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毕业设计 论文 汽车主减速器结构设计 学院 机械与车辆学院 专业 姓名 指导老师 车辆工程 颜锦钊学号 职称 070403021035 王思卓 宋黎助教 教授 中国 珠海 二 一一年五月 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 I 汽车主减速器结构设计 摘要 本文首先介绍了主减速器的发展历史 地位和作用 以及未来发展趋势 研究了主减 速器的基本结构和工作原理 并以此作为理论基础 参照丰田皇冠 3 0 的技术参数 设计 了主减速器 对主减速器的齿轮的螺旋锥齿轮 双曲面齿轮 蜗杆传动 圆柱齿轮传动等 4 种形式进行了详细的比较和分析 最后选择了螺旋锥齿轮这种齿轮 对主减速器的几种 结构形式单级主减速器 双级主减速器 双速主减速器 中央单级轮边减速器等进行了分 析并选择了单级主减速器 本次设计又对主减速器中的齿轮各项参数进行了详细的计算以 及查阅资料加以选择 最后对齿轮的材料 热处理进行了选取并进行了详细的校核 关键词 主减速器 汽车 设计 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 II DesignDesignDesignDesign ofofofof thethethetheAutoMotiveAutoMotiveAutoMotiveAutoMotive MainMainMainMain ReducReducReducReducerererer AbstractAbstractAbstractAbstract This paper introduces the final drive of the development history status and role and future trends Of the final drive of the basic structure and working principle And as a theoretical foundation Toyota Crown 3 0 with reference to the technical parameters design of the main gear On the final drive gear spiral bevel gear gear worm gear spur gear drive etc 4 form a detailed comparison and analysis the final choice of the spiral bevel gear this gear Several of the main gear structure single stage main gear main gear bipolar two speed final drive the central single stage gear wheel are analyzed and selected a single stage main gear box The design is on the final drive gear in the parameters of a detailed calculation and data access to choice the last of the gear material heat treatment was selected and a detailed check KeyKeyKeyKey wordswordswordswords The main reducervehicledesign 目录 摘要 1绪论 1 1 1 前言 1 1 2 国内汽车主减速器发展现状 1 1 3 设计要求 5 2 主减速器结构方案分析及支承方式的选择 4 2 1 主减速器齿轮的选择 4 2 1 1 螺旋锥齿轮传动 4 2 1 2 双曲面齿轮传动 5 2 1 3 圆柱齿轮传动 6 2 1 4 蜗杆传动 6 2 2 主减速器减速形式的选择 7 2 2 1 中央单级减速器 7 2 2 2 双级主减速器 7 2 2 3 双速主减速器 7 2 2 4 中央单级 轮边减速器 8 2 2 5 主减速器的减速形式选择 8 2 3 主减速器主 从动锥齿轮的支承方案确定 9 2 3 1 主动锥齿轮的支承 9 2 3 2 从动锥齿轮的支承 10 3 主减速器的基本参数选择与设计计算 11 3 1 主减速器计算载荷的确定 11 3 2 主减速器基本参数选择 11 3 2 1 主 从动锥齿轮齿数 1 Z 和 2 Z 的选择 12 3 2 2 从动齿轮大端分度圆直径 2 D 和端面模数 t m 确定 12 3 2 3 主 从动锥齿轮齿面宽 1 b 和 2 b 的确定 13 3 2 4 中点螺旋角 的选择 13 3 2 5 螺旋方向确定 13 3 2 6 法向压力角的选择 13 3 3 主减速器圆弧锥齿轮的几何尺寸计算 14 4 主减速器圆弧锥齿轮的校核 17 4 1 单位齿长圆周力 17 4 2 轮齿的弯曲强度计算 17 4 3 轮齿接触强度 18 4 4 锥齿轮的材料及热处理选择 20 结论 21 参考文献 22 附录 23 谢辞 31 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 1 1绪论 1 1 前言 汽车主减速器是驱动桥中最重要的组成部分 其功用是将万向传动装置传来的发动机 转矩传递给驱动车轮 是汽车传动系中减小转速 增大扭矩的主要部件 对发动机纵置的 汽车来说 主减速器还有改变动力传输方向的作用 汽车正常行驶时 发动机的转速通常 在 2000 至 3000r min 左右 如果将这么高的转速只靠变速箱来降低下来 那么变速箱内齿 轮副的传动比则需要很大 齿轮的半径也相应加大 也就是说变速箱的尺寸会加大 另外 转速下降 扭矩必然增加 也加大了变速箱与变速箱后一级传动机构的传动负荷 所以 在动力向左右驱动轮分流的差速器之前设置一个主减速器 可以使主减速器前面的传动部 件 如变速箱 分动器 万向传动装置等传递的扭矩减小 同时也减小了变速箱的尺寸和 质量 而且操控灵敏省力 设计主减速器一般有下列要求 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 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 齿轮及其它传动件工作平稳 噪声小 在各种载荷和转速工况下有较高的传动效率 结构简单 加工工艺性好 制造容易 维修 调整方便 汽车主减速器设计参数对汽车的可靠性与耐久性有重要影响外 也对汽车的行驶性能 如动力性 经济性 平顺性 通过性等也有直接影响 1 2 国内车桥主减速器发展现状 在刚过去的 2010 年 中国车市以全年高达 1806 万辆的傲人销量 蝉联全球第一 我 国的汽车市场对外开发 汽车工业逐渐成为世界汽车整体市场的一个重要组成部分 同样 车用减速器也随着整车的发展不断成长和成熟起来 随着高速公路网状况的改善和国家环保法规的完善 环保 舒适 快捷成为汽车市场 的主旋律 对整车主要总成之一的驱动桥而言 小速比 大扭矩 传动效率高 成本低逐 渐成为汽车主减速器技术的发展趋势 产品上 国内汽车市场用户主要以承载能力强 齿轮疲劳寿命高 结构先进 易维护 等特点的产品为首选 设计开发上 CAD CAE C语言等计算机应用技术 以及AUTOCAD UG16 CATIA PRE 等设计软件先后应用于主减速器的结构设计和齿轮加工中 有限元分 析 数模建立 虚拟试验分析等也被采用 齿轮设计也初步实现了计算机编程的电算化 新 一代减速器设计开发的突出特点是 不仅在产品性能参数上进一步设计上完全遵从模块化 设计原则 产品配套实现车型的平台化 造型和结构更加合理 更宜于组织批量生产 更 适应现代工业不断发展 更能应对频繁的车型换代和产品系列化的特点 这些都对基础件 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 2 产品提出愈来愈高的配套要求 需要在产品设计上不断地进行二次开发和持续改进 以满 足快速多变的市场需求 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 尤其是齿轮制造技术缺乏独立开发与创新能力 技术手段落后 国 外己实现计算机编程化 电算化 目前比较突出的问题是 行业整体新产品开发能力弱 工艺创新及管理水平低 企业管理方式较为粗放 相当比例的产品仍为中低档次 缺乏有 国际影响力的产品品牌 行业整体散乱情况依然严重 这需要我们加快技术创新 技术进 步的步伐 提高管理水平 加快与国际先进水平接轨 开发设计适应中国国情的高档车用 减速器总成 由仿制到创新 早日缩小并消除与世界先进水平的差距 近几年来 国内汽 车生产厂家 如重汽集团 福田汽车 江淮汽车等通过与国外卡车巨头 如沃尔沃 通用 五十铃 现代 奔驰 雷诺等进行合资合作 在车桥减速器的开发上取得了显著的进步 目前 上汽集团 东风 一汽 北汽等各大汽车集团也正在开展合作项目 希望早日实与 世界先进技术的接轨 争取设计开发的新突破 总体来说 车用减速器发展趋势和特点是向着六高 二低 二化方向发展 即高承载 能力 高齿面硬度 高精度 高速度 高可靠性 高传动效率 低噪声 低成本 标准化 多样化 计算机技术 信息技术 自动化技术广泛应用 从发动机的大马力 低转速的发 展趋势以及商用车的最高车速的提升来看 公路用车桥减速器应该向小速比方向发展 在最 大输出扭矩相同时齿轮的使用寿命要求更高 齿轮疲劳寿命平均可达 50 万次以上 在额定 轴荷相同时 车桥的超载能力更强 主减速器齿轮使用寿命更长 噪音更低 强度更大 润 滑密封性能更好 整体刚性好 速比范围宽 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 3 1 3 设计要求 表 1 1设计基础数据 序号技术参数结果 1车型丰田皇冠 3 0Royal saloon 2空载质量1740kg 3 前 后 950kg 790kg 4满载质量2115kg 5 前 后 1115kg 1000kg 6 轮距前 轮距后 1540mm 1540mm 7最高车速230km h 8 传动系最大传动比 主减速器传动比 3 538 3 727 9额定功率167kw 10最大转矩293N m 11轮胎规格235 50 R17 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 4 2 主减速器结构方案分析及支承方式的选择 由于要求设计的是后驱车的主减速器 由于非断开式结构简单 造价低廉 工作可靠 所以本次设计采用非段开式驱动桥 该种形式的驱动桥是一根支撑在左右驱动车轮的刚性 空心梁 一般是铸造或钢板冲压而成 主减速器装在其中 图参考 1 1 差速器轴承盖 2 轴承调整螺母 3 13 17 圆锥滚子轴承 4 主减速器壳 5 差速器壳 6 支承螺栓 7 从动锥齿轮 8 进油道 9 14 调整垫片 10 防尘罩 11 叉形凸缘 12 油封 15 轴承座 16 回油 道 18 主动锥齿轮 19 圆柱滚子轴承 20 行星齿轮垫片 21 行星齿轮 22 半轴齿轮推力垫片 23 半轴齿轮 24 行星齿轮轴 25 螺栓 图 2 1驱动桥的结构 2 1 主减速器齿轮的选择 主减速器的结构形式主要是根据齿轮类型 减速形式的不同而不同 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 2 1 1 螺旋锥齿轮传动 螺旋锥齿轮传动 图 2 2a 的主 从动齿轮轴线垂直相交于一点 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 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 5 a 螺旋锥齿轮传动b 双曲面齿轮传动c 圆柱齿轮传动d 蜗杆传动 图 2 2主减速器齿轮传动形式 2 1 2 双曲面齿轮传动 双曲面齿轮传动 图 2 2b 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 距离 E 此距离称为偏移距 由于偏移距 E 的存在 使主动齿 轮螺旋角 1 大于从动齿轮螺旋角 2 根据啮合面上法向力相等 可求出主 从动齿轮圆周 力之比 双曲面齿轮有一些优缺点 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 1 大于从动齿轮的 2 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 双曲面主动齿轮的变大 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 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 6 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 2 1 3 圆柱齿轮传动 圆柱齿轮传动一般采用斜齿轮 广泛应用于发动机横置且前置前驱动的贯通式驱动 桥 2 1 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 由于本次设计的是轿车 而它的主减速器比为 3 727 综合考虑 采用螺旋锥齿轮传 动比较适合它的各方面性能 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 7 2 2 主减速器减速形式的选择 主减速器的结构形式主要是根据其齿轮的类型 主动齿轮和从动齿轮的安置方法以及 减速形式的不同而异 按主减速器的类型分 基本形式有几种如下 2 2 1 中央单级减速器 单级主减速器可由一对圆锥齿轮 一对圆柱齿轮或由蜗轮蜗杆组成 具有结构简单 质量小 成本低 使用简单等优点 但是其主传动比不能太大 一般 0 i 7 进一步提高 0 i 将增大从动齿轮直径 从而减小离地间隙 且使从动齿轮热处理困难 单级主减速器广泛 应用于轿车和轻 中型货车的驱动桥中 2 2 2 双级主减速器 双级主减速器与单级相比 在保证离地间隙相同时可得到大的传动比 0 i一般为 7 12 但是尺寸 质量均较大 成本较高 它主要应用于中 重型货车 越野车和大客车上 纵向水平布置可以使总成的垂向轮廓尺寸减小 从而降低汽车的质心高度 但使纵向尺寸 增加 用在长轴距汽车上可适当减小传动轴长度 但不利于短轴距汽车的总布置 会使传 动轴过短 导致万向传动轴夹角加大 垂向布置使驱动桥纵向尺寸减小 可减小万向传动 轴夹角 但由于主减速器壳固定在桥壳的上方 不仅使垂向轮廓尺寸增大 而且降低了桥 壳刚度 不利于齿轮工作 这种布置可便于贯通式驱动桥的布置 在设计某些重型汽车 矿山自卸车 越野车和大型公共汽车的驱动桥时 由于传总动出敷大 为了使变速器 分 动器 传动轴等总成所受载荷尽量小 往往将驱动桥的速比分配得较大 2 2 3 双速主减速器 双速主减速器内由齿轮的不同组合可获得两种传动比 它与普通变速器相配合 可得 到双倍于变速器的挡位 双速主减速器的高低挡减速比是根据汽车的使用条件 发动机功 率及变速器各挡速比的大小来选定的 大的主减速比用于汽车满载行驶或在困难道路上行 驶 以克服较大的行驶阻力并减少变速器中间挡位的变换次数 小的主减速比则用于汽车 空载 半载行驶或在良好路面上行驶 以改善汽车的燃料经济性和提高平均车速 双速主减速器可以由圆柱齿轮组或行星齿轮组构成 圆柱齿轮式双速主减速器结构尺 寸和质量较大 可获得的主减速比较大 只要更换圆柱齿轮轴 去掉一对圆柱齿轮 即可 变型为普通的双级主减速器 行星齿轮式双速主减速器结构紧凑 质量较小 具有较高的 刚度和强度 桥壳与主减速器壳都可与非双速通用 但需加强行星轮系和差速器的润滑 双速主减速器的换挡是由远距离操纵机构实现的 一般有电磁式 气压式和电一气压 综合式操纵机构 由于双速主减速器无换挡同步装置 因此其主减速比的变换是在停车时 进行的 双速主减速器主要在一些单桥驱动的重型汽车上采用 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 8 2 2 4 中央单级 轮边减速器 当主减速比 0 i大于 12 时 一般的整体式双级主减速器难以达到要求 此时常采用轮边 减速器 这样 不仅使驱动桥的中间尺寸减小 保证了足够的离地间隙 而且可得到较大 的驱动桥总传动比 另外 半轴 差速器及主减速器从动齿轮等零件由于所受载荷大为减 小 使它们的尺寸可以减小 但是由于每个驱动轮旁均设一轮边减速器 使结构复杂 成 本提高 布置轮毂 轴承 车轮和制动器较困难 2 2 5 主减速器的减速形式选择 综上所述 中央单级主减速器 它还有以下几点优点 l 结构最简单 制简单 成本较造工艺低 是驱动桥的基本类型 在汽车上占有重要 地位 2 汽车发动机向低速大转矩发展的趋势 使得驱动桥的传动比向小速比发展 3 随着公路状况的改善 特别是高速公路的迅猛发展 汽车使用条件对汽车通过性的 要求降低 4 与带轮边减速器的驱动桥相比 由于产品结构简化 单级减速驱动桥机械传动效率 提高 易损件减少 可靠性提高 单级驱动桥产品的优势为单级驱动桥的发展拓展了广阔的前景 从产品设计的角度 看 汽车产品在主减速比小于 7 的情况下 应尽量选用单级主减速器 由于本次设计的轿车主减速器比为 3 727 小于 7 单级主减速器结构简单而且成本低 所以此次设计采用中央单级主减速器 2 3 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 与齿轮的支承刚度密切相关 2 3 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 悬臂式支承结构 图 3 1a 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 为了减小悬臂长度倪和增加两支承间的距离 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 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 9 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 a 主动锥齿轮悬臂式b 主动锥齿轮跨置式c 从动锥齿轮 图 3 1主减速器锥齿轮的支承形式 悬臂式支承结构简单 支承刚度较差 用于传递转矩较小的轿车 轻型货车的单级主 减速器及许多双级主减速器中 跨置式支承结构 图 3 1b 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 2 3 2 从动锥齿轮的支承 从动锥齿轮的支承 图 3 1c 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 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 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 所以本次设计采用悬臂式 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 10 3主减速器的基本参数选择与设计计算 主减速器载荷的运算主要有 3 种 1 按发动机最大转矩和最低挡传动比确定从动锥 齿轮的计算转矩Tce 2 按驱动轮打滑转矩确定从动锥齿轮的计算转矩Tcs 3 按汽车 日常行驶平均转矩确定从动锥齿轮的计算转矩Tcf 3 1 主减速器计算载荷的确定 1 按发动机最大转矩和最低挡传动比确定从动锥齿轮的计算转矩Tce 从动锥齿轮计算转矩查书 2 Tce n iikiTk Tce fed 01max 3 1 式中 Tce 计算转矩 mN maxe T 发动机最大转矩 maxe T 293mN n 计算驱动桥数 1 f i 分动器传动比 f i 1 0 i 主减速器传动比 0 i 3 727 变速器传动效率 取 0 9 k 液力变矩器变矩系数 k 1 d K 由于猛接离合器而产生的动载系数 d K 1 1 i 变速器最低挡传动比 1 i 3 538 代入式 3 1 有 Tce 3477mN 主动锥齿轮计算转矩T 932mN 2 按驱动轮打滑转矩确定从动锥齿轮的计算转矩 csT mmrCS irGT 2 3 2 式中 2 G 汽车满载时一个驱动桥给水平地面的最大负荷 后桥所承载 10000N 的负荷 轮胎对地面的附着系数 对于安装一般轮胎的公路用车 取 0 85 对于越野 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 11 汽车取 1 0 对于安装有专门的防滑宽轮胎的高级轿车 计算时可取 1 25 r r 车轮的滚动半径 在此选用轮胎型号为 235 50 R17 则车轮的滚动半径为 0 308m m m 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 LB 取 0 9 由于没有轮边减速器 LB i取 1 0 所以 LBLBr csirGT 2 0 19 0 308 0 25 1 10000 mN 7 4277 3 按汽车日常行驶平均转矩确定从动锥齿轮的计算转矩 cf T 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的平均 牵引力的值来确定 N m PHR LBLB rTa cffff ni rGG T 3 3 式中 aG 汽车满载时的总重量 21150N TG 所牵引的挂车满载时总重量 N 但仅用于牵引车的计算 Rf 道路滚动阻力系数 对于轿车可取 0 01 0 020 在此取 0 015 Hf 汽车正常行驶时的平均爬坡能力系数 对于轿车可取 0 05 0 09 在此取 0 08 pf 汽车的性能系数在此取 0 m 主减速器主动齿轮到车轮之间的效率 m i 主减速器从动齿轮到车轮之间的传动比 n 驱动桥数 所以 PHR LBLB rTa cffff ni rGG T 08 0015 0 10 19 0 308 0 2000000 5578 2mN 3 2 主减速器基本参数选择 主减速器锥齿轮的主要参数有主 从动齿轮的齿数 1 Z和 2 Z 从动锥齿轮大端分度圆直 径 2 D 端面模数 t m 主从动锥齿轮齿面宽 1 b和 2 b 中点螺旋角 法向压力角 等 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 12 3 2 1 主 从动锥齿轮齿数 1 Z 和 2 Z 的选择 选择主 从动锥齿轮齿数时应考虑如下因素查 3 1 为了磨合均匀 1 Z 2 Z之间应避免有公约数 2 为了得到理想的齿面重合度和高的轮齿弯曲强度 主 从动齿轮齿数和应在 40 60 之间 3 为了啮合平稳 噪声小和具有高的疲劳强度对于商用车 1 Z一般不小于 8 4 主传动比 0 i 较大时 1 Z尽量取得小一些 以便得到满意的离地间隙 5 对于不同的主传动比 1 Z和 2 Z应有适宜的搭配 参照 4 表 4 4 主减速比在 3 44 3 99 之间 根据以上要求 这里取 1 Z 10 2 Z 37 能够满足条件 1 Z 2 Z 47 在范围内 3 2 2 从动齿轮大端分度圆直径 2 D 和端面模数 t m 确定 对于单级主减速器 增大尺寸 2 D会影响驱动桥壳的离地间隙 减小 2 D又会影响跨置 式主动齿轮的前支承座的安装空间和差速器的安装 2 D可根据经验公式初选 即 3 22 cDTKD 3 4 2DK 直径系数 一般取 13 16 Tc 从动锥齿轮的计算转矩 mN 为Tce和Tcs中的较小者 所以 3 2 3477 16 0 13 D mm 4 242 9 196 初选mmD220 2 则mmZDmt94 5 37220 22 参考 5 选取 t m6mm 则 2 D 222mm 根据 t m 3 cmTK来校核mmmt6 选取的是否合适 其中 4 0 3 0 m K 此处 04 6 54 4 3477 4 0 3 0 3 t m 因此满足校核条件 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 13 3 2 3 主 从动锥齿轮齿面宽 1 b 和 2 b 的确定 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 2 b 推荐不大于节锥2A的 0 3 倍 即 22 3 0Ab 而且 2 b应满 足 t mb10 2 对于汽车主减速器圆弧齿轮推荐采用 mmDb41 34342155 0 155 0 22 在此取 35mm 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 通常使小齿轮的齿面比大齿轮大 10 在此取 1b 40mm 3 2 4 中点螺旋角 的选择 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 应在 1 5 1 8 时效果最好 但 过大 会导致轴向力增大 汽车主减速器弧齿锥齿轮的平均螺旋角为 35 40 而商用车选用较小的 值以防止 轴向力过大 通常取 35 3 2 5 螺旋方向 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 3 2 6 法向压力角的选择 法向压力角大一些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 并使齿轮的端面重合度下降 对于 弧齿锥齿轮 轿车的 一般选用 14 30 或 16 载重货车的 为 20 或 22 30 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 14 这里取 16 3 3 主减速器圆弧锥齿轮的几何尺寸计算 表 3 1主减速器螺旋锥齿轮的几何尺寸计算用表 6 序号项目计算公式计算结果 1 主动齿轮齿数 1 Z10 2从动齿轮齿数 2 Z37 3端面模数 m 6mm 4齿面宽bmmb40 1 mmb35 2 5工作齿高mhh ag 2 gh 10 2mm 6全齿高mchh a 2 h 11 328mm 7法向压力角 16 8轴交角 90 9分度圆直径mzd 1d 60mm 2d 222mm 10节锥角 2 1 1 arctan Z Z 1 0 2 90 1 15 124 2 74 876 11节锥距 2 2 1 1 0 sin2sin2 dd A 0 A 114 98mm 12齿距mt1416 3 t 18 85mm 13齿顶高mhh aa a h 5 1mm 14齿根高mchh af f h 6 228mm 15径向间隙 mcc c 1 128mm 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 15 续表 3 1主减速器螺旋锥齿轮的几何尺寸计算用表 6 序号项目计算公式计算结果 16齿根角 o f f A h arctan f 3 1 17面锥角 211fa 122fa 1a 18 224 2a 77 976 18根锥角 1f 11f 2f 22f 1f 12 024 2f 71 776 19齿顶圆直径 1111 cos2 aa hdd 2222 cos2 aa hdd 1a d 69 847mm 2a d 224 661mm 20 节锥顶点止齿轮外 缘距离 11 2 1 sin 2 aK h d A 222 sin 2 1 aK h d A 1K A 109 669mm 2K A 25 077mm 21理论弧齿厚 21 sts mss k 2 1 s 13 69mm 2 s 5 16mm 22齿侧间隙 B0 305 0 4060 4mm 23螺旋角 35 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 16 4主减速器圆弧锥齿轮的校核 在选好主减速器齿轮的主要参数后 应根据所选的齿形计算锥齿轮的几何寸 对其强 度进行计算 以保证其有足够的强度和寿命 4 1 单位齿长圆周力 许用的单位齿长圆周力 见表 在现代汽车设计中 由于材质及加工工艺等制造质 量的提高 有时高出表中数值的 20 25 表 4 2许用应力 参数按发动机最大转矩计算时 N mm 1 按驱动轮打滑转矩计算时 p N mm 1 汽车类别一档二档三档 轿车893536321893 在汽车主减速器齿轮的表面耐磨性 常常用其在轮齿上的假定单位压力即单位齿长 圆周力来估算 即 mmN b F p 2 4 1 式中 p 作用在齿轮上的圆周力 按发动机最大转矩 maxe T和最大附着力矩 r rG 2 两种载荷工况进行计算 N 2 b 从动齿轮的齿面宽 在此取 35mm 按发动机最大转矩计算时 mmN bd iT p ge 2 10 21 3 max 4 2 式中 maxe T 发动机输出的最大转矩 在此取 293mN g i 变速器抵挡的传动比 3 583 1 d 主动齿轮节圆直径 在此取 60mm 按上式27 987 26035 10538 3 293 3 pmmN 最大附着力矩计算时 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 17 mmN bd rG p r 2 10 22 3 2 4 3 式中 2 G 汽车满载时一个驱动桥给水平地面的最大负荷 对于后驱动桥还应考虑 汽车最大加速时的负荷增加量 在此取 10000 N 轮胎与地面的附着系数 在此取 0 85 r r 轮胎的滚动半径 在此取 0 308 m 按上式87 673 235222 10308 0 85 0 10000 3 pmmN 在现代汽车的设计中 由于材质及加工工艺等制造质量的提高 单位齿长上的圆周力 有时提高许用资料的 20 25 1072N mm 2 1116N mm 2 经验算以上两数据都在许用范 围内 故满足条件 4 2 轮齿的弯曲强度计算 表 4 3汽车驱动桥齿轮的许用应力 单位 N mm 2 计算载荷 主 减 速 器 齿 轮 的 许 用 弯 曲应力 主 减 速 器 齿 轮 的 许 用 接 触应力 差速器齿轮 的 许用弯曲应力 计算出的最大计算转矩Tce Tcs中的较小者 7002800980 计算出的平均计算转矩Tcf 210 91750210 9 汽车主减速器锥齿轮的齿根弯曲应力为 mm 102 2 0 3 N JmzbK KKKT v ms 4 4 式中 T 该齿轮的计算转矩 取从动为 3477N m 主动为 932n m 0 K 超载系数 在此取 1 0 s K 尺寸系数 反映材料的不均匀性 与齿轮尺寸和热处理有关 当6 1 m时 4 4 25 m Ks 在此 4 4 25 6 s K 0 697 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 18 m K 载荷分配系数 当两个齿轮均用骑马式支承型式时 m K 1 00 1 1 其他方式支承时取 1 10 1 25 支承刚度大时取最小值 v K 质量系数 对于汽车驱动桥齿轮 当齿轮接触良好 周节及径向 跳动精度高时 可取 1 0 b 计算齿轮的齿面宽 mm z 计算齿轮的齿数 m 端面模数 mm J 计算弯曲应力的综合系数 或几何系数 它综合考虑了齿形系数 载荷作用点的位置 载荷在齿间的分布 有效齿面宽 应力集中系数及惯性系数等对 弯曲应力计算的影响 计算弯曲应力时本应采用轮齿中点圆周力与中点端面模数 今用大 端模数 而在综合系数中进行修正 按图 4 1 选取小齿轮的J 0 225 大齿轮J 0 215 按上式MPAMPA70008 441 6225 0 10401 1 1697 0 1932102 2 3 1 MPAMPA70092 531 215 0 637351 1 1697 0 13477102 2 3 2 所以主减速器齿轮满足弯曲强度要求 图 4 1弯曲计算用综合系数 J 4 3 轮齿接触强度 锥齿轮轮齿的齿面接触应力为 30 1 10 2 jv fmsZp j bJk kkkkT D c 4 5 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 19 式中 j 锥齿轮轮齿的齿面接触应力 MPA 1 D 主动锥齿轮大端分度圆直径 mm D1 60mm b 主 从动锥齿轮齿面宽较小值 b 35mm f k 齿面品质系数 取 1 0 p c 综合弹性系数 取 232N1 2 mm s k 尺寸系数 取 1 0 j J 齿面接触强度的综合系数如图 4 2 取 0 25 Z T 主动锥齿轮计算转矩 Z T 932N m 0 k m k v k选择同式 4 4 将各参数代入式 4 5 有 j 1784MPa 按照 7 j j 2800MPa 轮齿接触强度满足要求 图 4 2接触计算用综合系数 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 20 4 4 锥齿轮的材料及热处理的选择 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 18CrMnTi 20MnVB 20MnTiB 22CrNiMo 和 22CrMnMo 等 齿轮的处理一般采用渗碳处理 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 一 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 面壶行应力喷丸处理 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 以击高耐磨性 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 死习胶合 综合考虑本次材料选择 22CrMnMo 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 21 结论 本次毕业设计对汽车主减速器主要部件作了具体的设计 计算 校核 并对减速器的 齿轮材料和热处理进行了选取 由于目前汽车主减速器的结构复杂 型式多样 在设计中不免会有很多问题不明确 比如说螺旋锥齿轮的设计过程涉及到很多参数 一些配合要求都不是太好协调 查阅了图 书馆的资料 询问了老师同学 才一点一点解决 本次毕业设计 从主减速器的初步设计 传动简图的初步绘制 到后来的精确设计计 算 以及整个过程中各零部件的选择 都在老师的精心指导下 通过查阅大量的资料 经 过了多次的修改和优化设计而完成的 虽然与专业的设计还有很大差距 但作为初次设计 我们都积累了一定的经验 也对自己的最终成果比较满足 通过本次毕业设计 使我建立 了准确的设计思路 初步把握了解决本专业问题的方法和手段 在本次毕业设计过程中 在感受自己辛勤付出的同时 更多的是收获的喜悦 通过本 次设计 我想我以达到以下目的 1 对大学所学的知识 从基础学科到专业基础课 再到专业课知识进行了一次比较 系统的回忆与总结 2 培养了自己从提出设想到分析问题 再到解决问题的一种思维能力 3 培养了自己理论联系实际 用所学知识综合解决工程技术问题的能力 4 进一步提高了自己对 Auto CAD Word CATIA 等计算机软件的运用能力 对以 后的绘图和办公帮助很大 5 练习和提高了自己机械设计的基本理论和技能 为以后的工作起到了很好的锻炼 机会 6 培养独立思索 独立工作的能力 锻炼了自己求真务实 吃苦耐劳的工作作风 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 22 参考文献 1 吉林大学 陈家瑞 主编 汽车构造 下册 北京 机械工业出版社 2005 2 邓亚东 过学迅 主编 汽车设计 北京 人民交通出版社 2005 3 北京信息科技大学 王国权主编 汽车设计 北京 机械工业出版社 2004 4 李仲生 主编 机械设计 北京 高等教育出版社 2006 5 廖念钊等编 互换性与技术测量 第四版 北京 中国计量出版社 2000 6 朱孝录 主编 齿轮传动设计手册 北京 化学工业出版社 2005 7 邓子龙 主编 机械设计基础课程设计 北京 科学出版社 2006 北京理工大学珠海学院 2011 届本科生毕业设计 23 附录 AutomotiveAutomotiveAutomotiveAutomotive F F F Finalinalinalinal D D D Driveriveriverive i i i in n n n t t t thehehehe D D D Developmentevelopmentevelopmentevelopment ofofofof A A A Automaticutomaticutomaticutomatic DetectionDetectionDetectionDetectionT T T Technologyechnologyechnologyechnology 1 1 1 1 SignificanceSignificanceSignificanceSignificance ofofofof detectiondetectiondetectiondetection ofofofof mainmainmainmain reducerreducerreducerreducer Avehicle drive axle final drive an important component of the widely used in various types of vehicles it will directly affect the quality of the performance of the vehicle its failure is often an important factor in failure induced by the vehicle Which were detected on the main gear of great practical significance through noise vibration and other indicators of measurement can not only accurately determine whether the product i