MASTA培训手册 - 锥齿轮差速器

MASTA 培训手册:

锥齿轮差速器

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目录

1

锥齿轮差速器模块 ................................................................................................................... 2 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

介绍 ................................................................................................................................. 2 建模 ................................................................................................................................. 3 定义工况并运行一个分析 . ............................................................................................ 18 验证结果 . ....................................................................................................................... 21 卡车差速器 . ................................................................................................................... 23

1 锥齿轮差速器模块

1.1 介绍

本手册主要介绍在MASTA 中创建复杂汽车差速器的建模方法。

推荐的方法采用概念轴承来表示差速器零件间的连接，以确保力和力矩的正确传递。 下图是一个锥齿轮差速器例子的剖视图，其中五个主要联接件高亮显示。

④④a

③ ①

1.2 建模

1. 打开例子文件：File > Examples > Automotive > Car Transaxle Gearbox > Full Model。 2. 添加一个Assembly 到Differential Shaft Assembly叫作Planet Assembly。 3. 添加一个Bevel Differential Planet Carrier到这个总成。

4. 点击OK 。

5. 连接Bevel Differential Planet Carrier 到Differential Shaft ，设定其偏移距离为68.2 mm 。 6. 设定行星架的Planet Diameter为82 mm以使其处于轴的内外径之间。

下一步是创建一个行星轮轴叫“carrier stub shaft”。“carrier stub shaft”要连接到行星架上。

1. 在Planet Assembly内Add 一个 Shaft 叫 Carrier Stub Shaft。 2. 输入下面显示的轴属性，点击OK 使用配置。

3. 连接Carrier Stub Shaft到Bevel Differential Planet Carrier。

注：Stub shaft 连接到carrier 之后不能被移动。因此，在连接编辑器中不能改变offset ，只能删除连接。

Stub Shaft代表差壳的一部分，编辑其外形，使其与差速器壳轮廓尽可能地接近：

1. 选择Carrier Stub Shaft. 2. 选择Edit Shaft Profile模式

。

3. 根据下面的数值编辑轴的Outer 和Inner 形状。

编辑形状之后，轴应看起来如下：

pin shaft通过必须创建的Pin Support Bearing连接到Stub Shaft：

1. 在Planet Assembly内添加一个轴承叫做 Pin Support Bearing。

2. 连接Pin Support Bearing 到Carrier Stub Shaft ，当询问Choose Connection Type 选择

House 。 3. 如下面所示输入轴承刚度数值：

4. 相对Carrier Stub Shaft轴承偏移7mm 。

5. 在Planet Assembly内添加一根轴叫 Pin Shaft，属性如下：

6. 连接Pin Shaft 到 Pin Support Bearing。

注：如果Pin Shaft的端面位于 差壳“Differential Shaft”的中央，MASTA 会把每个行星轮的销轴连接到一起。如果不到达中央位置，销轴将不会被连接到一起。

7. 向下拖动Pin Shaft，直到它成为两个行星轮的一根销轴为止。

行星轮需要被安装到一个可以在Pin Shaft上自由转动的轴上。使用一个没有轴向刚度的Concept bearing建立这个连接：

1. 在Planet Assembly内添加一个轴承叫 Gear Shaft Support Bearing。

2. 连接Gear Shaft Support Bearing到 Pin Shaft，相对shaft 的偏移为29mm 。 3. 在Planet Assembly内添加一根轴叫 Planet Gear Shaft到，属性如下：

4. 连接Planet Gear Shaft到Gear Shaft Support Bearing，偏移为6.35 mm。

现在需要添加Differential Gear Set。

1. 在Differential Shaft Assembly添加一个Straight Bevel Differential Gear Set，设置如下属

性：

∙ ∙ ∙ ∙

Number of Planets行星轮个数： 2 Planet Face Width行星轮齿宽： 10mm Sun Face Width太阳轮齿轮：10mm

Wheel Pitch Diameter大轮节圆直径：60mm

注：在Differential Carrier的属性栏中定义差速器齿轮副中行星轮的数量。 2. 连接（安装）Planet 到Planet Gear Shaft。

最简单的方法是在模型树中拖动和放开零件。

接下来，需要修改Planet Gear Shaft的形状使它和锥齿轮差速器设计对应。

1. 选择Planet Gear Shaft。 2. 选择Edit Shaft Profile模式

。

3. 修改轴形状的Outer 和Inner ，对应下面的数值。

4. 确保重置Planet Gear Shaft 和 Gear Shaft Support Bearing之间的的偏移为6.35 mm。

轴应看起来如下：

Planet Gear由Differential Shaft径向支撑，但是这个连接是通过Stub Shaft体现。

1. 在Planet Assembly 内添加一个 concept Bearing 叫 Planet Shaft to Differential shaft

Support 。

2. 连接Planet Shaft to Differential shaft Support 轴承到Planet Gear Shaft，选择安装类型

为Mount 。

3. 两零件之间的偏移为11.349mm 。

4. 连接Planet Shaft to Differential shaft Support 轴承到Stub Shaft。

5. 减小轴承的Width ，根据如下数值设置其Stiffnesses ：

下一阶段是添加differential half-shafts到设计中。

1. 添加一个Assembly 到Differential Shaft Assembly，叫Left Half Shaft Assembly。

2. 添加一根轴叫 Left Half Shaft，其属性如下：

3. 添加一个概念 轴承叫 Half Shaft Bearing，其 Axial Stiffness为 1000 N/m。

4. 添加一个 花键 叫 Sun Gear Shaft Spline。

5. 添加另一根轴叫 Sun Gear Shaft，具有如下属性：

6. 连接Half Shaft Bearing到Left Half Shaft，其偏移为16mm 。

Sun Gear Shaft 和Left Half Shaft之间连接的是一个spline ，在轴向允许自由移动。

7. 改变花键的Length 为18.2 mm。

8. 连接Sun Gear Shaft Spline 到 Left Half Shaft，偏移为90.9 mm。

9. 选中Spline ，点击属性标签，确保Axial Stiffness设置为0.

10. 使用Edit Shaft Profile模式改变Sun Gear Shaft的长度到18.2mm 。

11. 连接Sun Gear Shaft 到 Sun Gear Shaft Spline。

12. 能够通过设置两个零件之间的偏移为9.1 mm，使之成为一行。

13. 从Differential Gear Set中连接（安装）Sun Left到Sun Gear Shaft。

对Planet Gear，最简单的方法是在模型树中拖放。

14. 通过在模型树种单击选择整个Half Shaft Assembly。

15. 选择Move Component模式，拖动整个总成到它能够到达的最左端。

如果总成已经连接到了正确的位置，则它不能够移动到左端。

16. 选择Sun Gear Shaft，根据下面的设计修改轴的轮廓。

Sun Gear Shaft需要有Differential Shaft轴向支撑：

1. 添加一个概念轴承到Half Shaft Assembly，叫Sun Shaft to Differential Support。

2. 连接这个轴承到Sun Gear Shaft和 Differential Shaft。

轴承参数可以如下配置：

Sun Shaft (或 Left Half Shaft)是通过Differential Shaft的一个“sliding fit”来径向支撑。通过没有轴向刚度的概念轴承来模拟。

1. 添加一个轴承叫 Sun Shaft Support Bearing。

2. 连接Sun Shaft Support Bearing 到 Left Half Shaft，从Left Half Shaft的左端面的偏移为

62.9。

3. 连接Sun Shaft Support Bearing 到 Differential Shaft。

4. 轴承宽度和刚度参数需要如下配置：

可使用一个Left Half Shaft Assembly的镜像来添加Right Half Shaft Assembly完成设计。

1. 选择Left half Shaft Assembly。

2. 右击和选择Duplicate 。

3. 重命名复制的总成为Right Half Shaft Assembly。

4. 重命名半轴为Right Half Shaft。

完成Right Half Shaft Assembly，零件需要重新定位。

5. 选择Right Half Shaft Assembly，右击和选择Mirror 。

完成差速器建模：

1. 连接右边Sun Gear Shaft 到Sun Right Gear。

2. 通过在模型树中点击，选择整个Right Half Shaft Assembly。

3. 选择Move Component模式，拖动完整总成到最右边。

如果总成已经在正确的位置，则它不可被移动。

4. 连接右边Sun Shaft Support Bearing 和Sun Shaft to Differential Support 到Differential

Shaft ，如果必要的话对它们重新定位和编辑尺寸。

Sun Shaft Support Bearing 宽度应减小到23.5mm ，相对half shaft 的偏移应减小到34.15mm 。

5. 最终删除存在的Power Output ，并且以Power out Left 和 Power out Right 替换，定位

到每个Sun Half Shafts的末端。

1.3 定义工况并运行一个分析

1. 选择Load Cases模式。

2. 选择1st ‘164 Nm, 3000 rpm, 16 hrs’工况。

3. 修改属性如下，然后点击Update Power Flow。

为了模拟车辆转弯，可设置一个不相等的功率分流。但是，因为扭矩将是相同的，无论功率如何分流，不会影响系统变形结果。

4. 使工况属性回到上面所示的相等功率分流。

5. 运行一个Power Flow分析，选择Differential Bevel齿轮副。

以下差速器锥齿轮校核默认报告一部分将显示：

注：在MASTA 中，只能校核直齿锥齿轮差速器齿轮副。

Peak Torque峰值扭矩：

∙ Total Transmitted Peak Torque是单个啮合副的峰值扭矩乘以啮合副数目。 ∙ Peak Torque是单个啮合副上根据工况确定的扭矩。

∙ Calculated Bending Stress for Peak Torque是根据《Passenger Car Drive Axle Gear

Design 》, Gleason, 1972计算的数值。

∙ Allowable Bending Stress for Peak Torque 是峰值扭矩下的许用静弯曲应力。这

是静极限，也就是最大弯曲应力，来源于材料的SN 曲线。

∙ Safety Factor for Peak Torque 是峰值扭矩下的许用弯曲应力除以计算得到峰值

扭矩下的弯曲应力。

Performance Torque工作扭矩：

∙ Total Torque Transmitted是单个啮合副的工作扭矩乘以啮合副数目。

∙ Performance Torque 对于单个啮合副是通过直齿锥齿轮差速器啮合的属性栏定

义的。根据Gleason ，该数值应代表最大持续载荷。（在上面的例子中，输入了一个55 Nm的工作扭矩）。

∙ Calculated Bending Stress for Performance Torque 是根据《Passenger Car Drive

Axle Gear Design》 Gleason, 1972计算的数值。

∙ Allowable Bending Stress for Performance Torque是工作扭矩下的许用弯曲应力。

这是齿轮材料的耐久极限。在《Passenger Car Drive Axle Gear Design》, Gleason, 1972，工作扭矩被认为是最大持续载荷。

∙ Safety Factor for Performance Torque 是工作扭矩下的许用弯曲应力除以计算得

到的工作扭矩下的弯曲应力。

6. 选择System Deflection模式。

除了Power Flow 模式下显示的概要报告，当齿轮啮合选中的时候，差速器齿轮副的结果包括错位量和受力：

1.4 验证结果

一个正确建模的Differential Shaft ，差速器应在Planet 和Sun gears 上承受全部轴向载荷。因此，为验证模型是正确的，要确保在Pin Shaft and the 和两个Half Shafts上的轴向载荷是0。

1. 选择System Deflection模式

。

2. 选择1st gear 的164 Nm, 3000 rpm, 16 hrs 工况。 3. 从Planet Assembly选择Pin Shaft。 4. 查看Forces & Displacement报告。 5. 查看Left 和Right Half Shafts的报告。

Force 在Z 方向的0值代表了没有轴向载荷，模型是正确的。

如果结果显示了轴向载荷作用在pin shaft 和/或 half shafts 上，很可能是输入了错误的轴承或花键刚度数值导致的。下表列出了推荐刚度值。

这些刚度值是针对一般轿车差速器的。要得到更精确的刚度值，需要在具体的差速器上做试验来测得其固有刚度。

1.5 卡车差速器

卡车差速器和轿车差速器在某些方面不同。本节最后一部分介绍如何在之前创建的差速器模型上修改，使其更象卡车差速器。

首先，两者之间最大的不同是卡车使用4个行星齿轮，而轿车用2个。 在差速器中添加更多行星齿轮：

1. 在Design 模式下选择Bevel Differential Planet Carrier。 2. 点击属性标签。

3. 改变Number Of Planets属性为4。

为了看到其余的行星轮：

1. 打开Settings 对话框，选择 Graphics (Edit > Settings > Graphics)。 2. 勾选Use Cut Away?查看剖视图。

3. 在3D 模式下查看Differential Shaft Assembly。

其次，因为卡车差速器太阳轮更平，所以其与差速器壳的相互作用也不同。推荐卡车差速器连接应使用下面的数值：

注意现在Sun Shaft to Differential Support径向刚度是0，但是也有倾斜刚度。