CA141载重汽车的整体式双级主减速器设计毕业设计（论文）

CA141 载重汽车的整体式双级主减速器设计摘要CA141 型 汽 车 采 用 双 级 主 减 速 器 。 双 级 主 减 速 器 与 单 级 主 减 速 器 相 比 虽 然 增 加 了 一对 圆 锥 齿 轮 和 相 应 的 支 架 ， 其 结 构 比 较 复 杂 ， 重 量 大 、 装 配 调 整 麻 烦 、 成 本 高 和 轴 向 尺寸 大 ， 但 在 传 动 比 相 同 的 情 况 下 ， 双 级 主 减 速 器 的 径 向 尺 寸 小 ， 使 汽 车 的 最 小 离 地 间 隙变 大 ， 由 于 其 从 动 锥 齿 轮 直 径 较 小 ， 因 此 对 支 承 装 置 的 刚 度 要 求 较 小 ， 对 润 滑 油 的 要 求 不甚 苛 刻 ， 而 且 其 工 作 可 靠 度 比 单 级 主 减 速 器 好 ， 很 适 合 于 我 国 幅 员 辽 阔 、 公 路 级 别 低 、 使用条件较差的情况下使用。本 文 首 先 简 要 介 绍 了 载 重 汽 车 及 其 驱 动 桥 的 发 展 ， 主 减 速 器 尤 其 双 级 主 减 速 器 功用 、 总 体 构 造 和 结 构 形 式 。 主 要 介 绍 了 CA141 载重汽整体式双级主减速器结构原理， 布 置 形 式 选 择 ， 各 级 齿 轮 与 轴 承 的 设 计 过 程 。 根 据 CA141 载重汽车的特点，通过计算对 各 级 传 动 进 行 了 合 理 的 布 置 ， 对 双 极 主 减 速 器 的 齿 轮 、 轴 、 轴 承 、 键 进 行 较 为 合 理 的设计和选用，并对主要的零部件校核。关键词：双级主减速器；驱动桥；载重汽车；螺旋锥齿轮；斜齿圆柱THE DESIGN OF INTERAL DOUBLE-STAGE MAIN REDUCER FOR CA141 TRUCKABSTRACTCA141with double-stage main reducer,compared with single-stage main reducer,although its structure is complicated, heavy,assembly adjustment problems, high cost and large axial dimensions, however,under the same transmission ratio, double-stage main ruducers radial velocity is small, so that the minimum ground clearance vehicles is larger, very suitable for a vast territory, road-level low, use less privileged circumstances like our coutry.This article briefly describes the trucks development,the double-stage main reducer；sfunction and structure, CA141 interal double-stage main ruducer structure principle,layout options, and all levels of gear and bearing design process. According to the characteristics of CA141 truck,give every transmission a reasonable arrangement, then check the shafts, bearings, and some main components strength.Key words: double-stage main reducer； drive axle； truck； spiral bevel gears； helical gears目 录1 绪论 11.1 课题背景及目的 11.2 CA141 主减速器现状 .11.3 论文构成及研究内容 2 汽车主减速器分类与设计方法 32.1 概 述 32.2 主减速器结构设计 32.3 主减速器主、从动锥齿轮的支承方案 42.4 设计方案论证 53 主减速器齿轮设计及校核 .83.1 第一级螺旋锥齿轮的设计计 8311 主减速比 i0 的确定 .8312 主减速器齿轮计算载荷的确定 .8313 主减速器螺旋锥齿轮主要参数的选择 .9314 主减速器锥齿轮强度计算 .113.2 第二级斜圆柱齿轮设计计算 .14321 精度等级、材料及齿数，齿型 14322 按齿面接触强度设计 14323 按齿根弯曲强度设计 17324 几何尺寸计算 18325 第二级齿轮弯曲疲劳强度的校核 194 轴承的选用及校核 214.1 齿轮轴承的选择 214.2 轴承上支反力的确定 .214.3 轴承寿命的校核 .225 轴的设计及校核 255.1 中间轴的设计与校核 .25511 轴的设计 25512 按弯扭合成应力校核轴的强度 255.2 高速轴的设计与校核 .276 键的设计与校核 296.1 主动锥齿轮花键的设计 296.2 主动锥齿轮花键的强度校核 297 总结 30致 谢.31参考文献 32附件 A33附件 B44第 1 页 共 57 页1 绪论1.1 课题背景及目的随 着 世 界 经 济 的 不 断 发 展 ， 作 为 陆 上 主 要 交 通 工 具 的 汽 车 日 渐 成 为 人 们 生 活 中 不 可缺 少 的 生 活 工 具 之 一 。 世 界 经 济 不 断 发 展 ， 人 们 生 活 水 平 不 断 提 高 ， 人 们 对 主 流 交 通 工具汽车的需求在数量及质量上都明显提高。汽 车 行 业 是 一 个 连 带 性 的 行 业 。 它 的 发 展 快 慢 将 影 响 整 个 国 民 经 济 的 收 入 ， 它 的 发展 将 带 动 其 上 游 诸 如 钢 材 、 橡 胶 等 各 种 重 要 产 业 的 发 展 。 同 时 也 会 带 动 其 下 游 诸 如 公 路网 络 等 一 系 列 连 带 性 行 业 的 发 展 。 据 专 家 统 计 ， 汽 车 产 业 与 其 所 能 带 动 其 他 产 业 所 创 产值 之 比 为 1： 3。 这 个 数 据 说 明 了 汽 车 产 业 的 重 要 性 和 其 在 国 民 经 济 中 的 地 位 是 不 可 估 量 的。当 前 世 界 各 国 各 大 汽 车 生 产 商 都 企 图 垄 断 世 界 汽 车 市 场 ， 从 而 便 形 成 了 大 型 汽 车 生产 公 司 联 合 兼 并 小 公 司 或 以 收 购 的 形 式 垄 断 汽 车 市 场 的 趋 势 。 在 国 内 ， 各 大 汽 车 集 团 也在 世 界 范 围 内 寻 求 盟 友 ， 把 自 己 的 公 司 做 强 做 大 ， 增 前 自 身 的 造 血 机 能 ， 生 产 质 量 更 好 、 价格 更 低 的 汽 车 。 将 来 ， 对 普 通 百 姓 来 说 ， 汽 车 不 再 是 “可看而不可触”的 工 具 了 ， 它 将 与普通的商品一样走进千家万户。而主减速器作为汽车上不可或缺的重要部分,它的作用主要是将输入的转矩增大,转速降低,并 将 接 受 的 动 力 传 递 方 向 改 变 后 传 给 差 速 器 。 因 此 主 减 速 器 总 成 质 量 的 好 坏 直 接影 响 到 汽 车 总 体 质 量 。 主 减 速 器 总 成 在 整 个 汽 车 传 动 系 的 位 置 极 其 重 要 性 是 不 言 而 喻的 。汽 车 经 常 会 遇 到 主 减 速 器 圆 柱 齿 轮 打 齿 的 故 障 ， 经 分 析 ， 打 齿 的 现 象 一 般 表 现 为 疲劳 断 裂 ， 主 要 是 装 配 质 量 问 题 以 及 使 用 维 护 不 当 ， 根 据 这 一 原 因 ， 在 设 计 过 程 中 时 应 保证轴承与轴颈的过盈配合。1.2 CA141 主减速器现状CA141 型汽车采用双级主减速器。与单级主减速器相比， 双级主减速器虽然增加了 一 对 圆 锥 齿 轮 和 相 应 的 支 架 ， 其 结 构 比 较 复 杂 ， 重 量 大 、 装 配 调 整 麻 烦 、 成 本 高 和轴 向 尺 寸 大 ， 但 在 传 动 比 相 同 的 情 况 下 ， 双 级 主 碱 速 器 的 径 向 尺 寸 小 ， 使 汽 车 的 最 小 离第 2 页 共 57 页地间隙变大， 由于其从动锥齿轮直径较小，因此对支承装置的刚度要求较小，对润滑油 的 要 求 不 甚 苛 刻 ， 而 且 其 工 作 可 靠 度 比 单 级 主 减 速 器 好 ， 很 适 合 于 我 国 幅 员 辽 阔 、 公路级别低、使用条件较差的情况下使用。解 放 CA141 汽车双级主减速器，第一级为螺旋圆锥齿轮，第二级改为斜齿圆柱齿轮桥壳为整体式。材料为可锻铸铁。齿轮的切齿刀具采用大 圆弧齿根刀具，对从动圆锥 齿 轮 采 用 压 床 淬 火 ， 热 处 理 后 采 用 强 力 喷 丸 工 艺 等 ， 从 而 减 少 了 齿 轮 的 加 工 变 形 ， 提高了齿轮的使用寿命。在 整 个 设 计 过 程 中 ， 主 要 包 括 以 下 模 块 ： 结 构 形 式 的 确 定 、 主 减 速 器 基 本 参 数 选 择与 设 计 计 算 、 主 减 速 器 齿 轮 几 何 尺 寸 计 算 、 主 减 速 器 齿 轮 强 度 计 算 、 作 用 在 主 减 速 器 主 、 从 动齿 轮 上 力 的 计 算 、 轴 承 载 荷 的 计 算 、 轴 承 当 量 载 荷 及 寿 命 计 算 、 装 配 图 及 零 件 图 的 绘制、及润滑方式等。按一定的先后顺序进行设计。1.3 论文构成及研究内容我们对文章结构进行如下安排：第一章首先提出了本课题研究的必要性以及它的价值，提出了 CA141 在现有阶段的不足最后给出了设计的思路以及安排。第二章对整个设计方案进行初步确定，比如主减速器的结构方案支撑方案等，为后面具体的设计和计算做了铺垫。第三章主要是针对主减速器的齿轮进行设计,涉及到第一级主从动圆锥齿轮,第二级主从动圆柱齿轮的齿数，模数，基本尺寸进行设计，并对其强度进行了校核。第四章则是根据轴径合理选择主减速器的轴承，并对其寿命进行校核。第五章对轴的强度进行校核。第六章合理选取花键的规格并对其强度进行了基本校核。第七章针对整个设计过程进行总结。第 3 页 共 57 页 汽车主减速器分类与设计方法2.1 概 述驱动桥处于动力传动系的末端，不仅是汽车的动力传递机构，也是行走机构。其基本功能是增大由传动轴或变速器传来饿转矩，并将动力合理地分配给左、右驱动功能。车架或车身以及它们所承受的载荷等簧上质量（又称为汽车的悬挂质量）是通过悬挂 总 成 的 弹 性 元 件 传 递 给 由 车 轮 支 承 的 各 个 车 桥 的 。 驱 动 桥 不 仅 承 受 着 作 用 于 路 面 和 支架或车身之间的铅垂力（ 簧 上 质 量 的 作 用 勒 和 车 轮 的 支 承 反 力 ） ，而且承受着它们之间的 纵 向 力 （ 驱动力和制动力 ） 和 横 向 力 （ 汽车转弯及在横坡路面上行使时产生的横向力 ） 。 除 铅 垂 力 由 悬 挂 的 弹 性 元 件 来 传 递 外 ， 纵 向 力 和 横 向 力 可 由 一 端 由 卷 耳 及 卷 耳 销 铰 接 或两 端 采 用 橡 胶 坠 支 承 的 纵 置 钢 板 弹 簧 传 递 。 对 于 不 能 传 递 纵 向 力 和 横 向 力 的 悬 挂 弹 性 元件，则这些力可由悬挂的导向装置，封闭式传动轴的套管或特设的传力杆来传递。主减速器设计应该满足以下基本要求：(1)主 减 速 比 的 选 择 能 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)外轮廓尺寸小，保证汽车具有足够的离地间隙，满足通过性要求；(3)齿轮传动平稳，噪声小；(4)在各种载荷和转速下有高的传动效率；(5)齿 轮 的 支 承 有 足 够 的 强 度 和 刚 度 ， 满 足 动 力 传 动 的 要 求 ； (6)结构简单，加工工艺好，制造容易，维修、调整方便。2.2 主 减 速 器 结 构 设 计双级主减速器与单级相比。在保证离地间隙同时可得到较大的传动比。i 0 一般为7-12， 但 是 尺 寸 质 量 均 较 大 ， 成 本 较 高 ， 主 要 应 用 在 中 、 重 型 货 车 、 越 野 车 和 大 客 车 上 。(1)整体式双级主减速器有多种结构方案： 1 第一级为锥齿轮、第二级为圆柱齿轮（图 1-1a） 2 第一级为锥齿轮、第二级为行星齿轮第 4 页 共 57 页 3 第一级为行星齿轮，第二级为锥齿轮（图 1-1b） 4 第一级为圆柱齿轮，第二级为锥齿轮（图 1-1c）对于第一种方案，可有纵向、斜向和垂向三种布置方案。如图 1-1d、图 1-1e、图1-1f。本设计方案选取第一级为锥齿轮、第二级为圆柱齿轮纵向水平向布置。(2)分开式主减速器分 开 式 主 减 速 器 由 中 央 主 减 速 器 和 轮 边 减 速 器 组 成 。 其 特 点 是 保 证 具 有 较 大 传 动 比条 件 下 驱 动 桥 中 央 部 分 尺 寸 较 小 ， 离 地 间 隙 较 大 ， 主 要 应 用 于 越 野 车 、 重 型 矿 用 自 卸 车 、 重型车上。(3)双速主减速器图 1-1 双级主减速器布置方案双 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 ， 可获 得 到 双 倍 于 变 速 器 的 档 位 。 由 圆 柱 齿 轮 组 、 行 星 齿 轮 组 成 ， 主 要 应 用 于 单 桥 驱 动 的 重型车上。综 合 以 上 各 种 主 减 速 器 结 构 方 案 的 优 缺 点 并 结 合 大 客 车 的 实 际 要 求 和 行 使 条 件 ， 我们 选 取 双 级 主 减 速 器 ， 且 第 一 级 为 螺 旋 锥 齿 轮 ； 第 二 级 为 圆 柱 斜 齿 轮 ， 采 用 水 平 布 置 布置 方 案 。 此 种 布 置 方 案 何 以 使 前 置 后 驱 动 单 桥 驱 动 大 客 车 增 大 最 小 离 地 间 隙 ， 降 低 地 板高度，并大大减小车身地板中部凸起通道的高度。2.3 主减速器主、从动锥齿轮的支承方案主减速器中心须保证主、从齿轮具有良好的齿合状况才能使它们很好地工作，齿轮第 5 页 共 57 页的正确齿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外，还与齿轮的支承刚度密切相关。主动锥齿轮采用悬臂式支承。从动锥齿轮采用跨置式支承。2.4 设计方案论证1、双级主减速器结构及布置方案选择整 体 式 双 级 主 减 速 器 有 多 种 结 构 方 案 ： 第 一 级 为 锥 齿 轮 ， 第 二 级 为 圆 柱 齿 轮 ； 第 一级 为 锥 齿 轮 ， 第 二 级 为 行 星 齿 轮 ； 第 一 级 为 行 星 齿 轮 ， 第 二 级 为 锥 齿 轮 ； 第 一 级 为 圆 柱齿轮，第二级为锥齿轮。本设计中，我们拟采用第一种方案，即圆锥-圆柱齿轮主减速器。其特点是轮齿可以 做 成 直 齿 、 斜 齿 或 曲 线 齿 ， 适 用 于 两 轴 垂 直 相 交 的 传 动 中 ， 也 可 用 于 两 轴 垂 直 相 错 的传动中。本 设 计 中 主 动 齿 轮 第 一 级 为 螺 旋 圆 锥 齿 轮 ， 第 二 级 改 为 斜 齿 圆 柱 齿 轮 。 重 迭 系 数 较直齿齿轮剐太。故其传动平稳。冲击和噪音较小 由于增大了重迭系数，使齿面的比压降低，从而提高了齿轮承载能力，延长了使用寿命。布 置 方 式 选 用 纵 向 水 平 布 置 ， 此 种 布 置 可 以 使 总 成 的 垂 向 轮 廓 尺 寸 减 少 ， 从 而 降 低汽 车 的 质 心 高 度 ， 因 主 体 为 载 重 汽 车 ， 轴 距 较 长 ， 纵 向 水 平 布 置 虽 使 纵 向 尺 寸 增 加 ， 但可 少 量 减 少 长 轴 距 汽 车 传 动 轴 长 度 。 为 达 到 结 构 简 单 ， 加 工 工 艺 好 的 要 求 ， 主 减 速 器 主动锥齿轮支承方案采用悬臂式支承。2、两级传动比分配为 尽 量 避 免 圆 锥 齿 轮 尺 寸 过 大 、 制 造 困 难 ， 因 而 高 速 级 圆 锥 齿 轮 传 动 比 i1 不宜过大 ， 通常 取 i10.25i， 最 好 使 i13， 当 要 求 两 级 传 动 大 齿 轮 的 浸 油 深 度 大 致 相 等 时 ， 也 可 取i1=3.54。3、齿轮、轴的主要参数设计(1)主从动锥齿轮齿数确定为 了 得 到 理 想 的 齿 面 重 合 系 数 ， 大 小 齿 轮 的 齿 数 和 应 不 少 于 40。 主 从 动 锥 齿 轮 之 间 应 避免 有 公 约 数 。 为 了 啮 合 平 稳 ， 噪 声 小 ， 对 商 用 车 ， 主 动 锥 齿 轮 齿 数 一 般 不 小 于 6。 主 传动比较大时，主动齿轮齿数尽量取得少些，以得到满意的离地间隙。(2)从 动 锥 齿 轮 大 院 分 度 直 径 D2 和 端 面 模 数 m第 6 页 共 57 页就单级主减速器，从动锥齿轮的分度圆直径对驱动轴壳尺寸有影响，尺寸大影响轴壳离地间隙，尺寸大小影响跨置式主动齿轮的前支承架的位置和差速器的安装。(3)齿 面 宽 b 的确定一 般 推 荐 齿 面 宽 的 数 值 ， 对 于 螺 旋 锥 齿 轮 b N3，故所选轴承合格。(2)轴承 B ：Fa=0，F r=8408.6N， 所 以 P=F r=8408.6N； P=1.5P=12613N， 查 表 得 C=388000N L=(388000/12613)10/3=9.1×1010N3，故所选轴承合格。(3)轴承 C ：Fr=12656.28N， F a =76.74N；查 表 得 e =0.35， Y=1.7， Fa / Fr =0.06PD ， 故 可 以 只 算 轴 承 C 即 可 ， 查 得 其 额 定 动 载 荷 Cr=348000N； L=(348000/18984)10/3=1.63×1010N2，所选轴承合格。第 25 页 共 57 页5 轴的设计及校核5.1 中间轴的设计与校核5.1.1 轴的设计(1)轴的直径处算根 据 所 设 计 的 轴 零 件 选 用 40Cr， 加 工 方 法 为 调 质 处 理 。 查 轴 的 常 用 材 料 及 其 力 学 性能 ， 得 抗 拉 强 度 b = 650MPa ， 屈 服 点 s = 360MPa 。 查 轴 的 许 用 弯 曲 应 力 表 ， 得+1 b = 215MPa ， 0 b = 100MPa ， 1 b = 60MPa 。(2)按扭转强度估算轴的最小直径d取 C=98 得 = 98 × = 75.0mm(3)轴的结构设计按轴的结构和强度要求选取联轴承处的轴径 d=75 mm，长度尺寸根据结构进行具体的设计，具体结构如下。图 5-1 中间轴的结构尺寸第 26 页 共 57 页5.1.2 按弯扭合成应力校核轴的强度(1)计算作用在轴上的力 1 从动锥齿轮受力分析，由前文知圆周力F = (t22T2 ) = 14261.6N1 0.5R d2径向力F r2 = 1113.4N轴向力F a2 = 76.74N 2 圆柱齿轮受力分析圆周力F t3 = 2T2d3= 2 ×1413250 = 30249N 93.44径 向 力 Fr3 = Ft3tgn = 11009.8N(2)计算支反力由 上 图 可 得 ， L1=44.5mm， L2=91.8mm， L3=89.8mm， d2=225mm 水平面：F L + F (L + L ) F d2r3 3F = r2 2 3 a2 2 (5-1)R1H L + L + L1 2 3求得： F R1H = 44945N，= 11009.8 × 89.8 + 1113.4 ×181.6 76.74 ×112.5226.1再 由 F = 0 ， 得 ： FR2H = Fr2 + Fr3 FR1H = 13582.6N垂 直 面 ： MD = 0 ， FR1V = Ft2 (L2 +L3 ) Ft3L3 ，L + L + L求得F R1V = 11119.7N1 2 3再 由 F = 0 ， FR2V = Ft3 Ft2 FR1V = 27107.7N(3)水平面弯矩 ：MBH = FR1HL1 = 44945 × 44.5 = 2000.05Nm