杜正越，徐治，呂永林，趙智巍

（湖北汽車工業(yè)學院 汽車工程系，湖北十堰 442002）

驅(qū)動橋為汽車傳動系統(tǒng)中的末端總成。主減速器、差速器、半軸、萬向節(jié)、驅(qū)動橋殼（或變速器殼體）和驅(qū)動車輪等零部件組成了汽車驅(qū)動橋。本文基于三維數(shù)字化平臺，通過對主減速器、Torsen差速器等總成的數(shù)字化設計與分析，探討了4WD概念車驅(qū)動橋的設計的一種方法。

1 動力傳動系統(tǒng)驅(qū)動橋的設計

1.1 主減速器的三維設計

主減速器的功用主要是減速增扭及改變轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)方向。其結(jié)構(gòu)型式按齒輪副結(jié)構(gòu)形式可分為圓柱齒輪式、圓錐齒輪式和準雙曲面齒輪式。

選擇漸開線圓錐齒輪式主減速器，對其進行參數(shù)化建模，模型如圖1所示。

基于Pro/E5.0，首先依據(jù)參數(shù)草繪錐齒輪的基體截面，如圖2所示。

截面及基體的參數(shù)化建模設計數(shù)據(jù)如下：

Z/Z_ASM=//大齒輪齒數(shù)/小齒輪齒數(shù)

M=//模數(shù)

HAX=//齒頂高系數(shù)

CX=//頂隙系數(shù)

X=//變位系數(shù)

B=FLOOR（RX/3）//齒寬

HA=（HAX+X）*M//齒頂高

HF=（HAX+CX-X）*M//齒根高

H=（2*HAX+CX）*M//齒高

DELTA=ATAN（Z/Z_ASM）//分錐角

D=M*Z_ASM//分度圓直徑

DT=D/（2*TAN（DELTA））

//分度圓上點與錐頂在齒輪軸上投影距離

DB=D*COS（ALPHA）//齒基圓直徑

DA=D+2*HA*COS（DELTA）//齒頂圓直徑

DF=D-2*HF*COS（DELTA）//齒根圓直徑

RX=D/（2*SIN（DELTA））//錐距

THETA_A=ATAN（HA/RX）//齒頂角

THETA_F=ATAN（HF/RX）//齒根角

DELTA_A=DELTA+THETA_A//頂錐角

DELTA_F=DELTA-THETA_F//根錐角

JIAO_T=90//齒輪外輪廓線與垂直關系

DB_JIAN_1=DB/COS（DELTA）

//大端面漸開線基圓直徑

DB_JIAN_2=DB/COS（DELTA）

//小端面漸開線基圓直徑

CS_jiao=360*COS（DELTA）/（4*Z）+180*TAN（ALPHA）/PI-ALPHA//坐標系轉(zhuǎn)角

PLANE_JIAO=360*COS（DELTA）/（4*Z）//對稱面轉(zhuǎn)角

R_N=0.2*M*2//齒根倒角

R_W=0.2*M*2//齒根倒角

r=DB_JIAN_1/2//漸開線方程基圓半徑

theta=t*60//漸開線方程

x=r*cos（theta）+r*sin（theta）*theta*pi/180//漸開線方程

y=r*sin（theta）-r*cos（theta）*theta*pi/180//漸開線方程

z=0//漸開線方程

ZHEN_JIAO=360/Z//陣列偏角

作出基體截面圖后，將其旋轉(zhuǎn)生成基體。再通過坐標方程分別在大小端面處作漸開線，最后使用曲線裁剪得到大小錐齒的輪廓線，通過“掃描混合”特征操作即可生成漸開線圓錐齒輪，如圖3所示。

通過參數(shù)化設計，只需簡單修改大小齒輪的參數(shù)即可便捷地生成與其配對的齒輪。

1.2 Tosen差速器的三維設計

Torsen差速器作為一種新型差速機構(gòu)在四輪驅(qū)動轎車上得到日益廣泛的使用。它利用蝸輪蝸桿傳動的不可逆性原理和齒面高摩擦條件，使差速器根據(jù)其內(nèi)部內(nèi)摩擦力矩大小而自動鎖死或松開，即在差速器內(nèi)差動轉(zhuǎn)矩較小時起差速作用，而過大時自動將差速器鎖死，有效地提高了汽車的通過性。

Torsen差速器常被用于全輪驅(qū)動轎車的軸間差速器及后驅(qū)動橋的輪間差速器，但通常不用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋的輪間差速器。

本設計中，Torsen差速器作為全輪驅(qū)動轎車的軸間差速器，其建模思路與直齒錐輪參數(shù)化建模大體一致，三維模型如圖4所示。

由于Torsen差速器蝸桿蝸輪壓力角非標準值，基于Pro/E“伸出項—混合—一般”特征操作，保存第一個草繪的蝸輪截面齒廓草圖。每個草繪截面間距離為L/n（L為螺距，n為截面數(shù)），相鄰草圖旋轉(zhuǎn)角為360/n進行設計。進行坐標轉(zhuǎn)換后用同樣的思路建立小直齒輪模型。蝸輪壓力角為蝸桿壓力角的余角。托森差速器蝸輪蝸桿裝配圖如圖5所示。

2 驅(qū)動橋的仿真分析

2.1 主減速器及差速器的運動仿真分析

主減速器的功用為減速增扭及改變轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)方向；差速器的功用是使內(nèi)外側(cè)車輪以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，適應汽車的轉(zhuǎn)向等情況下的要求。

基于UG 6.0運動仿真模塊，對主減速器及差速器進行運動學分析。首先確立驅(qū)動橋各零件的運動關系，然后在UG/Motion的工作環(huán)境下進行設置和解算，如圖6所示。

通過模擬多種不同路況下主減速器及差速器的運動形式，經(jīng)仿真校核可知，設計完全達到了預期功用且無運動干涉產(chǎn)生，模型設計合理。

2.2 關鍵齒輪的有限元分析

將CAE（計算機輔助工程分析）融入產(chǎn)品設計的整個過程，尤其是設計階段，是提升產(chǎn)品性能，加速產(chǎn)品研發(fā)過程的有效手段。下面使用ANSYS軟件，對傳動齒輪進行靜應力分析。

整車模型使用的電機額定轉(zhuǎn)速為20600r·min-1，額定功率為0.938 kW。減速器傳動比在6～0.8之間，由于電機峰值功率一般為額定功率的3倍左右，峰值扭矩是額定扭矩3倍左右，則可計算得齒輪受到最大扭矩為7.7616 N·m，齒廓上點到齒輪軸線平均距離為10 mm，計算得齒輪受載荷大小F為776.16 N，取F為800 N來驗證齒輪強度。

采用由面網(wǎng)格掃略生成體及體網(wǎng)格的方法。單元使用1 PLANE42面單元及2 SOLID45體單元。齒輪材料楊氏模量為1.7×105MPa，泊松比為0.33。

如圖7所示，在齒輪的內(nèi)圈面上加固定約束，在齒輪一個齒上加垂直與齒面的力，其中

式中，負號代表與坐標方向相反。應力云圖見圖8。

計算得到的最大應力為220.53 MPa，沒有超出材料的抗壓強度極限值280 MPa，設計合理。

該模型為傳動系變速器與Tonsen差速器動力傳遞的齒輪，該齒輪在傳動系中起到關鍵作用，所以對其結(jié)構(gòu)安全性分析是非常有必要的。

3 整車的三維設計與虛擬裝配

基于三維數(shù)字化軟件平臺，運用NX 6.0、Pro/E 5.0三維軟件進行了概念車整車部分總成三維數(shù)字化設計、虛擬裝配以及車身曲面造型設計。底盤傳動系統(tǒng)的裝配如圖9所示，車身曲面造型見圖10。

4 結(jié)束語

基于三維數(shù)字化平臺，采用三維數(shù)字化軟件進行設計和仿真分析，探討了4WD概念車驅(qū)動橋設計的一種形式。運用數(shù)字化的設計與分析方法，不僅改變了傳統(tǒng)經(jīng)驗的設計方法，而且可大大縮短設計周期，降低產(chǎn)品成本，增加產(chǎn)品的競爭力。

［1］濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］劉飛.差速器的參數(shù)化設計及有限元分析［D］.南京：南京理工大學，2009

［3］陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［4］王望予.汽車設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［5］陳新亞.汽車為什么會“跑”：圖解汽車構(gòu)造與原理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［6］應華，熊曉萍，姜春曉，等.UGNX5.0機械設計完全自學手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［7］王詠梅，張瑞萍，胡家宏等.UGNX6工業(yè)造型—曲面設計案例解析［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［8］小颯工作室.最新經(jīng)典ANSYS及Workbench教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［9］姬芬竹，高峰.電動汽車驅(qū)動電機和傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配［D］.北京:北京航空航天大學，2006.