汽车主减速器的优化设计

1、安徽三联学院毕业论文 汽车主减速器的优化设计摘要 本文以汽车主减速比为设计变量，汽车动力性的要求做约束条件，对以汽车燃油经济性所做的目标函数进行求解，得到最佳匹配的主减速比。在此基础上，以齿轮副最小体积和为目标函数，以齿轮的几何约束和强度要求为约束函数，对主减速器的双曲面齿轮结构参数进行优化，形成对汽车主减速器整体优化的设计方法。在保证汽车动力性的同时，达到节能降耗，提高设计质量的目的。最后通过设计实例，得证此优化方法的可行性。关键词: 汽车主减速器；传动比；优化；双曲面齿轮Abstract In this paper,the final drive ratio as design variables ,the automobile dynamic performance requirements as constraints ,to solve the objective function with the automobile fuel economy is doing ,we can get the best matching the main reduction ratio.O

2、n this basic ,taking the minimum volume of gear pair and as objective function, the geometric constraints and the strength of gear as the constraints and the strength of gear as the constraint function,structure parameters of hypoid gear reducer is optimized ,the formation of design method for the overall optimization of the main reducer of automobile . To ensure the vehicle dynamic performance at the same time,reduce the energy consumption,to improve the quality of the design objective. Finally

3、, through a design example ,the feasibility of this method is the design objective .Finally,through a design example ,the feasibility of this method is totally card.Keywords:automobile main reducer;transmission ratio;optimization;hypoid gear绪论汽车主减速器是汽车驱动桥中重要的传力部件，同时也是汽车最关键的部件之一，因此汽车的动力性、经济性以及噪声、寿命等诸多方面受主减速器的好坏影响。然而主减速器设计中最重要的问题就是如何协调好各个零部件之间的关系，并且合理优化匹配设计参数，从而得出达到满足使用要求的最优目标。以往的主减速器优化设计大多是从某一角度考虑，或者单一的改善其中某一方面参数，没有综合相关参数。因此，本次设计结合以往的设计方式，提出针对汽车主减速器整体的设计方法，实际就是通过对汽车主减速器传动比优选及主减速器双曲面齿轮结构参数的优化，实现汽车

4、主减速器参数的最佳匹配，从而达到充分发挥汽车整体性能。第一章、汽车主减速器传动比优化模型如何建立反映客观工程的实际数学模型是优化设计最关键的一步，因此在建模时要抓住主要矛盾，适当忽略不重要的因素，尽量地简化问题，这样既可以节省时间，又可以得出优化结果。1.1主减速器齿轮的类型 在目前汽车上，主减速器的结构型式，主要是根据其齿轮类型和减速型式的不同来确定主动齿轮和从动齿轮的安置方法，螺旋锥齿轮主减速器和双曲面齿轮主减速器采用得最普遍。 图11（a）螺旋锥齿轮 图12（b） 双曲面齿轮 螺旋锥齿轮其主、从动齿轮轴线相交于一点，交角是任意的，由于轮齿端面重叠的影响，最少保证了有两对以上的轮齿同时啮合，所以，螺旋锥齿轮相对双曲面齿轮能承受较大一点的负荷。因为它的轮齿不是在齿的全长上同时啮合，而是由齿的一端连续而平稳地转向另端，这样就确保其工作时的平稳，而且在汽车高速运转时，产生的噪声和振动也很微小的。 双曲面齿轮（图b）其主、从动齿轮轴线不相交而呈空间交叉，其空间交叉角一般都是采用90。主动齿轮轴相对于从动齿轮轴有向上或向下的偏移，称为上偏置或下偏置，这个偏移量简称偏移距。当偏移距大到一定程度

5、就可以使一个齿轮轴从另一个齿轮轴旁通过，这样就能安装尺寸紧凑的支承在每个齿轮的两边，这样就可以增强支承刚度，间接也提高齿轮的寿命。双曲面齿轮的偏移同样使得从动齿轮的螺旋角小于主动齿轮的螺旋角，尽管双曲面传动齿轮副的法向模数和法向模数相等，但是端面模数和端面模数是不相等的。当主动齿轮的端面模数或端面模数大于从动齿轮的。这一情况就使得双曲面齿轮传动的主动齿轮比相应的螺旋锥齿轮传动的主动齿轮有更大的直径和更好的强度和刚度。当要求传动比大而轮廓尺寸又有限时，采用双曲面齿轮更为合理。如果保持两种传动的主动齿轮直径一样，则螺旋锥齿轮的直径就要比双曲面从动齿轮的直径大，这对于主减速比4.5的传动有其优越性。当传动比小于2时，双曲面主动齿轮相对于螺旋锥齿轮主动齿轮就显得过大，这时选用螺旋锥齿轮更合理，因为后者具有较大的差速器可利用空间。由于双曲面主动齿轮螺旋角的增大，还导致其进入啮合的平均齿数要比螺旋锥齿轮相应的齿数多，因而双曲面齿轮传动比螺旋锥齿轮传动工作得更加平稳、无噪声，强度也高。双曲面齿轮的偏移距还给汽车的总布置带来方便。例如，当主减速器采用下偏置(这时主动齿轮为左旋)的双曲面齿轮时，可降低轿

6、车传动轴的高度，从而降低了车厢地板高度或减小了因设置传动轴通道而引起的地板凸起高度，进而可使轿车的外形高度减小。像圆柱齿轮传动只在节点处一对齿廓表面为纯滚动接触而在其他啮合点还伴随着沿齿廓的滑动一样，螺旋锥齿轮与双曲面齿轮传动都有这种沿齿廓方向的滑动。此外，双曲面齿轮传动还具有沿齿长方向的纵向滑动。这种滑动有利于唐合，促使齿轮副沿整个齿面都能较好地啮合，因而更促使其工作平稳和无噪声。但双曲面齿轮的纵向滑动产生较多的热量，使接触点的温度升高，因而需要用专门的双曲面齿乾油来润滑，且其传动效率比螺旋锥齿轮略低，达96。其传动效率与倔移距有关，特别是与所传递的负荷大小及传动比有关。负荷大时效率高。螺旋锥齿轮也是一样，其效率可达99。两种齿轮在载荷作用下对安装误差的敏感性本质上是相同的。如果螺旋锥齿轮的螺旋角与相应的双曲面主、从动齿轮螺旋角的平均值相同，则双曲面主动齿轮的螺旋角比螺旋锥齿轮的大，而其从动齿轮的螺旋角则比螺旋锥齿轮的小，因而双曲面主动齿轮的轴向力比螺旋锥齿轮的大，而从动齿轮的轴向力比螺旋锥齿轮的小。两种齿轮都在同样的机床上加工，加工成本基本相同。然而双曲面传动的小齿轮较大，所以刀盘

7、刀顶距较大，因而刀刃寿命较长。 蜗杆蜗轮传动简称蜗轮传动，在汽车驱动桥上也得到了一定应用。在超重型汽车上，当高速发动机与相对较低车速和较大轮胎之间的配合要求有大的主减速比(通常814)时，主减速器采用一级蜗轮传动最为方便，而采用其他齿轮时就需要结构较复杂、轮廓尺寸及质量均较大、效率较低的双级减速。与其他齿轮传动相比，它具有体积及质量小、传动比大、运转非常平稳、最为静寂无噪声、便于汽车的总体布置及贯通式多桥驱动的布置、能传递大载荷、使用寿命长、传动效率高、结构简单、拆装方便、调整容易等一系列的优点。其惟一的缺点是耍用昂贵的有色金属的合金(青铜)制造，材料成本高，因此未能在大批量生产的汽车上推广。1.2主减速器主动锥齿轮的支承型式及安置方法 在壳体结构及轴承型式已定的情况下，主减速器主动齿轮的支承型式及安置方法，对其支承刚度影响很大，这是齿轮能否正确啮合并具有较高使用寿命的重要因素之一。 现在汽车主减速器主动锥齿轮的支承型式有以下两种： 图13悬臂式 图14骑马式 一是悬臂式（上图左）：齿轮以其轮齿大端一侧的轴颈悬臂式地支承于一对轴承上。为了增强支承刚度，通常使两轴承支承中心间的距离齿轮齿

8、面宽中点的悬臂长度大两倍以上，同时比齿轮节圆直径的70%还大，并使齿轮轴径大于等于悬臂长。当采用一对圆锥滚子轴承支承时，为了减小悬臂长度和增大支承间的距离，应使两轴承圆锥滚子的小端相向朝内，而大端朝外，以缩短跨距，从而增强支承刚度。 二是骑马式（上图右）：齿轮前、后两端的轴颈均以轴承支承，故又称两端支承式。骑马式支承使支承刚度大为增加，使齿轮在载荷作用下的变形大为减小，约减小到悬臂式支承的130以下而主动锥齿轮后轴承的径向负荷比悬臂式的要减小至1/51/7。齿轮承载能力较悬臂式可提高10%左右。 装载质量为2t以上的汽车主减速器主动齿轮都是采用骑马式支承。但是骑马式支承增加了导向轴承支座，是主减速器结构复杂，成本提高。轿车和装载质量小于2t的货车，常采用结构简单、质量较小、成本较低的悬臂式结构。1.3主减速器从动锥齿轮的支承型式及安置方法 主减速器从动锥齿轮的支承刚度依轴承的型式、支承间的距离和载荷在支承之间的分布而定。为了增加支承刚度，支承间的距离应尽可能缩小。两端支承多采用圆锥滚子轴承，安装时应使他们的圆锥滚子的大端相向朝内，小端相背朝外。为了防止从动齿轮在轴向载荷作用下的偏移，圆

9、锥滚子轴承也应预紧。由于从动锥齿轮轴承是装在差速器壳上，尺寸较大，足以保证刚度。球面圆锥滚子轴承具有自动调位的性能，对轴的歪斜的敏感性较小，这一点当主减速器从动齿轮轴承的尺寸大时极为重要。向心推力轴承不需要调整，但仅见于某些小排量轿车的主减速器中。只有当采用直齿或人字齿圆柱齿轮时，由于无轴向力，双级主减速器的从动齿轮才可以安装在向心球轴承上。 轿车和轻型载货汽车主减速从动锥齿轮采用无辐式结构并用细牙螺钉以精度较高的紧配合固定在差建界壳的突缘上。这种方法对增强刚性效果较好，中型和重型汽车主减速从动锥齿轮多采用有幅式结构并有螺栓或铆钉与差速器壳突缘连结。1.4主减速器的轴承预紧及齿轮啮合调整 支承主减速器齿轮的圆锥滚子轴承需预紧以消除安装的原始间隙和磨合期间该间隙的增大及增强支承刚度。预紧力的大小与安装形式、载荷大小、轴承刚度特性及使用转速有关。 主动锥齿轮轴承预紧度的调整，可通过精选两轴承内圈间的套筒长度、调整垫圈厚度、轴承与轴肩之间的调整垫片等方法进行。近年来采用波形套筒调整轴承预紧度极为方便，波形套筒安装在两轴承内圈间或轴承与轴肩间。1.5主减速器的减速型式 主减速器的减速型式分为单级减速、双级减速、双速减速、单级贯通、双级贯通、主减速及轮边减速等。单级主减速器 由于单级主减速器具有结构简单、质量小、尺寸紧凑及制造成本低廉的优点，广泛用在主减速比7.6的各种中、小型汽车上。单级主减速器都是采用一对螺旋锥齿轮或双曲面齿轮，也有采用蜗轮传动的。双级主减速器 由两级齿轮减速器组成，结构复杂、质量加大，制造成本也显著增加，因此仅用于主减速比较大(7.612)且采用单级减速不能满足既定的主减速比和离地间隙要求的重型汽车上。以往在某些中型载货汽车上虽有采用，但在新设计的现代中型载货汽车上已

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