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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
JX1021TS3輕型貨車驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)
院系名稱： 汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)班級(jí)： 車輛工程 B07-1班
學(xué)生姓名： 黃 靜
指導(dǎo)教師： 朱榮福
職 稱： 講 師
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一一年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Design of Pickup Truck Driving Axle
Candidate：Huang Jing
Specialty：Vehicle Engineering
Class:B07-1
Supervisor：Lecturer. Zhu Rongfu
Heilongjiang Institute of Technology
2011-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
輕型汽車在商用汽車生產(chǎn)中占有很大的比重，而且驅(qū)動(dòng)橋在整車中十分重要。驅(qū)動(dòng)橋作為汽車四大總成之一，它的性能的好壞直接影響整車性能，而對(duì)于載貨汽車顯得尤為重要。為滿足目前當(dāng)前載貨汽車的快速、高效率、高效益需要的同時(shí)時(shí)，必須要搭配一個(gè)高效、可靠的驅(qū)動(dòng)橋。設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉的驅(qū)動(dòng)橋，能大大降低整車生產(chǎn)的總成本的輕型貨車驅(qū)動(dòng)橋具有一定的實(shí)際意義。
本設(shè)計(jì)首先論述了驅(qū)動(dòng)橋的總體結(jié)構(gòu)，在分析驅(qū)動(dòng)橋各部分結(jié)構(gòu)型式、發(fā)展過程及其以往形式的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，確定了總體設(shè)計(jì)方案：采用整體式驅(qū)動(dòng)橋，主減速器的減速型式采用單級(jí)減速器，主減速器齒輪采用螺旋錐齒輪，差速器采用圓錐行星齒輪差速器，半軸采用全浮式型式，橋殼采用鑄造整體式橋殼。在本次設(shè)計(jì)中，主要完成了單級(jí)減速器、圓錐行星齒輪差速器、全浮式半軸的設(shè)計(jì)和橋殼的校核及材料選取等工作。最后運(yùn)用AUTOCAD完成裝配圖和主要零件圖的繪制。
關(guān)鍵詞：輕型貨車；驅(qū)動(dòng)橋；單級(jí)主減速器；差速器；半軸；橋殼
53
ABSTRACT
Pickup trucks take a large proportion of commercial vehicles production, and the drive axle is one of the most important structure. Drive axle is the one of automobile four important assemblies, Its performance directly influence on the entire automobile, especially for the truck .Because using the big power engine with the big driving torque satisfied the need of high speed, heavy-loaded, high efficiency, high benefit today` truck, must exploiting the high driven efficiency single reduction final drive axle is becoming the trucks’ developing tendency. Design a simple, reliable, low cost of the drive axle, can greatly reduce the total cost of vehicle production, so the title of the fine structure of the design of a pickup vehicle drive axle has a certain practical significance.
The configuration of the Driving Axle is introduced in the thesis at first. On the basis of the analysis of the structure and the developing process of Driving Axle, the design adopted the Integral Driving Axle, Single Reduction Gear for Main Decelerator’s deceleration form, Spiral Bevel Gear for Main Decelerator’s gear, Full Floating for Axle and Casting Integral Axle Housing for Axle Housing. In the design, we accomplished the design for Double Reduction Gear, tapered Planetary Gear Differential Mechanism, Full Floating Axle, the checking of Axle Housing and the election of the material and so on. Finally complete the final assembly drawing by using AUTOCAD and mapping the main components.In this paper, first of all determine the structure of major components and the main design parameters, the analysis of the various parts of the structure of the bridge drive type, the form of the development process and its advantages and disadvantages of the past, determined on the basis of the design program, using the traditional design method of various parts of the drive axle Main reducer, differential, axle, axle housing was designed to calculate and complete the check. Finally complete the final assembly drawing by using AUTOCAD and mapping the main components.
Keywords: Pickup truck; Drive axle; Single reduction final drive; Differential; Axle; Drive Axle housing
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 選題的背景目的及意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外驅(qū)動(dòng)橋研究狀況 1
1.3 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 3
第2章 驅(qū)動(dòng)橋的總體方案確定 4
2.1驅(qū)動(dòng)橋的種類結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要求 4
2.1.1汽車車橋的種類 4
2.1.2驅(qū)動(dòng)橋的種類 4
2.1.3驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)組成 4
2.1.4 驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)要求 5
2.1.5設(shè)計(jì)車型主要參數(shù) 5
2.2主減速器結(jié)構(gòu)方案的確定 6
2.2.1 主減速比的計(jì)算 6
2.2.2 主減速器的齒輪類型 7
2.2.3 主減速器的減速形式 8
2.2.4 主減速器主從動(dòng)錐齒輪的支承形式及安裝方法 9
2.3 差速器結(jié)構(gòu)方案的確定 11
2.4半軸的形式確定 11
2.5 橋殼形式的確定 12
2.6本章小結(jié) 13
第3章 主減速器設(shè)計(jì) 14
3.1概述 14
3.2主減速器齒輪參數(shù)的選擇與強(qiáng)度計(jì)算 14
3.2.1 主減速器計(jì)算載荷的確定 14
3.2.2 主減速器齒輪參數(shù)的選擇 15
3.2.3 主減速器齒輪強(qiáng)度計(jì)算 18
3.2.4 主減速器軸承計(jì)算 24
3.3主減速器齒輪材料及熱處理 30
3.4主減速器的潤(rùn)滑 31
3.5 本章小結(jié) 31
第4章 差速器設(shè)計(jì) 32
4.1概述 32
4.2對(duì)稱式圓錐行星齒輪差速器原理 32
4.3 對(duì)稱式圓錐行星齒輪差速器的結(jié)構(gòu) 33
4.4對(duì)稱圓錐行星錐齒輪差速器的設(shè)計(jì) 34
4.4.1 差速器齒輪的基本參數(shù)選擇 34
4.4.2 差速器齒輪的幾何尺寸計(jì)算 36
4.4.3 差速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 37
4.4.4 差速器齒輪的材料 39
4.5 本章小結(jié) 39
第5章 半軸及驅(qū)動(dòng)橋橋殼的設(shè)計(jì) 40
5.1概述 40
5.2半軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 40
5.2.1全浮式半軸的計(jì)算載荷的確定 40
5.2.2半軸桿部直徑的初選 42
5.2.3 全浮式半軸強(qiáng)度計(jì)算 42
5.2.4 全浮式半軸花鍵強(qiáng)度計(jì)算 43
5.2.5 半軸材料與熱處理 44
5.3橋殼的受力分析及強(qiáng)度計(jì)算 44
5.3.1橋殼的靜彎曲應(yīng)力計(jì)算 45
5.3.2在不平路面沖擊載荷作用下橋殼的強(qiáng)度 46
5.3.3 汽車以最大牽引力行駛時(shí)的橋殼的強(qiáng)度計(jì)算 46
5.3.4汽車緊急制動(dòng)時(shí)的橋殼強(qiáng)度計(jì)算 48
5.3.5汽車受最大側(cè)向力時(shí)橋殼強(qiáng)度計(jì)算 48
5.4 本章小結(jié) 51
結(jié)論 52
參考文獻(xiàn) 53
致謝 54
附錄A 55
附錄B 58
第1章 緒 論
1.1 選題背景目的及意義
根據(jù)中國(guó)輕型貨車行業(yè)市場(chǎng)深度調(diào)研及中期發(fā)展預(yù)測(cè)報(bào)告表明：2008年中國(guó)輕型貨車行業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)品產(chǎn)出持續(xù)擴(kuò)張，國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵(lì)輕型貨車產(chǎn)業(yè)向高技術(shù)產(chǎn)品方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)企業(yè)新增投資項(xiàng)目投資逐漸增多。投資者對(duì)輕型貨車行業(yè)的關(guān)注越來越密切，這使得輕型貨車行業(yè)的發(fā)展研究需求增大。2009-2012年是中國(guó)輕型貨車行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，也是我國(guó)從“十一五”邁向“十二五”的過渡期，在全球金融危機(jī)風(fēng)暴大環(huán)境及國(guó)內(nèi)嚴(yán)峻經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，一系列新的政策將會(huì)陸續(xù)出臺(tái)，對(duì)輕型貨車行業(yè)的發(fā)展必將產(chǎn)生重大影響；一批國(guó)家重大工程項(xiàng)目陸續(xù)開工建設(shè)，對(duì)輕型貨車行業(yè)需求市場(chǎng)必將產(chǎn)生極大的拉動(dòng)作用。
作為汽車關(guān)鍵零部件之一的汽車驅(qū)動(dòng)橋也得到相應(yīng)的發(fā)展，各生產(chǎn)廠家在研發(fā)和生產(chǎn)過程中基本上形成了專業(yè)化、系列化、批量化的局面，汽車驅(qū)動(dòng)橋是汽車的重要總成，承載著汽車車架及承載式車身經(jīng)懸架給予的鉛垂力、縱向力、橫向力及其力矩，以及沖擊載荷；驅(qū)動(dòng)橋還傳遞著傳動(dòng)系中的最大轉(zhuǎn)矩，橋殼還承受著反作用力矩。汽車驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計(jì)參數(shù)除對(duì)汽車的可靠性與耐久性有重要影響外，也對(duì)汽車的行駛性能如動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、平順性、通過性、機(jī)動(dòng)性和操動(dòng)穩(wěn)定性等有直接影響。因此，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉的驅(qū)動(dòng)橋，具有一定的實(shí)際意義[1]。
1.2 國(guó)內(nèi)外驅(qū)動(dòng)橋研究狀況
1、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國(guó)驅(qū)動(dòng)橋制造企業(yè)的開發(fā)模式主要由測(cè)繪、引進(jìn)、自主開發(fā)三種組成。主要存在技術(shù)含量低，開發(fā)模式落后，技術(shù)創(chuàng)新力不夠，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用少等問題。一些企業(yè)技術(shù)力量相對(duì)要好些的企業(yè)，測(cè)繪的是從國(guó)外引進(jìn)的原裝橋，并且這些企業(yè)一般具有較為完善的開發(fā)體系和流程，也具有較完善的試驗(yàn)手段，但是開發(fā)過程屬于對(duì)國(guó)外的仿制，對(duì)其逆向研究后結(jié)合自我情況生產(chǎn)。
總之，我國(guó)汽車驅(qū)動(dòng)橋的研究設(shè)計(jì)與世界先進(jìn)驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)技術(shù)還有一定的差距，我國(guó)車橋制造業(yè)雖然有一些成果，但都是在引進(jìn)國(guó)外技術(shù)、紡制、再加上自己改進(jìn)的基礎(chǔ)上了取得的。個(gè)別比較有實(shí)力的企業(yè)，雖有自己獨(dú)立的研發(fā)機(jī)構(gòu)但都處于發(fā)展的初期。在科技迅速發(fā)展的推動(dòng)下，高新技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，各種國(guó)外汽車新技術(shù)的引進(jìn)，研究團(tuán)隊(duì)自身研發(fā)能力的提高，我國(guó)的驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)和制造會(huì)逐漸發(fā)展起來，并跟上世界先進(jìn)的汽車零部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平。
2、國(guó)外研究現(xiàn)狀
國(guó)外輕型貨車驅(qū)動(dòng)橋開發(fā)技術(shù)已經(jīng)非常的成熟，建立新的驅(qū)動(dòng)橋開發(fā)模式成為國(guó)內(nèi)外驅(qū)動(dòng)橋開發(fā)團(tuán)體的新目標(biāo)。驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)新方法的應(yīng)用使得其開發(fā)周期縮短，成本降低，可靠性增加。國(guó)外的最新開發(fā)模式和驅(qū)動(dòng)橋新技術(shù)包括：
(1)并行工程開發(fā)模式
并行工程開發(fā)模式是對(duì)在一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上,劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊,然后通過模塊的選擇和組合構(gòu)成不同產(chǎn)品的一種設(shè)計(jì)方法，能夠縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間、降低成本、提升質(zhì)量、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,以DANA為代表的意大利企業(yè)多已采用了該類設(shè)計(jì)方法, 優(yōu)點(diǎn)是: 減少設(shè)計(jì)及工裝制造的投入, 減少了零件種類, 提高規(guī)模生產(chǎn)程度, 降低制造費(fèi)用, 提高市場(chǎng)響應(yīng)速度等。
(2)模態(tài)分析
模態(tài)分析是對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分析研究的最先進(jìn)的現(xiàn)代方法與手段之一。它可以定義為對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的解析分析(有限元分析)和實(shí)驗(yàn)分析(實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析)，其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性用模態(tài)參數(shù)來表征。模態(tài)分析技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)是在對(duì)系統(tǒng)做動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，用模態(tài)坐標(biāo)代替物理學(xué)坐標(biāo)，從而可大大壓縮系統(tǒng)分析的自由度數(shù)目，分析精度較高。驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)特性不但直接影響其本身的強(qiáng)度，而且對(duì)整車的舒適性和平順性有著至關(guān)重要的影響。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行模態(tài)分析，掌握和改善其振動(dòng)特性，是設(shè)計(jì)中的重要方面。
(3)驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析方法
有限元法不需要對(duì)所分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的簡(jiǎn)化，既可以考慮各種計(jì)算要求和條件，也可以計(jì)算各種工況，而且計(jì)算精度高。有限元法將具有無限個(gè)自由度的連續(xù)體離散為有限個(gè)自由度的單元集合體，使問題簡(jiǎn)化為適合于數(shù)值解法的問題。只要確定了單元的力學(xué)特性，就可以按照結(jié)構(gòu)分析的方法求解，使分析過程大為簡(jiǎn)化，配以計(jì)算機(jī)就可以解決許多解析法無法解決的復(fù)雜工程問題。目前，有限元法己經(jīng)成為求解數(shù)學(xué)、物理、力學(xué)以及工程問題的一種有效的數(shù)值方法，也為驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的工具。
(4)高性能制動(dòng)器技術(shù)
在發(fā)達(dá)國(guó)家驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品中, 已出現(xiàn)了自循環(huán)冷卻功能的濕式制動(dòng)器橋、帶散熱風(fēng)送的盤式制動(dòng)器橋、適于ABS的蹄、鼓式和盤式制動(dòng)器橋、帶自動(dòng)補(bǔ)償間隙的盤式制動(dòng)器等配置高性能制動(dòng)器橋, 同時(shí)制動(dòng)器的布置位置也出現(xiàn)了從橋臂處分別向橋包總成和輪邊端部轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。前種處理方式易于散熱, 后種處理方式為了降低成本, 甚至有廠商把制動(dòng)器的殼體與橋殼鑄為一體, 既易于散熱，又利于降低材料成本, 但這對(duì)鑄造技術(shù)、鑄造精度和加工精度都提出了極高的要求。
(5)電子智能控制技術(shù)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品
電子智能控制技術(shù)已經(jīng)在汽車業(yè)得到了快速發(fā)展，如，現(xiàn)代汽車上使用的ABS(制動(dòng)防抱死控制)、ASR（驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)）等系統(tǒng)。
1.3 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容
1、驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)形式及布置方案的確定。
2、驅(qū)動(dòng)橋零部件尺寸參數(shù)確定及校核：
（1）完成主減速器的基本參數(shù)選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算；
（2）完成差速器的設(shè)計(jì)與計(jì)算；
（3）完成半軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算；
（4）完成驅(qū)動(dòng)橋橋殼的受力分析及強(qiáng)度計(jì)算。
3、完成驅(qū)動(dòng)橋驅(qū)動(dòng)橋裝配圖和主要部分零件。
第2章 驅(qū)動(dòng)橋的總體方案確定
2.1 驅(qū)動(dòng)橋的種類、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)要求及主要參數(shù)
2.1.1 汽車車橋的種類
汽車的驅(qū)動(dòng)橋與從動(dòng)橋統(tǒng)稱為車橋，車橋通過懸架與車架（或承載式車身）相連，它的兩端安裝車輪，其功用是傳遞車架（或承載式車身）于車輪之間各方向的作用力及其力矩。
根據(jù)懸架結(jié)構(gòu)的不同，車橋分為整體式和斷開式兩種。當(dāng)采用非獨(dú)立懸架時(shí)，車橋中部是剛性的實(shí)心或空心梁，這種車橋即為整體式車橋；斷開式車橋?yàn)榛顒?dòng)關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，與獨(dú)立懸架配用。在絕大多數(shù)的載貨汽車和少數(shù)轎車上，采用的是整體式非斷開式。斷開式驅(qū)動(dòng)橋兩側(cè)車輪可獨(dú)立相對(duì)于車廂上下擺動(dòng)。
根據(jù)車橋上車輪的作用，車橋又可分為轉(zhuǎn)向橋、驅(qū)動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋和支持橋四種類型。其中，轉(zhuǎn)向橋和支持橋都屬于從動(dòng)橋，一般貨車多以前橋?yàn)檗D(zhuǎn)向橋，而后橋或中后兩橋?yàn)轵?qū)動(dòng)橋[2]。
2.1.2 驅(qū)動(dòng)橋的種類
驅(qū)動(dòng)橋位于傳動(dòng)系末端，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的轉(zhuǎn)矩，并合理的分配給左、右驅(qū)動(dòng)車輪，其次，驅(qū)動(dòng)橋還要承受作用于路面和車架或車廂之間的垂直力、縱向力和橫向力，以及制動(dòng)力矩和反作用力矩。
驅(qū)動(dòng)橋分為斷開式和非斷開式兩種。驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)型式與驅(qū)動(dòng)車輪的懸掛型式密切相關(guān)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)車輪采用非獨(dú)立懸掛時(shí)，例如在絕大多數(shù)的載貨汽車和部分小轎車上，都是采用非斷開式驅(qū)動(dòng)橋，其橋殼是一根支撐在左右驅(qū)動(dòng)車輪上的剛性空心梁，主減速器、差速器和半軸等所有的傳動(dòng)件都裝在其中；當(dāng)驅(qū)動(dòng)車輪采用獨(dú)立懸掛時(shí)，則配以斷開式驅(qū)動(dòng)橋。
2.1.3 驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)組成
在多數(shù)汽車中，驅(qū)動(dòng)橋包括主減速器、差速器、驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)裝置（半軸）及橋殼等部件如圖1.1所示。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1－半軸 2－圓錐滾子軸承 3－支承螺栓 4－主減速器從動(dòng)錐齒輪 5－油封
6－主減速器主動(dòng)錐齒輪 7－彈簧座 8－墊圈 9－輪轂 10－調(diào)整螺母
圖1.1 驅(qū)動(dòng)橋
2.1.4 驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)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，以滿足通過性的要求。
3、齒輪及其他傳動(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。
2.1.5設(shè)計(jì)車型主要參數(shù)
設(shè)計(jì)車型主要參數(shù)表2.1參考數(shù)據(jù)
表2.1參考數(shù)據(jù)
序號(hào)
項(xiàng) 目
數(shù) 據(jù)
單 位
1
車身長(zhǎng)度
5185
mm
2
車身寬度
1720
mm
3
車身高度
1710
mm
4
車 重
1720
kg
5
軸 距
3025
mm
6
前輪距
1435
mm
7
后輪距
1440
mm
8
輪胎規(guī)格
215/75 R15
—
9
排 量
2.0
L
10
最大功率/轉(zhuǎn)速
68/4000
kw/ rpm
11
最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速
200/2000
N.m/ rpm
12
最高車速
120
km/h
13
離地間隙
220
mm
2.2 主減速器結(jié)構(gòu)方案的確定
2.2.1主減速比的計(jì)算
主減速比io對(duì)主減速器的結(jié)構(gòu)形式、輪廓尺寸、質(zhì)量大小影響很大。當(dāng)變速器處于最高檔位時(shí)io對(duì)汽車的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性都有直接影響。的選擇應(yīng)在汽車總體設(shè)計(jì)時(shí)和傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比一起由整車動(dòng)力計(jì)算來確定。可利用在不同的下的功率平衡圖來計(jì)算對(duì)汽車動(dòng)力性的影響。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系參數(shù)作最佳匹配的方法來選擇io值，可是汽車獲得最佳的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。
對(duì)于具有很大功率儲(chǔ)備的轎車、長(zhǎng)途公共汽車尤其是競(jìng)賽車來說，在給定發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率及其轉(zhuǎn)速的情況下，所選擇的io值應(yīng)能保證這些汽車有盡可能高的最高車速。這時(shí)值應(yīng)按下式來確定[3]：
=0.377 （2.1）式中：——車輪的滾動(dòng)半徑，=0.332m
——變速器最高檔傳動(dòng)比0.8
——最大功率轉(zhuǎn)速4000 r/min
——最大車速120km/h
對(duì)于與其他汽車來說，為了得到足夠的功率而使最高車速稍有下降，一般選得比最小值大10%～25%，即按下式選擇：
=（0.377~0.472） （2.2）
經(jīng)計(jì)算初步確定= 6.17
按上式求得的io應(yīng)與同類汽車的主減速比相比較，并考慮到主、從動(dòng)主減速齒輪可能的齒數(shù)對(duì)io予以校正并最后確定。
2.2.2主減速器的齒輪類型
按齒輪副結(jié)構(gòu)型式分，主減速器的齒輪傳動(dòng)主要有螺旋錐齒輪式傳動(dòng)、雙曲面齒輪式傳動(dòng)、圓柱齒輪式傳動(dòng)（又可分為軸線固定式齒輪傳動(dòng)和軸線旋轉(zhuǎn)式齒輪傳動(dòng)即行星齒輪式傳動(dòng)）和蝸桿蝸輪式傳動(dòng)等形式。
在發(fā)動(dòng)機(jī)橫置的汽車驅(qū)動(dòng)橋上，主減速器往往采用簡(jiǎn)單的斜齒圓柱齒輪；在發(fā)動(dòng)機(jī)縱置的汽車驅(qū)動(dòng)橋上，主減速器往往采用圓錐齒輪式傳動(dòng)或準(zhǔn)雙曲面齒輪式傳動(dòng)。
在現(xiàn)代貨車車驅(qū)動(dòng)橋中，主減速器采用得最廣泛的是螺旋錐齒輪和雙曲面齒輪。
螺旋錐齒輪如圖2.1（a）所示主、從動(dòng)齒輪軸線交于一點(diǎn)，交角都采用90度。螺旋錐齒輪的重合度大，嚙合過程是由點(diǎn)到線，因此，螺旋錐齒輪能承受大的載荷，而且工作平穩(wěn)，即使在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其噪聲和振動(dòng)也是很小的。
雙曲面齒輪如圖2.1（b）所示主、從動(dòng)齒輪軸線不相交而呈空間交叉。和螺旋錐齒輪相比，雙曲面齒輪的優(yōu)點(diǎn)有：
1、尺寸相同時(shí)，雙曲面齒輪有更大的傳動(dòng)比。
2、傳動(dòng)比一定時(shí)，如果主動(dòng)齒輪尺寸相同，雙曲面齒輪比螺旋錐齒輪有較大軸徑，較高的輪齒強(qiáng)度以及較大的主動(dòng)齒輪軸和軸承剛度。
(b) 雙曲面齒輪
(a) 螺旋錐齒輪
圖2.1 螺旋錐齒輪與雙曲面齒輪
3、當(dāng)傳動(dòng)比一定，主動(dòng)齒輪尺寸相同時(shí)，雙曲面從動(dòng)齒輪的直徑較小，有較大的離地間隙。
4、工作過程中，雙曲面齒輪副既存在沿齒高方向的側(cè)向滑動(dòng)，又有沿齒長(zhǎng)方向的縱向滑動(dòng)，這可以改善齒輪的磨合過程，使其具有更高的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。
雙曲面齒輪傳動(dòng)有如下缺點(diǎn)：
1、長(zhǎng)方向的縱向滑動(dòng)使摩擦損失增加，降低了傳動(dòng)效率。
2、齒面間有大的壓力和摩擦功，使齒輪抗嚙合能力降低。
3、雙曲面主動(dòng)齒輪具有較大的軸向力，使其軸承負(fù)荷增大。
4、雙曲面齒輪必須采用可改善油膜強(qiáng)度和防刮傷添加劑的特種潤(rùn)滑油。
螺旋錐齒輪傳動(dòng)的主、從動(dòng)齒輪軸線垂直相交于一點(diǎn)，齒輪并不同時(shí)在全長(zhǎng)上嚙合，而是逐漸從一端連續(xù)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)向另一端。另外，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)捏合，螺旋錐齒輪能承受大的載荷，而且工作平穩(wěn)，即使在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其噪聲和振動(dòng)也是很小的。本次設(shè)計(jì)采用螺旋錐齒輪。
2.2.3主減速器的減速形式
主減速器的減速形式分為單級(jí)減速、雙級(jí)減速、單級(jí)貫通、雙級(jí)貫通、主減速及輪邊減速等。減速形式的選擇與汽車的類型及使用條件有關(guān)，有時(shí)也與制造廠的產(chǎn)品系列及制造條件有關(guān)，但它主要取決于由動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等整車性能所要求的主減速比io的大小及驅(qū)動(dòng)橋下的離地間隙、驅(qū)動(dòng)橋的數(shù)目及布置形式等。通常單極減速器用于主減速比io≤7.6的各種中小型汽車上。
（a） 單級(jí)主減速器 （b） 雙級(jí)主減速器
圖2.2主減速器
如圖2.2（a）所示，單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)車橋是驅(qū)動(dòng)橋中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種，制造工藝較簡(jiǎn)單，成本較低，是驅(qū)動(dòng)橋的基本型，在貨車上占有重要地位。目前貨車發(fā)動(dòng)機(jī)向低速大扭矩發(fā)展的趨勢(shì)使得驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)比向小速比發(fā)展；隨著公路狀況的改善，特別是高速公路的迅猛發(fā)展，許多貨車使用條件對(duì)汽車通過性的要求降低，因此，產(chǎn)品不必像過去一樣，采用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)提高其的通過性；與帶輪邊減速器的驅(qū)動(dòng)橋相比，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋機(jī)械傳動(dòng)效率提高，易損件減少，可靠性增加。
如圖2.2（b）所示，與單級(jí)主減速器相比，由于雙級(jí)主減速器由兩級(jí)齒輪減速組成，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量加大；主減速器的齒輪及軸承數(shù)量的增多和材料消耗及加工的工時(shí)增加，制造成本也顯著增加，只有在主減速比io較大（7.6
16時(shí)，取=0。
===549.64
3.2.2 主減速器齒輪參數(shù)的選擇
1、 主、從動(dòng)齒數(shù)的選擇
選擇主、從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)時(shí)應(yīng)考慮如下因素：為了磨合均勻，，之間應(yīng)避免有公約數(shù)；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；為了嚙合平穩(wěn)，噪聲小和具有高的疲勞強(qiáng)度對(duì)于商用車一般不小于6；主傳動(dòng)比較大時(shí)，盡量取得小一些，以便得到滿意的離地間隙。對(duì)于不同的主傳動(dòng)比，和應(yīng)有適宜的搭配。
主減速器的傳動(dòng)比為6.17，初定主動(dòng)齒輪齒數(shù)z1=7，從動(dòng)齒輪齒數(shù)z2=40。
2、從動(dòng)錐齒輪節(jié)圓直徑及端面模數(shù)的選擇
根據(jù)從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩（見式3.1和式3.2并取兩式計(jì)算結(jié)果中較小的一個(gè)作為計(jì)算依據(jù)，按經(jīng)驗(yàn)公式選出：
（3.5） 式中：——直徑系數(shù)，取=13～16；
——計(jì)算轉(zhuǎn)矩，，取，較小的。取=4897.35
計(jì)算得，=220.77～271.71mm，初取=240mm。
選定后，可按式算出從動(dòng)齒輪大端模數(shù)，并用下式校核
（3.6）
式中：——模數(shù)系數(shù)，取=0.3~0.4；
——計(jì)算轉(zhuǎn)矩，，取。
==5.09~6.79
由GB/T12368-1990，取=6mm，滿足校核。
所以有：=42mm =240mm。
3、螺旋錐齒輪齒面寬的選擇
通常推薦圓錐齒輪從動(dòng)齒輪的齒寬F為其節(jié)錐距的0.3倍。對(duì)于汽車工業(yè)，主減速器螺旋錐齒輪面寬度推薦采用：
F=0.155=37.2mm，可初取F=40mm。
一般習(xí)慣使錐齒輪的小齒輪齒面寬比大齒輪稍大，使其在大齒輪齒面兩端都超出一些，通常小齒輪的齒面加大10%較為合適，在此取=44。
4、螺旋錐齒輪螺旋方向
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旋轉(zhuǎn)方向影響其所受的軸向力的方向。當(dāng)變速器掛前進(jìn)擋時(shí)，應(yīng)使主動(dòng)錐齒輪的軸向力離開錐頂方向。這樣可使主、從動(dòng)齒輪有分離的趨勢(shì)，防止輪齒因卡死而損壞。
所以主動(dòng)錐齒輪選擇為左旋，從錐頂看為逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，這樣從動(dòng)錐齒輪為右旋，從錐頂看為順時(shí)針，驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。
5、 旋角的選擇
螺旋角是在節(jié)錐表面的展開圖上定義的，齒面寬中點(diǎn)處為該齒輪的名義螺旋角。螺旋角應(yīng)足夠大以使1.25。因越大傳動(dòng)就越干穩(wěn)，噪聲就越低。在一般機(jī)械制造用的標(biāo)準(zhǔn)制中，螺旋角推薦用35°。
6、法向壓力角a的選擇
壓力角可以提高齒輪的強(qiáng)度，減少齒輪不產(chǎn)生根切的最小齒數(shù)，但對(duì)于尺寸小的齒輪，大壓力角易使齒頂變尖及刀尖寬度過小，并使齒輪的端面重疊系數(shù)下降，一般對(duì)于“格里森”制主減速器螺旋錐齒輪來說，載貨汽車可選用20°壓力角[6]。
7、主從動(dòng)錐齒輪幾何計(jì)算
計(jì)算結(jié)果如表3.1主減速器齒輪的幾何尺寸計(jì)算用表。
表3.1 主減速器齒輪的幾何尺寸計(jì)算用表
序號(hào)
項(xiàng) 目
計(jì) 算 公 式
計(jì) 算 結(jié) 果
1
主動(dòng)齒輪齒數(shù)
7
2
從動(dòng)齒輪齒數(shù)
40
3
模數(shù)
6
4
齒面寬
=44mm
=40mm
5
工作齒高
9.36mm
6
全齒高
=10.398mm
7
法向壓力角
=20°
8
軸交角
=90°
9
節(jié)圓直徑
=
42mm
=240mm
10
節(jié)錐角
arctan
=90°-
=14.125°
=75.874°
11
節(jié)錐距
A==
A=121.827mm
12
周節(jié)
t=3.1416
t=18.8496mm
13
齒頂高
=7.74mm
=1.62mm
14
齒根高
=
=2.658mm
=8.778mm
15
徑向間隙
c=
c=1.399mm
16
齒根角
=1.249°
=4.121°
17
面錐角
；
=14.047°
=80.322°
18
根錐角
=
=
=8.677°
=77.952°
19
外圓直徑
=
=57.248mm
=240.559mm
20
節(jié)錐頂點(diǎn)止齒輪外緣距離
=118.67mm
=19.40mm
21
理論弧齒厚
=17.09mm
=4.90mm
22
齒側(cè)間隙
B=0.178~0.228
0.2mm
23
螺旋角
=35°
3.2.3螺旋錐齒輪的強(qiáng)度計(jì)算
1、損壞形式及壽命
在完成主減速器齒輪的幾何計(jì)算之后，應(yīng)對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，以保證其有足夠的強(qiáng)度和壽命以及安全可靠性地工作。在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算之前應(yīng)首先了解齒輪的破壞形式及其影響因素。
齒輪的損壞形式常見的有輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕及剝落、齒面膠合、齒面磨損等。它們的主要特點(diǎn)及影響因素分述如下：
（1）輪齒折斷
主要分為疲勞折斷及由于彎曲強(qiáng)度不足而引起的過載折斷。折斷多數(shù)從齒根開始，因?yàn)辇X根處齒輪的彎曲應(yīng)力最大。
①疲勞折斷：在長(zhǎng)時(shí)間較大的交變載荷作用下，齒輪根部經(jīng)受交變的彎曲應(yīng)力。如果最高應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力超過材料的耐久極限，則首先在齒根處產(chǎn)生初始的裂紋。隨著載荷循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋不斷擴(kuò)大，最后導(dǎo)致輪齒部分地或整個(gè)地?cái)嗟?。在開始出現(xiàn)裂紋處和突然斷掉前存在裂紋處，在載荷作用下由于裂紋斷面間的相互摩擦，形成了一個(gè)光亮的端面區(qū)域，這是疲勞折斷的特征，其余斷面由于是突然形成的故為粗糙的新斷面。
②過載折斷：由于設(shè)計(jì)不當(dāng)或齒輪的材料及熱處理不符合要求，或由于偶然性的峰值載荷的沖擊，使載荷超過了齒輪彎曲強(qiáng)度所允許的范圍，而引起輪齒的一次性突然折斷。
為了防止輪齒折斷，應(yīng)使其具有足夠的彎曲強(qiáng)度，并選擇適當(dāng)?shù)哪?shù)、壓力角、齒高及切向修正量、良好的齒輪材料及保證熱處理質(zhì)量等。齒根圓角盡可能加大，根部及齒面要光潔。
（2）齒面的點(diǎn)蝕及剝落
齒面的疲勞點(diǎn)蝕及剝落是齒輪的主要破壞形式之一，約占損壞報(bào)廢齒輪的70%以上。它主要由于表面接觸強(qiáng)度不足而引起的。
①點(diǎn)蝕：是輪齒表面多次高壓接觸而引起的表面疲勞的結(jié)果。由于接觸區(qū)產(chǎn)生很大的表面接觸應(yīng)力，常常在節(jié)點(diǎn)附近，特別在小齒輪節(jié)圓以下的齒根區(qū)域內(nèi)開始，形成極小的齒面裂紋進(jìn)而發(fā)展成淺凹坑，形成這種凹坑或麻點(diǎn)的現(xiàn)象就稱為點(diǎn)蝕。一般首先產(chǎn)生在幾個(gè)齒上。在齒輪繼續(xù)工作時(shí)，則擴(kuò)大凹坑的尺寸及數(shù)目，甚至?xí)饾u使齒面成塊剝落，引起噪音和較大的動(dòng)載荷。在最后階段輪齒迅速損壞或折斷。減小齒面壓力和提高潤(rùn)滑效果是提高抗點(diǎn)蝕的有效方法，為此可增大節(jié)圓直徑及增大螺旋角，使齒面的曲率半徑增大，減小其接觸應(yīng)力。在允許的范圍內(nèi)適當(dāng)加大齒面寬也是一種辦法。
②齒面剝落：發(fā)生在滲碳等表面淬硬的齒面上，形成沿齒面寬方向分布的較點(diǎn)蝕更深的凹坑。凹坑壁從齒表面陡直地陷下。造成齒面剝落的主要原因是表面層強(qiáng)度不夠。例如滲碳齒輪表面層太薄、心部硬度不夠等都會(huì)引起齒面剝落。當(dāng)滲碳齒輪熱處理不當(dāng)使?jié)B碳層中含碳濃度的梯度太陡時(shí)，則一部分滲碳層齒面形成的硬皮也將從齒輪心部剝落下來。
（3）齒面膠合
在高壓和高速滑摩引起的局部高溫的共同作用下，或潤(rùn)滑冷卻不良、油膜破壞形成金屬齒表面的直接摩擦?xí)r，因高溫、高壓而將金屬粘結(jié)在一起后又撕下來所造成的表面損壞現(xiàn)象和擦傷現(xiàn)象稱為膠合。它多出現(xiàn)在齒頂附近，在與節(jié)錐齒線的垂直方向產(chǎn)生撕裂或擦傷痕跡。輪齒的膠合強(qiáng)度是按齒面接觸點(diǎn)的臨界溫度而定，減小膠合現(xiàn)象的方法是改善潤(rùn)滑條件等。
（4）齒面磨損
這是輪齒齒面間相互滑動(dòng)、研磨或劃痕所造成的損壞現(xiàn)象。規(guī)定范圍內(nèi)的正常磨損是允許的。研磨磨損是由于齒輪傳動(dòng)中的剝落顆粒、裝配中帶入的雜物，如未清除的型砂、氧化皮等以及油中不潔物所造成的不正常磨損，應(yīng)予避免。汽車主減速器及差速器齒輪在新車跑合期及長(zhǎng)期使用中按規(guī)定里程更換規(guī)定的潤(rùn)滑油并進(jìn)行清洗是防止不正常磨損的有效方法。
汽車驅(qū)動(dòng)橋的齒輪，承受的是交變負(fù)荷，其主要損壞形式是疲勞。其表現(xiàn)是齒根疲勞折斷和由表面點(diǎn)蝕引起的剝落。在要求使用壽命為20萬千米或以上時(shí)，其循環(huán)次數(shù)均以超過材料的耐久疲勞次數(shù)。因此，驅(qū)動(dòng)橋齒輪的許用彎曲應(yīng)力不超過210.9N／mm.表3.2給出了汽車驅(qū)動(dòng)橋齒輪的許用應(yīng)力數(shù)值。
表3.2汽車驅(qū)動(dòng)橋齒輪的許用應(yīng)力 ( N／mm)
計(jì)算載荷
主減速器齒輪的許用彎曲應(yīng)力
主減速器齒輪的許用接觸應(yīng)力
差速器齒輪的許用彎曲應(yīng)力
，中的較小者
700
2800
980
210.9
1750
210.9
實(shí)踐表明，主減速器齒輪的疲勞壽命主要與最大持續(xù)載荷（即平均計(jì)算轉(zhuǎn)矩）有關(guān)，而與汽車預(yù)期壽命期間出現(xiàn)的峰值載荷關(guān)系不大。汽車驅(qū)動(dòng)橋的最大輸出轉(zhuǎn)矩和最大附著轉(zhuǎn)矩并不是使用中的持續(xù)載荷，強(qiáng)度計(jì)算時(shí)只能用它來驗(yàn)算最大應(yīng)力，不能作為疲勞損壞的依據(jù)[7]。
2、主減速器螺旋錐齒輪的強(qiáng)度計(jì)算
（1）單位齒長(zhǎng)上的圓周力
在汽車主減速器齒輪的表面耐磨性，常常用其在輪齒上的假定單位壓力即單位齒長(zhǎng)圓周力來估算，即
（3.7）
式中：——單位齒長(zhǎng)上的圓周力，N/mm；
P——作用在齒輪上的圓周力，N，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。
按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算時(shí)：
（3.8）
式中：——發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩，在此取200；
——變速器的傳動(dòng)比；
——主動(dòng)齒輪節(jié)圓直徑，在此取42mm.；
按上式計(jì)算一檔時(shí)： N／mm
按最大附著力矩計(jì)算時(shí)：
（3.9）
式中：——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，對(duì)于后驅(qū)動(dòng)橋還應(yīng)考慮汽車最大加速時(shí)的負(fù)荷增加量，在此取16660N；
——輪胎與地面的附著系數(shù)，在此取0.85；
——輪胎的滾動(dòng)半徑，在此取0.332m；
按上式=979.469 N／mm。
在現(xiàn)代汽車的設(shè)計(jì)中，由于材質(zhì)及加工工藝等制造質(zhì)量的提高，單位齒長(zhǎng)上的圓周力有時(shí)提高許用資料的20%～25%。經(jīng)驗(yàn)算以上兩數(shù)據(jù)都在許用范圍內(nèi)，校核成功。
（2）輪齒的彎曲強(qiáng)度計(jì)算
汽車主減速器螺旋錐齒輪輪齒的計(jì)算彎曲應(yīng)力為
（3.10）
式中：——齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)矩，對(duì)從動(dòng)齒輪，取，較小的者即=4897.35和=549.64來計(jì)算；對(duì)主動(dòng)齒輪應(yīng)分別除以傳動(dòng)效率和傳動(dòng)比得=892.86，=100.195；
——超載系數(shù)，1.0；
——尺寸系數(shù)==0.6970；
——載荷分配系數(shù)取=1；
——質(zhì)量系數(shù)，對(duì)于汽車驅(qū)動(dòng)橋齒輪，檔齒輪接觸良好、節(jié)及徑向跳動(dòng)精度高時(shí)，取1；
J——計(jì)算彎曲應(yīng)力用的綜合系數(shù)，見圖3.1，=0.238，=0.178。
相嚙合齒輪的齒數(shù)
求
綜
合
系
數(shù)
J
的
齒
輪
齒
數(shù)
圖3.1 彎曲計(jì)算用綜合系數(shù)J
按計(jì)算： 主動(dòng)錐齒輪彎曲應(yīng)力<700 N／mm
從動(dòng)錐齒輪彎曲應(yīng)力<700 N／mm
按計(jì)算：主動(dòng)錐齒輪彎曲應(yīng)力<210.9 N／mm
從動(dòng)錐齒輪彎曲應(yīng)力<210.9N／mm
綜上所述由表3.2，計(jì)算的齒輪滿足彎曲強(qiáng)度的要求。
（3）輪齒的接觸強(qiáng)度計(jì)算
螺旋錐齒輪齒面的計(jì)算接觸應(yīng)力（N／mm）為：
（3.11）
式中：——主動(dòng)齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)矩分別為=892.86，=100.195；
——材料的彈性系數(shù)，對(duì)于鋼制齒輪副取232.6；
——主動(dòng)齒輪節(jié)圓直徑，42mm；
，，同3.10；
——尺寸系數(shù)，=1；
——表面質(zhì)量系數(shù)，對(duì)于制造精確的齒輪可取1；
F——齒面寬，取齒輪副中較小值即從動(dòng)齒輪齒寬40mm；
J—— 計(jì)算應(yīng)力的綜合系數(shù)，J =0.13，見圖3.2所示。
小齒輪齒數(shù)
接觸強(qiáng)度計(jì)算用J
大