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摘要本次畢業(yè)設(shè)計(jì)題目為 ZL30 裝載機(jī)傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大致上分為主傳動器設(shè) 計(jì)、差速器設(shè)計(jì)、十字軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、半軸設(shè)計(jì)、和橋殼設(shè)計(jì)五大部分。本說明書將以 “驅(qū)動橋設(shè)計(jì)”為內(nèi)容，對驅(qū)動橋及其主要零部件的結(jié)構(gòu)型式與設(shè)計(jì)計(jì)算作一一介紹。 主傳動器采用單級錐齒輪傳動式，錐齒輪采用螺旋錐齒輪并選用懸臂式支承。將 齒輪的基本參數(shù)確定以后，算得齒輪所有的幾何尺寸，然后進(jìn)行齒輪的受力分析和強(qiáng) 度校核。齒輪的基本參數(shù)和幾何尺寸的計(jì)算是此部分設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在掌握了差速器、 半軸、終傳動和橋殼的工作原理以后，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，合理選擇其類型及結(jié)構(gòu)形式， 然后進(jìn)行零部件的參數(shù)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核。差速器設(shè)計(jì)采用普通對稱式圓錐行星齒輪差 速器，齒輪選用直齒錐齒輪。半軸設(shè)計(jì)采用全浮式支承方式 。 關(guān)鍵詞：裝載機(jī)；驅(qū)動橋；主傳動系統(tǒng)；差速器。 I Abstract： The content of my graduation design is The Design of ZL30 Loader Axles (Main Transmission), largely at five parts, included of the main transmission design, differential design, the design of the Cross shaft structure, half-shaft design and design of axle case .The design specifications will introduce the structure type and design of the drive axle and the main components in the driving axle design one by one. Main drive is adopts a single-stage bevel gear and spiral bevel gears use cantilever support. After considered of the basic parameters of gear, calculate all the geometric parameters of the gear, and then analysis gear stress and check its strength. The calculation of gears basic parameters and geometry parameters is the key point of this part. After mastered the working principle of differential, axle, final drive and axle case, have a reasonable choice and the structure of its type by combining with the design requirements, and then design parts and check strength. The differential design adopts ordinary symmetric tapered planetary gear differential, and the gear is straight bevel gears. The half-shaft design uses the full floating axle supporting. Keywords： loader, drive axle main transmission system Differentials 第 0 頁 共 42 頁 目 錄 1引言 ........................................................................................................................................................................1 1.1 國內(nèi)輪式裝載機(jī)發(fā)展概況 ............................................................................................................................1 1.2 國外輪式裝載機(jī)的發(fā)展概況 .......................................................................................................................2 1.3 輪式裝載機(jī)的發(fā)展趨勢與方向 ....................................................................................................................3 2 總體方案論證 .....................................................................................................................................................5 2.1 整機(jī)傳動系方案設(shè)計(jì) ....................................................................................................................................5 2.2 傳動比的確定 ................................................................................................................................................6 2.3 驅(qū)動橋方案設(shè)計(jì) ............................................................................................................................................7 2.3.1 非斷開式驅(qū)動橋 ...................................................................................................................................8 2.3.2 斷開式驅(qū)動橋 .......................................................................................................................................8 2.3.3 傾斜式驅(qū)動橋 .......................................................................................................................................9 3 主傳動器設(shè)計(jì) ...................................................................................................................................................11 3.1 主傳動器結(jié)構(gòu)方案分析 .............................................................................................................................11 3.2 主傳動器主、從動錐齒輪的支承方案 .....................................................................................................14 3.3 螺旋錐齒輪計(jì)算載荷的確定 .....................................................................................................................15 3.4 主傳動器錐齒輪的主要參數(shù)選擇 .............................................................................................................17 3.5 主傳動器錐齒輪材料的選擇及熱處理 ......................................................................................................22 3.6 主傳動器錐齒輪的強(qiáng)度校核 .....................................................................................................................22 3.6.1 輪齒的彎曲強(qiáng)度校核 ........................................................................................................................22 3.6.2 輪齒齒面的接觸強(qiáng)度校核 ................................................................................................................24 4差速器設(shè)計(jì) ..........................................................................................................................................................25 4.1 差速器原理 .................................................................................................................................................25 4.2 圓錐直齒輪差速器齒輪參數(shù)的選擇 .........................................................................................................27 4.3 差速器直齒錐齒輪強(qiáng)度計(jì)算 .....................................................................................................................29 4.4 十字軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..........................................................................................................................................30 4.4.1 十字軸材料 ........................................................................................................................................31 4.4.2 行星齒輪軸直徑 的確定 ...............................................................................................................31zd 5 半軸設(shè)計(jì) .............................................................................................................................................................32 5.1 半軸的方案設(shè)計(jì) .........................................................................................................................................32 5.1.1 半浮式半軸 ........................................................................................................................................32 5.1.2 3/4 浮式半軸 .....................................................................................................................................32 5.1.3 全浮式半軸 ........................................................................................................................................32 5.2 半軸的材料及熱處理 .................................................................................................................................33 5.3 半軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .........................................................................................................................................33 5.4 半軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .....................................................................................................................................34 第 1 頁 共 42 頁 5.4.1 半軸計(jì)算扭矩 的確定 .................................................................................................................34jM 5.4.2半軸桿部直徑 的確定 ....................................................................................................................34bd 5.4.3 半軸的強(qiáng)度校核 ................................................................................................................................35 6 驅(qū)動橋殼設(shè)計(jì) .....................................................................................................................................................36 6.1 橋殼的結(jié)構(gòu)型式 .........................................................................................................................................36 6.1.1 可分式橋殼 ........................................................................................................................................36 6.1.2 整體式橋殼 ........................................................................................................................................37 6.2 橋殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 .....................................................................................................................38 致 謝 ...................................................................................................................................................................40 第 0 頁 共 42 頁 1引言 輪式裝載機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于土石方工程施工的工程機(jī)械，其主要完成 50 米運(yùn)距 內(nèi)的鏟、裝、卸、運(yùn)作業(yè)，也可進(jìn)行輕度鏟掘作業(yè)。由于輪式裝載機(jī)具有作業(yè)速度快、 效率高、適應(yīng)性強(qiáng)，操縱輕便等優(yōu)點(diǎn)，因而在國內(nèi)外得到迅速發(fā)展。 1.1 國內(nèi)輪式裝載機(jī)發(fā)展概況 我國裝載機(jī)行業(yè)起步于 50 年代末。1958 年，上海港口機(jī)械廠首先測繪并試制了 67KW（90hp） 、斗容量為 1m3的裝載機(jī)。這是我國自己制造的第一臺裝載機(jī)。該機(jī)采用 單橋驅(qū)動、滑動齒輪變速。1964 年，天津工程機(jī)械研究所和廈門工程機(jī)械廠測繪并試 制了功率為 100.57KW（135hp）斗容量為 1.7m3 的 Z435 型裝載機(jī)。1962 年國外出現(xiàn)鉸 接式裝載機(jī)后,天津工程機(jī)械化研究所與天津交通局于 1965 年聯(lián)合設(shè)計(jì)了 Z425 型鉸接 式裝載機(jī)。柳州工程機(jī)械廠和天津工程機(jī)械研究所合作，在參考國外樣機(jī)的基礎(chǔ)上， 于 1970 年設(shè)計(jì)試制了功率為 163.9KW(220hp)、斗容量為 3m3的 ZL50 型裝載機(jī)。ZL50 型裝載機(jī)經(jīng)過幾年的實(shí)踐考核，證明性能良好、結(jié)構(gòu)先進(jìn)，為后來我國 ZL 系列裝載機(jī) 的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在 ZL50 的基礎(chǔ)上，后又設(shè)計(jì)發(fā)展了 ZL100、ZL40、ZL30、ZL20 裝 載機(jī)系列產(chǎn)品，并在這個(gè)系列的基礎(chǔ)上發(fā)展了 DZL50 和 DZL40 型供地下礦坑和隧道施 工用的地下裝載機(jī)變型產(chǎn)品。 通過近 40 年的發(fā)展，我國裝載機(jī)從無到有，產(chǎn)品種類及產(chǎn)量均有較大幅度的提高， 已經(jīng)形成獨(dú)立的系列產(chǎn)品和行業(yè)門類。生產(chǎn)企業(yè)由 80 年代的 20 家增至現(xiàn)在的百余家， 初步形成了規(guī)格為 0.8-10t 約 19 個(gè)型號的系列產(chǎn)品，并已成為工程機(jī)械主力機(jī)種。主 要生產(chǎn)廠家為：廈工、柳工、龍工、徐工、常林、臨工、山工、成工、宜工、鄭工、 武林、朝工、山河智能等，這些廠家有長時(shí)間的裝載機(jī)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、較強(qiáng)的實(shí)力、較高 的市場占有率和較好的售后服務(wù)，在用戶心目中一直樹立著良好的形象，并保持其已 有的地位和優(yōu)勢。其“八五” 、 “九五”技改的較大投入已逐漸發(fā)揮效力和作用，使企 業(yè)煥發(fā)出生機(jī)和活力。 “十五”期間，輪式裝載機(jī)行業(yè)出現(xiàn)了井噴式的發(fā)展，2001- 第 1 頁 共 42 頁 2004 年裝載機(jī)銷量增長率平均為 46.98%，大大超過前 25 年的均值 17.86%；2006 年中 國裝載機(jī) 26 家主要企業(yè)共銷售 119895 臺，同比增長 13.3%(不含小裝)，占據(jù)世界裝載 機(jī)的大半壁江山。中國市場大幅增長，已發(fā)展為世界上最大的市場。國內(nèi)各生產(chǎn)廠家 所在地更加認(rèn)識到裝載機(jī)這一產(chǎn)品的巨大市場和效益，紛紛將其列為支柱產(chǎn)業(yè)加以扶 持并在政策上給予優(yōu)惠，像福建龍巖、山東蒙嶺等一批新成員的加盟，發(fā)展勢頭迅猛， 競爭更加激烈。國際一流公司小松、利渤海爾、沃爾沃、卡特彼勒等在國內(nèi)成立合資 或獨(dú)資公司后，更加劇了國內(nèi)裝載機(jī)市場的競爭。 我國小型裝載機(jī)制造業(yè)當(dāng)前正處于發(fā)展時(shí)期，有一定的盈利空間，小裝技術(shù)水平 低、結(jié)構(gòu)簡單、零配件充足齊全，進(jìn)入門檻低。因此目前仍有大批企業(yè)進(jìn)入小裝行業(yè)， 在這種情況下，盡管市場“突飛猛進(jìn)” ，但產(chǎn)能增長更快，因此今后的市場競爭必然殘 酷而激烈，低水平的價(jià)格戰(zhàn)也在所難免。另外，我國小型裝載機(jī)還有很多需要改進(jìn)的 地方，如：傳動系統(tǒng)技術(shù)水平太低，司機(jī)勞動強(qiáng)度大，能耗高、作業(yè)效率低，與國家 提倡的節(jié)能降耗、安全環(huán)保等不一致；在傳動方面應(yīng)該向雙變(變矩器變速箱)或全 液壓方向發(fā)展；當(dāng)前廣泛采用的單缸柴油機(jī)功率偏小，噪聲、振動、能耗都偏大；從 發(fā)展的角度看，在成本增加不 大的情況下，應(yīng)盡量采用雙缸或 4 缸柴油機(jī)；同時(shí)在液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面最好采用 優(yōu)先全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，變速操縱應(yīng)由機(jī)械換擋變?yōu)橐簤簞恿Q擋等。我想這些都是今 后小裝技術(shù)發(fā)展的方向。目前已經(jīng)有一些常規(guī)裝載機(jī)大廠開始生產(chǎn)小裝，如廈工集團(tuán) 所屬的“廈工新宇” 、徐工集團(tuán)所屬的”徐特“、柳工所屬的“江蘇柳工”等。我認(rèn)為 大廠進(jìn)入小裝行業(yè)并不會對他們產(chǎn)生威脅，但會有助于行業(yè)的發(fā)展。 我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)高漲，城市化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加速，勞動力的需求 越來越緊缺，勞動力成本也越來越高，裝載機(jī)作為一種既機(jī)動靈活，又價(jià)廉物美的機(jī) 器設(shè)備，將取代高成本、低效率的手工勞動，特別是西部大開發(fā)，這類產(chǎn)品將有廣闊 的潛在市場。所以，小型裝載機(jī)將具有良好的開發(fā)前景 。 1.2 國外輪式裝載機(jī)的發(fā)展概況 從國外發(fā)展趨勢來看，國外輪式裝載機(jī)技術(shù)已達(dá)到相當(dāng)高的水平。信息技術(shù)的飛 速發(fā)展又給裝載機(jī)技術(shù)的發(fā)展插上了飛躍的翅膀, 基于微電子技術(shù)和信息技術(shù)的計(jì)算 機(jī)管理系統(tǒng)、司機(jī)輔助操作系統(tǒng)、柴油機(jī)電腦控制裝置、電子計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、電子 自動換擋變速控制系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于裝載機(jī)的設(shè)計(jì)、計(jì)算操 第 2 頁 共 42 頁 作控制、檢測監(jiān)控、生產(chǎn)經(jīng)營和維修服務(wù)等各個(gè)方面, 使國外裝載機(jī)在原來的基礎(chǔ)上 更加“精制”; 其自動化程度也得以提高, 從而進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率; 改善了司機(jī) 的作業(yè)環(huán)境, 提高了作業(yè)舒適性; 降低了噪聲、振動和排污量, 保護(hù)自然環(huán)境; 最大 限度地簡化維修、降低作業(yè)成本, 使其性能、安全性、可靠性、使用壽命和操作性能 都更上了一層樓。 然而，我國裝載機(jī)行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品，基本上都是以柳工 70 年代初開發(fā)的 ZL50 為 基礎(chǔ)發(fā)展起來的，屬國際 60 年代技術(shù)水平。進(jìn)入 80 年代消化吸收美國 Caterpillar、 日本小松等先進(jìn)技術(shù)，逐步開發(fā)成功了我國第二代裝載機(jī)產(chǎn)品。我國的第二代產(chǎn)品與 國際先進(jìn)產(chǎn)品相比，在機(jī)電一體化、操縱舒適度、作業(yè)效率等方面有較大差距，差距 最大的是產(chǎn)品可靠性，國產(chǎn)多功能裝載機(jī)整機(jī)可靠性差(平均無故障工作時(shí)間不足 400 小時(shí))，缺乏核心技術(shù)、主要關(guān)鍵部件都依賴進(jìn)口、產(chǎn)品單一，產(chǎn)品檔次低。 另一方面，小型輪式裝載機(jī)以機(jī)動靈活、效率高、多功能和價(jià)格低廉贏得市場， 發(fā)展甚快。這些微型裝載機(jī)適用于建筑工地和地下礦山挖溝、平地、堆料等。國外小 型裝載機(jī)及小型多功能裝載機(jī)，包括挖掘裝載機(jī)在內(nèi)，市場份額已相當(dāng)大，美國的山 貓牌小型多功能裝載機(jī)車銷量在 5 萬臺左右，還有美國的凱斯、約翰迪爾、卡特彼 勒、英國的 JCB 等公司的挖掘裝載機(jī)及小型多功能裝載機(jī)年銷量都在萬臺以上。 1.3 輪式裝載機(jī)的發(fā)展趨勢與方向 如今，部分國外裝載機(jī)上安裝有轉(zhuǎn)速變速集成控制系統(tǒng)(STIC) , 它取消了傳統(tǒng)的 方向盤和變速操作桿, 將轉(zhuǎn)向和變速操縱集成在一個(gè)操作手柄上, 并采用簡單的觸發(fā) 方式控制開關(guān)和換擋用的分裝式加速按鈕。利用肘節(jié)的自然動作左右搬動操縱手柄來 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向, 利用大拇指選擇換擋銨鈕以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)與后退、加速與減速行駛, 極大地簡 化了操作?？ㄌ乇死展?950G 上配用的轉(zhuǎn)向變速集成系統(tǒng)稱為命令控制系統(tǒng), 由液壓 回路與機(jī)械反饋系統(tǒng)構(gòu)成。轉(zhuǎn)向時(shí), 方向盤轉(zhuǎn)動的角度直接與車身鉸接角度連接起來, 其特點(diǎn)是方向盤轉(zhuǎn)動半圈即可轉(zhuǎn)向, 可提供更快和更精確的控制。據(jù)稱, 該系統(tǒng)在一 個(gè)臺(8h) 工作時(shí)間內(nèi)可使轉(zhuǎn)向圈數(shù)從 10000 轉(zhuǎn)減少到 1000 轉(zhuǎn), 極大地減輕司機(jī)的操 作疲勞, 增加舒適性。 由國際先進(jìn)的技術(shù)看來，在整機(jī)的設(shè)計(jì)中，變速箱占據(jù)比較重要的位置也是我國 目前技術(shù)領(lǐng)域較為薄弱的還節(jié)因此在設(shè)計(jì)中盡量汲取國外的先進(jìn)技術(shù)，與中國的實(shí)際 技術(shù)水平相結(jié)合，盡量做到融入機(jī)電液一體化和微電子控制技術(shù)的變速機(jī)構(gòu)。 第 3 頁 共 42 頁 驅(qū)動橋是輪式裝載機(jī)底盤傳動系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括主傳動器、差速器、 半軸、終傳動、橋殼等部件。其功用是增大傳動扭矩，降低轉(zhuǎn)速，并將動力合理地分 配、傳遞至左、右驅(qū)動輪。此外，橋殼還具有承重和傳力的作用。因此，驅(qū)動橋結(jié)構(gòu) 型式和設(shè)計(jì)參數(shù)除對裝載機(jī)的可靠性有重要影響外，也對裝載機(jī)的行駛性能如動力性、 經(jīng)濟(jì)性、平順性、通過性、機(jī)動性和操動穩(wěn)定性等有直接影響。為充分利用其附著重 量，獲到較大的牽引力，輪式裝載機(jī)普遍采用有脫橋機(jī)構(gòu)的四輪驅(qū)動。在輪式裝載機(jī) 驅(qū)動橋設(shè)計(jì)中，必須考慮輪式裝載機(jī)的作業(yè)要求和行駛特點(diǎn)，盡可能提高其可靠性。 現(xiàn)有的輪式裝載機(jī)驅(qū)動橋改進(jìn)表明：對于 ZL30 裝載機(jī)，應(yīng)盡量將傳動比分配給終 傳動，以降低終傳動前面驅(qū)動橋零部件的尺寸；小錐齒輪常用的跨置式支承存在薄弱 環(huán)節(jié)，改進(jìn)方案應(yīng)采用懸臂式支承；將終傳動行星結(jié)構(gòu)中的齒圈拆分為齒圈和齒圈架， 以使行星齒輪嚙合受力均勻。 第 4 頁 共 42 頁 2 總體方案論證 2.1 整機(jī)傳動系方案設(shè)計(jì) 裝載機(jī)的動力裝置和驅(qū)動輪之間的所有傳動部件總稱為傳動系統(tǒng)，其功用是將發(fā)動 機(jī)的動力按需要傳至驅(qū)動輪和其他結(jié)構(gòu)。目前，車輛采用的傳動系統(tǒng)有 4 種類型： 機(jī)械傳動 機(jī)械傳動系統(tǒng)由離合器、變速箱、萬向傳動裝置、驅(qū)動橋等機(jī)件組成。機(jī)械傳動具 有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、傳動效率高，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一系列缺點(diǎn)，如：各 種阻力急劇變化的工況下，發(fā)動機(jī)易過載熄火；換擋時(shí)，動力中斷時(shí)間長；傳動系受 到的沖擊載荷大等等。 液力機(jī)械傳動 液力機(jī)械傳動的特點(diǎn)是傳動系統(tǒng)中裝有液力元件。液力機(jī)械傳動能自動根據(jù)外界阻 力變化，進(jìn)行無級變速，提高發(fā)動機(jī)功率利用率；能減少變速器檔位數(shù)，簡化變速箱 的結(jié)構(gòu)；能減小傳動系零件的沖擊載荷；車輛起步平穩(wěn)，可得到任意小的行駛速度。 在液力機(jī)械傳動中，變速箱常用動力換擋變速箱。但是，由于采用了液力元件，液力 機(jī)械傳動傳動效率較低。 液壓傳動 液壓傳動的特點(diǎn)是傳動系統(tǒng)中裝有液壓元件（液壓泵和液壓馬達(dá)） 。液壓傳動能實(shí) 現(xiàn)大范圍內(nèi)的無級變速，且能保持高效率；便于操縱；簡化傳動系統(tǒng)。但是，由于液 壓元件制造精度高，液力傳動存在價(jià)格昂貴、可靠性差的缺點(diǎn)。 電傳動 電傳動系統(tǒng)的基本原理是：發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)，然后用發(fā)電機(jī)輸出的電能驅(qū)動裝在 車輪中的電機(jī)。電傳動的主要缺點(diǎn)是價(jià)格高、自重大。目前僅適用于一些大功率的礦 用車輛。 結(jié)論：根據(jù)以上 4 種傳動系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮裝載機(jī)工作阻力急劇變化、換擋頻繁、 第 5 頁 共 42 頁 速度變化范圍大、要求起步平穩(wěn)、且要求以任意小的速度行駛而獲得較大的牽引力的 特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用液力機(jī)械傳動，其傳動系統(tǒng)方案如圖 2.1 所示： 2.2 傳動比的確定 （1）總傳動比的確定 可由如下公式計(jì)算最低檔總傳動比: （2-1）jmaxaxTgMrFi 式中 最低擋總傳動比；maxi 整機(jī)最大牽引力，依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書 =7.5103 ；FmaxN 發(fā)動機(jī)最大扭矩axTM 變速器機(jī)械效率j 滾動半徑；grdr1 式中 滑轉(zhuǎn)率，取 =0.25； 動力半徑，mm；dr 車輪的動力半徑可由下式計(jì)算： （2-2）124.5Hdd 圖 2.1 ZL30 裝載機(jī)液力機(jī)械傳動系統(tǒng)簡圖 第 6 頁 共 42 頁 式中 輪輞直徑，英寸；d 輪胎斷面高度，英寸；H 車輪變形系數(shù)。 由設(shè)計(jì)任務(wù)書可知輪胎規(guī)格為：14.0-24（B-d） 。 目前裝載機(jī)廣泛采用低壓寬基輪胎 =0.50.7，取 =0.6。查相關(guān)資料可知BBH =0.120.16，此處取 =0.12。 將各參數(shù)代入公式（2-3）可得： =523.8mm。dr 將有關(guān)參數(shù)代入可得： =392.9mm。gr 將相關(guān)參數(shù)代入公式（2-2）得： = =26.356maxi054.821393.7 （2）各部件傳動比的確定 確定各部件傳動比的原則：為了減小傳動系統(tǒng)中各部件的載荷，根據(jù)功率傳遞的方 向，后面的輪邊減速器部件應(yīng)取盡可能大的傳動比。即：先選取盡可能大的終傳動比 ，然后再選取盡可能大的主傳動比 ，最后由總傳動比確定變速箱傳動比 。fi oi ki 但必須考慮以下幾點(diǎn)： a) 的大小受到輪輞直徑的限制；fi b) 的最小值受軸承允許的最高轉(zhuǎn)速及齒輪最大的允許圓周速度的限制。k 根據(jù)以上原則，最終初步確定最低檔的各部件傳動比如下： =2.307， =4.78， =2.39。1kioifi 2.3 驅(qū)動橋方案設(shè)計(jì) 驅(qū)動橋是輪式裝載機(jī)底盤傳動系統(tǒng)的重要組成部分，處于傳動系統(tǒng)的末端，主要包 括主傳動器、差速器、半軸、輪邊減速器、橋殼等部件。其功用是增大傳動扭矩,降低 轉(zhuǎn)速；改變力矩的傳動方向；保證左右驅(qū)動輪能差速旋轉(zhuǎn)；并將動力合理地分配、傳 遞至左、右驅(qū)動輪；橋殼承受作用于路面和車架之間的垂直力和橫向力。 驅(qū)動橋設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足如下基本要求： a)保證裝載機(jī)具有較佳的動力性，通過性和燃料經(jīng)濟(jì)性； b)保證一定必要的離地間隙； c)齒輪及其它傳動件工作平穩(wěn)，噪聲小，傳動效率高； 第 7 頁 共 42 頁 d)在各種轉(zhuǎn)速和載荷下具有高的傳動效率； e)具有足夠的強(qiáng)度、剛度，滿足可靠性要求； f)結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝性好，制造容易，拆裝，調(diào)整方便； g）兼顧整機(jī)穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向性等。 按工作特性可將驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)型式分為兩大類，即：非斷開式驅(qū)動橋和斷開式驅(qū)動 橋。當(dāng)驅(qū)動車輪采用非獨(dú)立懸架時(shí)，應(yīng)該選用非斷開式驅(qū)動橋；當(dāng)驅(qū)動車輪采用獨(dú)立 懸架時(shí)，則應(yīng)該選用斷開式驅(qū)動橋。因此，前者又稱為非獨(dú)立懸架驅(qū)動橋；后者稱為 獨(dú)立懸架驅(qū)動橋。此外，輪式裝載機(jī)還可采用傾斜式驅(qū)動橋。 2.3.1 非斷開式驅(qū)動橋 非斷開式驅(qū)動橋的特點(diǎn)是：橋殼是一根支承在左右驅(qū)動車輪上的剛性空心梁，齒輪 及半軸等傳動部件安裝在其中。由于結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、工作可靠，其廣泛用在各 種車輛上。 普通非斷開式驅(qū)動橋，由于結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、工作可靠，廣泛用在各種工程機(jī) 械、多數(shù)的越野汽車。他們的具體結(jié)構(gòu)、特別是橋殼結(jié)構(gòu)雖然各不相同，但是有一個(gè) 共同特點(diǎn)，即橋殼是一根支承在左右驅(qū)動車輪上的剛性空心梁，齒輪及半軸等傳動部 件安裝在其中。 驅(qū)動橋的輪廓尺寸主要取決于主減速器的型式。在裝載機(jī)輪胎尺寸和驅(qū)動橋下的最 小離地間隙已經(jīng)確定的情況下，也就限定了主減速器從動齒輪直徑的尺寸。在給定速 比的條件下，如果單級主減速器不能滿足離地間隙要求，可該用雙級結(jié)構(gòu)。在雙級主 減速器中，通常把兩級減速器齒輪放在一個(gè)主減速器殼體內(nèi)，也可以將第二級減速齒 輪作為輪邊減速器。對于輪邊減速器：越野汽車為了提高離地間隙，可以將一對圓柱 齒輪構(gòu)成的輪邊減速器的主動齒輪置于其從動齒輪的垂直上方；輪式裝載機(jī)的輪邊減 速器一般為行星式，以減小其尺寸，獲得大的傳動比，且將其安裝在輪轂內(nèi)。 2.3.2 斷開式驅(qū)動橋 斷開式驅(qū)動橋區(qū)別于非斷開式驅(qū)動橋的明顯特點(diǎn)在于前者沒有一個(gè)連接左右驅(qū)動 車輪的剛性整體外殼或梁。斷開式驅(qū)動橋的橋殼是分段的，并且彼此之間可以做相對 運(yùn)動，所以這種橋稱為斷開式的。另外，它又總是與獨(dú)立懸掛相匹配，故又稱為獨(dú)立 懸掛驅(qū)動橋。這種橋的中段，主減速器及差速器等是懸置在車架橫粱或車廂底板上， 第 8 頁 共 42 頁 或與脊梁式車架相聯(lián)。主減速器、差速器與傳動軸及一部分驅(qū)動車輪傳動裝置的質(zhì)量 均為簧上質(zhì)量。兩側(cè)的驅(qū)動車輪由于采用獨(dú)立懸掛則可以彼此致立地相對于車架或車 廂作上下擺動，相應(yīng)地就要求驅(qū)動車輪的傳動裝置及其外殼或套管作相應(yīng)擺動。 汽車懸掛總成的類型及其彈性元件與減振裝置的工作特性是決定汽車行駛平順性 的主要因素，而汽車簧下部分質(zhì)量的大小，對其平順性也有顯著的影響。斷開式驅(qū)動 橋的簧下質(zhì)量較小，又與獨(dú)立懸掛相配合，致使驅(qū)動車輪與地面的接觸情況及對各種 地形的適應(yīng)性比較好，由此可大大地減小汽車在不平路面上行駛時(shí)的振動和車廂傾斜， 提高汽車的行駛平順性和平均行駛速度，減小車輪和車橋上的動載荷及零件的損壞， 提高其可靠性及使用壽命。但是，由于斷開式驅(qū)動橋及與其相配的獨(dú)立懸掛的結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，故這種結(jié)構(gòu)主要見于對行駛平順性要求較高的一部分轎車及一些越野汽車上，且 后者多屬于輕型以下的越野汽車或多橋驅(qū)動的重型越野汽車。 2.3.3 傾斜式驅(qū)動橋 傾斜式驅(qū)動橋的特點(diǎn)是：主、從動錐齒輪的安裝軸線并不垂直，而是相差 5的偏 角，兩個(gè)主動錐齒輪中的一個(gè)與左邊的從動錐齒輪嚙合，另一個(gè)與右邊的從動錐齒輪 嚙合，從而使動力傳給左右兩邊的從動錐齒輪，實(shí)現(xiàn)減速增扭。 由于采用兩對錐齒輪構(gòu)成單級主傳動，錐齒輪的負(fù)荷就減少一半，錐齒輪、主傳動 及橋殼的尺寸就可以大大減小，從而提高整機(jī)的離地間隙。這對特別需要提高離地間 隙的車輛很有意義。而且，這種主傳動器中差速器動力傳遞過程的特點(diǎn)是：傳動軸傳 來的動力線傳給差速器，然后傳至主傳動齒輪。差速器的受力較小，使得差速器的尺 寸較小而便于布置。 由于傾斜式驅(qū)動橋多采用了一對錐齒輪及其他零件，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，僅見用對離地間 隙有較高要求的車輛。 結(jié)論：由于非斷開式驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，且本設(shè)計(jì)總傳動比并不大，主傳 動器的傳動比可取小值，容易保證其離地間隙，參照國內(nèi)相關(guān) ZL30 裝載機(jī)的設(shè)計(jì),本 設(shè)計(jì)最終選用非斷開式驅(qū)動橋，其結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示： 第 9 頁 共 42 頁 圖 2.2 非斷開式驅(qū)動橋 第 10 頁 共 42 頁 3 主傳動器設(shè)計(jì) 主傳動器的功用是改變扭矩傳遞的方向，并降低變速箱輸出軸的轉(zhuǎn)速，增大扭矩。 由于裝載機(jī)在各種路面上行使和作業(yè)時(shí)，要求驅(qū)動輪必須具有一定的驅(qū)動力矩和轉(zhuǎn)速， 設(shè)置一個(gè)主傳動器后，便可使主傳動器前面的傳動部件如變速箱、萬向傳動裝置等所 傳遞的扭矩減小，從而可使其結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量減小。 由于差速器的外殼安裝在主傳動器的從動錐齒輪上，因此確定從動錐齒輪尺寸時(shí)要 考慮差速器的安裝，反過來，確定差速器外殼尺寸時(shí)，也要考慮差速器受主傳動器的 限制。 主傳動器應(yīng)滿足如下基本要求： a）所選擇的主傳動比應(yīng)能保證裝載機(jī)有較佳的動力性和燃料經(jīng)濟(jì)性； b）外型尺寸要小，保證必要的離地間隙； c）齒輪其它傳動件工作平穩(wěn)，噪音小，工作可靠； d）保證足夠的強(qiáng)度和剛度； e）結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝性好，制造容易，拆裝、調(diào)整方便。 3.1 主傳動器結(jié)構(gòu)方案分析 主傳動器的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)齒輪類型、減速形式的不同而不同。 1） 齒輪類型 按齒輪副結(jié)構(gòu)型式分類，主傳動器的齒輪傳動主要有螺旋錐齒輪傳動、雙曲面齒輪 傳動、圓柱齒輪傳動和蝸桿蝸輪式傳動等形式。在發(fā)動機(jī)縱置的裝載機(jī)驅(qū)動橋上，主 傳動器往往采用螺旋錐齒輪傳動或雙曲面齒輪傳動。 （1）螺旋錐齒輪 螺旋錐齒輪傳動的齒形是圓弧齒，其示意圖如下圖 3.1 所示。工作時(shí)，不是全齒上 同時(shí)嚙合，而是逐漸地從一端連續(xù)平穩(wěn)地至另一端，并且，由于螺旋角的關(guān)系，在傳 動過程中至少有兩對以上的輪齒同時(shí)嚙合，因此傳動平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)，制造簡單。 螺旋錐齒輪的最小齒數(shù)可以減少到 6 個(gè)，與直齒錐齒輪相比可以實(shí)現(xiàn)較大的傳動比。 第 11 頁 共 42 頁 但是，螺旋錐齒輪傳動工作噪音大，對嚙合精度很敏感。所以，為了保證齒輪副的正 確嚙合，必須提高支撐剛度，另外螺旋錐齒輪的潤滑方式以及所需的潤滑油都是一般 潤滑油。 圖 3.1 螺旋錐齒輪傳動示意圖 （2）雙曲面錐齒輪 雙曲面錐齒輪傳動工作示意圖如下圖 3.2 所示。與螺旋錐齒輪相比，雙曲面齒輪傳 動不僅工作平穩(wěn)性更好，彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度更高，同時(shí)還可使主動齒輪的軸線相對 于從動齒輪軸線偏移，可提高車輛的離地間隙。但，雙曲面齒輪傳遞扭矩時(shí)，齒面間 有較大的相對滑動，且齒面間壓力很大，齒面油膜很容易被破壞，必須采用含防劃傷 添加劑的雙曲面齒輪油，絕不允許用普通齒輪油代替，否則將時(shí)齒面迅速擦傷和磨損， 大大降低使用壽命。雙曲面錐齒輪傳動適合于傳動比大于 4.5，且輪廓尺寸有限制的場 合，另外，雙曲面錐齒輪所需要的潤滑油是雙曲面錐齒輪潤滑專用油，價(jià)格較貴，而 且消耗較大，如果不及時(shí)更新，還可能會使齒面磨損加劇，壽命降低。 圖 3.2 雙曲面齒輪示意圖 第 12 頁 共 42 頁 結(jié)論：參照現(xiàn)有機(jī)型的配置，并考慮主傳動器傳動比小于 3，經(jīng)方案論證，本設(shè)計(jì) 主傳動器的齒輪選用 35 螺旋錐齒輪傳動形式。 2） 結(jié)構(gòu)形式 表 3.1 各類型減速器特點(diǎn)及其應(yīng)用 按 參 與 傳動的齒輪副數(shù)目，可將主傳動器分為單級式主傳動器和雙級式主傳動器、雙速式主 傳動器、雙級式主傳動器配輪邊減速器等。雙級式主傳動器應(yīng)用于大傳動比的中、重 型汽車。單級式主傳動器應(yīng)用于轎車和一般輕、中型載貨汽車。單級式主傳動器由一 對圓錐齒輪組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、成本低、使用簡單等優(yōu)點(diǎn)。 減 速 型 式 特 點(diǎn) 應(yīng) 用 單級減速 結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、 成本低、傳動比一般在 7 以 下 中小型底盤，如 JS-1、JS-2 小反斗車、0.5 3m 裝載機(jī) 前置錐齒輪雙級減速 可得較大傳動比（59，最 大可達(dá) 11）和離地間隙，橋 的縱向尺寸大，傳動軸的夾 角增大 較長軸距的中、重型底盤， 如 Q5、QY8 汽車起重機(jī) 上置錐齒輪雙極減速 傳動裝置布置較高，便于傳 動軸通過，車身較高 多橋驅(qū)動底盤， 如上安 QY15（SH-361）PY-160 平地 機(jī)等 單級減速附外嚙合輪邊減 速 橋的中央部分、差速器、半 軸負(fù)荷減小、尺寸小、提高 離地間隙 中、大型底盤，如 Z4-2 裝 載機(jī) 單級減速附行星輪邊減速 橋中部差速器，半軸體積小， 縮短橋中心到傳動軸凸緣的 距離，行星齒輪結(jié)構(gòu)緊湊， 半軸與輸出驅(qū)動軸同軸，傳 動比可達(dá) 1218 工程機(jī)械和重型汽車上廣泛 應(yīng)用，如 ZL-50、ZL- 40、ZL-30、SH-380、TL- 160、CL-70 雙級減速附行星輪邊減速 是前兩種結(jié)構(gòu)的組合，減速 比很大，增大扭矩，減低重 心 超重型多橋底盤如 QD-100 汽車起重機(jī) 第 13 頁 共 42 頁 結(jié)論：經(jīng)方案論證，本設(shè)計(jì)主傳動器采用單級式主傳動器。 圖 3.3 單機(jī)主減速器三維結(jié)構(gòu)圖 3.2 主傳動器主、從動錐齒輪的支承方案 主傳動器必須保證主、從動齒輪具有良好的嚙合狀況，才能平穩(wěn)地工作。齒輪的正 確嚙合，除了與齒輪的加工質(zhì)量、裝配調(diào)整及軸承精度有關(guān)外，還與齒輪的支承剛度 密切相關(guān)。 1） 主動錐齒輪的支承 主動錐齒輪的支承形式分為懸臂式支承、跨置式支承。 （1）懸臂式支承 懸臂式支承的特點(diǎn)是錐齒輪大端一側(cè)軸頸較長，上面安裝兩個(gè)圓錐滾子軸承。為提 高懸臂式支承的剛度，兩圓錐滾子軸承的大端應(yīng)向內(nèi)。這種支承結(jié)構(gòu)簡單，但相對剛 度較差，主要用于輕型貨車和轎車上。 （2）跨置式支承 跨置式支承的特點(diǎn)是錐齒輪兩端的軸頸均有軸承支承，又稱兩端支承式?？缰檬街?承使支承剛度大大增加，又使軸承負(fù)荷減小，使齒輪嚙合條件改善，齒輪的承載能力 第 14 頁 共 42 頁 高于懸臂式。 結(jié)論：由于本設(shè)計(jì) ZL30 裝載機(jī)屬于重型機(jī)，傳動軸需要有足夠的剛度和穩(wěn)定性， 如果采用懸臂式支承，機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，傳遞的扭矩也會相應(yīng)的降低，故本設(shè)計(jì)采 用跨置式支承，這樣的設(shè)計(jì)能夠有效提高支承剛度。主動錐齒輪跨置式支承支承結(jié)構(gòu) 如圖 3.4 所示： 圖 3.4 主動錐齒輪跨置式支承示意圖 2） 從動錐齒輪的支承 從動錐齒輪采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(yīng) 向內(nèi)，以減小支承跨度尺寸。為了使從動錐齒輪背面的差速器殼體處有設(shè)置加強(qiáng)肋的 地方，以增強(qiáng)支承穩(wěn)定性，支承跨度不應(yīng)小于從動錐齒輪大端分度圓直徑的 70%。為了 限制從動齒輪因受軸向力產(chǎn)生偏移，在從動錐齒輪的背面加設(shè)止推螺栓作為輔助支承。 3.3 螺旋錐齒輪計(jì)算載荷的確定 主傳動比 和計(jì)算載荷是主減速器設(shè)計(jì)的必需數(shù)據(jù)。oi 確定從動螺旋錐齒輪所受的扭矩通常有三種方法： 按液力變矩器輸出的最大扭矩和傳動系最低檔傳動比確定； 按驅(qū)動輪附著力確定； 按平均載荷確定。 前兩種方法確定的扭矩為從動錐齒輪的最大扭矩，并不是正常的持續(xù)扭矩，只適用 于驗(yàn)算最大應(yīng)力。但在錐齒輪參數(shù)選擇時(shí)，可將前兩種方法確定的最大扭矩的較小值 作為計(jì)算扭矩，帶入經(jīng)驗(yàn)公式來選擇齒輪參數(shù)。第三種方法確定的扭矩為常用扭矩， 較好地代表了實(shí)際情況的疲勞強(qiáng)度計(jì)算載荷。 1） 按液力變矩器輸出的最大扭矩和傳動系最低檔傳動比確定從動錐齒輪的最大扭 第 15 頁 共 42 頁 矩的計(jì)算： （3-1）N iMKmokoTDGe 1ax2 式中 考慮沖擊載荷的過載系數(shù)，對于具有液力變矩器的機(jī)器，取 =1.0；DK 按液力變矩器輸出的最大扭矩和傳動系最低檔傳動比確定從動大2Ge 錐齒輪的計(jì)算扭矩， ；mN 發(fā)動機(jī)與液力變矩器共同工作時(shí)輸出的最大扭矩，axTM =1388.16 ；axTN 驅(qū)動橋主傳動比，已知 =2.54；oi oi 變速箱一檔傳動比， =2.31；1k 1k 變矩器到主減速器的傳動效率；mo = ；ko 式中 變速器的傳動效率 ,取 0.95； 主傳動器的傳動效率 ,取 0.95。o 驅(qū)動橋數(shù)， =2。NN 算得： =0.9025； =3667.82 。mo2GeMm 2） 按驅(qū)動輪附著扭矩來確定從動錐齒輪的最大扭矩計(jì)算： （3-2）fdDSir2 式中 按驅(qū)動輪附著扭矩來確定的從動大錐齒輪的計(jì)算扭矩， ；2GSM mN 滿載時(shí)驅(qū)動橋上的載荷（水平地面） ， ；D N 附著系數(shù)，輪式工程車輛 =0.851.0，取 =0.7； 驅(qū)動輪動力半徑，前面已求出 =523.8mm；dr dr 終傳動的傳動比，由前面所知得， =4.5；fi fi 終傳動的效率，行星傳動通常取 0.97。f 由本次設(shè)計(jì)任務(wù)書可知：裝載機(jī)工作質(zhì)量為 12 ，額定載重量為 35 ，ZL30 裝tKN 載機(jī)滿載時(shí)的橋荷分配為前橋 70。所以， =（8700+3500）70%10=12.410 4DGN 所以,算得： =7173.60 。2GSMmN 取以上兩種計(jì)算方法中較小值作為從動錐齒輪的最大扭矩，所以,該處的計(jì)算扭矩： 第 16 頁 共 42 頁 = =3667.82max2M2GemN = = =1512.2011oi 3） 按平均受載扭矩來確定從動錐齒輪上的載荷： 輪式裝載機(jī)作業(yè)工況非常復(fù)雜，要確定各種使用工況下的載荷大小及其循環(huán)次數(shù)是 困難的，只能用假定的當(dāng)量載荷或平均載荷作為計(jì)算載荷。對輪式裝載機(jī)驅(qū)動橋主傳 動器從動齒輪推薦用下式確定計(jì)算扭矩： （3-3）fiNrGMfdDPsin2 式中 按平均受載扭矩來確定從動錐齒輪上的載荷， ；2GP mN 道路滾動阻力系數(shù)。 =0.0200.035，取 =0.03；f f f 坡道阻力系數(shù)， =sin20=0.34；sinsin 算得： =1976.40 。2GPmN 得主動小錐齒輪上的常用受載扭矩為： = =819.71 。1Moi2 3.4 主傳動器錐齒輪的主要參數(shù)選擇 1) 主、從動錐齒輪齒數(shù) 和1Z2 選擇齒數(shù)時(shí)需要考慮以下因素： a)應(yīng)盡量使相嚙合齒輪的齒數(shù)沒有公約數(shù)，以便使齒輪各齒能相互交替嚙合； b)為得到理想的齒面接觸，小齒輪的齒數(shù)應(yīng)盡量選用奇數(shù)； c)為了保證必要的重疊系數(shù)，大小齒輪的齒數(shù)和應(yīng)不小于 40； d)主傳動比較大時(shí)， 應(yīng)盡量小些，但不能小于 6。1Z 根據(jù)以上選擇齒數(shù)的要求，結(jié)合本次設(shè)計(jì)主傳動比 =2.54，選取主動小錐齒輪齒oi 數(shù) =13，從動大錐齒輪齒數(shù) =62， =4.78。1Z2oi 2) 從動錐齒輪分度圓直徑 的確定d 就單級主傳動器來說，從動錐齒輪的分度圓直徑，對驅(qū)動橋的尺寸有直接影響。分 度圓直徑小了，影響跨置式主動齒輪和差速器的布置和安裝。一般從動錐齒輪的分度 圓直徑可以根據(jù)從動錐齒輪上的最大扭矩來計(jì)算。 第 17 頁 共 42 頁 根據(jù)從動錐齒輪上的最大扭矩，按經(jīng)驗(yàn)公式粗略計(jì)算從動錐齒輪的分度圓直徑： = （3-4）2d3max2MK 式中 從動齒輪分度圓直徑， ；2d 從動錐齒輪分度圓直徑系數(shù)，對于輪式裝載機(jī)， 取K dK 10.3712.92； 從動錐齒輪上的計(jì)算扭矩， =3667.82 。max2Mmax2N 得： =159.99199.20 。d 3) 齒輪端面模數(shù) 的選擇 由 ，代入數(shù)據(jù)得， =6.067.54，取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) =7。2Z 為了知道所選模數(shù)是否合適,需用下式校核： = （3-5）m3max2MK 式中 從動齒輪端面模數(shù) ，；m 齒輪端面模數(shù)系數(shù)， 取 0.2830.413；K 從動錐齒輪上的計(jì)算扭矩， =3667.82 。ax2Mmax2N 代入數(shù)據(jù)得 =4.8097.018。 所以，所選齒輪端面模數(shù) =7合適。m 由此可算出大小錐齒輪的分度圓直徑： =185， =38。2d1 4) 法向壓力角 的選擇 螺旋錐齒輪的壓力角是以法向壓力角 來表示的，螺旋錐齒輪的標(biāo)準(zhǔn)壓力角是 20o。增大壓力角可以增大齒根厚度，增加螺旋錐齒輪的強(qiáng)度，并且可以減小產(chǎn)生跟切 的最小齒數(shù)。但是大的壓力角易使小齒輪的齒頂變尖、齒輪的齒型重合系數(shù)降低。減 小壓力角可以使