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湘潭大學興湘學院
畢業(yè)設計說明書
題 目：重載汽車后驅動橋結構設計
專 業(yè)：機械設計制造及其自動化
學 號： 2010962914
姓 名： 黃瑞
指導教師： 劉柏希
完成日期： 2014年5月25日
湘潭大學興湘學院
畢業(yè)論文（設計）任務書
論文（設計）題目： 重載汽車后驅動橋結構設計
學號： 2010962914 姓名： 黃瑞 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化
指導教師： 劉柏希 系主任： 劉柏希
一、主要內容及基本要求
本設計的主要內容為：
1．了解重型卡車后驅動橋工作原理；
2. 設計驅動橋主減速器的結構；
3. 設計驅動橋差速器的結構；
4．對后驅動橋進行總裝。
本設計的基本要求如下：
1．掌握汽車驅動橋主減速器的工作原理和關鍵設計步驟；
2．掌握關鍵部件的結構設計及裝配；
3．掌握驅動傳動方案的設計方法。
二、重點研究的問題
本設計的重點研究問題有兩個：
1．驅動橋主減速器傳動方案設計與實現。
2．驅動橋主減速器結構裝配。
三、進度安排
序號
各階段完成的內容
完成時間
1
查閱相關資料
第1周
2
了解主減速器工作原理、
擬定傳動方案
第2－3周
3
主減速器結構設計和裝配
第4－11周
4
翻譯相關英文資料一份3000字左右
第12周
5
撰寫畢業(yè)論文（設計）說明書
第13周
6
7
8
四、應收集的資料及主要參考文獻
[1] 劉惟信．汽車車橋設計[M]．北京:清華大學出版社，2004．
[2] 王望予．汽車設計[M]．第3版．北京:機械工業(yè)出版社，2000．
[3] 臧杰．汽車構造[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005.
[4] 余志生．汽車理論[M]．第3 版．北京:機械工業(yè)出版社，2000．
[5] 劉軍利.單級橋：重型車橋的發(fā)展方向.商用汽車雜志，2005.
[6] 譚秀卿.重型汽車發(fā)展趨勢簡析.山東交通學院學報，2007.
[7] 張國鋒.中國重型車橋誰主沉浮.技術新視野，2009.
[8] 劉昌仁.JQ8QH后驅動橋設計.客車技術與研究，1994.
[9] 驅動橋設計（上）.長春汽車研究所，2012.
[10] 驅動橋設計（下）.長春汽車研究所，2012.
湘潭大學興湘學院
畢業(yè)論文（設計）評閱表
學號 2010962914 姓名 黃瑞 專業(yè) 機械設計制造及其自動化
畢業(yè)論文（設計）題目： 重載汽車后驅動橋結構設計
評價項目
評 價 內 容
選題
1.符合培養(yǎng)目標，體現學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；
2.難度、份量適當；
3.與生產、科研、社會等實際相結合。
能力
1.有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；
2.有綜合運用知識的能力；
3.具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；
4.具備一定的外文與計算機應用能力；
5.有經濟分析能力。
論文
（設計）質量
1.立論正確，論述較充分，結構較嚴謹合理，設計、計算、分析處理比較科學；技術用語比較準確，符號統(tǒng)一，圖表圖紙完備、整潔、正確，引文比較規(guī)范；
2.文字通順，有觀點提煉，綜合概括能力較好；
3.有實際應用價值，有創(chuàng)新之處。
綜
合
評
價
選題符合培養(yǎng)目標，體現了本學科、專業(yè)特點及教學計劃的基本要求，能夠達到綜合訓練的目的，難度適當。
作者具備較好查閱文獻的能力，具有一定綜合運用知識的能力，初步掌握了科研的一般方法，具備了較好的外文和計算機應用能力。
設計方案基本正確，論述較為充分，結構合理，仿真結果正確，圖表較為完備、清晰，文章比較規(guī)范，文字通順，有一定的綜合概括能力，研究課題有一定的應用價值。
工作量較為飽滿，論文的篇幅達到規(guī)定要求。
評閱人：
2014年 月 日
湘潭大學興湘學院
畢業(yè)論文（設計）鑒定意見
學號： 2010962914 姓名： 黃瑞 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化
畢業(yè)論文（設計說明書） 45 頁 圖 表 5 張
論文（設計）題目： 重載汽車后驅動橋結構設計
內容提要： 驅動橋作為汽車四大總成之一,它的性能的好壞直接影響整車性能,而對于
載重汽車顯得尤為重要。當采用大功率發(fā)動機輸出大的轉矩以滿足目前載重汽車的快速
重載的高效率、高效益的需要時，必須要搭配一個高效、可靠的驅動橋。驅動橋一般由
主減速器、差速器、車輪傳動裝置和驅動橋殼等組成。所以采用傳動效率高的單級減速
驅動橋已成為未來重載汽車的發(fā)展方向。
本文參照傳統(tǒng)驅動橋的設計方法進行了載重汽車驅動橋的設計。本文首先確定主要
部件的結構形式和主要涉設計參數；然后參考類似驅動橋的結構，確定出總體設計方案；
最后對主、從動錐齒輪、差速器圓錐行星齒輪、半軸齒輪、全浮式半軸和整體橋殼的強
度進行校核以及對支承軸承進行了壽命校核。
本設計具有以下的優(yōu)點：由于的是采用中央單級減速驅動橋，使得整個后橋的結構
簡單，制造工藝簡單，從而大大的降低了制造成本。并且，弧齒錐齒輪的單級主減速器
提高了后橋的傳動效率，提高了傳動的可行性。
在發(fā)動機相同的情況下，采用性能優(yōu)良且與發(fā)動機匹配性比較高的驅動橋便成了有
效節(jié)油的措施之一。所以設計新型的驅動橋成為新的課題。
指導教師評語
該同學能夠基本完成畢業(yè)設計任務，解決方案尚可，能夠基本達到預期目標；
圖、表基本合格，文理尚通順；具有一定運用已學知識分析、解決問題的能力；
工作態(tài)度尚可。
同意其參加答辯
指導教師：
2014年 月 日
答辯簡要情況及評語
答辯陳述條理較清楚、重點較突出。回答問題準確程度較高。
根據答辯情況，答辯小組同意其成績評定為 。
答辯小組組長：
2014年 月 日
答辯委員會意見
答辯委員會主任：
2014年 月 日
目 錄
摘要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
1 引言 1
2 驅動橋結構方案分析 1
3 主減速器設計 4
3.1 主減速器的結構形式 4
3.1.1 主減速器的齒輪類型 4
3.1.2 主減速器的減速形式 4
3.1.3 主減速器主，從動錐齒輪的支承形式 4
3.2 主減速器的基本參數選擇與設計計算 5
3.2.1 主減速器計算載荷的確定 5
3.2.2 主減速器基本參數的選擇 7
3.2.3 主減速器圓弧錐齒輪的幾何尺寸計算 9
3.2.4 主減速器圓弧錐齒輪的強度計算 11
3.2.5 主減速器齒輪的材料及熱處理 17
3.2.6 主減速器軸承的計算 17
4 差速器設計 23
4.1 對稱式圓錐行星齒輪差速器的差速原理 23
4.2 對稱式圓錐行星齒輪差速器的結構 24
4.3 對稱式圓錐行星齒輪差速器的設計 25
4.3.1 差速器齒輪的基本參數的選擇 25
4.3.2 差速器齒輪的幾何計算 27
4.3.3 差速器齒輪的強度計算 29
5 驅動半軸的設計 30
5.1 全浮式半軸計算載荷的確定 31
5.2 全浮式半軸的桿部直徑的初選 32
5.3 全浮式半軸的強度計算 32
5.4 半軸花鍵的強度計算 32
6 驅動橋殼的設計 33
6.1 鑄造整體式橋殼的結構 34
6.2 橋殼的強度校核 35
結 論 36
參考文獻 37
致 謝 38
附 錄 英文文獻翻譯 39
重載汽車后驅動橋結構設計
摘要
驅動橋作為汽車四大總成之一，它的性能的好壞直接影響整車性能，而對于載重汽車顯得尤為重要。當采用大功率發(fā)動機輸出大的轉矩以滿足目前載重汽車的快速、重載的高效率、高效益的需要時，必須要搭配一個高效、可靠的驅動橋。驅動橋一般由主減速器、差速器、車輪傳動裝置和驅動橋殼等組成。所以采用傳動效率高的單級減速驅動橋已成為未來重載汽車的發(fā)展方向。
本文參照傳統(tǒng)驅動橋的設計方法進行了載重汽車驅動橋的設計。本文首先確定主要部件的結構型式和主要設計參數；然后參考類似驅動橋的結構，確定出總體設計方案；最后對主，從動錐齒輪，差速器圓錐行星齒輪，半軸齒輪，全浮式半軸和整體式橋殼的強度進行校核以及對支承軸承進行了壽命校核。
本設計具有以下的優(yōu)點：由于的是采用中央單級減速驅動橋，使得整個后橋的結構簡單，制造工藝簡單，從而大大的降低了制造成本。并且，弧齒錐齒輪的單級主減速器提高了后橋的傳動效率，提高了傳動的可行性。
關鍵字：驅動橋，主減速器，差速器，半軸，橋殼
The Designing of Heavy Truck Rear Drive Axles
Abstract
The driving axle takes automobile one of four big units, its performance quality immediate influence complete bikes performance, but appears regarding the truck especially important. When uses the uprated engine to output the big torque satisfies the present truck fast, the heavy load high efficiency, the high benefit need, must match one highly effective, the reliable driving axle. The driving axle generally by the final drive, the differential, the wheel transmission device and the driving axle housing and so on is composed. Will therefore use the transmission efficiency high single stage deceleration driving axle to become in the future the heavy load automobile's development direction.
This article referred to the traditional driving axle's design method to carryon the truck driving axle's design. This article first determines major component's structure pattern and the main design variable; Then the reference similar driving axle's structure, determines the overall project design; Finally to the host,the driven bevel gear, the differential device circular cone planet gear, the rear axle shaft gear, full-floating axle shaft and the banjo housing's intensity carried on the examination as well as has carried on the life examination to the supporting bearing.
This design has the following merit: What because uses the central single stage deceleration driving axle, causes the entire rear axle of car the structure to be simple, the fabrication technology is simple, thus big reduced the production cost. And, the arc cusp gear's single stage main gear box raised the rear axle of car transmission efficiency, enhanced the transmission feasibility.
key words: Driving axle，final drive，differential，axle shaft，axle housing
47
1引言
汽車的驅動橋位于傳動系的末端,它的基本功用是增大由傳動軸傳來的轉矩,將轉矩分配給左右驅動車輪,并且使左右驅動車輪具有汽車行駛運動學所要求的差速功能;同時,驅動橋還要承受作用于路面和車架或者承載式車身之間的鉛垂力、縱向力和橫向力及力矩。
主減速器是驅動橋的重要組成部分，車橋的結構形式和設計參數除了對汽車的可靠性與耐久性有重要的影響外，也對汽車的行駛性能如動力性、經濟性、平順性、通過性、機動性和操作穩(wěn)定性等有直接影響。
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和汽車技術的提高，驅動橋的設計、制造工藝都在日益完善。汽車驅動橋和其他汽車總成一樣除了廣泛的采用新技術以外，在結構設計中日益朝著“零件標準化、部件通用化、產品系列化”的方向發(fā)展及生產組織的專業(yè)化目標前進。
目前國內重型車橋生產企業(yè)也主要集中在中信車橋廠、東風襄樊車橋公司、濟南橋箱廠、漢德車橋公司、重慶紅巖橋廠和安凱車橋廠幾家企業(yè)。這些企業(yè)幾乎占到國內重卡車橋90%以上的市場。
在本設計中還采用了AutoCAD繪圖軟件分別進行了工程圖的繪制，運用AutoCAD繪制了一些重要的零件圖，通過對AutoCAD的編輯工具與命令的運用，掌握了從AutoCAD基礎圖形的繪制→基礎零件的繪制→各類零件圖的創(chuàng)建與繪制的方法，并且理解了機械圖繪制的工作流程，為今后更好的學習和掌握各種應用軟件和技能打下堅實的基礎。
2驅動橋結構方案分析
由于要求設計的是重型汽車后驅動橋，要設計這樣一個級別的驅動橋，一般選用非斷開式結構以與非獨立懸架相適應，該種形式的驅動橋的橋殼是一根支撐在左右驅動車輪的剛性空心梁，一般是鑄造或鋼板沖壓而成，主減速器，差速器和半軸等所有傳動件都裝在其中，此時驅動橋，驅動車輪都屬于簧下質量。
驅動橋的結構形式有多種，基本形式有三種如下：
1)中央單級減速驅動橋。此是驅動橋結構中最為簡單的一種，是驅動橋的基本形式， 在載重汽車中占主導地位。一般在主傳動比小于6的情況下，應盡量采用中央單級減速驅動橋。目前的中央單級減速器趨于采用雙曲線螺旋傘齒輪，主動小齒輪采用騎馬式支承， 有差速鎖裝置供選用。
2)中央雙級驅動橋。在國內目前的市場上，中央雙級驅動橋主要有2種類型：一類如伊頓系列產品，事先就在單級減速器中預留好空間，當要求增大牽引力與速比時，可裝入圓柱行星齒輪減速機構，將原中央單級改成中央雙級驅動橋，這種改制“三化”（即系列化，通用化，標準化）程度高， 橋殼、主減速器等均可通用，錐齒輪直徑不變；另一類如洛克威爾系列產品，當要增大牽引力與速比時，需要改制第一級傘齒輪后，再裝入第二級圓柱直齒輪或斜齒輪，變成要求的中央雙級驅動橋，這時橋殼可通用，主減速器不通用， 錐齒輪有2個規(guī)格。
由于上述中央雙級減速橋均是在中央單級橋的速比超出一定數值或牽引總質量較大時，作為系列產品而派生出來的一種型號，它們很難變型為前驅動橋，使用受到一定限制；因此，綜合來說，雙級減速橋一般均不作為一種基本型驅動橋來發(fā)展，而是作為某一特殊考慮而派生出來的驅動橋存在。
3)中央單級、輪邊減速驅動橋。輪邊減速驅動橋較為廣泛地用于油田、建筑工地、礦山等非公路車與軍用車上。當前輪邊減速橋可分為2類：一類為圓錐行星齒輪式輪邊減速橋；另一類為圓柱行星齒輪式輪邊減速驅動橋。
①圓錐行星齒輪式輪邊減速橋。由圓錐行星齒輪式傳動構成的輪邊減速器，輪邊減速比為固定值2，它一般均與中央單級橋組成為一系列。在該系列中，中央單級橋仍具有獨立性，可單獨使用，需要增大橋的輸出轉矩，使牽引力增大或速比增大時，可不改變中央主減速器而在兩軸端加上圓錐行星齒輪式減速器即可變成雙級橋。這類橋與中央雙級減速橋的區(qū)別在于：降低半軸傳遞的轉矩，把增大的轉矩直接增加到兩軸端的輪邊減速器上 ，其“三化”程度較高。但這類橋因輪邊減速比為固定值2，因此，中央主減速器的尺寸仍較大，一般用于公路、非公路軍用車。
②圓柱行星齒輪式輪邊減速橋。單排、齒圈固定式圓柱行星齒輪減速橋，一般減速比在3至4.2之間。由于輪邊減速比大，因此，中央主減速器的速比一般均小于3，這樣大錐齒輪就可取較小的直徑，以保證重型汽車對離地問隙的要求。這類橋比單級減速器的質量大，價格也要貴些，而且輪穀內具有齒輪傳動，長時間在公路上行駛會產生大量的熱量而引起過熱；因此，作為公路車用驅動橋，它不如中央單級減速橋。
綜上所述，由于設計的驅動橋的傳動比為4.444，小于6。況且由于隨著我國公路條件的改善和物流業(yè)對車輛性能要求的變化，重型汽車驅動橋技術已呈現出向單級化發(fā)展的趨勢，主要是單級驅動橋還有以下幾點優(yōu)點：
(l) 單級減速驅動橋是驅動橋中結構最簡單的一種，制造工藝簡單，成本較低， 是驅動橋的基本類型，在重型汽車上占有重要地位；
(2) 重型汽車發(fā)動機向低速大轉矩發(fā)展的趨勢，使得驅動橋的傳動比向小速比發(fā)展；
(3) 隨著公路狀況的改善，特別是高速公路的迅猛發(fā)展，重型汽車使用條件對汽車通過性的要求降低。因此，重型汽車不必像過去一樣，采用復雜的結構提高通過性；
(4) 與帶輪邊減速器的驅動橋相比，由于產品結構簡化，單級減速驅動橋機械傳動效率提高，易損件減少，可靠性提高。
單級橋產品的優(yōu)勢為單級橋的發(fā)展拓展了廣闊的前景。從產品設計的角度看， 重型車產品在主減速比小于6的情況下，應盡量選用單級減速驅動橋。
所以此設計采用單級驅動橋再配以鑄造整體式橋殼。圖2-1Meritor單后驅動橋為中國重汽引進的美國ROCKWELL公司13噸級單級減速橋的外形圖。
圖2-1 Meritor（美馳）單后驅動橋
3 主減速器設計
3.1 主減速器的結構形式
主減速器的結構形式主要是根據其齒輪的類型，主動齒輪和從動齒輪的安置方法以及減速形式的不同而異。
3.1.1 主減速器的齒輪類型
主減速器的齒輪有弧齒錐齒輪，雙曲面齒輪，圓柱齒輪和蝸輪蝸桿等形式。在此選用弧齒錐齒輪傳動，其特點是主、從動齒輪的軸線垂直交于一點。由于輪齒端面重疊的影響，至少有兩個以上的輪齒同時嚙合，因此可以承受較大的負荷，加之其輪齒不是在齒的全長上同時嚙合，而是逐漸有齒的一端連續(xù)而平穩(wěn)的地轉向另一端，所以工作平穩(wěn)，噪聲和振動小。而弧齒錐齒輪還存在一些缺點，比如對嚙合精度比較敏感，齒輪副的錐頂稍有不吻合就會使工作條件急劇變壞，并加劇齒輪的磨損和使噪聲增大；但是當主傳動比一定時，主動齒輪尺寸相同時，雙曲面齒輪比相應的弧齒錐齒輪小，從而可以得到更大的離地間隙，有利于實現汽車的總體布置。另外，弧齒錐齒輪與雙曲面錐齒輪相比，具有較高的傳動效率，可達99%。
3.1.2 主減速器的減速形式
由于i=4.444＜6，一般采用單級主減速器，單級減速驅動橋產品的優(yōu)勢：單級減速驅動車橋是驅動橋中結構最簡單的一種，制造工藝較簡單，成本較低，是驅動橋的基本型，在重型汽車上占有重要地位；目前重型汽車發(fā)動機向低速大扭矩發(fā)展的趨勢使得驅動橋的傳動比向小速比發(fā)展；隨著公路狀況的改善，特別是高速公路的迅猛發(fā)展，許多重型汽車使用條件對汽車通過性的要求降低，因此，重型汽車產品不必像過去一樣，采用復雜的結構提高其的通過性；與帶輪邊減速器的驅動橋相比，由于產品結構簡化，單級減速驅動橋機械傳動效率提高，易損件減少，可靠性增加。
3.1.3 主減速器主，從動錐齒輪的支承形式
作為一個13噸級的驅動橋，傳動的轉矩較大，所以主動錐齒輪采用騎馬式支承。裝于輪齒大端一側軸頸上的軸承，多采用兩個可以預緊以增加支承剛度的圓錐滾子軸承，其中位于驅動橋前部的通常稱為主動錐齒輪前軸承，其后部緊靠齒輪背面的那個齒輪稱為主動錐齒輪后軸承；當采用騎馬式支承時，裝于齒輪小端一側軸頸上的軸承一般稱為導向軸承。導向軸承都采用圓柱滾子式，并且內外圈可以分離（有時不帶內圈），以利于拆裝。
3.2 主減速器的基本參數選擇與設計計算
3.2.1 主減速器計算載荷的確定
1. 按發(fā)動機最大轉矩和最低擋傳動比確定從動錐齒輪的計算轉矩Ｔce
（3-1）
式中 ——發(fā)動機至所計算的主減速器從動錐齒輪之間的傳動系的最低擋傳動比，在此取9.01，此數據此參考斯太爾1291.260/N65車型；
——發(fā)動機的輸出的最大轉矩，此數據參考斯太爾1291.260/N65車型在此取830；
——傳動系上傳動部分的傳動效率，在此取0.9；
——該汽車的驅動橋數目在此取1；
——由于猛結合離合器而產生沖擊載荷時的超載系數，對于一般的載貨汽車，礦用汽車和越野汽車以及液力傳動及自動變速器的各類汽車取=1.0，當性能系數>0時可取=2.0；
（3-2）
——汽車滿載時的總質量在此取20000 ；
所以 0.195 =47>16
=-0.31〈0 即=1.0
由以上各參數可求
==29910.2
2. 按驅動輪打滑轉矩確定從動錐齒輪的計算轉矩
（3-3）
式中 ——汽車滿載時一個驅動橋給水平地面的最大負荷，預設后橋所承載130000N的負荷;
——輪胎對地面的附著系數，對于安裝一般輪胎的公路用車，取=0.85；對于越野汽車取1.0；對于安裝有專門的防滑寬輪胎的高級轎車，計算時可取1.25;
——車輪的滾動半徑，在此選用輪胎型號為12.00R20，滾動半徑為 0.527m；
，——分別為所計算的主減速器從動錐齒輪到驅動車輪之間的傳動效率和傳動比，取0.9，由于沒有輪邊減速器取1.0
所以==64703.9
3. 按汽車日常行駛平均轉矩確定從動錐齒輪的計算轉矩
對于公路車輛來說，使用條件較非公路車輛穩(wěn)定，其正常持續(xù)的轉矩根據所謂的平均牽引力的值來確定：
（3-4）
式中：——汽車滿載時的總重量，參考斯太爾1291.260/N65車型在此取2000000N；
——所牽引的掛車滿載時總重量，N，但僅用于牽引車的計算；
——道路滾動阻力系數，對于載貨汽車可取0.015~0.020；在此取0.018
——汽車正常行駛時的平均爬坡能力系數，對于載貨汽車可取0.05~0.09在此取0.07
——汽車的性能系數在此取0；
，，n——見式（3-1），（3-3）下的說明。
所以
==10305.8
式（3-1）～式（3-4）參考《汽車車橋設計》式（3-10）～式（3-12）。
3.2.2 主減速器基本參數的選擇
主減速器錐齒輪的主要參數有主、從動齒輪的齒數和，從動錐齒輪大端分度圓直徑、端面模數、主從動錐齒輪齒面寬和、中點螺旋角、法向壓力角等。
1. 主、從動錐齒輪齒數和
選擇主、從動錐齒輪齒數時應考慮如下因素：
1）為了磨合均勻，，之間應避免有公約數。
2）為了得到理想的齒面重合度和高的輪齒彎曲強度，主、從動齒輪齒數和應不小于40。
3）為了嚙合平穩(wěn)，噪聲小和具有高的疲勞強度對于商用車一般不小于6。
4）主傳動比較大時，盡量取得小一些，以便得到滿意的離地間隙。
5）對于不同的主傳動比，和應有適宜的搭配。
根據以上要求參考《汽車車橋設計》中表3-12 表4-13取=9 =40
+=49〉40
2. 從動錐齒輪大端分度圓直徑和端面模數
對于單級主減速器，增大尺寸會影響驅動橋殼的離地間隙，減小又會影響跨置式主動齒輪的前支承座的安裝空間和差速器的安裝。
可根據經驗公式初選，即
（3-5）
——直徑系數，一般取13.0～16.0
——從動錐齒輪的計算轉矩，，為Tce和Tcs中的較小者
所以 =（13.0～16.0）=（403.5～496.7）
初選=450 則=/=450/40=11.25
有參考《機械設計手冊》中選取12 則=480
根據=來校核=12選取的是否合適，其中=（0.3～0.4）
此處，=（0.3～0.4）=（9.31～12.4），因此滿足校核。
3. 主，從動錐齒輪齒面寬和
錐齒輪齒面過寬并不能增大齒輪的強度和壽命，反而會導致因錐齒輪輪齒小端齒溝變窄引起的切削刀頭頂面過窄及刀尖圓角過小，這樣不但會減小了齒根圓角半徑，加大了集中應力，還降低了刀具的使用壽命。此外，安裝時有位置偏差或由于制造、熱處理變形等原因使齒輪工作時載荷集中于輪齒小端，會引起輪齒小端過早損壞和疲勞損傷。另外，齒面過寬也會引起裝配空間減小。但齒面過窄，輪齒表面的耐磨性和輪齒的強度會降低。
對于從動錐齒輪齒面寬，推薦不大于節(jié)錐的0.3倍，即，而且應滿足，對于汽車主減速器圓弧齒輪推薦采用：
=0.155480=74.4 在此取75
一般習慣使錐齒輪的小齒輪齒面寬比大齒輪稍大，使其在大齒輪齒面兩端都超出一些，通常小齒輪的齒面加大10%較為合適，在此取=80.
4.中點螺旋角
螺旋角沿齒寬是變化的，輪齒大端的螺旋角最大，輪齒小端螺旋角最小，弧齒錐齒輪副的中點螺旋角是相等的，選時應考慮它對齒面重合度，輪齒強度和軸向力大小的影響，越大，則也越大，同時嚙合的齒越多，傳動越平穩(wěn)，噪聲越低，而且輪齒的強度越高，應不小于1.25，在1.5～2.0時效果最好，但過大，會導致軸向力增大。
汽車主減速器弧齒錐齒輪的平均螺旋角為35°～40°，而商用車選用較小的值以防止軸向力過大，通常取35°。
5. 螺旋方向
主、從動錐齒輪的螺旋方向是相反的。螺旋方向與錐齒輪的旋轉方向影響其所受的軸向力的方向，當變速器掛前進擋時，應使主動錐齒輪的軸向力離開錐頂方向，這樣可使主、從動齒輪有分離的趨勢，防止輪齒因卡死而損壞。所以主動錐齒輪選擇為左旋，從錐頂看為逆時針運動，這樣從動錐齒輪為右旋，從錐頂看為順時針，驅動汽車前進。
6. 法向壓力角
加大壓力角可以提高齒輪的強度，減少齒輪不產生根切的最小齒數，但對于尺寸小的齒輪，大壓力角易使齒頂變尖及刀尖寬度過小，并使齒輪的端面重疊系數下降，一般對于“格里森”制主減速器螺旋錐齒輪來說，規(guī)定重型載貨汽車可選用22.5°的壓力角。
3.2.3 主減速器圓弧錐齒輪的幾何尺寸計算
表3-1 主減速器圓弧錐齒輪的幾何尺寸計算用表
序 號
項 目
計 算 公 式
計 算 結 果
1
主動齒輪齒數
9
2
從動齒輪齒數
40
3
端面模數
12㎜
4
齒面寬
=80㎜ =75㎜
5
工作齒高
20.4㎜
6
全齒高
=22.656㎜
7
法向壓力角
=22.5°
8
軸交角
=90°
9
節(jié)圓直徑
=
108㎜
=480㎜
10
節(jié)錐角
arctan
=90°-
=12.682°
=77.318°
11
節(jié)錐距
A==
A=245.97㎜
12
周節(jié)
t=3.1416
t=37.699㎜
13
齒頂高
=10.2㎜
14
齒根高
=
=12.456 ㎜
15
徑向間隙
c=
c=2.256㎜
16
齒根角
=2.899 °
17
面錐角
=15.581°
=80.217°
18
根錐角
=
=
=9.783°
=74.419°
19
齒頂圓直徑
=
=127.902㎜
=484.479㎜
20
節(jié)錐頂點止齒輪外緣距離
=237.761㎜
=44.049㎜
21
理論弧齒厚
=27.38mm
=10.32mm
22
齒側間隙
B=0.305～0.406
0.4mm
23
螺旋角
=35°
3.2.4 主減速器圓弧錐齒輪的強度計算
在完成主減速器齒輪的幾何計算之后，應對其強度進行計算，以保證其有足夠的強度和壽命以及安全可靠性地工作。在進行強度計算之前應首先了解齒輪的破壞形式及其影響因素。
1） 齒輪的損壞形式及壽命
齒輪的損壞形式常見的有輪齒折斷、齒面點蝕及剝落、齒面膠合、齒面磨損等。它們的主要特點及影響因素分述如下：
（1）輪齒折斷
主要分為疲勞折斷及由于彎曲強度不足而引起的過載折斷。折斷多數從齒根開始，因為齒根處齒輪的彎曲應力最大。
①疲勞折斷：在長時間較大的交變載荷作用下，齒輪根部經受交變的彎曲應力。如果最高應力點的應力超過材料的耐久極限，則首先在齒根處產生初始的裂紋。隨著載荷循環(huán)次數的增加，裂紋不斷擴大，最后導致輪齒部分地或整個地斷掉。在開始出現裂紋處和突然斷掉前存在裂紋處，在載荷作用下由于裂紋斷面間的相互摩擦，形成了一個光亮的端面區(qū)域，這是疲勞折斷的特征，其余斷面由于是突然形成的故為粗糙的新斷面。
②過載折斷：由于設計不當或齒輪的材料及熱處理不符合要求，或由于偶然性的峰值載荷的沖擊，使載荷超過了齒輪彎曲強度所允許的范圍，而引起輪齒的一次性突然折斷。此外，由于裝配的齒側間隙調節(jié)不當、安裝剛度不足、安裝位置不對等原因，使輪齒表面接觸區(qū)位置偏向一端，輪齒受到局部集中載荷時，往往會使一端（經常是大端）沿斜向產生齒端折斷。各種形式的過載折斷的斷面均為粗糙的新斷面。
為了防止輪齒折斷，應使其具有足夠的彎曲強度，并選擇適當的模數、壓力角、齒高及切向修正量、良好的齒輪材料及保證熱處理質量等。齒根圓角盡可能加大，根部及齒面要光潔。
（2）齒面的點蝕及剝落
齒面的疲勞點蝕及剝落是齒輪的主要破壞形式之一，約占損壞報廢齒輪的70%以上。它主要由于表面接觸強度不足而引起的。
①點蝕：是輪齒表面多次高壓接觸而引起的表面疲勞的結果。由于接觸區(qū)產生很大的表面接觸應力，常常在節(jié)點附近，特別在小齒輪節(jié)圓以下的齒根區(qū)域內開始，形成極小的齒面裂紋進而發(fā)展成淺凹坑，形成這種凹坑或麻點的現象就稱為點蝕。一般首先產生在幾個齒上。在齒輪繼續(xù)工作時，則擴大凹坑的尺寸及數目，甚至會逐漸使齒面成塊剝落，引起噪音和較大的動載荷。在最后階段輪齒迅速損壞或折斷。減小齒面壓力和提高潤滑效果是提高抗點蝕的有效方法，為此可增大節(jié)圓直徑及增大螺旋角，使齒面的曲率半徑增大，減小其接觸應力。在允許的范圍內適當加大齒面寬也是一種辦法。
②齒面剝落：發(fā)生在滲碳等表面淬硬的齒面上，形成沿齒面寬方向分布的較點蝕更深的凹坑。凹坑壁從齒表面陡直地陷下。造成齒面剝落的主要原因是表面層強度不夠。例如滲碳齒輪表面層太薄、心部硬度不夠等都會引起齒面剝落。當滲碳齒輪熱處理不當使?jié)B碳層中含碳濃度的梯度太陡時，則一部分滲碳層齒面形成的硬皮也將從齒輪心部剝落下來。
（3）齒面膠合
在高壓和高速滑摩引起的局部高溫的共同作用下，或潤滑冷卻不良、油膜破壞形成金屬齒表面的直接摩擦時，因高溫、高壓而將金屬粘結在一起后又撕下來所造成的表面損壞現象和擦傷現象稱為膠合。它多出現在齒頂附近，在與節(jié)錐齒線的垂直方向產生撕裂或擦傷痕跡。輪齒的膠合強度是按齒面接觸點的臨界溫度而定，減小膠合現象的方法是改善潤滑條件等。
（4）齒面磨損
這是輪齒齒面間相互滑動、研磨或劃痕所造成的損壞現象。規(guī)定范圍內的正常磨損是允許的。研磨磨損是由于齒輪傳動中的剝落顆粒、裝配中帶入的雜物，如未清除的
型砂、氧化皮等以及油中不潔物所造成的不正常磨損，應予避免。汽車主減速器及差速器齒輪在新車跑合期及長期使用中按規(guī)定里程更換規(guī)定的潤滑油并進行清洗是防止不正常磨損的有效方法。
汽車驅動橋的齒輪，承受的是交變負荷，其主要損壞形式是疲勞。其表現是齒根疲勞折斷和由表面點蝕引起的剝落。在要求使用壽命為20萬千米或以上時，其循環(huán)次數均以超過材料的耐久疲勞次數。因此，驅動橋齒輪的許用彎曲應力不超過210.9N／mm.
表3-2給出了汽車驅動橋齒輪的許用應力數值
表3-2 汽車驅動橋齒輪的許用應力 N／mm
計算載荷
主減速器齒輪的許用彎曲應力
主減速器齒輪的許用接觸應力
差速器齒輪的許用彎曲應力
按式（2-1）、式（2-3）計算出的最大計算轉矩Tec，Tcs中的較小者
700
2800
980
按式（2-4）計算出的平均計算轉矩Tcf
210.9
1750
210.9
實踐表明，主減速器齒輪的疲勞壽命主要與最大持續(xù)載荷（即平均計算轉矩）有關，而與汽車預期壽命期間出現的峰值載荷關系不大。汽車驅動橋的最大輸出轉矩Tec和最大附著轉矩Tcs并不是使用中的持續(xù)載荷，強度計算時只能用它來驗算最大應力，不能作為疲勞損壞的依據。
2） 主減速器圓弧齒螺旋錐齒輪的強度計算
（1） 單位齒長上的圓周力
在汽車主減速器齒輪的表面耐磨性，常常用其在輪齒上的假定單位壓力即單位齒長圓周力來估算，即
N／mm (3-6)
式中：P——作用在齒輪上的圓周力，按發(fā)動機最大轉矩Temax和最大附著力矩 兩種載荷工況進行計算，N；
——從動齒輪的齒面寬，在此取80mm.
按發(fā)動機最大轉矩計算時：
N／mm （3-7）
式中：——發(fā)動機輸出的最大轉矩，在此取830；
——變速器的傳動比；
——主動齒輪節(jié)圓直徑，在此取108mm.
按上式 N／mm
按最大附著力矩計算時：
N／mm （3-8）
式中：——汽車滿載時一個驅動橋給水平地面的最大負荷，對于后驅動橋還應考慮汽車最大加速時的負荷增加量，在此取130000N；
——輪胎與地面的附著系數，在此取0.85：
——輪胎的滾動半徑，在此取0.527m
按上式=1619 N／mm
在現代汽車的設計中，由于材質及加工工藝等制造質量的提高，單位齒長上的圓周力有時提高許用數據的20%～25%。經驗算以上兩數據都在許用范圍內。其中上述兩種方法計算用的許用單位齒長上的圓周力[p]都為1865N/mm。
（2）輪齒的彎曲強度計算
汽車主減速器錐齒輪的齒根彎曲應力為
N/ （3-9）
式中：——該齒輪的計算轉矩，N·m;
——超載系數；在此取1.0
——尺寸系數，反映材料的不均勻性，與齒輪尺寸和熱處理有關，
當ｍ時，，在此＝0.829
——載荷分配系數，當兩個齒輪均用騎馬式支承型式時，＝1.00～1.1；
其他方式支承時取1.10～1.25。支承剛度大時取最小值。
——質量系數，對于汽車驅動橋齒輪，當齒輪接觸良好，周節(jié)及徑向
跳動精度高時，可取1.0;
——計算齒輪的齒面寬，mm;
——計算齒輪的齒數；
——端面模數，mm;
——計算彎曲應力的綜合系數（或幾何系數），它綜合考慮了齒形系數。
載荷作用點的位置、載荷在齒間的分布、有效齒面寬、應力集中系數及慣性系數等對彎曲應力計算的影響。計算彎曲應力時本應采用輪齒中點圓周力與中點端面模數，今用大端模數，而在綜合系數中進行修正。按圖4-1選取小齒輪的＝0.225，大齒輪＝0.195.
按上式＝173 N/< 210.3 N/
=199.7 N/<210.3 N/
所以主減速器齒輪滿足彎曲強度要求。
圖4-1 彎曲計算用綜合系數J
(3) 輪齒的表面接觸強度計算
錐齒輪的齒面接觸應力為
N/ (4-10)
式中：——主動齒輪的計算轉矩；
——材料的彈性系數，對于鋼制齒輪副取232.6/mm;
，，——見式(3-9)下的說明；
——尺寸系數，它考慮了齒輪的尺寸對其淬透性的影響，在缺乏經驗的情況下，可取1.0；
——表面質量系數，決定于齒面最后加工的性質（如銑齒，磨齒等），即表面粗糙度及表面覆蓋層的性質（如鍍銅，磷化處理等）。一般情況下，對于制造精確的齒輪可取1.0
——計算接觸應力的綜合系數（或稱幾何系數）。它綜合考慮了嚙合齒面的相對曲率半徑、載荷作用的位置、輪齒間的載荷分配系數、有效尺寬及慣性系數的因素的影響，按圖3-2選取=0.115
按上式=1445 〈1750 N/
主、從動齒輪的齒面接觸應力相等。所以均滿足要求。
圖3-2 接觸計算用綜合系數
3.2.5 主減速器齒輪的材料及熱處理
驅動橋錐齒輪的工作條件是相當惡劣的，與傳動系的其它齒輪相比，具有載荷大，作用時間長，載荷變化多，帶沖擊等特點。其損壞形式主要有齒輪根部彎曲折斷、齒面疲勞點蝕（剝落）、磨損和擦傷等。根據這些情況，對于驅動橋齒輪的材料及熱處理應有以下要求：
①具有較高的疲勞彎曲強度和表面接觸疲勞強度，以及較好的齒面耐磨性，故齒表面應有高的硬度；
②輪齒心部應有適當的韌性以適應沖擊載荷，避免在沖擊載荷下輪齒根部折斷；
③鋼材的鍛造、切削與熱處理等加工性能良好，熱處理變形小或變形規(guī)律易于控制，以提高產品的質量、縮短制造時間、減少生產成本并將低廢品率；
④選擇齒輪材料的合金元素時要適合我國的情況。
汽車主減速器用的螺旋錐齒輪以及差速器用的直齒錐齒輪，目前都是用滲碳合金鋼制造。在此，齒輪所采用的鋼為20CrMnTi
用滲碳合金鋼制造的齒輪，經過滲碳、淬火、回火后，輪齒表面硬度應達到58～64HRC，而心部硬度較低，當端面模數〉8時為29～45HRC。
由于新齒輪接觸和潤滑不良，為了防止在運行初期產生膠合、咬死或擦傷，防止早期的磨損，圓錐齒輪的傳動副（或僅僅大齒輪）在熱處理及經加工（如磨齒或配對研磨）后均予與厚度0.005～0.010～0.020mm的磷化處理或鍍銅、鍍錫。這種表面不應用于補償零件的公差尺寸，也不能代替潤滑。
對齒面進行噴丸處理有可能提高壽命達25％。對于滑動速度高的齒輪，為了提高其耐磨性，可以進行滲硫處理。滲硫處理時溫度低，故不引起齒輪變形。滲硫后摩擦系數可以顯著降低，故即使?jié)櫥瑮l件較差，也會防止齒輪咬死、膠合和擦傷等現象產生。
3.2.6 主減速器軸承的計算
1．錐齒輪齒面上的作用力
錐齒輪在工作過程中，相互嚙合的齒面上作用有一法向力。該法向力可分解為沿齒輪切向方向的圓周力、沿齒輪軸線方向的軸向力及垂直于齒輪軸線的徑向力。
為計算作用在齒輪的圓周力，首先需要確定計算轉矩。汽車在行駛過程中，由于變速器擋位的改變，且發(fā)動機也不全處于最大轉矩狀態(tài)，故主減速器齒輪的工作轉矩處于經常變化中。實踐表明，軸承的主要損壞形式為疲勞損傷，所以應按輸入的當量轉矩進行計算。作用在主減速器主動錐齒輪上的當量轉矩可按下式計算：
(3-11)
式中：——發(fā)動機最大轉矩，在此取830N·m；
，…——變速器在各擋的使用率，可參考表3-3選?。?
，…——變速器各擋的傳動比；
，…——變速器在各擋時的發(fā)動機的利用率，可參考表3-3選??；
表3-3 及的參考值
經計算為1164.8Ｎ·ｍ
對于圓錐齒輪的齒面中點的分度圓直徑
經計算＝91.54mm =406.82mm
式（3-11）參考《汽車車橋設計》。
(1) 齒寬中點處的圓周力
齒寬中點處的圓周力為
＝ N (3-12)
式中：——作用在該齒輪上的轉矩，作用在主減速器主動錐齒輪上的當量轉矩見
式(3-11);
——該齒輪的齒面寬中點處的分度圓直徑.
按上式主減速器主動錐齒輪齒寬中點處的圓周力 ==25.45KN
（2）錐齒輪的軸向力和徑向力
圖3-3 主動錐齒輪齒面的受力圖
如圖3-3，主動錐齒輪螺旋方向為左旋，從錐頂看旋轉方向為逆時針，F 為作用在節(jié)錐面上的齒面寬中點A處的法向力，在A點處的螺旋方向的法平面內，F分解成兩個相互垂直的力F和，F垂直于OA且位于∠OO′A所在的平面，位于以OA為切線的節(jié)錐切平面內。在此平面內又可分為沿切線方向的圓周力F和沿節(jié)圓母線方向的力。F與之間的夾角為螺旋角，F與之間的夾角為法向壓力角，這樣就有：
（3-13）
（3-14）
（3-15）
于是，作用在主動錐齒輪齒面上的軸向力A和徑向力R分別為
（3-16）
（3-17）
式（3-16）可計算20202N
式（3-17）可計算=9662N
式（3-12）～式（3-17）參考《汽車設計》。
2.主減速器軸承載荷的計算
軸承的軸向載荷就是上述的齒輪的軸向力。但如果采用圓錐滾子軸承作支承時，還應考慮徑向力所應起的派生軸向