《越野汽车分动器设计》12000字

分动器主要参数和结构的选择与计算2.1设计初始数据表2-1该车的初始数据序号名称数据1额定功率2最大转矩3整备质量4最大输入转速5最小输入转速6车轮半径7传动效率8最大载重9最高车速2.2分动器结构和工作原理分析在多轴驱动的汽车上分动器除了起到将变速器产生的动力按相应的比例传递给各个驱动桥的功用之外有时还会兼做副变速器。一般分动器有两个挡位抵挡以及高档，高档又可以被叫做直接挡亦或者减速挡，而在本次设计中高档选择的就是减速挡。一个完整的分动器内部除了应该具有高低两挡以及与之相配合的换挡机构外，还应该具有前桥结合套以及与之相配合的控制机构。因为当越野车在良好路面上行驶时只需要两轮驱动此时为了实现这种驱动方式就需要驾驶员手动操控来控制前桥结合套从而切断驱动桥输出轴的动力。分动器在工作时也有其相应的工作要求：当需要车辆以低速挡前行时，需要先接合前桥在挂低速档；低速挡结束时需要先推出低速挡在断开前桥，要实现这些工作要求驾驶员可以通过操纵操纵机构来实现。2.3分动器传动方案的确定分动器从其被研发到现在经过一代代的升级优化，分动器的种类也出现了很多分类，这些不同种类的分动器也各有各的优点和缺点。这些分动器的优点和缺点往往也不是一成不变的会随着这些种类的分动器的不断升级和优化而随之改变，因此在设计时要通过查询国家标准来确定最符合该设计的设计方案。机械式的分动器与其他类型的分动器相比，机械式的更适合本设计，因为机械式的分动器的结构更加简单从而更加便于制造生产以及维修，工作时其传动效率也比其它种类的分动器的传动效率更加优秀以及机械式的分动器在工作时往往也会更加可靠。所以本次设计选择了机械式的分动器。本设计采用的结构方案如图2-1所示：图2-1分动器传动示意图2.4换档结构形式在分动器种类日益繁多的今天分动器的换挡方式主要是有以下三种：直齿滑动齿轮换挡：啮合套换挡：同步器换挡。这三种换挡方式各有其的优点和缺点，以下就是对这三种换挡方式的优缺点的分析：（1）直齿滑动齿轮式：直齿滑动齿轮式的分动器相较于其他两种换挡方式的分动器来说其结构会更加的简单因此在生产和维修时会更加方便从而极大的节约了生产成本。虽然这种换挡方式结构简单便于生产但当车辆在行使时各个齿轮的角速度完全不同，因此齿轮端面承受的冲击将会大幅度增加从而使齿轮的使用寿命大幅度降低，这种换挡方式不仅对齿轮的损耗比较大还极易安全事故。因此这种换挡方式的分动器现在已经少有车辆使用了。（2）啮合套换挡：啮合套式的换挡方式做为本次设计选择的分动器换挡方式，它与其他两种换挡方式的分动器相比，该分动器首先对传动方式进行了升级将直齿传动改成了斜齿齿轮传动，升级后的分动器内部齿轮在运行时齿轮端面承受的冲击大幅度下降，使该齿轮的使用寿命和安全性得到了大幅度的提升。同时该换挡方式的分动器与同步器式的相比啮合套式的结构要相对简单，生产和维修更方便。但其缺点也很明显那就是未完全消除齿轮端面受到的冲击。（3）同步器换挡：同步器式的换挡方式虽然相比于啮合套式的进一步进行了优化升级，从而使齿轮端面所受的冲击进一步减少，但这种换挡方式的分动器内部零件也随着性能的增加而随着增多，零件的增加也导致了分动器体积的增加，使制造该分动器的要求变高成本增多，尤其是同步器种同步坏的磨损很大其使用寿命很低。所以这次设计选择了结构简单，性能也优秀的啮合套式的换挡方式2.5轴和齿轮的结构在本次设计中关于轴的设计中要计算和确定的有轴的直径，长度以及轴的结构形状。其中在已经确定了轴的结构形状之后还需要保证轴上的花键形状和尺寸，使齿轮，啮合套以及轴承能够被安装和固定。根据图2-1，分动器的输入轴和低速挡齿轮是被做成了一体式的，输入轴的前端有矩形花键用来安装半联轴器，而后端用滚针轴承安装在后桥输出轴的齿轮内腔内。而高速档的齿轮则通过普通的平键安装在输入轴上。有两种类型的中间轴，旋转式和固定式的。本次设计选用的中间轴为旋转式中间轴。这种中间轴与啮合套的齿座连为一体，两端都由圆锥滚子轴承支撑。高、低速档齿轮都通过滚针轴承安装在轴上，而常啮合齿轮则通过花键固定在轴上，中间轴的两端都有螺纹用来定位轴承。后桥输出轴和轴上齿轮被设计成一个整体，齿轮内部有一个内腔来容纳输入轴，齿轮为悬臂布置，由两个圆锥滚子轴承支撑。中桥输出轴上的齿轮用平键固定在轴上，中桥输出轴与前桥输出轴的连接处设计为渐开线花键，齿轮通过啮合套与前桥输出轴的渐开线花键连接，实现前桥输出轴的连接和断开。2.6分动器高低档传动比的确定计算四驱越野车高低速挡的传动比时需要先确定一档传动比和主减速器传动比，再根据一档传动比来确定抵挡传动比，最后根据设计要求来确定高档传动比，具体计算过程如下：主减速比()：（2-1）式（2-1）中各参数代表的意义：为了车辆在道路上不打滑和侧翻此时驱动力应小于附着力：（2-2）车辆处于上坡状态时该车的车速会降低，因为车速越高其所受空气阻力越大所以上坡时的空气阻力可以忽略不计依旧是说在考虑阻力时只需考虑坡道阻力和滚动阻力，而汽车要能正常行驶需要动力大于阻力，所以可知：（2-3）式中：则根据式（2-3）可知：代入数据可得，且根据《道路车辆，路面摩擦特性》GB/T26987-2011可知：（2-4）式中：：根据《道路车辆，路面摩擦特性》GB/T26987-2011可知，则根据式（2-4）可得:通过公式（2-1），（2-2），（2-3）计算可得到，在本设计中，取，则根据一档传动比可求得抵挡传动比：，.所以2.7中心距A的确定中间轴和第二轴之间的距离称为中间距。分动器的中间距值不仅决定了分动器的尺寸，而且还会影响内部齿轮的接触强度。在确定中心距的大小的大小时需知道中心距的数值和齿轮的寿命成反比，因此为了使齿轮的参数与设计相适应，必须确定最适合的分动器的中心距。则根据经验公式可知中心距A为：式中：；带入数据可知，本文为了设计方便取2.8齿轮参数2.8.1模数齿轮的另一重要参数——模数，在选择齿轮模数时需要考虑齿轮的质量，强度以及齿轮运行时的噪声，工艺要求和其能承载的最大载荷。在这些因素中起决定作用的就是载荷的大小。高低速挡的齿轮所承受的载荷大不相同所以其齿轮模数也不宜相同。根据《齿轮模数》GB/T12368-1990，选取各齿轮副模数如下：；；。2.8.2压力角根据国家规定标准压力角，因此本设计中分动器齿轮的压力角选为20°PAGEREF_Ref17411\h。PAGEREF_Ref17411\h2.8.3螺旋角 实验证明：随着螺旋角的增大，齿的强度也相应提高。在齿轮选用大些的螺旋角时，使齿轮啮合的重合度增加，因而工作平稳、噪声降低。斜齿轮传递转矩时，要产生轴向力并作用到轴承上。三轴式分动器螺旋角根据国家标准取为。2.8.4齿宽根据《齿轮模数、齿数、齿宽、基准孔直径优选系列》SJ1819-1981可知：直齿，为齿宽系数取值范围是；斜齿，取为。因为本次设计齿轮均为斜齿轮所以齿宽均选为。采用啮合套换挡时，其接合齿的工作宽度初选时可取为，本次设计选取。2.8.5齿顶高系数根据国规定齿顶高系数。

第3章齿轮的设计计算与校核3.1齿轮的设计与计算3.1.1各档齿轮齿数的分配（1）低速档齿轮副齿数在确定齿轮齿数时可以根据档数、传动比以及选择的传动方案来分配各档齿轮的齿数。齿数和：为了方便计算取S=61。根据《齿轮模数、齿数、齿宽、基准孔直径优选》SJ1819-1981可知一轴低速档齿轮齿数在z1=24～28之间选取。表3.1同齿数时传动比对比因为，通过比对表一可知时最接近要求。下面以来重新确定中心距和螺旋角：修正中心距，取。重新确定螺旋角β，其精确值应为：下面根据方程组：确定常啮合齿轮副齿数分别为。重新确定螺旋角β，其精确值为：（2）确定其他齿轮副的齿数因为齿轮5为是中桥输出轴齿轮，所以齿轮5的参数会与后桥输出轴齿轮4的各参数相同。（3）高速档齿轮副齿数高速档齿轮：由前文知根据：可以得出：于是可得：为了方便计算则取整重新确定螺旋角β，其精确值为：3.1.2计算各个齿轮的参数由上面计算可知：低速挡齿轮1、2的参数：模数，实际传动比为：分度圆直径：齿顶高：齿根高：齿顶圆直径：齿根圆直径：当量齿数：常啮合齿轮34参数：，模数为m传动比：分度圆直径：齿顶高：齿根高：齿顶圆直径：齿根圆直径：当量齿数：高速挡齿轮6，7参数：模数：，=。则传动比为：分度圆直径：齿顶高： 齿根高：.齿顶圆直径：齿根圆直径：当量齿数：齿轮5为中桥输出轴齿轮，齿轮5与后桥输出轴齿轮4的各参数都相同。3.1.3齿轮材料的选择在确定齿轮材料时，要充分考虑该材料的性能是否能适应齿轮工作的环境，因为齿轮在不同的工作环境中有不同的要求，所以材料也会发生变化。在选择了符合条件的材料之后，我们还需考虑该材料的适当搭配，即大小齿轮所用的材料要相互适合，如对硬度≤350HBS的软齿面齿轮，为使两轮使用寿命相近，小齿轮的材料硬度就应略高于大齿轮，且使两齿轮硬度差在30～50HBS。在选择齿轮时除了要确定它的材料和选择最适合的材料之外还要考虑齿轮的加工工艺以及它的热处理工艺。根据《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》GB/T9450-2005可知分动器齿轮渗碳层深度可采用下列数值：而对于氰化齿轮，氰化层深度不应小于0.2；表面硬度HRC。3.1.4计算各轴的转矩在计算分动器轴的转矩时虽然该分动器有高低两个挡位但因为当车辆处于低速挡时分动器传递的扭矩最大，所以在计算轴的扭矩时只需要计算低速挡的轴的扭矩。低速档时输入轴传递的转矩：（3-1）中间轴传递的转矩：（3-2）后桥输出轴传递的转矩：（3-3）由式（3-1），（3-2），（3-3）可知，后桥输出轴上的齿轮受力最大，所以只需要校核后桥输出轴上的齿轮副。后桥输出轴齿轮分析：3.2轮齿的校核3.2.1轮齿接触强度校核在确定齿轮材料材料时根据《机械设计手册》齿轮材料选为20CrMnTi，锻造工艺为渗碳淬火处理，根据《金属材料，强度，硬度和应力》GB/T37782-2019可知该齿轮的齿心硬度240~300HRC，齿面硬度58~62HRC，精度为7级精度。齿面接触应力：式中：（1）（2），其中为分度圆直径；（3）（4）（5）（6）（7）（8）由《机械设计》图9-19e可知实验齿轮的接触疲劳极限应力由经验公式：，式中：则许用接触应力计算：因此满足计算条件。3.2.2齿根弯曲强度校核齿根弯曲应力为：（3-4）1）计算载荷系数圆周速度为：在本次设计中选择原动机工作特性为均匀平稳工作，工作特性为轻微冲击则根据《直齿轮和斜齿轮承载能力计算》GB/T3480.6-2018，可知；因为v=2.33m/s且齿轮是7级精度，则由《机械设计》图9-6可知动载系数=1.05；由《机械设计》图9-7查得齿间载荷分配系数=1.2；由《机械设计》图9-8可知齿向载荷分布系数=1.035。则载荷系数K==1.25×1.05×1.2×1.035=1.632）查取齿形系数和查取应力校正系数。由当量齿数再结合《机械设计》图9-16可确定=2.62，以及《机械设计》图9-17可知=1.59。3）根据《机械设计》图9-18查得重合度系数和螺旋角影响系数=0.91。4）计算弯曲疲劳许用应力。根据经验公式：[]=式中：根据《机械设计》图9-22可知，由《机械设计》图9-21d可知，取安全系数S=1.25。则许用应力：根据式（3-4）可知：，符合设计要求。3.3小结表3-2就是本章节节计算出的高低档齿轮各参数。在本节先根据挡数，高低挡的传动比以及本次设计选择的传动方案来确定齿轮的抵挡的齿轮的齿数之后再根据该参数逐步确定高速档的以及其他齿轮的齿数。之后再根据齿数来确定齿轮的其他参数比如分度圆直径等。紧跟着简单的介绍了如何选择齿轮材料以及选择它的原则。最后则是找出受力最大的齿轮来进行分析和计算以及校核。表3-2高低档齿轮的参数分度圆直径(mm)齿顶高(mm)齿顶圆直径(mm)齿根圆直径(mm)当量齿数齿根高（mm）齿数

第4章轴的设计与计算4.1轴的尺寸初选轴的尺寸可根据经验公式初步确定，其中A是中心距前文已知A=130mm，则轴的直径。因为直径的大小与该轴传递的转矩的大小正比则由上章节可知后桥输出轴上的传递转矩最大，而前轴和中轴的相差不大，所以在画草图时可将前轴的直径初步确定为,中轴的，。4.2花键的形式和尺寸根据经验公式可完成对输入轴的花键直径的初步确定，式中：；则。根据《矩形花键尺寸、公差和检验》GB/T1144-2001可知取输入轴矩形花键尺寸：其中N为键数，d为小径，D为大径，B为键宽。后桥输出轴矩形花键：；前桥输出轴矩形花键：；中桥输出轴矩形花键：4.3轴的结构（1）输入轴（图4-1）输入轴的最小直径在安装联轴器的花键处，联轴器的计算：转矩式中：根据《联轴器.型式、基本参数与尺寸》JB/T7006-1993取则：凸缘联轴器的结构简易因此便于生产制造，并且该联轴器在工作时比较可靠不易发生故障，在运行时传递的转矩也比其他类型的联轴器大且该联轴器拆装简便易于安装。根据《机械设计手册》可知本次设计选择YL11型凸缘联轴器，其公称转矩为半联轴器的孔径为，故，，CD段装有圆锥滚子轴承，根据《圆柱滚子轴承，外形尺寸》GB/T283-2007，选孔径为50mm的30210型圆锥滚动轴承与之配合其尺寸为（其中根据表格可知：）则：故取DE段固定齿轮，故取，根据整体结构取FG处是齿轮轴上的齿轮6，分度圆直径GH段安装滚针轴承，由于只承受弯矩故可取，滚针轴承尺寸：图4-1输入轴（2）后桥输出轴（图4-2）图4-2后桥输出轴在设计后桥输出轴时需要在输入轴和后桥输出轴之间留有不小于的间隔，之所以需要留出的间隙这是为了防止两轴在分动器运行时突然接合而导致分动器卡死。分度圆直径CD段安装轴承，查表取孔径70mm的30214型圆锥滚子轴承，其尺寸为：故,DE段根据端盖结构取，EF段安装轴承，查表选取孔径为65mm的30213型圆锥滚子轴承，其尺寸为：取FG段安装输出轴联轴器，取。（3）中间轴（图4-3）图4-3中间轴DE段是啮合套外齿轮8，分度圆直径，，啮合套齿轮8与两边的齿轮7、2各留有0.5mm的间隙，齿轮7、2的总齿宽为45mm，齿轮2、4间留有间隙5mm，所以，BC、FG段安装轴承，取孔径为50mm的30210型圆锥滚子轴承，，AB、GH段做成螺纹用于轴的两端固定，取。（4）中桥输出轴（图4.4）图4-4中桥输出轴桥EF段安装齿轮5，取，BC、FG段安装轴承，取孔径为60mm的30212型圆锥滚子轴承，其尺寸为d×D×T×B×C×a=60mm×110mm×23.75mm×22mm×19mm×22.3mm，，DE、CD段根据结构取，，AB段渐开线齿轮分度圆直径，GH段安装联轴器，。（5）前桥输出轴（图4.5）图4-5前桥输出轴CD段齿轮分度圆直径，BC段安装一对圆锥滚子轴承，取孔径为50mm的30210型圆锥滚子轴承，，AB段安装联轴器，取。第5章轴承和啮合套的校核与选择5.1轴的校核通过上述计算可以看出后桥输出轴的直径最大。对于轴来说直径越大其承受的力就越大后桥输出轴的的强度也因此最弱。所以对轴进行强度校核时只需对后桥输出轴的强度进行校核。首先应根据轴的结构图画出轴的计算简图，画出简图之后在根据简图来确定轴承的支点位置。由于该圆锥滚子轴承是30214型，所以根据《机械设计手册》可知，因此作为悬臂梁的轴长：根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图（图4-6）如下：（a）（b）（c）（d）（e）（f）图5-1轴的载荷分析由轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出支点处截面是轴的危险截面。如表5-1可知次截面处的MH、MV及M的值。表5-1载荷计算按弯矩和扭矩合成应力来校核轴的强度，取，轴的计算应力：因为轴的材料选为20Cr，锻造工艺为渗碳淬火，根据《金属材料,强度，硬度和应力》GB/T37782-2019可知，因为，所以该轴符合标准。5.2啮合套计算本次设计选择的分动器类型为一般齿轮式的分动器所以其分动器内部有啮合套来分离前桥驱动。啮合套的轮齿为直齿，其齿廓曲线为渐开线，啮合角根据国家标准为20°，模数根据上文可知，齿顶高系数，其他参数与普通齿轮一样，齿数一般为。高低速换挡结合套取，则分度圆直径为，结合套宽。

第6章分动器操纵机构及工艺分析6.1分动器壳体由于灰铸铁比钢有更好的耐磨性和减震性，而且灰铸铁的加工工艺性也比钢好，所以在选择分动器壳体材料时选择了灰铸铁。对于壳体的设计也应该是符合工作要求的设计，对于壳体厚度可以选择为10mm，而且为了避免在工作中齿轮转动时与壳体内壁发生碰撞，造成损伤和出现驾驶安全事故，因此在传动齿齿顶与壳体内壁和分动器底部之间分别会留有一个4~9mm的间隙和15mm的间隙。分动器上有两个用来注入和排出润滑油的孔，也被称为注油孔和放油孔。放油孔设置在分动器壳体的最低点，放油螺栓是一个永恒磁性螺栓这样不仅方便打开而且还可以吸附油中的金属颗粒。注油孔的作用除了是给机体加润滑油，还可以做为检查孔，查看油位是否正常。注油孔的位置位于润滑油所在的平面。6.2分动器的操纵机构如图6-1所示的分动器的操纵机构是由操纵杆，拨叉轴，拨叉以及结合套构成。在布置分动器时应将分动器布置的离驾驶室较远一些，因为再进行部件布置时需要考虑但总体结构的布置。分动器被布置的离驾驶室远也就导致了分动器的操纵机构属于远距离操纵，而要使这种远距离操纵不出现操纵失效的情况则需要各个部位的零件具备足够大的硬度，且各部件零件之间的间距也不易较大。从图6-1可知该操纵机构有两根操纵杆分别作为前桥操纵杆和换挡操纵杆，当驾驶员要挂高档时只需要将换挡操纵杆向后拉即可挂上。当驾驶员根据路况判断此时需要低速挡时，而要获得低速挡驾驶员需要先将前桥操纵杆向前推，此时轴转动从而带动摇臂使拉杆后退以使其和前桥动力相结合，驾驶员只有通过以上步骤才能使车辆处于低速挡。图6-1分动器操纵机构6.3工艺分析6.3.1壳体加工工艺分动器的壳体做为保护分动器内部零件的部件处于最外围，它除了起到保护的作用之外还有就是使各个零件位置处于一个正确的位置。因此壳体的重要性不言而喻，特别是对于轴和齿轮之间位置的精确度以及该分动器的使用寿命而言壳体材料的好坏就显的更加重要。在比较了各个材料的优劣性以及参考了其他产品的基础上对于壳体的材料我们选用HT200，其加工表面主要是平面和轴承孔。根据《机械设计》可知在对分动器进行工艺加工时的顺序是先加工壳体表面在加工各个孔至于螺纹孔则是最后在进行加工。采取先面后孔的加工方式可以让工人在加工壳体表面时就发现铸件毛胚中存在的毛孔，沙眼以及裂纹等缺陷，并及时的修正，从而减少加工壳体的时间提高加工效率。在平面加工完成后再以平面为基准来加工孔，这样可以使平面与孔以及孔和孔之间的相对位置的精度更加精准。对分动器壳体的加工分为粗加工，半粗加工以及最后的精加工。6.3.2齿轮加工工艺齿轮的精度指标主要有齿廓精度（主要影响传动平稳性），齿距精度（传动准确性），齿向精度（载荷分布的均匀性）。车辆运行时作为作为汽车基础零件的齿轮始终处于高载荷和高摩擦的工作环境中，因此齿轮需要一个较高的齿面硬度以及具有良好韧性的齿心以此来使齿轮具有良好的抵抗摩擦的性能以及低抗其他齿轮冲击的能力。根据《机械设计手册》可将齿轮的材料选则为低碳合金结构钢，工艺加工为渗碳淬火。使用模锻方法来制造零件可以最大程度上保存该零件的内部纤维组织从而使该零件的毛胚的强度和材料的利用率有较大的提升，因此在制造分动器齿轮的毛胚时为了提高毛胚的强度和材料的使用率本次设计选择了模锻的方式。当齿轮经过模锻之后得到毛胚，在经过正火以及喷丸处理后该齿轮的径向组织将会更加均匀，从而能消除齿轮在锻造时的应力，提高其切削性能。在对齿轮进行加工时可将齿轮加工分为齿坯和轮齿加工。在对齿轮进行加工时，需知道齿轮齿坯的加工部位有轮缘，轮辐，轮毂以及齿轮内孔，而齿轮轮齿的加工部位这只有齿形和倒角两个部位。在齿轮加工时为了提高齿轮的使用寿命需对齿轮进行热加工处理，这样不仅能减少齿轮的疲劳度从而使齿轮寿命得以提高，还增加了齿轮传递动力的效率。当齿轮热处理结束后还要对内孔、内孔端面进行磨削加工以及齿形的精整加工。6.3.3轴的加工工艺在设计时因为选用了三轴式的分动器所以该分动器的轴类零件有输入轴，前桥输出轴，后桥输出轴，中间轴，中桥输出轴。在设计以及确定轴的形状时要充分考虑到轴上齿轮的安装和固定是否符合设计标准。根据《机械设计手册》每根轴毛胚的材料选择为20GrMnTi，且各个锻件都需要进行正火处理，其中齿轮轴上的齿轮应该在最后在加工。

结论在设计之初，选择车型时选择了东风越野，东风越野汽车的分动器是三轴式的。这种分动器的挡位有高挡和低挡两个，抵挡被叫做加力挡而高速档在本次设计中选择了减速挡。为了计算出抵挡传动比，需要先根据车辆在路面行驶时的阻力和动力之间的关系以及道路附着力来确定最大传动比也就是一档传动比，之后在根据一档传动比确定该分动器的抵挡传动比最后根据设计要求确定高档传动比。在确定了高，低挡传动比之后则需要确定分动器的中心距A,之后再根据计算出的高低档传动比和中心距来确定齿轮的各个参数：齿轮的压力角，螺旋角，齿宽以及齿顶高系数等。在确定了齿轮的各个参数后急需要对轴进行设计以及计算其参数。在设计的最后就是对齿轮和轴强度的校核，确定其是否符合标准。再校核完成之后还需对分动器的壳体以及齿轮和轴的进行工艺加工