轎車長安汽車主減速器和差速器設(shè)計(jì)含4張CAD圖
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長安汽車主減速器和差速器設(shè)計(jì)
Changan Automobile Main Reducer
摘 要
本篇本科畢業(yè)論文主要討論并計(jì)算長安汽車主減速器和差速器機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)計(jì)算，最后對(duì)其進(jìn)行三維建模,以驗(yàn)證了主減速器和差速器的工作原理和機(jī)械齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。通過對(duì)汽車主要參數(shù)的分析，通過相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出設(shè)計(jì)主減速器和差速器的基本參數(shù),并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)載荷計(jì)算和校核,最終采用了Solid Works軟件包對(duì)減速器和差速器進(jìn)行了三維建模。然后該軟件包將生成相應(yīng)的二維工程圖。裝配完成后,將模擬最大的齒輪和差動(dòng)平方量來證明差速器的原理。
關(guān)鍵詞：solid works三維建模；主減速器；差速器
Abstract
This topic introduces the design and modeling method of the main gearbox and differential gearbox of the car, discusses the structure and dealing principle of the pinion and ring gear case and main gearbox of the automotive designs and strength checks the differential gearbox and main gear case of the automobile by analyzing and conniving the legendary main parameters of the automobile, and uses solid works to model the main gearbox and differential gearbox in 3D, after which the software generates the corresponding 2D engineering drawings. After completing the assembly, the motion simulation of the main gearbox and differential gearbox was performed to demonstrate the principle of differential casing.
Keywords: solid works 3D modeling, automotive main shell and differential
目 錄
一、緒論 1
1.1課題研究的背景及意義 1
1.2主減速器概述 2
1.3差速器概述 3
1.4國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀 5
1.4.1國外減速器現(xiàn)狀 5
1.4.2國內(nèi)減速器現(xiàn)狀 6
1.5發(fā)展趨勢 7
1.6課題研究的主要內(nèi)容 7
1.7課題研究的重難點(diǎn)以及解決方法 8
二、長安汽車主要參數(shù)與主減速器、差速器的結(jié)構(gòu)選型 9
2.1長安汽車的主要參數(shù) 9
三、主減速器設(shè)計(jì)及主要參數(shù)選擇和計(jì)算 11
3.1 主減速器形式與輪齒類型的選擇以及支撐方案的選擇 11
3.2 主減速器齒輪計(jì)算載荷的確定 11
3.2.1按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和變速箱最低檔傳動(dòng)比確定從動(dòng)齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 11
3.2.2 按驅(qū)動(dòng)車輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩和打滑轉(zhuǎn)矩確定主減速器從動(dòng)齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 12
3.2.3按日常平均使用轉(zhuǎn)矩來確定從動(dòng)齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 12
3.3主減速器齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 13
3.3.1主從動(dòng)輪錐齒輪基本參數(shù)選擇（z1，z2 ） 13
3.3.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)【16】 13
3.3.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 15
3.3.4按變速器一檔齒輪設(shè)計(jì) 18
3.4差速器行星齒輪與半軸齒輪主要參數(shù)選擇和計(jì)算 22
3.4.1行星齒輪數(shù)目的選擇 22
3.4.2行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)的選擇 22
四、主減速器與差速器的三維實(shí)體建模 25
4.1主減速器和差速器三維建模分析與建模思路 25
4.2單級(jí)直齒錐齒輪主減速器和差速器相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 26
4.3基于solid works建立汽車單級(jí)主減速器三維模型的步驟 27
4.3.1單級(jí)直齒錐齒輪主減速器建模的理論知識(shí) 27
4.3.2單級(jí)直齒錐齒輪主減速器主從動(dòng)錐齒輪三維建模 28
4.4基于solid works前置前驅(qū)汽車差速器的三維建模 44
4.5單級(jí)直齒錐齒輪主減速器和差速器外殼的建模 53
4.5.1單級(jí)直齒錐齒主減速器外殼的建模【23】 53
4.5.2差速器外殼的建模 54
致謝 55
參考書目 56
IV
一 緒論
1.1課題研究的背景及意義
汽車的誕生已經(jīng)有一個(gè)多世紀(jì)了,隨著社會(huì)的快速發(fā)展,汽車的購買和使用越來越頻繁,汽車成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠?。?jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的相關(guān)調(diào)查,僅在2018年一年的時(shí)間里,中國本地的乘用車銷總量就已經(jīng)達(dá)到了2371萬余輛,連續(xù)十年成為全球最大的乘用車市場,中國已經(jīng)連續(xù)十年成為世界銷量第一的國家。預(yù)計(jì)2019年將上升到2800萬輛。伴隨著汽車高銷量和高使用率的趨勢,汽車排放的尾氣已經(jīng)成為當(dāng)前全球變暖的主要原因,在監(jiān)管和市場力量的推動(dòng)下,過去幾十年來汽車面臨的嚴(yán)格的性能、排放和燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)(如歐洲的ACEA標(biāo)準(zhǔn)、排放交易政策等),使得汽車行業(yè)的創(chuàng)新和改革變得十分迫切。根據(jù)我國關(guān)于發(fā)展新型汽車產(chǎn)業(yè)和加強(qiáng)節(jié)能減排事項(xiàng)的戰(zhàn)略決策,為了可以減輕我國本土的化石燃料的污染，為2060年我國境內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳中和做出努力,我國現(xiàn)階段將大力推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)從普及化石能源汽車向著新能源汽車轉(zhuǎn)型,以促進(jìn)汽車領(lǐng)域和資源的可持續(xù)發(fā)展。這項(xiàng)戰(zhàn)略舉措不僅將加速中國汽車工業(yè)的發(fā)展, 它可能會(huì)培育新的經(jīng)濟(jì)過程點(diǎn)并激發(fā)中國的能力,從而增強(qiáng)中國汽車工業(yè)在國際上的競爭優(yōu)勢和競爭力。電力系統(tǒng)。新能源汽車是指使用新動(dòng)力系統(tǒng)由清潔能源(例如電,氣等)驅(qū)動(dòng)的車輛。近期能源驅(qū)動(dòng)型汽車的創(chuàng)新和發(fā)展可能成為中國汽車行業(yè)最關(guān)鍵的戰(zhàn)略。
主減速器和差速器是汽車中必不可少的關(guān)鍵性部件，主減速器的作用是將汽車變速箱所傳遞出的動(dòng)力在車軸內(nèi)重新分配。差速器的功能是使發(fā)動(dòng)機(jī)的速度與車輪的實(shí)際速度相協(xié)調(diào),并可用于最大限度地提高電動(dòng)機(jī)的性能,同時(shí)差速器的性能也可以直接影響到整車的能力表現(xiàn)。顯然,差速器技術(shù)創(chuàng)新是中國汽車事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。目前,中國的主要汽車制造商和一些分析機(jī)構(gòu)正在積極開展變速器結(jié)構(gòu)和性能的基本創(chuàng)新技術(shù)分析和開發(fā)工作,并努力研發(fā)并可以實(shí)際應(yīng)用到汽車領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。
本篇畢業(yè)論文通過對(duì)汽車主減速器和差速器資料的收集，在本科學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)上對(duì)汽車主減速器和差速器的學(xué)習(xí)并對(duì)其做最基礎(chǔ)的設(shè)計(jì),在其基礎(chǔ)上對(duì)汽車重要零件進(jìn)行強(qiáng)度的計(jì)算校核和分析等,可以更好的學(xué)習(xí)和掌握汽車重要部件的外觀設(shè)計(jì)和計(jì)算以及批量分析某些相關(guān)的信息的能力;強(qiáng)化了我對(duì)機(jī)械專業(yè)所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用,讓我對(duì)本科專業(yè)的基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)有了更加清晰的理解和鞏固,培養(yǎng)了我對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的基本技能的研究和單獨(dú)收集資料和處理問題的能力。
1.2主減速器概述
主減速器（如圖1.1）是一臺(tái)可以改變驅(qū)動(dòng)軸內(nèi)扭矩和速度的機(jī)器。其基本功能是將變速箱輸入的轉(zhuǎn)矩增大并相應(yīng)的降低轉(zhuǎn)速。主變速箱的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)由一對(duì)或幾對(duì)減速齒輪組成。當(dāng)汽車正常運(yùn)行時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般在2000至3000r/min左右【1】【20】。
圖1.1 主減速器結(jié)構(gòu)圖
如果僅靠變速器來降低高速,那么變速器內(nèi)齒輪的傳動(dòng)幅度關(guān)系就必須很大,而且齒輪的傳動(dòng)幅度關(guān)系越大,2個(gè)齒輪的半徑幅度關(guān)系就越大,換句話說,變速器的尺寸就越大,齒輪箱的尺寸也會(huì)越大。此外,速度降低,力也不可避免地增加,這將增加殼體的傳動(dòng)負(fù)荷,也將增加殼體的機(jī)構(gòu),所以需要在差速器之前加上另一個(gè)機(jī)械件，主減速器。
汽車減速器的存在有其下兩個(gè)總要作用,其主要作用是增大轉(zhuǎn)矩減小轉(zhuǎn)速并可以改變轉(zhuǎn)矩的扭轉(zhuǎn)方向。第二是充當(dāng)變速器的延伸部分,以提供具有齒輪之間共同的定量關(guān)系的傳動(dòng)比。
眾所周知變速器的輸出的轉(zhuǎn)矩是繞縱向軸線旋轉(zhuǎn),而車輪向前滾動(dòng)則需要繞橫軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩,所以就需要一個(gè)裝置來改變動(dòng)力傳輸?shù)姆较?，它就是主減速器,就是因?yàn)樵撛O(shè)備與其相連的部件的定量關(guān)系是一個(gè)整體定量關(guān)系,也就是說,無論變速器處于什么檔位上,這個(gè)裝置的傳動(dòng)比都和汽車的總傳動(dòng)比的一個(gè)相對(duì)確定的定量關(guān)系。有了這個(gè)比例,設(shè)計(jì)者可以降低變速器對(duì)汽車的減速能力的要求,從而有效減小變速器的尺寸,使得汽車的真題配置更加的合理，也可以使得汽車的總體尺寸的質(zhì)量有所減少。
降低轉(zhuǎn)速并增加轉(zhuǎn)矩是主減速器在汽車驅(qū)動(dòng)橋中所扮演的一個(gè)搞重要角色。根據(jù)本科所學(xué)理論知識(shí)我們不難知道,有汽車的功率計(jì)算可以確定了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率（即利用公式功率=扭矩*速度可以計(jì)算得出）,由于主變速器輸出的轉(zhuǎn)速會(huì)通過主減速器降下來,而這時(shí)減速器的輸出軸就會(huì)得到一個(gè)比變速器輸出轉(zhuǎn)矩更高的轉(zhuǎn)矩,以此獲得一個(gè)更大的驅(qū)動(dòng)力。同時(shí),汽車的大多數(shù)情況下還具有調(diào)整動(dòng)力輸出方向的性能,實(shí)現(xiàn)左、右輪的差速或中、后軸的差速。
1.3差速器概述
《汽車構(gòu)造》本科教材的理論知識(shí)，我們指導(dǎo)汽車在正常行駛過程中，車輪相對(duì)于路面的運(yùn)動(dòng)僅可以分為滾相對(duì)滾動(dòng)、相對(duì)滑動(dòng)。其中車輪與路面之間的相對(duì)滑動(dòng)又可以分為邊滑邊轉(zhuǎn)和車輪相對(duì)于路面只做滑動(dòng)。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，內(nèi)外2側(cè)車輪中心在同一時(shí)刻所作出的位移是顯然不一樣的，即外側(cè)車輪的位移要大于內(nèi)側(cè)車輪的位移，所以可以簡單的做出分析，要使得汽車可以正常的轉(zhuǎn)彎，其內(nèi)側(cè)的車輪必然要做邊滾動(dòng)邊滑轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。同樣汽車行駛在顛簸的道路上時(shí)，也是一樣的道理，兩側(cè)車輪實(shí)際位移過的距離也不相等。即使路面平滑，但由于車輪車胎的內(nèi)壓的不盡相同，所以行駛中的車輪依然會(huì)出現(xiàn)上述的狀況。因此，為了確保汽車在正常行駛過程中，兩側(cè)的車輪盡量不發(fā)生滑動(dòng)，在汽車的構(gòu)造上，必須保證汽車的各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪在不同情況下都可以能夠用不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)。
如果只有減速器，減速器的輸出軸只有一根，也就是說汽車的驅(qū)動(dòng)橋在只有主減速器的情況下，它的輸出軸帶給兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的只能是相等的角速度，為了可以使得兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪可以在轉(zhuǎn)彎或是在不平路面，其都可以以不同的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是說在上述情況下，車輪只做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)我們就必須在主減速器之后添加上另一個(gè)機(jī)械件，差速器。這樣的差速器可以形象的稱其為輪間差速器。
差速器的設(shè)計(jì)必須滿足一個(gè)要求n1+n2=2n0，也就是兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速（也是第四章所建模的半軸齒輪軸的轉(zhuǎn)速）之和是差速器殼體轉(zhuǎn)速的兩倍。這時(shí)，一旦汽車發(fā)生轉(zhuǎn)彎,差速器兩側(cè)的半軸齒輪的轉(zhuǎn)速時(shí)不同的,內(nèi)輪速度降低,外輪轉(zhuǎn)速上升【1】【2】。
圖1.2 差速器
差速器的最基本的作用是在汽車轉(zhuǎn)彎或是在其他要使得兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪曲線位移不同時(shí)，汽車可以借助差速器內(nèi)的行星齒輪實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)，使得汽車兩側(cè)車輪可以相對(duì)于路面做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
這種作用是差速器最簡單,最基本的，實(shí)現(xiàn)這種功用的差速器被稱為輪間差速器,此外還有安裝在各個(gè)驅(qū)動(dòng)橋之間的軸間差速器，當(dāng)車輪與路面附著條件較差時(shí)所安裝的防滑差速器等 【1】【7】。
1.4國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀
主變速箱是變速箱和驅(qū)動(dòng)軸之間的獨(dú)立的閉合傳動(dòng)裝置,是一種精密機(jī)械。利用它達(dá)到降低輸出軸轉(zhuǎn)速而增加輸出軸轉(zhuǎn)矩的目的,以滿足汽車的各種工作需要。
汽車主減速器主要由減速器外殼、機(jī)械傳動(dòng)所需要的齒輪，軸以及軸承?？梢詫p速器分為以下三部分：
1?齒輪、軸及軸承的配合；
2?主減速器箱體：主減速器殼體主要用來保證差速器齒輪以及主減速器齒輪能在一個(gè)密閉的環(huán)境中工作,以提高傳動(dòng)系壽命、保障傳動(dòng)平穩(wěn),另外主減速器殼體還要給差速器與主減速器齒輪提供支撐,使其能夠穩(wěn)定、平穩(wěn)工作。箱體是減速器必不可少的一部分。它是減速器傳動(dòng)元件的基礎(chǔ), 因此它必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。
3?減速器附件：為了確保主減速器可以正常運(yùn)行并盡可能延長主減速器的使用壽命,主要對(duì)其機(jī)械傳動(dòng)部分的齒輪、軸、軸承進(jìn)行必要的潤滑和防護(hù)，必須考慮到軸與軸承間潤滑脂的填充，減速器的油池中潤滑油的體積, 軸承座蓋和軸承座的拆卸維護(hù)，軸承和軸上零件的精確定位,適時(shí)的更換輔助組件。減速器的主要種類有：齒輪減速器，齒輪減速器，齒輪減速器和套件減速器。
1.4.1國外減速器現(xiàn)狀
減速器日常的工業(yè)生產(chǎn)中都有著極為廣泛的應(yīng)用，在機(jī)械制造和應(yīng)用領(lǐng)域更是扮演者不可或缺的角色。當(dāng)前市場上所存在的減速器普遍都有著體積大、重量重的、傳動(dòng)定量關(guān)系太大、機(jī)械效能太低的劣勢。
德國,丹麥和日本地區(qū)的機(jī)組研發(fā)的減速器處于世界領(lǐng)先地位,特別是在材料處理和制作工藝方面，所用的技術(shù)遠(yuǎn)超我國現(xiàn)有的制造水平。這些國家設(shè)計(jì)制造的減速器，工作可靠,使用壽命長，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性高。但由于減速器的傳動(dòng)部分仍然是軸齒輪機(jī)械傳動(dòng),并且在體積和重量方面并無明顯的降低,機(jī)械效能低的關(guān)鍵問題尚未得到有效解決。
日本住友重工業(yè)公司開發(fā)的solfa高精度減速機(jī),以及美國的艾倫牛頓公司開發(fā)的XY類減速機(jī),在傳輸原理和結(jié)構(gòu)上彼此相似,而區(qū)域機(jī)組是世界上最廣泛使用的減速機(jī)，它們是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的齒輪減速器。目前，這些企業(yè)在不斷提高的材料處理方式和制作工藝之外,還在不斷地對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械傳動(dòng)原理和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更為深刻的研究。這是一個(gè)簡單的道理，他們明白只有這樣減速器的發(fā)展更上一個(gè)臺(tái)階。在相同的時(shí)間,減速器的結(jié)構(gòu)以及電動(dòng)機(jī)也是一種蓬勃發(fā)展的類型,并取得了結(jié)構(gòu)形式的普及和動(dòng)力型號(hào)商品的普及。目前,對(duì)超小型減速器的分析結(jié)果似乎還不是很明顯。在醫(yī)學(xué)、應(yīng)用科學(xué)和人工智能領(lǐng)域內(nèi),小型電動(dòng)機(jī)已經(jīng)得到了很大的發(fā)展。分子電動(dòng)機(jī)的最新發(fā)展在美國和荷蘭,其結(jié)構(gòu)尺寸已達(dá)到納米范圍,如果可以輔以納米還原劑,其應(yīng)用前景將非常廣闊。
1.4.2國內(nèi)減速器現(xiàn)狀
國內(nèi)現(xiàn)存的減速器主要還是以齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)等普通的機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)為主,但通常都存在著傳動(dòng)功率小,減速器結(jié)構(gòu)尺寸大,重量大,或是傳動(dòng)比大但機(jī)械效能低的缺點(diǎn)。此外,制作減速器零件所用的材料的品質(zhì)和制造工藝上也存在不少缺陷,尤其是在大型的減速器中上訴的缺點(diǎn)則展示的更加明顯,并且這樣的零件使用壽命也很短。在中國使用的大型減速機(jī)(功率超過500kw),其中最先進(jìn)的減速器都來自國外,為此國家和企業(yè)不得不付更多的費(fèi)用。
1960年,減速器的研發(fā)得到進(jìn)一步的發(fā)展，擺線驅(qū)動(dòng)、諧波傳動(dòng)等減速器研發(fā)成功，這些新型的減速器具有傳動(dòng)比大,體積小,機(jī)械效率高的優(yōu)點(diǎn),所以他們開始在各行各業(yè)中大量使用。但是,它們?nèi)匀皇艿綑C(jī)械傳動(dòng)理論的限制,這些減速器并不能傳遞太大的功率。由于在傳動(dòng)原理和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上并沒有太大突破,減速器從根本上仍然無法解決體積大、重量高、機(jī)械效率低這些普遍存在的缺陷。十九世紀(jì)初,中國出現(xiàn)了一種三環(huán)(齒輪)減速器。這通常是一個(gè)外部平面齒輪減速器,它將達(dá)到更大的變速箱定量關(guān)系,并具有強(qiáng)大的載荷傳遞能力。它的體積和重量都非常高。它比設(shè)定的軸齒輪減速器小。由于其尺寸和重量比已安裝的軸齒輪減速器的尺寸和重量小,因此減速器的結(jié)構(gòu)不那么復(fù)雜,因此傳動(dòng)能力更高。得益于減速器的三軸平行結(jié)構(gòu),輸出功率與減速器數(shù)量的定量關(guān)系仍然非常小。輸入軸和輸出軸似乎不在恒定軸上,因此在明智的應(yīng)用中存在一些不便之處。此后,北京科技大學(xué)成功地研制出了"內(nèi)平齒減速機(jī)",它不僅具有三環(huán)減速機(jī)的優(yōu)點(diǎn),而且對(duì)減速機(jī)的重量比小，并具有很大的輸出功率,重要的是它的輸入和輸出軸在同一軸上，使得它可以被更為廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,其制造工藝在國內(nèi)甚至世界都處于領(lǐng)先地位。
1.5發(fā)展趨勢
現(xiàn)階段，減速器的研發(fā)向著大功率,大傳動(dòng)比,小體積和高機(jī)械效率的方向不斷發(fā)展。在這個(gè)階段,對(duì)減速器的性能要求越來越高,不僅需要長壽命,高性能,而且還要求汽車減速器能在產(chǎn)生很小的噪音條件下長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)。
1. 高水平、高性能。經(jīng)過滲碳或滲氮和淬火、磨齒處理后的齒輪，其承載能力將達(dá)到普通零件的4倍以上，其物理性能，使用性也可以得到大幅度的提升;
2. 積木式組合設(shè)計(jì)。使得機(jī)械零件通用性和互換性提高,在大批大量生產(chǎn)中可以顯著降低生產(chǎn)成本;
3. 形式多樣化，變形設(shè)計(jì)多樣化。采用這樣的設(shè)計(jì)方式使得主減速器的結(jié)構(gòu)有了很大的變化，現(xiàn)有的主減速器不再拘泥于傳統(tǒng)的底座安裝方式，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上發(fā)展出了了空心軸懸掛式、浮動(dòng)支承底座、電動(dòng)機(jī)與減速器一體式聯(lián)接，多方位安裝面等多形式的安裝，使得減速器可以使用在更多樣化的場合。
1.6課題研究的主要內(nèi)容
1） 緒論，講述汽車主減速器與差速器的功用及國內(nèi)外發(fā)展的進(jìn)展情況及發(fā)展趨勢；
2） 汽車的主要參數(shù)；
3） 主減速器，差速器的結(jié)構(gòu)選型；
4） 主減速器減速比的確定；
5） 主減速器三種載荷的計(jì)算；
6） 變速器機(jī)械傳動(dòng)齒輪的參數(shù)選擇；
7） 主減速器與差速的三維建模；
8） 主減速器與差速器的裝配。
本文介紹了汽車主變速箱和差動(dòng)變速箱主要部件的設(shè)計(jì)與標(biāo)定,在計(jì)算和3D建模的過程中,差動(dòng)變速箱和主變速箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及其工作原理都比較好。通過對(duì)汽車主要參數(shù)的分析和計(jì)算來設(shè)計(jì)和計(jì)算差速器變速箱和主變速箱的主要部件,并使用實(shí)體工程對(duì)主變速箱和差速器變速箱進(jìn)行3D建模,并使用相應(yīng)的2D模型進(jìn)行建模。工程圖通過軟件自動(dòng)生成。組裝完成后,對(duì)主變速箱和差速箱進(jìn)行仿真,以證明差速箱的原理。
1.7課題研究的重難點(diǎn)以及解決方法
在當(dāng)代汽車的發(fā)展中,對(duì)主減速器的要求不僅僅是降速增矩、機(jī)械效能的提高,而且隨著人們生活水平的提高，噪音性能也成為制造汽車主減速器的關(guān)鍵指標(biāo)。
減速器的噪聲源主要來自于主、從動(dòng)齒輪的嚙合碰撞和傳動(dòng)軸與軸承的相對(duì)滑動(dòng),它的強(qiáng)弱取決于齒輪輪齒的加工方法、制作工藝和零件安裝的精確度。與傳統(tǒng)的加工技術(shù)完全不同,采用磨齒工藝,并使用合適的磨削方法可以有效減少或消除齒類零件在熱處理過程中產(chǎn)生的熱變形。因此,與傳統(tǒng)的加工方法相比較,磨齒工藝可獲得更高的精度和重合性的齒輪。
為了減小驅(qū)動(dòng)輪的外形尺寸,現(xiàn)在在大多數(shù)主變速箱中都取消了直錐齒輪傳動(dòng)裝置。從實(shí)踐和理論實(shí)驗(yàn)來看,不帶根部切割的螺旋錐齒輪的最小齒數(shù)小于直齒輪的最小齒數(shù)。顯然,在相同的傳動(dòng)比率并符合制造要求的情況制造減速器時(shí)，使用螺旋錐齒輪傳動(dòng)裝置,比使用普通齒輪更緊湊,操作更平穩(wěn),噪音更低。
二 長安汽車主減速器、差速器的結(jié)構(gòu)選型
長安汽車是一款發(fā)動(dòng)機(jī)前置的前輪驅(qū)動(dòng)的轎車。由于本次設(shè)計(jì)是以長安汽車某型號(hào)家用轎車為原型，有資料表明該車的整套動(dòng)力系統(tǒng)是橫向布置，并且采用的都是質(zhì)量較小、結(jié)構(gòu)較為簡單的傳動(dòng)部件，所以整車的總體重量小，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率也較不大。所以，本次設(shè)計(jì)的汽車主減速器的主減速比并不需要太大。因此這里根據(jù)其車型，本次設(shè)計(jì)將會(huì)選用結(jié)構(gòu)簡單、體積和質(zhì)量小且傳動(dòng)效能較高的單級(jí)式主減速器。
對(duì)于在行駛在普通城市道路的汽車，行駛路面狀況是十分良好的，其前側(cè)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著系數(shù)沒有明顯的區(qū)別，且車輪與路面的附著能力較好，因此采用了結(jié)構(gòu)簡單、操作流暢、制造方便的輪間差速器，此種差速器是多種類型中最簡單也是最基本的。
2.1長安汽車的主要參數(shù)
長安汽車基本參數(shù)表（2-1）
類型
數(shù)值
總質(zhì)量/kg
1465
最高車速km/h
205
最大扭矩n*m/rpm
155/3500
車輪滾動(dòng)半徑/m
0.286
傳動(dòng)機(jī)械系效率
0.89
最大道路阻力系數(shù)
0.472
發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率kw/rpm
94/6000
第一檔傳動(dòng)比
3.550
第二檔傳動(dòng)比
2.071
第三當(dāng)傳動(dòng)比
1.474
第四檔傳動(dòng)比
1.038
第五檔傳動(dòng)比
0.844
主減速器的主減速比的大小將會(huì)影響主減速器的減速類型、外形尺寸、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。所以主減速比的計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)汽車減速器的第一步也是尤為重要一步。汽車主減速比,依據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率和變速器最高檔的傳動(dòng)比選擇。
根據(jù)下述公式和表2-1所提供的數(shù)據(jù)，計(jì)算得所設(shè)計(jì)汽車主減速器的傳動(dòng)比i0，i0=3.739.
i0=0,377rr×npvamax×?gh
注：
rr:車輪滾動(dòng)半徑?rr=0.286m；
np:發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)轉(zhuǎn)速?np=6000r/min；
vamax:最高車速?vamax=205km/h；
igh:變速器最高檔傳動(dòng)比?igh=ig5=0.844。
三 主減速器設(shè)計(jì)及主要參數(shù)選擇和計(jì)算
3.1 主減速器形式與輪齒類型的選擇以及支撐方案的選擇
主減速器按照其進(jìn)行減速增距的機(jī)械傳動(dòng)的齒輪副的數(shù)目，可分為單級(jí)減速主減速器,雙級(jí)減速主減速器；按照主減速器傳動(dòng)比檔數(shù)可以分為單速式主減速器,雙速式主減速器。減速器種類的選擇取決于主減速比的大小,因此取決于車輛性能(例如功率和燃油經(jīng)濟(jì)性)所需的驅(qū)動(dòng)軸下方的離地間隙,并因此取決于驅(qū)動(dòng)軸的范圍。如果減速器的減速模式只是選擇與最大減少量的定量關(guān)系的尺度一致，在傳統(tǒng)情況下，一旦汽車主減速器的最大減少量的定量關(guān)系，則選擇單級(jí)主減速器的減速模式。
單級(jí)主減速器的機(jī)械傳動(dòng)方式，考慮到本科學(xué)習(xí)知識(shí)有限，這里選擇使用直齒錐齒輪傳動(dòng)（懸臂式支撐方式）。
3.2 主減速器齒輪計(jì)算載荷的確定
由于汽車行駛后能力傳遞負(fù)載的不穩(wěn)定性,因此很難準(zhǔn)確地計(jì)算出實(shí)際齒輪的計(jì)算負(fù)載。通常,發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩是通過以下兩種情況中的較小者來計(jì)算的:在變速器的最低傳動(dòng)比和驅(qū)動(dòng)輪在良好道路上開始滑動(dòng)的兩種情況下,作用在主齒輪的從動(dòng)齒輪上的扭矩中的較小者,在車輛的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和標(biāo)定計(jì)算中,將計(jì)算得出的主變速箱從動(dòng)齒輪上較小的扭矩用作計(jì)算負(fù)荷【1】【6】。
3.2.1按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和變速箱最低檔傳動(dòng)比確定從動(dòng)齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩
Tce=Kd×T?max×i1×i0×ηn
Tce=1831.072n?m
注：
Kd:接離合器的動(dòng)載系數(shù)Kd=1；
Temax:動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Temax=155N·m；
i0:減速比?i0=3.739；
i1:速器一檔傳動(dòng)比?i1=3.550；
N:動(dòng)橋數(shù)n=1；
η:動(dòng)效率η =0.89。
3.2.2 按驅(qū)動(dòng)車輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩和打滑轉(zhuǎn)矩確定主減速器從動(dòng)齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩
Tcs=G2φrrμLb×?LB
Tcs=1925.15n?m
注：
G1:狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)橋的動(dòng)載荷G1=7840N；
φ:輪與路面的附著系數(shù)φ =0.85；
rr:胎滾動(dòng)半徑?rr=0.286；
μ:減速器中從動(dòng)齒輪到車輪之間的傳動(dòng)效率和傳動(dòng)比μjb=0.99，μLb=1。
3.2.3按日常平均使用轉(zhuǎn)矩來確定從動(dòng)齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩?
Tjm=Ga×rr?×n×ηfr+fn+fP
Tjm=4020.61n?m
注：
Ga:車滿載時(shí)的總重量?Ga=1465kg；
i:主減速器從從動(dòng)齒輪到車輪之間的總傳動(dòng)比? i =1；
rr:輪胎滾動(dòng)半徑?rr=0.286；
μ:主減速器從動(dòng)齒輪到車輪之間的總傳動(dòng)效率? μ =0.99；
n:驅(qū)動(dòng)橋數(shù)n=1；
fr:滾動(dòng)阻力系數(shù)fr=0.015；
fh:平均爬坡能力系數(shù)?fh=0.08；
fp:汽車性能系數(shù)?fp=0。
3.3主減速器齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)方法：通過4年本科階段學(xué)習(xí)的《機(jī)械設(shè)計(jì)》和《機(jī)械原理》教材所提供的公式及理論，本次設(shè)計(jì)將按照主減速器一檔齒輪對(duì)減速器進(jìn)行齒輪設(shè)計(jì)，并依次對(duì)傳動(dòng)齒輪進(jìn)行齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度、齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)及校核【1】【16】，最后比較兩者的計(jì)算結(jié)果，確定減速器傳動(dòng)齒輪的基本參數(shù)。
3.3.1主減速器參與機(jī)械傳動(dòng)的直齒錐齒輪基本參數(shù)選擇（z1，z2 ）
1.齒輪類型，材料及齒數(shù)的選擇
1） 本次設(shè)計(jì)選擇使用由一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪嚙合的機(jī)械傳動(dòng)，齒輪精度選擇7級(jí)；
2） 材料選擇：選擇40Cr（調(diào)質(zhì)）作為小齒輪的材料；45鋼（調(diào)質(zhì)）作為大齒輪的材料。
3） 齒輪齒數(shù)Z1 =16，大齒輪齒數(shù)Z2=io×z1 =3.739×16≈60。
3.3.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)【1】【15】
1） 計(jì)算小齒輪分度圓直徑
d1t≥34kHtT1ΦR1-0.5ΦR2U×ZH×zEσH2
d1t≥57.001mm
公式中的各參數(shù)值：
a) 選KHt=1.3；
b) 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
T=9.55×106P/n，=9.55×106×94/6000 =1.5×106 N?mm；
c) 選取齒寬系數(shù)中ΦR=0.3；
d) 主減速器傳動(dòng)比U=z1z2 =3.75；
e) 區(qū)域系數(shù)zh=2.5；
f) 彈性影響系數(shù)ZE=189.8 MPa1/2；
g) 計(jì)算直齒錐齒輪的接觸疲勞許用應(yīng)力[σH］
小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別取σHlim1=1200MPa，σHlim2=1200MPa。計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（按壽命10年，每年300天，每天3小時(shí)計(jì)算）(n1=6000rmin)：
N1=60n1jLh=60×6000×1×(10×3×300)=3.24×109；
N2=N1u=3024×109/3.3.719=8.67×108；
接觸疲勞壽命系數(shù)取KHN1=0.90，KHN2=0.95;失效概率取1%，安全系數(shù)取S=1，結(jié)合公式計(jì)算σH
σH=KHN×σHlims
σH1=1080Mpa
σH2=1140 Mpa
取σH1，σH2中的較小者作為該齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力，則σH=1080 Mpa。
2） 計(jì)算圓周速度
d1m=d1t1-0.5?R=48.45mm
v=π?1mn160×1000
v=15.22ms
3） 計(jì)算齒寬b
b=d1t×?Ru2+12
b =33.18 mm
齒寬系數(shù)?R=0.3， b=33.18 mm.
4） 計(jì)算載荷系數(shù)KH
（查《機(jī)械設(shè)計(jì)》第十章中表格和圖表）確定計(jì)算載系數(shù)的相關(guān)參數(shù)：使用系數(shù)KA=1.5；動(dòng)載系數(shù)KV=1.15；齒間載荷分配系數(shù)Khα=Kfα=1.1。
KH=KA×Kv×Khα×Kfα
K=2.08725
按實(shí)際載荷系數(shù)校正分度圓直徑：
d1=?1t3KKHt
（注：KHt=1.3.）
d1=66.746mm
計(jì)算齒輪模數(shù)m：
m=d1z1
m=4.1716 mm
3.3.3按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
1. 由公式試算模數(shù)，即
mt≥3kFtT1?R1-0.5?R2×z12U2+1YFaY5ασF
mt=4.3210mm
確定公式中各參數(shù)值
a) 初選KFt=1.3 ；
b) 計(jì)算YFaY5ασF：
由分錐角δ1=tan-11u=14.931°和δ2=90°-14.931°=75.039°，可得當(dāng)量齒數(shù)
Zv1=z1cosδ1=16.56
Zv2=z2cosδ2=232.41
查得Error! Reference source not found.齒形系數(shù)YFα1=3.1、YFα2=2.28；應(yīng)力修正系數(shù)Ysα1=1.48、Ysα1=1.73；小齒輪和大齒輪的齒根彎曲疲勞極限分別為σlim1=810MPa、σlim2=810MPa；取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.89、KFN2=0.92；取彎曲疲勞安全系數(shù)s=1.4。計(jì)算許用應(yīng)力σF：
σFI=kFN1σlim1s=514.929Mpa
σF2=kFN2σlim2s=532.286 Mpa
YFa1Y5α1σF1=0.00891;YFa2Y5α2σF2=0.00741
取大值YFaY5ασF=0.00891。
2. 調(diào)整齒輪模數(shù)
1） 圓周速度v：
d1=mz1=67.5mm
d1m=d11-0.5?R=57.375 mm
v=π?1mn160×1000=18.02mS
2） 齒寬b：
b=d1×?Ru2+12
b=39.30mm
3） 計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)KF
確定計(jì)算載系數(shù)的相關(guān)參數(shù)：使用系數(shù)KA=1.5；動(dòng)載系數(shù)KV=1.15；齒間載荷分配系數(shù)Kfα=1.1；（?d=bd1=0.58≈0.6）查表得Khβ=1.208，所以Kfβ=1.32。
KF=KA×Kv×Kfα×Kfβ=2.5047
4） 按實(shí)際載荷系數(shù)計(jì)算齒輪模數(shù)m
m=mt3kkFt=5.377
比較計(jì)算結(jié)果,齒輪模數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)值M=5 mm；齒輪的分度圓直徑d1=66.746mm，小齒輪齒數(shù)z1=d1m=14.83。
取z1=14,則大齒輪齒數(shù)z2=uz1=52.5，取z2=53（從齒輪的應(yīng)力循環(huán)考慮，兩個(gè)嚙合的齒輪其齒數(shù)應(yīng)互質(zhì)）。
3. 幾何尺寸計(jì)算
1) 計(jì)算分度圓直徑
d1=z1m=75 mm
d2=z2m=285mm
2) 計(jì)算分錐角
δ1=arctan1u=14.93°
δ2=90°-14.93°=75.07°
3) 計(jì)算齒輪寬度
b=?R?1u2+12=40.61mm
取b1=b2=40 mm。
根據(jù)以上對(duì)主減速器傳動(dòng)齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的計(jì)算，得出以下有關(guān)汽車主減速器機(jī)械傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)結(jié)論：小齒輪齒數(shù)z1=14，大齒輪齒數(shù)z2=53；模數(shù)m=5 mm；壓力角α=20°；變位系數(shù)x1=x2=0；分錐角δ1=14.93°，δ2=75.07°；齒寬b1=b2=40 mm。小齒輪材料選用40Cr（調(diào)質(zhì)），大齒輪選用45鋼（調(diào)質(zhì)）。齒輪精度為7級(jí)。
3.3.4按變速器一檔齒輪設(shè)計(jì)
上面使用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是"機(jī)械設(shè)計(jì)"和"機(jī)械原理"教科書中提到的設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法,由與按照理論計(jì)算所得到的齒輪尺寸較大,其并不適用于發(fā)動(dòng)機(jī)橫向裝置的前驅(qū)動(dòng)汽車,這里采用變速器一擋齒輪設(shè)計(jì)作為參照設(shè)計(jì)主減速器的傳動(dòng)齒輪。
1） 模數(shù)選擇【1】【14】
在齒輪中心距相似的情況下,齒輪選擇較小的模數(shù),由公式可知齒輪的齒數(shù)會(huì)增加,繼而在增加齒輪的接觸線長度,這樣就會(huì)增加齒輪嚙合的重合度,還可以減少齒輪產(chǎn)生的噪音嚙合傳動(dòng),因此從降低噪音的角度出發(fā)應(yīng)適度降低模量,增加齒寬;而從減小機(jī)械總質(zhì)量方面來看,應(yīng)該適當(dāng)增加齒輪的模數(shù)、削減齒寬。
對(duì)于家用車來說,降低噪音非常必要,因此本次設(shè)計(jì)會(huì)優(yōu)先選擇較小的模數(shù)的傳動(dòng)齒輪。對(duì)于汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)排量在1.6以下的家用汽車,其機(jī)械傳動(dòng)部分的齒輪模數(shù)通常在2.5和2.75之間選擇；發(fā)動(dòng)機(jī)排量在0.6到2.5之間時(shí),其機(jī)械傳動(dòng)部分的齒輪模數(shù)通常在2.75到3.00之間選擇。所選模數(shù)的值應(yīng)為每個(gè)國家或地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)值。選擇變速箱的模數(shù)時(shí),應(yīng)首選下表的第一系列。?
表3.1??汽車變速器常用齒輪模數(shù)表 (mm)
第一系列
第二系列
1.00
1.75
1.25
2.25
1.50
2.75
2.00
（3.25）
2.50
3.50
3.00
（3.75）
4.00
4.50
5.00
5.50
2） 壓力角選擇
選擇較小的齒輪壓力角時(shí),齒輪嚙合重疊程度較大,但這可能會(huì)降低齒輪的剛度,從而增加嚙合齒輪之間的沿接觸線的載荷的不均勻程度,使傳動(dòng)穩(wěn)定性下降。所以對(duì)于要求齒輪的接觸強(qiáng)度高的場合,應(yīng)該選擇較大的壓力角【1】【13】。
從查詢到資料上看,對(duì)于普通的家用車而言,為了延長齒輪的重疊度并減少齒輪嚙合產(chǎn)生的噪音,應(yīng)該采取14.5o、15o、16o、16.5o和其他較小的合適的壓力角;對(duì)于大型、負(fù)載較大的貨運(yùn)車輛,為了提高汽車機(jī)械傳動(dòng)部分齒輪的承載能力,應(yīng)該選擇25o或22.5o和其他較大的合適的壓力角。對(duì)于需要具有較大傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng),應(yīng)該采用更大的壓力角來增加強(qiáng)度。
3） 螺旋角的選擇
注：本次課題中選用直齒錐齒輪單級(jí)主減速器的傳動(dòng)形式，故螺旋角的選用可以忽略。
4） 齒寬系數(shù)的選擇
增加齒寬系數(shù)，齒輪的軸向尺寸會(huì)增大，而徑向尺寸會(huì)減小。家用車要求要使使傳動(dòng)裝置的軸向尺寸最小化和減小差速器總質(zhì)量以減小汽車驅(qū)動(dòng)橋的整體尺寸,這時(shí)在保證減速器傳動(dòng)齒輪接觸強(qiáng)度的前提下，較小的齒寬系數(shù)會(huì)是更好的選擇。有時(shí)根據(jù)公式來確定齒寬的尺寸,并根據(jù)齒輪模塊的尺寸來確定:螺旋齒輪,取值在6.0-8.5之間,一旦傳動(dòng)定量關(guān)系很大,則齒寬恒定將用作更大的價(jià)格來延長接觸線的長度,減小牙齒表面的接觸應(yīng)力。
5） 齒輪變位系數(shù)選擇
方形變速齒輪主要分為兩類:極變速齒輪和角變速齒輪。極度變速的齒輪嘗試是指使修正常數(shù)為零的齒輪相互嚙合的嘗試。因此,角位移齒輪嘗試是指零位移常數(shù)嚙合的齒輪。
標(biāo)準(zhǔn)齒輪傳動(dòng)具有設(shè)計(jì)簡單，互換性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，但在一些特殊場合標(biāo)準(zhǔn)安裝的齒輪傳動(dòng)就會(huì)存在一些使用給限制，如：標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)齒輪正常嚙合的必要條件之一便是齒輪的齒數(shù)必須大于等于最小根齒數(shù)，否則會(huì)發(fā)生根切現(xiàn)象；其次，標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)齒輪只適用于標(biāo)準(zhǔn)中心距的情況（中心距大于標(biāo)準(zhǔn)值，會(huì)產(chǎn)生過大的齒側(cè)間隙，小于標(biāo)準(zhǔn)值則無法安裝。
所以為了改善標(biāo)準(zhǔn)齒輪嚙合的不足，要對(duì)齒輪進(jìn)行必要的修正，一些教材中稱之為變?yōu)樾拚Ｒ虼水?dāng)傳動(dòng)比較大時(shí),就應(yīng)該選擇較大的變?yōu)橄禂?shù)來獲得高強(qiáng)度的齒輪組合。
齒頂高常數(shù)選擇較小的值,齒輪重疊很小,工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪音,這時(shí)齒輪的齒面所受的彎曲力矩減小,齒輪齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度增加。在齒輪技術(shù)的精度上,不再使用短齒系統(tǒng)齒輪,因此我國規(guī)定的齒頂高系數(shù)可以為1.00。為了使一對(duì)嚙合齒輪增加重疊程度,同時(shí)相應(yīng)地降低噪音,提高齒根彎曲疲勞強(qiáng)度,一般使用齒頂高系數(shù)大于1.00的高齒細(xì)齒系齒輪。一旦使用細(xì)齒高系統(tǒng),就必須確保齒的最高厚度不超過0.3米,這樣就不會(huì)在齒輪上產(chǎn)生根部割傷和齒頂干擾。目前,這類細(xì)高齒制齒輪的齒頂高系數(shù)還沒有統(tǒng)一的規(guī)范。這里取《機(jī)械設(shè)計(jì)》本科教材中的標(biāo)準(zhǔn)值,齒頂高系數(shù)ha*=1。
綜上所述，本次設(shè)計(jì)的單級(jí)主減速器的主、從動(dòng)直齒錐齒輪的主要參數(shù)如表3.2和表3.3所示。對(duì)于主減速器主、從動(dòng)齒輪的其他幾何參數(shù)將在solid works三維建模中通過相關(guān)計(jì)算公式加以計(jì)算并確定。
表3.2主減速器直齒錐齒輪從動(dòng)齒輪主要參數(shù)
齒輪參數(shù)類型
數(shù)值
法面模數(shù)（mm）
5
齒數(shù)
53
法面壓力角（°）
20
分錐角（°）
75.07
齒輪寬度（mm）
40
齒頂高系數(shù)
1
頂隙系數(shù)
0.2
法面變位系數(shù)
0
表3.3主減速器直齒錐齒輪主動(dòng)齒輪主要參數(shù)
齒輪參數(shù)類型
數(shù)值
法面模數(shù)（mm）
5
齒數(shù)
14
法面壓力角（°）
20
分錐角（°）
14.93
齒輪寬度（mm）
40
齒頂高系數(shù)
1
頂隙系數(shù)
0.5
法面變位系數(shù)
0
3.4差速器行星齒輪與半軸齒輪主要參數(shù)選擇和計(jì)算
3.4.1行星齒輪數(shù)目的選擇
普通汽車的差速器通常用一對(duì)行星齒輪,貨運(yùn)汽車主要使用四個(gè)行星齒輪,一些汽車差速器使用3個(gè)行星齒輪。齒輪的球形半徑由小齒輪和冠狀齒輪差速器的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)定。小齒輪和冠狀齒輪差速器的結(jié)構(gòu)尺寸有時(shí)取決于齒輪后部的球形半徑。該半徑是齒輪的安裝尺寸,實(shí)際上是。在上表示行星齒輪的螺距。差速器的小齒輪和冠輪在某種程度上是差速器強(qiáng)度的象征【1】【11】。通常根據(jù)隨后的化學(xué)公式計(jì)算出球半徑：
Rb=Kb×3Tj=36.09mm
公式中參數(shù)如下：
a) Kb: 行星齒輪球半徑系數(shù)=2.52-2.99,對(duì)于具有一對(duì)行星齒輪和所有越野模型的汽車以及礦車,可以將行星齒輪的球面半徑系數(shù)作為一個(gè)較大的值。這里半徑系數(shù)取2.95【1】【15】；
b) Tj:計(jì)算轉(zhuǎn)矩，在Tce與Tcs中取較小值，即Tj=Tce=1831.072n?m。
差速器行星齒輪球面半徑Rb確定后，可根據(jù)下式選擇合適的行星齒輪的節(jié)錐距：
A0=0.98-0.99Rb
這里節(jié)錐距A0取35.50mm。
3.4.2行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)的選擇
為了使差速器的傳動(dòng)齒輪擁有較高的接觸強(qiáng)度，這樣就要使行星齒輪的齒數(shù)應(yīng)盡量小一些，但一般不應(yīng)該少于10。資料顯示普通家用汽車所用的輪間差速器，普通輪間差速器其半軸齒輪與行星齒輪的齒數(shù)比一般在1.5至2之間【1】【5】，這使得在本次設(shè)計(jì)中，只需確定行星齒輪齒數(shù)，根據(jù)比例計(jì)算出半軸齒輪齒數(shù)即可。
當(dāng)一對(duì)行星齒輪和兩個(gè)半軸齒輪的差動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)同時(shí)嚙合時(shí),行星齒輪和半軸齒輪的齒數(shù)就可以確定。軸齒輪確定后,有必要考慮其四個(gè)齒輪之間的關(guān)系。根據(jù)相關(guān)信息,連接到齒輪的小齒輪和齒圈齒輪差速器應(yīng)將左小齒輪和右小齒輪的齒數(shù)之和除以行星齒輪的數(shù)量,因此行星齒輪將在軸上平均分配,否則,將無法正確區(qū)分速度,使得差速器的齒輪無法正確嚙合【1】【8】。
?這里初步選定行星齒輪的齒數(shù)z1=10，半軸齒輪的齒數(shù)z2=18。
1. 輪間差速器機(jī)械傳動(dòng)部分齒輪模數(shù)以及半軸齒輪節(jié)圓直徑的計(jì)算
1） 行星齒輪與半軸齒輪的節(jié)錐角γ1，γ2的確定：
γ1=arctanz1z2=29.0546°
γ2=arctanz2z1=60.9464°
2） 圓錐齒輪的大端面模數(shù)m：
m=2×A0z1sinγ1= 3.470mm
m=2×A0z2sinγ2=3.445mm
m取3.4575.
3） 半軸齒輪節(jié)圓直徑d：
d=mz2= 62.235mm
4） 壓力角（α）的選擇：
汽車差速器使用的壓力角為22.5o,齒高常數(shù)為0.8。因此,對(duì)于輪間差速器的行星齒輪齒數(shù)選擇為12,齒距通常不小于10。因此,如果不切割行星齒輪的齒,則縱橫齒輪的切向校正齒的厚度通常是雙曲線的,行星齒輪的強(qiáng)度以及半軸齒輪的強(qiáng)度是相等的。
綜上所述，我將差速器的行星齒輪、半軸齒輪的主要參數(shù)整理到下表（表3.4）。
表3.4 行星齒輪（左側(cè)）與半軸齒輪（右側(cè)）的主要參數(shù)
參數(shù)類型
數(shù)值
參數(shù)類型
數(shù)值
模數(shù)（mm）
6.35
模數(shù)（mm）
6.35
齒數(shù)
12
齒數(shù)
20
節(jié)錐角（°）
34.287
節(jié)錐角（°）
55.731
齒輪寬度（mm）
12
齒輪寬度（mm）
12
齒頂高系數(shù)
1.0
齒頂高系數(shù)
1.0
頂隙系數(shù)
0.188
頂隙系數(shù)
0.188
變位系數(shù)
0
變位系數(shù)
0
四 主減速器與差速器的三維實(shí)體建模
SolidWorks 是美國SolidWorks公司研發(fā)的一款三維CAD軟件,它可以快速建模許多機(jī)械結(jié)構(gòu),并且是當(dāng)今使用最廣泛的三維CAD軟件。它使用恒定數(shù)量特征建模技術(shù)來提供強(qiáng)大的樣式靈活性。外觀方法的整體連接外觀方法的整體連接使設(shè)計(jì)人員可以在外觀方法的任何階段切換外觀,同時(shí)以極其連續(xù)的方式更改連接零件的外觀參數(shù)【1】【3】。
SolidWorks軟件包以及“今日制造”“麥迪”插件為本次設(shè)計(jì)中的主減速器和差速器建模提供了高效經(jīng)濟(jì)開發(fā)平臺(tái)。利用SolidWorks軟件系統(tǒng)和相關(guān)插件,我們很輕易的建立起一個(gè)主減速器的三維模型,并利用其虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)模擬出主減速器完整的運(yùn)動(dòng)方式。運(yùn)用solid works軟件,在汽車主減速器設(shè)計(jì)的圖紙繪制階段, 可以很直觀的觀察減速器和差速器各個(gè)傳動(dòng)部件之間的干涉 ,主減速器和差速器內(nèi)在的設(shè)計(jì)缺點(diǎn)和缺陷也往往在其開發(fā)過程中就可以被發(fā)現(xiàn),進(jìn)一步滿足設(shè)計(jì)的要求,從而在設(shè)計(jì)階段就可以進(jìn)一步優(yōu)化主減速和差速器的設(shè)計(jì),在實(shí)際生產(chǎn)和制造中極大的減少了開發(fā)和生產(chǎn)所需要的資源和時(shí)間。
4.1主減速器和差速器三維建模思路以及建模具體步驟
主減速器齒輪的建模采用參數(shù)化和3D繪圖的建模思路。該畢業(yè)項(xiàng)建模主要集中在單級(jí)正齒輪和冠輪主減速器和差速器的齒輪傳動(dòng)部分。關(guān)鍵是創(chuàng)建其三維模型，裝配及動(dòng)畫，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模擬的目的。
三維建模要求：
1. 查閱相關(guān)書籍及論文資料，根據(jù)已得數(shù)據(jù)得出單級(jí)主減速器和差速器的齒輪的具體尺寸參數(shù)；
2. 根據(jù)齒輪精確的計(jì)算參數(shù)，運(yùn)用solid works軟件對(duì)單級(jí)主減速器和差速器進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建，需要設(shè)計(jì)的零件的三維模型包括：主減速器——單級(jí)主減速器的主動(dòng)錐齒輪、從動(dòng)錐齒輪，以及減速器的外殼共繪制三個(gè)模型；差速器——一對(duì)行星齒輪，一對(duì)半軸齒輪，共4個(gè)零件，并依據(jù)資料繪制出額外的兩個(gè)直齒錐齒輪的傳動(dòng)。
3. 將繪制的兩零件裝配到一起；
4. 單級(jí)主減速外殼的三維建模。
4.2單級(jí)直齒錐齒輪主減速器和差速器相關(guān)參數(shù)
由論文第三章的計(jì)算，主減速器主動(dòng)錐齒輪齒數(shù)Z1=14，從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)為Z2=53。再根據(jù)第三章的計(jì)算數(shù)據(jù)及《機(jī)械原理》中的相關(guān)計(jì)算公式得出如表4.1主減速器主從動(dòng)直齒錐齒輪的主要尺寸參數(shù)。（其他三維建模相關(guān)參數(shù)在以下論述在做計(jì)算）
表4.1主減速器標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪傳動(dòng)的幾何參數(shù)類型及尺寸
名稱
數(shù)值
大齒輪
小齒輪
齒數(shù)
14
53
分錐角δ（°）
14.93°
75.07°
模數(shù)（mm）
5
壓力角（°）
20
齒頂高系數(shù)ha*
1.0
頂隙系數(shù)C*
0.2
齒頂高h(yuǎn)a
5
齒根高h(yuǎn)f
1.2
全齒高H
6.2
分度圓直徑d（mm）
70
265
齒頂圓直徑?a（mm）
71.93
265.52
齒根圓直徑?f（mm）
67.68
264.38
錐距R
137.04
齒根角θf
0.50
頂錐角δa（°）
15.43
75.57
根錐角δf（°）
14.43
74.57
頂隙c
1
分度圓齒厚s
7.85
當(dāng)量齒數(shù)zV
14.49
205.71
齒寬Bmm
40
表4.2 差速器行星齒輪與半軸齒輪主要參數(shù)類型以及尺寸
參數(shù)類型
數(shù)值
參數(shù)類型
數(shù)值
模數(shù)（mm）
6.35
模數(shù)（mm）
6.35
齒數(shù)
12
齒數(shù)
20
節(jié)錐角（°）
34.287
節(jié)錐角（°）
55.731
齒輪寬度（mm）
12
齒輪寬度（mm）
12
齒頂高系數(shù)
1.0
齒頂高系數(shù)
1.0
頂隙系數(shù)
0.188
頂隙系數(shù)
0.188
變位系數(shù)
0
變位系數(shù)
0
4.3基于solid works建立汽車單級(jí)主減速器三維模型的步驟
4.3.1單級(jí)直齒錐齒輪主減速器建模的理論知識(shí)
1. 錐齒輪軸測圖主要由齒頂圓母線、分度圓母線、基圓母線、齒根圓母線以及被錐線構(gòu)成；其中分度圓母線與X軸所構(gòu)成的圓錐我們稱之為分度圓錐，所構(gòu)成的角度就為分錐角（δ）；被錐線與X軸形成的圓錐叫做被錐；
2. 分度圓母線與被錐線相垂直，分度圓直徑（d=mz）；
3. 分度圓母線與被錐線的交點(diǎn)距齒頂圓母線與被錐線交點(diǎn)的距離為齒頂高（Ha）；距齒根圓母線與被錐線交點(diǎn)的距離為齒根高（Hf）；距基圓母線與被錐線交點(diǎn)的距離為齒基高（Hb）；
4.3.2單級(jí)直齒錐齒輪主減速器主從動(dòng)錐齒輪三維建模
1. 建模前的參數(shù)方程及數(shù)值的輸入；
打開solid works2018，首先建立一個(gè)零件模板；之后打開solid works2018頁面的左上角，點(diǎn)擊展開，點(diǎn)擊工具T，點(diǎn)擊方程式一欄Σ方程式Q（如表4.2所示）（注：有方程式文件的話可以直接點(diǎn)擊輸入I即可；若想更改方程式，將對(duì)勾取消即可修改），輸入完成點(diǎn)擊確定。（如圖4.1）
圖4.1
表4.2 需要導(dǎo)入的相關(guān)參數(shù)和方程式
數(shù)值
類型
"m"= 5mm'
模數(shù)
"z1"= 14'
小齒輪齒數(shù)
"z2"= 53'
大齒輪齒數(shù)
"α"= 20度'
壓力角
"b"= 40mm'
齒寬
"Ha*"= 1'
齒頂高系數(shù)
"Ha*"= 1'
齒頂高系數(shù)
"c*"= 0.2'
頂隙系數(shù)
"Ha"= "m" * "Ha*"'
齒頂高
"Hf"= "m" * "Ha*" + "m" * "c*"'
齒根高
"H"= "Ha" + "Hf"'
全齒高
"δ"= atn ( "z1" / "z2" )'
分錐角
"d"= "m" * "z1"'
分度圓直徑
"?_a"= "d" + cos ( "δ" ) * "Ha" * 2'
齒頂圓直徑
"?_f"= "d" - 2 * "Hf" * cos ( "δ" )'
齒根圓直徑
"R"= "m" * sqr ( "z1" * "z1" + "z2" * "z2" ) / 2'
錐距
"θf"= atn ( "Hf" / "R" )'
齒根角
"δa"= "θf" + "δ"'
頂錐角
"δf"= "δ" - "θf"'
根錐角
"c"= "m" * "c*"'
頂隙
"s"= "m" * "π" / 2'
分度圓齒厚
"π"= 3.1415926'
參數(shù)π
"zv"= "z1" / cos ( "δ" )'
當(dāng)量齒數(shù)
"db"= "d" * cos ( "α" )'
基圓直徑
"hb"= ( "d" - "db" ) / ( cos ( "δ" ) * 2 )'
齒基高
"da 1"= "d" + "Ha" * 2'
大端面齒頂圓直徑
"db 1"= "d" - "hb" * 2'
大端面基圓直徑
"r1"= "d" / 2'
大端面分度圓半徑
"ra1"= "da 1" / 2'
大端面齒頂圓半徑
"rb1"= "db 1" / 2'
大端面基圓圓半徑
"rf1"= "df 1" / 2'
大端面齒根圓半徑
"11" = ( "π" * "m" ) / ( "r1" * 4 )
"22" = tan ( arccos ( "rb1" / "r1" ) )
"33"= "π" * arccos ( "rb1" / "r1" ) / 180
"offset"= "11" - "22" + "33"'
大端面漸開線偏移角度
2. 主減速器主動(dòng)錐齒輪實(shí)體的繪制；
1） 觀察solid works左側(cè)設(shè)計(jì)樹，右擊右視基準(zhǔn)面,再點(diǎn)擊最右側(cè)草圖繪制圖標(biāo)；
2） 在草圖工具欄中點(diǎn)擊，以原點(diǎn)為起始端繪制三角形，并以最右側(cè)端點(diǎn)為起點(diǎn)繪制三條線段交與對(duì)角邊（被錐線）;由4.3.1繪制理論，4條起于右側(cè)頂點(diǎn)，終于對(duì)角邊的四條線段分別為齒頂圓母線、分度圓母線、基圓母線、齒根圓母線，并且已知齒頂圓母線與被錐線相互垂直，故定義兩者垂直——鼠標(biāo)選擇齒頂圓母線，按下CTAL鍵，在選擇被錐線，在左側(cè)彈出的屬性選框中選擇垂直U；最后框選整個(gè)圖形在彈出的屬性中找見選項(xiàng)O，選擇作為構(gòu)造線C；（如圖4.2所示）
圖4.2
3） 為之上述草圖標(biāo)注尺寸，選擇智能標(biāo)注。
a) 從左至右，分別標(biāo)注被錐線上點(diǎn)到X軸（底邊）的距離，分別為齒根圓直徑?f、基圓直徑?b、分度圓直徑d、齒頂圓直徑?a的一半——點(diǎn)擊一點(diǎn)和底邊，鼠標(biāo)下移至底邊之下，solid works軟件會(huì)自動(dòng)標(biāo)注為直徑尺寸，選擇之后彈出（如圖4.3所示），之后刪除數(shù)值彈出對(duì)話框，選擇全局變量，在新對(duì)話框中選擇對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)即可（智能標(biāo)注均如此，之后不再細(xì)述），之后由4.3.1錐齒輪繪制理論，以同樣方法標(biāo)注錐距R，此時(shí)草圖1已經(jīng)完全定義（如圖4.4）；
圖4.3
圖4.4草圖1
b) 繪制錐齒輪輪廓線，選擇直線L工具，這里以最高點(diǎn)為起點(diǎn)繪制，如圖4.5所示，標(biāo)注齒寬b，標(biāo)注定與被錐線共線的線段的下頂點(diǎn)與齒根圓母線交與被錐線的點(diǎn)的距離為全齒高H，并約束與其對(duì)邊平行，之后標(biāo)注對(duì)邊線段的下頂點(diǎn)到其與齒根圓母線相交點(diǎn)的距離為0.8倍的全齒高H；
c) 最后在被錐線上定義一點(diǎn)，此點(diǎn)到分度圓母線與被錐線的交點(diǎn)的距離為分度圓直徑d的一半。此點(diǎn)為錐齒輪輪齒的繪制提供輔助作用。（如圖4.5所示）
圖4.5草圖二
4） 點(diǎn)擊左上角退出草圖，選擇工具欄中特征選項(xiàng)卡，點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)/基體，點(diǎn)擊已完全定義的草圖，旋轉(zhuǎn)軸選擇之前按所繪制的三角形的底邊，角度選擇為360°，最終形成的回轉(zhuǎn)體1即為錐齒輪的實(shí)體如圖4.6所示。
圖4.6回轉(zhuǎn)體1
3. 主動(dòng)直齒錐齒輪輪齒的繪制；
1） 以第二部分第三個(gè)步驟的C小步建立的點(diǎn)和如圖4.7所示的傾斜面為參照建立一個(gè)基準(zhǔn)面1——點(diǎn)擊工具欄倒數(shù)第三個(gè)標(biāo)識(shí)參考，彈出對(duì)話框后，點(diǎn)擊基準(zhǔn)面，
圖4.7基準(zhǔn)
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