汽车主减速器参数优化软件设计论文

摘 要汽车主减速器作为汽车驱动桥中重要的传力部件，是汽车最关键的部件之一。与国外相比，我国的车用减速器开发设计不论在技术上、制造工艺上，还是在成本控制上都存在不小的差距。主减速器设计的好坏关系到汽车的动力性、经济性以及噪声、寿命等诸多方面。如何协调好各方关系、合理匹配设计参数，以达到满足使用要求的最优目标，是主减速器设计中最重要的问题。本文力求改变以往的设计方式，提出针对汽车主减速器整体的最优化设计方法，针对汽车设计中的主减速器参数设计开发计算软件，通过人机交互方式完成主减速器的参数设计，并考虑通过软件进行参数优化（汽车主减速器传动比, 主减速器螺旋锥齿轮结构参数） ，实现解决复杂计算这一单一功能的目的，实现汽车主减速器参数的最佳匹配，达到充分发挥汽车整体性能、节约能耗、降低成本、提高设计质量和效率。本文在 vb 语言程序基础上采用参数优化设计方法对汽车主减速器的齿轮机构进行优化，使寻优过程得到简化，确保可靠地获得全局最优解。能够缩短主减速器参数设计计算时间、减轻工程技术人员的劳动强度。关键词：主减速比；锥齿轮；参数优化；计算软件；软件设计ABSTRACTMain reducer drive car in a car, the power transmission components, an important is one of the most key parts of the car. In China compared with foreign countries, the development of design whether vehicle reducer in technology and the manufacturing process, or in the cost control there are considerable disparity. The stand or fall of main reducer design relation to car power, economy and noise, life, and other aspects. How to coordinate all relations, the rational matching design parameters to meet the requirements of the use of optimum target, it is the Lord speed reducer design in the most important question. This paper tries to change in the past, and puts forward the design way of the whole car advocate reducer for optimum design method, the main reducer for automobile design parameter design development calculation software through the man-machine interactive way fulfilling the reducer, and consider the parameter design parameter optimization (by software, Lord car advocate reducer transmission structure parameter of spiral bevel gear reducer to solve the complex calculation and the realization of the purpose of the single function, and to make the Lord, the best matching parameters of speed reducer to give full play to car performance, saving energy consumption, reduce cost, improve the design quality and efficiency. In this paper, based on vb language program using parameters optimization design method for the car advocate reducer, gear mechanism to optimize the optimization process is simplified, ensure reliable to obtain the global optimal solution. Can shorten the main reducer parameter design calculation time, reduce labor intensity of engineering and technical personnel. Keywords: Lord deceleration ratio; Bevel gear; Parameter optimization; Calculation software; Software design 目 录摘要Abstract 第 1 章 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 课题的国内外发展状况11.2.1 国内外机械软件技术的发展状况11.2.2 国内外基于 Visual Basic 6.0 的软件在机械方面的发展状况31.3 课题研究的主要内容及技术路线3第 2 章 汽车主减速器的设计方法52.1 主减速器的结构形式52.2 基本参数选择与计算载荷的确定102.3 锥齿轮强度计算 142.4 锥齿轮轴承的载荷计算162.5 锥齿轮的材料及热处理172.6 本章小结18第 3 章 汽车主减速器参数优化软件设计203.1 汽车主减速器参数优化软件编程语言的选择及语言的使用概述203.1.1 汽车主减速器参数优化软件编程语言的选择203.1.2 汽车主减速器参数优化软件编程语言的使用概述213.2 汽车主减速器参数优化软件设计体系253.2.1 汽车主减速器参数优化软件系统运行平台253.2.2 汽车主减速器参数优化软件系统实现功能253.3 汽车主减速器参数优化软件设计253.4 本章小结43第 4 章 汽车主减速器参数优化软件的测试444.1 汽车主减速器参数优化软件测试概述444.2 汽车主减速器参数优化软件的测试444.3 本章小结57结论58参考文献59致谢60附录61附录 A 外文文献原文 61附录 B 外文文献中文翻译63第 1 章绪论1.1 课题研究的目的和意义汽车问世百余年来，特别是从汽车产品的大批量生产及汽车工业的发展以来，汽车己为世界经济的发展、为人类进入现代生活，产生了无法估量的巨大影响，为人类社会的进步做出了不可磨灭的巨大贡献。近年来随着汽车技术的迅猛发展，对汽车传动系承载能力以及工作可靠性的要求越来越高，汽车主减速器作为汽车传动系统的关键总成，其主要功能是将输入的转矩增大并相应降低转速，以及当发动机纵置时还具有改变转矩旋转方向的作用。主减速器的结构对汽车的动力性、经济性与轻便性、传动的平稳性与效率等都有直接的影响。许多乘用车和总质量较小的商用车采用了发动机横置的前置前驱布置，都是单级式主减速器，其具有结构紧凑、质量小、制造成本低和传递效率高、高速性能好的优点，通过软件设计方法来设计汽车主减速器是非常重要的。软件设计是以数学规划为理论基础，以计算机为工具，寻求机械设计问题最佳方案的现代设计方法之一，现在已经有很多成熟的软件程序可供选择，但传统的方法存在着求解过程复杂和寻优过程容易陷入局部最优解的问题。通常主减速器设计多是仅从某一角度考虑，单一的改善其某一方面参数，而没有将其参数优化有效结合起来。因此，本课题力求改变以往的设计方式，提出针对汽车主减速器整体的最优化设计方法，针对汽车设计中的主减速器参数设计开发计算软件，通过人机交互方式完成主减速器的参数设计，并考虑通过软件进行参数优化（汽车主减速器传动比, 主减速器双曲面齿轮结构参数） ，实现解决复杂计算这一单一功能的目的，实现汽车主减速器参数的最佳匹配，达到充分发挥汽车整体性能、节约能耗、降低成本、提高设计质量和效率。本课题在 VB 语言程序基础上采用参数优化设计方法对汽车主减速器的齿轮机构进行优化，使寻优过程得到简化，确保可靠地获得全局最优解。能够缩短主减速器参数设计计算时间、减轻工程技术人员的劳动强度。1.2 课题的国内外发展状况1.2.1 国内外机械软件技术的发展状况主减速器的参数计算主要是传动齿轮的基本参数和尺寸参数计算。自从汽车零部件设计引入计算机辅助设计方法后，这一功能的实现已经变得比较容易。现今国外大型的汽车企业都有自己的减速器齿轮设计计算系统，比如瑞典的克林贝格齿轮设计系统、德国的 Calculation Base 主锥设计系统等等。早在上世纪 60 年代，国外的一些 CAD 公司就已经开发出一些实用的三维绘图软件，三维绘图技术的进步为汽车零部件的设计引入了全新的概念。伴随着三维绘图软件的日益成熟，国外大型的汽车生产厂家开始引入参数化设计方法来取代以前繁琐的手工设计，目前参数化设计手段已经相当完善。作为汽车的重要部件，主减速器的设计也引入了参数化设计方法。生产厂家利用所设计的主减速器开发平台根据新设计的主减速器尺寸在以前产品的基础上更改相关的尺寸参数建立三维模型图。不论是在设计还是制造方面，与外国企业相比我国的汽车企业差距都非常明显。但是经过多年的努力，我国的主减速器设计系统软件方面已经取得了一定的成就。其中比较出名的有可以应用于主减速器齿轮设计的齿轮专家系统，哈工大开发的主减速嚣齿轮设计平台等等。其实软件不仅在汽车方面有广泛的应用，在其他的机械区域里同样有着比较广泛的应用。1、2009,06,01，厦门大学的沈一凛发表了硕士学位论文：数控弯丝机线材成形软件设计。根据数控弯丝机的实际工作要求，完成其机械结构部分的设计，并且自行开发出界面友好的操作软件，能实现包括模型显示和仿真运动等在内的一系列功能。2、2005,11，农业机械学报第 36 卷第 11 期发表了：农业机械动态仿真软件开发与模拟。现有的一些计算机仿真平台如 ADAMS,UG 等具有很大的通用性，功能齐全， 但价格昂贵，专业性差， 且需要大量的计算机资源配合系统的运行， 在仿真速度，系统的可扩展性方面难以满足农机设计人员的要求。各种农业机械有其自身的特殊性，对不断更新的农业机械型号，应用类型，需要有相应的仿真功能。而现有软件的模式，内容都比较固定，不利于变动性大的研究。因此开发一种操作简单，成本低的仿真系统对农业机械具有一定的意义。3、2004,11，农机化研究第 6 期，基于 UNIX 的机械软件设计思想研究。主要探讨了基于 UNIX 利用 socket 建立客户机/服务器模式实现编程的方法，解决了 C/S 模式中异种操作系统上的数据传输问题。利用这种方式可以方便地进行客户端和服务器端的程序编制，定制所需的模块，通过实例程序的运行，达到了预期的要求。为开发一种网络功能强大，可以实现异种机和异种操作系统互连的软件打下了基础。4、2008,12,16，东南大学硕士学位论文：光纤光栅传感系统研究及软件设计。波长解调技术是 FBG 传感器在工程技术领域应用的关键技术，也是 FBG 传感技术实用化的重点和难点之一。此文提出了一种基于可调谐 Fabry-Perot 滤波器的光纤布拉格光栅传感系统的波长解调方案，在此基础上完成了主机应用软件的设计。5、2007,08,01，西安理工大学硕士学位论文：基于 PMAC 的数控试验台机械系统设计及软件开发。开放式数控系统是现代数控系统发展的方向，本文结合陕西省数控加工技术重点实验室科研项目，采用“IPC+PMAC ”结构的开放式数控结构，将 PMAC 控制卡及其扩展卡装入电器控制箱，通过标准串口RS232 与上位机实现通讯，这样构成主从式双微处理器结构，由 PMAC 运动控制器对机械本体的 X、Y、Z、A 和 B 五个轴进行实时控制，建立了五坐标数控技术试验台。1.2.2 国内外基于 Visual Basic 6.0 的软件在机械方面的发展状况 VB 作为程序语言在机械方面上的用途也是比较广泛的。1、2006,11，北京工业大学学报第 32 卷第 11 期：基于 VB 的点焊质量超声检测软件设计。在超声检测点焊连接质量的基本原理基础上，通过 VB 6.0 调用 Tektronix 公司提供的 TekVISA Activex 控件，利用网口通讯实现了数字示波器中超声信号数据的传输、存储和显示；通过分析找出了信号的特征参量，并实现了对焊点连接质量的评价。该软件实现了对焊点检测质量的数量统计。经实际检测验证，整个系统操作性好。2、2008,08，机械自动化第 4 期：基于 VB 的机械优化设计软件的研究。针对各种优化算法。用 VB 开发了用于进行机械优化设计的软件，该软件基于Windows 系统。以 Visual Basic 的窗体界面为工作平台，并用其中 3 种具有代表性的优化设计方法进行了一顶计算分析。实例对比分析表明了该软件分析的可靠性和准确性。3、2005,01，微计算机应用第 26 卷第 1 期：基于 VB 的汽车点火线圈测试平台软件设计。该文实现了点火线圈测试系统中对上位机系统软件的要求，包括串行通信，对硬件端口的读写以及对数据库的管理和维护。1.3 课题研究的主要内容及技术路线1、课题研究的主要内容本课题研究的主要任务是对汽车主减速器齿轮机构的研究与设计计算软件，具体内容包括：汽车工程设计类计算软件国内外技术现状； 汽车主减速器设计算法和设计流程； 对汽车主减速器参数计算软件的设计，包括：单级主减速器的设计、双级主减速器的设计和参数优化设计；用查询得到的数据对所设计的计算软件进行测试；对所开发的汽车主减速器参数优化计算软件的操作规程等使用方法进行了介绍。2、课题研究的技术路线技术路线如图 1.1 所示。图 1.1 技术路线流程图第 2 章 汽车主减速器的设计方法双速主减速器，单级贯通式主减速器，双级贯通式主减速器，轮边减速器等，在对上面的减速形式相对应的设计方法进行分析与对比的基础之上，得知各种各样的设计方法。汽车主减速器的减速形式很多，其中常见的有单级主减速器，双级主减速器，在计算的过程中都是十分复杂的，但是单级主减速器设计方法是各种设计方法的基础，只有掌握了这种设计方法才能够了解并掌握其他的设计方法。本课题分别涉及了单级主减速器和双级主减速器的软件设计，在此仅对本设计所涉及的方法进行介绍，对上述的各种设计方法就不再一一介绍。2.1 主减速器的结构形式2.1.1 主减速器的齿轮类型主减速器的齿轮主要有螺旋锥齿轮、双曲面齿轮、圆柱齿轮和蜗轮蜗杆等形式。1、 螺 旋 锥 齿 轮 传 动螺 旋 锥 齿 轮 传 动 的 主 、 从 动 齿 轮 轴 线 垂 直 相 交 于 一 点 ， 如 图 2.1 所 示 。齿 轮 并 不 同 时 在 全 长 上 啮 合 ， 而 是 逐 渐 从 一 端 连 续 平 稳 地 转 向 另 一 端 。 另 外 ，由 于 轮 齿 端 面 重 叠 的 影 响 ， 至 少 有 两 对 以 上 的 轮 齿 同 时 啮 合 ， 所 以 它 工 作 平稳 、 能 承 受 较 大 的 负 荷 、 制 造 也 简 单 。 但 是 在 工 作 中 噪 声 大 ， 对 啮 合 精 度 很敏 感 ， 齿 轮 副 锥 顶 稍 有 不 吻 合 便 会 使 工 作 条 件 急 剧 变 坏 ， 并 伴 随 磨 损 增 大 和噪 声 增 大 。 为 保 证 齿 轮 副 的 正 确 啮 合 ， 必 须 将 支 承 轴 承 预 紧 ， 提 高 支 承 刚 度 ，增 大 壳 体 刚 度 。2、 双曲面齿轮传动双 曲 面 齿 轮 传 动 的 主 、 从 动 齿 轮 的 轴 线 相 互 垂 直 而 不 相 交 ， 主 动 齿 轮 轴线 相 对 从 动 齿 轮 轴 线 在 空 间 偏 移 一 距 离 E， 此 距 离 称 为 偏 移 距 。 如 图 2.1所 示 。 由 于 偏 移 距 正 的 存 在 ， 使 主 动 齿 轮 螺 旋 角 大 于 从 动 齿 轮 螺 旋 角1。 根 据 啮 合 面 上 法 向 力 相 等 ， 可 求 出 主 、 从 动 齿 轮 圆 周 力 之 比2 2121cosF式 中 ， 、 分 别 为 主 、 从 动 齿 轮 的 圆 周 力 ； 、 分 别 为 主 、F12 12从 动 齿 轮 的 螺 旋 角 。螺 旋 角 是 指 在 锥 齿 轮 节 锥 表 面 展 开 图 上 的 齿 线 任 意 一 点 A 的 切 线 TT与 该 点 和 节 锥 顶 点 连 线 之 间 的 夹 角 。 在 齿 面 宽 中 点 处 的 螺 旋 角 称 为 中 点 螺 旋角 。 通 常 不 特 殊 说 明 ， 则 螺 旋 角 系 指 中 点 螺 旋 角 。 双 曲 面 齿 轮 传 动 比 为rFis 12120cos式 中 ， 为 双 曲 面 齿 轮 传 动 比 ； 、 分 别 为 主 、 从 动 齿 轮 平 均 分 度is0 2圆 半 径 。螺 旋 锥 齿 轮 传 动 比 为 120ri图 2.1 主减速器齿轮传动形式令 ， 则 。 由 于 ， 所 以 系 数 K1，12cos/KLsKi0021一 般 为 1.25 1.50。 这 说 明 ：1)当 双 曲 面 齿 轮 与 螺 旋 锥 齿 轮 尺 寸 相 同 时 ， 双 曲 面 齿 轮 传 动 有 更 大 的 传动 比 。2)当 传 动 比 一 定 ， 从 动 齿 轮 尺 寸 相 同 时 ， 双 曲 面 主 动 齿 轮 比 相 应 的 螺 旋锥 齿 轮 有 较 大 的 直 径 ， 较 高 的 轮 齿 强 度 以 及 较 大 的 主 动 齿 轮 轴 和 轴 承 刚 度 。3)当 传 动 比 一 定 ， 主 动 齿 轮 尺 寸 相 同 时 ， 双 曲 面 从 动 齿 轮 直 径 比 相 应 的螺 旋 锥 齿 轮 为 小 ， 因 而 有 较 大 的 离 地 间 隙 。另 外 ， 双 曲 面 齿 轮 传 动 比 螺 旋 锥 齿 轮 传 动 还 具 有 如 下 优 点 ：1)在 工 作 过 程 中 ， 双 曲 面 齿 轮 副 不 仅 存 在 沿 齿 高 方 向 的 侧 向 滑 动 ， 而 且还 有 沿 齿 长 方 向 的 纵 向 滑 动 。 纵 向 滑 动 可 改 善 齿 轮 的 磨 合 过 程 ， 使 其 具 有 更高 的 运 转 平 稳 性 。2)由 于 存 在 偏 移 距 ， 双 曲 面 齿 轮 副 使 其 主 动 齿 轮 的 大 于 从 动 齿 轮 的1， 这 样 同 时 啮 合 的 齿 数 较 多 ， 重 合 度 较 大 ， 不 仅 提 高 了 传 动 平 稳 性 ， 而 且使 齿 轮 的 弯 曲 强 度 提 高 约 30 。3)双 曲 面 齿 轮 传 动 的 主 动 齿 轮 直 径 及 螺 旋 角 都 较 大 ， 所 以 相 啮 合 轮 齿 的当 量 曲 率 半 径 较 相 应 的 螺 旋 锥 齿 轮 为 大 ， 其 结 果 使 齿 面 的 接 触 强 度 提 高 。4)双 曲 绵 主 动 齿 轮 的 变 大 ， 则 不 产 生 根 切 的 最 小 齿 数 可 减 少 ， 故 可 选 用较 少 的 齿 数 ， 有 利 于 增 加 传 动 比 。5)双 曲 面 齿 轮 传 动 的 主 动 齿 轮 较 大 ， 加 工 时 所 需 刀 盘 刀 顶 距 较 大 ， 因 而切 削 刃 寿 命 较 长 。6)双 曲 面 主 动 齿 轮 轴 布 置 在 从 动 齿 轮 中 心 上 方 ， 便 于 实 现 多 轴 驱 动 桥 的贯 通 ， 增 大 传 动 轴 的 离 地 高 度 。 布 置 在 从 动 齿 轮 中 心 下 方 可 降 低 万 向 传 动 轴的 高 度 ， 有 利 于 降 低 轿 车 车 身 高 度 ， 并 可 减 小 车 身 地 板 中 部 凸 起 通 道 的 高 度 。但 是 ， 双 曲 面 齿 轮 传 动 也 存 在 如 下 缺 点 ：1)沿 齿 长 的 纵 向 滑 动 会 使 摩 擦 损 失 增 加 ， 降 低 传 动 效 率 。 双 曲 面 齿 轮 副传 动 效 率 约 为 96 ， 螺 旋 锥 齿 轮 副 的 传 动 效 率 约 为 99 。2)齿 面 间 大 的 压 力 和 摩 擦 功 ， 可 能 导 致 油 膜 破 坏 和 齿 面 烧 结 咬 死 ， 即 抗胶 合 能 力 较 低 。3)双 曲 面 主 动 齿 轮 具 有 较 大 的 轴 向 力 ， 使 其 轴 承 负 荷 增 大 。4)双 曲 面 齿 轮 传 动 必 须 采 用 可 改 善 油 膜 强 度 和 防 刮 伤 添 加 剂 的 特 种 润 滑油 ， 螺 旋 锥 齿 轮 传 动 用 普 通 润 滑 油 即 可 。由 于 双 曲 面 齿 轮 具 有 一 系 列 的 优 点 ， 因 而 它 比 螺 旋 锥 齿 轮 应 用 更 广 泛 。一 般 情 况 下 ， 当 要 求 传 动 比 大 于 4.5而 轮 廓 尺 寸 又 有 限 时 ， 采 用 双 曲 面齿 轮 传 动 更 合 理 。 这 是 因 为 如 果 保 持 主 动 齿 轮 轴 径 不 变 ， 则 双 曲 面 从 动 齿 轮直 径 比 螺 旋 锥 齿 轮 小 。 当 传 动 比 小 于 2时 ， 双 曲 面 主 动 齿 轮 相 对 螺 旋 锥 齿 轮主 动 齿 轮 显 得 过 大 ， 占 据 了 过 多 空 间 ， 这 时 可 选用螺旋锥齿轮传动，因为后者具有较大的差速器可利用空间。对于中等传动比，两种齿轮传动均可采用。3、圆柱齿轮传动圆柱齿轮传动一般采用斜齿轮，如图 2.1 所示，广泛应用于发动机横置且前置前驱动的轿车驱动桥和双级主减速器贯通式驱动桥，如图 2.2。图 2.2 发动机横置的前置前驱动乘用车驱动桥4、蜗杆传动蜗 杆 传 动 与 锥 齿 轮 传 动 相 比 有 如 下 优 点 ：1)在 轮 廓 尺 寸 和 结 构 质 量 较 小 的 情 况 下 ， 可 得 到 较 大 的 传 动 比 (可 大于 7)。2)在 任 何 转 速 下 使 用 均 能 工 作 得 非 常 平 稳 且 无 噪 声 。3)便 于 汽 车 的 总 布 置 及 贯 通 式 多 桥 驱 动 的 布 置 。4)能 传 递 大 的 载 荷 ， 使 用 寿 命 长 。5)结 构 简 单 ， 拆 装 方 便 ， 调 整 容 易 。但 是 由 于 蜗 轮 齿 圈 要 求 用 高 质 量 的 锡 青 铜 制 作 ， 故 成 本 较 高 ； 另 外 ， 传动 效 率 较 低 。蜗杆传动主要用于生产批量不大的个别重型多桥驱动汽车和具有高转速发动机的大客车上。2.1.2 主减速器主、从动锥齿轮的支承方案主 减 速 器 中 必 须 保 证 主 、 从 动 齿 轮 具 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 、 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 密 切 相 关 。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 。图 2.3 主减速器锥齿轮的支撑形式如 图 2.3， 悬 臂 式 支 承 结 构 的 特 点 是 在 锥 齿 轮 大 端 一 侧 采 用 较 长 的 轴 颈 ，其 上 安 装 两 个 圆 锥 滚 子 轴 承 。 为 了 减 小 悬 臂 长 度 a 和 增 加 两 支 承 间 的 距 离凸 b， 以 改 善 支 承 刚 度 ， 应 使 两 轴 承 圆 锥 滚 子 的 大 端 朝 外 ， 使 作 用 在 齿 轮 上离 开 锥 顶 的 轴 向 力 由 靠 近 齿 轮 的 轴 承 承 受 ， 而 反 向 轴 向 力 则 由 另 一 轴 承 承 受 。为 了 尽 可 能 地 增 加 支 承 刚 度 ， 支 承 距 离 b 应 大 于 2 5 倍 的 悬 臂 长 度 a，且 应 比 齿 轮 节 圆 直 径 的 70 还 大 ， 另 外 靠 近 齿 轮 的 轴 径 应 不 小 于 尺 寸 a。为 了 方 便 拆 装 ， 应 使 靠 近 齿 轮 的 轴 承 的 轴 径 比 另 一 轴 承 的 支 承 轴 径 大 些 。 靠近 齿 轮 的 支 承 轴 承 有 时 也 采 用 圆 柱 滚 子 轴 承 ， 这 时 另 一 轴 承 必 须 采 用 能 承 受双 向 轴 向 力 的 双 列 圆 锥 滚 子 轴 承 。 支 承 刚 度 除 了 与 轴 承 形 式 、 轴 径 大 小 、 支承 间 距 离 和 悬 臂 长 度 有 关 以 外 ， 还 与 轴 承 与 轴 及 轴 承 与 座 孔 之 间 的 配 合 紧 度有 关 。如 图 2.3， 跨 置 式 支 承 结 构 的 特 点 是 在 锥 齿 轮 的 两 端 均 有 轴 承 支 承 ， 这样 可 大 大 增 加 支 承 刚 度 ， 又 使 轴 承 负 荷 减 小 ， 齿 轮 啮 合 条 件 改 善 ， 因 此 齿 轮的 承 载 能 力 高 于 悬 臂 式 。 此 外 ， 由 于 齿 轮 大 端 一 侧 轴 颈 上 的 两 个 相 对 安 装 的圆 锥 滚 子 轴 承 之 间 的 距 离 很 小 ， 可 以 缩 短 主 动 齿 轮 轴 的 长 度 ， 使 布 置 更 紧 凑 ，并 可 减 小 传 动 轴 夹 角 ， 有 利 于 整 车 布 置 。 但 是 跨 置 式 支 承 必 须 在 主 减 速 器 壳体 上 有 支 承 导 向 轴 承 所 需 要 的 轴 承 座 ， 从 而 使 主 减 速 器 壳 体 结 构 复 杂 ， 加 工成 本 提 高 。 另 外 ， 因 主 、 从 动 齿 轮 之 间 的 空 间 很 小 ， 致 使 主 动 齿 轮 的 导 向 轴承 尺 寸 受 到 限 制 ， 有 时 甚 至 布 置 不 下 或 使 齿 轮 拆 装 困 难 。 跨 置 式 支 承 中 的 导向 轴 承 都 为 圆 柱 滚 子 轴 承 ， 并 且 内 外 圈 可 以 分 离 或 根 本 不 带 内 圈 。 它 仅 承 受径 向 力 ， 尺 寸 根 据 布 置 位 置 而 定 ， 是 易 损 坏 的 一 个 轴 承 。在 需 要 传 递 较 大 转 矩 情 况 下 ， 最 好 采 用 跨 置 式 支 承 。2.从动锥齿轮的支承从动锥齿轮的支承，如图 2.3，其支承刚度与轴承的形式、支承间的距离及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体处有足够的位置设置加强肋以增强支承稳定性，c 十 d 应不小于从动锥齿轮大端分度圆直径的 70。为了使载荷能尽量均匀分配在两轴承上，应尽量使尺寸 c 等于或大于尺寸 d。在具有大的主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。如图 2.4 所示。辅助支承与从动锥齿轮背面之间的间隙，应保证偏移量达到允许极限时能制止从动锥齿轮继续变形。主、从动齿轮受载变形或移动的许用偏移量如图 2.4 所示。图 2.4 辅助支撑与许用偏移量2.2 基本参数选择与计算载荷的确定2.2.1 计算载荷的确定汽 车 主 减 速 器 锥 齿 轮 的 切 齿 法 有 格 里 森 和 奥 里 康 两 种 方 法 ， 这 里 仅 介 绍 格里 森 齿 制 锥 齿 轮 计 算 载 荷 的 三 种 确 定 方 法 。1 按 发 动 机 最 大 转 矩 和 最 低 档 传 动 比 确 定 从 动 锥 齿 轮 的 计 算 转 矩 ceT （ 2.21）nikTfedce01max式 中 ， 为 计 算 转 矩 （ N.m） ； 为 猛 接 离 合 器 所 产 生 的 动 载 系 数 ，ceTd货 车 ： ； 为 发 动 机 最 大 转 矩 ； n 为 计 算 驱 动 桥 数 ； 为 变 速 器1dkmax 1i一 档 传 动 比 ； 为 发 动 机 到 万 向 传 动 轴 之 间 的 传 动 效 率 。2 按 驱 动 轮 打 滑 转 矩 确 定 从 动 锥 齿 轮 的 计 算 转 矩 csT（ 2.22）mrceiGT2式 中 ， 为 计 算 转 矩 （ N.m） ； 为 满 载 状 况 下 一 个 驱 动 桥 上 的 静 载cs 2荷 （ N） ； 为 汽 车 最 大 加 速 度 时 的 后 轴 负 荷 转 移 系 数 ， 轿 车 ：2， 货 车 ： ； 为 轮 胎 与 路 面 间 的 附 着 系 数 ；4.12m.12rr 为 车 轮 滚 动 半 径 （ m） ； 为 主 减 速 器 从 动 齿 轮 到 车 轮 之 间 的 传 动 比 ；i为 主 减 速 器 主 动 齿 轮 到 车 轮 之 间 的 传 动 效 率 。m3 按 汽 车 日 常 行 驶 平 均 转 矩 确 定 从 动 锥 齿 轮 的 计 算 转 矩 cfT（ 2.23）nirFTmtcf式 中 ， 为 计 算 转 矩 （ N.m） ； 为 汽 车 日 常 行 驶 平 均 牵 引 力 （ N） 。cf t用 式 （ 2.21） 和 式 （ 2.22） 求 得 的 计 算 转 矩 是 从 动 锥 齿 轮 的 最 大 转 矩 ，不 同 于 用 式 （ 2.23） 求 得 的 日 常 行 驶 平 均 转 矩 。 当 计 算 锥 齿 轮 最 大 应 力 时 ，计 算 转 矩 Tc 取 前 面 两 种 的 较 小 值 ， 即 Tc=minTce,Tcs； 当 计 算 锥 齿 轮 的疲 劳 寿 命 时 ， Tc 取 。f主 动 锥 齿 轮 的 计 算 转 矩 为（ 2.24）Gczi0式 中 ， 为 主 动 锥 齿 轮 的 计 算 转 矩 （ N.m） ； 为 主 传 动 比 ； 为 主 、zT0iG从 动 锥 齿 轮 间 的 传 动 效 率 。 计 算 时 ， 对 于 弧 齿 锥 齿 轮 福 ， 取 95%； 对于 双 曲 面 齿 轮 副 ， 当 6 时 ， 取 85%， 当 =1.6mm 时 ， ， 当 m 1.6mm 时 ， =0.5； 为 齿s 25.0)4/(ssssm面 载 荷 分 配 系 数 ， 跨 置 式 结 构 ： 1.0 1.1， 悬 臂 式 结 构 ：k 1.10 1.25； 为 质 量 系 数 ， 当 轮 齿 接 触 良 好 ， 齿 距 及 径 向 跳 动 精 度 高mkvk时 ， 1.0； b 为 所 计 算 的 齿 轮 齿 面 宽 (mm)； D 为 所 讨 论 齿 轮 大 端 分 度r圆 直 径 (mm)； Jw 为 所 计 算 齿 轮 的 轮 齿 弯 曲 应 力 综 合 系 数 ， 取 法 见 参 考 文 献10。按 发 动 机 最 大 转 矩 计 算 时 的 p (Nmm-1)按 驱 动 轮 打 滑 转矩 计 算 时 的 p/(N.mm-1)参 数汽 车 类 别 一 挡 二 挡 直 接 挡 -轮 胎 与 地 面的 附 着 系 数轿 车 893 536 321 893货 车 1429 - 250 1429大 客 车 982 - 214 -0.85牵 引 车 536 - 250 - 0.65上 述 按 minTce,Tcs计 算 的 最 大 弯 曲 应 力 不 超 过 700MPa； 按 Tcf 计算 的 疲 劳 弯 曲 应 力 不 应 超 过 210MPa， 破 坏 的 循 环 次 数 为 6x106。3 轮 齿 接 触 强 度锥 齿 轮 轮 齿 的 齿 面 接 触 应 力 为30112jvfmszpj bJkTDc（ 2.35）式 中 ， 为 锥 齿 轮 轮 齿 的 齿 面 接 触 应 力 (MPa)； 为 主 动 锥 齿 轮 大j 1端 分 度 圆 直 径 (mm)； b 取 和 的 较 小 值 (mm)； 为 尺 寸 系 数 ， 它 考 虑12sk了 齿 轮 尺 寸 对 淬 透 性 的 影 响 ， 通 常 取 1.0； 为 齿 面 品 质 系 数 ， 它 取 决 于s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； 为 综 合 弹 性 系 数 ， 钢 对 钢 齿 轮 ， 取skpcpc232.6N1/2mm； 为 齿 面 接 触 强 度 的 综 合 系 数 ， 取 法 见 参 考 文 献 10；jJ、 、 见 式 (2.34)的 说 明 。0kv上述按 minTce,Tcs计算的最大接触应力不应超过 2800MPa，按 Tcf 计算的疲劳接触应力不应超过 1750MPa。主、从动齿轮的齿面接触应力是相同的。2.4 锥 齿 轮 轴 承 的 载 荷 计 算1 锥齿轮齿面上的作用力锥齿轮在工作过程中，相互啮合的齿面上作用有一法向力。该法向力可分解为沿齿轮切线方向的圆周力、沿齿轮轴线方向的轴向力及垂直于齿轮轴线的径向力。(1) 齿宽中点处的圆周力 齿宽中点处的圆周力 F 为2/TmD(2.41)式中，T 为作用在从动齿轮上的转矩；D m2 为从动齿轮齿宽中点处的分度圆直径， 由式(2.42)确定，即(2.42)22sinm式中，D 2 为从动齿轮大端分度圆直径；b 2 为从动齿轮齿面宽； 为从动齿2轮节锥角。由 F1F 2 = cos1cos 2 可知，对于弧齿锥齿轮副，作用在主、从动齿轮上的圆周力是相等的；对于双曲面齿轮副，它们的圆周力是不等的。(2) 锥齿轮的轴向力和径向力 图 2.5 为主动锥齿轮齿面受力图。其螺旋方向为左旋，从锥顶看旋转方向为逆时针。F T 为作用在节锥面上的齿面宽中点A 处的法向力。在 A 点处的螺旋方向的法平面内，F T 分解成两个相互垂直的力FN 和 Ff。F N 垂直于 OA 且位于 OOA 所在的平面，F f 位于以 OA 为切线的节锥切平面内。F f 在此切平面内又可分解成沿切线方向的圆周力 F 和沿节锥母线方向的力 Fs。F 与 Ff 之间的夹角为螺旋角 ，FT 与 Ff 之间的夹角为法向压力角。这样有F=FTcoscos (2.43) FN=FTsina=Ftanacos (2.44) Fs=FTcossin=Ftan (2.45) 于是作用在主动锥齿轮齿面上的轴向力 Faz 和径向力 Frx 分别为Faz=FNsin+Fscos (2.46)Frz=FNcos-Fssin (2.47) 若主动锥齿轮的螺旋方向和旋转方向改变时，主、从动齿轮齿面上所受的轴向力和径向力见表 2.2。2 锥 齿 轮 轴 承 的 载 荷当 锥 齿 轮 齿 面 上 所 受 的 圆 周 力 、 轴 向 力 和 径 向 力 计 算 确 定 后 ， 根 据 主 减速 器 齿 轮 轴 承 的 布 置 尺 寸 ， 即 可 求 出 轴 承 所 受 的 载 荷 。 图 2.5 为 单 级 主 减速 器 的 悬 臂 式 支 承 的 尺 寸 布 置 图 ， 各 轴 承 的 载 荷 计 算 公 式 见 表 2.2表 2.2 齿面上的轴向力和径向力主 动 小 齿 轮螺 旋 方 向 旋 转 方 向轴 向 力 径 向 力2.5 锥齿轮的材料及热处理驱 动 桥 锥 齿 轮 的 工 作 条 件 是 相 当 恶 劣 的 ， 与 传 动 系 其 它 齿 轮 相 比 ， 具 有载 荷 大 、 作 用 时 间 长 、 变 化 多 、 有 冲 击 等 特 点 。 它 是 传 动 系 中 的 薄 弱 环 节 。锥 齿 轮 材 料 应 满 足 如 下 要 求 ：1)具 有 高 的 弯 曲 疲 劳 强 度 和 表 面 接 触 疲 劳 强 度 ， 齿 面 具 有 高 的 硬 度 以保 证 有 高 的 耐 磨 性 。2)轮 齿 芯 部 应 有 适 当 的 韧 性 以 适 应 冲 击 载 荷 ， 避 免 在 冲 击 载 荷 下 齿 根 折断 。3)锻 造 性 能 、 切 削 加 工 性 能 及 热 处 理 性 能 良 好 ， 热 处 理 后 变 形 小 或 变 形规 律 易 控 制 。4)选 择 合 金 材 料 时 ， 尽 量 少 用 含 镍 、 铬 元 素 的 材 料 ， 而 选 用 含 锰 、 钒 、硼 、 钛 、 钼 、 硅 等 元 素 的 合 金 钢 。汽 车 主 减 速 器 锥 齿 轮 目 前 常 用 渗 碳 合 金 钢 制 造 ， 主 要 有20CrMnTi、 20MnVB、 20MnTiB、 22CrNiMo和 16SiMn2WMoV等 。渗 碳 合 金 钢 的 优 点 是 表 面 可 得 到 含 碳 量 较 高 的 硬 化 层 (一 般 碳 的 质 量分 数 为 0.8 1.2 )， 具 有 相 当 高 的 耐 磨 性 和 抗 压 性 ， 而 芯 部 较 软 ， 具 有良 好 的 韧 性 ， 故 这 类 材 料 的 弯 曲 强 度 、 表 面 接 触 强 度 和 承 受 冲 击 的 能 力 均 较好 。 由 于 较 低 的 含 碳 量 ， 使 锻 造 性 能 和 切 削 加 工 性 能 较 好 。 其 主 要 缺 点 是 热处 理 费 用 高 ， 表 面 硬 化 层 以 下 的 基 底 较 软 ， 在 承 受 很 大 压 力 时 可 能 产 生 塑 性变 形 ， 如 果 渗 透 层 与 芯 部 的 含 碳 量 相 差 过 多 ， 便 会 引 起 表 面 硬 化 层 剥 落 。为 改 善 新 齿 轮 的 磨 合 ， 防 止 其 在 运 行 初 期 出 现 早 期 的 磨 损 、 擦 伤 、 胶 合或 咬 死 ， 锥 齿 轮 在 热 处 理 及 精 加 工 后 ， 作 厚 度 为 0.005 0.020mm的 磷 化处 理 或 镀 铜 、 镀 锡 处 理 。 对 齿 面 进 行 应 力 喷 丸 处 理 ， 可 提 高 25 的 齿 轮寿 命 。 对 于 滑 动 速 度 高 的 齿 轮 ， 可 进 行 渗 硫 处 理 以 提 高 耐 磨 性 。 渗 硫 后 摩 擦因 数 可 显 著 降 低 ， 即 使 润 滑 条 件 较 差 ， 也 能 防 止 齿 面 擦 伤 、 咬 死 和 胶 合 。2.6 本章小节右 顺 时 针主 动 齿 轮Faz=F/cos(tansin-sincos)主 动 齿 轮Frz=F/cos(tancos+sinsin)左 逆 时 针从 动 齿 轮Fac=F/cos(tansin+sincos)从 动 齿 轮Frz=F/cos(tancos-sinsin)本章介绍了汽车主减速器的设计方法，此设计方法是本软件开发的基础，在汽车主减速器设计方法中重点讲解了结构形式的选择、计算载荷的确定、基本参数的选择、齿轮尺寸的计算、齿轮强度的计算、轴承载荷的计算、齿轮材料等。图 2.5 齿面受力与轴承分布尺寸第 3 章 汽车主减速器参数优化软件设计3.1 汽车主减速器参数优化软件编程语言的选择及语言使用概述3.1.1 汽车主减速器参数优化软件编程语言的选择几种常见的编程语言有：VF 编程语言，VC 编程语言，VB 编程语言，Delphi 编程语言，Java 编程语言和 SQL 编程语言。下面介绍这几种编程语言的特点：VF：是 Visual FoxPro 的缩写，它是由 Microsoft 在 FoxPro 的基础上推出的功能强大、可视化、面向对象的数据库编程语言，同时它也是一种强大的数据库管理系统。VC：Visual C，微软公司高级可视化计算机程序开发语言。C 语言被人们称为近十年来对计算机程序设计最大的贡献之一。它有高级语言简单易用的特性，又可以完成汇编语言才能做的许多工作。因此，C 语言特别适合用来编写各种复杂软件。如果说 BASIC 语言是初学者和业余爱好者的编程语言的话，那么 C 语言就是专业人员的编程语言了。Delphi：特尔斐，古希腊城市名，被古希腊人当成世界的中心，因有阿波罗神殿而出名。在电脑