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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 選題的目的和意義
主減速器是驅(qū)動(dòng)橋的重要組成部分，其性能的好壞直接影響到車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性。目前,國(guó)內(nèi)減速器行業(yè)重點(diǎn)骨干企業(yè)的產(chǎn)品品種、規(guī)格及參數(shù)覆蓋范圍近幾年都在不斷擴(kuò)展，產(chǎn)品質(zhì)量已達(dá)到國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家同類產(chǎn)品水平，完全可承擔(dān)起為我國(guó)汽車行業(yè)提供傳動(dòng)裝置配套的重任，部分產(chǎn)品還出口至歐美及東南亞地區(qū)。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，主減速器將有更進(jìn)一步的發(fā)展。對(duì)主減速器的研究能極大地促進(jìn)我國(guó)的汽車工業(yè)的發(fā)展。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
主減速器是傳動(dòng)系的一部分，與差速器，車輪傳動(dòng)裝置和橋殼共同組成驅(qū)動(dòng)橋。主減速器的功用是增扭，降速，改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向，即增大由傳動(dòng)軸或直接從變速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩，并將轉(zhuǎn)矩傳遞給差速器[1]。
在現(xiàn)代汽車驅(qū)動(dòng)橋上，主減速器種類很多，包括單級(jí)減速、雙級(jí)減速、雙速減速、單級(jí)貫通、雙級(jí)貫通、主減速及輪邊減速等。其中應(yīng)用得最廣泛的是采用螺旋錐齒輪和雙曲面齒輪的單級(jí)主減速器。在雙級(jí)主減速器中，通常還要加一對(duì)圓柱齒輪（多采用斜齒圓柱齒輪），或一組行星齒輪。在輪邊減速器中則常采用普通平行軸式布置的斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)或行星齒輪傳動(dòng)。在某些公共汽車、無(wú)軌電車和超重型汽車的主減速器上，有時(shí)也采用蝸輪傳動(dòng)。
單級(jí)螺旋錐齒輪減速器其主、從動(dòng)齒輪軸線相交于一點(diǎn)。交角可以是任意的，但在絕大多數(shù)的汽車驅(qū)動(dòng)橋上，主減速齒輪副都是采用90o交角的布置[2]。由于輪齒端面重疊的影響，至少有兩對(duì)以上的輪齒同時(shí)嚙合，因此，螺旋錐齒輪能承受大的負(fù)荷。加之其輪齒不是在齒的全長(zhǎng)上同時(shí)嚙合，面是逐漸地由齒的一端連續(xù)而平穩(wěn)地轉(zhuǎn)向另—端，使得其工作平穩(wěn)，即使在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噪聲和振動(dòng)也是很小的。
單級(jí)雙曲面齒輪其主、從動(dòng)齒輪軸線不相交而呈空間交叉。其空間交叉角也都是采用90o。主動(dòng)齒輪軸相對(duì)于從動(dòng)齒輪軸有向上或向下的偏移，稱為上偏置或下偏置。這個(gè)偏移量稱為雙曲面齒輪的偏移距[3]。當(dāng)偏移距大到一定程度時(shí)，可使一個(gè)齒輪軸從另一個(gè)齒輪軸旁通過(guò)。這樣就能在每個(gè)齒輪的兩邊布置尺寸緊湊的支承。這對(duì)于增強(qiáng)支承剛度、保證輪齒正確嚙合從而提高齒輪壽命大有好處[4]。雙曲面齒輪的偏移距使得其主動(dòng)齒輪的螺旋角大于從動(dòng)齒輪的螺旋角。因此，雙曲面?zhèn)鲃?dòng)齒輪副的法向模數(shù)或法向周節(jié)雖相等，但端面模數(shù)或端面周節(jié)是不等的。主動(dòng)齒輪的端面模數(shù)或端面周節(jié)大于從動(dòng)齒輪的。這一情況就使得雙曲面齒輪傳動(dòng)的主動(dòng)齒輪比相應(yīng)的螺旋錐齒輪傳動(dòng)的主動(dòng)齒輪有更大的直徑和更好的強(qiáng)度和剛度。其增大的程度與偏移距的大小有關(guān)。另外，由于雙曲面?zhèn)鲃?dòng)的主動(dòng)齒輪的直徑及螺旋角都較大，所以相嚙合齒輪的當(dāng)量曲率半徑較相應(yīng)的螺旋錐齒輪當(dāng)量曲率半徑為大，從而使齒面間的接觸應(yīng)力降低。隨偏移距的不同，雙曲面齒輪與接觸應(yīng)力相當(dāng)?shù)穆菪F齒輪比較，負(fù)荷可提高至175％。雙曲面主動(dòng)齒輪的螺旋角較大，則不產(chǎn)生根切的最少齒數(shù)可減少，所以可選用較少的齒數(shù)，這有利于大傳動(dòng)比傳動(dòng)。當(dāng)要求傳動(dòng)比大而輪廓尺寸又有限時(shí)，采用雙曲面齒輪更為合理。因?yàn)槿绻３謨煞N傳動(dòng)的主動(dòng)齒輪直徑一樣，則雙曲面從動(dòng)齒輪的直徑比螺旋錐齒輪的要小，這對(duì)于主減速比大于4.5的傳動(dòng)有其優(yōu)越性。當(dāng)傳動(dòng)比小于2時(shí)，雙曲面主動(dòng)齒輪相對(duì)于螺旋錐齒輪主動(dòng)齒輪就顯得過(guò)大，這時(shí)選用螺旋錐齒輪更合理，因?yàn)楹笳呔哂休^大的差速器可利用空間。
由于雙曲面主動(dòng)齒輪螺旋角的增大，還導(dǎo)致其進(jìn)入嚙合的平均齒數(shù)要比螺旋錐齒輪相應(yīng)的齒數(shù)多，因而雙曲面齒輪傳動(dòng)比螺旋錐齒輪傳動(dòng)工作得更加平穩(wěn)、無(wú)噪聲，強(qiáng)度也高[9]。雙曲面齒輪的偏移距還給汽車的總布置帶來(lái)方便。例如，在乘用車上當(dāng)主減速器采用下偏置(這時(shí)主動(dòng)齒輪為左旋)的雙曲面齒輪時(shí)，可降低傳動(dòng)軸的高度，從而降低了車廂地板高度或減小了因設(shè)置傳動(dòng)軸通道而引起的地板凸起高度，進(jìn)而可使車輛的外形高度減小[5]。
單級(jí)圓柱齒輪主減速器只在節(jié)點(diǎn)處一對(duì)齒廓表面為純滾動(dòng)接觸而在其他嚙合點(diǎn)還伴隨著沿齒廓的滑動(dòng)一樣，螺旋錐齒輪與雙曲面齒輪傳動(dòng)都有這種沿齒廓方向的滑動(dòng)[9]。此外，雙曲面齒輪傳動(dòng)還具有沿齒長(zhǎng)方向的縱向滑動(dòng)。這種滑動(dòng)有利于唐合，促使齒輪副沿整個(gè)齒面都能較好地嚙合，因而更促使其工作平穩(wěn)和無(wú)噪聲。但雙曲面齒輪的縱向滑動(dòng)產(chǎn)生較多的熱量，使接觸點(diǎn)的溫度升高，因而需要用專門的雙曲面齒乾油來(lái)潤(rùn)滑，且其傳動(dòng)效率比螺旋錐齒輪略低，達(dá)96％。其傳動(dòng)效率與倔移距有關(guān)，特別是與所傳遞的負(fù)荷大小及傳動(dòng)比有關(guān)。負(fù)荷大時(shí)效率高。螺旋錐齒輪也是一樣，其效率可達(dá)99％。兩種齒輪在載荷作用下對(duì)安裝誤差的敏感性本質(zhì)上是相同的。如果螺旋錐齒輪的螺旋角與相應(yīng)的雙曲面主、從動(dòng)齒輪螺旋角的平均值相同，則雙曲面主動(dòng)齒輪的螺旋角比螺旋錐齒輪的大，而其從動(dòng)齒輪的螺旋角則比螺旋錐齒輪的小，因而雙曲面主動(dòng)齒輪的軸向力比螺旋錐齒輪的大，而從動(dòng)齒輪的軸向力比螺旋錐齒輪的小。兩種齒輪都在同樣的機(jī)床上加工，加工成本基本相同。然而雙曲面?zhèn)鲃?dòng)的小齒輪較大，所以刀盤刀頂距較大，因而刀刃壽命較長(zhǎng)。單級(jí)蝸桿-蝸輪主減速器在汽車驅(qū)動(dòng)橋上也得到了一定應(yīng)用[6]。在超重型汽車上，當(dāng)高速發(fā)動(dòng)機(jī)與相對(duì)較低車速和較大輪胎之間的配合要求有大的主減速比(通常8～14)時(shí)，主減速器采用一級(jí)蝸輪傳動(dòng)最為方便，而采用其他齒輪時(shí)就需要結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、輪廓尺寸及質(zhì)量均較大、效率較低的雙級(jí)減速。與其他齒輪傳動(dòng)相比，它具有體積及質(zhì)量小、傳動(dòng)比大、運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)、最為靜寂無(wú)噪聲、便于汽車的總體布置及貫通式多橋驅(qū)動(dòng)的布置、能傳遞大載荷、使用壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便、調(diào)整容易等一系列的優(yōu)點(diǎn)。其惟一的缺點(diǎn)是需用昂貴的有色金屬的合金(青銅)制造，材料成本高，因此未能在大批量生產(chǎn)的汽車上推廣。
1.3 本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種滿載質(zhì)量為9t的中型載貨汽車的主減速器，本設(shè)計(jì)主要研究的內(nèi)容有：主減速器的齒輪類型、主減速器的減速形式、主減速器主動(dòng)齒輪和從動(dòng)錐齒輪的支承形式、主減速器計(jì)算載荷的確定、主減速器基本參數(shù)的選擇、主減速器齒輪的材料及熱處理、主減速器軸承的計(jì)算、對(duì)稱式圓錐行星齒輪差速器的差速原理、對(duì)稱式圓錐行星齒輪差速器的結(jié)構(gòu)、對(duì)稱式圓錐行星齒輪差速器的設(shè)計(jì)、全浮式半軸計(jì)算載荷的確定、全浮式半軸的直徑的選擇、全浮式半軸的強(qiáng)度計(jì)算、半軸花鍵的強(qiáng)度計(jì)算,運(yùn)用ANSYS對(duì)主動(dòng)錐齒輪進(jìn)行有限元分析。
第2章 主減速器的設(shè)計(jì)
2.1 結(jié)構(gòu)型式的選擇
主減速器的結(jié)構(gòu)型式，主要是根據(jù)其齒輪類型、主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪的安置方法以及減速型式的不同而異。
2.1.1減速型式
主減速器的減速型式分為單級(jí)減速、雙級(jí)減速、雙速減速、單級(jí)貫通、雙級(jí)貫通、主減速及輪邊減速等。
(1)單級(jí)主減速器
由于單級(jí)主減速器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量小、尺寸緊湊及制造成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用在主減速比i<7.6的各種中、小型汽車上。單級(jí)主減速器都是采用一對(duì)螺旋錐齒輪或雙曲面齒輪，也有采用蝸輪傳動(dòng)的。
(2)雙級(jí)減速
由兩級(jí)齒輪減速器組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量加大，制造成本也顯著增加，因此僅用于主減速比較大(7.6
0時(shí)可取=2.0；
（2.2）
——汽車滿載時(shí)的總質(zhì)量在此取9550 ，此數(shù)據(jù)此參考解放CA1090型載貨汽車；
所以由式（2.2）得： 0.195×9550×10373=50>16
即<0 所以
——該汽車的驅(qū)動(dòng)橋數(shù)目在此取1；
——傳動(dòng)系上傳動(dòng)部分的傳動(dòng)效率，在此取0.9。
根據(jù)以上參數(shù)可以由(2.1）得：
Tce=373×7.64×5.7×1×0.91=4619
（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
（2.3）
式中：
——汽車滿載時(shí)一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋給水平地面的最大負(fù)荷，在此取57300N，此數(shù)據(jù)此參考解放CA1090型載貨汽車；
——輪胎對(duì)路面的附著系數(shù)，對(duì)于安裝一般輪胎的公路用汽車，取=0.85；對(duì)越野汽車取=1.0；對(duì)于安裝專門的放滑寬輪胎的高級(jí)轎車取=1.25；在此取=0.85；
——車輪的滾動(dòng)半徑，在此選用輪胎型號(hào)為8.25-20，滾動(dòng)半徑為 0.464m；
，——分別為所計(jì)算的主減速器從動(dòng)錐齒輪到驅(qū)動(dòng)車輪之間的傳動(dòng)效率和傳動(dòng)比，取0.9，由于沒有輪邊減速器取1.0。
所以由公式（2.3）得:
=57300×0.85×0.4640.9×1.0=25110
（3）按汽車日常行駛平均轉(zhuǎn)矩確定從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩
對(duì)于公路車輛來(lái)說(shuō)，使用條件較非公路車輛穩(wěn)定，其正常持續(xù)的轉(zhuǎn)矩根據(jù)所謂的平均牽引力的值來(lái)確定：
（2.4）
式中：
——汽車滿載時(shí)的總重量，在此取95500N;
——所牽引的掛車滿載時(shí)總重量，N，但僅用于牽引車的計(jì)算；
——道路滾動(dòng)阻力系數(shù)，對(duì)于載貨汽車可取0.015~0.020；在此取0.017；
——汽車正常行駛時(shí)的平均爬坡能力系數(shù)，對(duì)于載貨汽車可取0.05~0.09在此取0.07；
——汽車的性能系數(shù)在此取0；
，——分別為所計(jì)算的主減速器從動(dòng)錐齒輪到驅(qū)動(dòng)車輪之間的傳動(dòng)效率和傳動(dòng)比，取0.9，由于沒有輪邊減速器取1.0；
——該汽車的驅(qū)動(dòng)橋數(shù)目在此取1；
——車輪的滾動(dòng)半徑，在此選用輪胎型號(hào)為8.25-20，滾動(dòng)半徑為 0.464m。
所以由式（2.4）得：
=95500×0.464×0+0.07+0.0171×0.9×1=4283.5
2.2.2 基本參數(shù)的選擇
（1）主、從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)和
選擇主、從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)時(shí)應(yīng)考慮如下因素：
①為了磨合均勻，，之間應(yīng)避免有公約數(shù)；
②為了得到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)不小于40；
③為了嚙合平穩(wěn)，噪聲小和具有高的疲勞強(qiáng)度對(duì)于商用車一般不小于6；
④主傳動(dòng)比較大時(shí)，盡量取得小一些，以便得到滿意的離地間隙；
⑤對(duì)于不同的主傳動(dòng)比，和應(yīng)有適宜的搭配。
（2）從動(dòng)錐齒輪大端分度圓直徑和端面模數(shù)
對(duì)于單級(jí)主減速器，增大尺寸會(huì)影響驅(qū)動(dòng)橋殼的離地間隙，減小又會(huì)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。
可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式初選，即
（2.5）
——直徑系數(shù)，一般取13.0～16.0；
——從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，，為和中的較小者取其值為4619；
由式（2.5）得：
=（13.0～16.0）34619=（317.85～391.20）；
初選=350 則齒輪端面模數(shù)=/=350/40=8.75
==408.75 =350
（3）主，從動(dòng)齒輪齒面寬的選擇。
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過(guò)窄及刀尖圓角過(guò)小，這樣不但會(huì)減小了齒根圓角半徑，加大了集中應(yīng)力，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。但齒面過(guò)窄，輪齒表面的耐磨性和輪齒的強(qiáng)度會(huì)降低。
另外,由于雙曲面齒輪的幾何特性,雙曲面小齒輪齒面寬比大齒輪齒面寬要大。一般取大齒輪齒面寬=0.155=0.155350=54.25mm，小齒輪齒面寬=1.1=1.154.25=59.68mm
（4）小齒輪偏移距及偏移方向的選擇
載貨汽車主減速器的E值，不應(yīng)超過(guò)從從動(dòng)齒輪節(jié)錐距的20%（或取E值為d的10%~12%，且一般不超過(guò)12%）。傳動(dòng)比愈大則E值也應(yīng)愈大，大傳動(dòng)比的雙曲面齒輪傳動(dòng)，偏移距E可達(dá)從動(dòng)齒輪節(jié)圓直徑的20％～30％。但當(dāng)E大于的20％時(shí)，應(yīng)檢查是否存在根切。
E=(0.1～0.12) =(0.1～0.12)350=35.00～42.00mm
初選E=37m
雙曲面齒輪的偏移可分為上偏移和下偏移兩種，如圖2.7所示：由從動(dòng)齒輪的錐頂向其齒面看去并使主動(dòng)齒輪處于右側(cè)，這時(shí)如果主動(dòng)齒輪在從動(dòng)齒輪中心線上方時(shí)，則為上偏移，在下方時(shí)則為下偏移。其中a、b是下偏移，c、d是上偏移。雙曲面齒輪的偏移方向與其輪齒的螺旋方向間有一定的關(guān)系：下偏移時(shí)主動(dòng)齒輪的螺旋方向?yàn)樽笮瑥膭?dòng)齒輪為右旋；上偏移時(shí)主動(dòng)齒輪為右旋，從動(dòng)齒輪為左旋。本減速器采用下偏移。
a b
c d
圖2.5 雙曲面齒輪的偏移方式
（5）螺旋角的選擇
雙曲面齒輪螺旋角是沿節(jié)錐齒線變化的，輪齒大端的螺旋角輪齒小最大，端螺旋角最小，齒面寬中點(diǎn)處的螺旋角稱為齒輪中點(diǎn)螺旋角。螺旋錐齒輪中點(diǎn)處的螺旋角是相等的。二對(duì)于雙曲面齒輪傳動(dòng)，由于主動(dòng)齒輪相對(duì)于從動(dòng)齒輪有了偏移距，使主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪中點(diǎn)處的螺旋角不相等。且主動(dòng)齒輪的螺旋角大，從動(dòng)齒輪的螺旋角小。
選時(shí)應(yīng)考慮它對(duì)齒面重合度，輪齒強(qiáng)度和軸向力大小的影響，越大，則也越大，同時(shí)嚙合的齒越多，傳動(dòng)越平穩(wěn)，噪聲越低，而且輪齒的強(qiáng)度越高，應(yīng)不小于1.25，在1.5～2.0時(shí)效果最好，但過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致軸向力增大。
汽車主減速器雙曲面齒輪大小齒輪中點(diǎn)處的平均螺旋角多為35°～40°。
主動(dòng)齒輪中點(diǎn)處的螺旋角可按下式初選:
=++ （2.6）
--主動(dòng)輪中點(diǎn)處的螺旋角，mm；
，——主、從動(dòng)輪齒數(shù)；分別為7，40；
——雙曲面齒輪偏移距, 37mm；
——從動(dòng)輪節(jié)圓直徑，350mm；
由式（2.6）得:
=25°+5°407+90°×37350=46.47°
從動(dòng)齒輪中點(diǎn)螺旋角可按下式初選:
sinε=Ed22+F2=373502+54.252=0.18
式中：——雙曲面齒輪傳動(dòng)偏移角的近似值；
——雙曲面從動(dòng)齒輪齒面寬為54.25mm；
∴ε=10.37°
=-=46.47°-10.37°=36.1°
、從動(dòng)齒輪和主動(dòng)齒輪中點(diǎn)處的螺旋角。
平均螺旋角==46.47°+36.1°2=41.29°。
（6）螺旋方向的選擇。
主、從動(dòng)錐齒輪的螺旋方向是相反的。如圖2.6所示，螺旋方向與雙曲面齒輪的旋轉(zhuǎn)方向影響其所受的軸向力的方向，當(dāng)變速器掛前進(jìn)擋時(shí)，應(yīng)使主動(dòng)錐齒輪的軸向力離開錐頂方向，這樣可使主、從動(dòng)齒輪有分離的趨勢(shì)，防止輪齒因卡死而損壞。所以主動(dòng)錐齒輪選擇為左旋，從錐頂看為逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，這樣從動(dòng)錐齒輪為右旋，從錐頂看為順時(shí)針，驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。
圖2.6 雙曲面齒輪的螺旋方向及軸向推力
（7）法向壓力角
加大壓力角可以提高齒輪的強(qiáng)度，減少齒輪不產(chǎn)生根切的最小齒數(shù)，但對(duì)于尺寸小的齒輪，大壓力角易使齒頂變尖及刀尖寬度過(guò)小，并使齒輪的端面重疊系數(shù)下降，對(duì)于雙曲面齒輪，由于其主動(dòng)齒輪輪齒兩側(cè)的法向壓力角不等，因此應(yīng)按平均壓力角考慮，載貨汽車選用22°30′或20°的平均壓力角，在此選用22°30′的平均壓力角。
2.2.3雙曲面齒輪的幾何尺寸計(jì)算
（1）大齒輪齒頂角與齒根角
圖2.7（a）標(biāo)準(zhǔn)收縮齒和 （b）雙重收縮齒
標(biāo)準(zhǔn)收縮齒和雙重收縮齒（圖2.7）各有其優(yōu)缺點(diǎn)，采用哪種收縮齒應(yīng)按具體情況而定。雙重收縮齒的優(yōu)點(diǎn)在于能提高小齒輪粗切工序的效率。雙重收縮齒的輪齒參數(shù)，其大、小齒輪根錐角的選定是考慮到用一把使用上最大的刀頂距的粗切刀，切出沿齒面寬方向正確的齒厚收縮來(lái)。當(dāng)大齒輪直徑大于刀盤半徑時(shí)采用這種方法是最好的，不是這種情況而要采用雙重收縮齒，齒高的急劇收縮將使小端的齒輪又短又粗。標(biāo)準(zhǔn)收縮齒在齒高方向的收縮好，但可能使齒厚收縮過(guò)多，結(jié)果造成小齒輪粗切刀的刀頂距太小。這種情況可用傾錐根母線收縮齒的方法或仔細(xì)選用刀盤半徑加以改善，即當(dāng)雙重收縮齒會(huì)使齒高方向收縮過(guò)多，而標(biāo)準(zhǔn)收縮齒會(huì)使齒厚收縮過(guò)多時(shí)，可采用傾錐根母線收縮齒作為兩者之間的這種。
大齒輪齒頂角和齒根角為了得到良好的 收縮齒,應(yīng)按下述計(jì)算選擇應(yīng)采用雙重收縮齒還是傾錐根母線收縮齒。
①用標(biāo)準(zhǔn)收縮齒公式來(lái)計(jì)算及
（2.6） （2.7） （2.8） （2.9） （2.10） （2.11） （2.12） （2.13） （2.14）
由（2.6）與（2.14）聯(lián)立可得:
（2.15） （2.16） （2.17） （2.18） （2.19）
式中： ,——小齒輪和大齒輪的齒數(shù)；
——大齒輪的最大分度圓直徑,已算出為350mm；
——大齒輪在齒面寬中點(diǎn)處的分度圓半徑；
——在節(jié)錐平面內(nèi)大齒輪齒面寬中點(diǎn)錐距mm；
——大齒輪齒面寬中點(diǎn)處的齒工作高；
——大齒輪齒頂高系數(shù)取0.13；
——大齒輪齒寬中點(diǎn)處的齒頂高；
——大齒輪齒寬中點(diǎn)處的齒跟高；
——大齒輪齒面寬中點(diǎn)處的螺旋角；
——大齒輪的節(jié)錐角；
——齒深系數(shù)取3.7；
——從動(dòng)齒輪齒面寬。
所以：
15.200.25°
②計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)收縮齒齒頂角與齒根角之和。
③ （2.20）
（2.21）
（2.22）
（2.23）
由式（2.19）與（2.23）聯(lián)立可得:
（2.24）
——刀盤名義半徑,按表選取為210.4mm
——輪齒收縮系數(shù)
⑤ 當(dāng)為正數(shù)時(shí),為傾根錐母線收縮齒，應(yīng)按傾根錐母線收縮齒重新計(jì)算及。
⑥ 按傾根錐母線收縮齒重新計(jì)算小齒輪齒頂角及齒跟角。
（2.25）
（2.26）
（2.27）
（2.28）
由式（2.25）與（2.25）聯(lián)立可得:
（2.29）
（2.30）
式中：——大齒輪齒頂高系數(shù)取0.13
——傾根錐母線收縮齒齒根角齒頂角之和
（2）大齒輪齒頂高
（2.30）
（2.31）
——大齒輪節(jié)錐距.
由式（2.30），（2.31）得：
（3） 大齒輪齒跟高.
（2.32）
——大齒輪齒寬中點(diǎn)處齒跟高
由式（2.32）得：
（4）徑向間隙
（5）大齒輪齒全高
（6）大齒輪齒工作高
（7）大齒輪的面錐角
（8）大齒輪的根錐角
（9）大齒輪外圓直徑
（10）小齒輪面錐角
（11）小齒輪的根錐角
（12）小齒輪的齒頂高和齒根高
齒頂高:
齒根高；
主減速器雙曲面齒輪的幾何尺寸參數(shù)如表2.2：
表2.2 主減速器雙曲面齒輪的幾何尺寸參數(shù)表[5]
序 號(hào)
項(xiàng) 目
符號(hào)
數(shù)值
1
主動(dòng)齒輪齒數(shù)
7
2
從動(dòng)齒輪齒數(shù)
40
3
端面模數(shù)
8.75mm
4
主動(dòng)齒輪齒面寬
59.68 mm
5
從動(dòng)齒輪齒面寬
54.25 mm
6
主動(dòng)齒輪節(jié)圓直徑
61.25 mm
7
從動(dòng)齒輪節(jié)圓直徑
350mm
8
主動(dòng)齒輪節(jié)錐角
9.93°
9
從動(dòng)齒輪節(jié)錐角
80.07°
10
節(jié)錐距
175mm
11
偏移距
37mm
12
主動(dòng)齒輪中點(diǎn)螺旋角
46.47°
13
從動(dòng)齒輪中點(diǎn)螺旋角
36.1°
14
平均螺旋角
41.29°
15
刀盤名義半徑
210.4mm
16
主動(dòng)齒輪齒頂角
0.71°
17
主動(dòng)齒輪齒根角
4.76°
18
主動(dòng)齒輪齒頂高
5.28mm
19
從動(dòng)齒輪齒頂高
1.56 mm
20
主動(dòng)齒輪齒根高
9.26mm
21
從動(dòng)齒輪齒根高
13.34mm
22
螺旋角
35°
23
徑向間隙
1.49mm
24
從動(dòng)齒輪的齒工作高
13.45mm
25
主動(dòng)齒輪的面錐角
14.48°
26
從動(dòng)齒輪的面錐角
80.73°
27
主動(dòng)齒輪的根錐角
9.21°
28
從動(dòng)齒輪的根錐角
75.26°
29
最小齒側(cè)間隙允許值
0.223mm
2.2.4雙曲面齒輪的強(qiáng)度計(jì)算
在完成主減速器齒輪的幾何計(jì)算之后，應(yīng)對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，以保證其有足夠的強(qiáng)度和壽命以及安全可靠性地工作。在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算之前應(yīng)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(diǎn)蝕及剝落、齒面膠合、齒面磨損等。它們的主要特點(diǎn)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(qiáng)度不足而引起的過(guò)載折斷。折斷多數(shù)從齒根開始，因?yàn)辇X根處齒輪的彎曲應(yīng)力最大。
①疲勞折斷：在長(zhǎng)時(shí)間較大的交變載荷作用下，齒輪根部經(jīng)受交變的彎曲應(yīng)力。如果最高應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力超過(guò)材料的耐久極限，則首先在齒根處產(chǎn)生初始的裂紋。隨著載荷循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋不斷擴(kuò)大，最后導(dǎo)致輪齒部分地或整個(gè)地?cái)嗟簟Ｔ陂_始出現(xiàn)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(gè)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(guò)載折斷：由于設(shè)計(jì)不當(dāng)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(guò)了齒輪彎曲強(qiáng)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(cè)間隙調(diào)節(jié)不當(dāng)、安裝剛度不足、安裝位置不對(duì)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(shí)，往往會(huì)使一端（經(jīng)常是大端）沿斜向產(chǎn)生齒端折斷。各種形式的過(guò)載折斷的斷面均為粗糙的新斷面。
為了防止輪齒折斷，應(yīng)使其具有足夠的彎曲強(qiáng)度，并選擇適當(dāng)?shù)哪?shù)、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(zhì)量等。齒根圓角盡可能加大，根部及齒面要光潔。
（2）齒面的點(diǎn)蝕及剝落
齒面的疲勞點(diǎn)蝕及剝落是齒輪的主要破壞形式之一，約占損壞報(bào)廢齒輪的70%以上。它主要由于表面接觸強(qiáng)度不足而引起的。
①點(diǎn)蝕：是輪齒表面多次高壓接觸而引起的表面疲勞的結(jié)果。由于接觸區(qū)產(chǎn)生很大的表面接觸應(yīng)力，常常在節(jié)點(diǎn)附近，特別在小齒輪節(jié)圓以下的齒根區(qū)域內(nèi)開始，形成極小的齒面裂紋進(jìn)而發(fā)展成淺凹坑，形成這種凹坑或麻點(diǎn)的現(xiàn)象就稱為點(diǎn)蝕。一般首先產(chǎn)生在幾個(gè)齒上。在齒輪繼續(xù)工作時(shí)，則擴(kuò)大凹坑的尺寸及數(shù)目，甚至?xí)饾u使齒面成塊剝落，引起噪音和較大的動(dòng)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(rùn)滑效果是提高抗點(diǎn)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(yīng)力。在允許的范圍內(nèi)適當(dāng)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(diǎn)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(qiáng)度不夠。例如滲碳齒輪表面層太薄、心部硬度不夠等都會(huì)引起齒面剝落。當(dāng)滲碳齒輪熱處理不當(dāng)使?jié)B碳層中含碳濃度的梯度太陡時(shí)，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(lái)。
（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(rùn)滑冷卻不良、油膜破壞形成金屬齒表面的直接摩擦?xí)r，因高溫、高壓而將金屬粘結(jié)在一起后又撕下來(lái)所造成的表面損壞現(xiàn)象和擦傷現(xiàn)象稱為膠合。它多出現(xiàn)在齒頂附近，在與節(jié)錐齒線的垂直方向產(chǎn)生撕裂或擦傷痕跡。輪齒的膠合強(qiáng)度是按齒面接觸點(diǎn)的臨界溫度而定，減小膠合現(xiàn)象的方法是改善潤(rùn)滑條件等。
（4）齒面磨損
這是輪齒齒面間相互滑動(dòng)、研磨或劃痕所造成的損壞現(xiàn)象。規(guī)定范圍內(nèi)的正常磨損是允許的。研磨磨損是由于齒輪傳動(dòng)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(yīng)予避免。汽車主減速器及差速器齒輪在新車跑合期及長(zhǎng)期使用中按規(guī)定里程更換規(guī)定的潤(rùn)滑油并進(jìn)行清洗是防止不正常磨損的有效方法。
汽車驅(qū)動(dòng)橋的齒輪，承受的是交變負(fù)荷，其主要損壞形式是疲勞。其表現(xiàn)是齒根疲勞折斷和由表面點(diǎn)蝕引起的剝落。在要求使用壽命為20萬(wàn)千米或以上時(shí)，其循環(huán)次數(shù)均以超過(guò)材料的耐久疲勞次數(shù)。
2.實(shí)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(jì)算轉(zhuǎn)矩）有關(guān)，而與汽車預(yù)期壽命期間出現(xiàn)的峰值載荷關(guān)系不大。汽車驅(qū)動(dòng)橋的最大輸出轉(zhuǎn)矩Tce和最大附著轉(zhuǎn)矩Tcs并不是使用中的持續(xù)載荷，強(qiáng)度計(jì)算時(shí)只能用它來(lái)驗(yàn)算最大應(yīng)力，不能作為疲勞損壞的依據(jù)。
主減速器雙曲面齒輪的強(qiáng)度計(jì)算
（1） 單位齒長(zhǎng)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(zhǎng)圓周力來(lái)估算，即
(2.33)
式中：P——作用在齒輪上的圓周力，按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Temax和最大附著力矩 兩種載荷工況進(jìn)行計(jì)算，N；
——從動(dòng)齒輪的齒面寬，在此取54.25mm.
按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算時(shí)
（2.34）
式中： ——發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩，在此取373；
——變速器的傳動(dòng)比在此取7.64；
——主動(dòng)齒輪節(jié)圓直徑61.25mm；
按式（2.34）得：
在現(xiàn)代汽車的設(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%。經(jīng)驗(yàn)算以上數(shù)據(jù)在許用范圍內(nèi)。
（2）輪齒的彎曲強(qiáng)度計(jì)算
汽車主減速器錐齒輪的齒根彎曲應(yīng)力為
（2.35）
式中：——該齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩;
——超載系數(shù)；在此取1.0;
——尺寸系數(shù)，反映材料的不均勻性，與齒輪尺寸和熱處理有關(guān)，
當(dāng)ｍ時(shí)，，在此＝0.766
——載荷分配系數(shù)，當(dāng)兩個(gè)齒輪均用騎馬式支承型式時(shí)，＝1.00～1.10懸臂式支承時(shí)取1.10～1.25。支承剛度大時(shí)取最小值;
——質(zhì)量系數(shù)，對(duì)于汽車驅(qū)動(dòng)橋齒輪，當(dāng)齒輪接觸良好，周節(jié)及徑向跳動(dòng)精度高時(shí)，可取1.0;
——計(jì)算齒輪的齒面寬59.68mm;
——計(jì)算齒輪的齒數(shù)7;
——端面模8.75mm;
——計(jì)算彎曲應(yīng)力的綜合系數(shù)（或幾何系數(shù)），它綜合考慮了齒形系數(shù)、
載荷作用點(diǎn)的位置、載荷在齒間的分布、有效齒面寬、應(yīng)力集中系數(shù)及慣性系數(shù)等對(duì)彎曲應(yīng)力計(jì)算的影響。參照?qǐng)D2.8取=0.32
圖2.8 計(jì)算用彎曲綜合系數(shù)
按N·m計(jì)算疲勞彎曲應(yīng)力
＝118 N/< 210 N/
按 N·m計(jì)算疲勞彎曲應(yīng)力
＝403 N/< 700 N/
所以主減速器齒輪滿足彎曲強(qiáng)度要求。
(3) 輪齒的表面接觸強(qiáng)度計(jì)算
錐齒輪的齒面接觸應(yīng)力為
(2.36)
式中：——主動(dòng)齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩；
——材料的彈性系數(shù)，對(duì)于鋼制齒輪副取232.6/mm;
，，——見式(2.35)下的說(shuō)明;
——尺寸系數(shù)，它考慮了齒輪的尺寸對(duì)其淬透性的影響，在缺乏經(jīng)驗(yàn)的情況下，可取1.0;
——表面質(zhì)量系數(shù)，決定于齒面最后加工的性質(zhì)（如銑齒，磨齒等），即表面粗糙度及表面覆蓋層的性質(zhì)（如鍍銅，磷化處理等）。一般情況下，對(duì)于制造精確的齒輪可取1.0;
——計(jì)算接觸應(yīng)力的綜合系數(shù)（或稱幾何系數(shù)）。它綜合考慮了嚙合齒面的相對(duì)曲率半徑、載荷作用的位置、輪齒間的載荷分配系數(shù)、有效尺寬及慣性系數(shù)的因素的影響，按圖2.9選取=0.17。
圖2.9 接觸計(jì)算用綜合系數(shù)
按計(jì)算：
=2755 <2800N/
按計(jì)算：
=1497 <1750
2.2.5齒輪的材料及熱處理
驅(qū)動(dòng)橋錐齒輪的工作條件是相當(dāng)惡劣的，與傳動(dòng)系的其它齒輪相比，具有載荷大，作用時(shí)間長(zhǎng)，載荷變化多，帶沖擊等特點(diǎn)。其損壞形式主要有齒輪根部彎曲折斷、齒面疲勞點(diǎn)蝕（剝落）、磨損和擦傷等。根據(jù)這些情況，對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋齒輪的材料及熱處理應(yīng)有以下要求：
a.具有較高的疲勞彎曲強(qiáng)度和表面接觸疲勞強(qiáng)度，以及較好的齒面耐磨性，故齒表面應(yīng)有高的硬度；
b.輪齒心部應(yīng)有適當(dāng)?shù)捻g性以適應(yīng)沖擊載荷，避免在沖擊載荷下輪齒根部折斷
c.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(chǎn)品的質(zhì)量、縮短制造時(shí)間、減少生產(chǎn)成本并將低廢品率；
d.選擇齒輪材料的合金元素時(shí)要適合我國(guó)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(jīng)過(guò)滲碳、淬火、回火后，輪齒表面硬度應(yīng)達(dá)到58～64HRC，而心部硬度較低，當(dāng)端面模數(shù)>8時(shí)為29～45HRC[11]。
由于新齒輪接觸和潤(rùn)滑不良，為了防止在運(yùn)行初期產(chǎn)生膠合、咬死或擦傷，防止早期的磨損，圓錐齒輪的傳動(dòng)副（或僅僅大齒輪）在熱處理及經(jīng)加工（如磨齒或配對(duì)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(yīng)用于補(bǔ)償零件的公差尺寸，也不能代替潤(rùn)滑。
對(duì)齒面進(jìn)行噴丸處理有可能提高壽命達(dá)25％。對(duì)于滑動(dòng)速度高的齒輪，為了提高其耐磨性，可以進(jìn)行滲硫處理。滲硫處理時(shí)溫度低，故不引起齒輪變形。滲硫后摩擦系數(shù)可以顯著降低，故即使?jié)櫥瑮l件較差，也會(huì)防止齒輪咬死、膠合和擦傷等現(xiàn)象產(chǎn)生[5]。
2.3 軸承的選擇
2.3.1計(jì)算轉(zhuǎn)矩的確定
錐齒輪在工作過(guò)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(jì)算作用在齒輪的圓周力，首先需要確定計(jì)算轉(zhuǎn)矩。汽車在行駛過(guò)程中，由于變速器擋位的改變，且發(fā)動(dòng)機(jī)也不全處于最大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，故主減速器齒輪的工作轉(zhuǎn)矩處于經(jīng)常變化中。實(shí)踐表明，軸承的主要損壞形式為疲勞損傷，所以應(yīng)按輸入的當(dāng)量轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算。作用在主減速器主動(dòng)錐齒輪上的當(dāng)量轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算:
(2.37)
式中：——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，在此取373N·m；
，…——變速器在各擋的使用率，可參考表2.4選?。?
，…——變速器各擋的傳動(dòng)比，分別為7.64，5.06，3.38，2.25，1.5，1；
，…——變速器在各擋時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)的利用率。
經(jīng)計(jì)算為471Ｎ·ｍ
主動(dòng)齒輪齒寬中點(diǎn)處的分度圓直徑
2.3.2齒寬中點(diǎn)處的圓周力
Z＝ (2.38)
式中： ——作用在該齒輪上的轉(zhuǎn)矩，作用在主減速器主動(dòng)錐齒輪上的當(dāng)量轉(zhuǎn)矩。
d1m——該齒輪的齒面寬中點(diǎn)處的分度圓直徑。
按(2.38)計(jì)算主減速器主動(dòng)錐齒輪齒寬中點(diǎn)處的圓周力
Z ==15.38KN
2.3.3雙曲面齒輪所受的軸向力和徑向力
圖2.10 主動(dòng)錐齒輪齒面的受力圖
如圖2.10，主動(dòng)錐齒輪螺旋方向?yàn)樽笮瑥腻F頂看旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，F(xiàn) 為作用在節(jié)錐面上的齒面寬中點(diǎn)A處的法向力，在A點(diǎn)處的螺旋方向的法平面內(nèi)，F(xiàn)分解成兩個(gè)相互垂直的力F和，F(xiàn)垂直于OA且位于∠OO′A所在的平面，位于以O(shè)A為切線的節(jié)錐切平面內(nèi)。在此平面內(nèi)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(xiàn)與之間的夾角為法向壓力角，這樣就有：
（2.39）
（2.40） （2.41）
于是，作用在主動(dòng)錐齒輪齒面上的軸向力A和徑向力R分別為
（2.42）
（2.43）
由式（2.42）可計(jì)算
16.58KN
由式（2.43）可計(jì)算
2.3.4軸承載荷的計(jì)算及軸承的選擇
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(shí)，還應(yīng)考慮徑向力所應(yīng)起的派生軸向力的影響。而軸承的徑向載荷則是上述齒輪的徑向力，圓周力及軸向力這三者所引起的軸承徑向支承反力的向量和。當(dāng)主減速器的齒輪尺寸，支承形式和軸承位置已確定，則可計(jì)算出軸承的徑向載荷[7]。
對(duì)于采用懸臂式的主動(dòng)錐齒輪和從動(dòng)錐齒輪的軸承載荷，如圖2.11所示。
圖2.11 主減速器軸承的布置尺寸
(1)主動(dòng)齒輪軸承的選擇
初選 a=60,b=20
軸承A，B的徑向載荷分別為
（2.44）
（2.45）
已知 =15.38KN，=5.27KN，a=60mm,b=20mm, 所以由式（2.44）和（2.45）得:
軸承A的徑向力
軸承B的徑向力
KN
軸承A，B的徑向載荷分別為
KN
對(duì)于軸承A，B，承受軸向載荷和徑向載荷所以采用圓錐滾子軸承，所承受的當(dāng)量動(dòng)載荷Q=XR+YA
Q——當(dāng)量動(dòng)載荷
X——徑向系數(shù)
Y——軸向系數(shù)
此時(shí)X=0.4，Y=1.4[6]
所以Q=20.52×0.4+16.58×4.4=31.42
根據(jù)公式： (2.46)
式中: ——為溫度系數(shù)，在此取1.0;
——為載荷系數(shù)，在此取1.2
ε——壽命指數(shù)，取ε=
所以==1.489×10s
假設(shè)汽車行駛十萬(wàn)公里大修，對(duì)于無(wú)輪邊減速器的驅(qū)動(dòng)橋來(lái)說(shuō)，主減速器的主動(dòng)錐齒輪軸承的計(jì)算轉(zhuǎn)速為
(2.47)
式中： ——輪胎的滾動(dòng)半徑為464mm
n——軸承計(jì)算轉(zhuǎn)速
——汽車的平均行駛速度，km/h;對(duì)于載貨汽車和公共汽車可取30～35 km/h，在此取35km/h。
所以有上式可得==200.65 r/min
所以軸承能工作的額定軸承壽命：
h (2.48)
式中: ——軸承的計(jì)算轉(zhuǎn)速，r/min。
由上式可得軸承