轮边减速器设计研究

小齿宽的方式来节约制造成本。
4 结论
本文通过对某越野车总体布置的要求，分别从 方案选型、Matlab 计算、三维建模、有限元分析等 方面，较系统地阐述了越野车轮边减速器的设计过 程，对今后类似的设计工作或有一定的指导作用。 参考文献
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T2 =
Gφrr η LB i LB
满载状态一个前轮的静负荷，N ；φ 为轮胎对地面 的附着系数，对于越野车，取 φ =1.0； rr 为车轮滚 动半径， m ； η LB 为轮边减速器的传动效率，取
式中： T2 为第二种方法计算的转矩， N • m ； G 为
η LB =0.98； iLB 为轮边减速器传动比。
Design of Off-road Vehicle Wheel Reducer
[Abstract] In this paper, the wheel hub reducer of a military off-road vehicle was designed. The paper introduced the design process from several aspects, such as the choice of the project, the design calibration, the three-dimensional modeling, as well as the finite el is more clear and accurate, and it will provide a reference for the future development of related products, too. Key words: The wheel reducer; planetary gears; 3D Modeling; finite elements analysis
按上述计算方法计算出 T1 和 T2 后， 选取计算结 [2] 果的较小值作为计算转矩。
3 行星齿轮机构的设计 行星齿轮机构的设计
在行星齿轮的设计计算过程中，根据行星齿轮
机构的计算公式进行整体编程，一方面缩短了设计 时间，同时还可以优化结构参数。 [3] 根据设计要求 iLB =4， 结合文献 ， 选择行星齿 轮数 n=5，并根据选定的越野车主要参数及其约束 条件，应用数值计算软件 Matlab 得出齿轮参数为： 齿轮模数 m =4.5，太阳轮齿数为 22，变位系数为 0.38。行星轮齿数为 22，变位系数为 0.356。齿圈 齿数为 68，变位系数为 0.36。并应用 Matlab 所提 供的 GUI 工具箱， 建立汽车轮边减速器计算的用户 图形界面。部分计算界面如图 4 所示。
由以上结果可知： 1）齿圈支座轮齿处有 0.5mm 的位移，但受到的应 力很小。 2）圆孔处的应力最大，达 1.73Mpa。从变形图中可 以看到，圆孔处的变形主要集中在靠外齿的地方， 在 0.4mm 左右。 3）工艺孔处足够安全，可以考虑更换材料或者减
7 1 6 5 5 3 6 2 5 3 4
3 4 2 1 2 7 6
4
1
7
(a)
图2
(b)
(c)
单排圆柱行星齿轮式轮边减速器
合分析后，本次设计采用行星齿轮式轮边减速器， 并根据整车设计要求，采用第 2 种方案。
1.齿圈； 2.行星齿轮架； 3.桥壳； 4. 半轴； 5.太阳轮； 6. 行星齿轮；7.驱动车轮 1.2 设计方法 设计方法
2 主要参数选取 主要参数选取
1）确定主减速比 i0 主减速比 i0 的大小，对主减速器的结构型式、 轮廓尺寸及质量的大小影响很大，而对本次设计的 越野车来说，为了获得足够的功率储备，主减速比 i0 一般应选得比平常值大 10%～25%。[2]
i0 = (0.377 ~ 0.472)
rr n p v a max i gH iFH iLB
图 7 网格划分
图 8 变形云图
图 9 应力云图局部放大图 3.2.1 有限元结果分析 有限元结果分析
附：
作者简介： 作者简介：王斌，男，1987 年生，硕士研究生，研究方向： 汽车传动系统分析 Email：wangbinxsh@ 通信地址： 通信地址：武汉理工大学汽车工程学院传动系统研究室 邮编： 邮编：430070 联系电话： 联系电话：13487090208
1）轮边减速器常见的失效模式有：①轮齿断 裂；②齿面剥落；③齿面点蚀；④轴承损坏；⑤轴 类零件断裂、变形或工作面烧蚀；⑥壳体开裂；⑦ [4] 油封漏油。 2）轮边减速器强度校核在国内没有现成的标 准，但行星齿轮机构的具体校核方法可根据机械设 计手册中圆柱齿轮许用接触疲劳、弯曲疲劳的校核 公式来计算。校核结果反馈至流程图（图 2）中， 进行下一步工作。 3）行星齿轮轴承的校核。轴承的名义寿命 L 与轴承的当量动载荷之间满足如下关系：
40Cr，调质，齿面淬火。并根据行星轮轴承需承受 径向力和轴向力，选择圆锥滚子轴承。轮边减速器 行星齿轮机构三维模型如图5所示。
图 4 轮边减速器输入转矩计算界面 3.1 校核轮边减速器的强度校核 校核轮边减速器的强度校核
图 5 行星齿轮机构 以齿圈支座为例，为了减轻整个轮边减速器总 成的重量， 该支座设计有 8 个工艺孔， 如图 6 所示。 为保证强度，下面对工艺孔处利用 ANSYS 软件进行 有限元分析。在不影响精度的条件下，为缩短计算 时间， 则需将花键孔简化， 在花键孔处施加全约束， 并在齿圈支座的每个齿面上施加均布载荷。网格划 分如图 7 所示；总变形云图如图 8 所示；应力云图 局部放大图如图 9 所示。
引言
越野车要求有高的动力性，而车速一般较低， 因此其传动系的低档传动比都很大。为了使变速 器、分动器、传动轴等总成不致因承受过大转矩而 使尺寸及质量过大，应将传动系的传动比以较大的 比率分配给驱动桥，这就使得越野车的主减速比往 往要求很大。采用轮边减速器，可以使中间主减速 器的外形尺寸减小，保证车辆具有足够的离地间 隙，而且由于是最后的一级减速，其前面的半轴、 差速器及主减速器的从动轮等零件的尺寸都可以 [1] 减小。 国外发达国家在汽车轮边减速器方面的研 究开展得比较早，如针对其结构和传动比的优化， 结构的轻量化，以及在机构上能妥善处理制动器、 轮毂等分总成与轮边减速器的布置关系，目前已达 到产品成熟化阶段。众所周知的乌尼莫克等国外军 用越野车在汽车通过性方面的优良表现，与国外轮 边减速器的生产设计技术水平是分不开的。国内外 在技术上的主要差别除了零部件的材料、加工工艺 外，就是正向设计方法方面。本文在某型越野车设 计中主要涉及后者的工作。 目前，国内外关于轮边减速系统的设计研究主 要有以下几个方面内容： (1)轮边减速器设计理论及方法； (2)轮边减速器的优化设计； (3)轮边减速器对车辆通过性的影响。 本文主要是从方案选型、基本参数的设计计 算、三维模型建立、重要部件的有限元分析等方面 对轮边减速器的设计过程进行研究。
式中： rr 为车轮的滚动半径， m ； n p 为最大 功率时的发动机转速，r / min ； va max 为汽车的最 高车速， km / h ；igH 为变速器最高档传动比；iFH 为分动器或加力器高档传动比； iLB 为轮边减速器 传动比。 2）轮边减速器输入转矩 ① 转矩计算方法一 按发动机最大转矩和传动系的最低传动比确 定前轮轮边减速器的输入转矩:
T1 =
Te max i1i f i0η T 2n
式中： T1 为第一种方法计算的转矩； Te max 为发动机 最大使用转矩； n 为计算的驱动桥数； i1 为变速器 一挡速比；i f 为分动器低档传动比；i0 为主减速器 传动比； η T 为传动系上述传动部分的传动效率， 按 图 3 轮边减速器设计流程 如图 3 所示，轮边减速器的设计主要分为方案 选择、参数选取、设计计算、强度校核、三维建模、 有限元分析等方面。并依据流程图中的综合性能分 析， 综合判断设计是否满足要求。 并通过编程计算， 选取最优参数。 1.3 方案确定 方案确定 普通外啮合圆柱齿轮式轮边减速器，根据主、 从动齿轮相对位置的不同，分为主动齿轮上置和下 置两种形式。主动齿轮上置式轮边减速器可提高桥 壳的离地间隙；主动齿轮下置式轮边减速器主要可 提高汽车行驶稳定性。与普通圆柱齿轮式相比，行 星齿轮式轮边减速器具有如下优点：可以在较小的 轮廓尺寸条件下获得较大的传动比，且可以布置在 轮毂之内，同时它的刚度大、强度高，传动效率也 较高，并且各齿轮间的径向作用力可得到平衡。综 取η T = 0.9 。 ② 转矩计算方法二 按驱动轮打滑扭矩计算的输入转矩:
C L = 10 6 P
ε
图 6 齿圈支座模型
式中： C 为轴承的额定动载荷， N ；根据选定的轴 承型号查轴承手册； P 为轴承的当量动载荷， N ； ε 为轴承的寿命指数，对球轴承取 ε =3；对圆锥滚 [5] 子轴承取 ε =10/3。 3.2 三维建模及 三维建模及有限元计算求解 根据计算结果，建立三维模型。其中，太阳轮 和行星轮的材料选用20CrMnTi渗碳淬火， 齿圈采用
1 结构方案分析
1.1 轮边减速器方案的介绍 轮边减速器按齿轮及布置方式分为: 普通圆 柱齿轮式及行星齿轮式两类： 1）普通圆柱齿轮式由一对外啮合圆柱齿轮构 成，借助与其主动齿轮和从动齿轮的相对位置的变 化，改变汽车的离地间隙或车厢地板的高度，如图 1 所示。
图 1 普通圆柱齿轮式轮边减速器 2）行星齿轮式：常见的行星齿轮式轮边减速 器为单排圆柱行星齿轮机构。由于其太阳轮、齿圈 和行星齿轮架等零件在轮边减速器中的作用可以 有所变化， 轮边减速器有图 2(a)、 图 2(b)、 图 2(c) 所 示的三种结构方案。
越野车轮边减速器设计研究 越野车轮边减速器设计研究
【摘要】 摘要】本文设计了某军用越野车轮边减速器，主要从方案选型、基本参数的设计计算、强度校核、三维建模、有限元分析 等方面对轮边减速器的设计过程进行了介绍， 较为清晰及精确的反应了轮边减速器的整体设计过程， 为今后相关产品的开发 提供了参考。 关键词：轮边减速器；行星齿轮机构；三维建模；有限元分析