汽車輪邊減速器設(shè)計(jì)

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機(jī)械工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 題 目 ： 汽 車 輪 邊 減 速 器 設(shè) 計(jì)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(jì)2.課題研究背景：國(guó)內(nèi)外載貨汽車的驅(qū)動(dòng)橋?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)更好的降速增扭的作用，一般采用雙級(jí)減速器，在雙級(jí)式主減速器中，若第二級(jí)減速器齒輪有兩幅，并分置于兩側(cè)車輪附近，實(shí)際上成為獨(dú)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(dòng)，輪邊減速器是載貨汽車傳動(dòng)系中最后一級(jí)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(dòng)比大的優(yōu)點(diǎn)。輪邊減速器設(shè)置在車輪的輪轂內(nèi)，使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時(shí)降低主減速器、半軸、差速器的負(fù)荷，減小傳動(dòng)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(guò)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(jī)械，軍工機(jī)械，越野汽車等的使用，就要求有較高的動(dòng)力性，而車速相對(duì)較低，因此就需要很大的總傳動(dòng)比。為了使變速器、分動(dòng)器、傳動(dòng)軸等總成不致因承受過(guò)大尺寸及質(zhì)量過(guò)大，應(yīng)將傳動(dòng)系的傳動(dòng)比以盡可能大的比率分配給驅(qū)動(dòng)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(huì)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(guò)性，即要求汽車在滿載情況下能以平均車速通過(guò)各種壞路及無(wú)路地帶時(shí)有足夠離地間隙，因此為了保證汽車有足夠的動(dòng)力性和通過(guò)性，在設(shè)計(jì)上述車型時(shí)，需要在車輪旁附加輪邊減速器。3.課題研究意義：隨著我國(guó)在基礎(chǔ)設(shè)施和重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目上的投入加大，商用汽車在市場(chǎng)上的需求量急劇上升，1985 年的總產(chǎn)量?jī)H為 39.3 萬(wàn)輛，到 2009 年銷售量 274.4 萬(wàn)量，其中僅重型卡車一項(xiàng)已達(dá)到 42.5 萬(wàn)量，另外一些重型的工程機(jī)械也急劇增長(zhǎng)。相應(yīng)的輪邊減速器的需求量也不斷攀升。我國(guó)研制汽車輪邊減速器早已開(kāi)始，但由于各種原因，至今發(fā)展不快。國(guó)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(jì)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(guó)外產(chǎn)品的貿(mào)易公司。以前輪邊減速器主要依靠進(jìn)口，而且像力士樂(lè)、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(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的區(qū)別有：1).國(guó)外的質(zhì)量比較可靠；國(guó)內(nèi)質(zhì)量相對(duì)較差，適合一些工礦比較好的地方；2).國(guó)外的結(jié)構(gòu)比較緊湊，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很好，國(guó)內(nèi)多是測(cè)繪仿造的；3).由于需求量大，國(guó)外產(chǎn)品的交貨期要好幾個(gè)月，甚至一年，國(guó)內(nèi)相對(duì)快一點(diǎn)；4).國(guó)外的產(chǎn)品價(jià)格基本是國(guó)內(nèi)的 2~3 倍，易損件、備件價(jià)格高達(dá) 7~8 倍 [7]。因此，發(fā)展我國(guó)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(dòng)力,以滿足或修正整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)力的匹配。通過(guò)對(duì)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(jì)出合理使用的輪邊減速器，也為進(jìn)一步深入的研究打下了基礎(chǔ)。4.文獻(xiàn)查閱概況國(guó)內(nèi)外針對(duì)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(jī)構(gòu)為主，且我們將要設(shè)計(jì)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(jì)和行星齒輪分析作為本課題的重點(diǎn)。4.1 國(guó)外研究動(dòng)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(dá)國(guó)家，如日本、瑞典、俄羅斯和美國(guó)等，對(duì)行星齒輪傳動(dòng)的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用都十分重視，在傳動(dòng)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(dòng)動(dòng)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(guó)國(guó)家航空航天局、美國(guó)軍事研究中心為主導(dǎo)的科研機(jī)構(gòu)，在動(dòng)力學(xué)方面對(duì)行星齒輪開(kāi)展了深入的研究工作，如自由振動(dòng)、均載、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、振動(dòng)抑制等進(jìn)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(gè)動(dòng)態(tài)的因素考慮到行星齒輪的動(dòng)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(dòng)問(wèn)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(dòng)裝置的振動(dòng)，改善系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能 [9]。對(duì)于行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，目前國(guó)外已經(jīng)廣泛采用了 CAD／CAE／CAM 一體化的設(shè)計(jì)方法，這是一種面向零件的參數(shù)化的 3D 實(shí)體模型設(shè)計(jì)技術(shù)，與以往傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法相比，這是一條革命性的設(shè)計(jì)理念。通過(guò)三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的完美結(jié)合，可以使設(shè)計(jì)一體化，對(duì)工作效率的提高是非常有好處的。當(dāng)前，國(guó)外的一些公司針對(duì)產(chǎn)品的不同特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出了很多專用的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，這些優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guò)它們實(shí)體造型模塊的優(yōu)化結(jié)果直接輸出，這樣的設(shè)計(jì)大大提高了工作效率，對(duì)于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期縮短，企業(yè)研發(fā)能力的提高都有好處，由于開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品周期短、速度快，可以使企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于領(lǐng)先地位[13]。4.2 國(guó)內(nèi)研究動(dòng)態(tài)由于我國(guó)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(lái)，隨著我國(guó)對(duì)制造業(yè)的扶持和資金的投入以及科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，機(jī)械科技人員經(jīng)過(guò)不懈的努力以及技術(shù)引進(jìn)和消化吸收，在行星齒輪理論研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面取得了一定的研究成果，在行星齒輪傳動(dòng)非線性動(dòng)力學(xué)模型和方程方面的研究是國(guó)內(nèi)兩個(gè)關(guān)于行星齒輪傳動(dòng)動(dòng)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(shí)際當(dāng)中。與此同時(shí)，現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)理論也應(yīng)用到行星齒輪傳動(dòng)技術(shù)中，根據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)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(jì)方法。早在 1988 年，冷桂蘭行星輪邊減速器進(jìn)行設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)上, 建立了機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。采用復(fù)合形法自編 basic 程序, 對(duì) 12 種方案進(jìn)行了參數(shù)尋優(yōu)。提供了優(yōu)選方案。對(duì)同類機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提供了一種可行的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 [18]。還有針對(duì)行星齒輪傳動(dòng)嚙合效率、結(jié)構(gòu)性能、體積的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，2008 年石巖輝等利用機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性理論，結(jié)合車輛輪邊減速器行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)例，探討了串聯(lián)失效模式在行星齒輪傳動(dòng)中的應(yīng)用，并以體積最小為目標(biāo)建立了多目標(biāo)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(jì)技術(shù)也不斷應(yīng)用到輪邊減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。2008 年胡歡就建立了輪邊減速器的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理，應(yīng)用 MATLAB 軟件對(duì)輪邊減速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。2009 年李曉豁，王巖等研究電動(dòng)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(jì)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(jī)輸入變量，模擬實(shí)際構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)的隨機(jī)性，選用蒙特卡羅法進(jìn)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(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)力分布的敏感程度。研究所得結(jié)論對(duì)于改進(jìn)電動(dòng)輪自卸車輪邊減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(guò)程中也存在一些問(wèn)題， 2008 李必文和張春良針對(duì)輪邊減速器現(xiàn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，從工程實(shí)際出發(fā)，重建了數(shù)學(xué)模型。提出了避免對(duì)優(yōu)化解進(jìn)行圓整的有效措施，給出了對(duì)優(yōu)化解評(píng)價(jià)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(jì)問(wèn)題中的應(yīng)用 [21]。在輪邊減速器不斷發(fā)展的過(guò)程中，除了針對(duì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的研究外，還有一些針對(duì)行星機(jī)構(gòu)噪聲、振動(dòng)、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(duì)行星傳動(dòng)技術(shù)的認(rèn)識(shí)。2010 年柴少彪對(duì)重型載貨車輪邊減速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述并建立了三維模型。詳細(xì)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(jī)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(dòng)力學(xué)有限元分析軟件 ANSYS/LS-DYNA 有限元程序，較為真實(shí)的計(jì)算和仿真行星齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及其應(yīng)力分布。行星齒輪傳動(dòng)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(dòng)模型及固有特性對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲的影響 [5]。2011 年王鐵利用三維建模軟件對(duì)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(diǎn),建立了行星齒輪結(jié)構(gòu)三維有限元模型，利用顯式動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)行星齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，探討了結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(shì)，設(shè)計(jì)分析所得到的結(jié)論可為行星齒輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析提供依據(jù) [6]。2010 年尹道駿針對(duì)行星齒輪的嚙合誤差問(wèn)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(shí)際工作需要的用以確定齒輪修形量大小的計(jì)算方法 [7]。這些研究都表明我們國(guó)家在輪邊減速器方面的研究正從設(shè)計(jì)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(shí)際中。4.3 輪邊減速器設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域，在產(chǎn)品的研發(fā)初期，可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE），通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際工作情況，對(duì)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測(cè)，比如對(duì)其靜態(tài)的，動(dòng)態(tài)的性能進(jìn)行測(cè)試，這樣可以在設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷，避免樣機(jī)制造的風(fēng)險(xiǎn)，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(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)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(fèi)用，現(xiàn)在對(duì)于一些特別復(fù)雜的機(jī)械零件，由于在 CAE 中不易建模而采用在三維 CAD 中進(jìn)行建模，把所建好的實(shí)體模型數(shù)據(jù)，用另一種可以讓 CAE 軟件識(shí)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(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析在設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的仿真模型與實(shí)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(guó)家對(duì)制造業(yè)的重視，許多國(guó)內(nèi)高校及科研部門對(duì)計(jì)算機(jī)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(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)積累，實(shí)體建模將越來(lái)越接近真實(shí)結(jié)構(gòu)，這樣的研究成果才能真正指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)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(wú)人化發(fā)展。越來(lái)越多的電控系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)被運(yùn)用到礦用車上來(lái)，使得礦用車的操作越來(lái)越簡(jiǎn)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(dòng)的緩行制動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)調(diào)節(jié)。變速器也有自動(dòng)檔，可以自動(dòng)改變車速。在機(jī)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(jī)械部分設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，人性化，強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)，且維修方便。目前行星齒輪都向著大功率，大傳動(dòng)比、小體積、高機(jī)械效率以及使用壽命長(zhǎng)的方向發(fā)展。參考文獻(xiàn)：[1] 王望予.汽車設(shè)計(jì)( 第四版)[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2004.[2] 陳家瑞.汽車構(gòu)造( 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