哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
摘要
驅(qū)動(dòng)橋是構(gòu)成汽車的四大總成之一，位于傳動(dòng)系的末端，其基本功用首先是增扭、降速、改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向，并將轉(zhuǎn)矩合理地分配給左、右驅(qū)動(dòng)車輪；其次，驅(qū)動(dòng)橋還承受作用于路面和車架或車身之間的力。驅(qū)動(dòng)橋一般由主減速器、差速器、車輪傳動(dòng)裝置和橋殼等組成。驅(qū)動(dòng)橋的性能好壞直接影響整車性能，而對(duì)于載重汽車顯得尤為重要。驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)應(yīng)主要保證汽車在給定的條件下具有最佳的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。故，當(dāng)采用大功率發(fā)動(dòng)機(jī)輸出大的轉(zhuǎn)矩以滿足目前載重汽車的快速、重載的高效率、高效益的需要時(shí)，必須搭配一個(gè)高效、可靠的驅(qū)動(dòng)橋。
本設(shè)計(jì)參照傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了載重汽車驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，首先對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的特點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明，根據(jù)給定的數(shù)據(jù)確定了汽車的總體參數(shù)，再確定主減速器、差速器、半軸和橋殼的結(jié)構(gòu)類型及其參數(shù)，并對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行校核。數(shù)據(jù)確定之后，利用CATIA軟件建立三維模型，再利用其自身功能繪制二維工程圖，最后利用ANSYS對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行有限元分析。
關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)橋；CATIA；ANSYS；有限元分析
Abstract
Drive axle is one of the four parts of a car, it is generally constituted by the main gear box, the differential device, the wheel transmission device and the driving axle shell and so on it is at the end of the powertrain. Its basic function is increasing the torque and reducing speed and bearing the force between the road and the frame or body. Its performance will have a direct impact on automobile performance, and it is particularly important for the car. Drive axle should be designed to ensure the best dynamic?and?fuel?economy?on?given?condition
Using double stage and high transmission efficiency of the drive axle has become the development direction of the future trucks. This article referred to the traditional driving axle's design method to carry on the truck driving axle's design. In this design, first part is the introduction of the characteristics of the drive axle, according to the given date to calculate the parameters of the automobile, then confirm the structure types and parameters of the Main reducer, differential mechanism, half shaft and axle housing, then check the strength and life of them. After confirming the parameters, use CATIA to establish 3 dimensional model and 2 dimensional model. Finally use ANSYS to finite element analysis for the axle housing.
Key words: drive axle; CATIA; ANSYS; finite element analysis
目錄
摘要 I
Abstract II
目錄 III
第 1 章 緒論 1
1.1 本課題研究的目的和意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述 2
1.3 主要研究?jī)?nèi)容 3
第 2 章 驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì) 4
2.1 主減速器設(shè)計(jì) 4
2.1.1 主減速器的結(jié)構(gòu)形式 4
2.1.2 主減速器錐齒輪設(shè)計(jì) 6
2.1.3 主減速器斜齒圓柱齒設(shè)計(jì) 15
2.2 差速器設(shè)計(jì) 18
2.2.1 對(duì)稱錐齒輪式差速器的工作原理 18
2.2.2 對(duì)稱圓錐行星齒輪式差速器的結(jié)構(gòu) 19
2.2.3 對(duì)稱圓錐行星齒輪式差速器的設(shè)計(jì) 19
2.3 驅(qū)動(dòng)半軸設(shè)計(jì) 24
2.3.1 結(jié)構(gòu)形式分析 24
2.3.2 全浮式半軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25
2.3.3 全浮式半軸的強(qiáng)度計(jì)算 26
2.3.4 半軸的材料及熱處理 26
2.4 制動(dòng)器設(shè)計(jì) 27
2.4.1 同步附著系數(shù)分析 27
2.4.2 制動(dòng)器的有關(guān)計(jì)算 27
2.4.3 制動(dòng)器主要零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 32
2.5 驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì) 34
2.5.1 整體式橋殼的結(jié)構(gòu) 34
2.5.2 橋殼的受力分析與強(qiáng)度計(jì)算 34
2.6 小結(jié) 36
第 3 章 CATIA三維建模 37
3.1 CATIA軟件介紹 37
3.2 主減速器建模 37
3.3 差速器建模 37
3.4 驅(qū)動(dòng)半軸建模 37
3.5 驅(qū)動(dòng)橋殼建模 40
3.6 驅(qū)動(dòng)橋整體三維建模 40
3.7 小結(jié) 42
第 4 章 驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析 43
4.1 驅(qū)動(dòng)橋殼的約束及受力分析 43
4.2 計(jì)算方法的局限性 43
4.3 有限元模型的建立 43
4.4 材料屬性及網(wǎng)格劃分 44
4.5 驅(qū)動(dòng)橋殼的靜強(qiáng)度分析 45
4.5.1 引言 45
4.5.2 最大垂向力工況 45
4.5.3 最大牽引力工況 47
4.5.4 最大制動(dòng)力工況 50
4.6 小結(jié) 52
結(jié)論 53
致謝 54
參考文獻(xiàn) 55
某商用車雙速主減速器驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì) I
摘 要 I
I
- -
第 1 章 緒論
1.1 本課題研究的目的和意義
驅(qū)動(dòng)橋位于汽車結(jié)構(gòu)傳動(dòng)系的末端，用來(lái)增大由傳動(dòng)軸或直接由變速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩，并將轉(zhuǎn)矩分配給左、右驅(qū)動(dòng)車輪，并使車輪具有汽車行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)所要求的差速功能；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋還要承受作用于路面和車架或車廂之間的鉛垂力、縱向力和橫向力[1]。在一般的汽車結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)橋包括主減速器(又稱主傳動(dòng)器）、差速器、驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)裝置及橋殼等部件[2]。
驅(qū)動(dòng)橋的類型主要有斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋和非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋兩種。驅(qū)動(dòng)車輪采用獨(dú)立懸架時(shí)，應(yīng)選用斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋；驅(qū)動(dòng)橋才贏非獨(dú)立懸架時(shí)，應(yīng)采用非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋。
由于本次設(shè)計(jì)是基于CA141型汽車進(jìn)行的設(shè)計(jì)，故需要對(duì)商用車的使用需求進(jìn)行一定說(shuō)明：對(duì)于商用車來(lái)說(shuō)，要傳遞的轉(zhuǎn)矩較乘用車和客車都要大得多，以便能夠以較低的成本獲得更高的工作能力，所以選擇功率較大的發(fā)動(dòng)機(jī)，這就對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)有較高的要求，而驅(qū)動(dòng)橋在傳動(dòng)系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用[3]。隨著目前國(guó)際上石油價(jià)格的上漲，貨車的經(jīng)濟(jì)性日益成為人們關(guān)心的話題，這不僅僅只對(duì)貨車，對(duì)于汽車和其他工程機(jī)械，提高其燃油經(jīng)濟(jì)性也是各貨車生產(chǎn)商來(lái)提高其產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)法寶。為了降低油耗，不僅要在發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)節(jié)上節(jié)油，而且也需要從傳動(dòng)系中減少能量的損失。這就必須在發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出之后，在從發(fā)動(dòng)機(jī)—傳動(dòng)軸—驅(qū)動(dòng)橋這一動(dòng)力輸送環(huán)節(jié)中尋找減少能量在傳遞的過(guò)程中的損失。在這一環(huán)節(jié)中，發(fā)動(dòng)機(jī)是動(dòng)力的輸出者，也是整個(gè)機(jī)器的心臟，而驅(qū)動(dòng)橋則是將動(dòng)力轉(zhuǎn)化為能量的最終執(zhí)行者。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)相同的情況下，采用性能優(yōu)良且與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配性比較高的驅(qū)動(dòng)橋便成了有效節(jié)油的措施之一。
隨著AutoCAD、CATIA、ANSYS等計(jì)算機(jī)軟件的廣泛運(yùn)用，在驅(qū)動(dòng)橋的生產(chǎn)制造和工作過(guò)程中，廣泛的用到了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助工程CAE技術(shù)。把有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、疲勞累積損傷理論等應(yīng)用到驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)當(dāng)中后，不但節(jié)省了大量人力和時(shí)間，而且可以獲得技術(shù)、經(jīng)濟(jì)最佳的設(shè)計(jì)，大大提高了設(shè)計(jì)效率、縮短了設(shè)計(jì)周期[4]。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述
汽車和汽車工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、現(xiàn)代社會(huì)及人民生活中具有十分重要的作用。近年來(lái)汽車工業(yè)在中國(guó)機(jī)械工業(yè)各行業(yè)中，其增長(zhǎng)速度雖有所回落，但相對(duì)比其它行業(yè)仍處于較高水平。但中國(guó)汽車業(yè)的發(fā)展仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上需求。以驅(qū)動(dòng)橋?yàn)槔m然驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)和制造工藝都在日益完善，但驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研究方面距離仍然很大，這方面應(yīng)該為中國(guó)的許多部門和企業(yè)所認(rèn)識(shí)。目前，我國(guó)的驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)，基本上尚處在類比設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，這樣的設(shè)計(jì)往往偏于保守而限制了驅(qū)動(dòng)橋性能的提高和產(chǎn)品成本的降低。在現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)中，要使其做到盡可能的輕量化不但可以節(jié)省材料消耗和降低成本，而且可以合理的規(guī)劃汽車簧上簧下質(zhì)量、降低動(dòng)載和提高汽車的平順性[5-6]。?
汽車驅(qū)動(dòng)橋是汽車的重要總成，它的性能好壞直接影響整車性能，而對(duì)于重型卡車尤為重要，當(dāng)采用大功率發(fā)動(dòng)機(jī)輸出大的轉(zhuǎn)矩以滿足目前重型卡車的快速、重載的高效率、高效益的需要時(shí)，必須要搭配一個(gè)高效、可靠的驅(qū)動(dòng)橋。
對(duì)于中重型載貨汽車來(lái)說(shuō)，由于需要選擇功率較大的發(fā)動(dòng)機(jī)，這就對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)有較高的要求，而驅(qū)動(dòng)橋在傳動(dòng)系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。隨著目前國(guó)際上石油價(jià)格的上漲，汽車的經(jīng)濟(jì)性日益成為人們關(guān)心的話題，這不僅僅對(duì)乘用車，對(duì)于載貨汽車，提高其燃油經(jīng)濟(jì)性也是各商用車生產(chǎn)商來(lái)提高其產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)法寶，因?yàn)橹兄匦洼d貨汽車所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)都是大功率，大轉(zhuǎn)矩的，百公里油耗都較高。以解放CA141型卡車為例，其百公里油耗高達(dá)26.5L[7]。為了降低油耗，不僅要在發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)節(jié)上節(jié)油，而且也需要從傳動(dòng)系中減少能量的損失。這就必須在發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出之后，在從發(fā)動(dòng)機(jī)—傳動(dòng)軸—驅(qū)動(dòng)橋這一動(dòng)力輸送環(huán)節(jié)中尋找減少能量在傳遞的過(guò)程中的損失。在這一環(huán)節(jié)中，發(fā)動(dòng)機(jī)是動(dòng)力的輸出者，也是整個(gè)機(jī)器的心臟，而驅(qū)動(dòng)橋卻是將動(dòng)力轉(zhuǎn)化為能量的最終執(zhí)行者。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)相同的情況下，采用性能優(yōu)良且與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配性比較高的驅(qū)動(dòng)橋便成了有效節(jié)油的措施之一[8]。所以設(shè)計(jì)新型的驅(qū)動(dòng)橋便成為新的課題。?
目前國(guó)內(nèi)重型車橋生產(chǎn)企業(yè)也主要集中在中信車橋廠、東風(fēng)襄樊車橋公司、濟(jì)南橋箱廠、漢德車橋公司、重慶紅巖橋廠和安凱車橋廠幾家企業(yè)。這些企業(yè)幾乎占到國(guó)內(nèi)重卡車橋90%以上的市場(chǎng)。?
目前國(guó)內(nèi)外驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)了一下一些變化：
(1).主要部件和功能向驅(qū)動(dòng)橋的中部集中
有些廠家開(kāi)始把主減速器,制動(dòng)器和行星減速機(jī)構(gòu)等集合在橋的中部，但其優(yōu)點(diǎn)尚待考證
(2).橋殼采用球墨鑄鐵,以提高整橋外觀質(zhì)量
橋殼采用球墨鑄鐵,加工成本低,其鑄造及加工后的外觀質(zhì)量均比現(xiàn)在大多采用的鑄鋼橋有很大的提高
(3).適應(yīng)特種要求的多功能驅(qū)動(dòng)橋
為適應(yīng)主機(jī)產(chǎn)品的特殊要求,驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品供應(yīng)廠家設(shè)法在橋上增加引進(jìn)了一些特殊功能:自動(dòng)充氣功能、超載報(bào)警功能、增添轉(zhuǎn)向油缸功能等,增加了驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品的適應(yīng)性[9-11]。
1.3 主要研究?jī)?nèi)容
驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)形式雖然可以各不相同，但在使用中對(duì)他們的基本要求卻是一致的，綜合上述，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的基本要求可以歸納為：?
(1).所選擇的主減速比應(yīng)能滿足汽車在給定使用條件下具有最佳的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。?
(2).差速器在保證左右驅(qū)動(dòng)車輪能以汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)所要求的差速滾動(dòng)外并能將轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)而連續(xù)不斷(無(wú)脈動(dòng))的傳遞給左右驅(qū)動(dòng)車輪。?
(3).當(dāng)左右驅(qū)動(dòng)車輪與地面的附著系數(shù)不同時(shí)，應(yīng)能充分的利用汽車的牽引力。?
(4).能承受和傳遞路面和車架或車廂間的鉛垂力、縱向力和橫向力，以及驅(qū)動(dòng)時(shí)的反作用力矩和制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力矩。?
(5).驅(qū)動(dòng)橋各零部件在保證其強(qiáng)度、剛度、可靠性及壽命的前提下應(yīng)力求減小簧下質(zhì)量，以減小不平路面對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的沖擊載荷，從而改善汽車的平順性。?
(6).輪廓尺寸不大以便于汽車的總體布置與所要求的驅(qū)動(dòng)橋離地間隙相適應(yīng)。
(7).齒輪與其他傳動(dòng)部件工作平穩(wěn)，無(wú)噪聲。?
(8).驅(qū)動(dòng)橋總成及其他零部件的設(shè)計(jì)應(yīng)能盡量滿足零件的標(biāo)準(zhǔn)化、部件的通用化和產(chǎn)品的系列化及汽車變型的要求。?
(9).在各種載荷和轉(zhuǎn)速工況下有高的傳動(dòng)效率。?
(10).結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便，機(jī)件工藝性好，制造容易。
第 2 章 驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)橋處于動(dòng)力傳動(dòng)系的末端，其基本功用首先是增扭,降速,改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向,即增大由傳動(dòng)軸或直接從變速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩,并將動(dòng)力合理的分配給左、右驅(qū)動(dòng)輪，其次,驅(qū)動(dòng)橋還承受作用于路面和車架或車身之間的垂直立、縱向力和橫向力,遺跡制動(dòng)力矩和反作用力矩等。?
驅(qū)動(dòng)橋一般由主減速器、差速器、車輪傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)橋殼等組成,轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋還有等速萬(wàn)向節(jié)。?
設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋時(shí)應(yīng)當(dāng)滿足如下基本要求：?
(1). 選擇適當(dāng)?shù)闹鳒p速比，以保證汽車在給定的條件下具有最佳的動(dòng)力性
和燃油經(jīng)濟(jì)性。
(2). 外廓尺寸小，保證汽車具有足夠的離地間隙，以滿足通過(guò)性的要求。
(3). 齒輪及其它傳動(dòng)件工作平穩(wěn)，噪聲小。
(4). 在各種載荷和轉(zhuǎn)速工況下有較高的傳動(dòng)效率。
(5). 具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受和傳遞作用于路面和車架或車身間的
各種力和力矩；在此條件下，盡可能降低質(zhì)量，尤其是簧下質(zhì)量，減少不平路面的沖擊載荷，提高汽車的平順性。
(6). 與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。
(7). 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工工藝性好，制造容易，維修，調(diào)整方便。
此次設(shè)計(jì)車型(CA141)驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析設(shè)計(jì)參數(shù)：
a) 后輪距：1740mm
b) 車輪滾動(dòng)半徑：462mm
c) 發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩：372N?m，1200~1400 r/min
d) 汽車滿載時(shí)一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋給水平地面的最大負(fù)荷G2=24593.6N
e) 變速比：i1=7.7
f) 主傳動(dòng)比：i0=7.63[12]
2.1 主減速器設(shè)計(jì)
2.1.1 主減速器的結(jié)構(gòu)形式
主減速器的結(jié)構(gòu)型式，主減速器可根據(jù)齒輪類型,減速形式以及主,從動(dòng)齒輪的支承形式不同分類。
2.1.1.1 主減速器的齒輪類型
主減速器的齒輪有弧齒錐齒輪,雙曲面齒輪,圓柱齒輪和蝸輪蝸桿等形式。比較幾種齒輪的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)選用弧齒錐齒輪傳動(dòng)。?
弧齒錐齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)是主從動(dòng)齒輪的軸線垂直相交于一點(diǎn)。由于輪齒端面重疊的影響，至少有兩對(duì)以上的輪齒同時(shí)嚙合,因此螺旋錐齒輪能承受大的負(fù)荷,加之其輪齒不是在齒的全長(zhǎng)上同時(shí)嚙合，面是逐漸地由齒的一端連續(xù)而平穩(wěn)地轉(zhuǎn)向另—端，使得其工作平穩(wěn)，即使在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噪聲和振動(dòng)也是很小的,但弧齒錐齒輪對(duì)嚙合精度很敏感,齒輪副錐頂稍不吻合就會(huì)使工作條件急劇變壞,并加劇齒輪的磨損和使噪聲增大。
2.1.1.2 主減速器的減速形式
本設(shè)計(jì)采用雙級(jí)主減速器進(jìn)行設(shè)計(jì)。影響減速形式選擇的因素有汽車類型、實(shí)用條件、驅(qū)動(dòng)橋處的離地間隙、驅(qū)動(dòng)橋數(shù)和布置形式以及主傳動(dòng)比i0。其中，i0的大小影響汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。
1. 中央主減速器
中央主減速器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,質(zhì)量小,尺寸緊湊,制造成本低等優(yōu)點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用于主傳動(dòng)比i0＜7的汽車上。中央主減速器多采用一對(duì)弧齒錐齒輪或雙曲面齒輪傳動(dòng)。中央主減速器的結(jié)構(gòu)形式,尤其是其齒輪的支承形式和拆裝方法,與橋殼的結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)。
2. 雙級(jí)主減速器
雙級(jí)主減速器的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由兩級(jí)齒輪減速組成的主減速器。與單級(jí)主減速器相比,雙級(jí)主減速器在保證離地間隙相同時(shí)可得到大的傳動(dòng)比，i0一般為7～12；但其尺寸,質(zhì)量均較大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本也顯著曾加,因此主要應(yīng)用在總質(zhì)量較大的商用車上。
3. 雙速主減速器
雙速主減速器內(nèi)由齒輪的不同組合可獲得兩種傳動(dòng)比。它與普通變速器相配合,可得到雙倍于變速器的檔位。雙速主減速器的高低檔傳動(dòng)比,是根據(jù)汽車的使用條件、發(fā)動(dòng)機(jī)功率及變速器各檔傳動(dòng)比的大小來(lái)選定的。大的主傳動(dòng)比用于汽車滿載行駛或在困難道路上行駛,以克服較大的行駛阻力并減少變速器中間檔位的變換次數(shù)；小的傳動(dòng)比則用于汽車空載、半載行駛或在良好路面上行駛,以改善汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和提高平均車速。
4. 雙級(jí)貫通式主減速器
對(duì)于總質(zhì)量較大的多橋驅(qū)動(dòng)汽車，由于主傳動(dòng)比較大，多采用雙級(jí)貫通式主減速器。根據(jù)齒輪的組合方式不同，可以分為錐齒輪-圓柱齒輪式和圓柱齒輪-錐齒輪式兩種形式。
2.1.1.3 主減速器主、從動(dòng)錐齒輪的支承方案
圖 2 1 圖 2 2 圖 2 3
懸臂式支承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，支承剛度較跨置式差，用于傳遞較小轉(zhuǎn)矩的主減速器上?？缰檬街С械慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在錐齒輪兩端的軸上均有軸承，這樣可大大增加支撐剛度，又使軸承負(fù)荷減小，齒輪嚙合條件改善，因此齒輪的承載能力高于懸臂式。此外，由于齒輪大端一側(cè)軸頸上的兩個(gè)相對(duì)安裝的圓錐滾子軸承之間的距離很小，可以縮短主動(dòng)齒輪軸的長(zhǎng)度，使布置更緊湊，并可減小傳動(dòng)軸夾角，有利于整車布置。但是跨置式支承必須在主減速器殼體上有支承所需的軸承座，使主減速器殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本提高。另外，因主從動(dòng)齒輪之間的空隙很小，致使主動(dòng)齒輪的導(dǎo)向軸承尺寸受到限制，有時(shí)布置不下或拆裝困難。?
綜合比較兩種形式的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用懸臂式支撐方案。
2.1.2 主減速器錐齒輪設(shè)計(jì)
2.1.2.1 主減速器齒輪計(jì)算載荷的確定
1. 按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和最低檔傳動(dòng)比確定從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tce
(2-1)
式中 Tce————計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N?m
Kd————由于猛接離合器而產(chǎn)生的動(dòng)載系數(shù)，Kd=1
Temax————發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；Te max=372 N?m
k————液力變矩器變矩系數(shù)，k=1
i1————變速器傳動(dòng)比，i1=7.7
i0————主減速器傳動(dòng)比，i0=7.63
η————變速器傳動(dòng)效率，取η=0.9.
代入公式有=19669.83 N?m
2. 按驅(qū)動(dòng)輪打滑轉(zhuǎn)矩確定從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tcs
(2-2)
式中 G2————汽車滿載時(shí)一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋給水平地面的最大負(fù)荷24593.6N
φ————輪胎對(duì)地面的附著系數(shù)，此處取0.85
m’2————汽車最大加速度時(shí)的后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，此處取1.2
rr————車輪的滾動(dòng)半徑，為0.462 mm
ηm————主減速器從動(dòng)錐齒輪到驅(qū)動(dòng)車輪之間的傳動(dòng)效率，取0.9
im————主減速器從動(dòng)錐齒輪到驅(qū)動(dòng)車輪之間的傳動(dòng)比，取1.0
=N
2.1.2.2 錐齒輪主要參數(shù)選擇
1. 主、從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)Z1和Z2?
選擇主、從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)時(shí)應(yīng)考慮如下因素：
1) 為了磨合均勻，Z1和Z2之間應(yīng)避免有公約數(shù)。
2) 為了得到理想的齒面重合度和高的輪齒彎曲強(qiáng)度，主、從動(dòng)齒輪齒數(shù)和應(yīng)不小于40
3) 為了嚙合平穩(wěn)，噪聲小和具有高的疲勞強(qiáng)度對(duì)于乘用車，Z1一般不少于9；對(duì)于商用車，Z1一般不少于6?
4) 主傳動(dòng)比i0較大時(shí)，Z1盡量取得小一些，以便得到滿意的離地間隙。
5) 對(duì)于不同的主傳動(dòng)比，Z1和Z2應(yīng)有適宜的搭配。
綜上所述，取Z1=13和Z2?=25。
2. 從動(dòng)錐齒輪大端分度圓直徑D2和端面模數(shù)ms
對(duì)于單級(jí)主減速器，增加尺寸D2會(huì)影響驅(qū)動(dòng)橋殼高度尺寸和離地間隙，減小D2又影響跨置式主動(dòng)齒輪的前支撐座得安裝空間和差速器的安裝。D2可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式初選，即
(2-3)
式中D2————從動(dòng)齒輪大端分度圓直徑(mm);?
KD2————直徑系數(shù)，一般取13.0～15.3；?
Tc?————從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩， [] Tc =min[Tce , Tcs]
故??D2=(13.0～15.3)310257.2(350.92～413.00)mm。初選D2=350.92mm，則mt= D2/Z2=350.92/25=8.93mm?。參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取=mt=?7mm
3. 主、從動(dòng)錐齒輪齒面寬b1、b2
對(duì)于從動(dòng)齒輪的齒面寬b2，推薦不大于其節(jié)錐距A0的0.3倍，而且b2應(yīng)滿足b2≤10m，一般也推薦b2=0.155D2。對(duì)于弧齒錐齒輪，b1一般比b2大10%。
b2=0.155D2 =0.155×322=49.91mm。
b2取50mm，b1取55mm。
4. 中點(diǎn)螺旋角β
螺旋角沿齒寬是變化的，齒輪打斷的螺旋角最大，輪齒小段的螺旋角最小?；↓X錐齒輪副的重點(diǎn)螺旋角是相等的。?
同時(shí)嚙合的齒數(shù)越多，傳動(dòng)就越平穩(wěn)，噪聲越低，而且齒輪的強(qiáng)度越高。汽車主減速器弧齒錐齒輪的平均螺旋角為35°～40°，而商用車選用較小的β值以防止軸向力過(guò)大，通常取35°。
5. 螺旋方向
從錐齒輪錐頂看，齒形從中心線上半部向左傾斜為左旋，向右傾斜為右旋。主、從動(dòng)錐齒輪的螺旋方向是相反的。螺旋方向與錐齒輪的螺旋方向影響其受軸向力的方向。當(dāng)變速器掛前進(jìn)擋時(shí)，應(yīng)使主動(dòng)齒輪的軸向力離開(kāi)錐頂方向，這樣可使主、從動(dòng)齒輪有分離趨勢(shì)，防止齒輪因卡死而損壞。
6. 法向壓力角
法向壓力角大一些可以增加輪齒強(qiáng)度，減小齒輪不發(fā)生根切的最小齒數(shù)。對(duì)于弧齒錐齒輪，乘用車的α一般選用14.5°或16°,商用車的α為20°或22.5°,這里取α＝20°。
2.1.2.3 主減速器圓弧錐齒輪的幾何尺寸計(jì)算
主減速器圓弧錐齒輪各項(xiàng)重要參數(shù)的計(jì)算公式及其計(jì)算結(jié)果如表2-1所示。
表格 2 1主減速器圓弧齒螺旋錐齒輪的幾何尺寸計(jì)算用表
項(xiàng)目
計(jì)算公式
計(jì)算結(jié)果
主動(dòng)齒輪齒數(shù)
Z1
13
從動(dòng)齒輪齒數(shù)
Z2
25
端面模數(shù)
m
9 mm
齒面寬
b
b1=44 mm,b2=40 mm
工作齒高
hg=2ha*m
hg=14 mm
續(xù)表 2 1主減速器圓弧齒螺旋錐齒輪的幾何尺寸計(jì)算用表
全齒高
h=(2ha*+c*)m
h=16.99 mm
法向壓力角
α
α=20°
軸交角
∑=90
∑=90
節(jié)圓直徑
d=mZ
d1=99mm ，d2=225mm
節(jié)錐角
γ1=tan-1(Z1Z2)
γ1=27.47°
節(jié)錐角
γ2=90°-γ1
γ2=62.53°
節(jié)錐距
A0=d12sinγ1=d212sinγ2
取A0=126.8 mm
周節(jié)
t=3.1416m
t=21.99 mm
齒頂高
ha=ha*m
ha=10.26 mm ，5.4 mm
齒根高
hf=(ha*+c*)m
hf=8.75 mm
徑向間隙
c=c*m
c=1.75 mm
齒根角
θf(wàn)=tan-1hfA0
θf(wàn)=3.09°
面錐角
γa1=γ1+θf(wàn)1
γa1=11.79°
面錐角
γa2=γ2+θf(wàn)2
γa2=84.39°
根錐角
γf1=γ1-θf(wàn)1
γf1=5.61°
根錐角
γf2=γ2-θf(wàn)2
γf2=78.21°
齒頂圓直徑
da1=d1+2ha1cosγ1
da1=135.21mm
齒頂圓直徑
da2=d2+2ha2cosγ2
da2=229.5 mm
理論弧齒厚
s1=t-s2 , s2=Skm
s1=15.88mm ,s2=6.10mm
齒側(cè)間隙
查表得
0.18mm
2.1.2.4 主減速器圓弧錐齒輪的強(qiáng)度計(jì)算
1. 單位齒長(zhǎng)圓周力
主減速器錐齒輪的表面耐磨性，可用齒輪上的單位齒長(zhǎng)圓周力估算，即
式中 P————作用在圓周上的齒輪力，按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和最大附著力矩兩種載荷工況進(jìn)行計(jì)算
F————作用在齒輪上的圓周力
b2————從動(dòng)齒輪的齒面寬，在此取50mm
1) 按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算：
(2-4)
式中：ig————變速器傳動(dòng)比，7.7；
D1————主動(dòng)錐齒輪分度圓直徑：D1=Z1ms=99 mm；
Te max————發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，在此取372 N?m；
按式(2-4) =925.6 N/mm
P=925.6 N/mm ＜ [P]=1429 N/mm ，校核滿足要求。
2) 按最大附著力矩計(jì)算：
(2-5)
式中 G2————后驅(qū)動(dòng)橋在滿載狀態(tài)下的靜載荷，在此取18666.7 N；
m2————汽車最大加速度時(shí)的后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，在此取1.2；
————輪胎與路面之間的附著系數(shù)，在此取0.85；
rr————車輪滾動(dòng)半徑，在此取0.462 mm；
im————主減速器從動(dòng)齒輪到車輪間的傳動(dòng)比，在此取1；
ηm————主減速器從動(dòng)齒輪到車輪間的傳動(dòng)效率，在此取0.9；
將各參數(shù)代入上式得：P=1124.6 MPa ＜ [P]=1429 MPa
齒輪表面耐磨性合格。
2. 齒輪彎曲強(qiáng)度
錐齒輪輪齒的齒根彎曲應(yīng)力：
(2-6)
式中 Tc————齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，主動(dòng)齒輪取T=933.3 N?m；
k0————過(guò)載系數(shù)，一般取1；
ks————尺寸系數(shù)，0.697；
km————齒面載荷分配系數(shù)，取1.1；
kv————質(zhì)量系數(shù)，取1；
b————所計(jì)算的齒輪齒面寬，b1=44 mm , b2=40 mm ;
D————齒輪大端分度圓直徑，D1=99 mm ,D2=225 mm ;
JW————齒輪的輪齒彎曲應(yīng)力綜合系數(shù)，小齒輪取0.27，大齒輪取0.25；
將上述各系數(shù)代入后得：
=465.25MPa ＜ [σw]=700MPa
故齒輪彎曲強(qiáng)度滿足要求。
3. 齒輪接觸強(qiáng)度
錐齒輪輪齒的齒面接觸應(yīng)力為：
(2-7)
式中 σJ————錐齒輪輪齒的齒面接觸應(yīng)力；
CP————綜合彈性系數(shù)，取232.6 N1/2/mm;
D1————主動(dòng)錐齒輪大端分度圓直徑，99 mm；
b————主從動(dòng)錐齒輪齒面寬較小值，40 mm；
ks————尺寸系數(shù)，此處取1.0；
TZ————主動(dòng)錐齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)矩，5898.25 N?m；
kf————齒面品質(zhì)系數(shù)，此處取1.0；
JJ————齒面接觸強(qiáng)度的綜合系數(shù)，查表可得此處應(yīng)取0.229；
將各參數(shù)代入公式可計(jì)算得：
=2245.09MPa
σJ＜[σJ]=2800MPa，故齒輪接觸強(qiáng)度滿足要求。
2.1.2.5 主減速器錐齒輪的載荷計(jì)算
錐齒輪在工作過(guò)程中，互相嚙合的齒面上作用有一法向力。該法向力可以分解為沿齒輪切線方向的圓周力、沿齒輪軸線方向的軸向力以及垂直于齒輪軸線的徑向力。
1) 錐齒輪齒面上的作用力
齒寬中點(diǎn)處的圓周力為
(2-8)
式中 T————作用在該齒輪上的轉(zhuǎn)矩
Dm2————該齒輪的齒面寬中點(diǎn)處的分度圓直徑
將各參數(shù)代入公式可計(jì)算得：
=10.21kN
2) 錐齒輪的軸向力和徑向力
圖 2 4 主動(dòng)錐齒輪齒面受力圖
如圖 2-4所示，主動(dòng)錐齒輪螺旋方向?yàn)樽笮D(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，F(xiàn)T為作用在節(jié)錐面上的齒面寬中點(diǎn)P處的法向力，在P點(diǎn)處的螺旋方向的法平面內(nèi)，F(xiàn)T分解為兩個(gè)相互垂直的力FN和Ff。Ff又可以分解為沿切線方向的圓周力F和沿節(jié)圓母線方向的力FS。F和Ff之間的夾角為螺旋角β，F(xiàn)T和Ff之間的夾角為法向壓力角α。這樣有：
(2-9)
(2-10)
(2-11)
于是，作用在主動(dòng)錐齒輪齒面上的軸向力Faz和徑向力FRz分別為：
(2-12)
(2-13)
由上式可計(jì)算出：
Faz=-6124.88N
Faz=5953.6N
作用在從動(dòng)錐齒輪齒面上的軸向力Fac和徑向力FRc分別為：
(2-14)
(2-15)
由上式可計(jì)算出：
Faz=7995.08N，F(xiàn)az=3006.38N
3) 主減速器錐齒輪軸承載荷計(jì)算
對(duì)于主動(dòng)齒輪采用懸臂式支承，對(duì)于從動(dòng)齒輪采用傳統(tǒng)的騎馬式支承方式[13]。對(duì)于采用采用騎馬式的主動(dòng)錐齒輪和從動(dòng)錐齒輪的軸承徑向載荷，軸承的徑向載荷分別為：
(2-16)
(2-17)
求得FaZ=-6124.88N，F(xiàn)RZ=5953.6N，a=67mm，b=41mm，c=63mm，d=125mm。故
軸承的徑向力分別為：
=8396.2N
其軸向力為0。
=12673.43N
其軸向力為0。
a) 對(duì)于軸承A
采用圓柱滾子軸承，采用3020E，此軸承的額定動(dòng)載荷Cr為32.2KN，所承受的當(dāng)量動(dòng)載荷Q=X?RA。取X=1，則Q= RA=8396.2N。
(2-18)
式中 ff————溫度系數(shù)，取1.0
fp————載荷系數(shù)，取1.2
=4.81×108
對(duì)于無(wú)輪邊減速器的驅(qū)動(dòng)橋來(lái)說(shuō)，主減速器的從動(dòng)齒輪軸承的計(jì)算轉(zhuǎn)矩n2為262.45r/min。則主動(dòng)齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩為
n1=7.63×262.45=2002.49 r/min
故軸承能正常工作的額定壽命為
=5861.5h
若汽車大修里程定為10000公里，可計(jì)算出預(yù)期壽命為
=2702.7h
由于Lh＞ Lh’，故軸承符合使用要求。
b) 對(duì)于軸承B
對(duì)于成對(duì)安裝的軸承組的計(jì)算當(dāng)量載荷時(shí)徑向動(dòng)載荷系數(shù)X和軸向動(dòng)載荷系數(shù)Y值按雙列軸承選用，e值與單列軸承相同。在此選用30205型軸承，在此的額定動(dòng)載荷Cr為32.2kN。
派生軸向力：
=3064.53N
軸向載荷：
A=A1-S1=19548.75-3960.44=15588.32N
＞e
故X=0.4，Y=1.6
Q=fd(XR+YA) fd：沖擊載荷系數(shù)，取1.2
Q=fd(XR+YA)=1.2×(0.4×12673.43+1.6V15588.32)=30372.8N
=5376.58h
由于Lh＞ Lh’，故軸承符合使用要求。
3)對(duì)于軸承C、D
選用圓錐滾子軸承，選用30211，軸承的額定動(dòng)載荷為86.5KN，經(jīng)過(guò)校核，符合使用要求。
2.1.3 主減速器斜齒圓柱齒設(shè)計(jì)
2.1.3.1斜齒圓柱齒輪主要參數(shù)的選擇
1.主、從動(dòng)齒輪的齒數(shù)Z21和Z22
二級(jí)齒輪副的傳動(dòng)比為i02=2.985，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，初選主動(dòng)齒輪齒數(shù)為Z21=14，Z22=43，則i02=Z22/Z21=3.07。
i02/i01=1.597,在1.4~2.0之間，且14與43無(wú)公約數(shù)，故符合要求。
2.法向模數(shù)mn
選用推薦模數(shù)mn=6。
3.法向壓力角αn和螺旋角β
取法向壓力角αn=20°，β的推薦值一般為15°~20°，故初選β=15°。
4.主、從動(dòng)齒輪的節(jié)圓直徑d21和d22
由表2-1中公式可得，d21=87mm，d22=265mm。
5.齒寬b
齒寬的計(jì)算公式為
b1=Φdd21
式中，Φd為齒寬系數(shù)，取0.85；d21為小齒輪分度圓直徑，87mm；則
b1=0.85×87=74.32，圓整為75mm。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，b2=b1-5=75-5=70mm。
故b1為75mm，b2=70mm。
2.1.3.2斜齒圓柱齒輪的幾何尺寸計(jì)算
斜齒圓柱齒輪的幾何尺寸計(jì)算見(jiàn)表3-2。
2.1.3.1圓柱齒輪的損壞形式
圓柱齒輪的損壞形式主要有：輪齒折斷、齒面疲勞剝落（點(diǎn)蝕）、齒面膠合、齒面磨損等。
輪齒折斷發(fā)生在下述幾種情況下：輪齒受到足夠大的沖擊載荷作用，造成輪齒彎曲折斷；輪齒在重復(fù)載荷作用下，齒根產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展深度逐漸加大，然后出現(xiàn)彎曲折斷。
輪齒工作時(shí)，一對(duì)齒輪相互嚙合，齒面相互擠壓，這是存在于齒面細(xì)小裂縫中的潤(rùn)滑油油壓升高，并導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展，然后齒面表層出現(xiàn)塊狀剝落而形成小麻點(diǎn)，稱之為齒面點(diǎn)蝕。它使齒形誤差加大，產(chǎn)生動(dòng)載荷，并可能導(dǎo)致輪齒折斷。
表3-2 斜齒圓柱齒輪的幾何尺寸
序號(hào)
名稱
代號(hào)
小齒輪
大齒輪
計(jì)算結(jié)果
1
齒數(shù)比
u
u=z21/z22,按傳動(dòng)要求確定
3.07
2
分度圓直徑
de
d21=87mm
d22=265mm
3
齒數(shù)
z
設(shè)計(jì)值
設(shè)計(jì)值
z21=14，z22=43
4
法向模數(shù)
mn
推薦值
6
5
法向壓力角
α
推薦值
20°
6
螺旋角
β
推薦值一般為15°~20°
15°
7
齒寬系數(shù)
Φd
一般取0.85
0.85
8
齒寬
b
b1=Φdd21
b2=b1-5
b1=75mm
b2=70mm
9
齒距
p
p=πmn
18.84mm
10
齒頂高
ha
ha=han*mn han*=1
6mm
11
齒根高
hf
hf=cn*mn
7.5mm
12
齒全高
h
h=ha+hf
13.5mm
13
中心距
a
a=1/2(d1+d2) 可圓整
176mm
14
齒頂圓直徑
da
da=d+2ha
da1=99mm，da2=277mm
15
齒根圓直徑
df
df=d-2hf
df1=72mm，df2=250mm
負(fù)荷大、齒面相對(duì)滑動(dòng)速度又高的齒輪，在接觸壓力大且接觸處產(chǎn)生高溫作用的情況下使齒面間的潤(rùn)滑油膜破壞，導(dǎo)致齒面直接接觸，在局部高溫、高壓作用下齒面互相熔焊粘連，齒面沿滑動(dòng)方向形成撕傷痕跡，稱為齒面膠合[14]。
2.1.3.1輪齒強(qiáng)度計(jì)算
1. 輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算
斜齒圓柱齒輪的彎曲應(yīng)力為
式中，σw為齒輪的彎曲應(yīng)力；Tg為計(jì)算載荷，取Temax=450000N?mm；β為齒輪螺旋角，為15°，Kσ為應(yīng)力集中系數(shù)，取1.50；Z為小齒輪齒數(shù)，為14；mn為法向模數(shù)，為6；y為齒形系數(shù)，查得為0.19；Kc為齒寬系數(shù)，取8.0；Kε為重合度影響系數(shù)，取2.0。許用應(yīng)力對(duì)貨車為100~250MPa。則
<100MPa
故符合要求。
2.輪齒接觸強(qiáng)度計(jì)算
輪齒接觸應(yīng)力σj
式中，σj為輪齒的接觸應(yīng)力，MPa；F為齒面上的法向力，F(xiàn)=F1/（cosɑcosβ）；F1為圓周力，F(xiàn)1=2Tg/d；Tg為計(jì)算載荷，為450000N?mm；d為節(jié)圓直徑，mm；ɑ節(jié)點(diǎn)處壓力角，β為齒輪螺旋角；則
E為齒輪材料的彈性模量，為2.1×105MPa；b為齒輪接觸的實(shí)際寬度，為70mm；ρz、ρb為主、從動(dòng)輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑；rb、rz為主、從動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑。則對(duì)斜齒輪ρz=（rzsinɑ）/cos2β =13.91，ρb=（rbsinɑ）/cos2β =42.725。則
查得其許用應(yīng)力范圍為1300~1400MPa，故符合要求。
2.1.3.1齒輪的材料選擇
二級(jí)圓柱斜齒輪多數(shù)采用滲碳合金鋼，其表層的高硬度與心部的高韌性相結(jié)合，能大大提高齒輪的耐磨性及抗彎曲疲勞和接觸疲勞的能力。在選用鋼材及熱處理時(shí)，對(duì)可加工性及成本也應(yīng)考慮。
國(guó)內(nèi)汽車齒輪材料主要采用20CrMnTi、20Mn2TiB、15MnCr5、20MnCr5、25MnCr5、28MnCr5。滲碳齒輪表面硬度為58~63HRC，心部硬度為33~48HRC。
值得指出的是，采取噴丸處理、磨齒、加大齒根圓弧半徑和壓力角等措施，能使齒輪得到強(qiáng)化。對(duì)齒輪進(jìn)行強(qiáng)力噴丸處理以后，輪齒產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，齒輪彎曲疲勞壽命可成倍提高，接觸疲勞壽命也有明顯改善。在加大齒根圓弧半徑的同時(shí)，進(jìn)行強(qiáng)力噴丸處理，不僅可使殘余壓應(yīng)力進(jìn)一步增加，還改善了應(yīng)力集中。齒輪在熱處理之后進(jìn)行磨齒，能消除齒輪熱處理的變形，經(jīng)過(guò)磨齒后，齒輪精度要高于熱處理前剃齒和擠齒齒輪精度，使得傳動(dòng)平穩(wěn)，效率提高，并在同樣負(fù)荷條件下，磨齒的彎曲疲勞壽命比剃齒的要高近一倍[16]。
2.2 差速器設(shè)計(jì)
根據(jù)汽車行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求和實(shí)際上的車輪、道路以及他們之間的相互關(guān)系表明：汽車在行駛過(guò)程中左右車輪在同一時(shí)間內(nèi)所滾過(guò)的行程往往是有差別的。例如，轉(zhuǎn)彎時(shí)外側(cè)車輪的行程總要比內(nèi)側(cè)的長(zhǎng)。另外，即使汽車作直線行駛，也會(huì)由于左右車輪在同一時(shí)間內(nèi)所滾過(guò)的路面垂向波形的不同，或由于左右車輪輪胎氣壓、輪胎負(fù)荷、胎面磨損程度的不同以及制造誤差等原因引起左右車輪外徑不同或滾動(dòng)半徑不相等而要求車輪行程不等[17]。在左右車輪行程不等的情況下，如果采用一根整體的驅(qū)動(dòng)車輪軸將動(dòng)力傳給左右車輪，則會(huì)由于左右驅(qū)動(dòng)車輪的轉(zhuǎn)速雖相等而行程卻又不同的這一運(yùn)動(dòng)學(xué)上的矛盾，引起某一驅(qū)動(dòng)車輪產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)或滑移。這不僅會(huì)是輪胎過(guò)早磨損、無(wú)益地消耗功率和燃料以及驅(qū)動(dòng)車輪軸超載等，還會(huì)因?yàn)椴荒馨此蟮乃矔r(shí)中心轉(zhuǎn)向而使操縱性變壞。此外，由于車輪與路面間尤其在轉(zhuǎn)彎時(shí)有大的滑轉(zhuǎn)或滑移，易使汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)失去抗側(cè)滑能力而使穩(wěn)定性變壞。為了消除由于左右車輪在運(yùn)動(dòng)學(xué)上的不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的這些弊病，汽車左右驅(qū)動(dòng)輪間都裝有差速器，后者保證了汽車驅(qū)動(dòng)橋兩側(cè)車輪在行程不同時(shí)具有以不同速度旋轉(zhuǎn)的特性，從而滿足了汽車行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求。在此，選用對(duì)稱錐齒輪式差速器。
2.2.1 對(duì)稱錐齒輪式差速器的工作原理
其工作原理如圖圖 2-6所示。
ω0為主減速器從動(dòng)齒輪或差速器殼的角速度；ω1、ω2分別為左右兩半軸的角速度；T0為差速器殼接受的轉(zhuǎn)矩；Tr為差速器的內(nèi)摩擦力矩；T1、T2分別為左右兩半軸對(duì)差速器的反轉(zhuǎn)矩。根據(jù)運(yùn)動(dòng)分析可得?
ω1+ω2=2ω0
顯然，當(dāng)一側(cè)半軸不轉(zhuǎn)時(shí)，另一側(cè)半軸將以2倍的差速器殼體角速度旋轉(zhuǎn)；當(dāng)差速器殼體不轉(zhuǎn)時(shí)，左右半軸將等速、反向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)力矩平衡可得?
T1+T2=TT2-T1=Tr
圖 2 5對(duì)稱錐齒輪式差速器的工作原理
普通錐齒輪差速器的鎖緊洗漱k一般為0.05-0.15，兩半軸的轉(zhuǎn)矩比kb為1.11-1.35，這說(shuō)明左右半軸的轉(zhuǎn)矩差別不大，故可以認(rèn)為分配給兩半軸的轉(zhuǎn)矩大致相等，這樣的分配比例對(duì)于在良好路面上行駛的汽車來(lái)說(shuō)是很合適的。當(dāng)汽車越野行駛或在泥濘、冰雪路面上行駛，一側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪與地面的附著系數(shù)很兇時(shí)，盡管另一側(cè)車輪與地面有良好的附著，其驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩也不得不隨附著系數(shù)小的一側(cè)同樣地減小，無(wú)法發(fā)揮潛在的牽引力，以致汽車停駛。
2.2.2 對(duì)稱圓錐行星齒輪式差速器的結(jié)構(gòu)
普通的對(duì)稱式圓錐齒輪差速器由差速器左右殼，兩個(gè)半軸齒輪，四個(gè)行星齒輪，行星齒輪軸，半軸齒輪墊片及行星齒輪墊片等組成。如圖2-7所示。由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作平穩(wěn)、制造方便、用于公路汽車上也很可靠等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛用于各類車輛上。
2.2.3 對(duì)稱圓錐行星齒輪式差速器的設(shè)計(jì)
1. 差速器齒輪的基本參數(shù)選擇
1) 行星齒輪數(shù)n
CA141為載荷較大的商用車輛，采用4個(gè)行星齒輪。
2) 行星齒輪球面半徑RB
圖 2 6 對(duì)稱圓錐行星齒輪式差速器的結(jié)構(gòu)
1，12-軸承；2-螺母；3,14-鎖止墊片；4-差速器左殼；5,13-螺栓；6-半軸齒輪墊片；7-半軸齒輪；8-行星齒輪軸；9-行星齒輪；10-行星齒輪墊片；11-差速器右殼
行星齒輪球面半徑RB反映了差速器錐齒輪節(jié)錐距的大小和承載能力，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定。圓錐行星齒輪差速器的結(jié)構(gòu)尺寸，通常取決于行星齒輪的背面的球面半徑
RB，它就是行星齒輪的安裝尺寸，實(shí)際上代表了差速器圓錐齒輪的節(jié)錐距，因此在一定程度上也表征了差速器的強(qiáng)度。?
球面半徑RB可按如下的經(jīng)驗(yàn)公式確定：
RB=KB3T
(2-19)
式中 KB————行星齒輪球面半徑系數(shù)，取2.5~3.0，對(duì)于有四個(gè)行星齒輪的載貨汽車取小值；
T————計(jì)算轉(zhuǎn)矩，Tce和Tcs的較小值。
根據(jù)上式，計(jì)算得RB=56.5mm。
3) 行星齒輪與半軸齒輪的選擇
為了使齒輪有較高的強(qiáng)度，希望取較大的模數(shù)，但尺寸會(huì)增大，于是又要求行星齒輪的齒數(shù)盡量少。但一般不少于10。半軸齒輪的齒數(shù)采用14～25，大多數(shù)汽車的半軸齒輪與行星齒輪的齒數(shù)比Z2/Z1在1.5～2.0的范圍內(nèi)。?
在任何圓錐行星齒輪式差速器中，左右兩半軸齒輪的齒數(shù)Z2L，Z2R之和必須能被行星齒輪的數(shù)目所整除，以便行星齒輪能均勻地分布于半軸齒輪的軸線周圍，否則，差速器將無(wú)法安裝，即應(yīng)滿足的安裝條件為：
=整數(shù)
式中：Z2L、Z2R————左右半軸齒輪的齒數(shù)。
n————行星齒輪數(shù)。
在此，Z1=10，Z2=18，滿足以上要求。
4) 差速器圓錐齒輪模數(shù)及半軸齒輪節(jié)圓直徑的初步確定
先初步求出行星齒輪與半軸齒輪的節(jié)錐角γ1，γ2
60.945°
再按下式初步求出圓錐齒輪的大端端面模數(shù)m
mm
由于強(qiáng)度的要求，在此取m=4 mm。故，
d1=mZ1=4×10=40mm d2=mZ2=4×18=72mm
5) 壓力角α
汽車差速器的齒輪大豆采用22.5°的壓力角，齒高系數(shù)為0.8的齒形。某些總質(zhì)量較大的商用車采用25°的壓力角，以提高齒輪強(qiáng)度。在此選擇25°的壓力角。
6) 行星齒輪安裝孔的直徑φ及其深度L
行星齒輪的安裝孔直徑φ與行星齒輪軸的名義尺寸相同，而行星齒輪的安裝孔直徑的深度就是行星齒輪在其軸上的支承長(zhǎng)度，通常取L=1.1φ。
(2-20)
(2-21)
式中 T0————差速器傳遞的轉(zhuǎn)矩
n————行星齒輪數(shù)
l————行星齒輪支承面中點(diǎn)至錐頂?shù)木嚯x
[σc]————支承面的許用擠壓應(yīng)力
根據(jù)上式：
≈21.41mm L=1.1×21.41=28.07mm
2. 差速器齒輪的幾何計(jì)算
行星式差速器設(shè)計(jì)所需的各項(xiàng)重要參數(shù)計(jì)算公式及其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2-2所示。
表格 2 2差速器齒輪的幾何計(jì)算
行星齒輪數(shù)
Z1≥10，取最小值
Z1=10
半軸齒輪齒數(shù)
Z2=14~25
Z2=18
模數(shù)
m
m=6
齒面寬
b=(0.25~0.30)A0
b=15mm
工作齒高
hg=1.6m
hg=9.6mm
全齒高
h=1.788m+0.051
10.779
壓力角
α
25°
軸交角
∑=90°
∑=90°
節(jié)圓直徑
d1=mz1，d2=mz2
d1=60mm，d2=108mm
節(jié)錐角
γ1=tan-1Z1Z2，γ2=90°-γ1
γ1=29.06，γ2=60.94
節(jié)錐距
A0=d12sinγ1=d122sinγ2
A0= 61.77mm
周節(jié)
t=3.1416m
t=18.849mm
齒頂高
ha1=hg-ha2,ha2=[0.43+0.37(Z2Z1)2]m
ha1=6.33mm, ha2=3.27mm
齒根高
hf1=1.788m-ha1; hf2=1.788m-ha2
hf1=4.398mm;
hf2=7.458mm
徑向間隙
c=h-hg=0.188m+0.051
c=1.179
齒根角
δ1=tan-1hf1A0;
δ1=4.072°
δ2=6.884°
續(xù)表2-3差速器齒輪的幾何計(jì)算
δ2=tan-1hf2A0
面錐角
γ01=γ1+δ2；
γ02=γ2+δ1
γ01=35.939°
γ02=65.017°
根錐角
γR1=γ1-δ1
γR2=γ2-δ2
γR1=24.983°
γR2=54.061°
外圓直徑
d01=d1+2ha1cosγ1
d02=d2+2ha2cosγ2
d01=71.067mm
d02=111.176mm
節(jié)圓頂點(diǎn)至外緣距離
χ01=d22-h1sinγ1
χ02=d12-h2sinγ2
χ01=33.95mm
χ02=18.09mm
理論弧齒厚
s1=t-s2
s2=t2-(h1-h2)
s1=9.06mm
s2=3.51mm
齒側(cè)間隙
B=0.102~0.152m
B=0.250mm
弦齒厚
Sχ1=si-si36di12-B2
Sχ1=4.86mm
Sχ2=2.90mm
弦齒高
hχi=hi+si2cosγi4di
hχ1=1.92mm
hχi=1.78mm
3. 差速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算
差速器齒輪的尺寸受結(jié)構(gòu)限制，而且承受的載荷較大。它不像主減速器齒輪那樣經(jīng)常處于嚙合狀態(tài)，只有當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎或左右輪行駛不同的路程時(shí)，或一側(cè)車輪打滑而滑轉(zhuǎn)時(shí)，差速器齒輪才能有嚙合傳動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)于差速器齒輪主要應(yīng)進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核。輪齒彎曲強(qiáng)度σw (MPa)為?
MPa
式中 n————差速器的行星齒輪數(shù)；?
J————計(jì)算汽車差速器齒輪彎曲應(yīng)力用的綜合系數(shù)；
T————差速器一個(gè)行星齒輪傳給一個(gè)半軸齒輪的轉(zhuǎn)矩；
在此T為854.19?N?m；
Z2————半軸齒輪齒數(shù)；
根據(jù)上式有
=612.52MPa＜980MPa
所以，差速器齒輪滿足彎曲強(qiáng)度要求。目前用于制造差速器錐齒輪的材料為20CrMnTi、20CrMoTi、20CrMnMo和20CrMo等。由于差速器齒輪要求精度低，所以精鍛差速器齒輪工藝已被廣泛應(yīng)用[18]。
2.3 驅(qū)動(dòng)半軸設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)裝置位于傳動(dòng)系的末端,其基本功用是接受從差速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩并將其傳給車輪.對(duì)于斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋,驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)裝置為萬(wàn)向傳動(dòng)裝置;對(duì)于非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋,驅(qū)動(dòng)車輪傳動(dòng)裝置的主要零件為半軸。半軸根據(jù)其車輪端的支承方式不同，可分為半浮式、3/4浮式和全浮式三種形式。
???? 半浮式半軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是半軸外端支承軸承位于半軸套管外端的內(nèi)孔，車輪裝在半軸上。半浮式半軸除傳遞轉(zhuǎn)矩外，其外端還承受由路面對(duì)車輪的反力所引起的全部力和力矩。半浮式半軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所受載荷較大，用于乘用車和總質(zhì)量較小的商用車上。?
???? 3/4浮式半軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是半軸外端僅有一個(gè)軸承并裝在驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管的端部，直接支承著車輪輪轂，而半軸則以其端部凸緣與輪轂用螺釘聯(lián)接。該形式半軸受載情況與半浮式相似，只是載荷有所減輕，一般僅用在乘用車和質(zhì)量較小的商用車上。?
全浮式半軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是半軸外端的凸緣用螺釘與輪轂相聯(lián)，而輪轂又借用兩個(gè)圓錐滾子軸承支承在驅(qū)動(dòng)橋殼的半軸套管上。理論上來(lái)說(shuō)，半軸只承受轉(zhuǎn)矩，作用于驅(qū)動(dòng)輪上的其它反力和彎矩全由橋殼來(lái)承受。但由于橋殼變形、輪轂與差速器半軸齒輪不同女、半軸法蘭平面相對(duì)其軸線不垂直等因素，會(huì)引起半軸的彎曲變形，由此引起的彎曲應(yīng)力一般為5～70MPa[19]。全浮式半軸主要用于質(zhì)量較大的商用車上。
2.3.1 結(jié)構(gòu)形式分析
半軸根據(jù)其車輪端支承方式不同,可分為半浮式，3/4浮式和全浮式。
半軸是差速器與驅(qū)動(dòng)輪之間傳遞扭矩的實(shí)心軸，其內(nèi)端一般通過(guò)花鍵與半軸齒輪連接，外端與輪轂連接。本設(shè)計(jì)采用全浮式半軸。?
全浮式半軸只傳遞轉(zhuǎn)矩，不承受任何反力和彎矩，因而廣泛應(yīng)用于各類汽車上。全浮式半軸易于拆裝，只需擰下半軸突緣上的螺栓即可抽出半軸，而車輪與橋殼照樣能支持汽車，從而給汽車維護(hù)帶來(lái)方便。??
半浮式半軸既傳遞扭矩又承受全部反力和彎矩。它的支承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，因而被廣泛用于反力彎矩較小的各類轎車上。但這種半軸支承拆取麻煩，且汽車行駛中若半軸折斷則易造成車輪飛脫的危險(xiǎn)。
全浮式半軸計(jì)算載荷的確定
全浮式半軸只承受轉(zhuǎn)矩，其計(jì)算轉(zhuǎn)矩可由附著力矩TΨ=X2L?rr= X2R?rr求得，其中X2L，X2R的計(jì)算，可根據(jù)以下方法計(jì)算，并取兩者的較小值。
若按照最大附著力計(jì)算，即
X2L=X2R=
(2-22)
式中 ψ————輪胎與地面的附著系數(shù)取0.8；?
m————汽車加速或減速時(shí)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，可取1.2～1.4在此取1.2。
根據(jù)上式X2L=X2R=13340N，TΨ=X2L?rr= X2R?rr=6167N?m。
若按照最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算，即
X2L=X2R=
(2-23