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中文題目：中型汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析
外文題目：THE DESIGN AND SIMULATIAN ANALYSIS OF THE MEDIUM-SIZED AUTOMOTIVE DRIVE SYSTEM
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）共 85 頁(yè)（其中：外文文獻(xiàn)及譯文13頁(yè)） 圖紙共 4 張
完成日期 2018年6月15日 答辯日期 2018年6月20日
目錄
前言 1
1驅(qū)動(dòng)橋總體布置方案分析 2
1.1概述 2
1.2設(shè)計(jì)主要參數(shù) 2
1.2.1主減速比的計(jì)算 3
1.2.2一擋傳動(dòng)比的確定 4
1.3驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)形式的選擇 5
2主減速器設(shè)計(jì) 6
2.1主減速器結(jié)構(gòu)方案分析 6
2.1.1主減速器齒輪的類(lèi)型 6
2.1.2雙級(jí)主減速器的結(jié)構(gòu)方案 6
2.1.3主減速器主、從動(dòng)錐齒輪的支承方案 7
2.2主減速器比的分配 7
2.3第一級(jí)減速器錐齒輪的設(shè)計(jì) 8
2.3.1主減速器齒輪計(jì)算載荷的確定 8
2.3.2錐齒輪主要參數(shù)的選擇 10
2.3.3主減速器錐齒輪的強(qiáng)度校核 14
2.3.4錐齒輪的材料選擇 18
2.4第二級(jí)減速器斜齒圓柱齒輪的設(shè)計(jì) 18
2.4.1斜齒圓柱齒輪主要參數(shù)的選擇 18
2.4.2斜齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 20
2.4.3斜齒圓柱齒輪的材料選擇 21
3差速器設(shè)計(jì) 23
3.1差速器結(jié)構(gòu)形式的確定 23
3.2差速器齒輪的設(shè)計(jì) 23
3.2.1差速器齒輪的參數(shù)選擇 23
3.2.2差速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 26
3.2.3差速器齒輪的材料選擇 26
4車(chē)輪傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 27
4.1半軸的型式選擇 27
4.2半軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 27
4.2.1半軸的直徑及長(zhǎng)度選擇 27
4.2.2半軸的強(qiáng)度計(jì)算 28
4.2.3半軸的材料選擇 28
5驅(qū)動(dòng)橋的橋殼設(shè)計(jì) 29
5.1橋殼結(jié)構(gòu)型式的選擇 29
5.2橋殼的尺寸選擇及靜彎曲應(yīng)力計(jì)算 29
6驅(qū)動(dòng)橋三維造型設(shè)計(jì)及仿真分析 32
6.1驅(qū)動(dòng)橋零件的建模 32
6.1.1第一級(jí)減速器錐齒輪的建模及嚙合裝配 32
6.1.2第二級(jí)斜齒圓柱齒輪的建模及嚙合裝配 39
6.1.3行星齒輪和半軸齒輪的建模及嚙合 43
6.1.4半軸的建模 45
6.1.5驅(qū)動(dòng)橋橋殼的建模 46
6.2驅(qū)動(dòng)橋零件的裝配及仿真 52
6.2.1驅(qū)動(dòng)橋各部分零件的裝配 52
6.2.2驅(qū)動(dòng)橋運(yùn)動(dòng)仿真分析 56
6.3驅(qū)動(dòng)橋橋殼的有限元分析 58
6.3.1最大垂向力分析 60
6.3.2最大牽引力分析 62
6.3.3最大制動(dòng)力分析 64
6.3.4最大側(cè)向力分析 66
7驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析 69
8結(jié)論 70
致謝 71
參考文獻(xiàn) 72
附錄A 譯文 73
附錄Ｂ 外文文獻(xiàn) 79
摘要
我國(guó)商用車(chē)的制造已經(jīng)成熟化，在亞洲和非洲開(kāi)辟出新市場(chǎng)。驅(qū)動(dòng)橋作為商用車(chē)底盤(pán)中關(guān)鍵部分，其設(shè)計(jì)要精益求精。
本設(shè)計(jì)對(duì)國(guó)產(chǎn)商用車(chē)福田歐馬可5系底盤(pán)進(jìn)行了分析，決定對(duì)其驅(qū)動(dòng)后橋做優(yōu)化設(shè)計(jì)。先查閱多本教材及圖書(shū)館參考書(shū)籍，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)主要部分一一分析，選型后選擇合理數(shù)據(jù)，計(jì)算校核。其次根據(jù)計(jì)算所得出的各零部件參數(shù)，用自己熟悉的制圖軟件繪制零件圖，再自己設(shè)計(jì)出裝配圖。通過(guò)制圖來(lái)找出自己在計(jì)算設(shè)計(jì)中的失誤之處，修改所得參數(shù)并修改圖紙。使用UG10.0輔助、三維建模，并用其自帶高級(jí)仿真模塊對(duì)橋殼有限元分析。
本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)橋可以安裝到大部分中型汽車(chē)上，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)和優(yōu)化做提供了案例。
關(guān)鍵詞：主減速器；橋殼；半軸；橋殼；驅(qū)動(dòng)橋；有限元分析
Abstract
The manufacture of commercial vehicles in China has matured and opened up new markets in Asia and Africa. As a important part of the chassis of a commercial vehicle, the drive axle must be designed critically.
The design of the domestic commercial vehicle Futian Ouma 5 Series chassis was analyzed and it was decided to optimize the design of its rear axle. First consult multiple textbooks and library reference books, analyze the main parts of the drive axle one by one, select reasonable data after the selection, and calculate and verify. Secondly, according to the calculated parameters of each part, use the familiar drawing software to draw the parts drawing, and then design the assembly drawing by yourself. Use cartography to find out where your mistakes are in the calculation design, modify the resulting parameters, and modify the drawings. Use UG10.0 assisted, three-dimensional modeling, and use its own advanced simulation module for finite element analysis of the axle housing.
The design of the drive axle can be installed on most medium-sized vehicles, providing a case for the design and optimization of the drive axle.
Key words:Main reducer; axle housing; half shaft; axle housing; drive axle;Finite element analysis
3
前言
近年來(lái)我國(guó)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展迅猛，我國(guó)商用車(chē)出口至很多國(guó)家，開(kāi)辟了新興市場(chǎng)。汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是底盤(pán)四大系統(tǒng)中行駛系統(tǒng)至關(guān)重要的一環(huán)。大部分商用車(chē)的驅(qū)動(dòng)形式為前置后驅(qū)，后驅(qū)動(dòng)橋的應(yīng)用十分廣泛。驅(qū)動(dòng)橋的基本作用是增大發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的扭矩，并且降低所傳遞來(lái)的轉(zhuǎn)速，以及將動(dòng)力傳遞給左右驅(qū)動(dòng)輪。驅(qū)動(dòng)橋的性能對(duì)整車(chē)的性能影響很大，研發(fā)一輛新型商用車(chē)時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。一般情況下，商用車(chē)驅(qū)動(dòng)橋分為單級(jí)主減速器驅(qū)動(dòng)橋和雙級(jí)主減速器驅(qū)動(dòng)橋，主要由主減速器、差速器、半軸和橋殼構(gòu)成，根據(jù)車(chē)型設(shè)計(jì)需要可以加入輪邊減速器。這些年汽車(chē)車(chē)橋設(shè)計(jì)人員對(duì)驅(qū)動(dòng)橋各個(gè)零部件不斷優(yōu)化，選擇更加合適的材料，提高加工工藝和檢測(cè)技術(shù)。隨著汽車(chē)工業(yè)的成熟，車(chē)橋制造技術(shù)向著更高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)發(fā)，降低制造成本，提高驅(qū)動(dòng)橋的性能，大轉(zhuǎn)矩、質(zhì)量小、高性?xún)r(jià)比、高壽命、噪音低等優(yōu)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)橋是我們的目標(biāo)。
1 驅(qū)動(dòng)橋總體布置方案分析
1.1 概述
本章對(duì)驅(qū)動(dòng)橋總體布置方案進(jìn)行了分析，介紹了本設(shè)計(jì)參數(shù)的選取和驅(qū)動(dòng)橋的三種形式[1]。
驅(qū)動(dòng)橋在設(shè)計(jì)初主要考慮以下幾點(diǎn)要求：
1） 選取合適的主減速比，保證車(chē)輛具有最佳的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性；
2） 結(jié)構(gòu)尺寸較小，保證車(chē)輛擁有較大的離地間隙，來(lái)滿(mǎn)足通過(guò)性要求；
3） 齒輪以及傳動(dòng)部件工作平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)且噪聲較??；
4） 可以適用于各種載荷和轉(zhuǎn)速工況，在工作時(shí)擁有優(yōu)良的傳動(dòng)效率；
5） 具有高強(qiáng)度和高剛度，可以承受來(lái)自路面和車(chē)架或車(chē)身給與的力，降低質(zhì)量，提高行駛平順性；
6） 與懸架或者導(dǎo)向機(jī)構(gòu)間協(xié)調(diào)配合；
7） 各部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性良好，適合現(xiàn)代制造業(yè)生產(chǎn)，在維修、調(diào)整時(shí)越方便越好。
1.2 設(shè)計(jì)主要參數(shù)
本畢業(yè)設(shè)計(jì)參數(shù)參照福田歐馬可5系中卡，型號(hào)為BJ1139VJPEK-A1，發(fā)動(dòng)機(jī)前置后驅(qū)，170馬力，驅(qū)動(dòng)形式為4×2，6.2米排欄板載貨車(chē)，排放標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)五/歐五。具體參數(shù)如表1-1所示。
表1-1 設(shè)計(jì)參數(shù)
Tab.1-1 Design parameters
車(chē)輛名稱(chēng)：
福田歐馬可5系
車(chē)輛類(lèi)別：
中型卡車(chē)
中文品牌：
福田
英文品牌：
——
公告批次：
301
免檢：
否
發(fā)動(dòng)機(jī)：
ISF3.8s5168
排量：
3760（ml）
外形尺寸：
8645×2500×2830（mm）
功率：
125（kw)
總質(zhì)量：
13390（kg)
貨廂尺寸（欄板式）：
6200×2400×550（mm）
整備質(zhì)量：
5200（kg)
準(zhǔn)乘人數(shù)：
3（人）
接近角/離去角：
21/10（°）
額定質(zhì)量：
7995（kg)
軸荷：
4000/9390
前懸/后懸：
1365/2430（mm）
軸數(shù)：
2
軸距：
4700（mm）
輪胎數(shù)：
6
最高車(chē)速：
95（km/h)
前輪距：
1930（mm）
輪胎規(guī)格：
8.25R20
發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速：
2600（rpm）
后輪距：
1800（mm）
發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速：
1300-1700（rpm）
發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩：
592（N·m）
1.2.1 主減速比的計(jì)算
主減速比在驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)計(jì)算中至關(guān)重要，是驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，直接影響了主減速器的結(jié)構(gòu)尺寸。的選擇影響著車(chē)輛的動(dòng)力性，的計(jì)算需要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，參照發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和車(chē)輛的傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)選擇最佳的主減速比[2]。
對(duì)于具有很大儲(chǔ)備功率的轎車(chē)、長(zhǎng)途客車(chē)，尤其是競(jìng)賽車(chē)來(lái)說(shuō)，在給出發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率、轉(zhuǎn)速后，所選擇的值應(yīng)能保證這些汽車(chē)有盡可能高的最高車(chē)速[1]。這時(shí)值應(yīng)按下式來(lái)確定：
（1-1）
式中：是車(chē)輪滾動(dòng)半徑，因?yàn)檫x取8.25R20規(guī)格的輪胎，取；
是變速器高檔傳動(dòng)比，此處取。
根據(jù)其他汽車(chē)的主減速器設(shè)計(jì)，為了讓功率儲(chǔ)備足夠且最高車(chē)速稍微下降，在選擇中一般比式（1-1）所求結(jié)果大10％～25％，即按下式選擇：
（1-2）
式中：是分動(dòng)器或加力器的高檔傳動(dòng)比，在本設(shè)計(jì)中，取1；
是輪邊減速器的傳動(dòng)比，在本設(shè)計(jì)中，取1。
根據(jù)計(jì)算出來(lái)等的主減速比，來(lái)確定主減速器型式，也應(yīng)該參考車(chē)輛設(shè)計(jì)總布置中最小離地間隙的需求。
為使動(dòng)力滿(mǎn)足且最高車(chē)速不大，中型卡車(chē)的主減速比在確定時(shí)要比計(jì)算大10%～25%，把, , , 代入公式（1-2），計(jì)算出 ，本設(shè)計(jì)取。
本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于中型汽車(chē)，為了是離地間隙更小以及增大更大的扭矩，所以使用雙級(jí)主減速器。
1.2.2 一擋傳動(dòng)比的確定
計(jì)算確定傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比時(shí)，要考慮以下三個(gè)方面：
1. 最大爬坡角度（或者是1擋最大動(dòng)力因數(shù)）；
2. 附著力的大??；
3. 汽車(chē)行駛中最低穩(wěn)定車(chē)速。
傳動(dòng)系的最大傳動(dòng)比通常是變速器一擋傳動(dòng)比與主減速比的乘積[3]。
則
(1-3)
當(dāng)汽車(chē)爬坡時(shí)車(chē)速很低，忽略影響中的空氣阻力，車(chē)輛的最大驅(qū)動(dòng)力應(yīng)為
(1-4)
各表達(dá)式展開(kāi)為
(1-5)
則
(1-6)
G為汽車(chē)總質(zhì)量載荷，單位N。
一般貨車(chē)最大爬坡度為30%，即。其他參數(shù)見(jiàn)表1-2。
表1-2 計(jì)算參數(shù)表
Tab.1-2 calculation parameter table
(m)
(kg)
()
0.9
0.02
4.875
0.47
13390
592
代入式（1-6）中計(jì)算可得。
1擋傳動(dòng)比還應(yīng)滿(mǎn)足附著條件
(1-7)
對(duì)于后輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，最大附著力有如下公式
(1-8)
式中：為后軸質(zhì)量，查表得滿(mǎn)載時(shí)取值范圍為73%-75%，選取。
將式（1-7）代入式（1-8）
得出
式中：為道路附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取0.5-0.6；
求得。
對(duì)于本設(shè)計(jì)，可取。
1.3 驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)形式的選擇
驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)型式按汽車(chē)總體布置的情況看，有三種，一是普通的非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋，二是帶有擺動(dòng)半軸的非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋，三是前置前驅(qū)汽車(chē)經(jīng)常使用的斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋[1]。
圖1-1 驅(qū)動(dòng)橋布置型式簡(jiǎn)圖
(a)普通非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋；(b)帶有擺動(dòng)半軸的非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋；(c)斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋
Fig.1-1 General Arrangement Type Diagram of Drive Bridge
a) Normal non-disconnected drive axle ;b) Non-disconnected drive axle with swinging half shaft ; c) Disconnected drive axle
經(jīng)分析，考慮到所設(shè)計(jì)的中型汽車(chē)的載重和各種要求，降低生產(chǎn)制造成本。另由于中型汽車(chē)對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)沒(méi)有特殊要求，滿(mǎn)足大部分路面的正常行駛即可，所以采用普通非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋方案。
2 主減速器設(shè)計(jì)
本章是是驅(qū)動(dòng)橋中重要部分之一的主減速器設(shè)計(jì)。
主減速器的作用是降速增扭，一般由一對(duì)或者兩對(duì)相互嚙合的齒輪組成，齒數(shù)少的齒輪帶動(dòng)齒數(shù)多的齒輪，完成減速增扭。汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋主減速器應(yīng)該滿(mǎn)足體積小、壽命長(zhǎng)、噪音低的要求[2]。
2.1 主減速器結(jié)構(gòu)方案分析
2.1.1 主減速器齒輪的類(lèi)型
螺旋錐齒輪能夠承受大的載荷，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，且當(dāng)傳動(dòng)比小于2.0時(shí)選用螺旋錐齒輪更合理，故本次設(shè)計(jì)采用螺旋錐齒輪[3]。
2.1.2 雙級(jí)主減速器的結(jié)構(gòu)方案
整體式雙級(jí)主減速器主要有三種結(jié)構(gòu)方案：
1.第一級(jí)為錐齒輪，第二級(jí)為圓柱齒輪（圖2-1a）；
2.第一級(jí)為錐齒輪，第二級(jí)為行星齒輪；
3.第一級(jí)為行星齒輪，第二級(jí)為錐齒輪（圖2-1b）；第一級(jí)為圓柱齒輪，第二級(jí)為錐齒輪（圖2-1c）。
對(duì)于第一級(jí)為錐齒輪，第二級(jí)為圓柱齒輪的雙級(jí)主減速器，可有縱向水平布置（圖2-1d）、斜向布置（圖2-1e）和垂向布置（圖2-1f）三種布置方案。
圖2-1雙級(jí)主減速器布置方案
Fig.2-1 Layout scheme of two-stage main reducer
縱向水平布置可以使總成的垂向輪廓尺寸減小，從而降低汽車(chē)的質(zhì)心高度；但使縱向尺寸增加，用在長(zhǎng)軸距汽車(chē)上可少量減少傳動(dòng)軸長(zhǎng)度。因此，他不宜用于短軸距汽車(chē)，因?yàn)檫^(guò)短的傳動(dòng)軸會(huì)導(dǎo)致萬(wàn)向傳動(dòng)軸加大。垂向布置使驅(qū)動(dòng)橋縱向尺寸減小，可減小萬(wàn)向傳動(dòng)軸夾角；但由于主減速器殼固定在橋殼的上方，不僅使垂向輪廓尺寸增大，而且降低了橋殼剛度，不利于齒輪工作。這種布置可便于貫通式驅(qū)動(dòng)橋的布置。斜向布置對(duì)傳動(dòng)軸布置和提高橋殼剛度有利。
2.1.3 主減速器主、從動(dòng)錐齒輪的支承方案
主減速器必須保證主、從動(dòng)齒輪油良好的嚙合狀況，才能使它們很好的工作。齒輪的正確嚙合，除與齒輪的加工質(zhì)量、齒輪的裝配調(diào)整及軸承、主減速器殼體的剛度有關(guān)以外，還與齒輪的支承剛度有關(guān)[3]。
本設(shè)計(jì)主動(dòng)錐齒輪采用懸臂式支承（圖2-2a），從動(dòng)錐齒輪采用跨置式支承（圖2-2c）。
懸臂式支承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在錐齒輪大端一側(cè)有較長(zhǎng)的軸，并在其上安裝一對(duì)圓錐滾子軸承。為了減小懸臂長(zhǎng)度a和增加兩支承間的距離b，以改善支承剛度，應(yīng)使兩軸承圓錐滾子的大端朝外，使作用在齒輪上離開(kāi)錐頂?shù)妮S向力有靠近齒輪的軸承承受，而反向軸向力則由另一軸承承受。為了盡可能地增加支承剛度，支承距離b應(yīng)大于2.5倍的懸臂長(zhǎng)度a，且應(yīng)比齒輪節(jié)圓直徑的70%還大，另外靠近齒輪的軸徑不小于尺寸a。為了方便拆裝，應(yīng)使靠近齒輪的軸承軸徑比另一軸承的支承軸徑大些。
為了增加從動(dòng)錐齒輪的支承剛度，兩軸承的圓錐滾子大端應(yīng)向內(nèi)，以減小尺寸c+d。為了是從動(dòng)錐齒輪背面的差速器殼體處有足夠的位置設(shè)置加強(qiáng)肋以增強(qiáng)支承穩(wěn)定性，c+d應(yīng)不小于從動(dòng)錐齒輪大端分度圓直徑的70%。為了使載荷能均勻分配在兩軸承上，應(yīng)盡量使尺寸c等于或大于尺寸d。
圖2-2主減速器錐齒輪的支承形式
Fig.2-2 Supporting form of bevel gear of main reducer
2.2 主減速器比的分配
錐齒輪-圓柱齒輪式雙級(jí)主減速器在分配傳動(dòng)比時(shí)，通常將圓柱齒輪副和錐齒輪副傳動(dòng)比的比值取在1.4~2.0范圍內(nèi)，而且錐齒輪傳動(dòng)比一般為1.7~3.3，這樣可以減小錐齒輪嚙合時(shí)的軸向力和作用在從動(dòng)錐齒輪及圓柱齒輪上的載荷，同時(shí)可使主動(dòng)錐齒輪的齒數(shù)適當(dāng)增多，使其支承軸頸的尺寸適當(dāng)加大，改善支承剛度，提高嚙合平穩(wěn)性和工作可靠性[13]。
設(shè)一級(jí)減速齒輪的傳動(dòng)比為；二級(jí)減速齒輪的傳動(dòng)比為i02。根據(jù)傳動(dòng)比分配要求，有，且，初選，則。
2.3 第一級(jí)減速器錐齒輪的設(shè)計(jì)
2.3.1 主減速器齒輪計(jì)算載荷的確定
1.按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和最低擋傳動(dòng)比確定從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tce
（2-1）
式中：Tce為計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N?m；
n為驅(qū)動(dòng)橋數(shù)，為1；
i01為主減速器一級(jí)傳動(dòng)比，為1.79；
i1為變速器1擋傳動(dòng)比，為6；
if為分動(dòng)器傳動(dòng)比，取1.0；
η為發(fā)動(dòng)機(jī)到萬(wàn)向傳動(dòng)軸之間的傳動(dòng)效率，取0.9；
k為液力變矩器變矩系數(shù)，，k0為最大變矩系數(shù)，取1；
Temax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，為592N?m；
kd為猛接離合器所產(chǎn)生的動(dòng)載系數(shù)，kd=1，
則
2.按驅(qū)動(dòng)輪打滑轉(zhuǎn)矩確定從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tcs
（2-2）
式中：Tcs為計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N?m；
G2為滿(mǎn)載狀態(tài)下1個(gè)驅(qū)動(dòng)橋上的靜載荷，；
m'2為汽車(chē)最大加速度時(shí)的后軸負(fù)載荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，商用車(chē)為1.1~1.2，取1.1；
φ為輪胎與路面間的附著系數(shù)，取0.85；
im為主減速器從動(dòng)齒輪到車(chē)輪之間的傳動(dòng)比，為2.72；
ηm為主減速器主動(dòng)齒輪到車(chē)輪之間的傳動(dòng)效率，取0.9。
則
3.按汽車(chē)日常行駛平均轉(zhuǎn)矩確定從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tcf
（2-3）
式中：Tcf為計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N? m；
Ga為汽車(chē)滿(mǎn)載總重量，為133900N；
fR為道路滾動(dòng)阻力系數(shù)，對(duì)于貨車(chē)可取0.015~0.020，取0.018；
fH為平均爬坡能力系數(shù)，對(duì)于轎車(chē)可取0.08；對(duì)于貨車(chē)和公共汽車(chē)可取0.05~0.09，取0.07；
fi為汽車(chē)性能系數(shù)，取值同前，為0；
其他參數(shù)同前。
則
由式（3-1）和式（3-2）求得的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，是作用到從動(dòng)錐齒輪上的最大轉(zhuǎn)矩，不同于式（3-3）求得的日常行駛平均轉(zhuǎn)矩。當(dāng)計(jì)算錐齒輪最大應(yīng)力時(shí)，計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tc應(yīng)取前面兩種的較小值，即=min[,];當(dāng)計(jì)算錐齒輪疲勞壽命時(shí)，Tc取Tcf。
主動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩為
（2-4）
式中，Tz為主動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N?m；
i0為錐齒輪傳動(dòng)比；
ηG為主、從動(dòng)錐齒輪間的傳動(dòng)效率，計(jì)算時(shí)對(duì)于弧齒錐齒輪副，為95%。
當(dāng)計(jì)算錐齒輪最大應(yīng)力時(shí)，，則
當(dāng)計(jì)算錐齒輪的疲勞壽命時(shí)，，則
2.3.2 錐齒輪主要參數(shù)的選擇
主減速器錐齒輪的主要參數(shù)有主、從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)z11和z12、從動(dòng)錐齒輪大端分度圓直徑D12和端面模數(shù)ms、主、從動(dòng)錐齒輪齒面寬b11和b12、中點(diǎn)螺旋角β、法向壓力角α等[12]。
1.主、從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)z1和z2
選擇主、從動(dòng)錐齒輪數(shù)時(shí)應(yīng)考慮如下因素：
1） 為了磨合均勻，z11和z12之間避免有公約數(shù)。
2） 為了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)不少于40。
3） 為了嚙合平穩(wěn)、噪聲小和具有高的疲勞強(qiáng)度，對(duì)于乘用車(chē)，z11一般不少于9；對(duì)于商用車(chē)，z11一般不少于6。
4） 主傳動(dòng)比i0較大時(shí)，z1盡量取得少些，以便得到滿(mǎn)意的離地間隙。
5） 對(duì)于不同的主傳動(dòng)比，z1和z2應(yīng)有適宜的搭配。
本設(shè)計(jì)初選一級(jí)減速齒輪的主動(dòng)齒輪齒數(shù)為z11=14，從動(dòng)錐齒輪的齒數(shù)z12=25，則，,,在1.4~2.0范圍內(nèi)，符合要求。
2.從動(dòng)錐齒輪大端分度圓直徑D2和端面模數(shù)ms
對(duì)于單級(jí)主減速器，增加尺寸D2會(huì)影響驅(qū)動(dòng)橋殼高度尺寸和離地間隙，減小D2又影響跨置式主動(dòng)齒輪的前支承座的安裝空間和差速器的安裝。
D2可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式初選，即
（2-5）
式中，D2從動(dòng)齒輪大端分度圓直徑（mm）；為直徑系數(shù)，一般為13.0~15.3，取14.0；Tc為從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，Tc=min[Tce,Tcs]，為5722.27N?m。
則
mm
圓整取D2=250mm。
ms由下式計(jì)算
（2-6）
式中：ms為齒輪端面模數(shù)。
則
同時(shí)，ms還應(yīng)滿(mǎn)足
（2-7）
式中：Km為模數(shù)系數(shù)，取0.3~0.4，本設(shè)計(jì)取0.35。
則
=6.26
經(jīng)驗(yàn)算滿(mǎn)足要求，故ms=10。
3.主、從動(dòng)錐齒輪齒面寬b1和b2
錐齒輪齒面過(guò)寬并不能增大齒輪的強(qiáng)度和壽命，反而會(huì)導(dǎo)致因錐齒輪輪齒小端齒溝變窄引起的切削刀頭頂面寬過(guò)窄及刀尖圓角過(guò)小。這樣，不但減小了齒根圓角半徑，加大了應(yīng)力集中，還降低了刀具的使用壽命。此外，安裝時(shí)有位置偏差或由于制造、熱處理變形等原因，使齒輪工作時(shí)載荷集中于輪齒小端，會(huì)引起輪齒小端過(guò)早損壞和疲勞損傷。另外，齒面過(guò)寬也會(huì)引起裝配空間減小。但是齒面過(guò)窄，輪齒的表面耐磨性會(huì)降低[13]。
對(duì)于從動(dòng)錐齒輪齒面寬b2，推薦不大于其節(jié)錐距A2的0.3倍，即b2≤0.3A2，而且b2應(yīng)滿(mǎn)足b2≤10ms，一般也推薦b2=0.155D2。對(duì)于弧齒錐齒輪，b1一般比b2大10%。
則
圓整為40mm，則b1為44mm。
4、中點(diǎn)螺旋角β
螺旋角沿齒寬是變化的，輪齒大端的螺旋角最大，輪齒小端的螺旋角最小。
弧齒錐齒輪副中的中點(diǎn)螺旋角是相等的。
選擇β時(shí)，應(yīng)考慮它對(duì)齒面重合度εF、輪齒強(qiáng)度和軸向力大小的影響。β越大，則εF也越大，同時(shí)嚙合的齒數(shù)越多，傳動(dòng)就越平穩(wěn)，噪聲越低，而且輪齒的強(qiáng)度越高。一般εF應(yīng)不小于1.25，在1.5~2.0時(shí)效果最好。但是β過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致軸向力增加。
汽車(chē)主減速器弧齒錐齒輪螺旋角或雙曲面齒輪副的平均螺旋角一般為35°~40°。商用車(chē)選用較小的β值以防止軸向力過(guò)大，通常取35°。
故中點(diǎn)螺旋角取35°。
5. 螺旋方向
從錐齒輪錐頂看，齒形從中心線(xiàn)上半部向左傾斜為左旋，向右傾斜為右旋。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)方向影響其所受軸向力的方向。當(dāng)變速器掛前進(jìn)擋時(shí)，應(yīng)使主動(dòng)齒輪的軸向力離開(kāi)錐頂方向，這樣可使主、從動(dòng)齒輪有分離趨勢(shì)，防止輪齒因卡死而損壞。
故采用主動(dòng)錐齒輪左旋，從動(dòng)錐齒輪右旋。
6.法向壓力角ɑ
法向壓力角大一些可以增加輪齒強(qiáng)度，減小齒輪不發(fā)生根切的最少齒數(shù)。但對(duì)于小尺寸的齒輪，壓力較大易使齒頂變尖及刀尖寬度過(guò)小，并使齒輪端面重合度下降。因此，對(duì)于小負(fù)荷工作的齒輪，一般采用小壓力角，可使齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低。對(duì)于弧齒錐齒輪，商用車(chē)的ɑ為20°或22°30'。
故取法向壓力角ɑ為20°。
主減速器錐齒輪的幾何尺寸計(jì)算見(jiàn)表2-1。
表2-1 主減速器錐齒輪的幾何尺寸參數(shù)表
Tab.2-1 Geometric parameters of bevel gears of main reducer
序號(hào)
計(jì)算公式
數(shù)值
注 釋
1
14
小齒輪齒數(shù)
2
25
大齒輪齒數(shù)
3
10
模數(shù)
4
40mm
大齒輪齒面寬
5
20°
壓力角
6
17.00mm
齒工作高,查表3-4取1.700
7
18.88mm
齒全高,查表3-4取1.888
8
90°
軸交角
9
140mm
小齒輪分度圓直徑
10
250mm
大齒輪分度圓直徑
11
29.25°
小齒輪節(jié)錐角
12
60.75°
大齒輪節(jié)錐角
13
143.26mm
節(jié)錐距
14
31.42mm
周節(jié)
15
5.82mm
大齒輪齒頂高,查表3-4計(jì)算取0.582
16
11.18mm
小齒輪齒頂高
17
7.70mm
小齒輪齒根高
18
13.06mm
大齒輪齒根高
19
1.88mm
徑向間隙
20
3.08o
小齒輪齒根角
21
5.21°
大齒輪齒根角
22
34.46°
小齒輪面錐角
23
63.83°
大齒輪面錐角
24
26.17°
小齒輪根錐角
25
55.54°
大齒輪根錐角
26
159.51mm
小齒輪外緣直徑
27
255.69mm
大齒輪外緣直徑
28
119.54mm
小齒輪節(jié)錐頂點(diǎn)至齒輪外緣距離
29
64.92mm
大齒輪節(jié)錐頂點(diǎn)至齒輪外緣距離
30
10.53mm
大齒輪理論弧齒厚，查表3-3取1.053
31
20.89mm
小齒輪理論弧齒厚
32
35°
螺旋角
表2-2載貨、公共、牽引汽車(chē)或壓力角為20o的其他汽車(chē)螺旋錐齒輪的、和
Tab.2-2 load、public、towed vehicle or other motor vehicle with a pressure angle of 20 for spiral bevel gears
主動(dòng)齒輪齒數(shù)
5
6
7
8
9
10
11
——
從動(dòng)齒輪最小齒數(shù)
——
34
33
32
31
30
29
26
法向壓力角
20o
螺旋角
35°-40°
35°
齒工作高系數(shù)
1.430
1.500
1.560
1.610
1.650
1.680
1.956
1.700
齒全高系數(shù)
1.588
1.666
1.733
1.788
1.832
1.865
1.882
1.888
大齒輪齒頂高系數(shù)
0.160
0.215
0.270
0.325
0.380
0.435
0.490
0.46+
表2-3 螺旋錐齒輪的大齒輪理論弧齒厚SK
Tab.2-3 Spiral bevel gear theoretical arc tooth thickness SK
z z
6
7
8
9
10
11
30
0.911
0.957
0.975
0.997
1.023
1.053
40
0.803
0.818
0.837
0.860
0.888
0.948
50
0.748
0.757
0.777
0.828
0.884
0.946
60
0.715
0.729
0.777
0.828
0.883
0.945
2.3.3 主減速器錐齒輪的強(qiáng)度校核
在選好主減速器錐齒輪的主要參數(shù)后，可根據(jù)所選擇的齒形計(jì)算錐齒輪的幾何尺寸，而后根據(jù)所確定的計(jì)算載荷進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，以保證錐齒輪有足夠的強(qiáng)度和壽命。
輪齒損壞形式主要有彎曲疲勞折斷、過(guò)載折斷、齒面點(diǎn)蝕及剝落、齒面膠合、齒面磨損等[13]。
1. 單位齒長(zhǎng)圓周力
主減速器錐齒輪表面的耐磨性，常用輪齒上的單位齒長(zhǎng)圓周力來(lái)估算。
即
（2-8）
式中：p為輪齒上的單位齒長(zhǎng)圓周力，N/mm；
F為作用在輪齒上的圓周力，N；
b2為從動(dòng)齒輪的齒面寬，mm。
許用的單位齒長(zhǎng)圓周力[p]見(jiàn)教材表5-1。在現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)中，由于材質(zhì)及加工工藝等制造質(zhì)量的提高，[p]有時(shí)高出表中數(shù)值的20%~25%。
按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算時(shí)
103 （2-9）
式中：ig為變速器傳動(dòng)比，在此取一檔傳動(dòng)比6；
D1為主動(dòng)錐齒輪中點(diǎn)分度圓直徑，mm；
其他符號(hào)同前。
103=1141.71N
查表得，[p]=1429N，故符合要求。
按驅(qū)動(dòng)輪打滑的轉(zhuǎn)矩計(jì)算時(shí)
（2-10）
式中符號(hào)同前。
則
查表得[p]=1429N，1.25[p]=1786N，故符合要求。
在現(xiàn)代汽車(chē)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)提高許用數(shù)據(jù)的20%～25%。
表3-6 單位齒長(zhǎng)圓周力許用值[p] (N/m)
Tab.3-6 Allowable value of long circumferential force of unit tooth ( N / m )
參數(shù)
類(lèi)別
[p](按最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算）
[p](按打滑轉(zhuǎn)矩計(jì)算）
輪胎與地面的附著系數(shù)
1擋
2擋
直接
乖用車(chē)
893
536
321
893
0.85
商用車(chē)
貨車(chē)
1429
—
250
1429
客車(chē)
982
—
214
—
2. 輪齒彎曲強(qiáng)度
錐齒輪輪齒的齒根彎曲應(yīng)力為
103 （2-11）
式中：σw為錐齒輪輪齒的齒根彎曲應(yīng)力，MPa；
Tc為所計(jì)算齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N?mm，對(duì)于主動(dòng)齒輪，Tc還要按式（3-4）進(jìn)行換算；
k0為過(guò)載系數(shù)，一般取1；
ks為尺寸系數(shù)，它反映了材料性質(zhì)的不均勻性，與齒輪尺寸及熱處理等因素有關(guān)，當(dāng)ms≥1.6mm時(shí)，ks=(ms/25.4)0.25=0.79；
km為齒面載荷分配系數(shù)，跨置式結(jié)構(gòu)，km=1.0~1.1；懸臂式結(jié)構(gòu)，km=1.00~1.25，則主動(dòng)輪取1.2，從動(dòng)輪取1.05；
kv為質(zhì)量系數(shù)，當(dāng)輪齒接觸良好，齒距及徑向跳動(dòng)精度高時(shí)，kv=1.0；
b為所計(jì)算齒輪的齒面寬，b1=44mm，b2=40mm；
D為所討論的齒輪的大端分度圓直徑，D1=140mm，D2=250mm；
Jw為所計(jì)算齒輪的輪齒彎曲應(yīng)力綜合系數(shù)，其值按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取得，取大齒輪J=0.206，小齒輪J=0.273。
上述按min[Tce,Tcs]計(jì)算的最大彎曲應(yīng)力不超過(guò)700MPa；按Tcf計(jì)算的疲勞彎曲應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)210MPa，迫害的循環(huán)次數(shù)為6×106。
按min[Tce,Tcs]計(jì)算，
103=460.84<700MPa
故符合要求。
按Tcf計(jì)算，
103=182.19<210MPa
故符合要求。錐齒輪滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，可用。
3.輪齒接觸強(qiáng)度
錐齒輪輪齒的齒面接觸應(yīng)力為
（2-12）
式中：σJ為錐齒輪輪齒的齒面接觸應(yīng)力，MPa；
D1為主動(dòng)錐齒輪大端分度圓直徑，140mm；
b為b1和b2中的較小值，為b2=40mm；
ks為尺寸系數(shù)，它考慮了齒輪尺寸對(duì)淬透性的影響，通常取1.0；
kf為齒面品質(zhì)系數(shù)，它取決于吃面的表面粗糙度及表面覆蓋層的性質(zhì)（如鍍銅、磷化處理等），對(duì)于制造精確的齒輪，kf取1.0；
cp為綜合彈性系數(shù)，鋼對(duì)鋼齒輪：cp取232.6N1/2/mm；
JJ為齒面接觸強(qiáng)度的綜合系數(shù)，其值按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取得，取0.88；
k0，km，kv見(jiàn)式（3-11）的說(shuō)明。
上述按min[Tce，Tcs]計(jì)算的最大接觸應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)2800MPa；按Tcf計(jì)算的疲勞接觸應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)1750MPa。主、從動(dòng)齒輪的齒面接觸應(yīng)力是相同的。
按min[Tce,Tcs]計(jì)算，
故符合要求。
按Tcf計(jì)算，
故符合要求。主、從動(dòng)錐齒輪的齒面接觸應(yīng)力是相同的，所以錐齒輪符合要求。
2.3.4 錐齒輪的材料選擇
驅(qū)動(dòng)橋錐齒輪的工作條件是相當(dāng)惡劣的，與傳動(dòng)系其他齒輪相比，具有載荷大、作用時(shí)間長(zhǎng)、變化多、有沖擊等特點(diǎn)，是傳東西中的薄弱環(huán)節(jié)。錐齒輪材料應(yīng)滿(mǎn)足如下要求：
1） 具有高的彎曲疲勞強(qiáng)度和表面接觸疲勞強(qiáng)度，齒面具有高的硬度以保證有高的耐磨性。
2） 輪齒心部應(yīng)有適當(dāng)?shù)捻g性以適應(yīng)沖擊載荷，避免在沖擊載荷下齒根折斷。
3） 鍛造性能、可加工性及熱處理性能良好，熱處理后變形小或變形規(guī)律易控制。
4） 選擇合金材料時(shí)，盡量少用含鎳、鉻元素的材料，而是選用含錳、釩、硼、鈦、鉬、硅等元素的合金鋼。
汽車(chē)主減速器錐齒輪目前常用滲碳合金鋼制造，主要有20CrMnTi、20MnVB、20MnTiB、22CrNiMo和16SiMn2WMoV等。本設(shè)計(jì)采用20CrMnTi。
滲碳合金鋼的優(yōu)點(diǎn)是表面可得到碳含量較高的硬化層（一般碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%~1.2%），具有相當(dāng)高的耐磨性和抗壓性，而心部較軟，具有良好的韌性，故該材料的抗彎強(qiáng)度、表面接觸強(qiáng)度和承受沖擊的能力均較好。由于其碳含量較低，故鍛造性能和可加工性較好。其主要缺點(diǎn)是熱處理費(fèi)用高；表面硬化層以下的基底較軟，在承受很大壓力是可能產(chǎn)生塑性變形；如果滲透層與心部的碳含量相差過(guò)多，便會(huì)引起表面硬化層的剝落。
為改善新齒輪的磨合，防止其在運(yùn)行初期出現(xiàn)早期的磨損、擦傷、膠合或咬死，錐齒輪在熱處理及精加工后，作厚度為0.005~0.020mm的磷化處理或鍍銅、鍍錫處理。對(duì)齒面進(jìn)行應(yīng)力噴丸處理，可提高齒輪壽命的25%。對(duì)于滑動(dòng)速度高的齒輪可進(jìn)行滲硫處理，以提高耐磨性。滲硫后摩擦因數(shù)可顯著降低，這樣即使?jié)櫥瑮l件較差，也能防止齒面擦傷、咬死和膠合。
2.4 第二級(jí)減速器斜齒圓柱齒輪的設(shè)計(jì)
2.4.1 斜齒圓柱齒輪主要參數(shù)的選擇
1.主、從動(dòng)齒輪的齒數(shù)z21和z22
二級(jí)齒輪副的傳動(dòng)比為i02=2.985，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，初選主動(dòng)齒輪齒數(shù)為z21=15，z22=41，則
i02=z22/z21=2.73
驗(yàn)算，i02/i01=1.525,在1.4~2.0之間，且15與41無(wú)公約數(shù)，故符合要求。
2.法向模數(shù)mn
選用推薦模數(shù)mn=6。
3.法向壓力角αn和螺旋角β
取法向壓力角αn=20°，β的推薦值一般為15°~20°，故初選β=15°。
4.主、從動(dòng)齒輪的節(jié)圓直徑d21和d22
mm
mm
故d21=93mm，d22=255mm。
5.齒寬b
齒寬的計(jì)算公式為
b1=Φdd21
式中：Φd為齒寬系數(shù)，取0.85；
d21為小齒輪分度圓直徑，93mm；
則
b1=0.85×93=79.05mm
圓整為80mm。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，
b2=b1-5=80-5=75mm
故b1為80mm，b2=75mm。
6. 螺旋方向
本設(shè)計(jì)一級(jí)從動(dòng)錐齒輪為右旋，為抵消部分軸向力，故主動(dòng)斜齒圓柱齒輪的旋向應(yīng)為左旋，則從動(dòng)斜齒圓柱齒輪旋向?yàn)橛倚?
斜齒圓柱齒輪的幾何尺寸計(jì)算見(jiàn)表3-2。
表3-2 斜齒圓柱齒輪的幾何尺寸計(jì)算用表
Tab.3 - 2 Table for Calculation of Geometric Dimension of Helical Cylindrical Gear
序號(hào)
名稱(chēng)
代號(hào)
小齒輪
大齒輪
計(jì)算結(jié)果
1
齒數(shù)比
,按傳動(dòng)要求確定
2.73
2
分度圓直徑
，
3
齒數(shù)
設(shè)計(jì)值
設(shè)計(jì)值
，
4
法向模數(shù)
推薦值
6
5
法向壓力角
α
推薦值
20°
6
螺旋角
推薦值一般為15°~20°
15°
7
齒寬系數(shù)
一般取0.85
0.85
8
齒寬
，
9
齒距
18.84mm
10
齒頂高
，
6mm
11
齒根高
hf
7.5mm
12
齒全高
h
13.5mm
13
中心距
a
， 可圓整
174mm
14
齒頂圓直徑
da1=105mm，da2=267mm
15
齒根圓直徑
df1=78mm，df2=240mm
2.4.2 斜齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算
1. 輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算
斜齒圓柱齒輪的彎曲應(yīng)力為
（2-13）
式中：σw為齒輪的彎曲應(yīng)力；
Tg為計(jì)算載荷，取Temax=592000N?mm；
β為齒輪螺旋角，為15°；
Kσ為應(yīng)力集中系數(shù)，取1.50；
z為小齒輪齒數(shù)，為15；
mn為法向模數(shù)，為6；
y為齒形系數(shù)，查得為0.19；
Kc為齒寬系數(shù)，取8.0；
Kε為重合度影響系數(shù)，取2.0。
許用應(yīng)力對(duì)貨車(chē)為100~250MPa。則
<100MPa
故符合要求。
2.輪齒接觸強(qiáng)度計(jì)算
輪齒接觸應(yīng)力σj
（2-14）
式中：σj為輪齒的接觸應(yīng)力，MPa；
F為齒面上的法向力，F(xiàn)=F1/（cosɑcosβ）；
F1為圓周力，F(xiàn)1=2Tg/d；
Tg為計(jì)算載荷，為592000N?mm；
d為節(jié)圓直徑，mm；
ɑ節(jié)點(diǎn)處壓力角；
β為齒輪螺旋角；
則
E為齒輪材料的彈性模量，為2.1×105MPa；
b為齒輪接觸的實(shí)際寬度，為75mm；
ρz、ρb為主、從動(dòng)輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑；
rb、rz為主、從動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑。
則對(duì)斜齒輪ρz=（rzsinɑ）/cos2β =17.05，ρb=（rbsinɑ）/cos2β =46.74。
則
查得其許用應(yīng)力范圍為1300~1400MPa，所以設(shè)計(jì)符合其要求。
2.4.3 斜齒圓柱齒輪的材料選擇
二級(jí)圓柱斜齒輪多數(shù)采用滲碳合金鋼，其表層的高硬度與心部的高韌性相結(jié)合，能大大提高齒輪的耐磨性及抗彎曲疲勞和接觸疲勞的能力。在選用鋼材及熱處理時(shí)，對(duì)可加工性及成本也應(yīng)考慮。
國(guó)內(nèi)汽車(chē)齒輪材料主要采用20CrMnTi、20Mn2TiB、15MnCr5、20MnCr5、25MnCr5、28MnCr5。滲碳齒輪表面硬度為58~63HRC，心部硬度為33~48HRC。
值得指出的是，采取噴丸處理、磨齒、加大齒根圓弧半徑和壓力角等措施，能使齒輪得到強(qiáng)化。對(duì)齒輪進(jìn)行強(qiáng)力噴丸處理以后，輪齒產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，齒輪彎曲疲勞壽命可成倍提高，接觸疲勞壽命也有明顯改善。在加大齒根圓弧半徑的同時(shí)，進(jìn)行強(qiáng)力噴丸處理，不僅可使殘余壓應(yīng)力進(jìn)一步增加，還改善了應(yīng)力集中。齒輪在熱處理之后進(jìn)行磨齒，能消除齒輪熱處理的變形，經(jīng)過(guò)磨齒后，齒輪精度要高于熱處理前剃齒和擠齒齒輪精度，使得傳動(dòng)平穩(wěn)，效率提高，并在同樣負(fù)荷條件下，磨齒的彎曲疲勞壽命比剃齒的要高近一倍。
3 差速器設(shè)計(jì)
汽車(chē)在行使過(guò)程中，左右車(chē)輪在同一時(shí)間內(nèi)所滾過(guò)的路程往往是不相等的，左右兩輪胎內(nèi)的氣壓不等、胎面磨損不均勻、兩車(chē)輪上的負(fù)荷不均勻而引起車(chē)輪滾動(dòng)半徑不相等；左右兩輪接觸的路面條件不同，行使阻力不等等。這樣，如果驅(qū)動(dòng)橋的左、右車(chē)輪剛性連接，則不論轉(zhuǎn)彎行使或直線(xiàn)行使，均會(huì)引起車(chē)輪在路面上的滑移或滑轉(zhuǎn)，一方面會(huì)加劇輪胎磨損、功率和燃料消耗，另一方面會(huì)使轉(zhuǎn)向沉重，通過(guò)性和操縱穩(wěn)定性變壞。為此，在驅(qū)動(dòng)橋的左右車(chē)輪間都裝有輪間差速器。
差速器是個(gè)差速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用來(lái)在兩輸出軸間分配轉(zhuǎn)矩，并保證兩輸出軸有可能以不同的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，用來(lái)保證各驅(qū)動(dòng)輪在各種運(yùn)動(dòng)條件下的動(dòng)力傳遞，避免輪胎與地面間打滑。差速器按其結(jié)構(gòu)特征可分為齒輪式、凸輪式、蝸輪式和牙嵌自由輪式等多種形式。
3.1 差速器結(jié)構(gòu)形式的確定
差速器用來(lái)在兩輸出軸間分配轉(zhuǎn)矩，并保證兩輸出軸有可能以不同的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。差速器按其結(jié)構(gòu)特征不同，分為齒輪式、凸輪式、蝸輪式和牙嵌自由輪式等多種形式。
汽車(chē)上廣泛采用的差速器為對(duì)稱(chēng)錐齒輪式差速器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量較小等優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用廣泛。它又分為普通錐齒輪式差速器，摩擦片式差速器和強(qiáng)制鎖止式差速器。
本次設(shè)計(jì)采用普通錐齒輪式差速器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作平穩(wěn)可靠，適用于本設(shè)計(jì)的汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋。
3.2 差速器齒輪的設(shè)計(jì)
3.2.1 差速器齒輪的參數(shù)選擇
1.行星齒輪數(shù)n
行星齒輪數(shù)n需根據(jù)承載情況來(lái)選擇，在承載不大的情況下n可取兩個(gè)，反之應(yīng)取n=4。轎車(chē)差速器一般有2個(gè)行星齒輪；貨車(chē)和越野車(chē)一般有4個(gè)。
本設(shè)計(jì)取n=4。
2.行星齒輪球面半徑Rb
行星齒輪球面半徑Rb反映了差速器錐齒輪節(jié)錐距的大小和承載能力，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定
（3-1）
式中：Kb為行星齒輪球面半徑系數(shù)，Kb=2.5~3.0，對(duì)于有四個(gè)行星齒輪的乘用車(chē)和商用車(chē)取小值，取2.6；
Td為差速器計(jì)算轉(zhuǎn)矩，Td=min[Tce,Tcs]，為5722.27N?m；
Rb為球面半徑。
則
mm
取整為47mm。
行星齒輪節(jié)錐距A0為
A0=（0.98~0.99）Rb （3-2）
則 A0=46.07~46.54mm，取46.50mm。
3. 行星齒輪和半軸齒輪齒數(shù)z1、z2
為了使輪齒有較高的強(qiáng)度，希望取較大的模數(shù)，但尺寸會(huì)增大，于是又要求行星齒輪的齒數(shù)z1應(yīng)取少些，但z1一般不少于10.半軸齒輪齒數(shù)z2在14~25之間選用。大多數(shù)汽車(chē)的半軸齒輪與行星齒輪的齒數(shù)比z2/z1在1.5~2.0的范圍內(nèi)。
為使兩個(gè)或四個(gè)行星齒輪能同時(shí)與兩個(gè)半軸齒輪嚙合，兩半軸齒輪的齒數(shù)和必須能被行星齒輪數(shù)整除，否則差速器不能裝配。
本設(shè)計(jì)取z1=10，z2=16，則z2/z1=1.6，且2z2=32能被4整除，故符合要求。
4. 行星齒輪和半軸齒輪節(jié)錐角γ1、γ2及模數(shù)m
行星齒輪和半軸齒輪節(jié)錐角γ1、γ2分別為
（3-3）
則γ1=32°，γ2=58°。
錐齒輪大端的端面模數(shù)m為
（3-4）
則m=4.51，為了讓齒輪取得更大的強(qiáng)度，模數(shù)取8。
5.壓力角ɑ
汽車(chē)差速齒輪大都采用壓力角為22°30'、齒高系數(shù)為0.8的齒形。某些總質(zhì)量較大的商用車(chē)采用25°壓力角，以提高齒輪強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)采用22°30'的壓力角，齒形系數(shù)為0.8。
6. 行星齒輪軸直徑d及支撐長(zhǎng)度L
行星齒輪軸d為
（3-5）
式中：T0為差速器殼傳遞的扭矩，為5722.27N?m；
n為行星齒輪數(shù)，為4；
rd為行星齒輪支撐面中點(diǎn)到錐頂?shù)木嚯x，約為半軸齒輪齒寬中點(diǎn)處平均直徑的一半；
[σc]為支撐面允許擠壓應(yīng)力，取98MPa。
則
行星齒輪在軸上的支撐長(zhǎng)度L為
（3-6）
則。
差速器齒輪的幾何尺寸計(jì)算見(jiàn)表3-1。
表3-1 差速器齒輪的幾何尺寸計(jì)算用表
Tab.3-1 geometric size calculation table for differential gear
序號(hào)
名稱(chēng)
代號(hào)
計(jì)算公式
計(jì)算結(jié)果
1
行星齒輪數(shù)
z1
z1≥10，應(yīng)盡量取小值
10
2
半軸齒輪齒數(shù)
z2
z2=14~25
16
3
模數(shù)
m
8
4
齒面寬
F
F=（0.25~0.30）A0；F≤10m
15mm
5
齒工作高
h2
h2=1.6m
12.80
6
齒全高
h
h=1.788m+0.051
14.36
7
壓力角
ɑ
一般汽車(chē)取22°30'，某些重型汽車(chē)取25°
22°30'
8
軸交角
Σ
Σ=90°
90°
9
分度圓直徑
d
d1=mz1；d2=mz2
d1=80mm
d2=128mm
10
節(jié)錐角
γ
γ1=arctan（z1/z2）
γ2=arctan（z2/z1）
γ1=32°
γ2=58°
11
節(jié)錐距
A0
A0=（0.98~0.99）Rb
46.5mm
3.2.2 差速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算
差速器齒輪的尺寸受結(jié)構(gòu)限制，而且承受的載荷較大，它不像主減速器齒輪那樣經(jīng)常處于嚙合狀態(tài)，只有當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎或左、右輪行駛不同的路程時(shí)，或一側(cè)車(chē)輪打滑而滑轉(zhuǎn)時(shí)，差速器齒輪才能有嚙合傳動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)于差速器齒輪，主要應(yīng)進(jìn)行彎曲強(qiáng)度計(jì)算。
輪齒彎曲應(yīng)力σw為
（3-7）
式中：n為行星齒輪數(shù)，為4；
J為綜合系數(shù)，按圖3-1取得，取0.226；
b2、d2分別為半軸齒輪齒寬及其大端分度圓直徑，b2=15mm，d2=128mm；Tc為半軸齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)矩，Tc=0.6T0；
kv、ks、km按主減速器齒輪強(qiáng)渡計(jì)算的有關(guān)數(shù)值選取，kv=1.0，ks=(m/25.4)0.25=0.75，km=1.0。
當(dāng)T0=min[Tce，Tcs]時(shí)，[σw]=980MPa；當(dāng)T0=Tcf時(shí)，[σw]=210MPa。
按min[Tce,Tcs]計(jì)算，Tc=0.6×5722.27=3433.36N?m,則
故符合要求。
按Tcf計(jì)算，Tc=0.6×2262.30=1357.38N?m，則
故符合要求。錐齒輪滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，可用。
3.2.3 差速器齒輪的材料選擇
差速器齒輪與主減速器齒輪一樣，基本都是用滲碳合金鋼制造，目前用于制造差速器錐齒輪的材料為20CrMnTi、20CrMoTi、22CrMnMo和20CrMo等。由于差速器齒輪輪齒要求的精度較低，所以精鍛差速器齒輪工藝已被廣泛采用。
本設(shè)計(jì)采用20CrMnTi。
4 車(chē)輪傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的傳動(dòng)裝置位于傳動(dòng)系的末端，其基本功用是接受從差速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩并將其傳給車(chē)輪。對(duì)于斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋，驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的傳動(dòng)裝置為萬(wàn)向傳動(dòng)裝置；對(duì)于非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋，驅(qū)動(dòng)車(chē)輪傳動(dòng)裝置的主要零件為半軸。
本設(shè)計(jì)為非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋，采用的車(chē)輪傳動(dòng)裝置為半軸。
4.1 半軸的型式選擇
半軸根據(jù)其車(chē)輪端的支承方式不同，可分為半浮式、3/4浮式和全浮式三種形式。
半浮式半軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，半軸外端的支撐軸承位于半軸套管外端的內(nèi)孔中，車(chē)輪裝在半軸上。半浮式半軸除傳遞轉(zhuǎn)矩外，其外端還承受由路面對(duì)車(chē)輪的反力所引起的全部力和力矩。半浮式半軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所受載荷較大，只用于乘用車(chē)和總質(zhì)量較小的商用車(chē)上。
3/4浮式半軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，半軸外端僅有一個(gè)軸承并裝在驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管的端部，直接支承于車(chē)輪輪轂，而半軸則以其端部凸緣與輪轂用螺釘連接。該形式半軸的受載情況與半浮式相似，只是載荷有所減輕，一般僅用在乘用車(chē)和總質(zhì)量較小的商用車(chē)上。
全浮式半軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，半軸外端的凸緣用螺釘與輪轂相連，而輪轂又借用兩個(gè)圓錐滾子軸承支承在驅(qū)動(dòng)橋殼的半軸套管上。理論上來(lái)說(shuō)，半軸只承受轉(zhuǎn)矩，作用于驅(qū)動(dòng)輪上的其他反力和彎矩全部由橋殼來(lái)承受。但由于橋殼變形、輪轂與差速器半軸齒輪不同心、半軸法蘭平面性對(duì)其軸線(xiàn)不垂直等因素，會(huì)引起半軸的彎曲變形，由此引起的彎曲應(yīng)力一般為5~70MPa。全浮式半軸主要用于總質(zhì)量較大的商用車(chē)上。
本設(shè)計(jì)采用全浮式半軸。
4.2 半軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.2.1 半軸的直徑及長(zhǎng)度選擇
全浮式半軸桿部直徑可按下式初選。
（4-1）
式中：d為半軸桿部直徑，mm；
Mφ為半軸計(jì)算轉(zhuǎn)矩，為5722270N?mm；
K為直徑系數(shù)，取0.205~0.218。
則
為了滿(mǎn)足強(qiáng)度需要，取d=42mm。
由輪距1800mm和車(chē)寬2500mm，初選半軸長(zhǎng)度1030mm。
4.2.2 半軸的強(qiáng)度計(jì)算
半軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為
（4-2）
式中：τ為半軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力；
d為半軸直徑，為42mm。
則
半軸的扭轉(zhuǎn)角為
（4-3）
式中：θ為扭轉(zhuǎn)角；
l為半軸長(zhǎng)度，為1030mm；
G為材料的切變模量，鋼材一般為80GPa；
Ip為半軸斷面的極慣性矩，,為305490mm4。
半軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力宜為500~700MPa，轉(zhuǎn)角宜為每米長(zhǎng)度6°~15°。故應(yīng)力及轉(zhuǎn)角均符合要求。
4.2.3 半軸的材料選擇
為了使半軸的花鍵內(nèi)徑不小于桿部直徑，常常將加工的端部做的粗些，并適當(dāng)?shù)販p小花鍵槽的深度，因此花鍵的齒數(shù)就必然要增加，通常取10齒（轎車(chē)半軸）18齒（載貨汽車(chē)半軸）。半軸的破壞形式多為扭轉(zhuǎn)疲勞破壞，因此在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)盡量增大各過(guò)渡部分的圓角半徑以減小應(yīng)力集中。重型汽車(chē)半軸桿部較粗，外端凸緣較大。在現(xiàn)代汽車(chē)半軸上，漸開(kāi)線(xiàn)運(yùn)用的比較廣泛。半軸多采用含鉻的中碳合金鋼制造，如40Cr,40CrMnMo, 40CrMnSi，40CrMnA,35CrMnSi等。
5 驅(qū)動(dòng)橋的橋殼設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)橋橋殼是汽車(chē)上的主要零件，非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋的橋殼起著支承汽車(chē)載荷的作用，并將載荷傳到車(chē)輪上。作用在驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的牽引力、制動(dòng)力、側(cè)向力和垂向力也是徑橋殼傳到懸架及車(chē)架或車(chē)廂上的。因此橋殼既是承載件又是傳力件，同時(shí)它又是主減速器、差速器及驅(qū)動(dòng)車(chē)輪傳動(dòng)裝置的外殼[14]。
在汽車(chē)行駛過(guò)程，橋殼承受繁重的載荷，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮：
1.動(dòng)載荷下橋殼有足夠的強(qiáng)度與剛度；
2.為了減小簧下質(zhì)量以利于降低動(dòng)載荷、提高汽車(chē)的行駛平順性，在保證強(qiáng)度與剛度的前提下力求減小橋殼的質(zhì)量；
3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便有利于降低成本；
4.結(jié)構(gòu)應(yīng)利于主減速器的拆裝、調(diào)整、維修和保養(yǎng)；
5.考慮所設(shè)計(jì)車(chē)輛的類(lèi)型、使用要求、制造條件、材料供應(yīng)[1]。
5.1 橋殼結(jié)構(gòu)型式的選擇
根據(jù)這次設(shè)計(jì)所參考的車(chē)型為中型卡車(chē)，因此采用鋼板沖壓焊接整體橋殼。
5.2 橋殼的尺寸選擇及靜彎曲應(yīng)力計(jì)算
在兩鋼板彈簧座之間的彎矩為：
（5-1）
式中：—汽車(chē)滿(mǎn)載靜止于水平地面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷；取97747N；
—車(chē)輪的重力；
—驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的輪距；取1.8m;
S—驅(qū)動(dòng)橋殼上的兩彈簧座之間的距離；取1.10m。
如圖5-1所示，為車(chē)橋的彎矩圖[9]。
圖5-1車(chē)橋的彎矩圖
Fig.5-1 Bending moment diagram of axle
橋殼的危險(xiǎn)截面通常在鋼板彈簧附近。由于最大值小于，且設(shè)計(jì)時(shí)不易準(zhǔn)確預(yù)計(jì)，當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)可以忽略去。
代入數(shù)字有：
這樣的彎曲應(yīng)力
(5-2)
式中：—危險(xiǎn)斷面處橋殼的垂直彎曲截面系數(shù)（如圖6-4所示）；
圖5-1橋殼彈簧座附近的斷面形狀
Fig.5-1 Cross-section shape near the spring seat of the bridge housing
初步方管的斷面，其中H=140，h=100,B=120,b=80。厚度都為20.則垂直水平彎曲截面系數(shù)分別有：
則靜彎曲應(yīng)力有：
6 驅(qū)動(dòng)橋三維造型設(shè)計(jì)及仿真分析
現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)使用