陈浩开题报告

机械工程学院

毕业设计（论文）开题报告

毕业设计（论文）题目：

Y1250型载货汽车主减速器设计及有限元分析

学 生 姓 名： 陈 浩 指导教师姓名： 张瑞亮 专 业： 车辆工程

2010 年 04 月 13 日

1. 课题名称

TY1250型载货汽车主减速器设计及有限元分析

2. 课题研究背景

汽车主减速器是汽车驱动桥中的主要总成结构之一，是汽车传动系最主要的传动部件，主要由主减速器壳体、主减速器螺旋锥齿轮副和差速器总成组成汽车传动系。主减速器是起降低转速，增大转矩作用的主要部件，当发动机纵置时还具有改变转矩旋转方向的作用。它是依靠齿数少的齿轮带齿数多的齿轮来实现减速的，采用圆锥齿轮传动则可以改变转矩旋转方向。将主减速器布置在动力向驱动轮分流之前的位置，有利于减小其前面的传动部件（如离合器、变速器、传动轴等）所传递的转矩，从而减小这些部件的尺寸和质量。

在现代汽车的主减速器上，应用最广泛的齿轮型式是“格里森”(Gleason)制或“奥利康”(Ocrlikon)制螺旋锥齿轮或双曲面齿轮传动。在双级主减速器中，通常还加一对圆柱齿轮(多为斜齿圆柱齿轮，也有的采用直齿或人字行齿圆柱齿轮)或一组行星齿轮。在轮边减速器中常采用普通平行轴式布置的一对外啮合斜齿圆柱齿轮传动或行星齿轮传动。锥齿轮是传递相交轴之间旋转运动和改变力矩传递方向的最有效的方法，常用锥齿轮有直齿锥齿轮和螺旋锥齿轮。直齿锥齿轮副在传动中同时啮合的齿数相对少，容易产生冲击，传动不平稳、噪音大。螺旋锥齿轮是齿面节线为曲线的锥齿轮，其齿轮副在传动时齿轮由一端至另一端逐渐而平稳地进入接触，同时啮合的齿数对要比

直齿锥齿轮多。螺旋锥齿轮副的大小齿轮具有大小相等、方向相反的螺旋角，其重合度明显大于直齿锥齿轮副，因此在高速运转时噪音和振动显著减少，同时螺旋锥齿轮副的小齿轮的齿数可以相对减少，从而得到较大的传动比和紧凑的结构。正因为螺旋锥齿轮有这些优点，所以在汽车主减速器齿轮中得到了广泛的应用。

有限单元法最初于20世纪40年代初期作为处理固体力学问题的方法出现。1960年，美国的Clough在一篇论文中才首次提出了“有限单元法’'(Finite ElementMethod)的概念。直到20世纪60年代末70年代初，有限单元法在理论上才基本成熟。随着计算机技术的迅速发展和广泛应用，有限单元法的应用已涉及机械工程、土木工程、航空结构等领域，已成为科学研究和工程设计的重要数值分析工具。有限单元法是当今工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法，由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。有限单元法是基于变分原理的一种求解数学物理问题的数值计算方法，其基本思想是将连续的求解域离散为一组有限个单元的组合体，这样的组合体能解析的模拟或逼近求解域。由于单元能按各种不同的连接方式组合在一起，且单元本身又可以有不同的几何形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。

3. 课题研究意义

随着工业和国防现代化的发展，无论对公路运输还是非公路运输的车辆都提出了更高的要求。近年来，在交通建设和物流增长的推动下，中国的汽车市场进入空前繁荣的时期。由于汽车的重型化和高速

化，不仅对整车性能提出了更高的要求，对汽车主减速器的性能要求也相应提高。汽车主减速器具有产量大、品种多，对产品性能、寿命、质量和成本等方面要求高的特点。汽车工业的发展带动了零部件及相关产业的展, 作为汽车关键零部件之一的车桥系统也得到相应的发展，各生产厂家基本上形成了专业化、系列化、批量化生产的局面。主要表现在以下几个方面：（1） 国际间的技术合作提高了车桥的整体质量；（2） 重型载重汽车的发展牵动了车桥向重载方向发展；（3） 激烈的市场竞争使得各专业生产厂家不得不从增加车桥及其附件的技术含量的方向上增加车桥的竞争力。因此，本文设计主减速器并对其锥齿轮进行接触分析对促进我国汽车行业的发展具有积极的意义。

4. 文献查阅概况

1）主减速器简介及分析

文献【1】指出汽车的驱动桥位于传动系的末端，其基本功用是增大由传动轴或直接由变速器传来的转矩，将转矩分配给左、右车轮，并使左、右车轮具有汽车行驶运动学所要求的差速功能；同时，驱动桥还要承受作用于路面和车架或承载式车身之间的铅垂力、纵向力和横向力及其力矩。驱动桥总成的结构型式，按其总体布置来说共有3 种：普通的非断开式驱动桥、带有摆动半轴的非断开式驱动桥和断开式驱动桥。普通的非断开式驱动桥，由于其结构简单、造价低廉、工作可靠，最广泛地应用在各种载货汽车及公共汽车上。文献【2】汽车主减速器是驱动桥最重要的组成部分，其功用是将万向传动装置传来的发动机转矩传递给驱动车轮，是汽车传动系中减小转速、增大扭

矩的主要部件。对发动机纵置的汽车来说，主减速器还有改变动力传输方向的作用。汽车正常行驶时，发动机的转速通常在2000至3000r/min左右，如果将这么高的转速只靠变速箱来降低下来，那么变速箱内齿轮副的传动比则需要很大，齿轮的半径也相应加大，也就是说变速箱的尺寸会加大。另外，转速下降，扭矩必然增加，也加大了变速箱与变速箱后一级传动机构的传动负荷。所以，在动力向左右驱动轮分流的差速器之前设置一个主减速器，可以使主减速器前面的传动部件，如变速箱、分动器、万向传动装置等传递的扭矩减小，同时也减小了变速箱的尺寸和质量，而且操控灵敏省力。文献【3】主动螺旋锥齿轮是将汽车变速器传过来的动力传递给从动锥齿轮，从动锥齿轮再将动力传递给差速器。因此，零件结构上主动螺旋锥齿轮是齿轮轴，一端是花键，与变速器动力输出轴相连，另一端是螺旋锥齿轮；从动锥齿轮是盘状齿轮，直径大于主动螺旋锥齿轮，起到减速作用，同时沿圆周均布一些螺栓孔，使从动锥齿轮通过螺栓固定在差速器壳上，将减速后的动力传递给差速器。目前，在汽车主减速器中应用较多的螺旋锥齿轮齿制有格里森（Greason）、奥立康（Oliken）。格里森采用的是圆弧齿制，其特点是齿轮的节锥齿线为圆弧线，齿轮的轮齿为收缩齿。奥立康采用的是延伸外摆线齿制，其特点是齿轮的节锥齿线为延伸外摆线，齿轮的轮齿为等高齿。在机械铣齿机时代，加工这两种齿制的铣齿机在结构上是不相容的，进入21世纪，由于机床数控技术的发展和机床传动形式的调整以及机床刚性的提高，加工这两种齿制的螺旋齿轮铣齿机在结构上已基本相同。文献【4】有限

元法通常遵循以下的基本步骤：物体的离散化：离散化是有限元法的基础，这就是依据结构的实际情况，选择合适的单元形状、类型、大小及排列方式，将拟分析的物体假想地分成有限个分区或分块的集合体。假设这些单元在处于它们边界上的若干个离散节点处相互连接，这些节点的位移将是该问题的基本未知参数。挑选形函数或插值函数：选择一组函数，通常是多项式，最简单的情况是位移的线性函数。这些函数应当满足一定条件，该条件就是平衡方程，它通常是通过变分原理得到的，就可由每个“有限单元\的节点位移唯一地确定该单元的位移状态。 2）锥齿轮接触分析

文献【5】中提出了轮齿接触分析（TCA）和螺旋锥齿轮加载接触分析的新进展。在20世纪60年代初，齿面接触分析（TCA）技术，介绍了螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮驱动器的接触特性的理论分析和运行质量（参考文献1）。对齿面接触分析（TCA）技术的应用大大减少了设计和发展螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮传动的时间，提高了效率。在70年代末，加载条件下的齿面接触分析，轮齿加载接触分析得到了发展。轮齿加载接触分析系统提供了一个更为实用的轮齿接触特性曲线，因为轮齿的变形和轴挠度发生在装载的实际接触齿面的几何中心。这两种技术已被整个锥齿轮行业接受和应用，已成为设计和制造高质量的螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮的有力工具。一个广义螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮齿面产生运动学模型。该数学模型是直接相关的物理机械背景和锥齿轮发电机，这是电脑化建模和螺旋锥齿轮和准双曲面齿

轮传动运动仿真的基础要素，并且可以同时适用于滚齿面铣刀和面过程与同时非生成和生成的方法。一种改进的齿面接触分析（TCA）算法。准确的几何模型，生成的各种牙齿表面的修改审议。一个特殊的间隙元是制订包括因牙齿弯曲挠度，剪切和当地赫兹接触。轴挠度也是模拟。高级TCA和LTCA方案是基于改进算法和齿面接触分析（TCA）的齿轮齿面接触解决方案的制定。对齿面接触分析（TCA）和LTCA方案的产出传输错误和联系方式。这两个程序模块被集成为Windows应用软件的设计和螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮的分析纳入格里森笼?。两个数值范例与TCA和LTCA结果。文献【6】中指出，在传统的对齿面接触区域进行修正的过程中，若是没有深厚的理论基础和丰富的实践经验以及对待工作的严谨刻苦的工作作风，是不可能完成修正工作的。但是随着电子计算机技术的发展和普及，这种情况有了明显的好转，现在可以以齿轮啮合理论作为理论基础，以电子计算机作为工具，通过在计算机上建立啮合曲面的模型，仿真齿轮副的啮合过程、产生接触区域相关数据，并分析它们在不同安装形式下的齿面接触区域的情况，进而完成对非正确的接触区域的修正，这种用电子计算机来进行齿面接触区域的分析和修正的方法称为齿面接触分析TCA 技术（Tooth Contact Analysis），简称TCA 技术。文献【7】通过对螺旋齿轮的理论分析与实验研究，得到了螺旋锥齿轮的特：1.小轴交角条件下，螺旋齿轮具有良好的承载能力，不仅能够传递运动而且能够传递动力。当轴交角在几度到十几度范围内，建议采用S-H螺旋齿轮传动。此时接触区大，相对速度小，接触区受安装误差影响不敏感，

因此啮合性能较为优良。当轴交角在十几度到三、四十度范围内，建议采用反旋向螺旋齿轮传动。此时接触区较大，相对速度较小，啮合性能较好。2、大轴交角条件下，通过适当的选择参数、合理设计，可以改善啮合性能，螺旋齿轮也具备一定的承载能力;3、螺旋齿轮传动对轴交角、中心距的安装误差均不敏感。小轴交角条件下，采用S-H螺旋齿轮传动，接触区的稳定性更好。4、澄清了螺旋齿轮啮合质量差，不宜用于大功率传动这一长期存在于设计者脑际中的误区，说明在空间任意轴交角的交错轴传动齿轮机构中，螺旋齿轮具备得天独厚的优势，具有广泛的应用前景。论文为螺旋齿轮的设计、制造提供了理论依据，具有一定参考价值;5、为进行能够直接写出齿面方程的齿轮传动的齿面接触分析提供了一种实用、简便的方法。文献【8】中对锥齿轮的接触区进行了确定，(1)接触区的位置齿较接触区的位置与受载情况有关。由于齿轮和轮齿受力后发生弹性变形，使锥齿轮接触区受载后会发生移动，移动规律由轮齿节面齿线的性质所决定。如圆弧齿锥齿轮在受载后，接触区位置向大端移动，并沿齿长与齿高方向扩大;对N型延伸外摆线锥齿轮，受载后接触区位置向小端移动，而G型延伸外摆线锥齿轮，受载后接触区移动规律与圆弧齿锥齿轮基本相同。装配时检查的接触区是在空载情况下的，因此在调整接触区位置时，应估计到受载后的变动。例如，对圆弧齿锥齿轮装配时的接触区位置应在中央且偏向小端。(2)接触区的大小，一般按占齿高与齿长的百分比衡量，具体要求与齿轮精度等级有关，可查有关说明书中的要求。（3）接触区的形状,想的接触区是一个面积较大的近似椭圆

形区域。文献【9】曾韬编写的《螺旋锥齿轮设计与加工》一书中的第七章齿面接触分析，很好地阐述了TCA 的数学模型及其有关公式，讨论了大轮用展成法和成形法，小轮用刀倾法和变性法加工时齿面的接触情况。首先建立起大轮和小轮的齿面方程，然后求出齿轮副在接触点处应满足的关系式，接着进行V-H 调整值的确定，齿面接触区的确定，绘制运动曲线图，最后对齿面接触分析的结果进行讨论。文献【10】中提出了MATLAB 软件在齿轮接触分析中的应用。轮齿接触分析TCA 是利用计算机技术对齿轮啮合过程中的齿面接触情况及传动误差进行分析，从而可在实际切齿前对轮齿的啮合情况进行预控，以减少试切时间。在进行TCA 的过程中，要表达大、小轮的齿面方程，需要经过大量的坐标变换及矩阵运算，同时还要求解相当复杂的非线性方程组。传统的方法是由专业人员直接编程来进行运算的。这不仅要求专业人员要有较高的数学功底，而且还要具备相当熟练的计算机编程的能力。而MATLAB 具有强大便捷的数学运算和图形显示功能，可以简化编程，减轻专业人员的负担，并提高了计算的精度。所以利用MATLAB 对弧齿锥齿轮进行轮齿接触分析，可以大大提高TCA 的速度和精度。该文献就是利用MATLAB 软件在弧齿锥齿轮轮齿接触分析中进行实例计算，充分利用MATLAB 强大便捷的数学运算和图形显示功能，简化了TCA 过程中的运算及编程，并提高了计算精度。文献【11】中给出了用MATLAB 求解非线性方程组的六个实例。可以帮助我们学会怎样用MATLAB 解非线性方程组。文献【12】中提出Matlab 与VB 混合编程在轮齿接触分析中的应用在螺旋锥齿轮的设计和分析中,经常

遇到复杂的数据信息处理问题,需要大运算量的矩阵计算及对分析结果进行实时、直观的图形化显示. Matlab的矩阵计算能力十分突出,用其进行复杂算法设计和方程组求解的效率很高,但Matlab 也有局限性,一般它不能脱离Matlab 集成环境工作,而且生成复杂的人机交互图形界面的功能不强 VB 避开了C+ + 语言编程相对烦琐和抽象的特点,是Windows下简单、易学和高效的可视化软件平台,但它的计算功能十分薄弱. 因此将Matlab 强大的计算功能与VB 在图形用户界面方面的优势结合起来,实现应用系统的无缝集成,对于有效缩短开发周期、优化系统性能、提高编程效率是十分有意义的. 以计算机为工具,根据实际被切齿轮的加工参数,确定大轮和小轮的齿面方程. 分析它们在不同的安装形式下的轮齿接触区情况,进而确定大轮和小轮的切齿控制数据,这种方法称作轮齿接触分析,简称( TCA).螺旋锥齿轮的啮合质量是通过正确的切齿计算来保证的,但切齿计算通常都是针对齿面上选定的参考点进行的,且只保证了在计算点一点处满足给定的传动条件和啮合性能. 但在全部啮合过程中是否都能保持这样的啮合质量,则需要进一步通过轮齿接触分析技术来检验. 良好完备的TCA分析可以在一定程度上预报轮齿的接触质量,使轮齿啮合性能在加工之前得到控制. 文献【13】有限元方法求解动力和静力问题有许多相同之处，它们的主要区别在于动力分析考虑了惯性力。静力问题的解得到所有外力的平衡，静力分析包括线性和非线性分析。线性静力分析中忽略了惯性效应，初始状态下模型的响应由线弹性模型确定;对于超弹性或超泡沫材料则采用初始状态;接触问题的接触状

态在计算时间中不发生变化。非线性静力分析则用于解决材料、几何或边界条件之一或多个为非线性时的问题，所分析问题与时间无关，通常其迭代增量步由程序自动控制，增量步表示载荷度形的增量而非时间增量。与静力有限元相比，动力分析要增加结构质量分布的离散和一致时间度量来描述速度。因为有了时间度量的定义，可以定义速度相关的载荷如阻尼。对具体问题可以分为时域和频域分析两大类。MARC的接触分析是处理一个非线性边值问题，它既可以用于静力接触分析，又适用于考察动力接触，可以有效的求解低速撞击问题，也就是说物体之间无穿透和裂纹产生的撞击问题。MARC中动力问题的接触探测与静力探测是相同的;接触约束条件的施加也类似，只是动力接触还要考虑速度和加速度的条件。文献【14】利用轮齿接触分析与齿轮啮合原理，建立了齿面均匀研磨与定点研磨控制的几何运动模型，经滚检检验，该模型能对齿面研磨位置与侧隙进行较准确的控制。利用承载接触分析，对影响齿面研磨率的主要因素:齿面瞬时接触应力、齿面滑动系数与齿面接触研磨概率进行了研究分析，首次确定了研齿区域的边界与齿面综合研磨率的评价指标。分析了研齿过程中材料去除、齿面修形、动态互研的机理，研齿对传动误差的影响及其与振动、噪声的关系;建立了螺旋锥齿轮研齿的周向振动模型，计算分析了动态研磨力的大小与成因。在上述理论研究的基础上，通过研齿试验与齿轮测量中心测试，首次研究了研齿对齿形精度、齿距误差、轮齿啮合精度及齿轮副接触与动态性能的影响。根据用文献【15】所提出的方法用 MATLAB 进行实例接触分析，编程得出TCA 分析结果，并

对结果进行分析讨论得出结论。

5.参考文献

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[18] 方宗德，邓效忠，任东锋. 考虑边缘接触的弧齿锥齿轮承载接触分析机械工程学报2002（09）

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[23] 郎全栋 车主减速器螺旋锥齿轮齿面接触区安装调整规律的分析 东北林学院2005

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2927-2946

5. 设计（论文）的主要内容 1）主减速器设计

2）进行圆锥齿轮的接触分析，制定TCA 流程； 3）用MATLAB 软件进行实例接触分析； 4）对TCA 结果进行分析验证，得出结论。 6. 设计（论文）提交形式 文档，程序 7. 进度安排

第四周 根据任务书的要求，查阅并搜集相关资料文献。

第五周 把找到的文献进行分析整理，翻译一篇与设计内容相关的外文文献。

第六周根据所搜集整理的文献资料，编写论文开题报告，并模拟写一份申请专利。

第七周 参照已有汽车主减速器计算相关数据 第八周 设计主减速器并建立三维模型 第九周 学习锥齿轮的啮合原理和相关知识。

第十周 学习齿轮接触分析和MATLAB编程的相关知识。 第十一周 学习别人的研究方式方法。

第十二周 开始做相关的设计，了解锥齿轮啮合原理，大轮和小轮的齿面方程。

第十三周 齿面接触情况的分析，V-H 值调整的确定，TCA 初始点

的确定方法，TCA 图形绘制。

第十四、十五周 用 MATLAB 进行实例接触分析，编程得出TCA 分析结果，并对结果进行分析讨论得出结论。

第十六周 对前面所做的设计进行综合整理，请指导老师审查，进一步修改完善。

第十七周 编写设计计算说明书，形成毕业设计全部文件，准备答辩。 第十八周 毕业答辩 8. 指导老师意见 签名： 200 年月 日__

的确定方法，TCA 图形绘制。

第十四、十五周 用 MATLAB 进行实例接触分析，编程得出TCA 分析结果，并对结果进行分析讨论得出结论。

第十六周 对前面所做的设计进行综合整理，请指导老师审查，进一步修改完善。

第十七周 编写设计计算说明书，形成毕业设计全部文件，准备答辩。 第十八周 毕业答辩 8. 指导老师意见 签名： 200 年月 日__

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/mto3.html