汽車輪邊減速器設(shè)計

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機械工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 題 目 ： 汽 車 輪 邊 減 速 器 設(shè) 計學(xué) 生 姓 名 ： 指 導(dǎo) 教 師 姓 名 專 業(yè) ： 車 輛 工 程 2011年 4 月 8 日1.課題名稱： TYQ4190 型汽車輪邊減速器設(shè)計2.課題研究背景：國內(nèi)外載貨汽車的驅(qū)動橋為了實現(xiàn)更好的降速增扭的作用，一般采用雙級減速器，在雙級式主減速器中，若第二級減速器齒輪有兩幅，并分置于兩側(cè)車輪附近，實際上成為獨立部件，稱為輪邊減速器，在重型載貨汽車上該裝置廣泛采用行星齒輪傳動，輪邊減速器是載貨汽車傳動系中最后一級減速增扭裝置。行星減速器與普通齒輪減速器相比，具有重量輕、體積小和傳動比大的優(yōu)點。輪邊減速器設(shè)置在車輪的輪轂內(nèi)，使得整個驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時降低主減速器、半軸、差速器的負荷，減小傳動部件的結(jié)構(gòu)尺寸，保證后橋具有足夠的離地間隙，提高了車輛的通過性能以及降低整車裝備質(zhì)量 [5]。在一些特定的工作環(huán)境下，如重型載貨車，礦山機械，軍工機械，越野汽車等的使用，就要求有較高的動力性，而車速相對較低，因此就需要很大的總傳動比。為了使變速器、分動器、傳動軸等總成不致因承受過大尺寸及質(zhì)量過大，應(yīng)將傳動系的傳動比以盡可能大的比率分配給驅(qū)動橋。這就導(dǎo)致了一些重型汽車、大型汽車的主減速比必須很大，但是主減速比大會導(dǎo)致離地間隙變小。但是這些重型汽車要求在一些路況不好的情況下具有良好的通過性，即要求汽車在滿載情況下能以平均車速通過各種壞路及無路地帶時有足夠離地間隙，因此為了保證汽車有足夠的動力性和通過性，在設(shè)計上述車型時，需要在車輪旁附加輪邊減速器。3.課題研究意義：隨著我國在基礎(chǔ)設(shè)施和重點建設(shè)項目上的投入加大，商用汽車在市場上的需求量急劇上升，1985 年的總產(chǎn)量僅為 39.3 萬輛，到 2009 年銷售量 274.4 萬量，其中僅重型卡車一項已達到 42.5 萬量，另外一些重型的工程機械也急劇增長。相應(yīng)的輪邊減速器的需求量也不斷攀升。我國研制汽車輪邊減速器早已開始，但由于各種原因，至今發(fā)展不快。國內(nèi)幾家大型的載貨汽車生產(chǎn)廠使用的輪邊減速器一般由車橋廠配套生產(chǎn)，像漢德車橋，安凱車橋，重汽濟南橋箱廠等。另外還有一些生產(chǎn)輪邊減速器的一些小廠家和銷售國外產(chǎn)品的貿(mào)易公司。以前輪邊減速器主要依靠進口，而且像力士樂、邦飛利、布雷維尼等一些知名品牌的產(chǎn)品需要預(yù)定。綜合看國內(nèi)外產(chǎn)品的區(qū)別有：1).國外的質(zhì)量比較可靠；國內(nèi)質(zhì)量相對較差，適合一些工礦比較好的地方；2).國外的結(jié)構(gòu)比較緊湊，結(jié)構(gòu)設(shè)計很好，國內(nèi)多是測繪仿造的；3).由于需求量大，國外產(chǎn)品的交貨期要好幾個月，甚至一年，國內(nèi)相對快一點；4).國外的產(chǎn)品價格基本是國內(nèi)的 2~3 倍，易損件、備件價格高達 7~8 倍 [7]。因此，發(fā)展我國的輪邊減速器產(chǎn)品是非常必要的。輪邊減速器屬于汽車減速零部件的關(guān)鍵總成，是為了提高汽車的驅(qū)動力,以滿足或修正整個傳動系統(tǒng)力的匹配。通過對本課題的研究，不僅為系統(tǒng)地掌握了輪邊減速器的組成和各參數(shù)的選擇，設(shè)計出合理使用的輪邊減速器，也為進一步深入的研究打下了基礎(chǔ)。4.文獻查閱概況國內(nèi)外針對于輪邊減速器深入研究較少，但是輪邊減速器多以行星齒輪機構(gòu)為主，且我們將要設(shè)計的重型載貨車的輪邊減速器也初步選定為行星齒輪式，所以將輪邊減速器的設(shè)計和行星齒輪分析作為本課題的重點。4.1 國外研究動態(tài)重型汽車輪邊減速器多以行星齒輪為主，世界上的一些發(fā)達國家，如日本、瑞典、俄羅斯和美國等，對行星齒輪傳動的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用都十分重視，在傳動性能、傳遞功率、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、轉(zhuǎn)矩等方面均處于領(lǐng)先地位。發(fā)展比較快且取得一定科研成果的是在行星齒輪傳動動力學(xué)方面,1994 年以后在福特汽車公司資助下，成立了以美國國家航空航天局、美國軍事研究中心為主導(dǎo)的科研機構(gòu)，在動力學(xué)方面對行星齒輪開展了深入的研究工作，如自由振動、均載、動態(tài)響應(yīng)、動態(tài)穩(wěn)定性、振動抑制等進行了較系統(tǒng)的研究 [7]。2003 年 C. Yuksel 和 A. Kahraman 在前人研究的基礎(chǔ)上，首次把齒廓磨損作為一個動態(tài)的因素考慮到行星齒輪的動態(tài)載荷中，為消除行星齒輪產(chǎn)品應(yīng)用中的噪音和振動問題有很重要的作用[8]。2009 年，Robert G.Parker 研究特殊的諧波相位嚙合頻率，可以減少行星齒輪傳動裝置的振動，改善系統(tǒng)動力學(xué)性能 [9]。對于行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，目前國外已經(jīng)廣泛采用了 CAD／CAE／CAM 一體化的設(shè)計方法，這是一種面向零件的參數(shù)化的 3D 實體模型設(shè)計技術(shù)，與以往傳統(tǒng)的二維設(shè)計方法相比，這是一條革命性的設(shè)計理念。通過三維結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計的完美結(jié)合，可以使設(shè)計一體化，對工作效率的提高是非常有好處的。當前，國外的一些公司針對產(chǎn)品的不同特點，開發(fā)出了很多專用的優(yōu)化設(shè)計模塊，這些優(yōu)化設(shè)計模塊之間有良好的數(shù)據(jù)接口，產(chǎn)品的幾何模型可以通過它們實體造型模塊的優(yōu)化結(jié)果直接輸出，這樣的設(shè)計大大提高了工作效率，對于產(chǎn)品開發(fā)周期縮短，企業(yè)研發(fā)能力的提高都有好處，由于開發(fā)的產(chǎn)品周期短、速度快，可以使企業(yè)在市場競爭中處于領(lǐng)先地位[13]。4.2 國內(nèi)研究動態(tài)由于我國的歷史原因，在這一領(lǐng)域的研究起步較晚，研究水平總體處于落后狀態(tài)。近幾年來，隨著我國對制造業(yè)的扶持和資金的投入以及科學(xué)技術(shù)不斷進步，機械科技人員經(jīng)過不懈的努力以及技術(shù)引進和消化吸收，在行星齒輪理論研究和優(yōu)化設(shè)計等方面取得了一定的研究成果，在行星齒輪傳動非線性動力學(xué)模型和方程方面的研究是國內(nèi)兩個關(guān)于行星齒輪傳動動力學(xué)的代表，他們的研究成果取得了一定的成就并把許多技術(shù)應(yīng)用于實際當中。與此同時，現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計理論也應(yīng)用到行星齒輪傳動技術(shù)中，根據(jù)不同的優(yōu)化目標，通過建立輪邊減速器行星齒輪數(shù)學(xué)模型，產(chǎn)生了多種優(yōu)化設(shè)計方法。早在 1988 年，冷桂蘭行星輪邊減速器進行設(shè)計分析的基礎(chǔ)上, 建立了機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)和約束條件。采用復(fù)合形法自編 basic 程序, 對 12 種方案進行了參數(shù)尋優(yōu)。提供了優(yōu)選方案。對同類機構(gòu)的設(shè)計，提供了一種可行的優(yōu)化設(shè)計方法 [18]。還有針對行星齒輪傳動嚙合效率、結(jié)構(gòu)性能、體積的多目標優(yōu)化設(shè)計研究，2008 年石巖輝等利用機械優(yōu)化設(shè)計和可靠性理論，結(jié)合車輛輪邊減速器行星齒輪傳動機構(gòu)參數(shù)設(shè)計實例，探討了串聯(lián)失效模式在行星齒輪傳動中的應(yīng)用，并以體積最小為目標建立了多目標優(yōu)化模型 [20]。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新的電腦輔助設(shè)計技術(shù)也不斷應(yīng)用到輪邊減速器的優(yōu)化設(shè)計中。2008 年胡歡就建立了輪邊減速器的數(shù)學(xué)模型并進行了相應(yīng)的簡化處理，應(yīng)用 MATLAB 軟件對輪邊減速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。2009 年李曉豁，王巖等研究電動輪自卸車輪邊減速器行星架的結(jié)構(gòu)可靠性。利用ANSYS 的概率設(shè)計功能。以行星輪軸直徑、行星輪傳遞給輪軸的壓力及彈性模量為隨機輸入變量，模擬實際構(gòu)件設(shè)計參數(shù)的隨機性，選用蒙特卡羅法進行行星架的可靠性分析，得到該有限元分析模型的應(yīng)力概率分布特征、應(yīng)力累積分布函數(shù)和行星輪軸直徑等設(shè)計參數(shù)對應(yīng)力分布的敏感程度。研究所得結(jié)論對于改進電動輪自卸車輪邊減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高其使用壽命具有一定的作用 [9]。在輪邊減速器的優(yōu)化過程中也存在一些問題， 2008 李必文和張春良針對輪邊減速器現(xiàn)行優(yōu)化設(shè)計存在的問題，從工程實際出發(fā)，重建了數(shù)學(xué)模型。提出了避免對優(yōu)化解進行圓整的有效措施，給出了對優(yōu)化解評價的方法和手段，并介紹了China-Machine 和 MATLAB 等軟件在解決該類優(yōu)化設(shè)計問題中的應(yīng)用 [21]。在輪邊減速器不斷發(fā)展的過程中，除了針對設(shè)計和優(yōu)化的研究外，還有一些針對行星機構(gòu)噪聲、振動、固有頻率特性研究，這些成果的研究有利于提高了工程技術(shù)人員對行星傳動技術(shù)的認識。2010 年柴少彪對重型載貨車輪邊減速器的結(jié)構(gòu)進行闡述并建立了三維模型。詳細闡述了輪邊減速器的作用及各種結(jié)構(gòu)的類型，用三維建模軟件 Pro/E 建立了輪邊減速器的幾何模型。行星齒輪機構(gòu)的有限元接觸仿真分析的研究。利用有限元軟件ANSYS 建立了行星齒輪系有限元模型，采用顯式動力學(xué)有限元分析軟件 ANSYS/LS-DYNA 有限元程序，較為真實的計算和仿真行星齒輪機構(gòu)的運動過程及其應(yīng)力分布。行星齒輪傳動系統(tǒng)的模態(tài)特性的分析與研究。分析了行星齒輪結(jié)構(gòu)的振動模型及固有特性對結(jié)構(gòu)振動噪聲的影響 [5]。2011 年王鐵利用三維建模軟件對輪邊減速器行星齒輪結(jié)構(gòu)建立了幾何模型，并根據(jù)重型載貨汽車輪邊減速器行星齒輪結(jié)構(gòu)以及受載特點,建立了行星齒輪結(jié)構(gòu)三維有限元模型，利用顯式動力學(xué)軟件對行星齒輪結(jié)構(gòu)進行動力學(xué)仿真分析，探討了結(jié)構(gòu)在運動過程中所受到的力及產(chǎn)生最大應(yīng)力的部位與應(yīng)力的變化趨勢，設(shè)計分析所得到的結(jié)論可為行星齒輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析提供依據(jù) [6]。2010 年尹道駿針對行星齒輪的嚙合誤差問題，為了減少輪邊減速器在工作條件下的嚙合誤差，從輪齒嚙合受力出發(fā)，結(jié)合齒輪修形理論，尋找到一種更切合實際工作需要的用以確定齒輪修形量大小的計算方法 [7]。這些研究都表明我們國家在輪邊減速器方面的研究正從設(shè)計的基礎(chǔ)上慢慢的發(fā)展到更深層次并把研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實際中。4.3 輪邊減速器設(shè)計的發(fā)展趨勢隨著計算機廣泛應(yīng)用于設(shè)計領(lǐng)域，在產(chǎn)品的研發(fā)初期，可以應(yīng)用計算機輔助工程（CAE），通過計算機模擬實際工作情況，對產(chǎn)品的各項性能進行檢測，比如對其靜態(tài)的，動態(tài)的性能進行測試，這樣可以在設(shè)計時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷，避免樣機制造的風(fēng)險，用 CAE技術(shù)不僅可以降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，而且可以對設(shè)計的結(jié)果進行驗證，這樣可以整體了解產(chǎn)品的性能，省去一些不需要的環(huán)節(jié)，節(jié)省研發(fā)費用，現(xiàn)在對于一些特別復(fù)雜的機械零件，由于在 CAE 中不易建模而采用在三維 CAD 中進行建模，把所建好的實體模型數(shù)據(jù)，用另一種可以讓 CAE 軟件識別的格式保存，然后導(dǎo)入到 CAE 軟件中。目前，采用ADAMS、ANSYS 等有限元分析軟件對所設(shè)計的機械產(chǎn)品進行有限元分析在設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著計算機性能的提高和設(shè)計人員經(jīng)驗的積累，對產(chǎn)品設(shè)計的仿真模型與實際模型相差很小，這樣可以保證仿真性能的可靠性。近些年由于國家對制造業(yè)的重視，許多國內(nèi)高校及科研部門對計算機輔助方面有了一定的投入，特別在有限元方面，并取得了一定得成果。隨著有限元方法的應(yīng)用，普及以及設(shè)計人員的經(jīng)驗積累，實體建模將越來越接近真實結(jié)構(gòu)，這樣的研究成果才能真正指導(dǎo)生產(chǎn)實踐 [7]。目前隨著電子技術(shù)的發(fā)展，非公用車已向著智能化，無人化發(fā)展。越來越多的電控系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)被運用到礦用車上來，使得礦用車的操作越來越簡易方便，產(chǎn)量也更大。例如卡特彼勒系列非公用車就有很多人性化的輔助系統(tǒng)。如：全自動的緩行制動，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速由電控單元根據(jù)傳感器和節(jié)氣閥所給出的數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)。變速器也有自動檔，可以自動改變車速。在機械硬件方面卡特彼勒也可以稱得上業(yè)界內(nèi)的航母，他的機械部分設(shè)計簡便，人性化，強度高，使用壽命長，且維修方便。目前行星齒輪都向著大功率，大傳動比、小體積、高機械效率以及使用壽命長的方向發(fā)展。參考文獻：[1] 王望予.汽車設(shè)計( 第四版)[M]，機械工業(yè)出版社，2004.[2] 陳家瑞.汽車構(gòu)造( 下冊)[M]，機械工業(yè)出版社，2005.[3] 劉惟信.汽車車橋設(shè)計[M]，清華大學(xué)出版社，2004.[4] 馮晉祥，陳德陽，王林超.汽車構(gòu)造（下冊）[M]，人民交通出版社，2007.[5] 柴少彪. 重型載貨汽車行星齒輪輪邊減速器動力學(xué)性能分析與研究[D]，工學(xué)碩士學(xué)位論文，太原理工大學(xué)，2010.[6] 王鐵，柴少彪 . 輪邊減速器行星齒輪結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析[J]，機械傳動，2011，01:35-37.[7] 尹道駿. 重型汽車輪邊減速器研究[D]，工學(xué)碩士論文，合肥工業(yè)大學(xué)，2010.[8] C. 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