有量越來越大。但是，通過分析可知，目前所有的各種高摩擦防滑差速器，均在不同程度的體積大、結構復雜等問題。而越野車輛往往都要求具有高的通過性，這就要求盡最大可能減小差速器的徑向尺寸。因此，各汽車生產廠家迫切需求一種鎖緊系數大、徑向尺寸小、結構簡單、性能穩(wěn)定的差速器。軸向滑塊差速器的組成如圖2.1。 2.1.3軸向滑塊凸輪式差速器的結構特點 軸向滑塊凸輪式差速器，包括殼體、差速輪、滑塊，其特征在于呈圓簡形的殼體內壁上均布有多個相同的軸向槽，中間加工有軸孔的兩個相同的差速輪相向的安裝在殼體內，每個差速輪的前端面沿圓周方向均勻布置多個凸峰構成斷面凸峰，凸峰均由螺距相等、旋向相反的兩段旋面組成，且個螺旋面分兩種，數量是凸峰的兩倍 ，每種滑塊的背面均設置有與軸向槽相配合的凸起，背面的非凸起部分分為外圓柱面的一部分，其直徑與客體的內孔直徑相等，滑塊的左右端各設置一個與凸峰相吻合的小凸峰，左、右小凸峰均同步偏移滑塊的縱向中心線，且偏移方向相反，并且兩種滑塊的小凸峰偏移方向相反，構成小凸峰的各螺旋面均沿著滑塊外圓柱面的徑向呈內低外高的傾斜狀態(tài)，小凸峰偏移方向相反的兩種滑塊相間的裝入殼體中，背面的凸起可在軸向槽內上下滑動，殼體的兩端對應于差速輪的軸孔設置有階梯孔，在一差速輪背面與殼體之間裝有碟形彈簧和墊片。 1-蝶形彈簧；2-墊片；3-滑塊；4-差速器殼；5-差速輪；6-差速器蓋；7-聯接孔；8-階梯孔；9-軸向槽；10-凸起；11-軸孔 圖2.1 軸向滑塊凸輪式差速器的結構示意圖uwq汽車設計網 軸向滑塊凸輪式差速器在結構上與對稱圓錐行星齒輪式差速器有相似之處，它主要有差速器殼、差速器蓋、左右兩個差速輪、滑塊及碟形彈簧等組成。其中差速器殼與主減速器的從動齒輪連接成一體并接受動力，起到主傳動套作用，內部開有軸向槽。 2.1.4軸向滑塊凸輪式差速器的工作原理 軸向滑塊凸輪式差速器通過其加工在差速器殼和差速器蓋周邊的多個連接孔與驅動橋主減速器的從動齒輪連接在一起，并輸入轉矩；差速輪通過其加工中心的軸孔與左右兩半軸連接，并輸出轉矩。 當車輛直線行駛時，差速器殼把力矩通過軸向槽傳給滑塊，滑塊再依靠螺旋面把力矩平均分配給兩側差速輪，以實現兩側驅動輪等速旋轉。當車輛轉彎時，由于左右兩側驅動輪轉速不相等，此時滑塊一邊由差速器殼帶動旋轉，一邊沿差速器殼的軸向槽做軸向移動。由于差速輪采用內高外低的螺旋面，因此碟形彈簧的軸向壓力所產生的徑向分力，使得滑塊在實現差速時始終與左右差速輪保持正確嚙合。在滑塊軸向移動時，必須克服碟形彈簧的軸向壓力，使碟形彈簧產生變形而獲得軸向運動的空間。這時，在滑塊與差速輪之間就產生了極大的正壓力，由此而產生驅動力矩傳遞給兩側驅動輪，并且使轉速較慢的差速輪上得到比轉速快的差速輪上更大的力矩，從而使差速器獲得較強的抗滑能力。軸向滑塊凸輪式差速器還有一個過載保護功能，也就是當兩側驅動輪遇到過大的阻力時，滑塊通過差速輪將碟形彈簧壓平，獲得充足的軸向移動空間，使滑塊從兩側差速輪之間滑過，從而保護其它重要零件不被損壞。 2.2差速器車型參數確定 軸向滑塊凸輪式差速器具有鎖緊系數大，徑向尺寸小，結構簡單，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在各種越野車中得到廣泛應用。 本設計所選越野車的基本參數： 最高車速 131.2km/h；最大轉矩172N·m；最大功率 80 kw； 主減速比 4.88； 輪胎規(guī)格 205R16；軸距 2400； 最小離地間隙 215mm； 油耗（L/100km） 14.6； 整車總重 2737kg。 2.3差速輪的基本參數 1、凸輪數 軸向滑塊凸輪式差速器在通常情況下，凸輪數為n=6，故本設計選擇n=6。 2、差速輪外形尺寸 從動錐齒輪計算轉矩 （2.1） 式中：——計算轉矩； ——發(fā)動機最大轉矩172N·m； ——猛接離合器所產生的動載系數，液力自動變速器取1； ——液力變矩器變矩系數，取1； ——變速器一檔傳動比，本越野車一檔傳動比為4.63； ——分動器傳動比4.63； ——主減速器傳動比4.63； ——發(fā)動機到萬向傳動軸之間的傳動效率0.95； ——計算驅動橋數2。 N·m （2.2） 所選越野車是車型，2個驅動橋。 初選差速輪直徑： 取r=65 （2.3） 故選取差速輪直徑d=130mm 差速輪的基本尺寸如圖2.2： 圖2.2 差速輪結構圖 2.4滑塊的基本參數 理論上凸輪形線應是阿基米德螺旋線，在這種形線上任何一點的徑向位移與凸輪轉角成比例關系。當凸輪轉角展開成兩個相配的凸輪表面形線時[2]，得到折線a'和b'，如圖2.3所示： 圖2.3 滑塊—凸輪式差速器凸輪輪廓線 在內外凸輪表面上每個凸輪和凸輪槽多占得角度應分別為和。 在安置長度為l的滑塊的地方，兩個相配凸輪表面見的軸向距離應該是不變的，且等于l。在兩個相配凸輪表面具有和個凸輪或凸輪槽的差速器中，為了確定滑塊數，可以規(guī)定一個滑塊位于凸輪表面a'的凹處和b'的凸輪之間時的位置為轉角的坐標原點。為了確定兩個凸輪表面的輪廓線a'和b'放在一起，這兩條輪廓線a'和b'的交點S，K，T，……處就是可能安置滑塊的地方。利用簡單的幾何作圖確定能安置在主動套上滑塊的最多數目等于兩個相配凸輪表面上凸輪數的和。 所以，滑塊數為6個。 2.5強度計算 滑塊與凸輪工作表面間的擠壓應力為 （2.4） 式中：——滑塊與凸輪之間的作用力； ——材料的彈性模量，對合金鋼取E=2.01105； ——滑塊長26； ——泊松比； 、——分別為滑塊與凸輪工作面在接觸點處的曲率半徑， ==60°； （2.5） 式中：——滑塊使半軸所受的力； =60° （2.6） 式中：——滑塊使半軸所受的轉矩； ——差速輪外輪廓半徑65mm； （2.7） 式中：——差速器的轉矩分配系數，通常取0.6； ——變速器一檔傳動比； ——主減速比； ——分動器高檔傳動比，在這里去1； ——分動器低檔傳動比，在這里去1； 由式（2.7）得： =0.6172=2212.29N·m （2.8） 由式（2.6）得： = 340 （2.9） 由式（2.5）得： ==392.6 （2.10） 由式（2.4）得： ==1754 （2.11） 滑塊與凸輪工作表面的擠壓應力不應超過2500，計算擠壓應力小于許用應力，滿足要求。 2.6蝶形彈簧的選擇 蝶形彈簧的優(yōu)點是具有以小變形承受大負荷的特性，適用于軸向空間要求小的地方；具有變剛度的特性，根據設計選用的極限變形與彈簧鋼板厚度的比值，可 得到各種不同的彈簧特性曲線。 本設計所選蝶形彈簧參數如下： D=125 d=65.8 =7 =2.6 H=9.6 =5990kg 2.7材料的選擇 滑塊采用滾珠軸承鋼GCr15制造，凸輪采用優(yōu)質鉻鎳鎢鋼18CrNiWA制造。這些零件的表面均經滲碳、淬火及磷化處理?；瑝K的表面硬度為61~65HRC，凸輪工作表面的硬度為60~65HRC，滑塊與凸輪工作表面的擠壓應力不應超過2500HRC，通常取1500~2500HRC[1]。 2.8本章小結 本章首先對差速器的分類做了介紹，總體分為對稱圓錐行星齒輪差速器、強制鎖止式防滑差速器、自鎖式差速器，并重點介紹了軸向滑塊凸輪式差速器的結構組成及工作原理。從動錐齒輪傳遞轉矩為8546.8N·m；該差速器的差速輪的凸輪數是6個，其直徑是130mm；滑塊數為6個；蝶形彈簧的參數：D=125 ，d=65.8 ，=7，=2.6，H=9.6，=5990kg。滑塊材料為滾珠軸承鋼GCr15，凸輪材料優(yōu)質鉻鎳鎢鋼18CrNiWA，表面均經滲碳、淬火及磷化處理。 第3章 軸向滑塊凸輪式差速器的建模與裝配 干涉現象利用Pro/E軟件對軸向滑塊凸輪式差速器進行三維建模，可以直觀的看出其結構，并對軸向滑塊凸輪式差速器進行虛擬裝配，最后檢驗裝配是否存在。 3.1差速輪的建模 差速輪的凸輪面（工作面）為左右螺旋交替、螺距相同的螺旋面，且螺旋面的母線成內高外低的傾斜狀態(tài)，通過與滑塊的螺旋凹面相嚙合而驅動車輛行駛。左右差速論結構相同，均采用花鍵與左右半軸連接。 由圖（2.2）可知差速輪的輪廓尺寸，最大直徑為130mm，最小直徑56mm。 通過草繪尺寸旋轉而得到外形體輪廓后，即可對差速輪的工作面內進行建模。首先插入螺旋，注意保證其直徑和螺距，以便于裝配。由于螺旋內（工作內）左右對稱，選擇掃描輪廓所在基準平面內為鏡像螺旋內，便得到一個凸峰，然后再經圓周陣列，即得到一完整的差速輪工作面。 本設計所選螺距為120。 （a）旋轉 （b）螺旋剪切 （c）鏡像 圖3.1 差速輪建模過程 阿基米德螺線（阿基米德曲線） ，亦稱“等速螺線”。當一點P沿動射線OP以等速率運動的同時，這射線有以等角速度繞點O旋轉，點P的軌跡稱為“阿基米德螺線”。 它的極坐標方程為： r = aθ （3.1） 圖3.2 阿基米德螺旋線 這種螺線的每條臂的距離永遠相等于 2πa。 笛卡爾坐標方程式為： r=10×(1+t) x=r×cos(t×360) （3.2） y=r×sin(t×360) z=0 成型后的差速輪如圖3.3 所示。 圖3.3 差速輪 3.2滑塊的建模 滑塊外形結構為菱形，其兩端分別加工有與差速輪相對應的、左右交替的螺旋凹面，差速時沿差速輪凸輪內滑動。裝配時，滑塊沿差速器殼體內孔表面內的圓周方向，相間地裝入軸向槽內?；瑝K的背面靠梯形突起與差速器殼內孔表內的軸向槽相配合，使滑塊在隨差速器殼轉動的同時，還可沿軸向槽相對于差速器殼移動。 滑塊螺旋面與差速輪的螺旋面相配合，因此其螺距為120。 滑塊的建模過程，首先在與螺旋線直徑相同的圓柱面上插入螺旋線，并選擇要求的恒定螺距，再畫出掃描輪廓，然后進行掃描切除即得到一個螺旋面，然后鏡像出另一個面，最后再做一旋轉軸圓周陣列出其它兩個螺旋面[5]。 圖3.4 滑塊實體圖 圖3.5 滑塊輪廓圖 螺旋面的參數方程： x = tcosθ y = tsinθ （3.3） z =v/ωθ 式中：T——參數； m t（m +Lsinα）； M——螺旋面生成線距離z軸(差速輪軸線)較近的端點至z軸的距離； L——螺旋面生成線長度，當θ= 0時，該線段位于xoz平面內； Α——螺旋面生成線與z軸的夾角，π/2α3π/4(差速輪)或π/4απ/2(滑塊)； ——參數， 0θπ/4； V——螺旋面生成線沿z軸的移動速度； ——螺旋面生成線繞z軸的轉動角速度。 3.3差速器殼與差速器蓋的建模 差速器殼和差速器蓋用螺栓與車輛主減速器的從動輪固定在一起，作為動力源轉矩，差速器殼的內孔表面有軸向槽，以此帶動滑塊轉動，并在差速過程中，允許滑塊相對于差速器殼做軸向移動。 差速器蓋和差速器殼體的輪廓尺寸是根據差速輪與滑塊為依據而定，由圖2.1和差速輪及滑塊可求得。 差速器殼、差速器蓋以及蝶形彈簧等零件的建模比較簡單。畫出草圖后采用旋轉、拉伸、陣列等特征即可完成。 圖3.6 差速器蓋 圖3.7 差速器殼體 3.4其他元件的建模 墊片選擇根據差速輪輪廓尺寸而定，內徑56mm，外徑125mm；蝶形彈簧尺寸由2.6節(jié)選出；螺栓M1460GB/T5781—2000，螺母M14GB/T43—2000。上述零件采用拉伸、螺旋掃描完成建模，建模圖形如圖3.8、圖3.9、圖3.10、圖3.11所示。 圖3.8 墊片 圖3.9 蝶形彈簧 圖3.10 螺栓 圖3.11 螺母 3.5差速器的裝配及分解 為了便于后面的運動分析，裝配前建立以圓柱形零件作為差速器運動的固定參考件，插入差速器殼、差速輪及滑塊等其他零件時，均將其定義為相對于固定參考件的活動零件。除“同軸”、“重合”等的“碰撞檢查”，還應注意陣列關系的解除等。 利用Pro/E軟件對差速器進行虛擬裝配，裝配圖如圖3.12；并完成了爆炸圖，如圖3.13 。 圖3.12 裝配圖 3.6檢測裝配干涉 干涉檢驗是對各零件之間是否存在裝配問題進行檢驗，每裝配一個零件都要進行一次干涉檢驗，檢驗裝配是否合理，是否滿足裝配要求。 如圖3.14是對軸向滑塊凸輪式差速器的整體檢驗。 1-螺栓；2-差速器蓋；3-墊片；4-蝶形彈簧；5-滑塊；6-差速輪；7-差速器蓋 圖3.13 爆炸圖 圖3.14 全局干涉 圖3.15 檢查結果 檢驗結果顯示各零件之間不存在干涉現象，所以干涉檢驗合格。 3.7本章小結 本章完成了軸向滑塊凸輪式差速器各零件的三維建模，差速輪螺旋面的螺距為120，對差速輪和滑塊的建模做了詳細描述。完成了虛擬裝配，并進行了全局干涉檢驗，不存在干涉，該差速器符合要求。 第4章 軸向滑塊凸輪式差速器殼體的有限元分析 Ansys軟件具有強大而廣泛的分析功能，主要包擴幾何模型的建立或導入、自動網格劃分、求解、后處理、優(yōu)化設計等許多功能及實用工具。本章主要是利用它對軸向滑塊凸輪式差速器的殼體進行分析。 4.1有限元概述 有限元法是最近二三十年發(fā)展起來的一種有效的通用計算方法，是借助于高速數字電子計算機解決問題的近似計算方法。它既包括有數學理論，又包括有程序設計技巧。它運用離散的概念使整個問題由整體連續(xù)到分段連續(xù)；整體解析轉化為分段解析，從而使數值法與解析法互相結合，互相滲透，形成一種新的數值計算方法。也就是論把整個求算域離散成為有限個分段(子域)，而每一分段內運用變分法，即利用與原問題中微分方程相等價的變分原理來進行推導，從而恢原問題的微分方程組退化到代數聯立方程紙使問題歸結為解線性方程組，出此得到數值解答。這種方法首先在固體力學范疇，而后在工程技術各個領域令得到了廣泛的應用。眾所局知，從數學角度來看，一個工程問題往往可以用一個偏微分方程來描述，但是常常很難求得精確的解析解[16]。20世紀50年代開始，隨著電子計算機的應用，有限元法作為一種數值分析工具，借助于高速電子計算機的配合，使得以前這類難以處理的工程技術問題都可能獲得一個近似的計算機解。因此，有限無法引起了工程師和科學家的極大興趣。現在，它已經被公認是一種有效的數值計算方法，被廣泛應用于固體力學、流體力學、熱傳導以及電磁學等連續(xù)介質或場問題這類工程技術領域。在機械設計中，從齒輪、軸、軸承等通用零、部件到機床、汽車、飛機等復雜結構件的應力和變形分析(包括熱應力和熱變形分析)，采用有限無法計算，都可以獲得一個足夠精確的近似解來滿足工程上的要求。有限元法分析的思想可以追溯到更早一些時候，1943年R．Courant首先提出離散化概念——將一個原來是連續(xù)的整體剖分(離散)成為有限個分段連續(xù)單元的組合，并第一次嘗試應用三角形單元的分片連續(xù)函數來求解扭轉問題。50年代，有限元法首先用于飛機設計中，1956年M．J．Turner和R．W．Clough等人用矩陣法對飛機結構進行了受力和變形分析，應用當時出現的數字計算機，第一次給出了用三角形單元求得復雜平面應力問題的解1960年R．W．Clough首次提出“有限元”這個名詞，有限元法作為—種數值分析方法正式出現于工程技術領域。有限元法的第一個黃金時期開始于6年代初，當時，將一個連續(xù)體離散化為有限個單元組合體的這種有限元的概念開始在工程界流行，G．N．White比和K．O．Friedrichs采用了規(guī)則的三角形單元，從變分原理出發(fā)來求解微分方程式。1963年J．F．Besse—ling等人認識到有限元法是里茲法的另一種形式，并且證實了它是處理彈性連續(xù)介質問題的一種通用方法，此后有限元法才開始鞏固其地位。1965年O．C．Zienkiewicz等發(fā)表了有限元法可以應用于所有能按變分形式計算的場問題、這就使有限元法得到了更廣泛的應用。隨著有限元法在工程界和物理界日益流行，較多的應用數學家有興趣對這個方法給予嚴格的數學論證，使有限元的第二個黃金時期大約于1968年開始。當時，他們發(fā)表了很多關于有限無法的數學文獻，論證有限元法的基本原理是逼近淪，是偏微分方程及其變分形式和泛函分析相結合，并致力于估計各種單元類型離散化的誤差、收斂速度和穩(wěn)定性。1969年以后，有限元法在工程上獲得了廣泛的應用。它作為分析飛機復雜結構的一個有效方法首先應用于航空工業(yè)部門；隨后，迅速推廣到造船、建筑、機械等各個工業(yè)部門中國科學院馮庚教授早在六七十年代在設計水壩中就應用了有限元法，獨立地發(fā)展了有特色的數學理論基礎。近年來，隨著引進SAP、NASTRAN等—些大型通用的有限元程序，國內有限元法的研究和應用獲得了迅速的發(fā)展。 4.2有限元的基本思想及步驟 從數學角度來看，有限元法是將一個偏微分方程化成一個代數方程組，利用計算機求解。我們知道，電算和手算不同，它不適合用于零鼓碎打的算法，而要求系統(tǒng)化的計算程序，由于電子計算機的運算速度極快，它特別適合多次重復迭代的算法。為了應用電算的這個特點來求解線性方程組，有限元法廣泛采用矩陣算法，它在大量運算中顯示出巨大優(yōu)點。因此可以說，有限元法的發(fā)展借助于兩個重要的工具：在理論推導中采用了矩陣方法，在實際計算中使用了電子計算機。有限單元法分析問題的思路是從結構矩陣分析推廣而來的。起源于50年代的桿系結構矩陣分析，是把每一桿件作為一個單元，整個結構就看作是由有限單元(桿件)連接而成的集合體。分析每單元的力學特性后，再組集起來就能建立整體結構的力學方程式，然后利用計算機求解。在工程技術領域研究彈性連續(xù)體在載荷和其他因素作用下產生的應力、應變和位移時，由于應力、應變和位移都是位置的函數，也就是說物體中各個點的應力、應變和位移一般是不相同的。因此，可以把彈性連續(xù)體看作由無限多個微元體所組成。這是一個具有無限多自由度的問題。為了能夠進行數值分析，有限單元法在處理這類問題時，首先應用離散的思想，把問題簡化為具有有限個自由度的問題，然后借用結構矩陣分析的方法處理。有限元離散化是假想把彈性連續(xù)體分割成數目有限的單元，并認為相鄰單元之間僅在節(jié)點處相連。根據物體的幾何形狀特征、載荷特征、邊界約束特征等，單元有各種類型。節(jié)點一般都在單元邊界上。節(jié)點的位移分別是作為結構的基本未知量。這樣組成的有限單元集合體，并引進等效節(jié)點力及節(jié)點約束條件，由于節(jié)點數目有限，就成為具有有限自由度的有限元計算模型，它替代了原來具有無限多自由度的連續(xù)體。 在此基礎上，對每一單元根據分塊近似的思想，假設一個簡單的函數來近似模擬其位移分量的分布規(guī)律，即選擇位移模式，再通過虛功原理(或變分原理或基他方法)求得每個單元的平衡方程，就是建立單元節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關系。最后，把所有單元的這種特性關系，按照保持節(jié)點位移連續(xù)和節(jié)點力平衡的方式集合起來，就可以得到整個物體的平衡方程組。引入邊界約束條件后解此方程就求得節(jié)點位移，并計算出各單元應力。從以上論述可以看到，有限單元法的實質是把具有無限多個自由度的彈性連續(xù)體，理想化為只有有限個自由度的單元集合體，使問題簡化為適合于數值解法的結構型問題。因此，只要研究并確定有限大小的單元力學特性，就可根據結構分析的方法求解，使問題得到簡化。 4.3殼體有限元法的分析過程 應用有限單元法求解各種問題總是遵循一定的步驟。有限單元法分析過程可大概歸納為以下幾點： 1、彈性連續(xù)體的離散化 這是有限單元法的基礎。所謂離散化，就是假想把被分析的彈性連續(xù)體分割成由有限個單元組成的集合體。這些單元僅僅在節(jié)點處連接，單元之間荷也僅由節(jié)點傳遞。連續(xù)體的離散化又稱為網格劃分。離散而成的有限單元集合體將替代原來的彈性連續(xù)體，所有的計算分析都搭在這個計算模型上進行。因此，網格劃分將關系到有限元分析的速度和精度，以至計算的成敗。有限元離散過程中有一重要環(huán)節(jié)是單元類型的選擇。這應根據被分析結構的幾何形狀特點，綜合載荷、約束等全面考慮。 2、選擇單元位移模式 這是單元特性分折助第一步。假設一個簡單的函數來模擬單元內位移的分布規(guī)律，這個簡單的函數，通常是選擇多項式，稱為位移模式或位移函數。多項式的項數及階數將取決于單元的自由度數和有關解的收斂性要求。單元位移模式又要轉換成用節(jié)點位移來表示，所以它也決定了相應的位移插值函數。從這里也可看到，選擇合適助位移函數是有限元分析的關鍵，它將決定有限元解答的性質與近似程度，所以它的選樣應遵循一定的準則。 3、分析單元的力學性質 在選擇了單元類型和相應的位移模式后，即可按幾何方程、物理方程導出單元應變與應力的表達式。然后應用虛功原理或變分法或其他方法建立各單元助剛度短陣，即單元節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關系。單元分析的另一內容是將作用在單元上的非節(jié)點載荷移置到節(jié)點上，形成等效節(jié)點載荷矩陣。因為有限單元法假設載荷是作用在節(jié)點上，并由節(jié)點傳遞的。 4、整體分析，組集結構總剛度方程 整體分折的基礎是依據所有相鄰單元在公共節(jié)點上的位移相同和每個節(jié)點上的節(jié)點力與節(jié)點載荷保持平衡這兩個原則。它包括兩方面內容：一是由各單元助剛度短陣集合成整體結構的總剛度矩陣[K]；二是將作用于各單元的等效節(jié)點力集合成結構總的載陣矩陣{R}.這兩項就組成了整體結構的總剛度方程： [][△]={} （4.1） 5、約束處理并求解總剛度方程 引進邊界約束條件，修正總剛度方程后，就可求得節(jié)點位移。求解大型聯立代數方程組的方法有很多，求解的時間占據了整個有限元計算時間的大部分。 6、計算單元應力 根據求得的位移可以求出結構上所有感興趣部件上的應力。并能夠繪出結構變形圖及各種應力分量、應力組合的等值圖。 4.4殼體有限元的加載與求解 軸向滑塊凸輪式差速器在工作中會產生較大的軸向力，由于軸向力較大，要求差速器殼體有較大的剛度和強度。利用有限元對其殼體進行剛度分析，更加直觀的現實它的承載情況，省去了軸向力很難計算的問題。 參照孫傳祝老師對軸向滑塊凸輪式差速器的仿真分析如表4.1[4]。在各合反轉矩下，左右兩側差速輪不同反轉矩差的仿真，結果如表4.1所示。可以看出，合反轉矩及反轉矩差不同時，差速器既有正常差速，也有反轉等非正常差速，還有差速不明顯或相當于直線行駛狀態(tài)的不差速。所謂反轉，就是當兩側差速輪的反轉矩差過大時，添加了較大反轉矩的差速輪，其旋轉方向與差速器殼的旋轉方向相反，且波動很大。由表4.1看出，當合反轉矩在50～100N·m范圍內時仿真結果只有“正?！迸c“不正常”兩種情況，并且有比較清楚的分界線:反轉矩差≤20N ·m。這里任意選擇合反轉矩為80N·m、轉矩差為20N·m和合反轉矩為50N·m、轉矩差為10N·m兩種情況進行具體分析和探討。 表4.1 仿真分析 合反轉矩 100 90 80 70 單輪 反轉矩 輪Ⅰ 62.5 60 55 57.5 55 50 52.5 50 45 47.5 45 40 輪Ⅱ 37.5 40 45 32.5 35 40 27.5 30 35 22.5 25 30 反轉矩差 25 20 10 25 20 10 25 20 10 25 20 10 仿真結果 不正常 正常 正常 不正常 正常 正常 不正常 正常 正常 不正常 正常 正常 單輪 平均 角速度 輪Ⅰ / 1975.223 1975.272 / 1969.983 1992.030 / 1977.683 1996.374 / 1980.258 1975.478 輪Ⅱ / 2027.748 2024.783 / 2032.251 2008.014 / 2021.813 2002.567 / 2018.108 2024.926 兩輪平均 角速度 / 2001.486 2000.072 / 2001.117 2000.022 / 1999.748 1999.741 / 1999.183 2000.202 差速器殼 平均轉矩 / 100.049 100.364 / 90.024 90.435 / 80.388 80.189 / 69.817 69.354 合反轉矩 60 50 40 30 單輪 反轉矩 輪Ⅰ 42.5 40 35 37.5 35 30 35 30 27.5 29 25 20 輪Ⅱ 17.5 20 25 12.5 15 20 5 10 12.5 1 5 10 反轉矩差 25 20 10 25 20 10 30 20 15 28 20 10 仿真結果 不正常 正常 正常 不正常 正常 正常 不正常 正常 正常 不正常 正常 正常 單輪 平均 角速度 輪Ⅰ / 1976.142 1976.512 / 1998.660 1993.272 / / / / / / 輪Ⅱ / 2021.955 2023.176 / 2001.533 2006.052 / / / / / / 兩輪平均 角速度 / 1999.049 1999.844 / 2000.096 1999.662 / / / / / / 差速器殼 平均轉矩 / 60.051 60.135 / 49.755 50.025 / / / / / / 通過上述分析，最大應力100Mpa時仿真結果有正常和不正常，所以我選擇加載120Mpa的應力。分析過程如下。 1、定義屬性 單元屬性主要包括：單元類型、實常數、材料常數。典型的實常數包括：厚度、橫截面面積、高度、梁的慣性矩等。材料屬性包括：彈性模量、泊松比、密度、熱膨脹系數等。本訓練中定義屬性只用到其中的幾項。 （1）Preferences/Structural； （2）Preprocessor/Element Type/ADD Edit Delete/Library of Element Types 第一對話框選擇Structural Solid，第二對話框選擇Tet 10node 187； （3）Preprocessor/MaterialProps/MaterialModels/Structural/Linear/E lastic/Isotropic/輸入EX(彈性模量)值，輸入PRXY(泊松比)值。 差速器殼體采用鑄鐵QT50 ，差速器殼體的屬性如下： 表4.2 屬性值 彈性模量（GPa） 泊松比 抗拉強度（MPa） 密度（g/cm） 154 0.3 500 7.2 2、進行網格劃分 ANSYS為用戶提供了兩種常用的網格劃分類型：自由和映射。自由劃分，體現在沒有特定的準則，對單元形狀無限制，生成的單元不規(guī)則，基本適用于所有的模型。自由網格生成的內部節(jié)點位置比較隨意，用戶無法控制。映射網格劃分要求面或體形狀滿足一定規(guī)則，它生成的單元形狀比較規(guī)則，適用于形狀規(guī)則的面和體。本訓練中主要采用自由網格劃分，軸模型自由劃分可采用以下兩種途徑，大家可以觀察劃分的網格有何區(qū)別。 途徑一：劃分網格：Meshing/MeshTool選中Smart Size復選框（精度從1到10，1為最高，網格最細，但劃分耗時長，一般設為5），單擊Mesh/Pick All； 途徑二：劃分網格：Meshing/Size Cntrls/ManualSize/Global/Size，密 度為20。 本設計分析采用途徑一對差速器殼體進行劃分，為了提高劃分速度，精度取8，劃分后效果如下圖4.1所示。 3、在差速器殼體上加載應力 沿軸向安置的滑塊—凸輪式差速器在工作中會產生較大的軸向力，因此要求差速器殼相應地增大其強度，由4.4節(jié)分析對差速器殼體的底部加載120MPa的應力，應力狀況如圖4.2、圖4.3、圖4.4、圖4.5。 圖4.1 網格劃分結果 圖4.2 X方向應力狀況 圖4.3 Y方向應力狀況 圖4.4 Z方向應力狀況 圖4.5 綜合應力狀況 結果分析：分析應力，數值顯示，藍色部位應力值最小，紅色部位應力值最大。由表4.2可知抗拉強度為500Mpa，通過Ansys軟件應力分析求得的最大應力值為158.855Mpa，小于許用應力500Mpa，所以滿足要求。 4.5轉矩分配關系及鎖緊系數的建立 圖4.6是兩側差速輪的合反轉矩為80N ·m、轉矩差為20N·m時差速器殼的轉矩曲線，可以看出，曲線在80 N·m上下波動。這說明左右兩側差速輪的反轉矩之和近似等于差速器殼的輸入轉矩，即普通錐齒輪差速器的轉矩分配關系近似成立: Т+Т≈Т （4.1） 式中：Т、Т—輪Ⅰ、輪Ⅱ的反轉矩； Т—差速器殼輸入轉矩。 圖 4.6 定量分析 輸出逗號分隔值文本文件后，計算得差速器殼輸入轉矩的平均值T = 80. 388N·m。除80N·m的合反轉矩外，還對表4.1中的其它各組數據進行了定量分析與計算(見圖4.6) 結果表明，當輪Ⅰ、輪Ⅱ的反轉矩差≤20N·m時，所求得的差速器殼輸入轉矩的平均值均非常接近輪Ⅰ、輪Ⅱ的合反轉矩，其差值不超過5‰。因此，式(4-1)可以改為: Т+Т=Т （4.2） 但是，由表4.1可以看出，軸向滑塊凸輪式差速器分配給兩側差速輪的轉矩是不相等的。根據表4.1中的數據及試驗結果，由鎖緊系數K和轉矩比的表達式 K = (Т- Т) /Т （