CA141載重汽車的整體式雙級主減速器設計畢業(yè)設計（論文）

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CA141 載重汽車的整體式雙級主減速器設計摘要CA141 型 汽 車 采 用 雙 級 主 減 速 器 。 雙 級 主 減 速 器 與 單 級 主 減 速 器 相 比 雖 然 增 加 了 一對 圓 錐 齒 輪 和 相 應 的 支 架 ， 其 結(jié) 構(gòu) 比 較 復 雜 ， 重 量 大 、 裝 配 調(diào) 整 麻 煩 、 成 本 高 和 軸 向 尺寸 大 ， 但 在 傳 動 比 相 同 的 情 況 下 ， 雙 級 主 減 速 器 的 徑 向 尺 寸 小 ， 使 汽 車 的 最 小 離 地 間 隙變 大 ， 由 于 其 從 動 錐 齒 輪 直 徑 較 小 ， 因 此 對 支 承 裝 置 的 剛 度 要 求 較 小 ， 對 潤 滑 油 的 要 求 不甚 苛 刻 ， 而 且 其 工 作 可 靠 度 比 單 級 主 減 速 器 好 ， 很 適 合 于 我 國 幅 員 遼 闊 、 公 路 級 別 低 、 使用條件較差的情況下使用。本 文 首 先 簡 要 介 紹 了 載 重 汽 車 及 其 驅(qū) 動 橋 的 發(fā) 展 ， 主 減 速 器 尤 其 雙 級 主 減 速 器 功用 、 總 體 構(gòu) 造 和 結(jié) 構(gòu) 形 式 。 主 要 介 紹 了 CA141 載重汽整體式雙級主減速器結(jié)構(gòu)原理， 布 置 形 式 選 擇 ， 各 級 齒 輪 與 軸 承 的 設 計 過 程 。 根 據(jù) CA141 載重汽車的特點，通過計算對 各 級 傳 動 進 行 了 合 理 的 布 置 ， 對 雙 極 主 減 速 器 的 齒 輪 、 軸 、 軸 承 、 鍵 進 行 較 為 合 理 的設計和選用，并對主要的零部件校核。關鍵詞：雙級主減速器；驅(qū)動橋；載重汽車；螺旋錐齒輪；斜齒圓柱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 ruducer’s 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 truck’s 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 錄1 緒論 11.1 課題背景及目的 11.2 CA141 主減速器現(xiàn)狀 .11.3 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容 2２ 汽車主減速器分類與設計方法 32.1 概 述 32.2 主減速器結(jié)構(gòu)設計 32.3 主減速器主、從動錐齒輪的支承方案 42.4 設計方案論證 53 主減速器齒輪設計及校核 .83.1 第一級螺旋錐齒輪的設計計 8311 主減速比 i0 的確定 .8312 主減速器齒輪計算載荷的確定 .8313 主減速器螺旋錐齒輪主要參數(shù)的選擇 .9314 主減速器錐齒輪強度計算 .113.2 第二級斜圓柱齒輪設計計算 .14321 精度等級、材料及齒數(shù)，齒型 14322 按齒面接觸強度設計 14323 按齒根彎曲強度設計 17324 幾何尺寸計算 18325 第二級齒輪彎曲疲勞強度的校核 194 軸承的選用及校核 214.1 齒輪軸承的選擇 214.2 軸承上支反力的確定 .214.3 軸承壽命的校核 .225 軸的設計及校核 255.1 中間軸的設計與校核 .25511 軸的設計 25512 按彎扭合成應力校核軸的強度 255.2 高速軸的設計與校核 .276 鍵的設計與校核 296.1 主動錐齒輪花鍵的設計 296.2 主動錐齒輪花鍵的強度校核 297 總結(jié) 30致 謝.31參考文獻 32附件 A33附件 B44第 1 頁 共 57 頁1 緒論1.1 課題背景及目的隨 著 世 界 經(jīng) 濟 的 不 斷 發(fā) 展 ， 作 為 陸 上 主 要 交 通 工 具 的 汽 車 日 漸 成 為 人 們 生 活 中 不 可缺 少 的 生 活 工 具 之 一 。 世 界 經(jīng) 濟 不 斷 發(fā) 展 ， 人 們 生 活 水 平 不 斷 提 高 ， 人 們 對 主 流 交 通 工具——汽車的需求在數(shù)量及質(zhì)量上都明顯提高。汽 車 行 業(yè) 是 一 個 連 帶 性 的 行 業(yè) 。 它 的 發(fā) 展 快 慢 將 影 響 整 個 國 民 經(jīng) 濟 的 收 入 ， 它 的 發(fā)展 將 帶 動 其 上 游 諸 如 鋼 材 、 橡 膠 等 各 種 重 要 產(chǎn) 業(yè) 的 發(fā) 展 。 同 時 也 會 帶 動 其 下 游 諸 如 公 路網(wǎng) 絡 等 一 系 列 連 帶 性 行 業(yè) 的 發(fā) 展 。 據(jù) 專 家 統(tǒng) 計 ， 汽 車 產(chǎn) 業(yè) 與 其 所 能 帶 動 其 他 產(chǎn) 業(yè) 所 創(chuàng) 產(chǎn)值 之 比 為 1： 3。 這 個 數(shù) 據(jù) 說 明 了 汽 車 產(chǎn) 業(yè) 的 重 要 性 和 其 在 國 民 經(jīng) 濟 中 的 地 位 是 不 可 估 量 的。當 前 世 界 各 國 各 大 汽 車 生 產(chǎn) 商 都 企 圖 壟 斷 世 界 汽 車 市 場 ， 從 而 便 形 成 了 大 型 汽 車 生產(chǎn) 公 司 聯(lián) 合 兼 并 小 公 司 或 以 收 購 的 形 式 壟 斷 汽 車 市 場 的 趨 勢 。 在 國 內(nèi) ， 各 大 汽 車 集 團 也在 世 界 范 圍 內(nèi) 尋 求 盟 友 ， 把 自 己 的 公 司 做 強 做 大 ， 增 前 自 身 的 造 血 機 能 ， 生 產(chǎn) 質(zhì) 量 更 好 、 價格 更 低 的 汽 車 。 將 來 ， 對 普 通 百 姓 來 說 ， 汽 車 不 再 是 “可看而不可觸”的 工 具 了 ， 它 將 與普通的商品一樣走進千家萬戶。而主減速器作為汽車上不可或缺的重要部分,它的作用主要是將輸入的轉(zhuǎn)矩增大,轉(zhuǎn)速降低,并 將 接 受 的 動 力 傳 遞 方 向 改 變 后 傳 給 差 速 器 。 因 此 主 減 速 器 總 成 質(zhì) 量 的 好 壞 直 接影 響 到 汽 車 總 體 質(zhì) 量 。 主 減 速 器 總 成 在 整 個 汽 車 傳 動 系 的 位 置 極 其 重 要 性 是 不 言 而 喻的 。汽 車 經(jīng) 常 會 遇 到 主 減 速 器 圓 柱 齒 輪 打 齒 的 故 障 ， 經(jīng) 分 析 ， 打 齒 的 現(xiàn) 象 一 般 表 現(xiàn) 為 疲勞 斷 裂 ， 主 要 是 裝 配 質(zhì) 量 問 題 以 及 使 用 維 護 不 當 ， 根 據(jù) 這 一 原 因 ， 在 設 計 過 程 中 時 應 保證軸承與軸頸的過盈配合。1.2 CA141 主減速器現(xiàn)狀CA141 型汽車采用雙級主減速器。與單級主減速器相比， 雙級主減速器雖然增加了 一 對 圓 錐 齒 輪 和 相 應 的 支 架 ， 其 結(jié) 構(gòu) 比 較 復 雜 ， 重 量 大 、 裝 配 調(diào) 整 麻 煩 、 成 本 高 和軸 向 尺 寸 大 ， 但 在 傳 動 比 相 同 的 情 況 下 ， 雙 級 主 堿 速 器 的 徑 向 尺 寸 小 ， 使 汽 車 的 最 小 離第 2 頁 共 57 頁地間隙變大， 由于其從動錐齒輪直徑較小，因此對支承裝置的剛度要求較小，對潤滑油 的 要 求 不 甚 苛 刻 ， 而 且 其 工 作 可 靠 度 比 單 級 主 減 速 器 好 ， 很 適 合 于 我 國 幅 員 遼 闊 、 公路級別低、使用條件較差的情況下使用。解 放 CA141 汽車雙級主減速器，第一級為螺旋圓錐齒輪，第二級改為斜齒圓柱齒輪橋殼為整體式。材料為可鍛鑄鐵。齒輪的切齒刀具采用大 圓弧齒根刀具，對從動圓錐 齒 輪 采 用 壓 床 淬 火 ， 熱 處 理 后 采 用 強 力 噴 丸 工 藝 等 ， 從 而 減 少 了 齒 輪 的 加 工 變 形 ， 提高了齒輪的使用壽命。在 整 個 設 計 過 程 中 ， 主 要 包 括 以 下 模 塊 ： 結(jié) 構(gòu) 形 式 的 確 定 、 主 減 速 器 基 本 參 數(shù) 選 擇與 設 計 計 算 、 主 減 速 器 齒 輪 幾 何 尺 寸 計 算 、 主 減 速 器 齒 輪 強 度 計 算 、 作 用 在 主 減 速 器 主 、 從 動齒 輪 上 力 的 計 算 、 軸 承 載 荷 的 計 算 、 軸 承 當 量 載 荷 及 壽 命 計 算 、 裝 配 圖 及 零 件 圖 的 繪制、及潤滑方式等。按一定的先后順序進行設計。1.3 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容我們對文章結(jié)構(gòu)進行如下安排：第一章首先提出了本課題研究的必要性以及它的價值，提出了 CA141 在現(xiàn)有階段的不足最后給出了設計的思路以及安排。第二章對整個設計方案進行初步確定，比如主減速器的結(jié)構(gòu)方案支撐方案等，為后面具體的設計和計算做了鋪墊。第三章主要是針對主減速器的齒輪進行設計,涉及到第一級主從動圓錐齒輪,第二級主從動圓柱齒輪的齒數(shù)，模數(shù)，基本尺寸進行設計，并對其強度進行了校核。第四章則是根據(jù)軸徑合理選擇主減速器的軸承，并對其壽命進行校核。第五章對軸的強度進行校核。第六章合理選取花鍵的規(guī)格并對其強度進行了基本校核。第七章針對整個設計過程進行總結(jié)。第 3 頁 共 57 頁２ 汽車主減速器分類與設計方法2.1 概 述驅(qū)動橋處于動力傳動系的末端，不僅是汽車的動力傳遞機構(gòu)，也是行走機構(gòu)。其基本功能是增大由傳動軸或變速器傳來餓轉(zhuǎn)矩，并將動力合理地分配給左、右驅(qū)動功能。車架或車身以及它們所承受的載荷等簧上質(zhì)量（又稱為汽車的懸掛質(zhì)量）是通過懸掛 總 成 的 彈 性 元 件 傳 遞 給 由 車 輪 支 承 的 各 個 車 橋 的 。 驅(qū) 動 橋 不 僅 承 受 著 作 用 于 路 面 和 支架或車身之間的鉛垂力（ 簧 上 質(zhì) 量 的 作 用 勒 和 車 輪 的 支 承 反 力 ） ，而且承受著它們之間的 縱 向 力 （ 驅(qū)動力和制動力 ） 和 橫 向 力 （ 汽車轉(zhuǎn)彎及在橫坡路面上行使時產(chǎn)生的橫向力 ） 。 除 鉛 垂 力 由 懸 掛 的 彈 性 元 件 來 傳 遞 外 ， 縱 向 力 和 橫 向 力 可 由 一 端 由 卷 耳 及 卷 耳 銷 鉸 接 或兩 端 采 用 橡 膠 墜 支 承 的 縱 置 鋼 板 彈 簧 傳 遞 。 對 于 不 能 傳 遞 縱 向 力 和 橫 向 力 的 懸 掛 彈 性 元件，則這些力可由懸掛的導向裝置，封閉式傳動軸的套管或特設的傳力桿來傳遞。主減速器設計應該滿足以下基本要求：(1)主 減 速 比 的 選 擇 能 保 證 汽 車 在 給 定 的 條 件 下 具 有 最 佳 的 動 力 性 和 燃 油 經(jīng) 濟 性 ； (2)外輪廓尺寸小，保證汽車具有足夠的離地間隙，滿足通過性要求；(3)齒輪傳動平穩(wěn)，噪聲小；(4)在各種載荷和轉(zhuǎn)速下有高的傳動效率；(5)齒 輪 的 支 承 有 足 夠 的 強 度 和 剛 度 ， 滿 足 動 力 傳 動 的 要 求 ； (6)結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝好，制造容易，維修、調(diào)整方便。2.2 主 減 速 器 結(jié) 構(gòu) 設 計雙級主減速器與單級相比。在保證離地間隙同時可得到較大的傳動比。i 0 一般為7-12， 但 是 尺 寸 質(zhì) 量 均 較 大 ， 成 本 較 高 ， 主 要 應 用 在 中 、 重 型 貨 車 、 越 野 車 和 大 客 車 上 。(1)整體式雙級主減速器有多種結(jié)構(gòu)方案：○ 1 第一級為錐齒輪、第二級為圓柱齒輪（圖 1-1a）○ 2 第一級為錐齒輪、第二級為行星齒輪第 4 頁 共 57 頁○ 3 第一級為行星齒輪，第二級為錐齒輪（圖 1-1b）○ 4 第一級為圓柱齒輪，第二級為錐齒輪（圖 1-1c）對于第一種方案，可有縱向、斜向和垂向三種布置方案。如圖 1-1d、圖 1-1e、圖1-1f。本設計方案選取第一級為錐齒輪、第二級為圓柱齒輪縱向水平向布置。(2)分開式主減速器分 開 式 主 減 速 器 由 中 央 主 減 速 器 和 輪 邊 減 速 器 組 成 。 其 特 點 是 保 證 具 有 較 大 傳 動 比條 件 下 驅(qū) 動 橋 中 央 部 分 尺 寸 較 小 ， 離 地 間 隙 較 大 ， 主 要 應 用 于 越 野 車 、 重 型 礦 用 自 卸 車 、 重型車上。(3)雙速主減速器圖 1-1 雙級主減速器布置方案雙 速 主 減 速 器 內(nèi) 由 齒 輪 的 不 同 組 合 可 獲 得 兩 種 傳 動 比 。 它 與 普 通 變 速 器 相 配 合 ， 可獲 得 到 雙 倍 于 變 速 器 的 檔 位 。 由 圓 柱 齒 輪 組 、 行 星 齒 輪 組 成 ， 主 要 應 用 于 單 橋 驅(qū) 動 的 重型車上。綜 合 以 上 各 種 主 減 速 器 結(jié) 構(gòu) 方 案 的 優(yōu) 缺 點 并 結(jié) 合 大 客 車 的 實 際 要 求 和 行 使 條 件 ， 我們 選 取 雙 級 主 減 速 器 ， 且 第 一 級 為 螺 旋 錐 齒 輪 ； 第 二 級 為 圓 柱 斜 齒 輪 ， 采 用 水 平 布 置 布置 方 案 。 此 種 布 置 方 案 何 以 使 前 置 后 驅(qū) 動 單 橋 驅(qū) 動 大 客 車 增 大 最 小 離 地 間 隙 ， 降 低 地 板高度，并大大減小車身地板中部凸起通道的高度。2.3 主減速器主、從動錐齒輪的支承方案主減速器中心須保證主、從齒輪具有良好的齒合狀況才能使它們很好地工作，齒輪第 5 頁 共 57 頁的正確齒合除與齒輪的加工質(zhì)量、裝配調(diào)整及軸承、主減速器殼體的剛度有關外，還與齒輪的支承剛度密切相關。主動錐齒輪采用懸臂式支承。從動錐齒輪采用跨置式支承。2.4 設計方案論證1、雙級主減速器結(jié)構(gòu)及布置方案選擇整 體 式 雙 級 主 減 速 器 有 多 種 結(jié) 構(gòu) 方 案 ： 第 一 級 為 錐 齒 輪 ， 第 二 級 為 圓 柱 齒 輪 ； 第 一級 為 錐 齒 輪 ， 第 二 級 為 行 星 齒 輪 ； 第 一 級 為 行 星 齒 輪 ， 第 二 級 為 錐 齒 輪 ； 第 一 級 為 圓 柱齒輪，第二級為錐齒輪。本設計中，我們擬采用第一種方案，即圓錐-圓柱齒輪主減速器。其特點是輪齒可以 做 成 直 齒 、 斜 齒 或 曲 線 齒 ， 適 用 于 兩 軸 垂 直 相 交 的 傳 動 中 ， 也 可 用 于 兩 軸 垂 直 相 錯 的傳動中。本 設 計 中 主 動 齒 輪 第 一 級 為 螺 旋 圓 錐 齒 輪 ， 第 二 級 改 為 斜 齒 圓 柱 齒 輪 。 重 迭 系 數(shù) 較直齒齒輪剮太。故其傳動平穩(wěn)。沖擊和噪音較小 由于增大了重迭系數(shù)，使齒面的比壓降低，從而提高了齒輪承載能力，延長了使用壽命。布 置 方 式 選 用 縱 向 水 平 布 置 ， 此 種 布 置 可 以 使 總 成 的 垂 向 輪 廓 尺 寸 減 少 ， 從 而 降 低汽 車 的 質(zhì) 心 高 度 ， 因 主 體 為 載 重 汽 車 ， 軸 距 較 長 ， 縱 向 水 平 布 置 雖 使 縱 向 尺 寸 增 加 ， 但可 少 量 減 少 長 軸 距 汽 車 傳 動 軸 長 度 。 為 達 到 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 加 工 工 藝 好 的 要 求 ， 主 減 速 器 主動錐齒輪支承方案采用懸臂式支承。2、兩級傳動比分配為 盡 量 避 免 圓 錐 齒 輪 尺 寸 過 大 、 制 造 困 難 ， 因 而 高 速 級 圓 錐 齒 輪 傳 動 比 i1 不宜過大 ， 通常 取 i1≈0.25i， 最 好 使 i1≦3， 當 要 求 兩 級 傳 動 大 齒 輪 的 浸 油 深 度 大 致 相 等 時 ， 也 可 取i1=3.5~4。3、齒輪、軸的主要參數(shù)設計(1)主從動錐齒輪齒數(shù)確定為 了 得 到 理 想 的 齒 面 重 合 系 數(shù) ， 大 小 齒 輪 的 齒 數(shù) 和 應 不 少 于 40。 主 從 動 錐 齒 輪 之 間 應 避免 有 公 約 數(shù) 。 為 了 嚙 合 平 穩(wěn) ， 噪 聲 小 ， 對 商 用 車 ， 主 動 錐 齒 輪 齒 數(shù) 一 般 不 小 于 6。 主 傳動比較大時，主動齒輪齒數(shù)盡量取得少些，以得到滿意的離地間隙。(2)從 動 錐 齒 輪 大 院 分 度 直 徑 D2 和 端 面 模 數(shù) m第 6 頁 共 57 頁就單級主減速器，從動錐齒輪的分度圓直徑對驅(qū)動軸殼尺寸有影響，尺寸大影響軸殼離地間隙，尺寸大小影響跨置式主動齒輪的前支承架的位置和差速器的安裝。(3)齒 面 寬 b 的確定一 般 推 薦 齒 面 寬 的 數(shù) 值 ， 對 于 螺 旋 錐 齒 輪 b N3，故所選軸承合格。(2)軸承 B ：Fa=0，F(xiàn) 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，故所選軸承合格。(3)軸承 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 軸 承 C 即 可 ， 查 得 其 額 定 動 載 荷 Cr=348000N； L=(348000/18984)10/3=1.63×1010N2，所選軸承合格。第 25 頁 共 57 頁5 軸的設計及校核5.1 中間軸的設計與校核5.1.1 軸的設計(1)軸的直徑處算根 據(jù) 所 設 計 的 軸 零 件 選 用 40Cr， 加 工 方 法 為 調(diào) 質(zhì) 處 理 。 查 軸 的 常 用 材 料 及 其 力 學 性能 ， 得 抗 拉 強 度 δb = 650MPa ， 屈 服 點 δs = 360MPa 。 查 軸 的 許 用 彎 曲 應 力 表 ， 得[δ+1 ]b = 215MPa ， [δ0 ]b = 100MPa ， [δ?1 ]b = 60MPa 。(2)按扭轉(zhuǎn)強度估算軸的最小直徑d取 C=98 得 ≥ = 98 × = 75.0mm(3)軸的結(jié)構(gòu)設計按軸的結(jié)構(gòu)和強度要求選取聯(lián)軸承處的軸徑 d=75 mm，長度尺寸根據(jù)結(jié)構(gòu)進行具體的設計，具體結(jié)構(gòu)如下。圖 5-1 中間軸的結(jié)構(gòu)尺寸第 26 頁 共 57 頁5.1.2 按彎扭合成應力校核軸的強度(1)計算作用在軸上的力○ 1 從動錐齒輪受力分析，由前文知圓周力F = (t22T2 ) = 14261.6N1 ? 0.5φR d2徑向力F r2 = 1113.4N軸向力F a2 = 76.74N○ 2 圓柱齒輪受力分析圓周力F t3 = 2T2d3= 2 ×1413250 = 30249N 93.44徑 向 力 Fr3 = Ft3tgαn = 11009.8N(2)計算支反力由 上 圖 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 ΣF = 0 ， 得 ： FR2H = Fr2 + Fr3 ? FR1H = ?13582.6N垂 直 面 ： ΣMD = 0 ， FR1V = Ft2 (L2 +L3 )? Ft3L3 ，L + L + L求得F R1V = ?11119.7N1 2 3再 由 ΣF = 0 ， FR2V = Ft3 ? Ft2 ? FR1V = 27107.7N(3)水平面彎矩 ：MBH = FR1HL1 = 44945 × 44.5 = 2000.05Nm