矿用自卸车驱动桥主减速器优化设计

成林，王谷娜，王茂美

（北京电子科技职业学院汽车工程学院，北京 100176）

前言

矿用自卸车驱动桥主减速器的主要作用是降低转速，增大扭矩，以满足车辆工作和行驶的要求，故采用螺旋锥齿轮传动较为合适。锥齿轮传动的主要特点：同时啮合的齿数较多、齿间压力分布的状况好、啮合平稳、工作噪音小。另外，由于小齿轮的齿数可以做得很小，则在大齿轮的外形尺寸相同情况下，可获得较大的传动比，即相同传动比条件下，能减小驱动桥的尺寸。

1 选择设计变量

根据锥齿轮传动副的特点，通常情况下选择螺旋锥齿轮的下列设计参数：小锥齿轮齿数Z1、齿宽中点螺旋角βm、齿宽B和大端端面模数mt作为局部设计变量；全局设计变量是系统级的主减速器速比，因此得到主减速器优化的设计变量：

2 目标函数的建立

为了保证驱动桥中主减速器结构紧凑、重量轻，应以最小体积作为优化目标[1]。这样，无论在减轻重量、缩小体积方面，还是在节约材料、降低成本等方面都有较大的现实意义。为了简化计算，这里将锥齿轮的体积近似地用齿宽中点顶圆直径为直径，以锥齿轮齿宽为高度的圆柱来计算，这样可建立下面体积目标函数：

采用目标函数的惩罚法，即通过加权因子实现子系统优化器目标函数的惩罚法处理，因此主减速器优化器的目标函数：

3 约束条件

3.1 锥齿轮弯曲疲劳强度约束

根据常规机械设计，工程车辆主减速器螺旋锥齿轮的弯曲应力计算公式[2]：

其中Tj表示锥齿轮的计算扭矩，可根据发动机最大输出扭矩和变速箱最低档传动比进行计算；KO表示超载系数；KS表示尺寸系数；Km表示载荷分配系数；KV表示质量系数，对于工程机械而言，若齿轮啮合良好，可取KV=1；B表示锥齿轮的齿宽；z表示齿数；mt表示端面模数；J表示计算弯曲应力的综合系数。

所以锥齿轮的齿根弯曲疲劳强度约束：

其中[σF]是齿轮材料许用弯曲应力。

3.2 锥齿轮接触疲劳强度约束

根据常规机械设计，主减速器螺旋锥齿轮的接触应力计算公式[3]：

其中CP表示材料的弹性系数；d1表示主动齿轮的节圆直径；Ko、KV、KS和 Km同弯曲疲劳强度计算公式；Kf表面质量系数；J表示计算接触应力的综合系数。

所以锥齿轮的齿面接触疲劳强度约束：

其中[σF]是齿轮材料许用接触应力。

3.3 其它约束条件

根据主减速器结构和锥齿轮传动特点，其它约束条件包括：

4 优化结果

进行主减速器优化时，假定优化器齿轮参数（例如：齿轮的齿宽、模数、齿数和螺旋角等）和减速器的速比为设计变量，目标函数是满足接触强度和弯曲强度条件下，实现减速器的体积最小。优化结果如表1所示。

表1 主减速器优化结果

5 结论

本文以驱动桥主减速器体积最小作为优化目标，对主减速器进行了优化设计，得到了理想的优化结果，优化结果表明，选取的目标函数、设计变量以及约束条件是正确的，为汽车驱动桥的优化设计提供了一种可行的研究手段。