差速器的參數化設計（太原）
差速器的參數化設計（太原）,差速器,參數,設計,太原
畢業(yè)設計
差速器的參數化設計
學生姓名： 曲良 學號： 102012135
系 部： 機械工程系
專 業(yè)： 機械電子工程
指導教師： 劉嘉
二零一四年 六 月
畢業(yè)設計任務書
設計題目：差速器的參數化設計
系部： 機械工程系 專業(yè)： 機械電子工程 學號：102012135
學生：曲良 指導教師（含職稱）： 劉嘉（講師） 專業(yè)負責人： 張煥梅
1．設計的主要任務及目標
（1）分析影響差速器結構參數的設計指標，完成差速器的設計步驟確定；
（2）利用高級語言完成差速器參數化設計。
2．設計的基本要求和內容
（1）完成對差速器的參數化設計設計并撰寫設計說明書一份；
（2）完成參數化設計軟件一份；
（3）完成差速器部件的三維建模和裝配。
3．主要參考文獻
《機械設計》高等教育出版社
《C++程序設計》清華大學出版社
《汽車設計》機械工業(yè)出版社
4．進度安排
設計各階段名稱
起 止 日 期
1
開題準備
2013.12.15-2014.3.01
2
完成差速器的設計
2014.3.01-2014.4.15
3
完成參數化設計軟件
2014.4.16-2014.5.30
4
完成說明書撰寫
2014.6.01-2014.6.10
5
提交設計，答辯
2014.6.11-2014.6.20
誠信聲明
本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導教師的指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。
本人簽名： 年 月 日
差速器的參數化設計
摘要：直齒圓錐齒輪廣泛的應用于汽車差速器上，由于其形狀很復雜, 設計過程中需要計算的參數很多。一般是先計算其相關參數, 然后在CAD 軟件中手工造型。其設計過程復雜繁瑣，重復性勞動太多，并且對于同一類型但尺寸不同的圓錐齒輪不能實現模型的自動更新。
如果對CAD 軟件進行二次開發(fā), 編制專用的圓錐齒輪參數化設計系統(tǒng)則可以解決這個問題。本設計選擇采用UGNX軟件，利用UG二次開發(fā)工具UG OPEN API和VC++聯(lián)合開發(fā)了汽車差速器圓錐齒輪的參數化實體造型系統(tǒng), 該系統(tǒng)能夠根據輸入的參數精確而快速地生成齒輪實體模型，大大提高了設計質量和設計效率。
關鍵詞：差速器 ，直齒圓錐齒輪，UG，二次開發(fā)，參數化
Parametric design of differential
Abstract：Straight bevel?gears?are widely used in? differential,?because its?shape is very complicated,?a lot of???the design process.?Is generally the first to??related parameters,?and then manually?in the CAD softwaremodeling.?The design?process is complex,?repetitive work?too much,?and t update the?same type but sizes?of bevel gear?can not?achieve model.
If ?the two?secondary development of CAD?software,?making?the bevel gear?parametri design system??can solve this problem.?This design?uses UGNX?software,parameterized solid modeling?system using the UG?two?development tool UG?OPENAPI and?VC++ joint development?of automobile?differential bevel gear,?the system canaccording to the input parameters?accurately and?quickly generate?gear solid model,greatly?improve the design quality?and design efficiency.
Keywords: Differential ，Straight bevel?gear， UG，Re-develop，Parametric
目 錄
1 前言 1
1.1課題研究背景 1
1.2課題研究的目的以及研究內容 1
1.3本課題研究的主要工作 2
2 差速器參數化系統(tǒng) 3
2.1系統(tǒng)開發(fā)軟件簡介 3
2.1.1 UG軟件簡介 3
2.1.2 VC++簡介 3
2.2 UG二次開發(fā)技術簡介 3
2.2.1 UG/OPEN API 4
2.2.2 UG OPEN UIStyler 4
3 差速器的設計 6
3.1汽車差速器的功用及其分類 6
3.2設計差速器的選型 8
3.3設計初始數據的來源與依據 8
3.4差速器結構分析簡圖 8
3.4.1差速器結構方案圖 8
3.4.2差速器的結構分析 9
3.4.3差速器的工作原理 10
3.5差速器非標準零件的設計 12
3.6錐齒輪最終設計方案 15
3.7 差速器殼體的建模 19
4 差速器的三維參數化建模 20
4.1直齒錐齒輪的手工建模 20
4.1.1直齒錐齒輪的建模思路 20
4.1.2齒輪常用的齒形曲線—漸開線 21
4.1.3漸開線的形成及其特性 21
4.1.4繪制思路 23
4.2繪制過程 24
4.2.1建立漸開線齒廓曲線 24
4.3差速器的整體模型 27
4.4直齒錐齒輪的參數化建模 28
4.4.1創(chuàng)建人機交互界面——對話框 28
4.4.2 編寫菜單文件 29
4.5 創(chuàng)建應用程序框架 30
結論 34
參考文獻 35
致謝 36
附錄 37
55
太原工業(yè)學院畢業(yè)設計
1 前言
1.1課題研究背景
差速器作為傳動系統(tǒng)的主要部件之一,主要安裝在驅動橋內,其各構件的強度和力矩的分配,對車輛的轉向性能、通過性和可靠性有決定性的影響。汽車在轉彎過程中,兩側車輪在相同時間滾過的距離往往是不同的,內側車輪滾過的距離短，外側車輪滾過的距離遠[1]。即使汽車作直線行駛,也會由于各種原因，例如，路面不平、輪胎的磨損而高低不平、汽車內部的磨損導致汽車傾斜等種種原因導致左右車輪行駛距離的不同。在這種工況下,如果兩側驅動輪剛性連接,其速度只能是相等的,則在轉彎或是直線行駛時,都可能引起車輪的滑移或滑轉。如果輪胎經常處于滑移或滑轉狀態(tài),不僅會加劇輪胎磨損,功率和燃料消耗,而且使轉向沉重,影響汽車的通過性和操縱穩(wěn)定性。因此,為了使兩側驅動輪可用不同的速度旋轉,一般在兩半軸間安裝差速器[2]。
差速器如此重要，其設計也很繁瑣復雜，直齒錐齒輪、殼體設計都比較復雜。如果對CAD 軟件進行二次開發(fā), 編制專用的圓錐齒輪參數化設計系統(tǒng)則可以解決這個問題。參數化設計方法就是將模型中的定量信息變量化, 使之成為任意調整的參數。對于變量化參數賦予不同的數值, 就可得到不同大小和形狀的零件模型, 從而加快新產品開發(fā)周期，提高設計效率，減少重復勞動。
在目前流行的三維CAD/ CAE/ CAM 軟件中, Pro/E 、UGNX 、CATIA 和SolidWorks以其強大的三維建模功能以及優(yōu)秀的參數化技術, 在制造業(yè)得到了廣泛的應用。運用UG二次開發(fā)技術，采用參數化設計其部件，可以大大減輕工作量，提高工作效率，加快工作完成進度。本設計選擇采用UGNX軟件，利用UG二次開發(fā)工具UG OPEN API和VC++聯(lián)合開發(fā)了汽車差速器圓錐齒輪的參數化實體造型系統(tǒng)[3], 該系統(tǒng)能夠根據輸入的參數精確而快速地生成齒輪實體模型，大大提高了設計質量和設計效率。
1.2課題研究的目的以及研究內容
研究目的：完成差速器的參數化設計，從而能夠在UG中快速生成差速器部件模型。
本設計主要是基于WINDOWS平臺在VC++環(huán)境下創(chuàng)建UGNX三維設計軟件的二次開發(fā)工程。其具體內容為：
（1）三維造型—在UG建模系統(tǒng)里面進行直齒錐齒輪和差速器的三維造型；
（2）搭建框架—用VC++創(chuàng)建二次開發(fā)工具應用程序基本框架；
（3）編譯與連接—用已經做好的兩個庫文件來執(zhí)行；
（4）菜單設計—在UG OPEN UI系統(tǒng)的菜單欄里添加新的菜單；
（5） UI(用戶界面) 對話框—通過資源文件的編寫和控制程序來實現用戶界面對話框的生成；
（6）模型生成—通過在對話框中輸入所需參數值，實現三維模型的生成[3]。
1.3本課題研究的主要工作
(1) 差速器的設計
選擇某種車輛的差速器，分析其驅動參數，計算得到差速器部件的各種數據。再根據其數據，完成一種差速器的設計。
(2) 直齒圓錐齒輪以及差速器的建模
根據計算得到的差速器數據，計算相應的直齒錐齒輪參數。根據此數據，在UG建模系統(tǒng)中，完成錐齒輪的三維建模。在此基礎上，完成與錐齒輪的配合的差速器殼體的三維建模，并完成齒輪與殼體的裝配，完成差速器的整體建模。
(3)User-Function函數的應用以及代碼編譯
學習UF函數，并在VC++框架中實現函數的調用，能夠完成簡單的二次開發(fā)應用。在此基礎上，逐步完成設計所需代碼的編譯。
(4) UG OPEN API模塊完成二次開發(fā)
首先，在UG OPEN UIStyler模塊完成用戶界面的設計；然后在VC++中建立關于UG的工程，編譯代碼，實現User-Function函數的調用；最后實現用戶界面與UG工程的接口函數的編譯，實現二次開發(fā)的利用。完成參數化設計。
(5) 調試檢驗
二次開發(fā)編譯的代碼可能存在問題，逐步分析代碼，找出并修正錯誤。同時調試二次開發(fā)生成的文件，能夠實現參數化出圖。
2 差速器參數化系統(tǒng)
2.1系統(tǒng)開發(fā)軟件簡介
2.1.1 UG軟件簡介
UG是Unigraphics的縮寫，這是一個交互式CAD/CAM(計算機輔助設計與計算機輔助制造)系統(tǒng)，它功能強大，主要功能有：工業(yè)設計、產品設計、NC設計、模具設計，可以輕松實現各種復雜實體及造型的建構。它在誕生之初主要基于工作站，但隨著PC硬件的發(fā)展和個人用戶的迅速增長，在PC上的應用取得了迅猛的增長，已經成為模具行業(yè)三維設計的一個主流應用。
2.1.2 VC++簡介
VC++全稱Microsoft Visual C++，是微軟公司推出的開發(fā)WIN32環(huán)境程序，面向對象的可視化集成編程系統(tǒng)。它不但具有程序框架自動生成、靈活方便的類管理、代碼編寫和界面設計集成交互操作、可開發(fā)多種程序等優(yōu)點，而且通過簡單的設置就可使其生成程序框架支持數據庫接口、OLE2、WinSock網絡、3D控制界面[4]。
2.2 UG二次開發(fā)技術簡介
UG軟件作為CAD/CAE/CAM一體化軟件系統(tǒng),不僅具有強大的實體造型、曲面造型、參數化造型、裝配和工程圖創(chuàng)建等功能,還提供了功能強大的二次開發(fā)工具UG/OPEN。
UG/OPEN隨UG一起發(fā)布,以開放性架構面向不同的軟件平臺提供靈活的開發(fā)支持用戶或第三方可以使用該開發(fā)工具,開發(fā)出基于UG系統(tǒng)的應用程序,實現與UG系統(tǒng)的無縫集成,從而滿足用戶的特殊需求[5]。UG/OPEN開發(fā)工具主要包括4個模塊,即UG/OPEN API、UG/OPEN GRIP、UG/OPEN MenuScrip、UG/OPEN UIStyler。
本次設計主要選用UG/OPEN API和UG/OPEN UIStyler，以下是兩種模塊簡介。
2.2.1 UG/OPEN API
UG/Open API(UG開放應用程序接口)，也稱作User API，也稱作User Function(用戶函數)。它是UG/Open二次開發(fā)軟件包 Function(用戶函數)的一個重要組成部分。其核心包括了約2000個C函數， 分別用來實現大部分的UG操作。通過調用這些C函數，用戶自編的程序能查詢并修改UG對象模型，處理使用者和UG界面的交互, 控制UG的行為等。
UG/Open API提供了比GRIP更多的對UG及其模塊進行操作的功能，包括建模、裝配、有限元分析、機構運動分析、制造等。它支持C/C++語言，可以充分發(fā)揮C語言編譯、運行效率高，功能強大的特點。并且，這些API函數可以無縫地集成到C++程序中，并利用強大的Microsoft Visual C++集成環(huán)境進行編譯。這樣，就可以充分地發(fā)揮出VC強大的功能和極其豐富的資源，包括MFC類庫，使用面向對象的軟件工程方法，優(yōu)質高效地進行軟件的開發(fā)。根據程序運行環(huán)境的不同，UG/Open?API程序可分為兩種模式：
?(1)外部(External)程序模式：UG/Open?API外部程序可以脫離UG環(huán)境．在操作系統(tǒng)下單獨運行，運行的結果通常不能在UG圖形界面中顯示，也無用戶交互界面，所以應用較少。通常用于不需要圖形界面的后臺應用程序，如打印機或繪圖儀輸出。?
(2)內部(Internal)程序模式：UG/Open?API內部程序只能在UG環(huán)境下運行，用VC++將應州程序編譯鏈接生成動態(tài)鏈接庫(*.dll)文件，UG啟動時會自動加載動態(tài)鏈接庫，供用戶菜單調用，用戶開發(fā)的應用程序能與UG軟件無縫集成。并且這種模式下有較好的人機交互性，因此應用較為廣泛。
2.2.2 UG OPEN UIStyler
UG/Open UIStyler是一個構建UG風格對話框的直觀可視化的編輯器。通過選擇和放置對話框控件，能實現所見即所得，可以避免復雜的圖形用戶接口(GUI)編程。而且，UIStyler創(chuàng)建的對話框可以在MenuSeripl中調用，因此可以實現在UG菜單項上調用UIStyler創(chuàng)建的對話框，從而將用戶應用程序和UG完全融合。
對話框創(chuàng)建完成后，會在具存放的目錄下自動生成3個文件，分別是*.dig、*.template.C和*.h文件[6]。其中*.dlg是對話框資源文件，定義了對話框樣式及控件事件的響應函數名稱，存放在用戶目錄下面的\applleation目錄內，供用戶菜單調用；*.template.c是C語言源文件模板，它包含了對話框所有回調函數的定又，提供了一個具有對話框應用的程序框架，該程序框架通過調用UG/Open API函數和訪問對話框資源文件，實現最初的對話框界面功能，在程序標明的位置添加用戶代碼，編寫問調函數即可以實現具體的應用功能；*.h文件是對話框頭文件。它包含了對話框控件標識的定義以及控件事件響應函數原型的聲明，供Visual C++編寫應用程序時使用。
3 差速器的設計
3.1汽車差速器的功用及其分類?
在汽車行業(yè)發(fā)展初期，法國雷諾汽車公司的創(chuàng)始人雷諾發(fā)明了汽車差速器，汽車差速器作為汽車必不可少的部件之一曾被汽車專家譽為“小零件大功用”。差速器的功用是當汽車轉彎行駛或在不平路面上行駛時，使左右驅動車輪以不同的角速度滾動，以保證兩側驅動車輪與地面間作純滾動運動。
差速器的種類趨于多元化，功用趨于完整化，目前汽車上最常用的是對稱式錐齒輪差速器，還有現在各種各樣的功能多樣的差速器。如：輪間差速器、防滑差速器、強制鎖止式差速器、高摩擦自鎖式差速器、托森差速器[2]。其中的托森差速器是一種新型差速器機構，它能解決在其他差速器內差動轉矩較小時不能起差速作用的問題和轉矩較大時不能自動將差速器鎖死的問題。
差速器按其結構不同可以分為以下幾種形式：?
（1）齒輪式：汽車上廣泛采用的是對稱錐齒輪式差速器，它具有結構
簡單、質量小等優(yōu)點。它又分為普通錐齒輪式差速器、摩擦片式差速器和強鎖止式差速器等。?
（2）凸輪式：現在常見的是滑塊凸輪式差速器，它是一種高摩擦自鎖差速器，結構緊湊、質量小、但是結構較復雜。?
（3） 蝸輪式：蝸輪式差速器也是一種高摩擦自鎖差速器，這種差速器結構復雜，制造精度要求高，因而限制了它的應用。?
（4） 牙嵌式：牙嵌式自由輪差速器是自鎖式差速器的一種，該差速器工作可靠，使用壽命長，鎖緊性能穩(wěn)定，制造加工也不復雜。
下面介紹普通對稱式錐齒輪差速器：普通的對稱式圓錐行星齒輪差速器由差速器左、右殼，2個半軸齒輪，4個行星齒輪(少數汽車采用3個行星齒輪，小型、微型汽車多采用2個行星齒輪)，行星齒輪軸(不少裝4個行星齒輪的差速器采用十字軸結構)，半軸齒輪及行星齒輪墊片等組成[7]。由于其結構簡單、工作平穩(wěn)、制造方便、用在公路汽車上也很可靠等優(yōu)點，最廣泛地用在轎車、客車和各種公路用載貨汽車上．有些越野汽車也采用了這種結構。
如圖3.1所示普通錐齒輪差速器的結構圖。
圖3.1普通錐齒輪差速器
如圖3.2所示普通錐齒輪差速器的結構分解圖。
圖3.2普通錐齒輪差速器結構分解圖
3.2設計差速器的選型
汽車上廣泛采用的是對稱錐齒輪式差速器，它具有結構簡單、質量小等優(yōu)點。它又分為普通錐齒輪式差速器、摩擦片式差速器和強鎖止式差速器等[2]。
本設計選取某轎車上的普通錐齒輪式差速器，差速器左、右殼，2個半軸齒輪，2個行星齒輪，行星齒輪軸,半軸齒輪及行星齒輪墊片等組成。
如上圖3.1和圖3.2。
3.3設計初始數據的來源與依據
目標車型參數如下表3.1：
表3.1 目標車型參數表
軸距
2.62m
整車重量
2382Kg
車軸載荷分配
60/40
最大車速
192Km/h
輪胎半徑
0.35m
最低檔傳動比
4.453
主傳動比
2.18
發(fā)動機經過變速箱后輸出轉矩
3500Nm
3.4差速器結構分析簡圖
3.4.1差速器結構方案圖
如圖3.1,對稱式行星錐齒輪主要是由差速器左右殼，兩個半軸齒輪1和3，兩個行星齒輪2和2’，主動齒輪5，從動齒輪4組成。動力傳輸到主動齒輪5，帶動從動齒輪4轉動。安裝在從動齒輪的軸支架又帶動安裝在它上面的行星齒輪2和2’轉動，行星齒輪與半軸齒輪相互嚙合，所以又將轉矩傳遞給半軸齒輪1和3，半軸齒輪與半軸相連，半軸又將動力傳給驅動,完成汽車的行駛[5]。其具有結構簡單、工作平穩(wěn)、制造方便、安裝方便、調試簡單等優(yōu)點。
差速器結構方案圖如如下圖3.3：
圖3.3 差速器結構方案圖
3.4.2差速器的結構分析
（1）行星齒輪2的背面大都做成球面，與差速器殼配合，保證行星齒輪具有良好的對中性，以利于和兩個半軸齒輪1和3正確地嚙合；
（2）由于行星齒輪2和半軸齒輪3是錐齒輪傳動，在傳遞轉矩時，沿行星齒輪和半軸齒輪的軸線有很大的軸向作用力，而齒輪和差速器殼之間又有相對運動。為減少齒輪和差速器殼之間的磨損，在半軸齒輪背面與差速器殼相應的摩擦面之間裝有平墊圈，而在行星齒輪和差速器殼之間裝有球面墊圈[7]。當汽車行駛一定得里程。墊圈磨損后可以通過更換墊圈來調整齒輪的嚙合間隙，以提高差速器的壽命。
（3）在中、重型汽車上由于需要傳遞的轉矩較大，所以要安裝四個行星齒輪，行星齒輪軸也要用十字軸。 此次選用的差速器是某轎車，為小型汽車，故只安裝兩個行星齒輪，中間用軸連接支撐。
3.4.3差速器的工作原理
差速器采用對稱式錐齒輪結構，其原理如下圖3.4所示
圖3.4 差速器差速原理圖
差速器殼3與行星齒輪5連成一體，形成行星架。因為它又與主減速器從動齒輪6固連在一起，故為主動件，設其角速度為ω0。半軸齒輪1和2為從動件，其角速度為ω1和ω2。A、B兩點分別為行星齒輪4與半軸齒輪1和2的嚙合點。行星齒輪的中心點為C，A、B、C三點到差速器旋轉軸線的距離均為r。
當行星齒輪只是隨同行星架繞差速器旋轉軸線公轉時，顯然，處在同一半徑r上的A、B、C三點的圓周速度都相等，其值為ω0r.于是，ω1=ω2=ω0，即差速器不起差速作用，而半軸角速度等于差速器殼3的角速度[7]。
行星齒輪在公轉的同時也在進行自傳，如圖當行星齒輪4除公轉外，還繞本身的軸5以角速度ω4自轉時，嚙合點A的圓周速度為ω1r=ω0r+ω4r，嚙合點B的圓周速度為ω2r=ω0r-ω4r。于是有：
ω1r+ω2r=（ω0r+ω4r）+(ω0rr-ω4r)
即 ω1+ω2=2ω0
若角速度以每分鐘轉數n表示，則：
n1+n2=2n0 （3-1）
式（3-1）為兩半軸齒輪直徑相等的對稱式齒輪差速器的運動性方程式。它表明左右兩側半軸齒輪的轉速之和等于差速器殼轉速的兩倍，而與行星齒輪轉速無關。因此，在汽車轉彎行駛或其他行駛情況下，都可以借行星齒輪以相應轉速自轉，使兩側驅動車輪以不同轉速在地面上滾動而無滑動[7]。
由式（3-1）可得知：
(1)當任何一側半軸齒輪的轉速為零時，另一側半軸齒輪的轉速為差速器殼轉速的兩倍；
(2)當差速器殼轉速為零時，若一側半軸齒輪受到其他外來力矩而轉動，則另一側半軸齒輪即以相同的轉速反向轉動。
對稱式錐齒輪差速器的轉矩分配M0：由主減速器傳來的轉矩，經由差速器殼、行星齒輪軸和行星齒輪傳給半軸齒輪。行星齒輪相當于一個等臂杠桿，而兩個半軸齒輪的半徑也是相等的。因此，當行星齒輪沒有自轉時，總是將轉矩M0平均分配給左、右兩半軸齒輪，即
M1=M2=M0/2 （3-2）
當兩半軸齒輪以不同的轉速朝相同的方向轉動時，設左半軸轉速n1大于右半軸轉速n2，則行星齒輪將按順時針的方向繞行星齒輪軸自轉。此時行星齒輪孔與行星齒輪軸軸頸間以及齒輪背部與差速器殼之間都產生摩擦。行星齒輪所受的摩擦力矩Mr方向與行星齒輪的轉向相反，此摩擦力矩使行星齒輪分別對左、右半軸齒輪附加作用了大小相等而方向相反的兩個圓周力，因此當左、右驅動車輪存在轉速差時，
M1=（M0-Mr）/2，M2=（M0+Mr）/2. （3-3）
左、右車輪上的轉矩之差等于差速器的內摩擦力矩Mr。
為了衡量差速器內摩擦力矩的大小及轉矩分配特性，常以鎖緊系數K表示
K=（M2-M1）/M0=Mr/M0 （3-4）
差速器內摩擦力矩Mr和其輸入轉矩M0（差速器殼體上的力矩）之比定義為差速器鎖緊系數K。快慢半軸的轉矩之比M2/M1定義為轉矩比，以
Kb=M2/M1=(1+ K) /(1- K) （3-5）
目前廣泛使用的對稱式錐齒輪差速器的內摩擦力矩很小，其鎖緊系數
K =0.05～0.15，轉矩比Kb為1.1～1.4。可以認為，無論左、右驅動車輪轉速是否相等，其轉矩基本上總是平均分配的。
在圖3.5容易看出汽車在直線行駛時候兩半軸的轉速相等和在轉彎行駛時實現兩半軸轉速不等：
圖3.5 差速器工作時轉矩變化圖
當汽車在直線行駛時，此時行星齒輪軸將轉距平均分配兩半軸齒輪，兩半軸齒輪轉速恒等于差速器殼的轉速，傳遞給左右車輪的轉矩也是相等的。此時左右車輪的轉速時相等的。
而當汽車轉彎行駛時，其中一個半軸轉動一個角，兩半軸的轉矩就得不到平均分配，必然出現一個轉速大，一個轉速小，此時汽車就平穩(wěn)地完成了轉彎行駛。
3.5差速器非標準零件的設計
本次設計選用的差速器為兩個行星齒輪，一根直銷軸的整體式殼體差速器。非標準件主要有行星圓錐齒輪和行星齒輪軸。
對于安裝在半軸之間的差速器它的尺寸受到軸承座的限制，而影響差速器尺寸的主要就是齒輪的尺寸，所以如何把齒輪設計得更加優(yōu)化就顯得更加重要。如下圖3.6為行星齒輪初步方案圖。
圖3.6行星齒輪的方案圖
（1）行星齒輪數目n的選擇
轎車常用2個行星齒輪,載貨汽車和越野汽車多用4個行星齒輪,少數汽車采用3個行星齒輪。
本次設計選用兩個行星齒輪。即行星齒輪數n=2.
（2）行星齒輪球面半徑RB的確定以及節(jié)錐距A0的計算
行星齒輪差速器的結構尺寸，通常取決于行星齒輪的背面的球面半徑，它就是行星齒輪的安裝尺寸，實際上代表了差速器錐齒輪的節(jié)錐距，因此在一定程度上也反映了差速器錐齒輪節(jié)錐距的大小和承載能力。
球面半徑可按照如下公式確定：
RB=KB3T mm （3-6）
上式中：
KB— 為行星齒輪球面半徑系數。可取2.52～2.99，對于有兩個行星齒輪的汽車來說，取大值，對于有4個行星齒輪的汽車取小值。此處取2.58。
T—為差速器計算轉矩（N.m）,T=min［Tce, Tcs］；取Tce和Tcs的較小值。
RB—球面半徑。
轉矩的計算：
T = G2.φ.rrηLB.iLB （3-7）
= 2860×9.8×60%×0.350.95×1
= 3960Nm
上式中：
T—計算轉矩；
G2—汽車滿載時，一個驅動橋給水平地面的最大負荷，此處取2382N。（根據轎車參數選取經驗值）
φ——輪胎對地面的附著系數，一般取0.85。
rr——車輪的滾動半徑，此處取0.35m。
ηLB，iLB——分別為由所計算的主減速器從動齒輪到驅動輪之間的傳動效率和減速比，傳動效率為0.95，減速比為1。
則球面半徑RB=2.58×33960=40.8mm。
差速器行星齒輪球面半徑 RB確定后，則可根據經驗公式預計算節(jié)錐距A0：
A0=（0.98~0.99）RB
= 0.99×40.8=40.39mm
則可以初步選取節(jié)錐距為40mm。
（3）行星齒輪與半軸齒輪齒數計算
為了得到較大的模數從而使齒輪有較高的強度,應使行星齒輪的齒數盡量少，但一般不應少于10。半軸齒輪的齒數采用14～25。半軸齒輪與行星齒輪的齒數比多在1.5～2范圍內。
在任何圓錐行星齒輪式差速器中，左右兩半軸齒輪的齒數Z2L和Z2R之和能被行星齒輪的數目n所整除，否則將不能安裝，即應滿足：
（Z2L+Z2R）/ n=整數
上式中：
Z2L、Z2R——為左右半軸齒輪的齒數，對于對稱式圓錐齒輪差速器來說，有：
Z2L=Z2R
n——為行星齒輪數目；
綜上，本課題設計中取行星齒輪齒數10，半軸齒輪齒數15。
（4）差速器圓錐齒輪模數及半軸齒輪節(jié)圓直徑的初步確定
先初步求出行星齒輪和半軸齒輪的節(jié)錐角γ1和γ2：
γ1=arctan（z1z2）=33.69° （3-8）
γ2= arctan（z2z1）=56.31° （3-9）
上式中，z1，z2行星齒輪和半軸齒輪齒數。
然后可以初步確定圓錐齒輪的大端模數：
m=2A0Z1sinγ1=2A0Z2sinγ2=4.4
上式中，A0，Z1，Z2在前面已初步確定。
算出模數后，節(jié)圓直徑d即求得：
d=mz （3-10）
則可得出：d1=mz1=4.4×10=44；
d2=mz2=4.4×15=66。
（5）壓力角的確定
過去汽車差速器齒輪都選用20°的壓力角,這時齒高系數為1,而最少齒數是13。目前汽車差速器齒輪大都選用22°30′的壓力角,齒高系數為0.8,最少齒數可減至10,并且在小齒輪(行星齒輪)齒頂不變尖的條件下還可由切向修正加大半軸齒輪的齒厚,從而使行星齒輪與半軸齒輪趨于等強度[2]。
由于這種齒形的最少齒數比壓力角為20°的少,故可用較大的模數提高齒輪的強度。某些重型汽車和礦用汽車的差速器也可采用25°的壓力角。在具體設計方案中我們綜合考慮壓力角為22.5°和25°情況。在本次設計中，由于本設計的車型整車重量比普通微型車大很多，為了增加齒輪強度，因此我們考慮將齒輪的壓力角25°的壓力角。
3.6錐齒輪最終設計方案
由以上計算的可選擇得到圓錐齒輪的參數，如下表3.2所示：
表3.2 圓錐齒輪幾何參數計算表
行星齒輪數目選擇
2
行星齒輪球面半徑RB的確定
Tje=Temax.iTL.K0.ηT=3500×（2.18～4.05）×1×0.9
=6867～12758Nm
rr=1000/（2×504×3.1416）=0.316m
Tjφ=G2.φ. rr/（ηLBiLB）=2382×9.8×60%×0.85×0.316/0.95=3960Nm
取Tj=Tjφ
3960Nm
行星齒輪球面半徑系數
KB=2.52～2.99
KB=2.58
RB=KB3Tj
40.82mm
行星齒輪齒數
Z1
10
半軸齒輪齒數
Z2
15
模數
m
4.5mm
預選節(jié)錐距
A0=（0.98～0.99）RB
40.00mm
齒面寬
F=（0.25～0.3）A0=10～12
取F=12mm
齒工作高
hg=1.6m
7.2mm
齒全高
h=1.788m+0.051
8.10mm
壓力角
α
25°
軸交角
90°
節(jié)圓直徑
d1=mZ1
45mm
續(xù)表3.2圓錐齒輪幾何參數計算表
d12=mZ2
67.5mm
節(jié)錐角
γ1=arctan（Z1/Z2）
33.69°
γ2=90-γ1
56.31°
節(jié)錐距
A0=d/（2sinγ1）
40.56mm
周節(jié)
t=3.1416m
14.14mm
齒頂高
h1'=hg-h2'
4.53mm
h2'=[0.43+0.370/(Z2/Z1)2]m
2.68mm
齒根高
h1″=1.788m-h1'
3.52mm
h2″=1.788m-h2'
5.37mm
徑向間隙
C=h-hg
0.90mm
齒根角
δ1=arctan(h1″/A0)
4.96°
δ2=arctan(h2″/A0)
7.55°
齒頂角
θ1=arctan(h1'/A0)
6.37°
θ2=arctan(h2'/A0)
3.77°
面錐角
γ01=γ1+θ1
40.06°
γ02=γ2+θ2
60.08°
根錐角
γR1=γ1-δ1
28.73°
γR2=γ2-δ2
48.76°
續(xù)表3.2圓錐齒輪幾何參數計算表
外圓直徑
d01=d1+2h1'cosγ1
52.53mm
d02=d2+2h2'cosγ2
70.47mm
節(jié)錐頂點至齒輪外援距離：
χ01=d2/2-h1'sinγ1
31.24
χ02=d1/2-h2'sinγ2
20.28mm
理論弧齒厚
S1=t-S2
7.69mm
S2=t/2-(h1'-h2')tanα-τm
6.44mm
齒側間隙
B：0.127～0.178
B=0.15mm
弦齒厚
Sx1=S1-S13/(6d12)-B/2
7.58mm
Sx2=S2-S23/(6d22)-B/2
6.36mm
弦齒高
hx1=h1'+S12cosγ1/(4d1)
4.80mm
hx2=h2'+S22cosγ2/(4d2)
2.76mm
切向變位修正系數
τ
-0.0524
當量齒輪分度圓半徑
rv1=d1/(2cosγ1)
27.04mm
rv2=d2/(2cosγ2)
60.80mm
當量齒輪齒頂圓半徑
rva1=rv1+h1'
31.56mm
rva2=rv2+h2'
63.47mm
當量齒輪齒頂壓力角
αva1=arcos(rv1cosα/rva1)
39.06°
αva2=arcos(rv2cosα/rva2)
29.75°
續(xù)表3.2圓錐齒輪幾何參數計算表
大端齒頂圓齒厚
Sa1=S1rva1/rv1-2rva1(invαva1-
invα)
2.69mm
Sa2=S2rva2/rv2-2rva2(invαva2-
invα)
3.90mm
以上是行星齒輪的參數，可以依據此參數在UG建模中實現行星齒輪的三維建模。
3.7 差速器殼體的建模
對于差速器殼體,其主要功用是支撐齒輪組的質量,并承受主減速器傳來的轉矩和振動,因此它應該滿足如下設計要求:
(1)應具有足夠的強度和剛度；
(2)在保證強度和剛度的前提下,盡量減小質量以提高汽車行駛的平順性；
(3)結構工藝性好,成本低；
(4)拆裝、調整、維修保養(yǎng)方便。
根據設計好的齒輪組的輪廓尺寸并且考慮一定的壁厚以及必要的工藝要求,采用經典的整體式差速器殼體，其三維模型如下圖3.5：
圖 3.5 差速器殼體模型
4 差速器的三維參數化建模
4.1直齒錐齒輪的手工建模
4.1.1直齒錐齒輪的建模思路
圓錐齒輪是一種形狀復雜的三維實體，其造型精度的高低將直接影響到后續(xù)的有限圓分析、仿真結果以及齒輪的制造精度。目前，工程中常用的圓錐齒輪三維造型方法主要有兩種：一種是利用二次開發(fā)的方法來實現其造型；二是利用三維造型軟件提供的強大的造型功能完成齒輪的造型。其中，二次開發(fā)的方法要求設計人員有一定的編程水平，造型周期相對較長，而且編出的軟件也僅適用于特定的齒輪造型；而利用三維造型軟件可以在較短的時間內實現形狀復雜零件的三維造型[3]。
首先繪出錐齒輪的軸截面草圖，然后對草圖進行尺寸約束，在設計錐齒輪時要確定主要參數，這樣才能使成型的物體驅動。我確定的主要參數是模數m，齒數z，頂錐角δ。其他的尺寸都應該用主要參數表示。然后對草圖進行旋轉，形成齒輪坯。然后利用規(guī)律曲線功能在齒輪背錐面的切平面上生成齒廓線，接著在同一平面上做齒底弧草圖。錐齒輪的齒廓曲線在理論上是球面曲線，但是球面不能展開成平面，這給圓錐齒輪的設計和制造帶來了很多困難，所以人們便采用一種近似的方法來研究圓錐齒輪的齒廓曲線：用背錐上的齒形來代替大端球面上的理論齒形，背錐可以展開成平面，把背錐上的齒形展開到與之相應的平面上，補全齒輪，即可得到一圓拄齒輪齒形[9]。該齒輪稱為相應圓錐齒輪的當量齒輪，用當量齒輪的齒形來代替直齒圓錐齒輪大端球面上的理論齒形，其誤差是很小的，所以，可以先求出當量齒輪的齒形曲線，然后纏繞到背錐上，即可得到圓錐齒輪大端齒廓曲線。我無法利用齒頂圓，分度圓和齒根圓確定齒底弧。后來我想分錐角是一定的，而分度圓可以用分錐角和齒頂高表示，同樣齒根圓可以用分錐角和齒根高表示，而齒頂圓可以利用軸截面草圖確定，所以我利用這種關系間接的用齒頂高和齒根高確定齒底弧草圖。然后對齒底弧進行掃描，接著做出引導線，然后進行剪切，生成一個單個的齒，然后對齒進行陣列，這樣就完成了錐齒輪的三維參數化建模。再作出孔和鍵槽。
4.1.2齒輪常用的齒形曲線—漸開線
首先分析漸開線齒形曲線的特性，建立了相應的漸開線數學模型，以此指導漸開線齒廓的參數化建模。
目前齒輪齒形曲線通常采用漸開線、擺線及變態(tài)擺線，近年來還有圓弧和漸開線齒形等。齒形齒廓除了要滿足定傳動比外，還必需從設計、制造、測量、安裝及使用等方面要求，和其它的齒形相比，漸開線擁有保持瞬時傳動比恒等和可分離性等優(yōu)點，因此絕大部分的齒輪都是采用漸開線作為齒形齒廓的[10]。齒輪的齒廓曲線包括齒頂圓部分、齒形曲線部分、過渡曲線及齒根圓部分如圖4.l所示。其中齒形曲線部分為齒輪嚙合傳動接觸的重要部分，也是構造齒廓的重要曲線。
圖 4.1 齒廓曲線組成
4.1.3漸開線的形成及其特性
1、漸開線的形成的原理當有一條直線(常稱發(fā)生線)在一個半徑為rb的固定圓的圓周上作純滾動時，如下圖，直線上任意點A的運動軌跡線AA。就是形成的漸開線。圖中半徑為rb的固定圓稱為漸開線的基圓。由圖可知，當發(fā)生線在基圓上做純滾動時，發(fā)生線上的一些任意點如B、C都會展出漸開線。盡管這些漸開線的位置不同，但漸開線的形狀相同[11]，如圖所示。
漸開線齒輪的輪齒齒形就是由兩條對稱的漸開線所形成:
圖4.2 漸開線的形成
2、漸開線特性：
（1）漸開線自基圓開始，基圓外面才有漸開線，基圓以內無漸開線；
（2）漸開線上任意點的法線必切于基圓，切于基圓的直線必為漸開線上一點的法線；
（3）發(fā)生線與基圓的切點G。是漸開線在點A的曲率中心，線段AG。是漸 開線在點A的曲率半徑，漸開線上越接近基圓的點，其曲率半徑越?。?
（4）同一基圓上任意兩條漸開線之間各處的公法線長相等；
（5）漸開線的形狀取決于基圓的大小。在相同展開角處，基圓半徑越大，其漸開線的曲率半徑越大，當基圓半徑為無窮大時，其漸開線變成直線。故齒條的齒廓曲線就是變?yōu)橹本€的漸開線；
（6）漸開線上任意點的法線長度(也是曲率半徑)等于發(fā)生線在基圓上滾過的弧長[12]。
3、齒輪的齒形曲線
對于定傳動比的齒輪機構，選擇的齒形曲線除了要滿足定傳動比外，還必需從設計、制造、測量、安裝及使用等方面綜合考慮[1]。其中漸開線齒形能夠較為全面地滿足上述方面的要求，漸開線齒形的優(yōu)點如下:
（1）漸開線齒形能夠保證瞬時傳動比不變；
（2）漸開線齒輪傳動具有“可分離性”。漸開線齒輪傳動，如果把兩輪的中心距離稍微增大或減小些，此時，兩輪的嚙合時的傳動比仍能保持不變。即:漸開線齒輪的瞬時傳動比不因中心距稍有變化而發(fā)生變化。這種性質稱為漸開線齒輪傳動的“可分離性”；
（3）因為漸開線的形成原理較其它齒形曲線簡單，并可用直線廓形的工具進行加工，所以制造精度也容易提高；
（4）互換性好 漸開線齒輪只要模數和壓力角相同都可以互換。加工刀具的通用性也廣，一種模數的刀具可加工任意齒數的齒輪。而其他齒形曲線的齒輪基本上沒有互換性，常成對調換，并且加工刀具都為專用刀具，設計制造的工作量大[12]。
故目前絕大部分的齒輪都是采用漸開線作為齒形。漸開線齒輪的齒形有著嚴格的數學方程軌跡，造型復雜，而一般的軟件均不提供漸開線和其他高級曲線的功能[13]。目前，繪制漸開線齒輪齒形的方法有三種，一種是用圓弧近似代替漸開線，這樣雖然能夠近似畫出齒輪輪廓，但存在如下缺點:繪制過程復雜，費時并且容易出錯;修改過程困難，不能形成系列化修改不能直接在圖中得出漸開線的相應數據。第二種方法是先調用繪制工程圖形的專用軟件，然后把圖形文件導入CAD系統(tǒng)。如果只是為了繪制漸開線而花高價錢購買專用軟件顯然不合算。第三種方法是利用CAD的二次開發(fā)工具來實現漸開線齒輪齒廓的精確繪制，此種方法能夠比較精確的繪制出漸開線齒輪齒廓。此次我們就使用這種方法來繪制漸開線齒輪齒廓[14]。
4.1.4繪制思路
首先利用UG中的規(guī)律曲線(Law Curve)功能生成齒廓曲線———漸開線,然后利用掃掠和抽取幾何元素特征操作,建立錐齒基本齒形,接著對該齒形和錐臺進行求和特征操作、陣列操作得到相應的直齒錐齒輪三維模型。
4.2繪制過程
4.2.1建立漸開線齒廓曲線
以下是繪制漸開線步驟：
1、啟動UG，進入主界面，單擊“New”命令，選擇毫米作為工作單位，設置存儲路徑，新建名為“zhuichilun”的文件（文件名不能用中文名稱，路徑名稱也不能包含中文名稱）。
2、進入“model”工作界面，選擇“Tools”菜單欄中“Expression”（表達式）菜單命令，彈出【Listed Expression】對話框，如下圖4.3所示，依次在“Name”（名稱）中輸入參數符號，在“Formula”（公式）中依次輸入對應的參數初始值，輸入完成，單擊“OK”。如下圖4.4所示。
其中，漸開線方程為：
Xt= (Db/2)*cos(s)+(Db/2)*rad(s)*sin(s)
Yt=(Db/2)*sin(s)-(Db/2)*rad(s)*cos(s)
Zt=03[14]
以“t”為變量，坐標原點為基點。利用“Insert”中“Curve”（曲線）的“Law Curve”（規(guī)律曲線）生成漸開線，如下圖4.5：
圖4.3 【Listed Expression】對話框
圖4.4 齒輪表達式（Expression）建立
圖4.5 生成漸開線
4、以坐標原點為基點，依次繪出齒頂圓，齒根圓，分度圓，基圓，如下圖4.6所示：
圖4.6齒頂圓、分度圓、基圓、齒根圓
5、進行剪切，鏡像、拉伸、陣列，布爾求和等命令，先得到一個齒形，如圖4.7再陣列得到基本的錐齒輪模型，如下圖4.8所示：
圖 4.7 一個齒形
圖4.8 基本錐齒輪模型
4.3差速器的整體模型
由第3章可得到差速器行星錐齒輪和半軸錐齒輪的數據，依據此數據在UG中建立三維模型。然后與差速器殼體裝配，可得到差速器的三維模型，如下圖4.9所示：
圖4.9 差速器三維模型
4.4直齒錐齒輪的參數化建模
4.4.1創(chuàng)建人機交互界面——對話框
對話框的創(chuàng)建需要用到UG/Open UIStyler，用以編輯對話框的控件。首先進入UG“model”模式，進入快樣式編輯器，添加如下圖4.10所示的控件、按鈕、文本輸入框等所需控件。然后設置對話框本身的屬性及其回調函數，如下表4.1所示：
表4.1 對話框屬性及其回調函數
屬性
屬性值
回調函數
對話框標題
錐齒輪參數
構造函數：XINGXING _construct_fun
線索
由參數生成模型
應用：XINGXING _apply _fun
前綴名
XINGXING
OK：XINGXING _ok _fun
對話框類型
底部
CANCLE:XINGXING _CANCLE _fun
調用對話框
回調
按鈕樣式
OK 、APPLY、CANCLE
可重設對話框大小
是
圖 4.10 錐齒輪參數對話框
其中模塊包括：
1、齒輪參數計算模塊
該模塊根據輸入的基本參數計算齒輪的形狀參數。由于汽車差速器直齒錐齒輪的齒制均為格里森制，故計算所用的公式采用格里森制。
2、齒輪齒形生成模塊
該模塊用來計算生成齒廓曲線所需的一些參數,并根據這些參數生成齒廓曲線, 然后由齒輪大端和小端的齒廓曲線生成齒廓曲面, 最后由兩相對齒廓曲面生成齒形實體。
3、齒輪實體生成模塊
首先由齒輪的形狀參數生成齒輪中心實體, 然后根據齒輪齒數, 調用齒輪齒形生成模塊, 在中心實體上生成沿圓周均勻分布的齒形實體并與中心實體合并,最后根據齒輪形狀參數裁減齒輪輪廓, 得到最終的齒輪實體[14]。
對話框文件編輯完成后，會在具存放的目錄下自動生成3個文件，分別是*.dig、*.template.C和*.h文件。其中*.dlg是對話框資源文件，定義了對話框樣式及控件事件的響應函數名稱，存放在用戶目錄下面的＼applleation目錄內，供用戶菜單調用；*.template.c是C語言源文件模板，它包含了對話框所有回調函數的定又，提供了一個具有對話框應用的程序框架，該程序框架通過調用UG/Open?API函數和訪問對話框資塬文件，實現最初的對話框界而功能，在程序標明的位置添加用戶代碼，編寫問調函數即可以實現具體的應用功能；*.h文件是對話框頭文件．它包含了對話框控件標識的定義以及控件事件響應函數原型的聲明，供Visual?C++編寫應用程序時使用。
4.4.2 編寫菜單文件
UG/OPEN 提供的MenuScript和UIStyler兩個模塊用于制作應用程序的用戶界面。菜單文件名是擴展名為.men的文本文件，可以用記事本文件進行編輯。在UG的“Application”（應用）菜單下，包含一些應用模式按鈕,單擊這些按鈕可以在其他菜單添加與應用模式相關的按鈕,甚至添加一個新菜單[9]。
使用記事本創(chuàng)建應用程序的菜單文件,該菜單文件包括汽車發(fā)動機參數、齒輪相關參數，按鈕用于齒輪的參數化設計，具體編程如下:
VERSION120
EDIT UG_GATEWAY_MAIN__MENUBAR
BEFORE UG_HELP
CASCADE_BUTTON PARAMETER
LABEL參數化設計
END_OF_BEFORE!生成“參數化設計”菜單
MENU PARAMETER
BUTTON XINGXING
LABEL
ACTIONS PARAMETER_XINGXING! 生成“行星齒輪”子菜單
BUTTON BANZHOU
LABEL
ACTIONS PARAMETER_BANZHOU! 生成“半軸齒輪”子菜單
END_OF_MENU
具體應用如下圖4.11：
圖 4.11 “參數化設計”菜單文件
4.5 創(chuàng)建應用程序框架
使用VC++創(chuàng)建應用程序工程，具體步驟如下：
1、設置工作環(huán)境；
當用VC++與UG/OPEN UI Styler對UG進行二次開發(fā)時，UG NX2.0及以上版本中無法找到ugopen.awx和ugopen.hlp文件[11]。需要將這兩個文件復制到VC++目錄下，才可保證應用工程的成功創(chuàng)建，否則將無法鏈接VC++與UG。
方法如下：將ugopen.awx和ugopen.hlp文件復制到D:\Program Files
\Microsoft Visual Studio\Common\MSDev98\Bin\IDE目錄中，其中D:\Program Files\Microsoft Visual Studio為VC完整安裝目錄。這樣就可以保證應用工程的成功創(chuàng)建。
2、創(chuàng)建應用工程；
進入VC++，點擊“File”，彈出菜單，點擊“New”，會出現創(chuàng)建的對話框，點擊“Projects”，會多出一項工程“Unigraphics NX AppWizard V1”。這就是新添加的VC++與UG連接的工程。選中這一項，設置名稱、路徑，建立工程。如下圖4.12所示：
圖 4.12 建立工程
3、對話框文件的調用；
在UG安裝目錄下找到applleation目錄，可以看到，里面有兩個.c和.h文件，名稱分別重命名為“zhuichilun.c”，和“zhuichilun.h”。把這兩文件分別復制到所建VC++工程的Source File和Header File文件夾里，并加入工程中。
4、編寫程序代碼；
根據菜單文件,在zhuichilun.c主文件中定義ufsta入口函數的主要程序為:
staticUF_MB_cb_status_t zhuichilun-zhuichilun
(UF_MB_widget_t,UF_MB_data_t,UF_MB一activated_button_p_t)；
static UF_MB_action_t_actionTable[]=
{
{“PARAMETER-ZHUICHILUN”, zhuichilun-zhuichilun,NULL},
{NULL,N
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