齒輪傳動周期的計算

苑壯壯 左朝陽

（西京學院機械工程學院,陜西 西安 710123）

1 概述

根據(jù)重型汽車的設(shè)計數(shù)據(jù)[1],本文將基于以下基本條件:軸距3400mm;準備質(zhì)量:7000KG;總裝質(zhì)量:19000KG。

2 計算過程

2.1 傳動比計算

輪側(cè)減速器直接影響到主減速器的整體結(jié)構(gòu)和形式,外形尺寸的大小,質(zhì)量的大小和動力的大小[2],它可以提高汽車的驅(qū)動力,以滿足或修正整個傳動系統(tǒng)力的匹配。輪側(cè)減速器的性能應滿足整個傳動系統(tǒng)的要求。i0的選擇是根據(jù)車輛的總傳動比和傳動比的總體設(shè)計而定的[3]。傳動比數(shù)據(jù)主要是通過參考同一重型運輸卡車的基本數(shù)據(jù),發(fā)動機所產(chǎn)生的功率與傳動系統(tǒng)的最佳匹配來準確確定i0,從而使發(fā)動機與傳動系統(tǒng)之間的匹配合乎邏輯,并且汽車的油耗率也會得到提高。一般來說,使用i0是為了保證汽車發(fā)動機能夠同時達到設(shè)計要求的最高功率和速度,以滿足給定發(fā)動機的最大輸出功率的要求。一般[4],所選i0的確定方法如下（圖1）：

圖1 傳動簡圖

一般來說= 1.4 -2.0,輪減速器在整個汽車傳動系統(tǒng)中的主要作用是作為汽車主減速器的第二減速系統(tǒng)。參考重型運輸車的主要數(shù)據(jù),對減速器進行盡可能的優(yōu)化[5],選擇較大的傳動比。傳動比分布如下:

2.2 傳動特性及機構(gòu)圖

設(shè)計時傳動比小,傳遞扭矩大,且重型運輸卡車使用環(huán)境較差,因此設(shè)計時應注意相應設(shè)計的沖擊載荷。因此本次設(shè)計選用2K-H、NGW 型行星齒輪傳動系統(tǒng)[6-7]。根據(jù)行星齒輪機構(gòu)的傳動部分、從動部分和固定部分進行了設(shè)計。NGW型的主要結(jié)構(gòu)如圖2 所示:

圖2 結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

本設(shè)計采用的方法是輸入為太陽輪,輸出為行星架。如圖3 所示,左端為輸入軸,右端為輸出軸[8-11]。

圖3 結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

通過機械機械原理的知識可以知道,兩個齒輪的嚙合點在嚙合線上運動,并且每時每刻都運動在不同的位置。這樣在計算兩齒輪間的平均距離時就可以先計算出一個齒輪在一個周期內(nèi)嚙合點到嚙合線上中點的距離的平均距離r。

圖4 齒輪嚙合原理圖

2.3 齒數(shù)計算

結(jié)合以上條件以及表1 和表2,輪胎寬度為317mm,輪轂直徑為281mm,傳動比為3.15。本次設(shè)計的太陽齒輪齒數(shù)為22 個,行星齒輪單體數(shù)為5 個。根據(jù)Z-X(A)型行星齒輪傳動[9-10]的傳動比：

表1 直齒輪參數(shù)表

表2 齒輪模數(shù)標準系列

2.4 模塊化設(shè)計與計算以及疲勞壽命預測

當輪邊減速器的齒輪正常工作時,齒輪的材料和載荷會發(fā)生多次彎曲,這可能導致齒輪的應力極限超過額定值,造成齒根部分斷裂開裂,計算方法是根據(jù)行星輪和齒面的剩余強度初步計算齒輪的傳動功率。齒輪分度圓直徑的模數(shù)dn是根據(jù)行星齒[11]的彎曲強度計算行星齒輪的模數(shù)m。如果結(jié)果不合適,可以再增大分度圓的直徑。在計算數(shù)字時,每個行星輪的傳動載荷分布均勻,因此需要科學分析和精確計算一個行星輪的載荷。太陽輪和行星輪在每個行星輪傳動機構(gòu)中需要承受的力矩為：

根據(jù)材料的疲勞理論：（1）疲勞壽命預測的準確與否和載荷譜是密切相關(guān)的,載荷譜表明了零件或者系統(tǒng)在實際的運行環(huán)境中,其受到的應力與時間的函數(shù)曲線圖,該圖能夠真實是反映出零件或系統(tǒng)的工作狀態(tài)[11-13]。該圖有時也被成為工作譜,該圖需在典型的工況下測得,這樣預測的壽命會更加準確,但是在實際的工程環(huán)境中,想要獲得準確的載荷譜數(shù)據(jù)量很不方便,難以對材料疲勞壽命進行預測,因此在實際工程中,通常把實際測得的載荷譜進一步簡化。（2）疲勞損傷是指在材料的初期某個局部結(jié)構(gòu)在疲勞的過程中從微小的變化到出現(xiàn)明顯裂紋的過程。根據(jù)文獻[14-16]疲勞的積累損傷可以歸結(jié)為四大類：a.線性疲勞積累損傷；b.雙線性疲勞累積損傷理論；c.非線性疲勞損傷理論；d.經(jīng)驗類累計損傷理論。疲勞壽命預測分為S-N 曲線如圖5 所示、名義應力法如圖6 所示、局部應力應變法如圖7 所示。

圖5 理想化的S-N 曲線

圖6 名義應立法預測零部件疲勞壽命流程圖

圖7 應力應變預測零部件壽命流程圖

2.5 計算效率

在相同齒輪傳動機構(gòu)的行星齒輪傳動中,由于輸入部件和輸出部件的不同,其效率值η 會有所不同。計算了行星齒輪傳動效率η 和本文設(shè)計的輪側(cè)減速器[17-19]的η 值。第一步應仔細分析實際使用時可能造成傳動效率[20-21]損失的輪側(cè)減速器,從而有助于計算齒輪傳動的效率。得到行星齒輪傳動效率公式為：

3 結(jié)論

本文根據(jù)已知的貨車相關(guān)數(shù)據(jù),通過對齒輪相關(guān)參數(shù)的計算,進而從系統(tǒng)中獲得更高的傳動效率,從而實現(xiàn)對輪側(cè)減速器的優(yōu)化。