汽車主減速器的對比分析與設計

密級：公開 本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告論文題目： 汽車主減速器的對比分析與設計 學 院： 機械工程學院 專業(yè)班級： 車輛工程0701班 學生姓名： 指導教師： 開題時間： 2011 年 3 月 15 日1.課題研究的目的及意義汽車主減速器是驅動橋最重要的組成部分，其功用是將萬向傳動裝置傳來的發(fā)動機轉矩傳遞給驅動車輪，是汽車傳動系中減小轉速、增大扭矩的主要部件。對發(fā)動機縱置的汽車來說，主減速器還有改變動力傳輸方向的作用。汽車正常行駛時，發(fā)動機的轉速通常在200至3000r/min左右，如果將這么高的轉速只靠變速箱來降低下來，那么變速箱內齒輪副的傳動比則需要很大，齒輪的半徑也相應加大，也就是說變速箱的尺寸會加大。另外，轉速下降，扭矩必然增加，也加大了變速箱與變速箱后一級傳動機構的傳動負荷。所以，在動力向左右驅動輪分流的差速器之前設置一個主減速器，可以使主減速器前面的傳動部件，如變速箱、分動器、萬向傳動裝置等傳遞的扭矩減小，同時也減小了變速箱的尺寸和質量，而且操控靈敏省力。2.汽車主減速器發(fā)展現狀改革開放以來，中國的汽車工業(yè)得到了長足發(fā)展，尤其是加入WTO以后，我國的汽車市場對外開發(fā)，汽車工業(yè)逐漸成為世界汽車整體市場的一個重要組成部分。同樣，車用減速器也隨著整車的發(fā)展不斷成長和成熟起來。隨著高速公路網狀況的改善和國家環(huán)保法規(guī)的完善，環(huán)保、舒適、快捷成為客車和貨車市場的主旋律。對整車主要總成之一的驅動橋而言，小速比、大扭矩、傳動效率高、成本低逐漸成為客車和貨車主減速器技術的發(fā)展趨勢。產品上，國內卡車市場用戶主要以承載能力強、齒輪疲勞壽命高、結構先進、易維護等特點的產品為首選。目前己開發(fā)的產品，如陜西漢德引進德國撇N公司技術的485單級減速驅動橋，一汽集團和東風公司的13噸級系列車橋為代表的主減速器技術，都是在有效吸收國外同類產品新技術的基礎上，針對國內市場需求開發(fā)出來的高性能、高可靠性、高品質的車橋產品。這些產品基本代表了國內車用減速器發(fā)展的方向。通過整合和平臺化開發(fā)，目前國內市場形成了457、460、480、500等眾多成型穩(wěn)定產品，并被用戶廣泛認可和使用。設計開發(fā)上，CAD、CAE、等計算機應用技術，以及AUTOCAD、UG16、CATIA、等設計軟件先后應用于主減速器的結構設計和齒輪加工中，有限元分析、數模建立、虛擬試驗分析等也被采用;齒輪設計也初步實現了計算機編程的電算化。新一代減速器設計開發(fā)的突出特點是:不僅在產品性能參數上進一步進設計上完全遵從模塊化設計原則，產品配套實現車型的平臺化，造型和結構更加合理，更宜于組織批量生產，更適應現代工業(yè)不斷發(fā)展，更能應對頻繁的車型換代和產品系列化的特點，這些都對基礎件產品提出愈來愈高的配套要求，需要在產品設計上不斷地進行二次開發(fā)和持續(xù)改進，以滿足快速多變的市場需求。與國外相比，我國的車用減速器開發(fā)設計不論在技術上、制造工藝上，還是在成本控制上都存在不小的差距，尤其是齒輪制造技術缺乏獨立開發(fā)與創(chuàng)新能力，技術手段落后(國外己實現計算機編程化、電算化)。目前比較突出的問題是，行業(yè)整體新產品開發(fā)能力弱、工藝創(chuàng)新及管理水平低，企業(yè)管理方式較為粗放，相當比例的產品仍為中低檔次，缺乏有國際影響力的產品品牌，行業(yè)整體散亂情況依然嚴重。這需要我們加快技術創(chuàng)新、技術進步的步伐，提高管理水平，加快與國際先進水平接軌，開發(fā)設計適應中國國情的高檔車用減速器總成，由仿制到創(chuàng)新，早日縮小并消除與世界先進水平的差距。近幾年來，國內汽車生產廠家，如重汽集團、福田汽車、江淮汽車等通過與國外卡車巨頭，如沃爾沃、通用、五十鈴、現代、奔馳、雷諾等進行合資合作，在車橋減速器的開發(fā)上取得了顯著的進步。目前，上汽集團、東風、一汽、北汽等各大汽車集團也正在開展合作項目，希望早日實與世界先進技術的接軌，爭取設計開發(fā)的新突破?？傮w來說，車用減速器發(fā)展趨勢和特點是向著六高、二低、二化方向發(fā)展，即高承載能力、高齒面硬度、高精度、高速度、高可靠性、高傳動效率，低噪聲、低成本，標準化、多樣化，計算機技術、信息技術、自動化技術廣泛應用。從發(fā)動機的大馬力、低轉速的發(fā)展趨勢以及商用車的最高車速的提升來看，公路用車橋減速器應該向小速比方向發(fā)展:在最大輸出扭矩相同時齒輪的使用壽命要求更高(齒輪疲勞壽命平均可達50萬次以上)；在額定軸荷相同時，車橋的超載能力更強;主減速器齒輪使用壽命更長、噪音更低、強度更大，潤滑密封性能更好；整體剛性好，速比范圍寬。3.課題研究的內容 汽車主減速器結構多種多樣，主要是根據其齒輪類型、主動齒輪和從動齒輪的安置方法以及減速型式的不同而異。例如：3.1主減速器齒輪的類型在現代汽車驅動橋上，主減速器采用得最廣泛的是螺旋錐齒輪和雙曲面齒輪。在雙級主減速器中，通常還要加一對圓柱齒輪（多采用斜齒圓柱齒輪），或一組行星齒輪。在輪邊減速器中則常采用普通平行軸式布置的斜齒圓柱齒輪傳動或行星齒輪傳動。在某些公共汽車、無軌電車和超重型汽車的主減速器上，有時也采用蝸輪傳動。3.2主減速器主動錐齒輪的支承型式及安置方法現在汽車主減速器主動錐齒輪的支承型式有以下兩種：懸臂式，跨置式。3.3主減速器的軸承預緊及齒輪嚙合調整支承主減速器齒輪的圓錐滾子軸承需預緊以消除安裝的原始間隙、磨合期間該間隙的增大及增強支承剛度。預緊力的大小與安裝形式、載荷大小、軸承剛度特性及使用轉速有關。主動錐齒輪軸承預緊度的調整，可通過精選兩軸承內圈間的套筒長度、調整墊圈厚度、軸承與軸肩之間的調整墊片等方法進行。近年來采用波形套筒調整軸承預緊度極為方便，波形套筒安裝在兩軸承內圈間或軸承與軸肩間。3.4主減速器的減速型式主減速器的減速型式分為單級減速、雙級減速、雙速減速、單級貫通、雙級貫通、主減速及輪邊減速等。正如上面我們看的一樣，減速器的類型很多，那么每種類型的主減速器都適用什么類型的車呢？是不是有種減速器是完美無缺的？本課題就是來解決這些問題的。其實每種類型都有它的優(yōu)缺點，我們本課題要研究的內容就是要通過分析設計，在齒輪副抗疲勞強度、主減速器噪聲、制造成本、整體尺寸等方面，找出不同類型的減速器的優(yōu)缺點。了解了他們的優(yōu)缺點后我們就能更好更充分的利用它們，為汽車優(yōu)化設計提供方便。4.完成課題的實驗條件、預計設計過程中可能遇到的問題以及解決的方法和措施由于對專業(yè)知識的不熟練，可能需要查閱眾多的資料。在設計中，對各個標準件的查閱可能會遇到難題，比如查閱不到之類。在后來的制圖過程可能有相當長的學習階段，在這過程中能學習到CAD/CAXA等應用軟件。在這些學習過程中遇到的難題，向老師和同學請教。5.畢業(yè)設計實施計劃第1-4周：查閱資料，分析課題研究的內容，外文翻譯，寫開題報告；第5-6周：比較分析各種不同類型主減速器的優(yōu)缺第7-8周：分析確定幾種不同類型的主減速器，并繪制出草圖第9-10周：具體數據計算第11-15周：確定主減速器總裝配圖并繪制總裝配圖：均為計算機繪圖；第16-17周：撰寫畢業(yè)論文，準備答辯。參考文獻及有關資料1 孫恒等.機械原理.北京：高等教育出版社，20062 濮良貴，紀名剛.機械設計.北京：高等教育出版社，20063 王望予.汽車設計.北京：機械工業(yè)出版社，20044 陳家瑞.汽車構造.上下冊.北京：機械工業(yè)出版社，20095 李俊玲，羅永革.Automotive Engineering English.北京：機械工業(yè)出版社，20056 劉惟信. 汽車車橋設計M. 北京: 清華大學出版社, 2004 : 472517劉惟信. 圓錐齒輪與雙曲面齒輪轉動M . 北京: 人民交通出版社, 1980 : 2172224 8汽車工程手冊編輯委員會. 汽車工程手冊: 設計篇M . 北京:人民交通出版社, 2001 : 44224509 盧曦, 鄭松林, 寇宏濱, 等. 圓柱齒輪低載強化試驗研究J .中國機械工程, 2005 , 16 (23) : 21092211110寇宏濱, 鄭松林, 盧曦. 工藝強化后傳動系齒輪疲勞壽命增長潛力的研究J . 機械強度, 2005 , 27 (2) : 232223511邵晨, 艾維全, 盧曦. 轎車變速箱齒輪磨合次數對疲勞壽命影響的試驗研究J . 機械強度, 2005 ,27(4) : 54154312 張洪欣.汽車設計. 機械工業(yè)出版社，1999：11813613 劉惟信.機械最優(yōu)化設計.清華大學出版社，1989：405214 吳志敏等.農用動力車動力的優(yōu)選方.農業(yè)下程學報.1996, 12( 3) ：101- 10515 戴冠軍.城市載貨汽車和公共汽車運行工況模式的探討.西安公路學院學報.1985,(1)：162018 Kumar A, Gupta V P. innovative planning and monitoring improves production form an india offshore fieldJ. spe 80488, 2003.19 Yancy Y . contractors upgrading USA fleet to optimize servicing deeper,more complex wellsJ.ameroil gas reporter, 2002, V45 (13)e 127-128, 130-131.20 Morgan D, yuan M.multtlateral technique increases production in a mature offshore china fieldJ. offshore int, 2002, V 62 (11): 44-45, 89.21 Ellts H A, lejeune G V. method of drive pipe replaceme nts on offshore platformsJ. 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Its function is decreasing speed and increasing torque in the power train.At the same time. Designing a final drive before the differential which drive the power to two drive wheel may make drive train components before final drive ,such as transmission, power divider and universal driven device and so on,decrease the torque they transmit, but also reduced the size and quality of transmission , and control quickly and easily. The structure of final drive is various and is based mainly on the gear type, the settle mothod of bevel pinion gear and drive gear vary according to. According to the type of final drive wheel: spiral bevel gear and hypoid gear; According to the supporting form and settle mothod of bevel pinion gear: cantilever type and supports on both ends of the gear. According to the down form of final drive: single reduction final drive, double reduction final drive, two speed final drive, penetrable final drive and hub reduction gear and so on.The final drive design in relation to the dynamic quality ,economy and noise, life and so on. How to appropriately, the relationship between matches the design parameters to meet the needs of the best aim is the final drive in the design of the most important problem. Usually optimum design of the final drive is only from a perspective, a single improve its some one parameter, and not to put their argument to optimize effectiveness , Therefore, this text is designed by different types of the final drive, an analysis and comparison to see all kinds of gear have to adapt to any kind of car, or is that each type of the final drive what kind of members to adopt appropriate to optimize designs the final drive which can accommodate now the trend towards smaller than the speed of transmission, torque and high efficiency, low cost etc coach and freight the main gear technology the trend of development. Keywords: final drive; design ; contrast ; analysisI目 錄摘 要IAbstractII第1章 引言11.1課題研究的目的及意義11.2汽車主減速器發(fā)展現狀11.3課題研究的內容31.3.1主減速器齒輪的類型31.3.2主減速器主動錐齒輪的支承型式及安置方法31.3.3主減速器的軸承預緊及齒輪嚙合調整41.3.4主減速器的減速型式4第2章 汽車主減速器概述52.1主減速器的功用52.2主減速器的分類5第3章 主減速器的對比分析63.1主減速器結構方案分析63.1.1螺旋錐齒輪傳動63.1.2雙曲面齒輪傳動73.1.3圓柱齒輪傳動93.1.4蝸桿傳動93.1.5單級主減速器103.1.6雙級主減速器113.1.7雙速主減速器133.1.8貫通式主減速器153.1.9單雙級減速配輪邊減速器183.2主減速器主、從動錐齒輪的支承方案203.2.1主動錐齒輪的支承203.2.2從動錐齒輪的支承21第4章 單級主減速器的設計234.1結構設計234.1.1主減速器齒輪的類型234.1.2主、從動齒輪的支承方案234.2基本參數選擇與計算載荷的確定234.2.1齒輪計算載荷的確定234.2.2錐齒輪主要參數的選擇244.3主減速器錐齒輪的強度校核264.3.1齒輪彎曲強度264.3.2輪齒接觸強度284.4繪圖28第5章 結論32參 考 文 獻33致 謝35沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文）第1章 引言1.1課題研究的目的及意義汽車主減速器是驅動橋最重要的組成部分，其功用是將萬向傳動裝置傳來的發(fā)動機轉矩傳遞給驅動車輪，是汽車傳動系中減小轉速、增大扭矩的主要部件。對發(fā)動機縱置的汽車來說，主減速器還有改變動力傳輸方向的作用。汽車正常行駛時，發(fā)動機的轉速通常在200至3000r/min左右，如果將這么高的轉速只靠變速箱來降低下來，那么變速箱內齒輪副的傳動比則需要很大，齒輪的半徑也相應加大，也就是說變速箱的尺寸會加大。另外，轉速下降，扭矩必然增加，也加大了變速箱與變速箱后一級傳動機構的傳動負荷。所以，在動力向左右驅動輪分流的差速器之前設置一個主減速器，可以使主減速器前面的傳動部件，如變速箱、分動器、萬向傳動裝置等傳遞的扭矩減小，同時也減小了變速箱的尺寸和質量，而且操控靈敏省力1。1.2汽車主減速器發(fā)展現狀改革開放以來，中國的汽車工業(yè)得到了長足發(fā)展，尤其是加入WTO以后，我國的汽車市場對外開發(fā)，汽車工業(yè)逐漸成為世界汽車整體市場的一個重要組成部分。同樣，車用減速器也隨著整車的發(fā)展不斷成長和成熟起來3。隨著高速公路網狀況的改善和國家環(huán)保法規(guī)的完善，環(huán)保、舒適、快捷成為客車和貨車市場的主旋律。對整車主要總成之一的驅動橋而言，小速比、大扭矩、傳動效率高、成本低逐漸成為客車和貨車主減速器技術的發(fā)展趨勢。產品上，國內卡車市場用戶主要以承載能力強、齒輪疲勞壽命高、結構先進、易維護等特點的產品為首選。目前己開發(fā)的產品，如陜西漢德引進德國撇N公司技術的485單級減速驅動橋，一汽集團和東風公司的13噸級系列車橋為代表的主減速器技術，都是在有效吸收國外同類產品新技術的基礎上，針對國內市場需求開發(fā)出來的高性能、高可靠性、高品質的車橋產品。這些產品基本代表了國內車用減速器發(fā)展的方向。通過整合和平臺化開發(fā)，目前國內市場形成了457、460、480、500等眾多成型穩(wěn)定產品，并被用戶廣泛認可和使用。設計開發(fā)上，CAD、CAE、等計算機應用技術，以及AUTOCAD、UG16、CATIA、等設計軟件先后應用于主減速器的結構設計和齒輪加工中，有限元分析、數模建立、虛擬試驗分析等也被采用，齒輪設計也初步實現了計算機編程的電算化。新一代減速器設計開發(fā)的突出特點是：不僅在產品性能參數上進一步進設計上完全遵從模塊化設計原則，產品配套實現車型的平臺化，造型和結構更加合理，更宜于組織批量生產，更適應現代工業(yè)不斷發(fā)展，更能應對頻繁的車型換代和產品系列化的特點，這些都對基礎件產品提出愈來愈高的配套要求，需要在產品設計上不斷地進行二次開發(fā)和持續(xù)改進，以滿足快速多變的市場需求。與國外相比，我國的車用減速器開發(fā)設計不論在技術上、制造工藝上，還是在成本控制上都存在不小的差距，尤其是齒輪制造技術缺乏獨立開發(fā)與創(chuàng)新能力，技術手段落后(國外己實現計算機編程化、電算化)。目前比較突出的問題是，行業(yè)整體新產品開發(fā)能力弱、工藝創(chuàng)新及管理水平低，企業(yè)管理方式較為粗放，相當比例的產品仍為中低檔次，缺乏有國際影響力的產品品牌，行業(yè)整體散亂情況依然嚴重。這需要我們加快技術創(chuàng)新、技術進步的步伐，提高管理水平，加快與國際先進水平接軌，開發(fā)設計適應中國國情的高檔車用減速器總成，由仿制到創(chuàng)新，早日縮小并消除與世界先進水平的差距。近幾年來，國內汽車生產廠家，如重汽集團、福田汽車、江淮汽車等通過與國外卡車巨頭，如沃爾沃、通用、五十鈴、現代、奔馳、雷諾等進行合資合作，在車橋減速器的開發(fā)上取得了顯著的進步。目前，上汽集團、東風、一汽、北汽等各大汽車集團也正在開展合作項目，希望早日實與世界先進技術的接軌，爭取設計開發(fā)的新突破?？傮w來說，車用減速器發(fā)展趨勢和特點是向著六高、二低、二化方向發(fā)展，即高承載能力、高齒面硬度、高精度、高速度、高可靠性、高傳動效率，低噪聲、低成本，標準化、多樣化，計算機技術、信息技術、自動化技術廣泛應用。從發(fā)動機的大馬力、低轉速的發(fā)展趨勢以及商用車的最高車速的提升來看，公路用車橋減速器應該向小速比方向發(fā)展：在最大輸出扭矩相同時齒輪的使用壽命要求更高(齒輪疲勞壽命平均可達50萬次以上) 4；在額定軸荷相同時，車橋的超載能力更強;主減速器齒輪使用壽命更長、噪音更低、強度更大，潤滑密封性能更好；整體剛性好，速比范圍寬5。1.3課題研究的內容汽車主減速器結構多種多樣，主要是根據其齒輪類型、主動齒輪和從動齒輪的安置方法以及減速型式的不同而異。例如：1.3.1主減速器齒輪的類型在現代汽車驅動橋上，主減速器采用得最廣泛的是螺旋錐齒輪和雙曲面齒輪。在雙級主減速器中，通常還要加一對圓柱齒輪（多采用斜齒圓柱齒輪），或一組行星齒輪。在輪邊減速器中則常采用普通平行軸式布置的斜齒圓柱齒輪傳動或行星齒輪傳動。在某些公共汽車、無軌電車和超重型汽車的主減速器上，有時也采用蝸輪傳動6。1.3.2主減速器主動錐齒輪的支承型式及安置方法在殼體結構及軸承型式已定的情況下，主減速器主動齒輪的支承型式及安置方法，對其支承剛度影響很大，這是齒輪能否正確嚙合并具有較高使用壽命的重要因素之一7?，F在汽車主減速器主動錐齒輪的支承型式有以下兩種：（1）懸臂式齒輪以其輪齒大端一側的軸頸懸臂式地支承于一對軸承上。為了增強支承剛度，應使兩軸承支承中心間的距離齒輪齒面寬中點的懸臂長度大兩倍以上，同時比齒輪節(jié)圓直徑的70%還大，并使齒輪軸徑大于等于懸臂長。當采用一對圓錐滾子軸承支承時，為了減小懸臂長度和增大支承間的距離，應使兩軸承圓錐滾子的小端相向朝內，而大端朝外，以縮短跨距，從而增強支承剛度。（2）跨置式齒輪前、后兩端的軸頸均以軸承支承，故又稱兩端支承式?？缰檬街С惺怪С袆偠却鬄樵黾?，使齒輪在載荷作用下的變形大為減小，約減小到懸臂式支承的1/30以下。而主動錐齒輪后軸承的徑向負荷比懸臂式的要減小至1/51/7。齒輪承載能力較懸臂式可提高10%左右。裝載質量為2t以上的汽車主減速器主動齒輪都是采用跨置式支承。但是跨置式支承增加了導向軸承支座，是主減速器結構復雜，成本提高8。轎車和裝載質量小于2t的貨車，常采用結構簡單、質量較小、成本較低的懸臂式結構。1.3.3主減速器的軸承預緊及齒輪嚙合調整支承主減速器齒輪的圓錐滾子軸承需預緊以消除安裝的原始間隙、磨合期間該間隙的增大及增強支承剛度。預緊力的大小與安裝形式、載荷大小、軸承剛度特性及使用轉速有關。 主動錐齒輪軸承預緊度的調整，可通過精選兩軸承內圈間的套筒長度、調整墊圈厚度、軸承與軸肩之間的調整墊片等方法進行。近年來采用波形套筒調整軸承預緊度極為方便，波形套筒安裝在兩軸承內圈間或軸承與軸肩間9。1.3.4主減速器的減速型式主減速器的減速型式分為單級減速、雙級減速、雙速減速、單級貫通、雙級貫通、主減速及輪邊減速等10。正如上面我們看的一樣，減速器的類型很多，那么每種類型的主減速器都適用什么類型的車呢？是不是有種減速器是完美無缺的？本課題就是來解決這些問題的。其實每種類型都有它的優(yōu)缺點，我們本課題要研究的內容就是要通過分析設計，在齒輪副抗疲勞強度、主減速器噪聲、制造成本、整體尺寸等方面，找出不同類型的減速器的優(yōu)缺點。了解了他們的優(yōu)缺點后我們就能更好更充分的利用它們，為汽車優(yōu)化設計提供方便。第2章 汽車主減速器概述2.1主減速器的功用汽車主減速器是驅動橋最重要的組成部分，其功用是：1）將萬向傳動裝置傳來的發(fā)動機轉矩傳遞給驅動車輪；2）減小汽車傳動系中的轉速、增大扭矩的主要部件；3）當發(fā)動機縱置時還具有改變轉矩旋轉方向的作用11；2.2主減速器的分類按參加減速傳動的齒輪副數目分，有單級式主減速器和雙級式主減速器。在雙級式主減速器中，若第二級減速器齒輪有兩副，并分置于兩側車輪附近，實際上成為獨立的部件，則稱為輪邊減速器12。按主減速器主傳動比擋數分，有單速式和雙速式。前者的傳動比是固定的，后者有兩個傳動比供駕駛員選擇，以適應不同行駛條件的需要。按齒輪副結構形式分，有圓柱齒輪式（又分為軸線固定式和軸線旋轉式即行星齒輪式、錐齒輪式和準雙曲面式）。第3章 主減速器的對比分析3.1主減速器結構方案分析主減速器的結構形式主要是根據齒輪類型、減速形式的不同而不同。主減速器的齒輪主要有螺旋錐齒輪、雙曲面齒輪、圓柱齒輪和蝸輪蝸桿等形式。3.1.1螺旋錐齒輪傳動螺旋錐齒輪傳動(圖3-1a)的主、從動齒輪軸線垂直相交于一點，齒輪并不同時在全長上嚙合，而是逐漸從一端連續(xù)平穩(wěn)地轉向另一端。另外，由于輪齒端面重疊的影響，至少有兩對以上的輪齒同時嚙合，所以它工作平穩(wěn)、能承受較大的負荷、制造也簡單。但是在工作中噪聲大，對嚙合精度很敏感，齒輪副錐頂稍有不吻合便會使工作條件急劇變壞，并伴隨磨損增大和噪聲增大。為保證齒輪副的正確嚙合，必須將支承軸承預緊，提高支承剛度，增大殼體剛度。圖3-1 主減速器齒輪傳動形式a)螺旋錐齒輪傳動 b)雙曲面齒輪傳動 c)圓柱齒輪傳動 d)蝸桿傳動3.1.2雙曲面齒輪傳動雙曲面齒輪傳動(圖3-1b)的主、從動齒輪的軸線相互垂直而不相交，主動齒輪軸線相對從動齒輪軸線在空間偏移一距離E，此距離稱為偏移距13。由于偏移距E的存在，使主動齒輪螺旋角大于從動齒輪螺旋角(圖3-2)。根據嚙合面上法向力相等，可求出主、從動齒輪圓周力之比。 (3-1)其中，F1、F2分別為主、從動齒輪的圓周力；1、2分別為主、從動齒輪的螺旋角。 圖3-2雙曲面齒輪副受力情況螺旋角是指在錐齒輪節(jié)錐表面展開圖上的齒線任意一點A的切線TT與該點和節(jié)錐頂點連線之間的夾角。在齒面寬中點處的螺旋角稱為中點螺旋角(圖3-2)。通常不特殊說明，則螺旋角系指中點螺旋角。雙曲面齒輪傳動比： (3-2)式中，為雙曲面齒輪傳動比；、分別為主、從動齒輪平均分度圓半徑。螺旋錐齒輪傳動比為： （3-3）令，則。由于>，所以系數K>1，一般為1.251.50。這說明：1）當雙曲面齒輪與螺旋錐齒輪尺寸相同時，雙曲面齒輪傳動有更大的傳動比。2）當傳動比一定，從動齒輪尺寸相同時，雙曲面主動齒輪比相應的螺旋錐齒輪有較大的直徑，較高的輪齒強度以及較大的主動齒輪軸和軸承剛度。3）當傳動比一定，主動齒輪尺寸相同時，雙曲面從動齒輪直徑比相應的螺旋錐齒輪為小，因而有較大的離地間隙。另外，雙曲面齒輪傳動比螺旋錐齒輪傳動還具有如下優(yōu)點：1）在工作過程中，雙曲面齒輪副不僅存在沿齒高方向的側向滑動，而且還有沿齒長方向的縱向滑動?？v向滑動可改善齒輪的磨合過程，使其具有更高的運轉平穩(wěn)性。2）由于存在偏移距，雙曲面齒輪副使其主動齒輪的大于從動齒輪的，這樣同時嚙合的齒數較多，重合度較大，不僅提高了傳動平穩(wěn)性，而且使齒輪的彎曲強度提高約30%。3）雙曲面齒輪傳動的主動齒輪直徑及螺旋角都較大，所以相嚙合輪齒的當量曲率半徑較相應的螺旋錐齒輪為大，其結果使齒面的接觸強度提高。4）雙曲面主動齒輪的變大，則不產生根切的最小齒數可減少，故可選用較少的齒數，有利于增加傳動比。5）雙曲面齒輪傳動的主動齒輪較大，加工時所需刀盤刀頂距較大，因而切削刃壽命較長14。6）雙曲面主動齒輪軸布置在從動齒輪中心上方，便于實現多軸驅動橋的貫通，增大傳動軸的離地高度。布置在從動齒輪中心下方可降低萬向傳動軸的高度，有利于降低轎車車身高度，并可減小車身地板中部凸起通道的高度。但是，雙曲面齒輪傳動也存在如下缺點：1）沿齒長的縱向滑動會使摩擦損失增加，降低傳動效率。雙曲面齒輪副傳動效率約為96%，螺旋錐齒輪副的傳動效率約為99%。2）齒面間大的壓力和摩擦功，可能導致油膜破壞和齒面燒結咬死，即抗膠合能力較低。3）雙曲面主動齒輪具有較大的軸向力，使其軸承負荷增大。4）雙曲面齒輪傳動必須采用可改善油膜強度和防刮傷添加劑的特種潤滑油，螺旋錐齒輪傳動用普通潤滑油即可。由于雙曲面齒輪具有一系列的優(yōu)點，因而它比螺旋錐齒輪應用更廣泛。一般情況下，當要求傳動比大于4.5而輪廓尺寸又有限時，采用雙曲面齒輪傳動更合理。這是因為如果保持主動齒輪軸徑不變，則雙曲面從動齒輪直徑比螺旋錐齒輪小。當傳動比小于2時，雙曲面主動齒輪相對螺旋錐齒輪主動齒輪顯得過大，占據了過多空間，這時可選用螺旋錐齒輪傳動，因為后者具有較大的差速器可利用空間。對于中等傳動比，兩種齒輪傳動均可采用。3.1.3圓柱齒輪傳動圓柱齒輪傳動(圖3-1c)一般采用斜齒輪，廣泛應用于發(fā)動機橫置且前置前驅動的轎車驅動橋(圖3-3)和雙級主減速器貫通式驅動橋。3.1.4蝸桿傳動蝸桿(圖3-1d)傳動與錐齒輪傳動相比有如下優(yōu)點：1)在輪廓尺寸和結構質量較小的情況下，可得到較大的傳動比(可大于7)。2)在任何轉速下使用均能工作得非常平穩(wěn)且無噪聲。3)便于汽車的總布置及貫通式多橋驅動的布置。4)能傳遞大的載荷，使用壽命長。5)結構簡單，拆裝方便，調整容易。但是由于蝸輪齒圈要求用高質量的錫青銅制作，故成本較高；另外，傳動效率較低。蝸桿傳動主要用于生產批量不大的個別重型多橋驅動汽車和具有高轉速發(fā)動機的大客車上。主減速器的減速形式可分為單級減速、雙級減速、雙速減速、單雙級貫通、單雙級減速配以輪邊減速等。圖3-3 發(fā)動機橫置且前置前驅動轎車驅動橋3.1.5單級主減速器單級主減速器(圖3-4)可由一對圓錐齒輪、一對圓柱齒輪或由蝸輪蝸桿組成，具有結構簡單、質量小、成本低、使用簡單等優(yōu)點。但是其主傳動比不能太大，一般7，進一步提高將增大從動齒輪直徑，從而減小離地間隙，且使從動齒輪熱處理困難。單級主減速器廣泛應用于轎車和輕、中型貨車的驅動橋中。圖3-4 單級主減速器3.1.6雙級主減速器雙級主減速器(圖3-5)與單級相比，在保證離地間隙相同時可得到大的傳動比，但是由于兩級齒輪減速器組成，結構復雜，質量加大，制造成本也顯著增加，因此僅用于主減速比較大(7.6<i012)且采用單級減速不能滿足既定的主減速比和離地間隙要求的重型汽車上。以往在某些中型載貨汽車上雖有采用，但在新設計的現代中型載貨汽車上已很少見。這是由于隨著發(fā)動機功率的提高、車輛整備質量的減小以及路面狀況的改善，中等以下噸位的載貨汽車往具有更高車速的方向發(fā)展，因而需采用較小主減速比的緣故。圖3-5雙級主減速器整體式雙級主減速器有多種結構方案：第一級為錐齒輪，第二級為圓柱齒輪(圖3-6a)；第一級為錐齒輪，第二級為行星齒輪；第一級為行星齒輪，第二級為錐齒輪(圖3-6b)；第一級為圓柱齒輪，第二級為錐齒輪(圖3-6c)。對于第一級為錐齒輪、第二級為圓柱齒輪的雙級主減速器，可有縱向水平(圖3-6d)、斜向(圖3-6e)和垂向(圖3-6f)三種布置方案?？v向水平布置可以使總成的垂向輪廓尺寸減小，從而降低汽車的質心高度，但使縱向尺寸增加，用在長軸距汽車上可適當減小傳動軸長度，但不利于短軸距汽車的總布置，會使傳動軸過短，導致萬向傳動軸夾角加大。垂向布置使驅動橋縱向尺寸減小，可減小萬向傳動軸夾角，但由于主減速器殼固定在橋殼的上方，不僅使垂向輪廓尺寸增大，而且降低了橋殼剛度，不利于齒輪工作。這種布置可便于貫通式驅動橋的布置。斜向布置對傳動軸布置和提高橋殼剛度有利。在具有錐齒輪和圓柱齒輪的雙級主減速器中分配傳動比時，圓柱齒輪副和錐齒輪副傳動比的比值一般為1.42.0，而且錐齒輪副傳動比一般為1.73.3，這樣可減小錐齒輪嚙合時的軸向載荷和作用在從動錐齒輪及圓柱齒輪上的載荷，同時可使主動錐齒輪的齒數適當增多，使其支承軸頸的尺寸適當加大，以改善其支承剛度，提高嚙合平穩(wěn)性和工作可靠性。圖3-6雙級主減速器布置方案3.1.7雙速主減速器雙速主減速器(圖3-7)內由齒輪的不同組合可獲得兩種傳動比。它與普通變速器相配合，可得到雙倍于變速器的擋位。雙速主減速器的高低擋減速比是根據汽車的使用條件、發(fā)動機功率及變速器各擋速比的大小來選定的。大的主減速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擋位的變換次數；小的主減速比則用于汽車空載、半載行駛或在良好路面上行駛，以改善汽車的燃料經濟性和提高平均車速。對于載荷及道路狀況變化大、使用條件非常復雜的重型載貨汽車來說，要想選擇一種主減速比來使汽車在滿載甚至牽引井爬陡坡或通過壞路面時具有足夠的動力性，而在平直而良好的硬路面上單車空載行駛時又有較高的車速和滿意的然料經濟性，是非常困難的15。為了解決這一矛盾，提高汽車對各種使用條件的適應性，有的重型汽車采用具有兩種減速比并可根據行駛條件來選擇檔位的雙速主減速器。它與變速器各檔相配合，就可得到兩倍于變速器的檔位。顯然，它比僅僅在變速器中設置超速檔，即僅僅改變傳動比而不增加檔位數，更為有利。當然，用雙速主減速器代替半衰期的超速檔，會加大驅動橋的質量，提高制造成本，并要增設較復雜的操縱裝置，因此它有時被多檔變速器所代替。雙速主減速器可以由圓柱齒輪組(圖3-7a)或行星齒輪組(圖3-7b)構成。圓柱齒輪式雙速主減速器結構尺寸和質量較大，可獲得的主減速比較大。只要更換圓柱齒輪軸、去掉一對圓柱齒輪，即可變型為普通的雙級主減速器。行星齒輪式雙速主減速器結構緊湊，質量較小，具有較高的剛度和強度，橋殼與主減速器殼都可與非雙速通用，但需加強行星輪系和差速器的潤滑。 圖3-7 雙速主減速器a)圓柱齒輪式 b)行星齒輪式1-太陽輪 2-齒圈 3-行星齒輪架 4-行星齒輪 5-接合齒輪對于行星齒輪式雙速主減速器，當汽車行駛條件要求有較大的牽引力時，駕駛員通過操縱機構將嚙合套及太陽輪推向右方(圖示位置)，接合齒輪5的短齒與固定在主減速器上的接合齒環(huán)相接合，太陽輪1就與主減速器殼聯(lián)成一體，并與行星齒輪架3的內齒環(huán)分離，而僅與行星齒輪4嚙合。于是，行星機構的太陽輪成為固定輪，與從動錐齒輪聯(lián)成一體的齒圈2為主動輪，與差速器左殼聯(lián)在一起的行星齒輪架3為從動件，行星齒輪起減速作用，其減速比為(1+a)，a為太陽輪齒數與齒圈齒數之比。在一般行駛條件下，通過操縱機構使嚙合套及太陽輪移到左邊位置，嚙合套的接合齒輪5與固定在主減速器殼上的接合齒環(huán)分離，太陽輪1與行星齒輪4及行星齒輪架3的內齒環(huán)同時嚙合，從而使行星齒輪無法自轉，行星齒輪機構不再起減速作用。顯然，此時雙速主減速器相當于一個單級主減速器。雙速主減速器的換擋是由遠距離操縱機構實現的，一般有電磁式、氣壓式和電一氣壓綜合式操縱機構。由于雙速主減速器無換擋同步裝置，因此其主減速比的變換是在停車時進行的。雙速主減速器主要在一些單橋驅動的重型汽車上采用。3.1.8貫通式主減速器貫通式主減速器(圖3-8，圖3-9)根據其減速形式可分成單級和雙級兩種。分別是單級貫通式主減速器和雙級貫通式主減速器。單級貫通式主減速器具有結構簡單，體積小，質量小，并可使中、后橋的大部分零件，尤其是使橋殼、半軸等主要零件具有互換性等優(yōu)點，主要用于輕型多橋驅動的汽車上。根據減速齒輪形式不同，單級貫通式主減速器又可分為雙曲面齒輪式及蝸輪蝸桿式兩種結構。雙曲面齒輪式單級貫通式主減速器(圖3-8a)是利用雙曲面齒輪副軸線偏移的特點，將一根貫通軸穿過中橋并通向后橋。但是這種結構受主動齒輪最少齒數和偏移距大小的限制，而且主動齒輪工藝性差，主減速比最大值僅在5左右，故多用于輕型汽車的貫通式驅動橋上。當用于大型汽車時，可通過增設輪邊減速器或加大分動器速比等方法來加大總減速比。螺桿式單級貫通式主減速器(圖3-8b)在結構質量較小的情況下可得到較大的速比。它使用于各種噸位多橋驅動汽車的貫通式驅動橋的布置。另外，它還具有工作平滑無聲、便于汽車總布置的優(yōu)點。如蝸桿下置式布置方案被用于大客車的貫通式驅動橋中，可降低車廂地板高度。圖3-8 單級貫通式主減速器 a) 雙曲面齒輪式 b)蝸輪蝸桿式圖3-9 雙級貫通式主減速器a)錐齒輪一圓柱齒輪式 b)圓柱齒輪一錐齒輪式1-貫通軸 2-軸間差速器對于中、重型多橋驅動的汽車，由于主減速比較大，多采用雙級貫通式主減速器。根據齒輪的組合方式不同，可分為錐齒輪一圓柱齒輪式和圓柱齒輪一錐齒輪式兩種形式。錐齒輪一圓柱齒輪式雙級貫通式主減速器(圖3-9a)可得到較大的主減速比，但是結構高度尺寸大，主動錐齒輪工藝性差，從動錐齒輪采用懸臂式支承，支承剛度差，拆裝也不方便。圓柱齒輪一錐齒輪式雙級貫通式主減速器(圖3-9b)的第一級圓柱齒輪副具有減速和貫通的作用。有時僅用作貫通用將其速比設計為1。在設計中應根據中、后橋錐齒輪的布置、旋轉方向、雙曲面齒輪的偏移方式以及圓柱齒輪副在錐齒輪副前后的布置位置等因素來確定錐齒輪的螺旋方向，所選的螺旋方向應使主、從動錐齒輪有相斥的軸向力。這種結構與前者相比，結構緊湊，高度尺寸減小，有利于降低車廂地板及整車質心高度。3.1.9單雙級減速配輪邊減速器在設計某些重型汽車、礦山自卸車、越野車和大型公共汽車的驅動橋時，由于傳動系總傳動比較大，為了使變速器、分動器、傳動軸等總成所受載荷盡量小，往往將驅動橋的速比分配得較大。當主減速比大于12時，一般的整體式雙級主減速器難以達到要求，此時常采用輪邊減速器(圖3-10)。這樣，不僅使驅動橋的中間尺寸減小，保證了足夠的離地間隙，而且可得到較大的驅動橋總傳動比。另外，半軸、差速器及主減速器從動齒輪等零件由于所受載荷大為減小，使它們的尺寸可以減小。但是由于每個驅動輪旁均設一輪邊減速器，使結構復雜，成本提高，布置輪轂、軸承、車輪和制動器較困難。圓柱行星齒輪式輪邊減速器(圖3-10a)可以在較小的輪廓尺寸條件下獲得較大的傳動比，且可以布置在輪轂之內。作驅動齒輪的太陽輪連接半軸，內齒圈由花鍵連接在半軸套管上，行星齒輪架驅動輪轂。行星齒輪一般為35個均勻布置，使處于行星齒輪中間的太陽輪得到自動定心。圓錐行星齒輪式輪邊減速器(圖3-10b)裝于輪轂的外側，具有兩個輪邊減速比。當換擋用接合輪12位于圖示位置時，輪邊減速器位于低擋；當接合輪被專門的操縱機構13移向外側并與側蓋15的花鍵孔內齒相接合，使半軸直接驅動輪邊減速器殼及輪轂時，輪邊減速器位于高擋。圖3-10 輪邊減速器a)圓柱行星齒輪式 b)圓錐行星齒輪式 c)普通外嚙合圓柱齒輪式1-輪輞 2-環(huán)齒輪架 3-環(huán)齒輪 4-行星齒輪 5-行星齒輪架 6-行星齒輪7-太陽輪 8-鎖緊螺母 9、10-螺栓 11-輪轂 12-接合輪 13-操縱機構 14-外圓錐齒輪 15-側蓋普通外嚙合圓柱齒輪式輪邊減速器，根據主、從動齒輪相對位置的不同，可分為主動齒輪上置和下置兩種形式。主動齒輪上置式輪邊減速器主要用于高通過性的越野汽車上，可提高橋殼的離地間隙；主動齒輪下置式輪邊減速器(圖3-10c)主要用于城市公共汽車和大客車上，可降低車身地板高度和汽車質心高度，提高了行駛穩(wěn)定性，方便了乘客上、下車。3.2主減速器主、從動錐齒輪的支承方案主減速器中必須保證主、從動齒輪具有良好的嚙合狀況，才能使它們很好的工作。齒輪的正確嚙合，除與齒輪的加工質量、裝配調整及軸承、主減速器殼體的剛度有關以外，與齒輪的支承剛度密切相關。3.2.1主動錐齒輪的支承主動錐齒輪的支承形式可分為懸臂式支承和跨置式支承兩種。懸臂式支承結構(圖3-11a)的特點是在錐齒輪大端一側采用較長的軸頸，其上安裝兩個圓錐滾子軸承。為了減小懸臂長度倪和增加兩支承間的距離b，以改善支承剛度，應使兩軸承圓錐滾子的大端朝外，使作用在齒輪上離開錐頂的軸向力由靠近齒輪的軸承承受，而反向軸向力則由另一軸承承受。為了盡可能地增加支承剛度，支承距離b應大于2.5倍的懸臂長度a，且應比齒輪節(jié)圓直徑的70還大，另外靠近齒輪的軸徑應不小于尺寸a。為了方便拆裝，應使靠近齒輪的軸承的軸徑比另一軸承的支承軸徑大些。靠近齒輪的支承軸承有時也采用圓柱滾子軸承，這時另一軸承必須采用能承受雙向軸向力的雙列圓錐滾子軸承。圖3-11 主減速器錐齒輪的支承形式a)主動錐齒輪懸臂式 b)主動錐齒輪跨置式 c)從動錐齒輪懸臂式支承結構簡單，支承剛度較差，用于傳遞轉矩較小的轎車、輕型貨車的單級主減速器及許多雙級主減速器中?？缰檬街С薪Y構(圖3-11b)的特點是在錐齒輪的兩端均有軸承支承，這樣可大大增加支承剛度，又使軸承負荷減小，齒輪嚙合條件改善，因此齒輪的承載能力高于懸臂式。此外，由于齒輪大端一側軸頸上的兩個相對安裝的圓錐滾子軸承之間的距離很小，可以縮短主動齒輪軸的長度，使布置更緊湊，并可減小傳動軸夾角，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導向軸承所需要的軸承座，從而使主減速器殼體結構復雜，加工成本提高。另外，因主、從動齒輪之間的空間很小，致使主動齒輪的導向軸承尺寸受到限制，有時甚至布置不下或使齒輪拆裝困難?？缰檬街С兄械膶蜉S承都為圓柱滾子軸承，并且內外圈可以分離或根本不帶內圈。它僅承受徑向力，尺寸根據布置位置而定，是易損壞的一個軸承。3.2.2從動錐齒輪的支承從動錐齒輪的支承(圖3-11c)，其支承剛度與軸承的形式、支承間的距離及軸承之間的分布比例有關。從動錐齒輪多用圓錐滾子軸承支承。為了增加支承剛度，兩軸承的圓錐滾子大端應向內，以減小尺寸c+d。為了使從動錐齒輪背面的差速器殼體處有足夠的位置設置加強肋以增強支承穩(wěn)定性，c+d應不小于從動錐齒輪大端分度圓直徑的70。為了使載荷能盡量均勻分配在兩軸承上，應盡量使尺寸c等于或大于尺寸d。在具有大的主傳動比和徑向尺寸較大的從動錐齒輪的主減速器中，為了限制從動錐齒輪因受軸向力作用而產生偏移，在從動錐齒輪的外緣背面加設輔助支承(圖3-12)。輔助支承與從動錐齒輪背面之間的間隙，應保證偏移量達到允許極限時能制止從動錐齒輪繼續(xù)變形。主、從動齒輪受載變形或移動的許用偏移量如圖3-13所示。圖3-12 從動錐齒輪輔助支承圖3-13 主、從動錐齒輪的許用偏移量第4章 單級主減速器的設計4.1結構設計4.1.1主減速器齒輪的類型雙曲面齒輪與弧齒錐齒輪相比具有一下優(yōu)點：當雙曲面齒輪與螺旋錐齒輪尺寸相同時，雙曲面齒輪傳動有更大的傳動比。當傳動比一定，從動齒輪尺寸相同時，雙曲面主動齒輪比相應的螺旋錐齒輪有較大的直徑，較高的輪齒強度以及較大的主動齒輪軸和軸承剛度。當傳動比一定，主動齒輪尺寸相同時，雙曲面從動齒輪直徑比相應的螺旋錐齒輪為小，因而有較大的離地間隙。在工作過程中，可改善齒輪的磨合過程，使其具有更高的運轉平穩(wěn)性。，重合度較大，不僅提高了傳動平穩(wěn)性，而且使齒輪的彎曲強度提高約30%。根據這些優(yōu)點，主減速器齒輪選取雙曲面齒輪。4.1.2主、從動齒輪的支承方案主動錐齒輪傳遞的轉矩不是很大，所以我們選取懸臂式支承，這樣既保證了支承剛度又能使結構簡單，方便制造。從動錐齒輪的支承選擇跨置式的，這種支承可以增大支承剛度，使軸承負荷減小，齒輪嚙合條件改善。4.2基本參數選擇與計算載荷的確定4.2.1齒輪計算載荷的確定按發(fā)動機最大轉矩和最低擋傳動比確定從動錐齒輪的計算轉矩： (4-1)式中，為計算轉矩(N