某履带车主减速器总成建模及分析.docx
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某履带车主减速器总成建模及分析
摘要
本论文设计对象是某履带式装甲车的后桥主减速器，本次设计针对该主减速器主要做了以下工作：
主减速器三维模型图的绘制、运动仿真、有限元分析。
首先在已知主减速器弧齿锥齿轮的相关数据后，进行计算得出结构参数，然后由CREO、CATIA软件进行三维建模。
之后将已完成的三维模型导出到ADAMS进行运动仿真，模拟汽车直行情况下的主减速器工作状态。
最后将弧齿锥齿轮三维模型导出到ANSYS软件中，建立好有限元模型，并通过计算结果对比得出有限元模型的结构性能。
模拟弧齿锥齿轮实际工作时的受力情况，对其进行模态计算分析。
关键词：
主减速器；三维建模；运动仿真；有限元分析
Abstract
Thedesignobjectofthisthesisistherearaxlemaindeceleratorofacrawler-typearmoredvehicle.Thisdesignmainlydoesthefollowingworkforthemaindeceleratorr:
drawingofthe3Dmodelofthemaindecelerator,motionsimulationandfiniteelementanalysis.Firstly,aftertherelevantdataofthemainreducerspiralbevelgearisknown,thestructuralparametersarecalculated,andthenthree-dimensionalmodelingisperformedbyCREOandCATIAsoftware.Thecompleted3DmodelisthenexportedtoADAMSformotionsimulationtosimulatetheoperatingstateofthemaindeceleratorinthecaseofastraight-throughvehicle.
Finally,the3DmodelofthespiralbevelgearisexportedtoANSYSsoftware,andthefiniteelementmodelisestablished.Thestructuralperformanceofthefiniteelementmodelisobtainedbycomparingthecalculationresults.Simulatetheforceofthespiralbevelgearduringactualoperation,andperformmodalcalculationanalysis.
Keywords:
maindecelerator;three-dimensionalmodeling;motionsimulation;finiteelementanalysis
1绪论
1.1课题背景
近年来随着全球范围内汽车产业的高速发展，对汽车传动系统承载能力以及工作时可靠程度要求越来越高，汽车主减速器作为汽车传动系统必不可少的一大总成，其主要功能是降低万向传动装置输入转速，同时提高汽车转矩输出。
当发动机纵置时可采用锥齿轮传动，此时具有改变动力输出方向的作用。
主减速器的结构对汽车的动力性、燃油经济性、传动的平稳性以及传动效率等方面都有直接的影响。
由于其工况较为复杂，工作环境比较恶劣，为保证主减速器具有良好的工作性能，主减速器齿轮系统的设计要求应为:
传动效率高，工作平稳，低噪声;体积小、质量轻、承载能力强、传动比应满足汽车良好的动力性和燃油经济性、便于加工制造、工作可靠、使用寿命长等。
齿轮传动是现代化工业所应用最为广泛的传动形式，与其他的传动形式相比较而言，齿轮传动凭借其优越的稳定性、结构紧凑性、便于加工、安装、调试且使用寿命长等优良品质而被广泛应用于轮渡、航天、汽车、工业制造等领域。
然而在实际使用过程中，由于齿轮存在加工误差、安装误差、使用磨损、以及受其材料性质所影响等原因，使得齿轮传动啮合过程中时常伴有非线性振动。
这不仅影响到传动系统的平稳性和准确性，甚至会进一步破坏整个传动系统的结构，使其失去使用价值或造成生命财产损失。
由于齿轮产品大部分具有相似的结构和形状，故可借助CAD技术实现其绘图过程的自动化，以提高设计、生产效率和质量[1]。
因此，采用现代设计、数值分析、三维建模、模态分析等技术进行汽车主减速器齿轮的设计和分析,对减轻后续产品实验的工作量以及提高圆锥齿轮减速器的品质,特别是提高承载能力、减少振动和噪声、延长使用寿命等具有较为重要的学术意义以及一定的工程实用价值。
1.2研究现状
近些年来使用计算机对齿轮进行设计与分析已成为一种重要的研究手段。
随着CAD/CAE/CAM/CAPP技术的迅速发展，计算机辅助工程设计及分析已经变成工程设计人员不可或缺的重要工具。
目前常用的主要软件有:
CATIA,PRO-E,UG，ADAMS，Ansys等。
其中CATIA软件是法国达索公司（DassaultSystem）开发的CAD领域曲面设计、实体造型、模具设计等方面的高级软件，该软件在航空航天工业、汽车制造业等大量涉及复杂外形设计的工作领域展现了强大的功能[2]。
CatiaV5是基于Windows平台的全参数化并且是以特征建模技术为核心的特征造型软件,它可以十分方便、快捷地实现复杂的三维零件的实体造型、复杂模型装配和生成工程图，为设计人员提供优质的设计环境[3,4]。
目前来说，研究齿轮强度的方法主要有两种:
一为试验研究，以齿轮的实际试验数据、结果为基础，分析强度和变形，这种方法实用性较强;二为分析计算，利用经典力学、有限元和边界元[5]等方法，通过建立零部件的模型，以计算结果为基础研究其强度。
由于试验研究需要花费较长的时间和高昂的费用，而且，试验研究只能在已制成的产品上进行，设计阶段则无法进行。
因此，相关研究人员很早就致力于采用分析计算的方法研究齿轮的强度。
随着科学技术的发展，有限元法和边界元法开始获得广泛地应用于齿轮分析中。
有限元法是一种离散化数值分析方法。
G.D.Bibel，S.K.Reddy，M.Savage等人于1991年利用有限元方法对渐开线直齿圆柱齿轮的齿根应力进行分析[6]。
有限单元法的基本思想——离散化概念早在40年代就已经提出，1943年R.Courant从数学角度提出了有限单元法的基本观点[7]。
50年代初英国航空教授Argyris和他的同事运用网格思想成功进行了计算分析。
与此同时，美国教授R.W.Clough运用三角形网格划分方式对飞机结构进行了计算分析，并首次提出了有限元（finiteelement）这一术语[8,9]。
60年代以来，随着电子计算机技术的发展与应用，有限单元法得到很大的发展。
有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具，经过半个世纪的发展，它已日趋成熟，在几乎所有的工程设计领域发挥着越来越重要的作用[10]。
主减速器零部件齿轮的设计研究是有限元技术应用较为广泛的领域之一,有限元技术的应用提高了汽车主减速器零部件设计的可靠性，缩短了设计周期，已成为一种常规的设计手段[11]。
目前国内众多科研院所都应用有限元分析方法对汽车齿轮转动总成设计进行研究，如中国北方车辆研究所进行的变速箱有限元强度计算与优化研究[12]、同济大学对Santana轿车主减速器齿轮的有限元分析[13]等。
近几年来，随着电脑辅助设计软件的升级换代，齿轮机构零部件有限元分析向着更加准确精致的方向发展。
在计算齿轮在不同载荷下所对应的变化的方法中，有限元法无疑是最有效的方法之一。
1.3课题设计的流程
本课题通过已知的汽车主减速器弧齿锥齿轮的部分参数，计算得出弧齿锥齿轮的结构参数，然后根据主减速器的结构在CREO、CATIA软件中进行三维建模。
建立好主动弧齿锥齿轮和从动弧齿锥齿轮模型后，通过装配设计将二者按照啮合关系进行装配。
而后通过主减速器结构进行其他零部件的建模工作，关于其它零部件的建模要做到合理、合规，并且确保不产生运动干涉。
完成建模工作后将部分三维模型导入到ADAMS软件中进行汽车直行状态下的主减速器运动模拟。
完成运动模拟后，将主动锥齿轮模型导入到ANSYS软件中。
在ANSYS环境下对模型进行错误检测，检测无误后对模型进行网格划分、设定模型材料特性，得到有限元模型。
通过对主动弧齿锥齿轮的工作受力进行模拟约束的添加，由ANSYS模型计算出的结果加以判断得出该模型是否符合工作要求。
如不符合，则提出修改方案，如符合工作要求则可视情况进行优化。
1.4本章小结
本章从课题背景入手，较为全面、真实的介绍了主减速器对于汽车的重要程度。
而主减速器的核心部件——锥齿轮，又备受各研究人员及各大公司关注。
之后在研究现状中大致地梳理了主减速器的建模及分析工作，着重介绍了前人在主减速器有限元分析方面所做出的努力与取得的成就。
最后结合毕业设计时间安排，规划出一条课题设计的流程以指导后续毕业设计事宜。
2应用CREO及CATIA进行三维建模
2.1CREO软件的简介
CREO是美国PTC公司推出的一款集平面绘图、三维建模、参数化设计及装配、CAE分析等为一体的工程设计集成软件。
可以说CREO软件是创新性的整合了三个软件：
Pro/Engineer的参数化技术、CoCreate的直接建模技术和ProductView的三维可视化技术，而形成的新型工程设计软件。
CREO这款软件在兼容性方面可谓独树一帜，其可以打开多种格式的三维图纸，并且可以另存为多种不同的文件格式。
就此方面而言，CREO在工程师的图纸交流方面做出了很大的贡献，极大地提高了工作效率。
2.2主减速器弧齿锥齿轮主要结构参数的计算
在本次设计课题中，已知弧齿锥齿轮数据如下表所示：
表2.1弧齿锥齿轮已知数据
名称
计算代用符号
数值
单位
主动齿轮
Z
15
无
从动齿轮
Z_ASM
29
无
模数
M
8
mm
压力角
ALPHA
20
°
齿宽系数
B
42
mm
齿宽中点螺旋角
BETA
35
°
齿顶高系数
HAX
0.85
无
变位修正系数
X
0.025
无
顶隙系数
CX
0.188
无
铣刀盘直径
RD
111
mm
由以上已知数据结合相关公式，可以计算出弧齿锥齿轮的其余相关数值。
具体计算过程如下所示，以下公式中参与计算的参数皆由上表或在计算过程中给出。
令齿轮的齿顶高为HA，齿根高为HF，齿全高为H，齿基高HB则有：
（1-1）
（1-2）
（1-3）
（1-4）
弧齿锥齿轮的分锥角度数为DELTA（弧度制），则：
（1-5）
其中分度圆直径D和齿顶圆直径DA、齿根圆直径DF、基圆直径DB，可由公式1.6-1.9求得。
;（1-6）
;（1-7）
;（1-8）
（1-9）
在齿轮大端上的大端分度圆直径Dz、大端齿顶圆直径Dza、大端齿根圆直径Dzf、大端基圆直径Dzb，由公式1.10-1.14所得。
;（1-10）
;（1-11）
;（1-12）
（1-13）
齿轮的锥距RX为：
（1-14）
齿轮的齿顶角THETA_A、齿基角THETA_B、齿根角THETA_F计算过程如下（结果为弧度制）。
;（1-15）
;（1-16）
（1-17）
而顶锥角、基锥角、根锥角又有：
;（1-18）
;（1-19）
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