（光学工程专业论文）双被齿驱动后桥的研究.pdf

摘要 随着我国经济的快速发展，商品种类的不断丰富，产地和销售地距离越来 越远。人们对物流的要求也越来越高，物流在整个产品的生产和销售中的地位 在不断加重。高效、低成本、准时的物流将是人们追求的方向。随着人力成本 和燃油价格的不断提高，长途物流将更倾向于高效的单级驱动桥的重型载货汽 车。单级减速驱动桥的优势在于：它是一种结构最简单，制造工艺最简单，成 本较低的驱动桥。 本文所研究的双被动齿轮驱动桥就是一种高效、稳定、大扭矩的全新的单 级减速驱动桥。文章给出了双被动齿轮驱动桥减速器的总体结构，并且对各部 分进行了详细设计研究，特别是对对主减速器里面的一对圆柱齿轮副进行了参 数化建模，并对这对圆柱齿轮进行了齿根弯曲强度和齿面接触强度分析。文章 主要内容如下： ( 1 ) 设计了双被动齿轮驱动桥减速器的整体结构。阐述了双被动齿轮驱动 桥的结构形式以及它的结构特征，论述了双被动齿轮驱动桥的工作原理以及如 何实现输出扭矩的翻倍，论述了两个被动锥齿轮是如何实现差速以及差速器的 结构形式和支承形式。 ( 2 ) 设计了驱动桥的主减速器。设计了主减速器的结构形式和主减速器主、 被动锥齿轮的支承形式，详细阐述了主减速器圆柱齿轮副和双曲面圆锥齿轮副 基本参数的选择，并概述了齿轮的损坏形式，还对圆锥齿轮副进行了强度校核。 ( 3 ) 全面阐述运用c a t i a 相关设计模块对渐开线圆柱齿轮进行参数化建 模的方法，创建了渐开线圆柱齿轮c a t i a 标准零件库，使得渐开线圆柱齿轮建 模一劳永逸，并将齿轮接触模型装配好，以便于导入a n s y s 、a d a m s 等软件 进行相关的结构分析模块和动态机构运动学模块进行分析。 ( 4 ) 我们要保证齿轮能在预定的使用寿命中正常工作，就需要保证齿轮的 齿根具有一定的抗弯曲能力和齿面具有一定的接触强度。本文就是基于a n s y s 软件对齿轮的齿根弯曲强度和齿轮的齿面接触强度进行了分析。包括：齿轮模 型的简化及其导入，单元属性的定义，网格的划分，载荷的施加，创建接触对 以及求解结论的分析。 关键词：双被动齿轮驱动桥，主减速器，齿轮参数化建模，齿根弯曲强度，齿 面接触强度 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u re c o n o m i c ，t y p e so fg o o d se n r i c h e dc o n s t a n t l y a n dt h ed i s t a n c eo fp r o d u c i n ga n ds e l l i n gl a n da r eb e c o m i n gf a r t h e ra n df a r t h e r p e o p l ea r ed e m a n d i n gm o r ea n dm o r eo nl o g i s t i c s a n d i nt h ew h o l ep r o c e s so f p r o d u c t i o n a n ds a l e sl o g i s t i c s s t a t u si sc o n s t a n t l yi n c r e a s i n g e f f i c i e n t ，l o w c o s t ， p u n c t u a ll o g i s t i c sw i l lb e t h eg o a lw h i c hp e o p l ea r ep u r s u i n g w i t ht h er i s i n gp r i c e so f l a b o rc o s t sa n df u e l ，l o n g d i s t a n c el o g i s t i c sw i l lb em o r ei n c l i n e dt oh e a v y d u t yt r u c k w h i c ho w n se f f i c i e n ts i n g l e r e d u c t i o nd r i v ea x l e t h ea d v a n t a g e so fs i n g l e r e d u c t i o n “v ea x l ea r ea sf o l l o w s ：i ti sal o w e rc o s td r i v ea x l ew i t hs i m p l es t r u c t u r ea n ds i m p l e m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y t h er e s e a r c ho ft h ed o u b l ep a s s i v eg e a rd r i v ea x l ei nt h i sp a p e ri sa ne f f i c i e n t ， s t a b l ea n dh i g ht o r q u eo ft h en e ws i n g l er e d u c t i o nd r i v e a x l e t h i sp a p e re l a b o r a t e s t h eo v e r a l ls 臼m c t u r eo ft h er e d u c e ro fd o u b l ep a s s i v eg e a rd r i v ea x l ea n dd e s i g n st h e v 撕o u sp a r t so ft h ed o u b l ep a s s i v eg e a rd r i v ea x l ei nd e t a i l t h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t h i sp a p e rd e s i g n st h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f t h er e d u c e ro f d o u b l ep a s s i v eg e a r d r i v ea x l e i td e s c r i b e ss t n l c t u r a lf o r ma n ds t r u c t u r a lf e a t u r e so ft h ed o u b l ep a s s i v e g e a rd r i v ea x l e a n di td i s c u s s e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ed u a lp a s s i v eg e a r d r i v e a x l ea n dh o wt h ed r i v ea x l ed o u b l e st h eo u t p u tt o r q u e a n di td i s c u s s e sh o w t h et w o p a s s i v eg e a r sa c h i e v e d i f f e r e n t i a la n ds 仃u c t i l r ea n ds u p p o r t i n gf o r m so ft h e d i f f e r e n t i a l ( 2 ) t h i sp a p e rd e s i g n st h em a i nr e d u c e ro ft h ed r i v e a x l e i td e s i g n st h e s t r u c t u r a lf o r mo fm a i nr e d u c e ra n dt h eb e a r i n gt y p eo ft h ea c t i v eg e a ra n dp a s s i v e g e a r i te l a b o r a t e st h ec h o i c eo fb a s i cp a r a m e t e r so ft h ec y l i n d e rg e a r s a n dh y p o i d b e v e lg e a r s a n di to u t l i n e st h ef o r mo fg e a rd a m a g e f i n a l l y , i td o e st h es t r e n g t h a n a l y s i so f t h eh y p o i db e v e lg e a r s ( 3 ) t h i sp a p e re l a b o r a t e st h ep a r a m e t r i cm o d e l i n gm e t h o do ft h ec y l i n d e rg e a r s b yu s i n gr e l a t e dc a t i a m o d u l e s a n di tc r e a t e sc a t i as t a n d a r dp a r t sl i b r a r yo ft h e i n v o l u t e sg e a r , w h i c hm a k e st h em o d e l i n go fi n v o l u t e sg e a ro n c ea n df o ra 1 1 f u r t h e r i i m o r ei tm a k e st h ec o n t a c tm o d e lo fg e a r sa s s e m b l e di no r d e rt oi m p o r ta n s y s ， a d a m sa n do t h e rr e l a t e ds o f t w a r em o d u l e sw h i c hc a l lm a k es t r u c t u r a la n a l y s i sa n d d y n a m i ca n a l y s i s ( 4 ) i no r d e rt oe n s u r et h eg e a rc o u l dw o r kn a t u r a l l yi ni t sl i f ee x p e c t a n c y , i t s t o o t hr o o tm u s th a v eac a p a c i t yo fa n t i - b e n da n di t st o o t hf a c em u s th a v eac a p a c i t yo f c o n t a c ts t r e n g t h t h i sp a p e rb a s e do na n s y ss o f t w a r ea n a l y z e st h eg e a rt o o t hr o o t s t r e n g t ha n dt h eg e a rt o o t hf a c es t r e n g t h i ti n c l u d e s ：t h es i m p l i f i c a t i o no fi m p o r tg e a r m o d e l ，t h ed e f i n i t i o no fe l e m e n tp r o p e r t i e s ，m e s h i n g , a p p l y i n gd i s p l a c e m e n t sa n d l o a d s ，c r e a t i n gc o n t a c t s ，s o l v i n ga n dt h ea n a l y s i so ft h ec o n c l u s i o n s k e yw o r d s ：d u a lp a s s i v eg e a rd r i v ea x l e ，m a i nr e d u c e r , g e a rp a r a m e t r i cm o d e l i n g ， t o o t hr o o ts t r e n g t h ，t o o t hf a c es t r e n g t h i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：宅免墨 日期：塑! 垒：! ：y 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 嗽儿砥乃翩雠儿移飙“ 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着我国经济的快速发展，商品种类的不断丰富，产地和销售地距离越来 越远。人们对物流的要求也越来越高，物流在整个产品的生产和销售中的地位 在不断加重。高效、低成本、准时的物流将是人们追求的方向。随着人力成本 和燃油价格的不断提高，长途物流将更倾向于高效的单级减速驱动桥的重型载 货汽车。有关专家预测，未来我国的重型车桥产品中7 5 的驱动桥将是单级减 速驱动桥【l i 。 单级减速驱动桥的优势【2 3 】在于： ( 1 ) 它是一种结构最简单，制造工艺最简单，成本较低的驱动桥，在重型 汽车上占有重要地位； ( 2 ) 由于公路状况的不断改善和高速公路的快速发展，重型汽车使用条件 对汽车通过性的要求降低，因此，重型汽车没有必要再采用复杂的结构提高通 过性，而是更倾向于单级减速驱动桥； ( 3 ) 与带轮边减速器的驱动桥相比，单级减速驱动桥产品结构简化，所以 单级减速驱动桥机械传动效率要高一些，易损件减少，可靠性要高一些。 由于单级减速驱动桥产品具有以上这些优势，所以单级减速驱动桥的发展 具有广阔的前景。从产品设计的角度看，重型车产品在主减速比满足要求的情 况下，会尽量选用单级减速驱动桥。 双被动齿轮驱动桥正是基于现在重型载货汽车的市场需求出炉的，它是一 种全新的单级减速桥，并且能在现有淬火、热处理工艺技术和材料技术的条件 下能够达至i 6 0 0 0 0 n m 的输出转矩。 本课题研究的目的是：目前我国大扭矩单级减速桥主要受到齿轮强度的限 制，我们传统的单级减速桥的结构是单被动齿轮减速增扭，行星半轴齿轮完成 差速和扭矩传递的过程。如果要加大输出扭矩就只能加大齿轮或提高齿轮材料 的性能和材料处理工艺技术。但现在两种方案都受到实际情况的限制。双被齿 驱动后桥的研究就是要在我国齿轮用材料技术，淬火和热处理工艺技术逐步提 武汉理工大学硕士学位论文 高的过程中采用结构上的设计达到高效、稳定、大扭矩的要求。 1 2 驱动桥的概述 1 2 1 驱动桥的概述【4 】 驱动桥一般由四大部分组成，包括主减速器、差速器、半轴和驱动桥壳。 它在汽车上的作用有四个： ( 1 ) 减速增矩：将万向传动装置传来的发动机转矩通过主减速器、差速器、 半轴等传到驱动车轮，实现减速、增大转矩。 ( 2 ) 改变转矩传递方向：通过主减速器圆锥齿轮副改变转矩的传递方向。 ( 3 ) 实现差速：通过差速器实现两侧车轮的差速作用，保证汽车内外侧车 轮以不同转速转向。 ( 4 ) 承受载荷：驱动桥连接着车轮和悬架，它就需要承受作用于路面和车 架或车身之间的垂直力、纵向力和横向力。 由于驱动桥有以上四个功能，所以它的设计应满足如下基本要求： ( 1 ) 所选择的主减速比应能保证汽车具有最佳的动力性和燃料经济性。 ( 2 ) 外形尺寸要保证有必要的离地间隙。 ( 3 ) 齿轮及其它传动件工作平稳，噪声小。 ( 4 ) 各种行驶条件下具有高的传动效率。 ( 5 ) 在保证足够的强度、刚度条件下，应力求质量小，以改善汽车的行驶 平顺性。 ( 6 ) 与悬架的导向机构运动协调，保证不发生运动干涩。 ( 7 ) 结构简单，加工工艺性好，制造容易，拆装、调整方便。 1 2 2 驱动桥功能实现对比 由于重型货车匹配的都是非断开式桥壳的驱动桥，因此我们只在实现减速 增扭和差速两功能上进行如下对比： ( 1 ) 中央单级减速驱动桥：首先动力经万向传动装置传给主减速器，主减 速器通过螺旋齿轮副进行减速增扭，接着动力由被动锥齿轮传给差速器壳，再 由差速器壳传给差速器，然后再由差速器实现差速功能后将动力传给驱动车轮。 2 武汉理1 二大学硕士学位论文 ( 2 ) 带轮边减速驱动桥：首先动力经万向传动装置传给一级主减速器，一 级主减速器通过螺旋齿轮副进行一级减速增扭，接着动力由被动锥齿轮传给差 速器壳，再由差速器壳传给差速器，然后再由差速器实现差速功能后传给轮边 减速器，在轮边进行二次减速增扭后再将动力传给驱动车轮。 ( 3 ) 双被动齿轮单级减速驱动桥：首先动力经万向传动装置传给差速器， 差速器实现差速功能后，接着动力通过左右两对相互独立螺旋齿轮副进行减速 增扭后再将动力直接传给驱动车轮。 1 3 和本课题有关的国内外研究现状分析 目前国内销售的近6 0 的重型货车匹配的是带有轮边减速器的驱动桥。由于 大多数重型汽车都要求很大的输出扭矩，即要求很大的减速比，很多重型汽车上 都匹配的是带有轮边减速器的驱动桥。中国重汽、陕汽、红岩等企业的产品几乎 1 0 0 使用这种驱动桥，而福田欧曼的牵引车及自卸车使用这种驱动桥的比例也高 达8 0 ，一汽解放的4 x 2 及6 x 2 牵引车使用这种驱动桥也有相当规模。 现在国内单级减速驱动桥中，输出扭矩为4 5 0 0 0 5 5 0 0 0 n m 的，比如东风德 纳的5 0 8 、解放的4 9 8 等等在内的单级减速驱动桥，由于齿轮强度达不到要求质量 还不够稳定，生产成本也比较高，暂时没能在公路重型货车上得到广泛的应用。 所以在公路重型货车上，大扭矩单级减速驱动桥的地位还不能取代双级减速驱动 桥。 在国内目前的市场上，中央双级驱动桥主要有两种类型：一种是如伊顿系 列产品，为了满足增大牵引力与速比的要求，事先就在单级减速器中预留好空 间，这样就可装入圆柱行星齿轮减速机构，然后原中央单级减速驱动桥就改型 成为中央双级减速驱动桥，改型后，桥壳、主减速器等均可通用；另一种是如 洛克威尔系列产品，为了满足增大牵引力与速比的要求，首先改制第一级伞齿 轮，然后再装入第二级圆柱直齿轮或斜齿轮，这样原中央单级减速驱动桥就改 型成为中央双级减速驱动桥，这时桥壳可通用，但是主减速器不通用。综合来 说，双级减速桥一般均是作为某一特殊考虑而派生出来的驱动桥存在，而不作 为一种基本型驱动桥来发展。而且双级减速驱动桥存在很多缺点：机械效率低、 能耗损失大、结构复杂、成本高且维修便利性差。 我国现有的斯太尔驱动桥产品主要运用在中高档重型汽车上，斯太尔驱 武汉理工大学硕士学位论文 动桥属于典型的欧洲重型汽车产品的零部件结构。这决定了斯太尔驱动桥存在 诸多缺点：油耗高而且传动效率低；散热效果差，为了防止轮毂过热发生爆胎， 需要增加喷淋装置；结构复杂，导致产品价格高等。由于公路状况的不断改善 和高速公路的快速发展，斯太尔驱动桥的那些缺点在公路运输重型汽车中日显 突出，据统计，该结构的车桥产品在欧美重型汽车中采用呈下降趋势，在日本 重型汽车中采用更少。有关专家预测驱动桥的主流产品是单级减速驱动桥产品， 而我国采用斯太尔驱动桥产品的合理比例是占整个重型汽车驱动桥的2 5 。未 来重型汽车所用车桥将由斯太尔双级减速驱动桥向单级减速驱动桥方向发展。 1 4 课题主要研究内容 本文的研究内容是设计一种全新的单级减速桥，它除了满足驱动桥的设计 要求外，还需要在结构设计上达到高效、稳定、大扭矩的要求。文章给出了双 被动齿轮驱动桥减速器的总体结构，并且对各部分进行了详细设计研究，特别 是对对主减速器里面的一对圆柱齿轮副进行了参数化建模，并对这对圆柱齿轮 进行了齿根弯曲强度和齿面接触强度分析。文章主要内容如下t ( 1 ) 设计了双被动齿轮驱动桥减速器的整体结构。阐述了双被动齿轮驱动 桥的结构形式以及它的结构特征，论述了双被动齿轮驱动桥的工作原理以及如 何实现输出扭矩的翻倍，论述了两个被动锥齿轮是如何实现差速以及差速器的 结构形式和支承形式。 ( 2 ) 设计了驱动桥的主减速器。设计了主减速器的结构形式和主减速器主、 被动锥齿轮的支承形式，详细阐述了主减速器圆柱齿轮副和双曲面圆锥齿轮副 基本参数的选择，并概述了齿轮的损坏形式，还对圆锥齿轮副进行了强度校核。 ( 3 ) 全面阐述运用c a t i a 相关设计模块对渐开线圆柱齿轮进行参数化建 模的方法，创建了渐开线圆柱齿轮c a t i a 标准零件库，使得渐开线圆柱齿轮建 模一劳永逸，并将齿轮接触模型装配好，以便于导入a n s y s 、a d a m s 等软件 进行相关的结构分析模块和动态机构运动学模块进行分析。 ( 4 ) 我们要保证齿轮能在预定的使用寿命中正常工作，就需要保证齿轮的 齿根具有一定的抗弯曲能力和齿面具有一定的接触强度。本文就是基于a n s y s 软件对齿轮的齿根弯曲强度和齿轮的齿面接触强度进行了分析。包括：齿轮模 型的简化及其导入，单元属性的定义，网格的划分，载荷的施加，创建接触对 4 武汉理工大学硕七学位论文 以及求解结论的分析。 1 5 本章小结 本章介绍了单级减速驱动桥的优势以及设计要求，分析了目前国内外重型 车桥的发展趋势，初步的给出了双被动齿轮驱动桥如何实现动力传递。最后阐 述了整篇文章的结构内容。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章双被动齿轮驱动桥的整体结构设计 驱动桥的结构形式与驱动车轮的悬架形式密切相关【2 3 一l 。当车轮采用独立 悬架时，为保证运动协调，驱动桥应为断开式。当车轮采用非独立悬架时，驱 动桥应为非断开式( 或称整体式) ，这种驱动桥的驱动桥壳是一根连接左右驱动 车轮的刚性空心梁，而主减速器、差速器及车轮传动装置都装在桥壳里面。非 断开式驱动桥结构简单、成本低、工作可靠、制造工艺性好、维修调整容易， 广泛应用于各种载货汽车【5 1 、客车及多数越野汽车和部分小轿车上。 本文设计的双被动齿轮驱动桥是一种单级减速桥，主要用于载货汽车，它 的结构形式采用非断开式驱动桥壳。 2 1 中央单级减速桥的结构概述 图2 - i ：中央单级减速驱动桥结构示意图 l 一主减速器2 一差速器3 一驱动轮4 一半轴 中央单级减速驱动桥的结构如图2 1 所示。它由主减速器、差速器、半轴、 轮毂和驱动桥壳组成。从变速器或分动器经万向传动装置输入驱动桥的转矩首 先传到主减速器主动齿轮，再传到主减速器被动齿轮，在此降低转速并相应增 大转矩后，经差速器分配给左右两半轴，由于左右两半轴与轮毂刚性连接，最 后传至驱动车轮。驱动桥壳由主减数器壳和半轴套管组成，而且它们刚性的连 6 武汉理工人学硕士学位论文 接在一起。 主减速器壳里包括宅动齿轮、被动齿轮、差速器。主动齿轮轴采用跨置式 结构，前端用两个单列圆锥滚子轴承支承，后端用一个圆柱滚子轴承支承。被 动齿轮用螺栓与差速器左半壳连成一体。差速器左、右壳用螺栓紧固在一起， 其两端分别用一个圆锥滚子轴承支承在减速器壳的瓦盖式轴承座中。 2 2 双被动齿轮驱动桥的整体结构概述 双被动齿轮驱动桥是一种用于重型汽车上和越野汽车上的，输出扭矩达到 6 0 0 0 0 n 埘以上单级减速驱动桥。它克服现有大扭矩单级减速桥扭矩不足和现 有职级减速桥效率低、能耗大的难题。该驱动桥是以一种全新的结构设计，使 其能在现有材料技术、热处理工艺技术的条件下满足输出扭矩6 0 0 0 0 nm 以上 要求，而且能取代公路用重型汽车上用的双级减速驱动桥( 单后桥驱动车型) 以达到提高机械效率、减少能耗的目的。 2 2 1 技术方案 如图2 - 2 所示，双被动齿轮驱动桥，包括前置差速器和左右两对并列的减速 双曲面圆锥齿轮副。前置差速器包括前、后半轴齿轮和四个行星齿轮。左右两 对减速双曲面圆锥齿轮副包括主动圆锥齿轮和被动圆锥齿轮。 = 图2 - 2 主减速器及差速器结构示意图 武汉理工大学硕士学位论文 差速器的前半轴齿轮通过花键与右主动圆锥齿轮连接，右主动圆锥齿轮与 右被动圆锥齿轮为一对啮合圆锥齿轮副，而右被动圆锥齿轮与驱动桥右轴套固 定连接，驱动桥右轴套通过花键与汽车后轮右半轴连接； 差速器的后半轴齿轮通过花键与一个主动圆柱齿轮连接，主动圆柱齿轮与 一个被动圆柱齿轮构成圆柱齿轮副，被动圆柱齿轮通过花键与左主动圆锥齿轮 连接，左主动圆锥齿轮与左被动圆锥齿轮为另一对啮合圆锥齿轮副，左被动圆 锥齿轮与驱动桥左轴套固定连接，驱动桥左轴套通过花键与汽车后轮左半轴连 接。 由上可知，双被动齿轮驱动桥有如下结构特征： ( 1 ) 双被动齿轮驱动桥内拥有两个相互独立转动的被动圆锥齿轮，左、右 被动圆锥齿轮分别直接独立驱动左、右半轴，这样就从结构上弥补了在设计重 型车桥中，行星半轴齿轮强度不能满足设计要求的不足。 ( 2 ) 双被动齿轮驱动桥的左、右被动圆锥齿轮采用背向布置在同一轴线上， 并且分别采用左旋和右旋。这样可以抵消较大的轴向力并使结构紧凑；前置差 速器完成差速功能并可以弥补零部件间隙，使左右圆锥齿轮始终同步受力运行。 ( 3 ) 双被动齿轮驱动桥的左、右被动圆锥齿轮支承轴的右边部分与驱动桥 右轴套采用过盈配合，这样就是把支承轴、右轴套和右被动圆锥齿轮刚性的连 接成为一个整体；支承轴的左边部分与驱动桥左轴套采用衬环连接，这样左被 动圆锥齿轮和支承轴之间可以有相对转动。这种结构设计不仅满足了左、右车 轮的不等速运动，还有效的减少了零部件数量和提高了零部件工作的稳定性。 ( 4 ) 双被动齿轮驱动桥的左、右被动圆锥齿轮中间装有环形减磨垫圈，并 用圆柱销固定在右被动圆锥齿轮上，限制径向运动，并通过轴承预紧力限制轴 向运动。这样一方面保证了所述左右被动圆锥齿轮的相互滑动，另一方面可以 有效的满足装配要求，并可以保证汽车的左、右被动圆锥齿轮根据路况要求运 动。 2 2 2 整体结构概述 如图2 。3 所示，由发动机输入的扭矩经凸缘传递给差速器3 ，差速器通过十 字轴和行星齿轮将扭矩平均分配给前半轴齿轮l 和后半轴齿轮2 ；前半轴齿轮1 通过花键将扭矩传递给右主动圆锥齿轮5 ，经过右圆锥齿轮副的减速增扭，扭 武汉理工大学硕士学位论文 矩经右被动齿轮8 和右半轴7 ，驱动右车轮6 转动。 j 、矿一7 一 工 出 。、_ ，、 、j 吨”0 4 、 、 ， 。f 图2 3 双被动齿轮驱动桥的工作原理图 1 一前半轴齿轮2 一后半轴齿轮3 一差速器4 圆柱齿轮副5 一右主动圆锥齿轮 6 一右车轮7 右半轴8 右被动圆锥齿轮9 一左被动圆锥齿轮1 0 一左半轴 n 左车轮，1 2 _ 左主动圆锥齿轮 同理，后半轴齿轮2 通过花键将扭矩传递给圆柱齿轮副4 、4 ，圆柱齿轮副 4 、4 再通过花键将扭矩传递给左主动圆锥齿轮1 2 ，经过左圆锥齿轮副的减速增 扭，扭矩经左被动圆锥齿轮9 和左半轴l o ，驱动左车轮1 1 转动。 如图2 3 中，我们可以看出主减速器由前置差速器3 、一对圆柱齿轮4 、4 和两对双曲面圆锥齿轮副组成，圆柱齿轮只有传递力矩的功能，没有减速增扭 的功能，所以主动圆柱齿轮4 和被动圆柱齿轮4 的基本参数都相同。两对双曲 面圆锥齿轮的基本参数也相同，只是各齿形的旋向不同，右主动圆锥齿轮5 选 左旋，则右被动圆锥齿轮8 为右旋，左主动圆锥齿轮1 2 为右旋，则左被动圆锥 齿轮9 为左旋。 如图2 3 中，我们可以看出左半轴1 0 与左被动圆锥齿轮9 直接连接，右半 轴7 与右被动圆锥齿轮8 直接连接。 双被动齿轮驱动桥的工作原理是：本驱动桥采用两个被动圆锥齿轮分别独 立驱动左右车轮，而驱动桥的差速功能由前置差速器完成。如图2 3 所示，输 入扭矩先由差速器3 实现扭矩分配，一部分扭矩经过前半轴齿轮l - 右主动圆 锥齿轮5 _ 右被动圆锥齿轮8 _ 右半轴7 _ 右车轮6 ，另一部分扭矩经过后半轴 齿轮2 - 一对圆柱齿轮副4 一左主动圆锥齿轮1 2 一左被动圆锥齿轮9 一左半轴 9 武汉理工大学硕+ 学位论文 l o 一左车轮1 1 。驱动桥的扭矩传递图如图2 4 所示。因为有左右两对相互独立 的减速双曲面圆锥齿轮副，所以驱动桥减速、增扭的功能也得以实现。其中一 对圆柱齿轮副结构参数完全相同，所以它们只是传递扭矩而不进行变速。 图2 - 4 驱动桥的扭矩传递图 当我们用中央单级减速驱动桥时，如果设计输出扭矩为6 0 0 0 0 n m ，则被 动圆锥齿轮需要满足6 0 0 0 0n m 的承载要求，而行星半轴齿轮需要达到 3 0 0 0 0 n m 的承载要求。而按当我们用双被动齿轮驱动桥时，从结构上可知是 分别由左右被动圆锥齿轮驱动左右半轴，这样说来每个被动圆锥齿轮就只需要 承载一半的载荷，即3 0 0 0 0 n m 。由于差速器前置，所以差速器行星半轴齿轮 承受的扭矩就小了很多，如果主减速比为i ，那么差速器行星半轴齿轮承受的扭 矩为3 0 0 0 0 n m i ，当i = 5 时半轴齿轮承受的扭矩仅为6 0 0 0 n m 。 从上面的扭矩承受分析我们发现，如果设计相同输出扭矩的驱动桥，按双 被动齿轮驱动桥的设计原理，被动圆锥齿轮的承载和行星半轴齿轮的承载都小 了很多。其中被动圆锥齿轮的承载只有中央单级减速桥被动圆锥齿轮承载的 1 2 ；而行星半轴齿轮的承载只有中央单级减速桥行星半轴齿轮承载的1 i ( i 为 减速比) 。因此，我们可以知道在现有齿轮技术条件下如果用双被动齿轮驱动桥 这种结构可以产生翻倍的输出转矩。 在图2 5 中，我们可以看出左、右被动圆锥齿轮的支承轴1 4 的右边部分与 右轴套1 3 采用过盈配合，这样就是把支承轴1 4 、右轴套1 3 和右被动圆锥齿轮 8 刚性的连接成为一个整体；支承轴1 4 的左边部分与左轴套1 7 采用衬环1 6 连 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 接，这样左被动圆锥齿轮9 和支撑轴1 4 之间可以有相对转动。这种结构设计满 足了左、右车轮的不等速运动要求。左右被动齿轮9 和8 的中间的环形减瘳垫 圈1 5 ( 由两个半圆环用螟栓连接而成) ，用圆柱销固定在右被动圆锥齿轮8 上 限制径向运动，再通过轴承预紧力限制轴向串动。这样一方面保证了左右被动 圆锥齿轮9 和8 的相互滑动，另一方面可以有效的满足装配要求。可以保证汽 车的左右被动圆锥齿轮根据路况要求运动。 一 圈2 4 双被动齿轮结构示意翻 卜右主动圆锥齿轮8 击被动圆锥齿轮卜左被动圆锥齿轮1 2 _ 左主动圆锥齿轮 i 一右轴套1 4 一支承轴l 一减磨垫圈1 6 村环1 7 一左轴套 该驱动桥设计用对称式锥齿轮差速器，它由四个圆锥行星齿轮、两个圆锥 半轴齿轮、行星齿轮轴和差速器壳等组成。在图2 6 所示，动力由万向传动装 置传给差速器壳，因差速器壳与行星齿轮轴连为一体，这样动力又由行星齿轮 轴传给行星齿轮，再经行星齿轮传给前、后半轴齿轮，再由前、后半轴齿轮分 别把动力传递出去。差速器壳前端由圆柱滚子轴承支承在减速桥壳的座孔中， 差速器壳后端由圆锥滚子轴承支承在减速桥壳的座孔中。差速器与驱动桥凸缘 通过花键连接。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 本章小结 国2 - 6 差速器的结构示意图 本章主要对双被动齿轮驱动桥主减速器的整体结构进行了设计。详细阐述 了双被动齿轮驱动桥的结构形式以及它的结构特征，论述了双被动齿轮驱动桥 的工作原理以及如何实现输出扭矩的翻倍，论述了两个被动齿轮是如何实现差 速，最后论述了差速器的结构形式和它的支承形式。 双被动齿轮驱动桥主减速器的整体结构设计至关重要，它决定了在我国现 有齿轮用材料技术，淬火和热处理工艺技术的条件下单级减速驱动桥能否达到 高效、稳定、大扭矩的要求。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章主减速器设计 3 1 主减速器的结构形式 当主减速器的齿轮的类型，主动齿轮和被动齿轮的安置方法以及减速形式 不同时，主减速器的结构形式也不相同【2 】。 3 1 1 主减速器的齿轮类型 按齿轮副结构形式分，主减速器的结构形式有弧齿锥齿轮式，准双曲面齿 轮式，圆柱齿轮式和蜗轮蜗杆等形式【8 1 。该驱动桥选用准双曲面锥齿轮传动， 与曲线齿锥齿轮相比，其特点是齿轮的工作平稳性更好，轮齿的弯曲强度和接 触强度更高，而且主动齿轮的轴线可相对被动齿轮轴线偏移。如果主动齿轮轴 线向下偏移，在保证一定的离地间隙的情况下，能够降低主动锥齿轮和传动轴 的位置，从而使整车的重心降低，这有利于提高汽车的行驶稳定性。 上偏移和下偏移是准双曲面齿轮副的两种布置。上、下偏移的判定方法是： 从被动齿轮锥顶看，而且把主动齿轮置于被动齿轮的右侧，如果主动齿轮轴线 位于被动齿轮中心线的下方就称之为下偏移；如果主动齿轮轴线位于被动齿轮 中心线的上方就称之为上偏移。 3 1 2 主减速器的减速形式【z 】 由上一章可知，双被动齿轮驱动桥是一种全新的单级减速驱动桥，所以它 的主减速器的减速形式为单级减速。单级减速驱动桥产品的优势在于：单级减 速驱动车桥是驱动桥中结构最简单的一种，而且制造工艺较简单，成本较低， 是汽车驱动桥的基本型形式，并且在重型汽车上占有重要地位。 随着公路状况的不断改善，特别是高速公路的快速发展，许多重型汽车使 用条件对汽车通过性的要求降低，而且目前重型汽车发动机向低速大扭矩发展 的趋势使得驱动桥的传动比向小速比发展。因此，重型汽车产品不必像过去一 样，采用复杂的结构提高其的通过性，比如带轮边减速器的驱动桥。同时单级 武汉理工人学硕十学位论文 减速驱动桥在重型汽车产品中的市场份额越来越大。这是因为单级减速驱动桥 结构简单，机械传动效率提高，易损件减少，同时可靠性增加。 31 3 主减速器主、被动锥齿轮的支承形式 作为一个1 3 吨级的驱动桥，传动的转矩达到6 0 0 0 0 n 卅，所以左、右两个 主动锥齿轮均采用骑马式支承，而且他们的支承形式完全相同。装于轮齿大端 一侧轴颈上的轴承，采用两个可以预紧以增加支承刚度的圆锥滚子轴承，其中 位于驱动桥前部的通常称为主动锥齿轮前轴承，其后部紧靠齿轮背面的那个齿 轮称为主动锥齿轮后轴承；装于齿轮小端一侧轴颈上的轴承一般采用圆柱滚子 轴承，被称为导向轴承。圆柱滚子轴承有内外圈可以分离( 有时不带内圈) ，以 利于拆装。 图3 - 1 被动齿轮的支承形式 如图3 - 1 所示，左、右被动圆锥齿轮靠左、右两个圆锥滚子轴承和一支承 轴支承，左、右被动圆锥齿轮与分别与驱动桥左、右轴套通过螺栓固定连接， 而左、右轴套分别通过左、右圆锥滚子轴承支承在主减速器壳体上支承轴装 于左、右轴套中间。支承轴的右边部分与驱动桥右轴套采用过盈配合，这样就 是把支承轴、右轴套和右被动圆锥齿轮刚性的连接成为一个整体；支承轴的左 边部分与驱动桥左轴套采用衬环连接，这样左被动圆锥齿轮和支承轴之间可以 有相对转动。这种结构设计不仅满足了左、右车轮的不等速运动，还有效的减 少了零部件数量和提高了零部件工作的稳定性。双被动齿轮驱动桥的左、右被 动圆锥齿轮中自j 装有环形减磨垫圈，并用圆柱销固定在右被动圆锥齿轮上限 制径向运动。这样一方面保证了所述左右被动圆锥齿轮的相互滑动，另一方面 帮击 武汉理工大学硕士学位论文 可以有效的满足装配要求，并可以保证汽车的左、右被动圆锥齿轮根据路况要 求运动。驱动桥左、右轴套通过花键与汽车后轮左、右半轴连接。双被动齿轮 这样的支承形式就相当于左、右被动齿轮直接驱动左、右车轮。 3 2 主减速器的基本参数选择 由以上章节可以知道：主减数器由一对圆柱齿轮和两对双曲面圆锥齿轮组 成，圆柱齿轮只有传递力矩的功能，没有减速的功能，主动圆柱齿轮和被动圆 柱齿轮的基本参数都相同。两对双曲面圆锥齿轮的基本参数也相同，只是各齿 形的旋转方向不同，右主动锥齿轮选左旋，则右被动锥齿轮为右旋，而左主动 锥齿轮为右旋，则左被动锥齿轮为左旋。 3 2 1 主减速器圆柱齿轮副基本参数的选择 齿轮传动承载能力的高低很大程度上取决于齿轮的材料。黑色金属、青铜 和非金属材料等都可以用来制造齿轮【9 】，而汽车变速器、分动箱、起动机及驱 动桥的各类齿轮一般使用的黑色金属齿轮。而黑色金属材料齿轮一般有两大类： 铸铁齿轮和钢齿轮。 。 铸铁齿轮具有很多优良的性能：良好的耐磨性、铸造性和切削加工性能， 而且它的价格低廉，铸铁齿轮主要应用于形状复杂而且尺寸较大的齿轮。 而钢齿轮一般比铸铁齿轮的强度大，韧性和塑性也要好一些，所以对于一 些受力和形状都比较复杂的齿轮我们一般选择用钢齿轮。 齿轮为了得到较好的力学性能和较高的综合机械性能，一般使用合金钢材 料。 主减速器的一对圆柱齿轮【1 0 1 2 1 的主要参数有主、被动齿轮的齿数互和z ， 主、被动齿轮分度圆直径日和破，主、被动齿轮模数，l ，和m ，主、被动齿轮 齿顶高系数 l 。和j l z 。，及顶系系数c l 和c 2 + ，主、被动齿轮压力角和。 1 主、被动齿轮模数m 和m ， 齿轮的模数是一个重要参数，很多因素会影响到齿轮模数的选择，比方说 齿轮的强度、质量、噪声、工艺要求等等都会影响到模数的选择。 选取模数时一般遵循的原则是：为使质量小些，应该增加模数，同时减小 武汉理工大学硕士学位论文 齿宽；为减少噪声应合理减少模数，同时增加齿宽；从工艺方面考虑，两齿轮 应选用一种模数。对载货汽车，减小质量比减小噪声更重要，故齿轮应选用大 些的模数。同时所选模数还必须符合国家标准g b l 3 5 7 7 8 的规定。 根据同类车桥的模数类比，选取： 21 7 1 2 = 5 2 主、被动齿轮分度圆上的压力角和 有渐开线方程可知，渐开线齿廓上各点的压力角大小是不同的。齿顶圆处 的压力角最大，愈靠近基圆压力角愈小。 通常所说的齿轮压力角一般指分度圆上的压力角，我国规定分度圆压力角 的标准值为2 0 。和1 5 。，一般使用的为2 0 。则： t ；t l = = 2 0 。 3 主、被动齿轮齿顶高系数吃。和吃：。及顶系系数c l 和乞+ 分度圆把轮齿分成两部分“齿顶”和“齿根”，齿顶高系数h + 和顶系系数c 。是 国家分别为齿轮的齿顶和齿根制定的标准参数，。其值为： 1 ) 正常齿制：当m 1 时，吃+ = 1 ，c = 0 2 5 ；当m z m i n = 生s i n 2c t2 五i 历2 1 7 1 。 ，厶， 根据以上要求参考某中桥的设计，取得 互= z 2 = 4 0 5 主、被动齿轮分度圆直径n 和d q = b = m z = 5 x4 0 = 2 0 0 m m 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 主减速器圆柱齿轮的几何尺寸计算如表2 1 所示： 表3 1 主减速器圆柱齿轮的几何尺寸计算用表 序号项目计算公式计算结果 1主动齿轮齿数 z 1 4 0 2从动齿轮齿数 z 2 4 0 3模数m5m m 4 工作齿高 见= 2 吃，l玩= 1 0 咖 5全齿高 h = ( 2 h 。+ c k h = 1 1 2 5 哪 6 压力角 口口= 2 0 0 7 周节 仁3 1 4 1 6m仁1 5 7 0 8 衄 8 齿顶高 h a = 虻聊 h 。= 5 舢 9齿根高 h i = ( h ：+ c b h e = 6 2 5 衄 1 0齿顶圆直径 见= d + 2 吃d o = 2 1 0 m m 1 1齿根圆直径 d ，= d 一2 h ，d ，= 1 8 7 5 m m 1 2 基圆直径坟= d c o s c r眈= 1 8 7 9 3 9 m m 万，n 1 3 齿厚 j = 一 7 8 5 4 m m 2 万，纷 1 4 齿槽宽e = = 一 7 8 5 4 m m 2 3 2 2 主减速器圆锥齿轮副基本参数的选择 主减速器锥齿轮【2 ，6 】的主要参数有主、被动齿轮的齿数z ，和乞，主、被动锥 齿轮齿面宽反和现，被动锥齿轮大端分度圆直径d 4 和端面模数聊，中点螺旋角 矽，法向压力角口等。 1 主、被动锥齿轮齿数z ，和z 。 选择主、从动锥齿轮齿数时应考虑如下因素： 1 ) z ，z 。之间一般应避免有公约数，这样才能磨合均匀。 2 ) 齿轮啮合需要有理想的齿面重合度和比较高的轮齿弯曲强度，所以一般 情况下主、被动齿轮齿数和应不小于4 0 。 3 ) 对于重型汽车，为了啮合平稳，噪声小和具有高的疲劳强度，主动锥齿 武汉理工大学硕士学位论文 轮的齿数z ，一般不小于6 。 4 ) 为了保证较好的离地间隙，主动锥齿轮的齿数z ，尽量取得小一些。 5 ) 对于不同的主传动比，毛和z 。应有适宜的搭配。 根据以上要求，取z ，= 7z 4 = 3 6 2 被动锥齿轮大端分度圆直径d 4 和端面模数m 对于单级主减速器，被动锥齿轮大端分度圆直径现将直接影响到驱动桥壳 的尺寸，一般分两种：如果域过大将会影响驱动桥壳的离地间隙；如果d 4 过小 又会影响跨置式主动齿轮的前支承座的安装空间。 d 。可根据经验公式初选，即 d 。= k o 扼 肠为直径系数，一般取1 3 0 - 1 5 3 ；乃为被动锥齿轮的计算转矩，n m ， 互= 3 0 0 0 0 n 。m 。 所以d 4 = ( 1 3 o 1 5 3 ) 3 0 0 0 0 = ( 4 0 3 9 4 - - 4 7 5 4 1 ) m m 初选d 4 = 4 3 0 m m ，则m = 皿z 4 = 4 3 0 3 6 =