2022年等高齿锥齿轮设计开发应用.docx

汽车驱动桥作为汽车的重要传动部件，对整车的承载能力和舒适性有很大影响，其中主被动锥齿轮是驱动桥中最重要的零件目前，根据齿的收缩形式，应用在汽车驱动桥中的主被动锥齿轮副主要有格里森制渐缩齿与奥利康等高齿 两种齿制由于历史的原因，公司内以前所有齿轮副均为渐缩齿制，加工方法为传统 的“ 五刀法” ， 大轮采用两台机床分别进行粗、精切两侧齿面，小轮分别采用 粗切、精切凸面、精切凹面三台机床加工原有加工方法需要占用五台机床，参数计算与调整复杂，且节拍较低 随着 2009 年重汽与 MAN的全面技术合作， 引进了 MAN公司的车桥技术 目 前 MAN公司车桥主被动锥齿轮均采用奥利康等高齿齿制， 而 AC16主减齿轮初始 设计仍为减缩齿，实际使用中出现的打齿、点蚀等故障较多，已不太适应该驱 动桥的工况 为此，在开发单边 50 矿用车驱动桥时， 决定在不改变安装尺寸的 基础上，对现有格里森渐缩齿制锥齿轮进行等高齿制设计开发二、设计过程1. 设计条件通过对齿轮副使用情况及主减的安装情况，以及多次讨论，我们认为设计 该对齿轮副的条件为不改动其他相关零部件结构，尽量采用成熟加工工艺，以 降低生产成本，同时进一步提升齿轮副强度。

研究. 根据整车动力特点，取齿轮副齿数比为29/17 ，被动轮平均计算扭矩按4000NM则按《驱动桥设计》中给出的图表，圆整后，被动轮分度圆直径取为300mm，则大端面模数为mtd210. 3448沿用原有的产品设计，取中点螺旋角z35° ，名义压力角取为22° 30′ 根据整个主减的结构， 确定主动轮安装距为 被动轮齿面宽取为 50mm2. 几何参数设计161mm，从动轮安装局为 134mm，本次设计中，为了得到比较理想的齿高参数，选取齿顶高系数h*.1 025,a齿全高系数* fh1 . 275，齿顶间隙系数*c.0 25则计算出的主要齿轮参数如下：小轮大轮齿数17 29 大端模数（ mm）10.3448 轴交角90°中点螺旋角35°名义压力角22° 30′分锥角30° 22′45″59° 37′15″全齿高 (mm) 17.136 17.136 齿顶高（ mm）9.8718 5.4016 研究. （1）小轮齿根根切检查与分锥角修正由于小轮要采用展成加工，容易发生小端根切现象因此需要验算其不根切的最小变位系数，计算过程为; . 8727mm小轮中点锥距：Ad1/2178sin1小轮小端锥距：A 1A-B178.8727-50128.8723mm小轮小端螺旋角：1arcsinAsinA2rc 2 A 144.0642A 12小轮小端法面当量齿轮齿数：Z vm 1(1-sin21cosZ 1)cos1cos133.44822小轮最小变位系数：x min0.833m n* h a/m t05.Zvm 1sin20 .5 btan/m n0.286故设计时选取小轮变位系数0.3 ＞0.286 ，避免了小端根切现象。

小轮采取悬臂支撑，无需进行分锥角修正2）小轮齿顶变尖检查 由于等高齿锥齿轮齿顶宽度由大端至小端是逐渐缩小的，有可能存在研究. 小轮小端齿顶宽过小的情况， 就会造成在热处理时由于温度过高而 “ 烧化” ，因此需要对小齿轮齿顶宽度进行限制根据克林贝格公司 的资料，当齿顶宽度＜ 0.3mn时，可认为齿顶过尖，需要进行修正这部分内容 的计算如下：冠轮齿数：ZpZ2cosni/sin233.61555.50952A 1cos1/Zp小轮小端法向模数：m小轮小端法面当量圆柱齿轮顶圆直径：dvma1m nizvm 12 (h a *x 1)m n ibsin1/2198.883mm小轮小端齿顶法向压力角：avn 1arccos( m nizvm 1cosn/dvma1)31° 7′57′小轮小端法向节圆齿厚半角：avn 1/2mn(xi12tann(x 105.bsin1/mn)m ni/Zvm 10.3528小轮小端法向齿顶厚半角：av mn1avn1invinvavn 10.01323小轮小端法向齿顶厚：s av1avmn 1dvmn12.64mm而 0.3mn=2.235mm 因此齿顶尺寸符合要求，无需进行修正。

研究. 3. 切削刀具设计 等高齿锥齿轮采用连续分度方法进行切削，根据目前加工机床现状，选定所加 工刀具为 SPIRON 13-105 型SPIRON刀盘是一种新型的铣齿刀盘，采用硬质合金刀条后，适用于高速干切削，其切削速度可以达到200m/min该型号刀盘由内切、外切刀条组成，刀齿安装在整体式刀盘上，内外刀回转中心重合，不可 调对于连续分度法所用刀具，其参数计算式以名义中点模数来进行的面滚刀盘的计算参考点（1）刀具参考点高度 HWHW0确定了刀盘计算的参考点，并且也是刀条测量与安装的基准点对于本设计，以小轮刀具为例，取mmHK *=1，h1.1h ges18. 5832，HM=78mm，则HW0HM(HK*mnm)ht104（2）刀具偏置距 E 对于面铣刀具，其刀条中心与刀盘中心重合，无偏置距概念对于面滚刀具，其刀具偏置距决定了刀条相对于刀盘中心的偏置距离研究. 面铣与面滚的不同加工方式示意因此对于该产品，其数值大小为：EmnmZ042.4878mm2（3）刀具干涉校验刀具设计时的一个重要原则为切削加工时，非切削面不能与已加工的相对齿面发生干涉发生干涉的主要原因为非切削刃齿形角过大或刀顶宽过宽。

研究. 非切削刃齿形角增大时，发生齿面干涉刀顶宽尺寸增大时，发生齿面干涉根据本产品的特点，最终选取的小轮凹面切削刃齿形角为 24° ，非切削刃齿形角为 15° ，凸面切削刃齿形角为 20.5 ° ，非切削刃齿形角为 18° 大轮凹面切削刃齿形角为 24° ，非切削刃齿形角为 15° ，凸面切削刃齿形角为20.5 ° ，非切削刃齿形角为 18° 研究. （4）刀尖圆角的选择 应避免切削刃与非切削刃刀尖圆角相互干涉，应使切削刃刀尖圆弧尽可能大，非切削刃刀尖圆弧尽可能小同时应当避免非切削刃刀尖圆弧与另一组刀切削 刃刀尖圆弧发生干涉切削刃刀尖圆弧过大，发生刀尖圆弧干涉研究. 切削刃刀尖圆弧减少，刀尖圆弧无干涉经过多次优化，最终选取的小轮凹面切削刃刀尖圆弧为 2mm，非切削刃刀尖圆弧为 1.8mm，凸面切削刃齿形角为 2mm，非切削刃齿形角为 1.8mm大轮凹面切削刃刀尖圆弧为 2mm，非切削刃刀尖圆弧为 1.8mm，凸面切削刃刀尖圆弧为 2mm，非切削刃齿形角为 1.8mm4. 主从动锥齿轮强度设计齿轮副设计包括几何参数、强度设计以及 1）齿轮副静强度计算LTCA 分析等各方面。

齿轮几何参数主要由整车的动力分配和速比决定，强度计算包括标准强度 计算与加载强度分析 LTCA 两部分标准强度计算包括齿面接触应力计算以及 齿根弯曲强度计算和齿面胶合计算 按照 AC16 驱动桥设计要求，计算标准强度时，按该齿轮副的输入扭矩 5000NM，循环次数大于 1× 106时的强度计算研究. 强度计算时，按照 FVA411 标准进行，其选取的相关系数为：选取齿轮副精度等级为 DIN3965 标准 8 级，工件材料选取20MnCr5，应用系数 K A=1.0，齿面粗糙度 Ra1.6，齿根粗糙度 Ra3.2，安装系数 KH β be=1.0，面载荷系数 KHβ =1.0根据以上参数，针对该速比齿轮副的静强度计算，得到的结果如下 : 小轮凸面 小轮凹面 大轮凸面 大轮凹面弯曲强度安全系数 1.8203 1.8608 1.8203 1.8608 接触强度安全系数 1.0961 0.9328 1.0961 0.9328 由以上强度计算结果可以看出，足设计要求2）齿轮副 LTCA 设计与优化该齿轮副的弯曲强度＞ 1.5，接触强度＞ 0.9，满 LTCA 被称为加载齿面接触分析，是随着计算机技术发展起来的一种新技 术。

通过 LTCA ，可以分析出在受到载荷的情况下，齿面接触区的真实情况，以及应力在齿面上的分布情况a）齿面接触区的设计优化针对该速比齿轮副，在轻载时的最终齿面接触区图像应为：被动轮凸面位于齿宽和齿高中部40%-60%，凹面位于齿宽中部偏大端40%-60%，齿高方向位于中部 40%-60%即如下图所示：研究. 因此，可以得到在齿面受载后的接触区图像：由以上图像看出，齿面受载后，接触区扩展至全齿面，但无边缘接触b）齿面应力分析优化齿面应力分布与齿面接触区位置密切相关，较好的齿面应力分布应均匀无集中点，且应力最大处应位于齿面节线偏齿根当齿面接触区存在边缘接触时，齿面应力分布如下：研究. 由此看出，当齿面边缘接触时， 在齿面受载后会在齿面上形成应力集中点，且应力最大处位于齿廓边缘在实际使用中会造成齿面断齿故障，影响齿轮副 寿命经优化后的该齿轮副齿面接触区及齿面应力分布如下所示：因此，最终设计的成品齿面接触应力符合要求应力最大处位于齿面节线偏齿 根处，且无应力集中现象出现研究. c)主被动齿轮的等强度设计 由于主从动轮在运转时的不同工况，容易造成主动轮寿命小于从动轮的情况因此，要进行等强度设计，使两齿轮所受的最大应力接近，以达到等寿命的目 的。

由上图可以看出，初始设计后，该齿轮副的主动轮所受应力最大约 700Mpa，从动轮最大应力约为 500Mpa，因此运转中会造成小轮损坏，需要进行优化设 计根据 FVA411 强度计算理论，齿面受力大小取决于齿厚尺寸，因此，在不改变 侧隙大小的情况下，对齿厚变位系数进行调整，适当加大小轮齿厚，减小大轮 齿厚研究. 经优化后，该齿轮副的主动轮所受应力最大约 470Mpa较之前的情况有了明显优化三、齿轮副制造工艺开发520Mpa，从动轮最大应力约为齿轮副制造工艺包括刀具磨削、安装，工装设计制造，热前铣齿加工，热后研 齿及配对检验等工序1）刀具磨削及安装。