学位论文汽车主减速器设计.docx

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学位论文汽车主减速器设计

摘要

汽车主减速器是汽车传动中的最重要的部件之一。

它能够将万向传动装置产来的发动机转矩传给驱动车轮，以实现降速增扭。

本次设计的是有关 十米高一级客车后桥主减速器设计总成。

并要使其具有通过性。

本次设计的内容包括有：

方案选择，结构的优化与改进。

齿轮与齿轮轴的设计与校核，以及轴承的选用与校核。

并且在设计过程中，描述了主减速器的组成和差速器的差速原理和差速过程。

方案确定主要依据原始设计参数，对比同类型的减速器及差速器，确定此轮的传动比，并对其中重要的齿轮进行齿面接触和齿轮弯曲疲劳强度的校核。

而对轴的设计过程中着重齿轮的布置，并对其受最大载荷的危险截面进行强度校核，轴承的选用力求结构简单且满足要求。

主减速器及差速器对提高汽车行驶平稳性和其通过性有着独特的作用，是汽车设计的重点之一。

关键词：

主减速器；差速器；转速；行星齿轮；传动比

Abstract

Automobilreductionfinaldriveisoneofthebestimpossiblepartsinautomobilegearing.Itcanchangspeedanddrivingtuistwithinabigscope.

Theproblemofthisdesignistenmeterspassagercarreductionfinalunit,it’sproperlyincommonuse.Thedesignofscheme,thebetterdesignandimprovementofstructure,thedesignandcalibrationofgearandgearshiftes,andtheselectofbearings,andalsothedesignexplaintheconstructionofdifferentialaction.

Thetingoftheschemedesiermentmaindeside.Thedriveratioofgear,accordingtoorginaldesignparameterandconstrastingthesametypereductionfinaldriveangdifferentialassay.Itrealizeplanetgearinthedesignofstructure.Itputtousealterationbettergearstransmissioninthedesignofgear,andcomparetherootcontacttiredstrengthofsomeimportantgearsandthefacetwirltiredstrength.Iteraphaizepayattentiontotheplaceofgears.Comparethestrengthofthebiggestloaddangraessection.Itrequirestructuresimpleandaccordwithdemandinselectofbearings.

Keywords:

Reductionfinal,Differential,Rotationalspeed,Plantetgear,Driveratio

1绪论

驱动桥处于动力传动系的末端，其基本功能是增大由传动轴或变速器传来的转矩，并将动力合理的分配给左、右驱动轮，另外还承受作用于路面和车架或车身之间的垂直立、纵向力和横向力。

驱动桥一般由主减速器、差速器、车轮传动装置和驱动桥壳。

汽车的主减速器是汽车传动系是汽车传动戏中的重要部件之一，它能够将传动装置的扭矩传给驱动车轮，事先降速以增大扭矩。

本次设计的是主减速器总成。

并要使其有一定的通过性。

本次设计的内容包括有：

方案选择，结构的优化设计与改进，齿轮与齿轮州的设计与校核，而且在设计过程中，描绘了主减速器与差速器的组成以及差速器的原理和差速过程。

方案的确定主要依据的是原始设计数据如齿轮的传动比，对比同类型的减速器及差速器做设计；结构设计中采用行星齿轮和移位锥齿轮传动，并对其中的重要齿轮进行齿面接触和疲劳强度的校核；而轴的设计中着重与齿轮的布置。

并对其中最大载荷的危险截面进行了强度的校核。

轴承的选用力求结构简单且满足要求。

驱动桥是汽车最重要的系统之一，是为汽车传输和分配动力所设计的。

通过本课题设计，使我们对所学过的基础理论和专业知识进行一次全面的，系统的回顾和总结，提高我们独立思考能力和团结协作的工作作风。

为减小驱动轮的外廓尺寸,目前主减速器中基本不用直齿圆锥齿轮。

实践和理论分析证明，螺旋锥齿轮不发生根切的最小齿数比直齿齿轮的最小齿数少。

显然采用螺旋锥齿轮在同样传动比下，主减速器的结构就比较紧凑。

此外，它还具有运转平稳、噪声较小等优点。

因而在汽车上曾获得广泛的应用。

近年来，双曲面齿轮在广泛应用到轿车的基础上，愈来愈多的在轻、中型、重型货车上得到采用。

汽车在行驶过程中的使用条件是千变万化的。

为了扩大汽车对这些不同使用条件的适应范围，在某些中型车辆上有时将主减速器做成双速的，它既可以得到大的主减速比又可得到所谓多档高速，以提高汽车在不同使用条件下的动力性和燃料经济性。

2主减速器的结构形式

2.1主减速器的齿轮类型

主减速器的齿轮有弧齿锥齿轮、双曲面齿轮、圆柱齿轮和蜗轮蜗杆等形式。

根据设计要求采用准双曲面齿轮传动。

2.2主减速器的减速形式

主减根据减速形式特点不同，主减速器分类为单级主减速器、双级主减速器、双速主减速器、贯通式主减速器和单、双级减速配轮边减速器。

由于单级主减速器具有结构简单、质量小、尺寸紧凑、制造成本低等优点，因而广泛应用于主传动比i0≤7的汽车上。

本设计要求的主减速器的传动比为5.571:

1小于7，故采用单级主减速器。

2.3主减速器主、从动锥齿轮的支承方案

主减速器必须保证主、从齿轮有良好的啮合状况，才能使它们很好的工作。

齿轮的正确啮合，除与齿轮的加工质量、齿轮的装配调整及轴承、主减速器壳体的刚度有关以外，还与齿轮的支承刚度有关。

2.3.1主动锥齿轮的支承

主动锥齿轮的支承形式可分为悬臂式支承和跨置式支承两种。

本设计中的客车最大质量为14500Kg>2吨，应该采用跨置式支承。

因为在所传递较大的转矩的情况下悬臂式支承难以满足刚度的要求。

（a）悬臂式支承（b）跨置式支承

图1主减速器锥齿轮的支承形式

跨置式支承中的导向轴承都采用圆柱滚子轴承，并且其内外圈可以分离，以利于拆装。

圆锥滚子轴承采用背对背反装，并且尽可能减小良轴承间的距离，增大支承轴径，适当提高轴承的配合紧度。

2.3.2从动锥齿轮的支承

从动锥齿轮的支承刚度与轴承的形式、支承间的距离及载荷在轴承之间的分布比例有关。

从动锥齿轮多用圆锥滚子轴承支承。

为了增加支承刚度，两轴承的圆锥滚子大端应向内，以减小尺寸c+d。

为了使从动锥齿轮背面的差速器壳处有足够的位置设置加强筋，以增强支承稳定性，c+d应不小于从动锥齿轮大端分度圆直径的70%。

为了使载荷能均匀分配在两轴承上，应尽量使尺寸c等于或大于尺寸d。

图2从动锥齿轮的支承方式

在具有大主动传动比和径向尺寸较大的从动锥齿轮的主减速器中，为了限制从动锥齿轮因受轴向力作用而产生偏移，在从动锥齿轮的外缘背面加设辅助支承。

辅助支承与从动锥齿轮背面之间的间隙，应保证当偏移量达到允许极限，即与从动锥齿轮背面接触时，能够制止从动锥齿轮继续偏移。

主、从动齿轮在载荷作用下的偏移量许用极限值，如下图所示。

支撑面与从动锥齿轮背面间的安装间隙应不大于0.25mm。

图3在载荷作用下主减速器齿轮的容许极限便移量

中型和重型汽车主减速器从动锥齿轮多采用有幅式结构并有螺栓或者铆钉与差速器壳突缘连结。

2.3.3主减速器的轴承预紧及齿轮啮合调整

通常汽车以高档行驶时，发动机的平均使用转矩大约不超过其最大转矩的70%。

因此主减速器轴承的预紧值可取为发动机最大转矩时换算所得轴向力的30%。

轴承预紧力的大小可以用轴承的摩擦力矩来检验，其值通常为1至4N.m。

大型、重型车取大值。

在此取3N.m。

主动锥齿轮预紧度的调整，可通过精选两轴承内圈内的套筒长度、调整垫圈厚度、轴承与轴肩之间的调整垫片等方法进行。

因主动锥齿轮采用跨置式支承，故调整垫圈厚度较合适。

在调整轴承预紧度之后，还应进行主减速器齿轮的啮合调整。

因齿面接触区和齿侧间隙的正确调整是保证齿轮正确啮合、运转平稳、延长齿轮寿命的重要条件。

3主减速器基本参数选择与计算载荷的确定

3.1主减速器齿轮计算载荷的确定

在设计中采用格里森制齿轮计算载荷的三种确定方法。

3.1.1按发动机最大转矩和最大抵挡传动比确定从动锥齿轮的计算转矩Tce

（3.1）

式中：

fi-----性能系数，当

<16时，

当

≥16时，取

=0

其中

为汽车满载质量，

=14500KgTemax=890N.m

=31.13>16取

=0；

-----猛接离合器所产生的动载系数，性能系数

=0的汽车，Kd=1；

i

-----变速器一档传动比为6.333；

-----主减速器传动比为5.571；

-----发动机到万向传动轴之间的传动效率为0.9；

k-----液力变矩器系数，本设计中为手动变速器，故k=1；

n-----计算驱动桥数，n=1；

计算得：

=28260.20N.m

3.1.2按驱动轮打滑转矩确定从动锥齿轮的计算转矩

（3.2）

式中：

-----汽车在满载状态下一个驱动桥上的静载荷，本设计中后桥为驱动桥，

=9500×9.8=93100N；

-----汽车最大加速度时的后轴负荷转移系数，取1.1；

-----轮胎与路面的附着系数，对于安装一般轮胎的公路用汽车，在良好的混凝土或沥青路上，

取0.85；

-----车轮滚动半径，轮胎规格为11R22.5，

=0.493m；

计算得：

=41573.59N.m

3.1.3按汽车日常行驶平均转矩确定从动锥齿轮的计算转矩

（3.3）

当计算锥齿轮最大应力时，计算转矩

应取前两种的较小值，

即

=min[

]=Tce=28260.20N.m

当计算锥齿轮疲劳寿命时，

取

主动锥齿轮的计算转矩为

=5636.37N.m

为主、从动锥齿轮间的传动效率，计算时对于双曲面齿轮副，当

<6时，

取90%；

3.2锥齿轮主要参数的选择

主减速器锥齿轮的主要参数有主、从动锥齿轮齿数Z1和Z2、从动锥齿轮大端分度圆直径D2和端面模数ms、主、从动锥齿轮齿面宽b1和b2、双曲面齿轮副的偏移距E、中点螺旋角

、法向压力角

等。

3.2.1主、从动锥齿轮齿数Z1和Z2

选择主、从动锥齿轮齿数时应考虑如下因素：

1）为了磨合均匀，Z1和Z2之间应避免有公约数。

2）为了得到理想的齿面重合度和高的轮齿弯曲强度，主、从动齿轮和应不少于40。

3）为了啮合平稳、噪声小和具有高的疲劳强度，对于商用车，Z1一般不小于6。

4）主传动比i0较大时，Z1尽量取得少些，以便得到满意的离地间隙。

5）对于不同的主传动比，Z1和Z2应有适宜的搭配。

6）对于双曲齿轮单级贯通式主减速器来说，通常主动齿轮的最小齿数为8。

根据上述，取Z1=8，Z2=iZ1=44.568，Z2取45。

D2和端面模数3.2.2从动锥齿轮大端分度圆直径ms

对于单级主减速器，增大尺寸D2会影响驱动驱动桥壳高度尺寸和离地间隙，减小D2影响到跨置式主动齿轮的前支承座得安装空间和差速器的安装。

D2可根据经验公式初选，即

D2=

（3.4）

式中：

D2-----从动齿轮大端分度圆直径（mm）；

-----直径系数，一般为13.0～15.3；

-----从动锥齿轮的计算转矩（N.m）,

=min[

]。

计算得D2=426.44mm。

ms由下式计算，即

=11（3.5）

同时，ms还应满足

（3.6）

式中ms-----模数系数，取0.3～0.4

计算得ms取值范围为9.14～12.18，ms=9.48符合要求。

3.2.3主、从动锥齿轮齿面宽b1和b2

锥齿轮齿面过宽并不能增大齿轮的强度和寿命，反而会导致因锥齿轮轮齿小端齿沟变窄引起的切削刀头顶面宽过窄及刀尖圆角过小。

这样，不但减小了齿根圆角半径，加大了应力集中，还降低了刀具的使用寿命。

此外，安装时有位置偏差或由于制造、热处理变形等原因，使齿轮工作时载荷集中于轮齿小端，会引起轮齿小端过早损坏和疲劳损伤。

另外，齿面过宽也会引起装配空间减小。

但是齿面过窄，轮齿表面的耐磨性会降低。

对于从动锥齿轮齿面宽b2，推荐不大于其节锥距A2的0.3倍，即b2<0.3A2=65.40mm，而且b2应满足b2<10ms=94.8mm，一般也推荐b2=0.155D2。

因此b2=0.155D2=0.155×426.44≈66mmb1=1.1b2=72.06mm

3.2.4双曲面齿轮副偏移距E

E值过大将使齿面纵向滑动过大，从而引起齿面早期磨损和擦伤；E值过小，则不能发挥双曲面齿轮传动的特点。

一般对于总质量较大的商用车，E≦（0.10～0.12）D2≦42.644～51.728mm,且E≦20%A2=43.60mm。

另外，主传动比越大，则E也应越大，但应保证齿轮不发生根切。

在本设计中E=45mm。

双曲面齿轮的偏移可分为上偏移和小偏移两种。

由从动齿轮的锥顶向其齿面看去，并使主动齿轮处于右侧，如果主动齿轮在从动齿轮中心线的上方，则为上偏移；在从动齿轮中心线下方，则为下偏移。

如果主动齿轮处于左侧，则情况相反。

本设计中采用如图所示的方案，主动锥齿轮相对从动锥齿轮呈下偏移布置。

图4双曲面齿轮的偏移

3.2.5中点螺旋角β

螺旋角沿齿宽是变化的，轮齿大端的螺旋角最大，轮齿小端的螺旋角最小。

且双曲面齿轮副的中点螺旋角是不相等的。

选择β时，应考虑它对齿面重合度εF、轮齿强度和轴向力大小的影响。

β越大，则εF也越大，同时啮合的齿数越多，传动就越平稳，噪声越低，而且轮齿的强度越高。

一般εF应不小于1.25，在1.5～2.0时效果最好。

但是β过大，会导致轴向力增大。

汽车主减速器双曲面齿轮副的平均螺旋角一般为35°～40°。

商用车选用较小的β值以防止轴向力过大，通常取35°。

“格里森”制齿轮推荐用下式预选主动齿轮螺旋角的名义值：

（3.7）

式中：

-----主动齿轮名义（中点）螺旋角的预选值；

、

-----主、从动齿轮齿数；

-----从动齿轮的分度圆直径；

E-----双曲面齿轮副的偏移距。

对于双曲面齿轮，所得螺旋角名义值还需按照选用的标准刀号进行反算，最终得到的螺旋角名义值

与预选值

之差不超过5°。

3.2.6螺旋方向

从锥齿轮锥顶看，齿形从中心线上半部向左倾斜为左旋，向右倾斜为右旋。

主、从动锥齿轮的螺旋方向是相反的。

螺旋方向与锥齿轮的旋转方向影响其所受轴向力的方向，判断轴向力方向时，可以用手势法则，左旋齿轮的轴向力的方向用左手法则判断，右旋齿轮用右手法则判断；判断时四指握起的旋向与齿轮旋转方向相同，其拇指所指方向则为轴向力的方向如图7所示。

当变速器挂前进挡时，应使主动齿轮的轴向力离开锥顶方向，这样可使主、从动齿轮有分离趋势，防止轮齿卡死而损坏。

考虑到汽车发动机为顺时针旋转，采用图a中的布置：

主动齿轮左旋，从动齿轮右旋。

主动锥齿轮从背面看为顺时针旋转，从动锥齿轮从背面看为逆时针旋转。

图5双曲面齿轮的偏移和螺旋方向

图6螺旋方向与轴向力

3.2.7法向压力角α

法向压力角大一些可以增加轮齿强度，减少齿轮不发生根切的最少齿数。

但对于小尺寸的齿轮，压力角大易使齿顶变尖宽度过小，并使齿轮端面重合度下降。

因此，对于小负荷工作的齿轮，一般采用小压力角，可使齿轮运转平稳，噪声低。

对于双曲面齿轮，从动齿轮轮齿两侧的压力角是相同的，但主动齿轮轮齿两侧的压力角是不等的。

选取平均压力角时，商用车为20°或22°30′，在此取α=22°30′。

4主减速器锥齿轮的几何尺寸计算

4.1锥齿轮轮齿形状的选择

这里提出三种轮齿形状，即双重收缩齿、标准收缩齿和倾根锥母线收缩齿。

根据《汽车设计》中表9-12中公式（89）知：

θ2=34.945138′,δ2=233.786407′,△TR=0.189821为正数，采用倾根锥母线收缩齿。

（a）标准收缩齿（b）双重收缩齿

图6标准收缩齿与双重收缩齿

4.2锥齿轮的几何尺寸计算

根据《汽车设计》中表9-12给出的圆弧齿双曲面齿轮的几何尺寸计算步骤。

计算得锥齿轮的几何尺寸如下：

小齿轮齿数Z1=8；大齿轮齿数Z2=45；

大齿轮齿面宽d=20.155D2=66mm；

小齿轮轴线偏移距E=（0.10～0.12）D2=45mm；

大齿轮大端分度圆直径D2=426.44mm；

刀盘名义半径rd=266.700（根据表9-4选择）；

大齿轮在齿面宽中点处的分度圆半径Rm2=180.9461mm；

小齿轮在吃面宽中点处的分度圆半径Rm1=39.4109mm；

小齿轮节锥角γ1=11°40′59″；

小齿轮中点螺旋角β1=46°21′19″；

大齿轮中点螺旋角β2=32°18′28″；

大齿轮节锥角γ2=77°58′52″；

大齿轮节锥顶点到小齿轮轴线的距离=-0.8252mm；

在节面内大齿轮齿面宽中点锥距Am=184.9975mm；

大齿轮节锥距A0=217.9941mm；

大齿轮在齿面宽中点处得齿顶高h′m2=1.8862mm,齿根高h″m2=12.6247mm；

倾根锥母线收缩齿的大齿轮齿顶角θ2T=0.82°；

倾根锥母线收缩齿的大齿轮齿根角δ2T=4.66°；

大齿轮的齿顶高h2′=2.3597mm；

大齿轮齿根高h2″=15.3073mm；

径向间隙C=1.9362mm；

大齿轮的齿全高h=17.667mm；

大齿轮齿工作高hg=15.7308mm；

大齿轮的面锥角γ02=78°48′13″；

大齿轮的根锥角γR2=73°20′12″；

大齿轮外圆直径d02=427.4226mm；

大齿轮外缘至小齿轮轴线的距离X02=43.9105mm；

大齿轮面锥顶点至小齿轮轴线的距离Z0=-1.6086mm,（负号表示该面锥顶点在大齿轮轮体与小齿轮轴线之间）；

大齿轮根锥顶点至小齿轮轴线的距离ZR=1.6963mm,（正号表示该根锥顶点越过小齿轮轴线）；

小齿轮的面锥角γ01=16°11′16″；

小齿轮面锥顶点至大齿轮轴线的距离G0=-1.9683mm，（负号表示该面锥顶点在小齿轮轮体与大齿轮轴线之间）；

小齿轮外缘至大齿轮轴线的距离BR=208.6932mm；

小齿轮轮齿前缘至大齿轮轴线的距离B1=138.4683mm；

小齿轮的外圆直径d01=120.7249mm；

小齿轮根锥顶点至小齿轮轴线的距离=9.1434mm,（正号表示该根锥顶点越过小齿轮轴线）；

小齿轮根锥角γR1=10°52′34″；

在节平面内大齿轮内锥距Ai=151.9941mm。

5主减速器锥齿轮的强度计算

在选好主减速锥齿轮的主要参数后，可根据所选择的齿形计算锥齿轮的几何尺寸，而后根据所确定的计算载荷进行强度验算，以保证锥齿轮有足够的强度和寿命。

轮齿损坏形式主要有弯曲疲劳折断、过载折断、齿面点蚀及剥落、齿面胶合、齿面磨损等。

5.1单位齿长圆周力

主减速器锥齿轮的表面耐磨性，常用轮齿上的单位齿长圆周力来估算，即

（5.1）

式中，p为轮齿上的单位齿长圆周力（N/mm）；F为作用在轮齿上的圆周力（N）；b2为从动齿轮的齿面宽（mm），b2=81.03mm。

按发动机最大转矩计算

（5.2）

式中：

Temax-----发动机最大转矩（N.m），Temax=890N.m；

ig-----变速器传动比，常取一档进行计算，分别为6.333；

D1-----主动锥齿轮中点分度圆直径，D1=39.4109mm；

计算得：

一档时p=1164.35N.m<[1.2p]=1178.4N.m

在现代汽车设计中，由于材质及加工工艺等制造质量的提高，[p]有时高出表中数值的20%～25%。

5.2轮齿弯曲强度

锥齿轮轮齿的齿根弯曲应力为

（5.3）

式中：

σw-----锥齿轮轮齿的齿根弯曲应力（MPa）；

Tc-----所计算齿轮的计算转矩（N.m）,对于从动齿轮：

=min[

]=28260.20N.m,对于主动齿轮，

=TZ=5636.37N.m

K0-----过载系数，一般取1,即k0=1；

Ks-----尺寸系数，它反映了材料性质的不均匀性，与齿轮尺寸及热处理等因素有关,当ms≥1.6mm时，ks=（ms/25.4）0.25。

本设计中ms=9.48>1.6mm,ks=（ms/25.4）0.25=0.7816；

Km-----齿面载荷分配系数，跨置式结构：

km=1.0～1.1,km取1；

Kv-----质量系数，当轮齿接触良好，齿距及径向跳动精度高时,kv=1.0；

b-----所计算齿轮的齿面宽（mm），b1=72.6mm,b2=66mm；

D-----所讨论齿轮的大端分度圆直径（mm）,D1=120.02mm,D2=426.44mm；

Jw-----所计算齿轮的轮齿弯曲,根据图7，Jw1=0.28，Jw2=0.24

计算得：

σw1=689.87MPa<[σw1]=700MPa

σw2=380.94MPa<[σw2]=700MPa

得出结论：

主、从动锥齿轮的轮齿弯曲强度均符合强度要求。

图7弯曲计算用综合系数

，用于平均压力角为22°30′，E/d2=0.10的双曲面齿轮

5.3轮齿接触强度

锥齿轮轮齿的齿面接触应力为

 （5.4）

式中:

-----锥齿轮轮齿的齿面接触应力（MPa）；

D1-----主动锥齿轮大端分度圆直径（mm）,D1=120.0245mm；

b-----b1和b2中的较小值（mm）,b=66mm；

ks-----尺寸系数，它考虑了齿轮尺寸对淬透性的影响，通常取1.0；

-----齿面品质系数，它取决于齿面的表面粗糙度及表面覆盖层的性质（如镀铜、磷化处理等），对于制造精确的齿轮，

取1.0；

Cp-----综合弹性系数，钢对钢齿轮：

cp取232.6N

／mm；

ko,km,kv与式（5-14）的相同；

Jj-----齿面接触强度的综合系数，Jj=0.1825根据图8取值。

计算得：

=1657.46MPa<[σJ]=2800MPa

由于主、从动齿轮的齿面接触应力是相同的