45+t铰接式自卸车贯通式驱动桥主减速器设计

第29卷第2期 煤矿机械 V01．29No．2 垫苎!．!星 ￡世坠i塑．迪丛塑盟 !兰：!竺1 45t铰接式自卸车贯通式驱动桥主减速器设计 仝令胜。石博强。申焱华，郭朋彦 (北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083) 摘要：国内对铰接式自卸车一通式驱动桥的设计尚处于空白状态。对45t铰接式自卸车贯 通式驱动桥主减速器的各项参数进仃了设计计算，并校核了主减速器主、从动螺旋锥齿轮的弯曲强 度和齿面接触疲劳强度，为铰接式自卸车贯通式驱动桥的国产化提供了参考。 关键词：铰接式自卸车；驱动桥；主减速器；轮边减速器 中图分类号：TH242文献标志码：A文章编号：1003．cr794(2008)02．0016．03 DesignofFinalDriveforTandemAxlesBasedon45tArticulated DumpTruck TONGUng—sheng。SillBo—qimlg。SHENYan—him。GUOPeng—y岫n (CivilandEnvironmentErIgirIe面IlgCollege，BeijingUniversityofScienceandTechnology。Bcijins100083．China) Abstract：Thestudyoftandemaxlesforarticulateddumptruck(越”)isblankathome．Aimsatdesigning andcalculatingtheparametersofthefinaldrivefortandemaxlesbasedonarticulateddumptruckwhichcan load45tonne．Atthesametime，checkedthebendingandcontactfatiguestressofthespiralbeveldrivinggear anddrivengear．Referencewassuppliedtomanufacturethetandemaxlesofarticulateddumptruckinourcon- ntry． Keywords：articulateddumptruck；tandemaxles；finaldrive；wheelhubreducer O引言 铰接式自卸车(ArticulatedDumpTruck，ADT)是 指驾驶室和车身之间具有铰接点及摆动环的自卸 车，它产生于20世纪60年代末的欧洲，是一种适合 在恶劣天气路况及空间受限制的工况下工作的工程 车辆，载重量主要集中在20—45t。该车辆具有良 好的驱动能力、通过能力和机动性能、广泛的适应 性、转弯半径小以及比刚性自卸车低得多的运营成 本等优点，在国外广泛应用于采矿业、水利以及铁路 建筑等行业中。 由于国内对铰接式自卸车研究的时间很短，现 在还几乎处于空白状态，国内市场几乎由国外的几 家大公司所占据，且每个公司都拥有自己独立研制 的驱动桥技术。目前公开的资料表明，国内仅北方 重型汽车有限公司生产铰接式自卸车，但该公司引 进的是Terex公司的技术，没有独立设计生产能力。 除此以外，仅徐工集团对25t和35t级别的ADT进 行了设计和研发，并试制了25t级别的样车，但并未 批量生产，其贯通式驱动桥采用美国德纳公司的车 桥，没有自主知识产权，且价格高，交货周期长，严重 影响产能。因此，设计研制具有独立知识产权的铰 接式自卸车用贯通式驱动桥显得尤为重要。 目前铰接式自卸车有向更大吨位发展的趋势。 北京科技大学与某公司根据市场的需求和ADT的 发展趋势，联合开发设计了45t铰接式自卸车，该车 设计载重45t，满载时车辆总重为72t。该车采用自 主设计的贯通式驱动桥，驱动型式为6×6的全轮驱 动，桥壳为整体式铸钢壳体；驱动桥由分动器、主减 速器、差速器、半轴及轮边减速器等组成；分动器和 主减速器集成在一起，并在分动器处设计了一级减 速；半轴采用全浮式支承形式，易于拆装；轮边减速 器安装在轮毂里面，进一步起到降速增扭的作用。 这种贯通式驱动桥不仅零部件可相互通用，桥之间 也具有很强的互换性，而且结构简单、体积和质量较 小，同时制造维修都很方便。 1 主减速器的设计计算 铰接式自卸车路况一般比较复杂，车速相对较 低，为了取得较高的动力性，其传动系的低挡总传动 比很大。为了使变速器、传动轴和分动器等总成不 致承受过大扭矩，应将尽可能大的传动比分配给驱 动桥。同时为了减小驱动桥包的尺寸，保证足够的 离地间隙，设计中采用了圆柱齿轮一螺旋锥齿轮式 的双级主减速器附加轮边减速器的结构形式(见图 1)，这种形式结构紧凑，高度尺寸小，对降低AiYr车 身高度和质心高度非常有利，其中圆柱齿轮结构的 分动器设在主减速器的前面，考虑到齿轮强度、桥壳 空间尺寸布置等因素的影响，初定分动器的传动比 i=1．611。 一16— 万方数据 筮垫鲞筮至塑 箜!筮攮塞旦墅奎重夔塞塑塑桥圭减速器设计——仝令胜，等 V01．29No．2 轮边减速器采用圆柱行星齿轮减速机构，其中 太阳轮(中心齿轮)作为主动件和半轴相连，行星架 和轮毂连接。根据最高车速的要求、传动系各部分 传动比的分配以及轮毂尺寸的限制，并使轮边减速 器的传动比在尺寸允许的条件下尽可能大，以尽量 降低主减速器的传动比，初步确定了轮边减速器的 速比i。B=5，行星齿轮的个数N=3，其最终的参数 再根据主减速器的设计进行修正。本设计中选用 CumminsQSXl5型号的发动机，其最大功率P。=391 kW，在发动机达到最高转速2100drain时取得；最 大扭矩r一=2440Nm，此时发动机转速为1400r， mino 前 后 圈1贯通式驱动桥圆柱齿轮一螺旋锥齿轮式 双级主减速器的布置形式 1．分动器2．主动螺旋锥齿轮轴3．主减速器4．差速器5．贯 通轴 1．1 主减速器传动比的确定 驱动桥的主减速器传动比如是主减速器的设 计依据，设计主减速器的原始参数，其大小对主减速 器的结构形式、轮廓尺寸及质量等参数影响很大，该 参数一般在车辆总体设计时和传动系的总传动比一 起，由车辆的整车动力性计算来确定。为了使铰接 式自卸车获得足够的功率储备，应降低车辆最高车 速，其主减速器传动比 “=(0．377—0．472)——；■· (1) Ⅱ∞Ⅲl出gfgLa 式中 r——车轮的滚动半径，m； n。——发动机达到最大功率时的转速，dnfin； Ⅱ一——车辆的最高车速，km／h； i羽——变速器的最高挡传动比； i，——分动器的传动比。 经计算并考虑离地间隙，传动系各部分传动比 的分配以及主、从动主减速齿轮的齿数等因素，对主 减速器传动比予以校正，最终确定i。；3．091。 1．2主减速齿轮计算载荷的确定 主减速器齿轮的计算载荷贮是驱动桥设计的 另一项原始参数。由于铰接式自卸车的使用环境比 较恶劣以及车辆行驶时传动系载荷的不稳定性，因 此很难准确计算该参数。通常主减速器从动齿轮上 的转矩取式(2)、式(3)中的较小者。 丁j。=r—i1L‰珩／n=3．5×104Nm (2) 珞=关=4～7104．Nm (3) ，，L。1B 式中 t。——发动机最大扭矩以变速器最低挡传动 到主减速器从动齿轮上时的转矩，Nm； r妇——驱动轮在路面上开始打滑时作用在主 减速器从动齿轮上的转矩，Nm； i孔——发动机至主减速器从动齿轮问传动系 最低挡传动比； 珩——上述传动部分的传动效率，一般取 叩T=0．9； 蜀——产生冲击载荷时的超载系数，矿用自 卸车一般取Ko=1； n——车辆的驱动桥数目，本设计中采用三 桥驱动，n=3； G：——车辆满载时单个驱动桥对水平地面的 最大负荷，N； 9——轮胎对地面的附着系数，对于使用宽 基轮胎的铰接式自卸车来说，一般取 妒=1； 叩。——主减速器从动齿轮至驱动轮间的传动 效率，可取仇=0．95。 由式(2)、式(3)求得的计算载荷为最大转矩，而 不是正常持续转矩。取计算转矩Z=3．5X104Nm。 1．3主减速齿轮基本参数的选择 在确定了贯通式驱动桥的主减速器传动比i。， 主减速器的形式及计算载荷后，即可选择主减速器 齿轮的主要参数。考虑到螺旋锥齿轮具有承载负荷 大，传动平稳，高速旋转时噪声和振动都很小等优 点，在设计中，驱动桥主减速器采用了“格里森”制圆 弧齿螺旋锥齿轮传动。 (1)主、从动齿轮齿数的选择 根据i。及驱动桥离地间隙的要求，同时为了使 齿轮磨合均匀并获得理想的齿面重叠系数，最终选 取主动螺旋锥齿轮齿数孑l-11，从动螺旋锥齿轮齿 数z2=34。 (2)端面模数 从动锥齿轮的大端端面模数 m=Km征=13 式中R——模数系数，一般取繇=O。3。O。4。 dl=膨l=143mm；d2=m,92=442rain。根据传 动比和齿数可以确定切向变位系数戈。=0．125，径向 一17— 万方数据 V01．29No。245t铰接式自卸车贯通式驱动桥主减速器设计——仝令胜，等 第29卷第2期 变位系数戈=0．35。 式中 2主减速器齿轮强度校核 强度校核是设计的一个重要部分，但确定齿轮 强度的主要依据还是台架试验和道路试验，以及在 实际使用中的情况，强度校核只是近似计算，可为设 计提供参考。驱动桥齿轮承受的是交变载荷，其主 要损坏形式是疲劳，常进行弯曲强度和齿面接触强 度2方面的校核计算。 2．1弯曲强度校核 车辆用主减速器螺旋锥齿轮的弯曲应力 2X10瓦goⅨKm ／“ 。”一 K。Fzm2．， H7 4厂—=一 其中超载系数go=1、尺寸系数K。=√最(m≥ 1．6IFlnl时)、载荷分配系数K。=1．1—1．25、质量系 数K，=1、齿轮的齿面宽F=0．155d：及计算弯曲应 力用的综合系数(或几何系数)_，。经计算可得主动 螺旋锥齿轮的弯曲应力叮。=768．2MPa，从动螺旋锥 齿轮的弯曲应力仃。=848．4MPa，主从动齿轮均采用 牌号为20Cr2Ni4A的合金结构钢，其抗拉强度≥1 200MPa。一般来说，车用主减速器齿轮的许用弯曲 应力不超过材料强度极限的75％，即应小于900 MPa。由此可知，主减速器的主从螺旋锥齿轮的弯 曲应力均能满足ADT驱动桥的要求。 2．2齿面接触强度校核 齿轮的齿面接触强度不足会引起齿面的疲劳点 蚀及剥落，因此齿轮要有足够的接触疲劳强度，主减 速器螺旋锥齿轮齿面的计算接触应力 咿§／堡燮恣竽塑：1213．55胁(6)。j—d。～ K，，玎 一1。1。‘。。“““ 、”7 c，——材料的弹性系数，对于钢制齿轮副取 1 Cp=232．6陋／mm； K，——表面质量系数，制造精确的齿轮可取 Kf=1。 主减速器齿轮的许用齿面接触应力一般为2800 MPa。因主、从动齿轮的齿面接触应力相等，则本设 计的主减速器主从螺旋锥齿轮的齿面接触强度也完 全符合要求。 3结语 上述的设计计算和强度校核，综合考虑驱动桥 的离地间隙、最高车速的要求及总传动比在传动系 各部分的分配等因素，符合贯通式驱动桥主减速器 的设计要求，并将计算结果应用到45t铰接式自卸 车上，为制造ADT贯通式驱动桥提供技术支持，填 补了我国在该领域的空白，同时可作为下一步ADT 传动系优化设计的参考。随着我国西部开发战略的 实施和市场的需求，我国必将设计出适合我国国情 的、完全拥有自主知识产权的ADT产品。 参考文献： [i]刘惟信．汽车车桥设计[M]．北京：清华大学出版社，2006． [2]《汽车工程手册》编辑委员会．汽车工程手册：设计篇[K]．北京： 人民交通出版社，2001． [3]刘晋霞，张文明．铰接式自卸车与刚性自卸车的比较[J]．矿山机 械，2003(9)：21—22． [4]葛恒安．国内外铰接式自卸车的发展概况[J]．建筑机械，2003 (4)：7—9． 作者简介：仝令胜(1980一)，山东曹县人，北京科技大学博士研 究生，专业：车辆工程，主要研究方向：矿用车辆的设计及其优化，电 话：010—62310302，电子信箱：tonglingsheng@163．Ⅲn． 收稿日期：2007—10-30 本 ：l：JJ 声 明 《煤矿机械》月刊从2005年第1期开始，以每1期为相应的期次、卷期记录出版次序。1980年创刊至今 已有28年，每年划为1卷，2008年为第29卷。 1980年1～2期为第l卷 1991年1～6期为第12卷 2001年1～12期为第22卷 1981年1～6期为第2卷 1992年1—6期为第13卷 2002年1—12期为第23卷 1982年1～6期为第3卷 1993年1～6期为第14卷 2003年1—12期为第24卷 1983年1～6期为第4卷 1994年1．6期为第15卷 2004年1—12期为第25卷 1984年1。6期为第5卷 1995年1。6期为第16卷 2005年1～12期为第26卷 ·1985年1。6期为第6卷 1996年1。6期为第17卷 2006年1～12期为第27卷 1986年1。6期为第7卷 1997年1—6期为第18卷 2007年1—12期为第28卷 1987年l一6期为第8卷 1998年1。12期为第19卷2008年1～12期为第29卷 1988年1～6期为第9卷 1999年1。12期为第20卷文章参考文献以出版年、卷、 1989年1。12期为第10卷2000年1．12期为第2l卷期、文章页码进行引用。 1990年1。12期为第11卷 一18— 万方数据 45 t铰接式自卸车贯通式驱动桥主减速器设计 作者： 仝令胜， 石博强， 申焱华， 郭朋彦， TONG Ling-sheng， SHI Bo-qiang， SHEN Yan- hua， GUO Peng-yan 作者单位： 北京科技大学,土木与环境工程学院,北京,100083 刊名： 煤矿机械 英文刊名： COAL MINE MACHINERY 年，卷(期)： 2008，29(2) 被引用次数： 1次 参考文献(4条) 1.刘惟信 汽车车桥设计 2006 2.《汽车工程手册》编辑委员会 汽车工程手册:设计篇 2001 3.刘晋霞.张文明 铰接式自卸车与刚性自卸车的比较[期刊论文]-矿山机械 2003(09) 4.葛恒安 国内外铰接式自卸车的发展概况[期刊论文]-建筑机械 2003(04) 相似文献(2条) 1.学位论文 李海涛 45t铰接车驱动桥齿轮传动系统静态及动态特性研究 2009 驱动桥是铰接式自卸车传动系统最重要的组成部件之一，其工作性能对整车工作性能有着至关重要的影响。随着铰接式自卸车吨位不断的提高，以 及驱动桥齿轮传动系统受变载荷工况等恶劣的运行环境，对齿轮传动系统的设计、制造、安装等提出了特殊要求，其疲劳分析和动态特性分析的研究已 经成为国内外关注的热点课题。
　　 论文课题来源于北京科技大学与秦皇岛通联重型工程机械有限公司的合作项目，本文以45t铰接式自卸车驱动桥齿轮传动系统为研究对象，具体研究的 工作如下：
　　 (1)首次用Romax软件建立了包含主减速器、差速器、轮边减速器的齿轮传动系统完整的动力学模型，该模型较好地反映了齿轮传动系统各部分的动态耦 合效应。
　　 (2)对驱动桥齿轮传动系统的刚度和强度进行了理论分析，得出了主动锥齿轮变形，分析结果表明影响不大，但是对传动误差有影响。
　　 (3)对驱动桥齿轮传动系统强度进行了校核，分析了主动锥齿轮轴的静强度、主动锥齿轮强度、轴承疲劳寿命和行星架应力及变形情况，分析结果表明 ，以上都符合要求。
　　 (4)分析了驱动桥齿轮传动系统振动产生的机理，用Romax软件对齿轮传动系统进行了模态分析，得到了系统的前13阶固有特性，分析结果表明共振现象 在使用过程中不会发生。
　　 (5)在考虑驱动桥齿轮传动系统的激励时，分析了锥齿轮传递误差、齿轮副动态传递误差、行星齿轮传递误差及行星齿轮传递误差快速傅氏变换 (FFT)，得出了在动态激励下齿轮传动系统的振动时域响应，结果具有良好的规律性，符合驱动桥的使用要求。 2.期刊论文 赵志国.李海涛.司传胜.ZHAO Zhi-guo.LI Hai-tao.SI Chuan-sheng 45t铰接式自卸车驱动桥支承轴承 疲劳寿命分析 -煤矿机械2010,31(9) 利用Romax软件建立了驱动桥齿轮传动系统虚拟样机,采用ISO 281和Romax Adjusted轴承疲劳寿命预测方法,对滚动轴承疲劳寿命进行了对比模拟分 析.结果表明,各支承轴承的寿命较长,损伤较低,可长时间运转工作. 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_mkjx200802007.aspx 授权使用：吉林大学(jldx)，授权号：8c99dabc-8db9-4102-bd0a-9e3500ef1dd9 下载时间：2010年11月21日