礦用自卸車驅動橋主減速器優化設計

成林，王谷娜，王茂美

（北京電子科技職業學院汽車工程學院，北京 100176）

前言

礦用自卸車驅動橋主減速器的主要作用是降低轉速，增大扭矩，以滿足車輛工作和行駛的要求，故采用螺旋錐齒輪傳動較為合適。錐齒輪傳動的主要特點：同時嚙合的齒數較多、齒間壓力分布的狀況好、嚙合平穩、工作噪音小。另外，由于小齒輪的齒數可以做得很小，則在大齒輪的外形尺寸相同情況下，可獲得較大的傳動比，即相同傳動比條件下，能減小驅動橋的尺寸。

1 選擇設計變量

根據錐齒輪傳動副的特點，通常情況下選擇螺旋錐齒輪的下列設計參數：小錐齒輪齒數Z1、齒寬中點螺旋角βm、齒寬B和大端端面模數mt作為局部設計變量；全局設計變量是系統級的主減速器速比，因此得到主減速器優化的設計變量：

2 目標函數的建立

為了保證驅動橋中主減速器結構緊湊、重量輕，應以最小體積作為優化目標[1]。這樣，無論在減輕重量、縮小體積方面，還是在節約材料、降低成本等方面都有較大的現實意義。為了簡化計算，這里將錐齒輪的體積近似地用齒寬中點頂圓直徑為直徑，以錐齒輪齒寬為高度的圓柱來計算，這樣可建立下面體積目標函數：

采用目標函數的懲罰法，即通過加權因子實現子系統優化器目標函數的懲罰法處理，因此主減速器優化器的目標函數：

3 約束條件

3.1 錐齒輪彎曲疲勞強度約束

根據常規機械設計，工程車輛主減速器螺旋錐齒輪的彎曲應力計算公式[2]：

其中Tj表示錐齒輪的計算扭矩，可根據發動機最大輸出扭矩和變速箱最低檔傳動比進行計算；KO表示超載系數；KS表示尺寸系數；Km表示載荷分配系數；KV表示質量系數，對于工程機械而言，若齒輪嚙合良好，可取KV=1；B表示錐齒輪的齒寬；z表示齒數；mt表示端面模數；J表示計算彎曲應力的綜合系數。

所以錐齒輪的齒根彎曲疲勞強度約束：

其中[σF]是齒輪材料許用彎曲應力。

3.2 錐齒輪接觸疲勞強度約束

根據常規機械設計，主減速器螺旋錐齒輪的接觸應力計算公式[3]：

其中CP表示材料的彈性系數；d1表示主動齒輪的節圓直徑；Ko、KV、KS和 Km同彎曲疲勞強度計算公式；Kf表面質量系數；J表示計算接觸應力的綜合系數。

所以錐齒輪的齒面接觸疲勞強度約束：

其中[σF]是齒輪材料許用接觸應力。

3.3 其它約束條件

根據主減速器結構和錐齒輪傳動特點，其它約束條件包括：

4 優化結果

進行主減速器優化時，假定優化器齒輪參數（例如：齒輪的齒寬、模數、齒數和螺旋角等）和減速器的速比為設計變量，目標函數是滿足接觸強度和彎曲強度條件下，實現減速器的體積最小。優化結果如表1所示。

表1 主減速器優化結果

5 結論

本文以驅動橋主減速器體積最小作為優化目標，對主減速器進行了優化設計，得到了理想的優化結果，優化結果表明，選取的目標函數、設計變量以及約束條件是正確的，為汽車驅動橋的優化設計提供了一種可行的研究手段。