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1、四驱汽车分动器关键部件的有限元分析 第 1 页 共 I 页安 徽 农 业 大 学毕 业 论 文（设计）论文题目 汽车分动器关键部件的有限元分析 姓 名 扣 扣 院 系 工 学 院 专 业 车辆工程 指导教师 职 称 中国合肥二一一 年 六 月目 录1 绪论11.1课题研究背景11.2四轮驱动汽车分动器简介21.3有限元分析简介32 分动器结构分析32.1 分动器的结构及工作原理32.2 分动器的功用与分类43 分动器传动锥齿轮载荷计算53.1 分动器轴承选择53.2 分动器锥齿轮计算载荷的确定73.3锥齿轮齿面上的作用力74 分动器传动锥齿轮结构有限元分析114.1有限元分析方法概述114.2

2、 锥齿轮的几何建模134.3 锥齿轮的材料选择和网格划分144.4 载荷与约束的加载154.5 有限元分析结果16结论17致谢18 四驱汽车分动器传动系的有限元分析 第 18 页 共19 页四驱汽车分动器关键部件的有限元分析作者： 指导老师：陈黎卿（安徽农业大学工学院 07车辆工程 合肥 230036）摘要：在多轴驱动的汽车上，为了将输出的动力分配给各驱动桥而设有分动器，作为四驱汽车的核心部件之一，分动器的性能直接影响整车的性能。本文分析了分动器的结构、功用、分类、工作原理等问题。在对分动器传动结构进行有限元分析时，主要是针对某四驱汽车分动器传动锥齿轮的结构进行分析，通过选择安装轴承、计算主从

3、动锥齿轮齿面的作用力，进而计算锥齿轮轴承上各节点的载荷。在ANSYS Workbench工作环境下：建立模型，选择材料，划分网格，对轴承施加载荷及约束，求解得到结果。总之，本文内容基本展示了ANSYS Workbench软件的特点，体现出了有限元分析方法在现代汽车结构设计与制造中的优势。关键字：分动器 ANSYS Workbench 有限元分析1 绪论1.1课题研究背景车辆按照驱动方式一般可分为单轴驱动车辆和多轴驱动车辆。它们的主要区别在于：单轴驱动车辆将发动机的动力直接传输到车辆的其中一轴；而多轴驱动车辆通过分动器将发动机的动力传输到多个轴。近年来，多轴驱动车辆受到了越来越多的关注。在民用上

4、，多轴驱动车辆是指越野车和重型载货车等。由于其性能卓越，被一些追求时尚、热衷享受的人们所追逐，把其认为是一种人类征服大自然的体现。所以目前多轴驱动车辆的民用形式主要为“舒适且充满乐趣”的越野车（见图1.1），它已经成为一种文化被人们追求崇拜。因此，提升越野车的舒适性、通过性、越野性成为其重要发展方向。在军用上，多轴驱动车辆是指军用越野车、轮式战车、装甲运输车、坦克装甲车等绝大多数军车。军用的多轴驱动车辆的行车区域更加广阔，道路条件分外复杂艰难，除在公路上行驶外，还不可避免地需要在雪地、山野、沙漠及耕地等路面行驶。因此，军用车辆在越野性能上有更高的要求，其驱动形式也不可能仅仅是单轴驱动。在国外特

5、别是欧美等发达国家，以军用车辆为代表的多轴驱动车发展已经趋于完善的情况下，我国正在大力发展和提高自主创新的军事技术及多轴驱动汽车的制造能力，分动器作为多轴驱动车辆传动系统的核心之一，要求其性能有进一步的提高。 图1.11.2四轮驱动汽车分动器简介分动器（见图1.2）又称为分动箱，形象得说，分动器就是一个齿轮传动装置，其主要功用是将变速器输出的动力分配到各个驱动桥。其基本结构和变速箱相似，是一个齿轮传动系统。越野车经常在不良道路或无路情况下行驶，尤其是军用车辆的行驶条件更为恶劣，这就要求增加车辆驱动轮的数目，因此，越野车多采用多轴驱动。例如，如果一辆单轴驱动车辆的两驱动轮陷入沟中(这种情况在不良

6、路面上经常会遇到)，那么车辆就无法通过车轮与地面的摩擦产生驱动力而继续前进。如果车辆是多轴驱动，即使部分驱动车轮无法正常驱动，其余驱动车轮仍可正常工作，车辆能够继续行驶。可见分动器是多轴驱动车辆传动系统的核心，其性能的好或坏将直接影响多轴驱动汽车的整体性能。这样来看，对分动器的分析亦显得尤为重要。图1.21.3有限元分析简介简单的说，有限元分析就是利用数学近似的方法对真实物理系统（包括几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组

7、成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。2 分动器结构分析2.1 分动器的结构及工作原理分动器与变速器一样，也由齿轮传动机构和操纵控制机构两部分组成。分动器的齿轮传动机构由一系列齿轮、轴、键和壳体等零件组成。操纵控制机构主要

8、由拨叉轴、拨叉以及电控部分组成。图2.1是东风EQ2080型越野汽车分动器，通过此图读者可以很形象得看到分动器结构组成。中桥输出轴前桥输出轴中间轴输入轴后桥输出轴图2.1对于多轴驱动的越野汽车，在良好路面上行驶时，应以后轮驱动为主。尽量不用四轮驱动，并且尽量使用分动器的高速挡，以减少功率损耗并减轻轮胎及传动零件的磨损。在坏路或无路情况下行驶或爬陡坡时，为了提高汽车的牵引力，则应使四轮同时驱动，并使用分动器的低速挡。而且，因为分动器挂入低速挡工作时其输出转矩较大，为避免后驱动桥超负荷，此时必须使前桥参加驱动，分担一部分载荷。为了能根据需要及时结合或摘除前后驱动桥，以及四轮驱动形式，通常在前后桥上

9、装有若干同步器。2.2 分动器的功用与分类分动器的功用是将变速箱输出的动力分配到各驱动轴，并在变速箱之后进一步起减速增扭作用，最后将动力传输至驱动轮。一般分动器单独固定在车架上，其输入轴与变速箱的输出轴用万向传动装置连接，分动器的输出轴有若干根，分别经万向传动装置与各驱动轴相连。图2.2为四轮驱动车辆的传动功能示意图。对于多于四轮的车辆，其传动功能和四轮车辆的差别在于：四轮驱动车辆通过分动器将动力传递给两个驱动轴(见图2.2)，而多于四轮驱动的车辆则是通过分动嚣将动力传递给多个驱动轴。图2.2按照结构和功能来分，分动器可分为一般齿轮式分动器和带轴问差速器的分动器。一般齿轮式分动器通往各驱动桥的

10、输出轴与前桥结合套为刚性连接，其分配给各个驱动轴的转矩比例不定，这样虽然会增加附着条件较好驱动桥的驱动力，但可能使该桥因超载而损坏。而且一般齿轮式分动器不能保证前、后轮的地面速度相等，在行驶过程中不可避免地要产生功率循环现象，将导致驱动轮载荷大幅度增加，轮胎及零件磨损加剧，燃油经济性下降。因此，目前采用这类分动器的车辆越来越少。带轴问差速器的分动器在前、后驱动桥的输出轴之间有一个差速器机构。带轴间差速器的分动器在各个输出轴之间有一个行星齿轮式轴间差速器，它克服了上述缺点，每个驱动输出轴转速可以不同，同时按一定的比例将转矩分配给各个驱动轴。这样，既可使各轴经常处于驱动状态，又能够保证各车轮运动协

11、调。为了避免在某一桥的车轮打滑时完全丧失驱动力，这类分动器常需设轴间差速锁，以便在某一桥车轮出现打滑的情况下将分动器的输出轴锁为一体，以提高通过性。因此带轴间差速器的分动器应用越来越广泛。3 分动器传动锥齿轮载荷计算本文以某四轮驱动汽车分动器传动结构为研究对象，以该车的实际参数为参考。3.1 分动器轴承选择分动器必须保证主、从动齿轮有良好的啮合状况，才能使它们很好的工作。齿轮的正确啮合，除与齿轮的加工质量、齿轮的装配调整及轴分动器壳体的刚度有关以外，还与齿轮的支撑刚度有关。主动锥齿轮（及动力输入端）采用跨置式支承，见图3.1。跨置式支承结构特点是在锥齿轮两端的轴上均有轴承，这样可大大增加支撑刚

12、度，又使轴承负荷减少，齿轮啮合条件改善，因此齿轮的承载能力高于悬臂式。此外，由于齿轮大端一侧轴颈上的两个相对安装的圆锥滚子轴承之间的距离很小，可以缩短主动锥齿轮的长度，使布置更紧凑，并可减少传动轴夹角，有利于整车布置。图3.1从动锥齿轮（及动力输出端）采用悬臂式支承，见图3.2。悬臂式支承的结构特点是，在锥齿轮大端一侧有较长的轴，并在其上安装了圆锥滚子轴承。为了减小悬臂长度a和增加两支承间的距离b，以改善支撑刚度，应使两轴承圆锥滚子的大端朝外，使作用在齿轮上离开锥顶的轴向力由靠近齿轮的轴承承受，而反向轴向力则由另一轴承承受。为了尽可能地增加支撑刚度，支承距离b应大于2.5倍的悬臂长度a，且应比

13、齿轮节圆直径的70%还大，另外靠近齿轮的轴径应不小于悬臂长度的尺寸a。为了方便拆装，应使靠近齿轮的轴承轴径比另一轴承的支承轴径大些。图3.23.2 分动器锥齿轮计算载荷的确定一般来说，锥齿轮载荷的计算有三种确定方法，分别为按发动机最大转矩和最低档传动比、按驱动轮打滑转矩、按汽车正常行驶平均转矩确定从动锥齿轮的转矩。这里以发动机最大转矩和最低档传动比情况下，作该四驱汽车在强度计算中用以验算分动器从动齿轮最大应力的载荷，在发动机最大转矩配以传动系最低档传动比时：所以，这种工况下该四驱汽车在强度计算中用以验算分动器从动齿轮最大应力的计算载荷为。：作用在分动器从动齿轮上的转矩；：发动机最大转矩，；：由

14、发动机到所计算的分动器从动齿轮之间的传动系最低档传动比；：以上传动部分的效率，取=0.9；：超载系数，对于一般的载货汽车、矿用汽车和越野车以及液力传动的各类汽车取=1；n:该车的驱动桥数目。3.3锥齿轮齿面上的作用力锥齿轮在工作过程中，相互啮合的齿面上作用有一法向力。该法向力可分解为沿齿轮切线方向的圆周力，沿齿轮轴线方向的轴向力及垂直于齿轮轴线的径向力。3.3.1 齿宽中点处的圆周力齿宽中点处的圆周力F为式中，T为用以验算分动器从动齿轮最大应力的计算载荷，及；为从动齿轮齿面宽中点处的分度圆直径，。其中为从动齿轮大端分度圆直径，；为从动齿轮齿面宽，；为从动齿轮节锥角, 。3.3.2 锥齿轮的轴向

15、力和径向力图3.3为主动齿轮主动锥齿轮齿面受力图。其螺旋方向为左旋，从背面看螺旋方向为顺时针。为作用在节锥面上齿面宽中点A处得法向力；在A点处的螺旋方向的法平面内，分解成两个相互垂直的力和。垂直于OA且位于OOA所在的平面，位于以OA为切线的节锥平面内。在此切平面内又可分解成沿切向方向的圆锥力F和沿节锥母线方向的力。F与之间的夹角为螺旋角，与之间的夹角为法向压力角。图3.3这样有于是，作用在主动锥齿轮齿面上的轴向力和径向力分别为并且，针对这里的主从动锥齿轮啮合传动，双曲面齿轮参数的选取由表3.4得到锥齿轮参数模数压力角齿数分度圆锥角旋向螺旋角齿宽主动锥齿轮4.655小齿轮凸面大齿轮凹面21.8

16、342958.617左旋31.33429.2从动锥齿轮4.655小齿轮凹面大齿轮凸面161671330.667右旋4531.48表3.4根据上述分析与计算，并进入参数，得到（主动齿轮螺旋方向为右旋，旋转方向为逆时针）主从动锥齿轮齿面上的轴向力和径向力计算公式与计算结果，整理结果见表3.5。轴向力主动齿轮从动齿轮径向力主从动轮从动齿轮表3.53.3.3 锥齿轮轴承的载荷当锥齿轮齿面上所受的圆周力、轴向力和径向力计算确定后，根据分动器齿轮轴承的布置尺寸，即可求出轴承所受的载荷。图3.6为分动器主从动锥齿轮支承的尺寸布置图。图3.6该分动器轴和轴承的实际尺寸为：a=36mm;b=30.75mm;c=

17、27mm;d=73mm.各轴承载荷的计算如下：轴承A：径向力轴向力轴承B：径向力 轴向力0轴承C：径向力轴向力轴承D：径向力轴向力0根据以上计算结果，轴承上的载荷整理见表3.7：轴承A径向力4638.08N轴承C径向力1653.85N轴向力1353.91N轴向力-1228.49N轴承B径向力2995.50N轴承D径向力876.01N轴向力0轴向力0表3.74 分动器传动锥齿轮结构有限元分析4.1有限元分析方法概述4.1.1有限元分析的步骤对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义：

18、根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续

19、性要满足一定的连续条件。第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。4.1.2 ANSYS简介 ANSYS是目前世界顶端的有限元商业应用程序。美国John Swanson博士于1970 年创建ANSYS公司后，便开发出了该应用程序，以此用计算

20、机模拟工程结构分析，历经30多年的不断完善和修改，现成为全球的工程应用最受欢迎的应用程序，是第一个通过IS09001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会、美国核安全局及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。该应用程序拥有丰富的、完善的单元库、材料模型库和求解器，保证了能够高效地求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题；广泛地应用于国防、航空航天、汽车、船舶、能源、机械电子工程等领域中；它的统一和集中的数据库，保证了系统各模块之间的可靠和灵活的集成；它的DDA模块实现了它与多个CAD软件产品的有效连接，如ProEngineer，CATIA，UG等，实现数据的共享和交换，是

21、现代产品设计中的高级CAE工具之一。ANSYS软件的基本功能包括：结构分析、热力学分析、流体分析、ANSYS电磁场分析、耦合场分析。本文的有限元分析就是在ANSYS Workbench的工作环境下进行，在实际操作过程中，按如下几步进行分析：建立模型，选择材料，网格划分，施加载荷，施加约束，求解得到结果。ANSYS Workbench的工作界面见图4.1。图4.14.2 锥齿轮的几何建模在进行有限元分析之前，首先要建好几何模型。一般而言，建模的工作量在整个有限元分析工作中所占的比例是比较重的。建模的方法有很多，在ANSYS Workbench的工作环境之中，我们可以利用DesignModeler

22、进行有限元的几何建模，也可以用其他的CAD软件，例如CATIA V5（R19）、Pro/Engineer WF4、UG NX6.0等软件。在CAD中建好模型后，将模型导入ANSYS Workbench中。本文中，我们分析的是某越野车分动器传动结构的一对锥齿轮啮合，首先利用UG NX6.0对其进行三维几何建模，然后将其导入ANSYS Workbench中，模型见图4.2。图 4.24.3 锥齿轮的材料选择和网格划分该锥齿轮的材料属性见表4.3。材料名称牌号合金结构钢40Cr7859809表4.3ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、

23、映像划分、自适应划分和自由划分。简单的说，延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，重复分析、估计网格的离散误差和定义网格大小，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。这里我们选择自由网格划分，划分成的网格见图4.4、图4.5。图4.4图 4.54.4 载荷与

24、约束的加载在ANSYS中，载荷包括边界条件和外部或内部作用力函数，在不同的分析领域中有不同的表征，但基本上可以分为6大类：自由度约束、力（集中载荷）、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。其中，力是指施加于模型节点上的集中载荷或者施加于实体模型边界上的载荷。例如结构分析中的力和力矩，热力分析中的热流速度，磁场分析中的电流段。 这里对分动器传动轴上的轴承A，B，C，D四个节点进行力加载。传动锥齿轮支承的尺寸布置图见图3.6，轴承上的各载荷见表3.7。首先将图3.6中作用于节点A、B的力进行合成，然后将作用力在图4.5中A、B、C三个面上以均匀分布面载荷的形式进行加载，见图4.6。图 4.6约束

25、的加载是有限元分析过程中是重要的一步，因为有限元的约束与实际结构及其工况紧密相关，所以我们必须结合实际情况，对模型加载约束。这里，对主动齿轮轴两个端面和从动齿轮轴一个端面进行约束，见图4.7。图4.74.5 有限元分析结果在加载应力和约束之后，对三维模型求解，分动器传动锥齿轮应力变化分布结构见图4.8。图4.8从图中可以看出，应力分布的最大值点在锥齿轮啮合处，最大应力为238.58MPa。齿轮材料是结构钢40Cr,屈服极限为785MPa,强度极限为980MPa, 因此锥齿轮的最大应力小于材料的屈服极限，锥齿轮强度满足要求。结论本文对某四轮驱动汽车分动器传动锥齿轮进行了分析和计算，然后通过ANS

26、YS Workbench有限元分析软件对其进行有限元分析，得出了其应力和变形的分布情况，最后的结果说明该部件是合格的。同时，本文的分析过程也基本展示了ANSYS Workbench软件的特点；体现出了有限元分析方法在现代汽车结构设计与制造中的优势；为分动器传动的设计和优化提供了一种方法。此方法也普遍适合汽车构造中其他部件的分析，如差速器、变速器等。但是由于作者水平有限，本论文还存在着一些不足之处，如本文没有提出动力学方面的分析方法等，这些问题尚待进一步研究加以完善。致谢本文是在某某某老师的热情关心和悉心指导下完成的，某某某深厚的专业知识、丰富的工程经验，严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大

27、的影响，帮助我开拓了研究思路，使得我能够克服种种困难，顺利完成此次论文的撰写。今后不论在何处不论在什么工作岗位上，将终身牢记老师曾对我的教诲。在此衷心感谢老师四年来对我在生活学习上的关心和指导。 还要感谢某某老师和我的每个任课老师在过去四年里对我的谆谆教导，他们不仅教会了我专业方面的知识和技能，更教会了我很多做人做事的道理。同时感谢各位同学以及学长给予我的帮助，谢谢！参考文献：1、王望予.汽车设计M. 第3版. 北京 : 机械工业出版社.2004.82、刘涛.汽车设计M.北京：北京大学出版社.2008.13、浦广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解M.北京 ：中国水利水电

28、出版社,2010.104、陈家瑞.汽车构造M.下册.北京 : 机械工业出版社，2009.25、刘惟信汽车车桥设计M北京：清华大学出版社，20016、陈秀宁机械设计基础M杭州：浙江大学出版社，20037、董利雄，吴巍中国军车发展史M汽车运用，2007(8)8、庄继德汽车系统工程M北京机械工程出版社，19979、洪福生国外越野车发展新动态M汽车与配件，199624 10、曾志斌谈军用越野车汽车的越野能力M汽车运用，2007(4) 11、廖汉元机械原理M北京：机械工业出版社，2007：1 99249 12、朱孝录等齿轮承载能力分析M北京：高等教育出版社1992 13、The APDL Program

29、mers GuideMANSYS.Inc，2003 14、Hirotaka Kaneko，Kenichi Tobita，Shiniehi Sekiguchi，Akira Muroi，Yoshinori HiranoJudder analysis of electronically controlled limited slip differentialJJSAE Review 17，1996 15、JDSNDREWSA finite element analysis of bending stresses induced in external and internal involutes s

30、pur gearsJJournal of Strain Analysis199126(3)153-16316、Reinhart Verschoore，Frank DuquesneSimulation of the influence of differential control on tractor work rateJJournal of Terra mechanics，200l，39：221-23 Title The statics and dynamics analysis for driven system of a transfer caseAbstractIn the car o

31、f multi-spindle drive, there is a transfer case which is for assigning the output power to each banjo axle. As one of the key component in a four wheel drive vehicle, the behavior of the transfer case directly influences the performance of the whole vehicle. This paper analyzes the structure, the fu

32、nction, the classification, the operating principle and something else of the transfer case. To analysis the transmission bevel gear of the transfer case in a four wheel drive vehicle,we choose the bearing, calculate the acting force to the surface of the bevel gear and then calculate the load on ea

33、ch pitch point of the bearing. We build model and select material, divide mesh , exert load and restraint , solve and get the result. In short, this paper shows the characteristics of ANSYS Workbench, reflects the advantage of finite-element analysis method in design and manufacturing of modern car.KeywordsA transfer case 、ANSYS Workbench 、Finite-element