工程機(jī)械設(shè)計(jì)-吳永平-第二篇工程機(jī)械底盤設(shè)計(jì)第七章輪式驅(qū)動(dòng)橋

第七章輪式驅(qū)動(dòng)橋主傳動(dòng)器設(shè)計(jì)；差速器設(shè)計(jì)；多橋驅(qū)動(dòng)及功率循環(huán)；半軸與橋殼；最終傳動(dòng)第一節(jié)概述

1.概念：傳動(dòng)系中最后的一個(gè)大總成，它是指變速箱或傳動(dòng)軸之后，驅(qū)動(dòng)輪或驅(qū)動(dòng)鏈輪之前所有的傳動(dòng)機(jī)件與殼體的總稱。2.分類：根據(jù)行駛系的不同，驅(qū)動(dòng)橋可分為輪式和履帶式驅(qū)動(dòng)橋兩種。輪式驅(qū)動(dòng)橋主要有整體式驅(qū)動(dòng)橋和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋兩類。

3.作用：將來自變速箱的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)減速增扭并改變傳動(dòng)方向后，分配給左、右驅(qū)動(dòng)輪，并通過差速器允許左、右驅(qū)動(dòng)輪以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。主傳動(dòng)器差速器半軸橋殼最終傳動(dòng)主傳動(dòng)器—降低轉(zhuǎn)速、增加扭矩、改變扭矩的傳遞方向。差速器—使兩側(cè)車輪不等速旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)不同路面。半軸—將扭矩從差速器傳給車輪。橋殼—是主減速器、差速器等傳動(dòng)裝置的安裝基礎(chǔ)。最終傳動(dòng)—傳動(dòng)系最后一個(gè)減速增扭機(jī)構(gòu)。4.組成ZL40裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋（整體式驅(qū)動(dòng)橋）WYL60C液壓挖掘機(jī)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋（轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋）第二節(jié)主傳動(dòng)器設(shè)計(jì)一、錐齒輪傳動(dòng)簡(jiǎn)述

由于弧齒錐齒輪、雙曲面齒錐齒輪具有承載能力強(qiáng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，容易實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用在汽車、拖拉機(jī)和工程機(jī)械主傳動(dòng)上；差速器齒輪由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)少，而且同時(shí)嚙合的齒輪數(shù)量較多，通常采用直齒錐齒輪。驅(qū)動(dòng)橋的離地間隙H尺寸取決于主傳動(dòng)器從動(dòng)錐齒輪的直徑；在同樣主傳動(dòng)比下，主動(dòng)錐齒輪齒數(shù)越多，相應(yīng)的從動(dòng)錐齒數(shù)就越多，直徑就越大；在保證所要求的傳動(dòng)比及足夠的輪齒強(qiáng)度條件下，應(yīng)盡可能減小主動(dòng)齒輪齒數(shù)，從而減小從動(dòng)齒輪直徑，保證足夠的最小離地間隙。二、主傳動(dòng)的型式1．單級(jí)減速主傳動(dòng)器

2．雙級(jí)減速主傳動(dòng)器

3.貫通式主傳動(dòng)器

1．單級(jí)減速主傳動(dòng)器

2．雙級(jí)減速主傳動(dòng)器

第一級(jí)圓錐齒輪上置方案（減小縱向尺寸和傳動(dòng)軸間夾角）3.貫通式主傳動(dòng)器三、主傳動(dòng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.主動(dòng)錐齒輪的支承型式

主動(dòng)錐齒輪支承剛度的好壞直接影響齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性能，影響使用壽命，因此其支承必須牢固可靠，且要求剛度要大。

由于中央傳動(dòng)的傳動(dòng)比和負(fù)荷較大，且傳動(dòng)要求平穩(wěn)，大多采用弧齒錐齒輪或雙曲面齒錐齒輪。對(duì)于單級(jí)傳動(dòng)，小齒輪齒數(shù)一般大于5~6個(gè)；對(duì)于雙級(jí)傳動(dòng)，小齒輪的齒數(shù)可以多一些，一般大于9個(gè)。設(shè)計(jì)弧齒錐齒輪的螺旋方向時(shí)，應(yīng)該保證在大多時(shí)間（通常為機(jī)器前進(jìn)時(shí)）錐齒輪嚙合的軸向力處于將兩齒輪推開的狀態(tài),以免嚙合的齒輪楔緊。齒輪材料通常采用20CrMnTi、22CrMnMo、20CrNiMo、20MnVB等滲碳淬火，齒面硬度58~64HRC，心部硬度為29~45HRC。

2.錐齒輪的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

支承主減速器齒輪的圓錐滾子軸承需預(yù)緊，以消除安裝的原始間隙和磨合期間該間隙的增大量從而增強(qiáng)支承剛度。3．軸承定位4．錐齒輪嚙合間隙和嚙合印痕的調(diào)整在調(diào)整軸承預(yù)緊度之后，還應(yīng)進(jìn)行主減速器齒輪的嚙合調(diào)整。因齒面接觸區(qū)和齒側(cè)間隙的正確調(diào)整是保證齒輪正確嚙合、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)和延長(zhǎng)齒輪壽命的重要條件，為此，在錐齒輪支承的結(jié)構(gòu)上應(yīng)保證主、從動(dòng)錐齒輪能進(jìn)行軸向調(diào)整。5．從動(dòng)錐齒輪的止推螺栓

當(dāng)從動(dòng)錐齒輪的尺寸較大時(shí)，在大負(fù)荷下會(huì)產(chǎn)生較大的變形，使齒輪的嚙合狀況變差。常在齒輪背面設(shè)計(jì)止推裝置。輪胎式工程機(jī)械行駛時(shí)兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速可能不相等：①當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，外側(cè)車輪走過的距離要比內(nèi)側(cè)車輪走過的距離長(zhǎng)；②當(dāng)在高低不平的地面上行駛時(shí)，左右車輪走過的路面長(zhǎng)度不總是相等的；③當(dāng)左右驅(qū)動(dòng)輪輪胎氣壓不等，胎面磨損程度不同或左右負(fù)載不均時(shí)，兩側(cè)輪胎的滾動(dòng)半徑不是絕對(duì)相等的。

第三節(jié)差速器設(shè)計(jì)一、差速器的工作原理

差速器殼的角速度ω為牽連運(yùn)動(dòng)；左驅(qū)動(dòng)輪的絕對(duì)角速度ω1，其相對(duì)角速度ω1′=ω1-ω；右驅(qū)動(dòng)輪的絕對(duì)角速度ω2，其相對(duì)角速度為ω2′=

ω2-ω。不難看出，在動(dòng)坐標(biāo)系里由于z1=z2，所以令ω1′=ω1-ω=⊿ω，則有ω2′=ω2-ω=-⊿ω，即兩式相加得

1．差速器的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

以行星輪為脫離體，設(shè)行星輪相對(duì)行星架運(yùn)動(dòng)的速度為ωx，則行星齒輪所受的摩擦阻力矩為⊿M。由于⊿M的存在，使兩半軸齒輪對(duì)行星輪產(chǎn)生附加作用力⊿P。由于ωx的存在，使兩側(cè)車輪的速度分別發(fā)生變化⊿ω1、⊿ω2，左側(cè)車輪的驅(qū)動(dòng)力矩M1為右側(cè)車輪的驅(qū)動(dòng)力矩M2為

2．差速器的動(dòng)力學(xué)分析1）直線行駛時(shí)，ω1=ω2=ω

，⊿ω=0，

ωx=0。行星輪、半軸齒輪、差速器殼間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，作為一個(gè)整體一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

2）在ω

=0時(shí)，ω1=-ω2。即：用傳動(dòng)系的手制動(dòng)緊急剎車時(shí)，差速器殼的速度迅速降為零，但由于兩側(cè)車輪的附著條件不可能完全相同，它們不可能同時(shí)停止，這時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)兩車輪轉(zhuǎn)向相反，造成車輛甩尾。

3）轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于地面的附著作用，兩側(cè)車輪在平均轉(zhuǎn)速不變的條件下，內(nèi)側(cè)車輪速度較慢，由于⊿M的存在，使內(nèi)側(cè)車輪驅(qū)動(dòng)力矩較大；外側(cè)車輪速度較快，其驅(qū)動(dòng)力矩較小。

4）如果不計(jì)⊿M

，則兩車輪的驅(qū)動(dòng)力矩相同，即差速器總是平均分配輸入轉(zhuǎn)矩，具有差速不差扭的特性。可能出現(xiàn)一側(cè)完全打滑，并以2ω

的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，而且另一側(cè)完全不動(dòng)的情況。

3．討論

克服普通差速器當(dāng)一邊車輪陷入泥濘時(shí)另一側(cè)車輪也失效的缺點(diǎn)，目前有許多方法，大體上可以分為兩類。

一是采用差速鎖使差速器失效；

二是增大差速器的內(nèi)部阻力，限制滑動(dòng)。二、差速鎖

當(dāng)一側(cè)車輪打滑時(shí)，利用離合器將一個(gè)半軸齒輪和差速器殼體連接一起，從而限制行星輪的自轉(zhuǎn)。

限滑差速器是利用差速器內(nèi)部摩擦阻力增大時(shí)，低速車輪驅(qū)動(dòng)力增大的原理，在差速器內(nèi)部設(shè)計(jì)摩擦離合器，人為增加差速器的內(nèi)部阻力，保證一側(cè)車輪無法驅(qū)動(dòng)時(shí)另一側(cè)車輪仍有相當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)力。三、限滑差速器四、工程機(jī)械用其它差速器簡(jiǎn)介1.圓柱齒輪差速器2.蝸輪差速器3.轉(zhuǎn)矩比例差速器

轉(zhuǎn)矩比例式差速器與普通圓錐齒輪差速器類似，只是它有較少的齒數(shù)和特殊的齒形，其行星齒輪對(duì)左右半軸齒輪的作用力臂的大小，是隨著其轉(zhuǎn)角位置的不同而變化。l1<l2l1=l2l1>l2第四節(jié)多橋驅(qū)動(dòng)及功率循環(huán)一、功率循環(huán)

為了充分利用地面條件，采用多橋驅(qū)動(dòng)能夠提高牽引力是勿庸置疑的，但同時(shí)帶來的缺點(diǎn)是多橋驅(qū)動(dòng)將產(chǎn)生功率循環(huán)。PKP′=T1+T2滑轉(zhuǎn)率理論行駛速度理論上，車輛直線行駛時(shí)，實(shí)際上，各車輪的動(dòng)力半徑與設(shè)計(jì)值不同由于前、后車輪的實(shí)際速度因此前、后輪的在行駛過程中會(huì)出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)、滑移現(xiàn)象。前、后車輪的滑轉(zhuǎn)率考慮vT1＜vT2的情況。(1)作業(yè)阻力PKP′很大，地面土壤較松軟。這時(shí)v＜vT1＜v

T2,0＜δ1＜δ2,T

2＞T

1＞0，前、后輪都滑轉(zhuǎn)，說明都是驅(qū)動(dòng)輪，PKP′=T1+T2。(2)作業(yè)阻力PKP′逐漸減小或在較密實(shí)的土壤上作業(yè)。這時(shí)前、后輪的滑轉(zhuǎn)率都將減少，當(dāng)達(dá)到v=vT1＜vT2時(shí)，δ1=0，δ2＞0；所以，T1=0，僅后輪驅(qū)動(dòng)。(3)作業(yè)阻力PKP′進(jìn)一步減小并在堅(jiān)實(shí)的地面上工作。這時(shí)滑轉(zhuǎn)率會(huì)變得更小，當(dāng)速度達(dá)到vT1＜v＜vT2時(shí)，δ1＜0而δ2＞0，即后輪滑轉(zhuǎn)而前輪滑移，在前輪上作用有與車輪運(yùn)動(dòng)方向相反的力（-T1）。有一部分功率就從前輪進(jìn)入了傳動(dòng)系，其先后經(jīng)過前主傳動(dòng)器，變速箱，后主傳動(dòng)器傳到后輪，并又經(jīng)過車架傳回前輪，形成功率循環(huán)現(xiàn)象。PKP′=T1+T2循環(huán)功率是有害的。它增加傳動(dòng)零件的載荷并產(chǎn)生附加的功率損失。1．在傳動(dòng)系統(tǒng)中布置脫橋機(jī)構(gòu)

在輕載、路面堅(jiān)實(shí)的條件下工作時(shí)，利用脫橋機(jī)構(gòu)分離某一車橋的傳動(dòng)，采用單橋驅(qū)動(dòng)。在重載或松軟地面上工作時(shí)，接合脫橋機(jī)構(gòu)采用全橋驅(qū)動(dòng)。

2．采用軸間差速器

在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)橋之間安裝軸間差速器，利用軸間差速器來調(diào)節(jié)前后橋上驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，從而解決車輪的滑移、滑轉(zhuǎn)問題，以達(dá)到減小或避免循環(huán)功率的產(chǎn)生。二、消除功率循環(huán)的方法

一、半軸的型式半軸是在差速器與驅(qū)動(dòng)輪之間傳遞動(dòng)力的實(shí)心軸。根據(jù)輪轂的安裝結(jié)構(gòu)，可分為全浮式和半浮式兩種型式。半軸與驅(qū)動(dòng)輪轂在橋殼上的支承形式?jīng)Q定了它的受力情況。第五節(jié)半軸與橋殼全浮式半浮式二、驅(qū)動(dòng)橋殼

驅(qū)動(dòng)橋殼的主要作用是承受載荷，它承受重力并傳遞給車輪，又承受地面作用給車輪的各種反作用力并傳遞給車架，因此要求橋殼必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度計(jì)算工程機(jī)械作業(yè)過程中，驅(qū)動(dòng)橋受力復(fù)雜，一般按三種工況進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算：1最大牽引力工況；2滿載制動(dòng)工況；3側(cè)滑工況路面對(duì)車輪作用力：垂直反力（支承力），縱向反力（牽引力和制動(dòng)力），側(cè)向反力

1．最大牽引力工況

假定機(jī)械在滿載狀態(tài)，并且驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生最大牽引力。不計(jì)偏載，Gaμ=0，則Y1=Y2=0；驅(qū)動(dòng)橋殼承受垂直力Z1=Z2=Z和水平力PK作用產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。

（1）地面作用于車輪上的垂直反力Z產(chǎn)生的彎矩MZ：MZ=Z·l

（2）水平驅(qū)動(dòng)力PK產(chǎn)生的彎矩最大值MPK：MPK

=Zφl

合成后得總彎矩Mu

彎曲應(yīng)力σu為（3）PK產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，也要通過中央傳動(dòng)主動(dòng)齒輪的軸承作用到橋殼上，所以橋殼承受轉(zhuǎn)矩Mτ的最大值為：Mτ

=Zφrd

扭轉(zhuǎn)應(yīng)力合成應(yīng)力

2．滿載制動(dòng)工況滿載制動(dòng)工況是假定機(jī)械在滿載狀態(tài)緊急剎車，驅(qū)動(dòng)橋承受負(fù)荷力、地面附著力、慣性力共同產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。

垂直作用力產(chǎn)生的彎矩Mz

水平作用力產(chǎn)生的彎矩MPK

制動(dòng)力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩Mτ

需要說明的是，這時(shí)的轉(zhuǎn)矩Mτ主要是通過制動(dòng)器傳到橋殼的。3．側(cè)滑工況

側(cè)滑工況是機(jī)器在坡道上橫向行駛或高速拐彎時(shí)的情況。這時(shí)，由于重力（或離心力）產(chǎn)生了側(cè)向力Gaμ，使車輪受到了一個(gè)側(cè)向力Y，要考慮這個(gè)力產(chǎn)生的彎矩。這時(shí)地面對(duì)兩邊車輪的反力不相等（即Z1≠Z2），應(yīng)該兩邊分別計(jì)算。

取靜力平衡得Z

1的最大值為

Y1的最大值為Y1=Z

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