某型号拖拉机后桥的设计.doc

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1、拖拉机后桥设计摘 要 拖拉机后桥的设计，后桥也可称为驱动桥，在本设计中主要包括中央传动设计、 差速器设计、动力输出半轴设计及最终传动设计，而设计的重点在中央传动和差速器 的设计上。中央传动主要设计主要是在一定传动比的条件下一对啮合的弧齿锥齿轮的 设计；差速器在后桥设计中很重要，包括了一个行星齿轮和一对差速器半轴齿轮的设 计。谈到拖拉机，其在我国农业生产中可大幅提高生产效率，是壮大我国农业产业的 重要机械设备，所以从这个意义上讲我的这个拖拉机后桥的设计有着重大意义，这个 方面的研究与应用应该得到大家科研工作者的足够重视。本设计的关键点是解决当动 力从发动机输出后经过减速器、变速箱后，到最终将动力

2、传给驱动轮的这个中间环节 的效率问题，也就是设计出可以将动力最大限度而且准确的传递的后桥，解决效率问 题是拖拉机整机设计的关键也是本设计制作出发点。 关键词：拖拉机，后桥，驱动桥i拖拉机后桥设计Abstract:ThedesignoftractorsrearaxleThe rear axle aslo can be called dr ivingaxle.My design exactly includesfourparts,thayarethedesignofMainDrive、thedesignofrearaxledifferential、thedesignofhalfshaftandth

3、edesignoffinal drive.ThekeyisatthedesignofMainDriveand rearaxledifferential.ThedesignofMainDriveisjusttodesignacoupleofgleasonspiralbevelgear which is used to transport power at the condition of a firm drive ratio,and the thedesignofrearaxledifferentialisveryimportantwhichcontainsaplanetgearandacoup

4、leof halfaxlegearwhich belongs todifferent.Ontalkingoftractor,itcan raiseourcountr ysagriculturalproductivitysharply.So,thedesignoftractorsrear axlehaveanlargeinflunceinaway.Anditmustbegetenoughattentionfromourcountrysscientist.startingpointofmydesignto solve the problem of how we can improve effici

5、encyafter the power has beentranport from reducer and gearboxto the drivingwheel.It also can be said how we cantranport the power maximall.To solve the problem of improving eff iciency is the key ofdesigningawholetracorandthekeyofmydesign.Keywords: Tractor,rearaxle,drivingaxleii1 绪 拖拉机后桥设计目 录 论 . -

6、1 - 1.1 引言 . - 1 - 2 中央传动设计 . - 1 - 2.1 中央传动弧齿锥齿轮几何参数的计算 . - 1 - 2.1.1 弧齿锥齿轮基本参数的选择 . - 2 - 2.2 中央传动圆锥齿轮的强度计算 . - 3 - 2.2.1 中央传动圆锥齿轮的计算扭矩 . - 3 - 2.2.2 弧齿锥齿轮的强度计算 . - 4 - 3 差速器设计 . - 5 - 3.1 差速器的功用及其对拖拉机性能的影响 . - 5 - 3.2 差速器和差速锁的结构 . - 7 - 3.3 差速器主要参数的确定 . - 7 - 3.4 差速器主要零件计算 . - 7 - 4 驱动桥半轴设计 . - 8

7、 - 4.1 作用在半轴上的力及力矩 . - 8 - 4.2 半轴的计算 . - 11 - 5 最终传动的设计 . - 14 - 6 总结 . - 14 - 参 考 文 献 . - 14 - 致 谢 . - 15 -iii拖拉机驱动桥设计 1.1 引言 1 绪 论拖拉机的后桥是指变速器与驱动轮之间除联轴器及传动轴以外的所有传动部件和 壳体的总称。驱动桥的主要功用：一是将万向传动装置传来的发动机转矩通过主减速 器、差速器、半轴等传到驱动轮，并实现减速增矩；二是通过主减速器圆锥齿轮副改 变转矩传递方向，使其与车辆进行方向相符；三是通过差速器保证内外车轮以不同转 速实现车辆的转向。拖拉机后桥设计主要

8、包括以下几方面。1中央传动设计2差速器设计3驱动桥半轴设计4最终传动 2 中央传动设计 中央传动是用来增加传动系的传动比，已达到减速增扭的目的，通常还用来改变 扭矩的传递方向，使扭矩从纵向布置的变速箱传向横向布置的半轴。 对中央传动的设计要求：1中央传动应选择合适的传动比以满足总传动比的要求，保证拖拉机具有良好的牵引 性和经济性。2中央传动的结构尺寸应尽量紧凑，使后桥尺寸与重量均可减小，并保证有必要的离 间隙。3中央传动齿轮受载较大，要求有较高的承载能力，在结构上应保证齿轮装置有较大 的支撑刚度，以保证齿轮的正确啮合，齿轮与锥轴承的调整应可靠与方便。2.1中央传动弧齿锥齿轮几何参数的计算拖拉机

9、后桥设计3d =k =51.6 =344.66mm3L=k =26.6 298=177.67mm3m =k =0.97 298=6.48mmd 344 Z = = =53Z2Z = = =143. 1由于齿宽 b 不应超过 L 或 10m 二者之中的较小值， b59.1， b= 0.250.30） 3K(Ktg - tg b )L3 =b L-0. 式中 K=2.1.1弧齿锥齿轮基本参数的选择1大齿轮分度圆直径 d2、锥距L 与端面模数ms的初步选择d2 、L 与ms均可根据从动大锥齿轮上计算扭矩 M2 ,参考现有机型的统计数据，按下列 经验公式选择：222式中 d2 、L、ms分别为大齿轮分

10、度圆直径（mm）、锥距（mm）、与端面模数（mm）；kd、kL、km分别为直径系数、锥距系数与模具系数，可查表得到数值；M2从动大齿轮的计算扭矩（kgfm），其值即为中央传动圆锥齿轮的 扭矩； 中央传动主、从动锥齿轮上的计算扭矩 M，应根据下列两个条件来确定，并取两者 中的较小值：2齿数Z 的选择 大小齿轮的齿数，根据中央传动比iZ，由下面公式计算得出：iZ=3.8ms 6. Z3齿宽b 的选择 3L，可取 b=50mm。4法向压力角 an 的选择 根据经验取 an=20。5螺旋角m 的选择 齿轮齿线上某点的切线与该切点节锥母线之间的夹角，称为螺旋角。螺旋角越大， 则轮齿的纵向重合系数b 也越

11、大，因此可以提高运转平稳性与强度，但齿轮传动中的 轴向推力也越大，需要加强支撑。 由埃尼姆斯制弧齿锥齿轮的特性可知，当 Z18 时，采用m=35。 纵向重合系数b 的验算 p LL-b 2联合以上两式，代入数值得 b=2大端螺旋角e的计算 拖拉机后桥设计1 Lm =sin L+ (D sin L ) pn1 s 1 s 22 pn2 s 22 在计算弧齿锥齿轮大端齿厚参数时，需先求出大端螺旋角e，由公式可得 D L式中 Lm中点锥距，Lm=L0.5b；Dd铣刀盘名义直径，可根据被切齿轮的锥距 L 与螺旋角m 查表得出，Dd=457.2mm所以由以上数据得出e=36。 螺旋锥齿轮中小齿轮为左旋，

12、大齿轮为右旋。6齿高参数 弧齿锥齿轮均采用高度变位制，小齿轮用正变位，大齿轮用负变位。应用埃尼姆斯 制弧齿锥齿轮的几何参数查表可得： 基本齿顶高系数f0=0.82；齿顶隙系数C0=0.20；工作齿高 hg=1.64ms=10.62；全 齿高 h=1.84ms=11.92；高度变位系数=0.30。7齿厚参数 弧齿锥齿轮除高度变位外，还采用切向变位，一般小齿轮用正变位，大齿轮用负变 位。小齿轮与大齿轮的理论分度圆断面齿厚 S1与 S2，可由以下式子计算：ee式中切向变位系数。 应用埃尼姆斯制弧齿锥齿轮的几何参数查表可得：切向变为系数 =0.17，齿侧隙 Cn 查表得 Cn=0.24。 由以上两式代

13、入数据的 S1=13mmS2=7mm2.2中央传动圆锥齿轮的强度计算 中央传动主、从动锥齿轮上的计算扭矩 M，应根据下面两个条件来确定，并取两 者中的较小值：2.2.1中央传动圆锥齿轮的计算扭矩1根据发动机标定扭矩 MeN的条件M1=MeNibLbLM2= MeNibLiZbLz式中 M1主动小锥齿轮上的计算扭矩（kgfcm）；M2主动大锥齿轮上的计算扭矩（kgfcm） MeN拖拉机发动机的标定扭矩（kgfcm） 3i拖拉机后桥设计变速箱最低犁耕工作档时的传动比；bLiZ中央传动传动比；bL变速箱最低犁耕工作档时的传动效率，可取 工作档时，变速箱中外啮合圆柱齿轮啮合对数）。bLn=0.98 （

14、n 为最低犁耕 M M =M M =nPK 1 K K = 22 2 P 齿轮大端圆周力，P = = ；z中央传动的传动效率对于弧齿锥齿轮可取 z=0.96。2根据土壤附着力矩 M的条件i imh zh mh qi h mh q而 M=Grdq式中 M行走部分与土壤的附着力矩（kgfcm） G附着重量（kg）； 轮式拖拉机：取 G=mQm 为驱动轮数目；Q 为每个驱动轮轮胎的最 大载荷（kg）。行走部分与土壤的附着系数，轮式拖拉机取 =0.65rdq驱动轮的动力半径（cm）；im最终传动的传动比；m最终传动的传动效率，取 m=0.97 （n 为最终传动中外啮合圆柱齿轮 啮合对数）；2.2.2弧

15、齿锥齿轮的强度计算 弧齿锥齿轮的强度计算包括弯曲强度计算与表面接触强度计算两方面。1.弧齿锥齿轮的弯曲强度计算K2 bm Jw式中 w吃根部的弯曲应力（kgf/cm ）；d msZM1主动小锥齿轮上的计算扭矩（kgfcm）；d1小锥齿轮上的分度圆直径（cm）； b齿宽（cm）；ms断面模数（cm）；K1 过载 系数， 与主从动 部分的 运转平稳 性有关 ，拖拉机 齿轮可取K1=1.201.35，故取K1=1.30；K2动载系数，与齿轮精度和节圆线速度有关，可取K2=1.0； 4K3m43拖拉机后桥设计 尺 寸 系 数 ， 反 映 材 料 性 质 的 不 均 匀 性 ， 与 轮 齿 尺 寸 有

16、关 ，25 r mL smJ = bpC 1 C C C =C 20. 22K4载荷分布系数，反映在齿宽上载荷分布的不均匀性，它与齿轮轴上支 承的刚度有关，查表得K4=1.2。 w 许用弯曲应力（kgf/cm2），它与材料、热处理与表面处理、齿轮所 需寿命、工作温度和可靠性要求等因素有关。对于拖拉机中央传动齿 轮用渗碳合金钢，取w=3000（kgf/cm2）。Jw弯曲强度几何系数，综合考虑下列因素的影响：齿形系数、载荷作用 点位置、轮齿间的载荷分配、有效齿宽应力集中系数及惯性系数等。 对于埃尼姆斯制弧齿锥齿轮， 弯曲强度几何系数 Jw 有以下计算公式：L i s s2弧齿锥齿轮的表面接触强度计

17、算C2 bd1 Jj式中 j齿轮表面的接触应力（kgf/cm ）；C0有关材料弹性性质的系数，对于钢制齿轮副取 C0=743kgf /cm；C1过载系数，可取 C1=K1=1.201.35=1.3；C2动载系数，可取 C2=K2=1.0；C3 尺寸系 数， 材料选择适宜且渗碳 层深 度与硬度符合要求时 可取C3=1.0；C4载荷分布系数，可取 C4=K4=1.2C5表面质量系数，与表面光洁度和表面处理有关，对于制造精度高的齿 轮可取 C5=1.0； j许用接触应力（kgf/cm ），它与材料、热处理与表面处理、齿轮所 需寿命、工作温度和可靠性要求等因素有关。对于拖拉机中央传动齿 轮用渗碳合金钢

18、，可取j=23000kgf/cm ；Jj表面接触强度几何系数 3 差速器设计3.1差速器的功用及其对拖拉机性能的影响 差速器的功用是根据拖拉机的行驶需要，在传递力的同时，使内、外侧驱动轮 能以不同的转速旋转，以便车辆转弯或适应由于轮胎及路面差异而造成的内外侧驱 动轮转速差。 两侧轮之间的差速器称为轮间差速器，在前后驱动桥之间或各驱动桥之间叫轴 5Z = xZ = +x拖拉机后桥设计间差速器用以消除功率循环现象。 现在广泛采用对称式圆锥齿轮差速器，如图所示，其左右半轴的齿数和模数都 相等。 这种差速器的运动学特性是： ZbZ1+2=201、2半轴齿轮3行星齿轮4行星齿轮轴5差速器壳体6主减速器从

19、动齿轮 0、1、2差速器壳慢速半轴和快速半轴的角速度 x行星自转角速度Zx、Zb 行星轮和半轴齿轮齿数。 这种差速器的运动特性是： 不差速时 M1=M2=0.5M0差速时M1=0.5(M0+MM =0.5(M Mm)20m式中MM1mM0、M1、M2差速器壳、慢速半轴和快速半轴上的扭矩；Mm差速器内摩擦力矩。的大小直接影响差速时扭矩在两个半轴上的分配，通常用扭矩分配系数（M1=M0） 锁紧系数 K=M2） 示两侧扭矩相差的程度。 普通差速器中约为 0.55， 在强度计算中则可近似认为扭矩等分给左、右两轴。 普通差速器平分扭矩这个特点对拖拉机的牵引附着性能是不利的。当左右驱动轮 的附着条件不同时

20、，即使一侧车轮的附着条件很好，其所传扭矩的最大值也只能等于 附着条件不好的那一侧的扭矩而不能更大，因此在拖拉机上普遍装有差速锁，当一侧 车轮打滑时，是差速锁接合就能两轮各按本身的附着条件发挥驱动力，这样就能充分 利用附着好的一侧的附着力。 6拖拉机后桥设计3.2差速器和差速锁的结构 简单差速器可以分为开式和闭式两种。 本设计中采用开式差速器。开式差速器没有壳体，结构比较简 单，半轴齿轮和最终传动小齿轮制成一体，但需用较多合金钢，而当最终传动小齿轮 损坏时，半轴齿轮也要更换。开式差速器只能用在内置式最终传动中。由于半轴齿轮 的内孔中装有粗大的中央传动从动轴，因此差速器齿轮尺寸一般比闭式的大。 本

21、设计中的拖拉机差速锁的布置方式是通过附加轴将两驱动轴相连。如图所示M3fb D (2 23.3差速器主要参数的确定 差速器的承载能力主要取决于齿轮强度和行星齿轮与轴之间的挤压应力。 （1） 行星齿轮个数 n 由于所设计拖拉机为开式差速器且为小马力，故 n 取 2。 （2） 半轴齿轮大端分度圆直径 Dfbn式中 Mj差速器壳上的计算扭矩(kgfm), 铁牛55 上 Mj=298；KD直径系数，查表可得KD=29.5由以上数据可计算得 Dfb=156（mm） （3） 齿数选择 行星齿轮齿数 Zx一般为1012，取 Zx=13；半轴齿轮齿数 Zb 一 般为 1622 但在开式差速器中Zb取 24。

22、（4） 大端模数 m=Dfb/Zb=156/24=6.5。 （5） 齿宽 b=（0.250.30）L，L=0.5m Zc +Z b 。 因而半轴齿轮齿宽 b=0.3L=27；行星齿轮齿宽30.2。 （6） 齿形 由于国产拖拉机差速器齿轮的刀具角为20和 22.5两种，因而齿 形角 a0=20，啮合角 a=20。 （8） 差速器齿轮的材料是 20GrMnTi3.4差速器主要零件计算 （1） 齿轮强度 由于差速器齿轮极少出现点蚀破坏， 此一般只计算齿的弯曲强度而不计算接触强 7P轮重合度系数小，且制造精度较低，因此按齿顶啮合时承受全部力计算， = ， 290000故 = =3657kgf/cm22

23、 j = （ ） 2 2拖拉机后桥设计度。可把行星齿轮作为一个直径等于其平均直径的当量圆柱齿轮计算，由于差速器齿 bmY齿形系数 Y=0.4， 30 6. 0.64因为弯曲应力一般在 25004000kgf/cm 间， 所以所选数据满足要求。 （2） 行星轮和轴之间的挤压应力 cnD b bd式中 Dmb半轴齿轮平均直径； d、b行星轮内孔的直径和宽度。 由以上各式计算得 c=227kgf/cm 350kgf/cm所以满足实际要求的需要，合乎要求。 行星轮轴的材料是 40Gr，差速器壳的材料是 ZG40。 4 驱动桥半轴设计M di ihP =4.1作用在半轴上的力及力矩 轮式拖拉机行驶时，在

24、车轮上作用着各种不同的力。这些力的大小随着拖拉机的工 作条件的不同而不同。根据分析可得行驶时作用在车轮及后桥上的力，如上图即为车 轮上的受力分布图。1.产生于拖拉机前进和后退是的切线牵引力Pk，Pk的最大值可按下面这个式子进行计 算：r 8式中拖拉机后桥设计i0主传动器传动比（包括中央传动和最终传动）；m传动系机械效率；rk车轮滚动半径；ik变速箱传动比；ik1变速箱一档传动比，ik1=3.92；Mmax发动机额定扭矩，其值查资料得 75.74kgfm。 计算时传动效率 m可取 1。此时作用在每一个车轮上的力为：Mi iP=max k 02=181N0.7 M i iP= =126NM i i

25、P= =90N由于差速器中有摩擦存在，作用于半轴的扭矩可能大于传给差速器外壳扭矩的一 半，因此计算半轴的力取为：r由于在差速器上有锁紧装置差速锁，所以半轴应按总扭矩 Mk计算：Mk=Mmax k1 0i i =75.74r2.在制动时产生在车轮和路面之间的制动力 Tk,GT =2m2式中所以Tk制动力；G2在水平路上停着不动时，作用在后轴上的重量，G2=360；m2制动时，后轮上的重量转移系数；附着系数，大小查资料得 0.65。 Tk=1462.5NGG = m =18003.作用在每只后轮半轴上的重量反作用力 G2k为：M i imax k 0M = =75.74M =0.7M i i =2

26、16.44.在不同行驶条件下，后轮重量转移系数m2 m2=1.1 1.2m2=0.90.95作用在各半轴的扭矩 Mkp为：2计算扭矩可取为：max k 0可取下列数值： 9拖拉机后桥设计5.垂直作用在车轮平面的反作用力。 当拖拉机在横坡上行驶时或由于转弯时离心力 Pc作用， 车轮上由重量产生的反 G2mG m小于作用力 Gk 2G +G =Gm将会发生变化，因此左右轮的G，但两者之和仍等于Gm，即2 2k将不相等。一边大于2，而另一边将 式中GKBH外轮（对转向中心而言）上的重量反作用力；GKBT内轮（对转向中心而言）上的重量反作用力。 P hc gG = + =1921Phc gG = =1

27、6792 j g 1R = （1+ ）=2442 j g 1R = （1 ）=8力 R 的变化和车轮上反作用力的变化成正比，左右轮的 R 之和等于车重分力（横 坡上行驶）或离心力（转弯时），即R=RBH+RBT=Pc式中 RBH外轮上的横向反作用力；RBT内轮上的横向反作用力。 由此可确定反作用力 Gk及R 的变化：2 B2 B式中 hg拖拉机重心离地面的距离，查资料的其值为 939mm； B轮间距离，查文献得其值为 1400mm 当拖拉机横滑时，令 m2=1，作用在后轮上离心力最大值为 G21，这时内轮和外 轮上所受车重的反作用力可写成下式：2 B2 B在计算半轴时，轮胎与地面之间的附着系数

28、，轮胎与地面之间的附着系数可 取 0.7，横向附着系数可取 1.0。 横向产生的弯矩为：MNBH=RBHrKMNBT=RBTrK根据上面受力情况可知道，半轴要承受弯曲、扭转、压缩、拉伸及剪切的作用。 但在半轴中压缩应力、拉伸应力及剪切应力都很小，所以只要按弯曲和扭转来计算。 计算半轴时可按下列四种载荷情况进行计算： 100.7 M i iP= =230拖拉机后桥设计(1)车轮传出最大牵引力时，在这种情况下力 P，GrK及R 的值由下式计算确定：GKBH=GKBTG m=2=1800G m j T = =1260G m2 2 G = =18002 h j g 1G = （1+ ）=3492 j

29、g 1G = （1 ）=112 j g 1R = （1+ ）=2442 j g 1R = （1 ）=8R=0( 2)拖拉机制动时，在这种情况下力 P，GKP=022R=0( 3)拖拉机横滑时，在这种情况下力 P，GKP=02 B2 B2 B2 B及R的值由下式计算确定：及R的值由下式计算确定：GG = =360 ( 4)拖拉机后轮通过不平道路时，在这种情况下力 P，G2P=0 R=0 K及R 的值由下式计算确定：式中 2。拖拉机通过不平道路时，车轮上垂直反作用力增加系数，的值一般为 4.2半轴的计算 本设计中拖拉机采用不浮式半轴。由于半轴及承受弯矩作用又承受扭矩作用，所 以在选择材料时用 45

30、 钢，并且经过调质处理。 11 拖拉机后桥设计不浮式半轴的内端及外端轴承都装在半轴上，如下图所示：此时，半轴的内端要 承受最终传动被动齿轮（或中央传动的大圆锥齿轮）圆周力引起的弯曲。半轴的外端 要承受车重反作用力 GK，牵引力P 或制动力 Tk及横向力 R 引起的半轴弯曲。此外半 轴要传递扭矩 Mkp。 从下面的图中可以知道，危险断面在轴承A 或 B 处。 轴承A 处的弯矩是由沿最终传动齿轮啮合线方向作用的力 P1产生的。Mmi iM=Pb= k 0A1r cos式中r1最终传动主动齿轮半径，其值为 237； 所以a齿轮压力角，其值定位 20； i0 中央传动的传动比，由上文中中央传动的设计可

31、知其值为 3.8； b=227mm MA=5100轴承 A 处的扭矩Mkp为：M=Mii =1128弯曲与扭转的合成应力：1 22kpm k1 01M i i222pe3=3MAMkp=3(m k 0) b +( i i )m k 0=9000. 0. rcosa半轴A 处的直径，可由下式求得1 2M i i22dA=30. pe3b (m k 0rco sa )+( Mmi1 i0)=180G mM =G b= b=408.6轴承 B 处的应力要按四种载荷情况分别计算，然后取其最大的应力为危险应力。( 1)按最大牵引力 P 计算。 车重反作用力 Gk产生的在垂直于地面平面上的弯矩 MB；2由

32、力 P 产生的水平弯矩 12拖拉机后桥设计合成弯矩M i i bM =P = =20.4； r2 2 2 22222扭矩Mu=Me+MB=P b + b=bP+G =1800M=Mii =151.48弯曲及扭转的合成应力kpm k1 0122222pe=0. 3b (P+G K)+P r=1500半轴 B 处的直径可由下式求得122222dB=30. pe b (P+G )+P r=180b = G +T =2000kbm G2 2 = 1 + =40032 hj 2 jg 1 g 1M =R G b= (1+ )r (1+ ) b( 2)按制动计算。制动时半轴上的弯曲应力可按下式计算：0. 代入 Gk及 T 的值，得0.2 制动时，系数m2 一般小于 1，但在计算时可取m2=1。( 3)按侧滑计算，侧滑时，外半轴的弯曲力矩为：2 B 2 BG=22 j(1+B)(1rKb)内半轴的弯曲力矩MNBT=RBTrK+GKBTGb=22 hj(1B)(1r k+b) 上式中，符号注脚 BH 表示转向时外车轮，BT 表示内车轮。横向附着系数 取为 0.7。G( 4)按越过障碍时的动载荷计算 作用在半轴上的动载荷弯曲力矩 M2 2u为：1 弯曲应力为：Mu=2b=2b=G2b=41 13拖拉机后桥设计u=G b3=45MPa