汽车轮边减速器设计

机械工程学院 毕业设计（论文）开题报告毕 业 设 计 （ 论 文 ） 题 目 ： 汽 车 轮 边 减 速 器 设 计学 生 姓 名 ： 指 导 教 师 姓 名 专 业 ： 车 辆 工 程 2011年 4 月 8 日1.课题名称： TYQ4190 型汽车轮边减速器设计2.课题研究背景：国内外载货汽车的驱动桥为了实现更好的降速增扭的作用，一般采用双级减速器，在双级式主减速器中，若第二级减速器齿轮有两幅，并分置于两侧车轮附近，实际上成为独立部件，称为轮边减速器，在重型载货汽车上该装置广泛采用行星齿轮传动，轮边减速器是载货汽车传动系中最后一级减速增扭装置。行星减速器与普通齿轮减速器相比，具有重量轻、体积小和传动比大的优点。轮边减速器设置在车轮的轮毂内，使得整个驱动桥结构更加紧凑，同时降低主减速器、半轴、差速器的负荷，减小传动部件的结构尺寸，保证后桥具有足够的离地间隙，提高了车辆的通过性能以及降低整车装备质量 5。在一些特定的工作环境下，如重型载货车，矿山机械，军工机械，越野汽车等的使用，就要求有较高的动力性，而车速相对较低，因此就需要很大的总传动比。为了使变速器、分动器、传动轴等总成不致因承受过大尺寸及质量过大，应将传动系的传动比以尽可能大的比率分配给驱动桥。这就导致了一些重型汽车、大型汽车的主减速比必须很大，但是主减速比大会导致离地间隙变小。但是这些重型汽车要求在一些路况不好的情况下具有良好的通过性，即要求汽车在满载情况下能以平均车速通过各种坏路及无路地带时有足够离地间隙，因此为了保证汽车有足够的动力性和通过性，在设计上述车型时，需要在车轮旁附加轮边减速器。3.课题研究意义：随着我国在基础设施和重点建设项目上的投入加大，商用汽车在市场上的需求量急剧上升，1985 年的总产量仅为 39.3 万辆，到 2009 年销售量 274.4 万量，其中仅重型卡车一项已达到 42.5 万量，另外一些重型的工程机械也急剧增长。相应的轮边减速器的需求量也不断攀升。我国研制汽车轮边减速器早已开始，但由于各种原因，至今发展不快。国内几家大型的载货汽车生产厂使用的轮边减速器一般由车桥厂配套生产，像汉德车桥，安凯车桥，重汽济南桥箱厂等。另外还有一些生产轮边减速器的一些小厂家和销售国外产品的贸易公司。以前轮边减速器主要依靠进口，而且像力士乐、邦飞利、布雷维尼等一些知名品牌的产品需要预定。综合看国内外产品的区别有：1).国外的质量比较可靠；国内质量相对较差，适合一些工矿比较好的地方；2).国外的结构比较紧凑，结构设计很好，国内多是测绘仿造的；3).由于需求量大，国外产品的交货期要好几个月，甚至一年，国内相对快一点；4).国外的产品价格基本是国内的 23 倍，易损件、备件价格高达 78 倍 7。因此，发展我国的轮边减速器产品是非常必要的。轮边减速器属于汽车减速零部件的关键总成，是为了提高汽车的驱动力,以满足或修正整个传动系统力的匹配。通过对本课题的研究，不仅为系统地掌握了轮边减速器的组成和各参数的选择，设计出合理使用的轮边减速器，也为进一步深入的研究打下了基础。4.文献查阅概况国内外针对于轮边减速器深入研究较少，但是轮边减速器多以行星齿轮机构为主，且我们将要设计的重型载货车的轮边减速器也初步选定为行星齿轮式，所以将轮边减速器的设计和行星齿轮分析作为本课题的重点。4.1 国外研究动态重型汽车轮边减速器多以行星齿轮为主，世界上的一些发达国家，如日本、瑞典、俄罗斯和美国等，对行星齿轮传动的研究、生产和应用都十分重视，在传动性能、传递功率、结构优化、转矩等方面均处于领先地位。发展比较快且取得一定科研成果的是在行星齿轮传动动力学方面,1994 年以后在福特汽车公司资助下，成立了以美国国家航空航天局、美国军事研究中心为主导的科研机构，在动力学方面对行星齿轮开展了深入的研究工作，如自由振动、均载、动态响应、动态稳定性、振动抑制等进行了较系统的研究 7。2003 年 C. Yuksel 和 A. Kahraman 在前人研究的基础上，首次把齿廓磨损作为一个动态的因素考虑到行星齿轮的动态载荷中，为消除行星齿轮产品应用中的噪音和振动问题有很重要的作用8。2009 年，Robert G.Parker 研究特殊的谐波相位啮合频率，可以减少行星齿轮传动装置的振动，改善系统动力学性能 9。对于行星齿轮减速器结构设计方面，目前国外已经广泛采用了 CADCAECAM 一体化的设计方法，这是一种面向零件的参数化的 3D 实体模型设计技术，与以往传统的二维设计方法相比，这是一条革命性的设计理念。通过三维结构设计与优化设计的完美结合，可以使设计一体化，对工作效率的提高是非常有好处的。当前，国外的一些公司针对产品的不同特点，开发出了很多专用的优化设计模块，这些优化设计模块之间有良好的数据接口，产品的几何模型可以通过它们实体造型模块的优化结果直接输出，这样的设计大大提高了工作效率，对于产品开发周期缩短，企业研发能力的提高都有好处，由于开发的产品周期短、速度快，可以使企业在市场竞争中处于领先地位13。4.2 国内研究动态由于我国的历史原因，在这一领域的研究起步较晚，研究水平总体处于落后状态。近几年来，随着我国对制造业的扶持和资金的投入以及科学技术不断进步，机械科技人员经过不懈的努力以及技术引进和消化吸收，在行星齿轮理论研究和优化设计等方面取得了一定的研究成果，在行星齿轮传动非线性动力学模型和方程方面的研究是国内两个关于行星齿轮传动动力学的代表，他们的研究成果取得了一定的成就并把许多技术应用于实际当中。与此同时，现代优化设计理论也应用到行星齿轮传动技术中，根据不同的优化目标，通过建立轮边减速器行星齿轮数学模型，产生了多种优化设计方法。早在 1988 年，冷桂兰行星轮边减速器进行设计分析的基础上, 建立了机构优化设计的目标函数和约束条件。采用复合形法自编 basic 程序, 对 12 种方案进行了参数寻优。提供了优选方案。对同类机构的设计，提供了一种可行的优化设计方法 18。还有针对行星齿轮传动啮合效率、结构性能、体积的多目标优化设计研究，2008 年石岩辉等利用机械优化设计和可靠性理论，结合车辆轮边减速器行星齿轮传动机构参数设计实例，探讨了串联失效模式在行星齿轮传动中的应用，并以体积最小为目标建立了多目标优化模型 20。随着技术的不断发展，一些新的电脑辅助设计技术也不断应用到轮边减速器的优化设计中。2008 年胡欢就建立了轮边减速器的数学模型并进行了相应的简化处理，应用 MATLAB 软件对轮边减速器的结构参数进行了优化设计。2009 年李晓豁，王岩等研究电动轮自卸车轮边减速器行星架的结构可靠性。利用ANSYS 的概率设计功能。以行星轮轴直径、行星轮传递给轮轴的压力及弹性模量为随机输入变量，模拟实际构件设计参数的随机性，选用蒙特卡罗法进行行星架的可靠性分析，得到该有限元分析模型的应力概率分布特征、应力累积分布函数和行星轮轴直径等设计参数对应力分布的敏感程度。研究所得结论对于改进电动轮自卸车轮边减速器结构设计、提高其使用寿命具有一定的作用 9。在轮边减速器的优化过程中也存在一些问题， 2008 李必文和张春良针对轮边减速器现行优化设计存在的问题，从工程实际出发，重建了数学模型。提出了避免对优化解进行圆整的有效措施，给出了对优化解评价的方法和手段，并介绍了China-Machine 和 MATLAB 等软件在解决该类优化设计问题中的应用 21。在轮边减速器不断发展的过程中，除了针对设计和优化的研究外，还有一些针对行星机构噪声、振动、固有频率特性研究，这些成果的研究有利于提高了工程技术人员对行星传动技术的认识。2010 年柴少彪对重型载货车轮边减速器的结构进行阐述并建立了三维模型。详细阐述了轮边减速器的作用及各种结构的类型，用三维建模软件 Pro/E 建立了轮边减速器的几何模型。行星齿轮机构的有限元接触仿真分析的研究。利用有限元软件ANSYS 建立了行星齿轮系有限元模型，采用显式动力学有限元分析软件 ANSYS/LS-DYNA 有限元程序，较为真实的计算和仿真行星齿轮机构的运动过程及其应力分布。行星齿轮传动系统的模态特性的分析与研究。分析了行星齿轮结构的振动模型及固有特性对结构振动噪声的影响 5。2011 年王铁利用三维建模软件对轮边减速器行星齿轮结构建立了几何模型，并根据重型载货汽车轮边减速器行星齿轮结构以及受载特点,建立了行星齿轮结构三维有限元模型，利用显式动力学软件对行星齿轮结构进行动力学仿真分析，探讨了结构在运动过程中所受到的力及产生最大应力的部位与应力的变化趋势，设计分析所得到的结论可为行星齿轮结构的设计和分析提供依据 6。2010 年尹道骏针对行星齿轮的啮合误差问题，为了减少轮边减速器在工作条件下的啮合误差，从轮齿啮合受力出发，结合齿轮修形理论，寻找到一种更切合实际工作需要的用以确定齿轮修形量大小的计算方法 7。这些研究都表明我们国家在轮边减速器方面的研究正从设计的基础上慢慢的发展到更深层次并把研究成果应用到生产实际中。4.3 轮边减速器设计的发展趋势随着计算机广泛应用于设计领域，在产品的研发初期，可以应用计算机辅助工程（CAE），通过计算机模拟实际工作情况，对产品的各项性能进行检测，比如对其静态的，动态的性能进行测试，这样可以在设计时发现产品的缺陷，避免样机制造的风险，用 CAE技术不仅可以降低研发成本，缩短研发周期，而且可以对设计的结果进行验证，这样可以整体了解产品的性能，省去一些不需要的环节，节省研发费用，现在对于一些特别复杂的机械零件，由于在 CAE 中不易建模而采用在三维 CAD 中进行建模，把所建好的实体模型数据，用另一种可以让 CAE 软件识别的格式保存，然后导入到 CAE 软件中。目前，采用ADAMS、ANSYS 等有限元分析软件对所设计的机械产品进行有限元分析在设计中得到了广泛的应用。随着计算机性能的提高和设计人员经验的积累，对产品设计的仿真模型与实际模型相差很小，这样可以保证仿真性能的可靠性。近些年由于国家对制造业的重视，许多国内高校及科研部门对计算机辅助方面有了一定的投入，特别在有限元方面，并取得了一定得成果。随着有限元方法的应用，普及以及设计人员的经验积累，实体建模将越来越接近真实结构，这样的研究成果才能真正指导生产实践 7。目前随着电子技术的发展，非公用车已向着智能化，无人化发展。越来越多的电控系统以及液压系统被运用到矿用车上来，使得矿用车的操作越来越简易方便，产量也更大。例如卡特彼勒系列非公用车就有很多人性化的辅助系统。如：全自动的缓行制动，发动机的转速由电控单元根据传感器和节气阀所给出的数据自动调节。变速器也有自动档，可以自动改变车速。在机械硬件方面卡特彼勒也可以称得上业界内的航母，他的机械部分设计简便，人性化，强度高，使用寿命长，且维修方便。目前行星齿轮都向着大功率，大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。参考文献：1 王望予.汽车设计( 第四版)M，机械工业出版社，2004.2 陈家瑞.汽车构造( 下册)M，机械工业出版社，2005.3 刘惟信.汽车车桥设计M，清华大学出版社，2004.4 冯晋祥，陈德阳，王林超.汽车构造（下册）M，人民交通出版社，2007.5 柴少彪. 重型载货汽车行星齿轮轮边减速器动力学性能分析与研究D，工学硕士学位论文，太原理工大学，2010.6 王铁，柴少彪 . 轮边减速器行星齿轮结构动力学分析J，机械传动，2011，01:35-37.7 尹道骏. 重型汽车轮边减速器研究D，工学硕士论文，合肥工业大学，2010.8 C. Yuksel, A. Kahraman, Dynamic tooth loads of planetary gear sets having toothprofile wearJ.Mechanism and Machine Theory,2004，39 ：695-7159 Yichao,Guo,Robert G.Parker，Purely rotational model and vibration modes of Compound planetary gearsJ.Mechanism and Machine Theory,Accepted 5 September200910 马心坦. 装载机系统模糊可靠性分析及轮边减速器可靠性优化设计的研究D，工学硕士论文，广西大学，2003.11 李晓豁，王岩，张永胜，宋波. 基于 ANSYS 的轮边减速器行星架的可靠性分析，农业装备与车辆工程，2009，12:10-13.12 胡欢，汤双清. 基于 MATLAB 的装载机轮边减速器计算机辅助优化设计 J，装备制造技术，2008，07:27-29.13 尹道骏，高荣慧，缪玉桂. 基于载荷下的汽车轮边减速器太阳轮齿向误差的研究J,现代制造技术与装备，2009，6:33-34.14 陈照军，徐爱娟，陈满红，杨美兰. 十吨级双级减速桥轮边减速系统的匹配设计J，安徽科技，2010，7:48-50.15 汪振晓，李增辉.轮边减速器的总成设计J，汽车设计增刊，2008 ，2:32-35.16 刘以正，杨广鹏.轮边减速器优化设计J，煤矿机械，1989 ，9:7-12.17 张华增，曹人乐. 改进轮边减速器垫片结构J，科技创新导报，2008 ，22:78.18 张宝成. 轮边减速器内齿圈的结构改进设计J，有色金属，2000 ，2:39.19 冷桂兰，邢强. 装载机轮边行星减速器的优化设计J，西安公路学院学报，1988，2:36-47.20 石彦辉，王明成，张鹤. 行星减速器多目标优化设计研究J，装备制造技术，2008，10:30-31.21 张银保. 汽车轮边减速器J，湖北工业大学学报，2005，06:103-113.21 谢立湘，黄俊琼，罗喜平. 优化设计汽车轮边减速器内齿圈基体硬度及齿壁厚度J，制造业自动化，2010，11:62-64.23 李必文，张春良. 轮边减速器优化设计存在的问题及对策J，中国工程机械学报，2008，1:53-57.24 王斌，过学迅. 越野车轮边减速器设计研究J，研究与开发，2010 ，5:56-59.25 赵毅民.再谈 NW 轮边减速器优化设计 J，太原重型机械学院学报，1988，4:29-38.26 李浩炎. 25KN 牵引车轮边减速器早期损坏的原因分析与修理J ，起重运输机械，2005，1:64-65.5.设计（论文）的主要内容1).结合 4190 型牵引车的相关参数及结构特点，进行轮边减速器总成的设计；2).确定轮边减速器的结构类型；3).确定轮边减速器总成的主要性能参数；4).轮边减速器总成的设计、计算、分析、制图；5).其他相关零部件的设计；6).结合本课题查阅并翻译 5000 字的英文资料；7).模拟申请专利一份8).编写设计说明书。6.设计（论文）提交形式1).开题报告 1 份，字数不少于 45 千字2).设计说明书 1 本，打印，格式符合教务处要求，字数不少于 2 万字3).装配图：轮边减速器总成零件（部件）图：轮边减速器的主要零件：轴、齿轮等总图量不少于 2 张 A0，其中手工绘图不少于 1/3零部件三维效果图至少 1 张4).查阅相关文献 20 篇以上，含 2 篇以上英文文献，翻译其中 1 篇，不少于 5000 汉字5).查阅相关专利 10 项以上，模拟申请专利 1 项7 进度安排第四周 熟悉课题，查阅资料，翻译外文资料。第五周 完成开题报告第六周 对轮边减速器进行分析，选择适合结构，进行设计计算第七周 设计结构第八周 校核第九周至十三周 绘制三维轮边减速器图第十四周 绘制轮边减速器总成图第十五周 归纳总结，对设计的变速器进行修改和调整第十六周 编写设计计算说明书，形成毕业设计全部文件，准备答辩。第十七周 毕业答辩8. 指导教师意见签名： 2011 年 月 日