毕业设计（论文）-作业机械的传动系统和驱动桥设计设计说明书.doc

I 作业机械的传动系统和驱动桥设计 专 业 学 生 指 导 教 师 完 成 日 期 中文摘要 内容 装载机是工程机械的主要机种之一 是一种广泛用于公路 铁路 建筑 水 电 港口 矿山等建设工程的土石方施式机械 国外装载机发展迅速 而我国装载 机在设计上存在很多问题 其中主要集中在可靠性 结构设计强度等方面 而传动 系统对于装载机来说又是重中之重 所以传动系统的设计好坏直接影响到装载机的 使用寿命以及工作效率等 本文以装载机为研究对象 在参考大量的学术文献以及 研究设计的基础上 以模块的方式讲述了装载机传动系统结构原理 各主要组成部 件及其功能 液力机械传动系统的传动路线及其简图 同时对于传动系统中主要部 件的驱动桥进行了详细的结构设计和参数计算 装载机驱动桥设计 大致分为主传 动的设计 差速器的设计 最终传动设计 半轴的设计四大部分 其中主传动锥齿 轮采用35 螺旋锥齿轮 这种类型的齿轮的基本参数和几何参数的计算是本次设计 的重点所在 将齿轮的几个基本参数 如齿数 模数 从动齿轮的分度圆直径等确 定以后 用大量的公式可计算出齿轮的所有几何参数 进而进行齿轮的受力分析和 强度校核 了解了差速器 半轴和最终传动的结构和工作原理以后 结合设计要求 合理选择它们的形式及尺寸 本次设计差速器齿轮选用直齿圆锥齿轮 半轴采用全 浮式 最终传动采用单行星排减速形式 关键词 装载机 传动系统 驱动桥 设计 II Abstract Content The loader is one of the main kind of the engineering machinery As the mechanical facilities it is widely used in highway railway construction utilities ports mines and other construction projects of the earth The Loader develops rapidly in foreign and there are many problems in the design of the loader in our country The problems mainly focused on reliability structural design strength and so on The transmission system is a top priority for the loader Therefore the design of transmission system directly affects the quality and efficiency other service life of loaders and so on In this paper as the research object loader based on a lot of academic literature in the reference and research design I use the way of module to illustrate transmission system principle of loader the main components and their functions the transmission line and the diagram of hydraulic mechanical transmission system As the main components I make the structural design and calculation for the drive bridge in detail This design was a loader drive axle design broadly divided into the main drive design the differential design final drive design and the axle design One main drive bevel gear used 35 Spiral bevel gear the basic parameters and the calculation of geometry parameters for this type of gear is the focus of this design When the gears of a few basic parameters such as number of teeth module driven gear such as sub degree diameter were determined all geometric parameters of gears can be calculated using a large number of formulas and then the gear stress analysis and strength check can be operated Understanding the structure and working principles of the differential half shaft and final drive of the future combined with the design requirements their form and size were rightly selected Straight bevel gear was selected for differential gear full floating for axle and a single row of slow form planetary for final drive Keywords shovel loader transmission system drive bridge design III 目 录 中文摘要中文摘要 Abstract 第一章第一章 绪论绪论 1 1 11 1 装载机的现状及未来的发展方向装载机的现状及未来的发展方向 1 1 21 2 课题的来源与意义课题的来源与意义 1 1 31 3 设计任务书设计任务书 2第二章第二章 传动系统传动系统 及驱动桥概述及驱动桥概述 4 第三章第三章 装载机传动系统装载机传动系统 5 3 3 1 1 装载机传动系统基本概况装载机传动系统基本概况 5 3 3 2 2 传动系统的类型及其特点传动系统的类型及其特点 9 3 3 2 2 1 1 机械传动机械传动 9 3 3 2 2 2 2 液力机械传液力机械传 动动 11 3 3 2 2 3 3 液压传动液压传动 12 第四章第四章 驱动桥结构分析驱动桥结构分析 14 4 4 1 1 非断开式驱动桥非断开式驱动桥 14 4 4 2 2 断开式驱动桥断开式驱动桥 14 第五章第五章 主传动器设计主传动器设计 15 5 5 1 1 主传动器的结构形式主传动器的结构形式 15 5 5 1 1 1 1 主传动器的齿轮类型主传动器的齿轮类型 IV 15 5 5 1 1 2 2 主传动器的减速形式主传动器的减速形式 15 5 5 1 1 3 3 主传动器主 从动锥齿轮的支承方式主传动器主 从动锥齿轮的支承方式 15 5 5 2 2 主传动器的基本参数选择主传动器的基本参数选择与与计算计算 16 5 5 2 2 1 1 主传动器计算载荷的确定主传动器计算载荷的确定 16 5 5 2 2 2 2 主传动器锥齿轮主要参数的选择主传动器锥齿轮主要参数的选择 18 5 5 2 2 3 3 螺旋锥齿轮的几何尺寸的计算螺旋锥齿轮的几何尺寸的计算 20 5 5 2 2 4 4 主传动器螺旋锥齿轮的强度计算主传动器螺旋锥齿轮的强度计算 22 5 5 2 2 5 5 主减速器齿轮的材料及热处理主减速器齿轮的材料及热处理 27 5 5 2 2 6 6 主减速器轴承的计算主减速器轴承的计算 28 第六章第六章 差速器设计差速器设计 34 6 6 1 1 差速器的差速原理差速器的差速原理 34 6 6 2 2 锥齿轮差速器的结构锥齿轮差速器的结构 35 6 6 3 3 对称式圆锥行星齿轮差速器的设计对称式圆锥行星齿轮差速器的设计 36 6 6 3 3 1 1 差速器参数的确定差速器参数的确定 36 6 6 3 3 2 2 差速器齿轮的几何计算差速器齿轮的几何计算 38 6 6 3 3 3 3 差速器齿轮的强度计算差速器齿轮的强度计算 40 6 6 3 3 4 4 差速器齿轮的材料差速器齿轮的材料 41 第第七章七章 最终传动设计最终传动设计 42 7 7 1 1 齿圈式行星机构中齿轮齿数的选择齿圈式行星机构中齿轮齿数的选择 42 7 7 2 2 行星齿轮传动的配齿计算行星齿轮传动的配齿计算 42 7 7 2 2 1 1 传动比的要求传动比的要求 传动比条件传动比条件 42 V 7 7 2 2 2 2 保证中心轮 内齿轮和行星架轴线重合保证中心轮 内齿轮和行星架轴线重合 同轴条件同轴条件 42 7 7 2 2 3 3 保证多个行星轮均布装入两个中心轮的齿间保证多个行星轮均布装入两个中心轮的齿间 装配条件装配条件 42 7 7 2 2 4 4 保证相邻两行星轮的齿顶不相碰保证相邻两行星轮的齿顶不相碰 邻接条件邻接条件 43 7 7 3 3 行星齿轮传动的几何尺寸和啮合参数计算行星齿轮传动的几何尺寸和啮合参数计算 43 7 7 4 4 行星齿轮传动强度计算及校核行星齿轮传动强度计算及校核 46 7 7 4 4 1 1 行星齿轮弯曲强度计算及校核行星齿轮弯曲强度计算及校核 46 7 7 4 4 2 2 齿轮齿面强度的计算及校核齿轮齿面强度的计算及校核 47 7 7 4 4 3 3 有关系数和接触疲劳极限有关系数和接触疲劳极限 48 7 7 5 5 行星齿轮传动的受力分析行星齿轮传动的受力分析 49 7 7 6 6 行星齿轮传动的均载机构及浮动量行星齿轮传动的均载机构及浮动量 52 7 7 7 7 轮间载荷分布均匀的措施轮间载荷分布均匀的措施 52 7 7 8 8 行星传动的结构设计行星传动的结构设计 53 第八章第八章 驱动半轴的设计驱动半轴的设计 56 8 8 1 1 半轴的结构形式分析半轴的结构形式分析 56 8 8 2 2 半轴的总体设计半轴的总体设计 56 8 8 3 3 全浮式半轴计算载荷的确定全浮式半轴计算载荷的确定 57 8 8 4 4 全浮式半轴的杆部直径的初选全浮式半轴的杆部直径的初选 57 8 8 5 5 全浮式半全浮式半轴轴的强度计算的强度计算 58 8 8 6 6 半轴花键的强度计算半轴花键的强度计算 58 8 8 7 7 半轴结构设计时的注意事项半轴结构设计时的注意事项 59 VI 第九章第九章 驱动桥壳设计驱动桥壳设计 60 9 9 1 1 铸造整体式桥壳的结构铸造整体式桥壳的结构 60 9 9 2 2 桥壳的受力分析与强度计算桥壳的受力分析与强度计算 61 结论结论 参考文献参考文献 致谢致谢 附录附录 作业机械的传动系统和驱动桥设计 1 第一章 绪论 1 1 装载机的现状及未来的发展方向 装载机是一种广泛用于公路 铁路 建筑 水电 港口 矿山等建设工程的土 石方施式机械 它主要用于铲装土壤 砂石 石灰 煤炭等散状物料 也可对矿石 硬土等作轻度铲挖作业 由于装载机具有作业速度快 效率高 机动性好 操作轻 便等优点 因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一 随着现代社会经济建设的快速发展 装载机使用的普及率越来越高 它已从过 去的港口码头和基建工地 进入到了整个社会 成为当今社会生产和人们生活中不 可缺少的工具 装载机在我国有一定的市场需求 并愈来愈显示出它的重要作用 近年来 国家和地方性工程建设项目投资来源呈多元化发展趋势 国家投资 地方 投资 世行贷款 国际财团 民营资本等为国产工程机械车辆发展提供了良好的外 部环境 我国装载机正在从低水平 低质量 低价位 满足功能型向高水平 高质量 中价位 经济实用型过渡 从仿制仿造向自主开发过渡 各主要厂家不断进行技术 投入 采用不同的技术路线 在关键部位及系统上技术创新 摆脱目前产品设计雷 同 无自己特色和优势的现状 从低水平的无序竞争的怪圈中脱颖而出 成为装载 机行业的领先者 根据国外装载机的发展特点及外部环境影响 专家预测未来装载 机的主要发展趋势是 1 大型化与微型化仍是产品系列化的两极方向 2 微电子及机电液仪一体化技术将获得越来越广泛的应用 3 安全性及舒适性是产品发展的重要目标 4 开发节能 高效 可靠 环保型产品 并研制无泄漏装载机 5 技术进步 人才培养和售后服务将成为企业生存的三大关键内在因素 1 2 课题的来源与意义 中国国土面积大 各项建设事业正处于蓬勃发展过程中 对装载机的需求量大 世界上工业发达国家著名的装载机制造商几乎全部进入中国 不少国有和民营企业 也看好中国的装载机市场 纷纷进入装载机行业 进行装载机产品的生产和开发 作业机械的传动系统和驱动桥设计 2 而且产品的产量随着市场的需求量的提高而不断增长 中国已成为世界最大的装载机市场 正在成为世界装载机的制造中心 但是在 装载机关键的核心技术研究与掌握方面 国内企业与国外企业差距很大 特别是国 内企业在装载机的基础理论研究方面投入的人力 财力严重不足 这些年来 我们 取得了长足的进步 大大缩小了与国外先进技术的差距 但如果今后技术创新 包 括设计技术和制造技术等方面 上稍有懈怠 与国外先进技术的差距仍然会拉大 因此可以说今后国内装载机企业的任务仍然十分艰巨 由于历史的原因 原本的国 有装载机企业因为人才流失 资金不足 技术不高 造成自主研发能力不高 设计 方法落后 而改革开放后的合资企业和外资企业 只是根据国外的设计图纸进行批 量生产 基本不进行设计 所以中国的装载机设计手段比较落后 常常凭借经验进 行设计制造 造成生产的装载机存在一些缺陷 在三包期间常出现故障 做不到等 寿命设计 对厂商和买家造成不小的经济损失 传动系统在机动型工程机械中至关 重要 传动系统性能的好坏 优劣将直接影响到整机的性能 比较分析各种传动方 式 在满足总体参数的基本要求下 确定环保 节能及动力性能好的传动系统和驱 动桥 并进行相应的设计 常见的有关装载机的传动系统设计中 广泛采用液力机械传动为例进行设计以 及放平性 工作强度的校核 本次设计中也是使用液力机械传动设计 在此前提下 反复琢磨传动系统的工作原理 并使用机械设计手动绘图进行驱动桥的各部位的设 计 所以在进行有关校核时直接应用绘图尺寸 可以保证精度要求 此设计资料也 可以作为今后正转工作装置的设计参考 同时 我们非常有必要将现代设计方法和 有限元方法应用于装载机传动系统的结构设计和性能分析 以提高装载机工作装置 的可靠性 对结构进行优化 减轻工作装置重量 提高工作效率 减少能耗 从而 提高装载机生产企业的设计水平和自主开发能力 当然 在设计中难免有疏忽以及 错误的地方 望老师批评指正 通过本课题设计 培养和锻炼学生综合运用所学知识 分析 解决生产实践中 的实际问题 以提高产品的研制和开发能力 适应企业和社会对人才的需要 培养我们的调查研究以及资料 信息的获取 分析 综合能力 培养我们设计过程中使用计算机的能力 培养我们创新能力和创新精神 作业机械的传动系统和驱动桥设计 3 1 3 设计任务书 1 设计题目 作业机械的传动系统和驱动桥设计 2 设计内容和要求 1 熟悉典型机动型作业机械的工况要求 结构 功能及工作原理 2 了解和掌握该机在工程应用中必须满足的条件 确定对该机性能要求 3 传动系统方案设计 4 结构设计 5 绘制工程图 6 编写设计说明书 3 设计的原始数据 表 1 1 原始数据如下所示 斗容量机重轮距轴距附着系 数 运行速度额定功 率 总体尺寸 0 75m3不大于 5 吨 1500mm2060mm0 70 20km h不大于 45kw 4900 1900 2650 作业机械的传动系统和驱动桥设计 4 第二章 传动系统及驱动桥概述 工程机械的动力装置和驱动轮之间的传动部件总称为传动系统 传动系统的功 用就是将发动机的动力按需要适当降低转速增加转矩后传动驱动轮上 使之适应工 程机械运行或作业的需要 此外 还具有切断动力 倒行 变速和差速的功能 目 前 工程机械如装载机采用的传动系统有以下四种类型 1 机械传动 2 液力 机械传动 3 液压传动 4 电传动 驱动桥是传动系统中主要的元件 其处于动力传动系的末端 主要有主传动器 差速器 半轴 轮边减速器和驱动 桥壳等部件 其基本功能是 1 将万向传动装置传 来的发动机转矩通过主传动器 差速器 半轴等传到驱动车轮 实现降低转速 增 大扭矩 2 通过主传动器圆锥齿轮副改变转矩的传递方向 3 通过差速器实现 两侧车轮差速作用 保证内 外侧车轮以不同转速转向 将动力合理的分配给左 右驱动车轮 4 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 设计驱动桥时应 满足如下基本要求 1 选择适当的主减速比 以保证汽车在给定的条件下具有最佳的动力性和燃油经济 性 2 差速器除了保证左 右驱动车轮差速滚动外 还能将转矩连续平稳的传递给驱动 轮 3 当左 右驱动轮与路面的附着条件不一致时 能充分的利用汽车的驱动力 4 外廓尺寸小 保证汽车具有足够的离地间隙 以满足通过性的要求 5 齿轮及其他传动件工作平稳 噪声小 6 在各种载荷和转速工况下有较高的传动效率 7 具有足够的强度和刚度 以承受和传递作用于路面和车架或车身间的各种力和力 矩 在此条件下 尽可能降低质量 尤其是簧下质量 减少不平路面的冲击载荷 提高汽车的平顺性 8 与悬架导向机构运动协调 9 结构简单 加工工艺性好 制造容易 维修 调整方便 作业机械的传动系统和驱动桥设计 5 第三章 装载机传动系统 装载机动力装置和行走装置 驱动轮 之间的传动部件总称为传动系统 装载 机传动系统的作用是将动力装置输出的动力按需要传动给驱动轮和其他机构 并解 决动力装置功率输出特性和行走装置动力需求之间的各种矛盾 以下就对装载机传 动系统结构进行分析 图 3 1 为我国目前最具代表性的第二代 ZL50 型轮式装载机的总体结构图 它 主要由柴油机系统 1 传统系统 2 防滚翻及落物保护装置 3 驾驶室 4 空调系统 5 转向系统 6 液压系统 7 车架 8 工作装置 9 制动系统 10 电气仪表系统 11 复盖件 12 操纵系统 13 等 13 个部分及系统组成 图 3 1 轮式装载机总体结构图 1 柴油机系统 2 传动系统 3 防滚翻与落物保护装置 4 驾驶室 5 空调系统 6 转向 系统 7 液压系统 8 车架 9 工作装置 10 制动系统 11 电气仪表系统 12 复盖件 空调系统及防滚翻与落物保护装置是第一代没有的 是第二产品新增加的 主 要是增加安全舒适性 其它部件如转向系统 制动系统 驾驶室 工作装置 车架 等也有重大变化 在第一代的基础上采用了十多项先进技术及选进结构 因此 第 二代与第一代相比在可靠性 安全舒适性 作业效率等都有相当大的提高 同时外 观造型也美观得多 3 1 装载机传动系统基本概况 作业机械的传动系统和驱动桥设计 6 图 3 2 所示 为我国当前典型的轮式装载机的传动系统 该系统由变速器 也 叫变矩器变速箱总成 3 驱动桥 8 传动轴 5 等组成 装载机传动系统如下图所示 图 3 2 轮式装载机传动系统简图 1 柴油机 2 变速器 3 变矩器 4 变速箱 5 传动轴 6 后传动轴 7 前传动轴 8 驱动桥 9 后桥 10 前桥 1 变速器 变速器 2 由液力变矩器 3 及变速箱 4 两部分组成 图示变矩器的一端与柴油机 1 另一端与变速箱 4 直接相连这样结构紧凑 连接可靠 是目前国内外轮式装载 机用得最多 最普遍的一种连接方式 其它还有变速器为一整体与柴油机分置 或 变矩器与柴油机直接相连而与变速箱分置 之间用传动轴连接 目前山工的 ZL50D 型 常林的 ZLM50E 型就是变矩器包括分动箱直接与柴油机相连 与变速箱分置 用传动轴相连的结构型式 图 3 3 就是 ZL50C 型变速器结构图 该变速器为双涡轮液力变矩器加行星式动 力换挡变速箱组成 该变速箱有一个前进 一个后退两个行星排 加上一个直接 挡 II 挡 共两前进 一后退三个挡 结构简单 挡位少 完全实现了单杆操纵 变矩器有两个涡轮 二涡轮直接传给变速箱输入轴 齿轮 为各挡轻载变速状态 一涡轮是通过超越离合器才传给变速箱输入轴 当各相应挡扭矩加大 速度降低到 超越离合器结合时 两个涡轮同时参加工作 为相应挡的低速大扭矩状态 这一切 都是由超越离合器通过速度的高低自动实现的 实际上该变速器有 4 个前进挡 2 作业机械的传动系统和驱动桥设计 7 个后退挡 因每个挡都有一个高低速自动换挡 因此该变速器这方面显示出了它的 优点 比普通多挡多杆操纵的变速器操纵性能要好 但它也有一个很主要的缺点 双涡轮变矩器比简单三元件变矩器效率低 功率损失大 目前这种定轴式变速箱还 未采用电子技术 因此都为普通的多杆操纵 CAT950B 型 小松的 WA380 3 型均 为四进四退变速器 单杆电液换挡或电脑集成控制 变矩器均为三元件简单式 变 速箱 CAT 为多排行星式 小松为定轴式 图3 3 柳工ZL50C型装载机变速器 变矩器变速箱总成 1 工作泵 2 变速泵 3 一级涡轮输出齿轮 4 二级涡轮输出齿轮 5 壳体 6 二级涡轮 7 一级 涡轮 8 导轮 9 泵轮 10 罩轮 11 弹性板 12 变速箱输入齿轮 13 大超越离合器滚子 14 大超越 离合器凸轮 15 大超越离合器外环齿轮 16 太阳轮 17 倒挡行星轮 18 倒挡行星架 19 挡行 星轮 20 倒挡内齿圈 21 输出轴 22 变速箱 23 中间轴输出齿轮 24 挡油缸 25 挡活塞 26 挡内齿圈 27 挡摩擦片 28 挡受压盘 29 倒挡 挡联接盘 30 挡行星架 31 挡油缸 32 挡活塞 33 挡内齿圈 34 挡摩擦片 35 倒挡摩擦片 36 倒挡活塞 37 转向泵输入齿轮 38 转向泵 39 箱体 作业机械的传动系统和驱动桥设计 8 目前第三代产品 比如柳工的ZL50G型 采用 ZF 公司生产的由三元件变矩器 与四挡前进三挡后退的定轴式变速箱组成的变速器 三元件变矩器效率高 采用微 电脑半自动控制的单手柄电液换挡 且作业时增设了I II挡快速切换按钮 KD按 钮 每个作业循环只需前后拨动一次手柄及按一次KD按钮 简便 快捷 操纵舒 适省力 从而大大提高了作业效率 该产品选进就在于它的变速操纵系统 2 驱动桥 驱动桥 8 由前桥 10 后桥 9 组成 图 3 2 由于装载机需要大的牵引力 因 此现代轮式装载机前后桥均为驱动桥 前桥直接固定在前车架上 后桥为摆动桥 通过副车架与后车架相连 现代轮式装载机基本上都采用铰接式转向 因此前后驱 动桥除主传动螺旋锥齿轮中的旋向不同外 其它件全部通用 第三代出现了后桥中 心摆动式 不再用副车架 而用摆动架与后车架相连 出现了后桥壳体与主传动托 架和前桥不通用 其余件仍然与前桥完全通用 我国目前轮式装载机的驱动桥基本上都是采用整体桥壳 全浮式半轴 具有主 传动及轮边两级减速的驱动桥 主传动一般都采用一级螺旋锥齿轮减速 轮边一般 都采用行星式轮边减速 图 3 4 为柳工 ZL50C 驱动桥 其结构具有普遍代表性 前 面表 1 中所列的国内 8 个产品的驱动桥全都是这种结构型式 图 3 4 驱动桥 作业机械的传动系统和驱动桥设计 9 1 主传动器 2 螺栓 3 透气管 4 螺栓 5 半轴 6 盘式制动器 7 油封 8 轮边支承轴 9 卡环 10 轴承 11 防尘罩 12 制动盘 13 轮毂 14 轮胎 15 轮辋 16 锁环 17 轮辋螺栓 18 行星轮架 19 内齿轮 20 齿圈 21 行星轮 22 垫片 23 行星齿轮轴 24 钢球 25 滚针轴承 26 盖 27 挡圈 28 太阳轮 29 密封垫 30 圆螺母 31 轴承 32 螺栓 33 螺塞 34 轮辋 目前第三代 ZL50 型轮式装载机驱动桥出现了带内藏湿式多片式制去路器械及 防滑差速器的驱动桥 改善了制动性能和恶劣作业条件下的通过性能及作业性能 柳工第三代产品 ZL50G 型所用的 ZF AP400 驱动桥就是这种驱动桥 ZF AP400 型驱动桥壳为整体式 内藏湿式多片式制动器在桥内部轮边减速器的内侧 还有一 种桥壳为三节式 轮边减速器及内藏湿式多片式制动器都集中在桥的中部 紧靠主 传动的两边 这种结构性能好 但制造难度较大 CAT 的 950B 型 小松的 WA380 3 型驱动桥都是这样的结构 还有一种与 ZF 的 AP400 型驱动桥差不多 惟一不同的是内藏湿式多片式制动器在轮边减速器的外侧 这种结构不大好 并不 多见 3 传动轴 传动轴基本上由汽车传动轴演变而来 我国第一代 ZL50 型六载机传动轴基本 上由 解放牌 东风牌 汽车传动轴改装而成 目前仍有很大一部分 ZL50 型轮式 装载机 包括厦 工 龙工的 ZL50C II 等都仍然用 东风牌 改装的传动轴 以柳工 ZL50C 型为首的 第二代产品 由于力量加大 扭矩加大 这种传动轴可靠性很不适应 改用由重型 汽车传动轴经专门设计为轮式装载机专用传动轴 承载能力比 东风 解放 传动 轴高一倍以上 可靠性大大提高 除柳工 ZL50C 型以外 已较为普遍地应用在第 二代甚至第三代 ZL50 型轮式装载机产品上 3 2 传动系统的类型及其特点 目前 装载机采用的传动系统主要有以下三种类型 1 机械传动 2 液力机械传动 3 液压传动 3 2 1机械传动 在工程机械中采用机械传动系统来驱动行走机构已有很长历史 虽然近年来在 一些作业时行驶阻力变化很大的机械中 如铲土运输机械 日益广泛地采用液力机 械传动 作业机械的传动系统和驱动桥设计 10 3 2 1 1机械传动的特点 机械传动具有如下优点 结构简单 工作可靠 价廉 重量轻 传动效率高等 优点 同时 由于湿式离合器的普遍采用及柴油机特性的改善在某种程度上改进了 机械传动的某些缺点 因此采用机械传动的工程机械仍占有相当的比例 其主要缺点是 1 当外阻力变化剧烈时易熄火 2 换档时动力中断时间长 3 机械循环作业时频繁换档劳动强度大 4 传动系零部件受到的冲击载荷大 5 机械变速箱档位较多 结构复杂 3 2 1 2 机械传动系统的传动路线及其示意图 装载机机械传动系统的传动路线如下所示 发动机 主离合器 变速箱 传动 轴 主传动器 差速器 轮边减速器 1 装载机机械传动系统简图如下图所示 图3 5 装载机机械传动系统示意图 1 离合器 2 变速箱 3 万向节 4 驱动桥 5 差速器 6 半轴 7 主减速器 8 传动轴 2 履带式装载机机械传动系统如下所示 作业机械的传动系统和驱动桥设计 11 图 3 6 履带式装载机传动系统简图 1 内燃机 2 齿轮箱 3 主离合器 4 变速器 5 主传动齿轮 6 转向离合器 7 终传动装置 8 驱动链轮 A 工作装置液压油泵 B 离合器液压油泵 C 转向离合器液压油泵 3 2 2 液力机械传动 在液力机械传动系中 由于液力变矩器冷却系统中的泵 过滤器 冷却器等液 力元件可兼用于动力换挡变速箱的操纵系统 故变速箱绝大多数采用动力换挡 中 大型装载机多采用夜里机械传动系统 3 2 2 1 液力机械传动系的特点 液力机械传动系的主要优点 1 变速箱档位少 动力换档轻 简化结构 2 发动机功率利用好 防熄火 换档次数少 劳动强度低 3 传动系振动小 机械零部件寿命长 4 机械可实现零起步 起步平稳 和机械传动系相比 液力机械传动系的主要缺点是成本高 上述种种优点 效 果并不显著 而由于变矩器的传动损失 增加了燃油消耗量 3 2 2 2 液力机械传动系统的传动路线及其示意图 轮式装载机液力机械传动传动路线为 发动机 变矩器 动力换档 变速箱 传动轴 主传动器 差速器 轮边减速器 履带式装载机液力机械传动传动路线为 发动机 变矩器 动力换档 变速 箱 中央传动 终传动装置 1 轮式装载机液力机械传动系统如下所示 作业机械的传动系统和驱动桥设计 12 图 3 7 轮式装载机液力机械传动系简图 1 液力变矩器 2 动力换挡变速箱 3 传动轴 4 驱动桥 2 ZL50 装载机液力机械传动系统简图如下所示 图3 8 ZL50装载机传动系统简图 1 液力变矩器 2 单向离合器 3 行星变速器 4 换挡离合器 5 脱桥机构 6 传动轴 作业机械的传动系统和驱动桥设计 13 3 2 3 液压传动 静液压式和液压机械式 液压传动分为静液压式和液压机械式两种类型 虽然很多工程机械的工作装置 中广泛采用液压传动系统 但在行走机构的传动系统中采用液压传动 前几年还只 限于压路机 小型装载机等少数机种 3 2 3 1 液压传动系统的特点 液压传动的主要优点 1 无级变速 速度变化范围大 可实现微动 2 系统元件少 布置方便 维护和操作简单 3 液压系统本身可实现制动 液压传动的主要缺点 液压元件加工精度和密封要求高 国产件的寿命短 使 用维护要求高 3 2 3 2 液压传动系统的传动路线及其示意图 静液压式传动路线 发动机 液压泵 液压马达 轮边减速器 液压机械式传动路线 发动机 液压泵 液压马达 减速箱 轮边减速器 静液压式传动系统如图所示 图3 9 静液式传动系示意图 液压自动控制装置变速操纵杆 液压马达 驱动桥 油泵 发动机 作业机械的传动系统和驱动桥设计 14 第四章 驱动桥结构分析 驱动桥的类型有断开式驱动桥和非断开式驱动桥两种 驱动桥的结构形式与驱动车轮的悬架形式密切相关 当车轮采用非独立悬架时 驱动桥应为非断开式 即驱动桥壳是一根连接左右驱动车轮的刚性空心梁 而主传 动 差速器及车轮传动装置 由左 右半轴组成 都装在里面 当采用独立悬架时 为保证运动协调 驱动桥应为断开式 这种驱动桥无刚性的整体外壳 主传动器及 其壳体装在车架或车身上 两侧驱动车轮则与车架或车身作弹性联系 并可彼此独 立地分别相对于车架或车身做上下摆动 车轮传动装置采用万向节传动 4 1 非断开式驱动桥 非断开式驱动桥 其结构简单 造假低廉 工作可靠 被广泛用于各种载货汽 车上 由于整个驱动桥都是簧下质量 因此对汽车的行驶平顺性和操作稳定性均不 利 并且差速器壳的尺寸较大 使汽车的离地间隙不能很大 4 2 断开式驱动桥 断开式驱动桥可以获得较大的离地间隙 并减少了非簧在质量 提高了行驶平 顺性 由于要求设计的是装载机的驱动桥 要设计这样一个级别的驱动桥 一般选用 非断开式结构以与非独立悬架相适应 因此 在此选用非断开式驱动桥 作业机械的传动系统和驱动桥设计 15 第五章 主传动器设计 主传动器的作用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 5 1 主传动器的结构形式 主传动器的结构形式主要根据齿轮类型 减速形式以及主从动齿轮的安装及支 承方式的不同分类 5 1 1 主传动器的齿轮类型 主减速器的齿轮有螺旋锥齿轮 双曲面齿轮 圆柱齿轮和蜗轮蜗杆等形式 在 此选用螺旋锥齿轮传动 因为螺旋锥齿轮传动的主 从动齿轮的轴线垂直交于一点 轮齿不是在齿的全长上同时啮合 而是逐渐有齿的一端连续而平稳的地转向另一端 另外 由于轮齿端面重叠的影响 至少有两个以上的轮齿同时啮合 因此可以承受 较大的负荷 所以工作平稳 制造也简单 但是其缺点是齿轮副锥顶稍有不吻合就 会使工作急剧变坏 并伴随磨损增大 噪声增大 所以为了保证齿轮副的正确啮合 必须提高刚度 增大壳体刚度 5 1 2 主传动器的减速形式 驱动桥按其减速形式分主要有三种 中央单级减速驱动桥 中央双级减速驱动 桥和中央单级 轮边减速驱动桥 在此选用中央单级 轮边减速驱动桥 这是因为 在重型汽车 越野汽车和大型客车上 要求有较大的主传动比和较大的离地间隙 这时就需要将双级主减速器中的第二级减速齿轮机构制成同样的两套 分别安装在 两侧驱动车轮的近旁 即成为轮边减速器 这样不仅使驱动桥中间部分主传动器轮 廓尺寸减小 增大离地间隙 并可得到大的主减速比 而且半轴 差速器及主传动 器从动齿轮零件的尺寸也可减小 其缺点是轮边减速器在一个桥上就需要两套 使 驱动桥的结构复杂 成本提高 布置轮毂 轴承 车轮和制动器较困难 轮边减速器采用单行星排直齿圆柱齿轮 5 1 3 主传动器主 从动锥齿轮的支承方式 主传动器主从 动齿轮只有正确的啮合 才能很好的工作 要保证正确的啮合 除与齿轮的加工质量 装配调整及轴承 减速器壳的刚度有关外 还与齿轮的支承 作业机械的传动系统和驱动桥设计 16 刚度密切相关 一 主动锥齿轮的支承 主动锥齿轮的支承形式可以分为悬臂式支承和跨置式支承两种 在此 选用跨置式支承 跨置式支承结构的特点是锥齿轮两端均有轴承支承 支承刚度大 大增大 又使轴承负荷减小 齿轮啮合条件改善 齿轮承载能力高于悬臂式 另外 因为轮齿大端一侧轴颈支承在两个相对并排安装的圆锥滚子上 可缩短主动齿轮轴 的长度 布置更加紧凑 并可减小传动轴夹角 有利于整车布置 但主传动器壳上 必须有支承齿轮小端一侧的轴承座 使壳体结构复杂 加工成本高 齿轮小端一侧 的轴承都采用圆柱滚子轴承 仅承受径向力 是易损坏的一个轴承 大部分工程车 辆都采用这种形式 二 从动齿轮的支承 从动锥齿轮的支承 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 为了增加支承刚度 两端轴承的圆锥滚子大端向内 以尽量减小 cod 的尺寸 为了使从动锥齿轮背面的差速器壳处有足够空间设置加强筋 提高齿 轮强度 并且使两个轴承之间的载荷尽可能均匀分布 尺寸 c 应接近于 d 且距离 cod 应不小于从动齿轮大端分度圆直径的 70 在具有大的主传动比和大的从动锥齿轮的主减速器中 有齿面上的轴向力形成 的力矩使从动锥齿轮产生较大的偏移变形 这种变形时危险的 为了减小此变形 可在从动锥齿轮的背面靠近主动齿轮的地方设计一个辅助支承销 当从动锥齿轮受 载变形超过允许值 0 25mm 左右时 支承销开始起作用 阻挡从动齿轮继续变形 5 2 主传动器的基本参数选择与计算 5 2 1 主传动器计算载荷的确定 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 Tec 5 niiiTKT f e d ce 01 max mN 1 式中 发动机至所计算的主减速器从动锥齿轮之间的传动系的最低挡传动比 f i 在此取 9 01 发动机的输出的最大转矩 在此取 400 maxeTmN 作业机械的传动系统和驱动桥设计 17 传动系上传动部分的传动效率 在此取 0 9 驱动桥数目在此取 2 n 取 1 0 当性能系数 0 时可取 2 0 dKoKpfoK 5 16 T gm 0 195 0 16 T gm 0 195 T gm 0 195 16 100 1 emax a emax a emax a 当 当 pf 2 满载时的总质量在此取 9290 amgK 所以 0 195 48 75 16 400 101000 0 即 1 0 pfoK 由以上各参数可求Tce 26986 752Tce 2 9 02 501 9 2 34400 1 mN 2 按驱动轮打滑转矩确定从动锥齿轮的计算转矩csT 5 irGT k ics mN 3 式中 满载时一个驱动桥给水平地面的最大负荷 预设后桥所承载 200000NiG 的负荷 轮胎对地面的附着系数 轮式工程车辆 0 85 1 0 履带式工程车辆 1 0 1 2 在此取 0 90 车轮的滚动半径 滚动半径为 0 65m r r I 分别为所计算的主减速器从动锥齿轮到驱动车轮之间的传动效率和传 动比 取 0 9 由于没有轮边减速器取 1 0 LB LB i 所以 34411 764irGT k ics 4 3 65 09 0200000 mN 3 按日常行驶平均转矩确定从动锥齿轮的计算转矩cfT 对于公路车辆来说 使用条件较非公路车辆稳定 其正常持续的转矩根据所谓 作业机械的传动系统和驱动桥设计 18 的平均牵引力的值来确定 5 mN PHR LBLB rTa cffff ni rGG T 4 式中 满载时的总重量 在此取 1000000N aG 所牵引的挂车满载时总重量 N 但仅用于牵引车的计算 TG 道路滚动阻力系数 在此取 0 02Rf 正常行驶时的平均爬坡能力系数 在此取 0 08Hf 在此取 0 pf 主传动器从动锥齿轮到驱动车轮之间的传动效率 在此取 0 9 LB 主传动器从动锥齿轮到驱动车轮之间的传动比 在此取 3 4 LB i n 计算驱动桥数 在此取 2 所以 PHR LBLB rTa cffff ni rGG T 1062 1 008 0 02 0 29 04 3 65 0 1000000 mN 按上述第一种 第二种方法确定的计算转矩 Tec Tics 不是汽车日常行驶 的平均转矩 仅为锥齿轮的最大转矩 因而不能用来进行疲劳寿命的计算 而只能 用作计算锥齿轮的最大应力 然而这两种载荷确定方法仍很重要 按这两种方法计 算的最大应力可以与同类汽车进行比较 也可以作为选择锥齿轮主要参数的依据 对于一个具体车辆的主传动器锥齿轮 可以取这两种方法计算结果的较小值作为算 转矩 按第三种方法 日常行驶平均转矩 确定的计算载荷 可以用来进行锥齿轮 的寿命计算 5 2 2 主传动器锥齿轮主要参数的选择 主传动器锥齿轮的主要参数有主 从动齿轮的齿数和 从动锥齿轮大端分 1 z 2 z 度圆直径 端面模数 主从动锥齿轮齿面宽和 中点螺旋角 法向压 2 D t m1b2b 力角等 1 主 从动锥齿轮齿数和 1 z 2 z 作业机械的传动系统和驱动桥设计 19 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 之间应避免有公约数 1 z 2 z 2 为了得到理想的齿面重合度和高的轮齿弯曲强度 主 从动齿轮齿数和应不 小于 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一般不小于 6 1 z 4 主传动比较大时 尽量取得小一些 以便得到满意的离地间隙 0 i 1 z 5 对于不同的主传动比 和应有适宜的搭配 1 z 2 z 根据以上要求参考 轮式装载机设计 中表 6 1 取 7 40 47 40 1 z 2 z 1 z 2 z 2 从动锥齿轮大端分度圆直径和端面模数的选择 2 D t m 对于单级主减速器 从动锥齿轮的尺寸大小除影响驱动桥壳的离地间隙外 还 影响跨置式主动齿轮前支撑架的位置和差速器的安装等 一般从动锥齿轮的分度圆 直径可以根据从动锥齿轮上的最大扭矩进行初步选定 可根据经验公式初选 即 2 D 5 3 22 cDTKD 5 式中 从动锥齿轮大端分度圆直径 mm 2 D 直径系数 一般取 13 0 15 32DK 从动锥齿轮的计算转矩 为 Tec 和 Tics 中的较小者TcmN 所以 13 0 15 3 389 87 458 85 2 D 3 226986 752mm 初选 425 则 425 40 10 625 2 Dmm t m 2 D2zmm 有参考 机械设计手册 2 表 23 4 3 中选取 11 所以 440 t m 2 Dmm 根据 来校核 11 选取的是否合适 其中 0 3 0 4 t m 3 cmTKsmmK 此处 0 3 0 4 8 997 11 996 因此满足校核 t m 3 26986 752 3 主 从动锥齿轮齿面宽和 1 b 2 b 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过窄及刀尖圆角过小 这样不但会减小了齿根圆角半 径 加大了集中应力 还降低了刀具的使用寿命 此外 安装时有位置偏差或由于 作业机械的传动系统和驱动桥设计 20 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 但齿面过窄 轮齿表面 的耐磨性和轮齿的强度会降低 对于从动锥齿轮齿面宽 推荐不大于节锥的 0 3 倍 即 而且 2 b2A223 0Ab 应满足 对于汽车主减速器圆弧齿轮推荐采用 2b t mb102 0 155 440 68 2 在此取 7022155 0 Db mmmm 一般习惯使锥齿轮的小齿轮齿面宽比大齿轮稍大 使其在大齿轮齿面两端都超 出一些 通常小齿轮的齿面加大 10 较为合适 在此取 751bmm 4 中点螺旋角 螺旋角沿齿宽是变化的 轮齿大端的螺旋角最大 轮齿小端螺旋角最小 弧齿 锥齿轮副的中点螺旋角是相等的 选时应考虑它对齿面重合度 轮齿强度和轴 向力大小的影响 越大 则也越大 同时啮合的齿越多 传动越平稳 噪声越 低 而且轮齿的强度越高 应不小于 1 25 在 1 5 2 0 时效果最好 但过大 会导致轴向力增大 轮式装载机上螺旋锥齿轮的平均螺旋角为 35 40 以采用 35 较为普遍 5 螺旋方向 从锥齿轮顶看 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的轴向 力的方向 当变速器挂前进挡时 应使主动锥齿轮的轴向力离开锥顶方向 这样可 使主 从动齿轮有分离的趋势 防止轮齿因卡死而损坏 所以主动锥齿轮选择为左 旋 从锥顶看为逆时针运动 这样从动锥齿轮为右旋 从锥顶看为顺时针 驱动汽 车前进 6 法向压力角 圆弧锥齿轮的压力角是以法向截面的压力角来标志的 加大压力角可以提高齿 轮的强度 减少齿轮不产生根切的最小齿数 但对于尺寸小的齿轮 大压力角易使 齿顶变尖及刀尖宽度过小 并使齿轮的端面重叠系数下降 所以在轻载荷工作的齿 轮中一般采用小压力角 可使齿轮运转平稳 噪音低 螺旋齿轮标准压力角 20 在轮式装载机上 为了提高轮齿的弯曲强度 一般采用 22 5 的压力角 作业机械的传动系统和驱动桥设计 21 5 2 3 螺旋锥齿轮的几何尺寸的计算 表 5 1 主传动器螺旋锥齿轮的几何尺寸计算表 序号项目计算公式计算结果 1 主动齿轮齿数 1z7 2 从动齿轮齿数 2z40 3 端面模数m 11 4齿面宽b 75 70 1b2b 5 工作齿高mhh a g 2 17 16 gh 6全齿高 mchh a 2 19 06 h 7法向压力角 22 5 8轴交角 90 9 节圆直径 dmz 77 1d 440 2d 10 节锥角 arc tan 1 2 1 z z 90 2 1 9 926 1 80 074 2 11 节锥距 A 1 1 sin2 d 0 2 2 sin2 d A 223 34 0 12周节t 3 1416 mt 34 54 13 齿顶高mhh a a 8 8 ah 14 齿根高 fh mcha 10 073 fh 15径向间隙c mc c 1 9