礦用自卸車驅(qū)動(dòng)橋主減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)

成林，王谷娜，王茂美

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 100176）

前言

礦用自卸車驅(qū)動(dòng)橋主減速器的主要作用是降低轉(zhuǎn)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(dòng)較為合適。錐齒輪傳動(dòng)的主要特點(diǎn)：同時(shí)嚙合的齒數(shù)較多、齒間壓力分布的狀況好、嚙合平穩(wěn)、工作噪音小。另外，由于小齒輪的齒數(shù)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(dòng)比，即相同傳動(dòng)比條件下，能減小驅(qū)動(dòng)橋的尺寸。

1 選擇設(shè)計(jì)變量

根據(jù)錐齒輪傳動(dòng)副的特點(diǎn)，通常情況下選擇螺旋錐齒輪的下列設(shè)計(jì)參數(shù)：小錐齒輪齒數(shù)Z1、齒寬中點(diǎn)螺旋角βm、齒寬B和大端端面模數(shù)mt作為局部設(shè)計(jì)變量；全局設(shè)計(jì)變量是系統(tǒng)級(jí)的主減速器速比，因此得到主減速器優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量：

2 目標(biāo)函數(shù)的建立

為了保證驅(qū)動(dòng)橋中主減速器結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，應(yīng)以最小體積作為優(yōu)化目標(biāo)[1]。這樣，無(wú)論在減輕重量、縮小體積方面，還是在節(jié)約材料、降低成本等方面都有較大的現(xiàn)實(shí)意義。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，這里將錐齒輪的體積近似地用齒寬中點(diǎn)頂圓直徑為直徑，以錐齒輪齒寬為高度的圓柱來(lái)計(jì)算，這樣可建立下面體積目標(biāo)函數(shù)：

采用目標(biāo)函數(shù)的懲罰法，即通過(guò)加權(quán)因子實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)優(yōu)化器目標(biāo)函數(shù)的懲罰法處理，因此主減速器優(yōu)化器的目標(biāo)函數(shù)：

3 約束條件

3.1 錐齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度約束

根據(jù)常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)，工程車輛主減速器螺旋錐齒輪的彎曲應(yīng)力計(jì)算公式[2]：

其中Tj表示錐齒輪的計(jì)算扭矩，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩和變速箱最低檔傳動(dòng)比進(jìn)行計(jì)算；KO表示超載系數(shù)；KS表示尺寸系數(shù)；Km表示載荷分配系數(shù)；KV表示質(zhì)量系數(shù)，對(duì)于工程機(jī)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(shù)；mt表示端面模數(shù)；J表示計(jì)算彎曲應(yīng)力的綜合系數(shù)。

所以錐齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度約束：

其中[σF]是齒輪材料許用彎曲應(yīng)力。

3.2 錐齒輪接觸疲勞強(qiáng)度約束

根據(jù)常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)，主減速器螺旋錐齒輪的接觸應(yīng)力計(jì)算公式[3]：

其中CP表示材料的彈性系數(shù)；d1表示主動(dòng)齒輪的節(jié)圓直徑；Ko、KV、KS和 Km同彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式；Kf表面質(zhì)量系數(shù)；J表示計(jì)算接觸應(yīng)力的綜合系數(shù)。

所以錐齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度約束：

其中[σF]是齒輪材料許用接觸應(yīng)力。

3.3 其它約束條件

根據(jù)主減速器結(jié)構(gòu)和錐齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)，其它約束條件包括：

4 優(yōu)化結(jié)果

進(jìn)行主減速器優(yōu)化時(shí)，假定優(yōu)化器齒輪參數(shù)（例如：齒輪的齒寬、模數(shù)、齒數(shù)和螺旋角等）和減速器的速比為設(shè)計(jì)變量，目標(biāo)函數(shù)是滿足接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度條件下，實(shí)現(xiàn)減速器的體積最小。優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

表1 主減速器優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié)論

本文以驅(qū)動(dòng)橋主減速器體積最小作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)主減速器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了理想的優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化結(jié)果表明，選取的目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量以及約束條件是正確的，為汽車驅(qū)動(dòng)橋的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種可行的研究手段。