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高速驱动桥主减速器准双曲面齿轮特性分析

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图１－２准双曲面齿轮副的节锥
１．２论文选题的背景和意义
近年来，我国汽车工业发展迅猛，汽车产业已成为我国的支柱产业之一， 国家统计局的相关数据表明，２００８年中国汽车总产量达至１Ｊ９３４．５万辆，跃居世界 第二位（仅次于日本），总销量达至１Ｊ９３８万辆，仅次于美国。随着经济的高速发 展，我国即将成为全球最大的汽车生产国和消费国。 驱动车桥是汽车传动系和行驶系的重要组成部分，如图１—３所示。其功用是 将万向传动装置传来的发动机转矩传给驱动车轮，实现降速以增大转矩，其由主 减速器、差速器、半轴和驱动桥壳等几部分组成，如图１．４所示。主减速器是汽 车传动系中减小转速、增大扭矩的主要部件，是汽车传动系最关键的部件之一， 其性能的好坏对汽车的质量有很大的影响。准双曲面齿轮传动具有传动平稳、 可降低小汽车的重心等优点，因而被广泛应用于轿车、微型车等的驱动桥主减速 器中。 随着社会经济的不断发展，汽车的行驶速度越来越快，人们对汽车乘坐舒 适性的要求也越来越高，而驱动桥主减速器是汽车振动噪声的一个重要来源。 因此，分析在高车速情况下，准双曲面齿轮参数与传动平稳性的关系，优化齿
ａｎｄ Ｃａｌｌ
ｇｅｔ ｇｒｅａｔ ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ ｔｏ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅｓ．Ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｃｏｍｅ
ｓｏｕｒｃｅ
ｆｒｏｍ ｒｅｄｕｃｅｒ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ
ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ｎｏｉｓｅ，ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ｒｅｄｕｃｅｒ ｆｏｒ
ｕｓｅｄ ｉｎ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｍａｉｎ ｓｈａｆｔ ｒｅｄｕｃｅｒ
Ｃａｎ
ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｈｅｉｇｈｔ，ｔｈｅｒｅｂｙ
ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｃｈａｓｓｉｓ，ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｍｏｏｔｈ ｄｒｉｖｉｎｇ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ
１．１准双曲面齿轮概述
准双曲面齿轮是一种特殊的锥齿轮，它主要应用于航空、汽车、等工业中， 国内外现代汽车驱动桥的主传动齿轮大多采用的是准双曲面齿轮。螺旋锥齿轮 可以有很多种分类，其中按节锥齿线可以把齿轮分为圆弧齿锥齿轮、延伸外摆 线齿锥齿轮和准渐开线齿锥齿轮，目前使用最广泛的齿轮为圆弧齿锥齿轮…。圆 弧锥齿轮按照轴线位置的不同又可以分成：两轴线相交但不垂直的称为一般形 式的锥齿轮副，这种齿轮副仅在特殊用途情况下使用；两轴线垂直相交的统称 为弧齿锥齿轮；两轴线垂直但不相交的锥齿轮副则称为准双曲面齿轮，如图１－１ 所示。准双曲面齿轮的小齿轮轴线相对于大齿轮轴线向上或向下偏置一个距离， 因而准双曲面齿轮可用于传递空间两相错轴之间的回转运动。在汽车驱动桥主 减速器中采用准双曲面齿轮传动，由于主从动齿轮轴的相对偏移，可给汽车总 布置带来很大方便；另外，小齿轮可以选取较大的螺旋角和端面模数，以此增 大小齿轮直径，提高了小齿轮的强度和寿命。
武汉理工大学 硕士学位论文 高速驱动桥主减速器准双曲面齿轮特性分析 姓名：冷文明 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：赵燕 20090401
武汉理工大学硕士学位论文
摘要
准双曲面齿轮是一种特殊的锥齿轮，与普通锥齿轮相比，具有重迭系数大、 传动平稳、冲击和噪音小、可降低汽车的重心、承载能力高和寿命长等优点，在 汽车主减速器中得到广泛的应用。准双曲面齿轮传动中，偏置距是一个重要参 数，偏置距的存在，使主从动齿轮轴有相对偏移，使得准双曲面齿轮可用于传 递空间两垂直相错轴之间的回转运动。主减速器是汽车传动系的重要组成部分， 准双曲面齿轮应用在汽车主减速器中能降低传动轴的安装高度，从而降低汽车 底盘的高度，提高汽车行驶的平稳性，并给汽车的总体布置带来很大方便。主 减速器的噪声是汽车噪声的一个重要来源，减小主减速器噪声对于提高汽车乘 坐的舒适性具有十分重要的意义。准双曲面齿轮传动的平稳性与偏置距有关， 在汽车工业中偏置距的值是在经验范围内选取的，很难选取最适合的偏置距值； 因此，分析准双曲面齿轮的偏置距与传动平稳性的关系，研究一种确定最佳偏 置距的方法，对于降低主减速器的噪声具有十分重要的意义。 本文介绍汽车主减速器准双曲面齿轮的相关知识和设计方法，确定准双曲 面齿轮模型的几何参数，建立准双曲面齿轮的三维模型；在经验范围内设定５组 偏置距的值，并建立对应的５组准双曲面齿轮运动模型；对５组运动模型分别进 行高转速和低转速条件下的运动仿真和动力分析，得出从动齿轮的运动曲线和 主动齿轮的扭矩曲线，对所得曲线进行取样并运用数理统计的方法对取样值进 行处理，得出各曲线的样本方差，以判断各运动模型在本文所设定条件下的运 动平稳性，进而分析准双曲面齿轮偏置距和运动平稳性的关系。本文对准双曲 面齿轮进行模态分析，计算出大小齿轮的－园ｉＪｌ０阶固有频率，列出振型图，并对 所得结果进行分析，提出了避免齿轮发生共振的一些措施以及在准双曲面齿轮 设计过程中参数选取时的一些注意事项。
ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ
ｖａｌｕｅｓ ｏｆ
ａｎｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ｇｅａｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｃｕｒｖｅ．Ｕｓｅ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ
ｔｏ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｅｄｓ
ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ
ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ
ｆｒｏｍ ｔｈｅ
ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｖｅｙ ｔｈｅ ｗｒｏｎｇ ｒｏｏｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｘｉｓ ｒｏｔａｒｙ ｍｏｖｅｍｅｎｔ． Ｒｅｄｕｃｅｒ ｉｓ
ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｖｅｈｉｃｌｅ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｉｎ，ａｎｄ ｈｙｐｏｉｄ ｇｅａｒｓ
一（㈣：硷娴新（㈣：缓期刁Ａ＞５
武汉理工大学硕士学位论文
第１章绪论
准双曲面齿轮已有６０多年的发展历史，因其啮合性能好，传动平稳、噪声 小，承载能力高．结构紧凑等优点得到广泛的应用【”，特别是在汽车工业中．准 双曲面齿轮大量应用于汽车主减速器。主减速器的噪声是汽车噪声的一个重要 来源．减小主减速器噪声对于提高汽车乘坐的舒适性具有十分重要的意义。因 此，有必要对准双曲面齿轮的参数与传动平稳性的关系进行分析。
ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｒｉｄｅ ｃｏｍｆｏｒｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｔｈｅ ｓｍｏｏｔｈ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｈｙｐｏｉｄ ｇｅａｒｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｂｉａｓ，ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｂｉａｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｉｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｆｒｏｍ
ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｒａｎｇｅ，ａｎｄ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ
ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ
ｌｌｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ａｎｄ
ｄｒｉｖｅｎ ｇｅａｒ
ｌｏｗ ｓｐｅｅｄ
ｇｒｏｕｐｓ．Ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｉｓ
ａ
ａ
ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｉｎ ｔｈｅ
ｄｉｓｔａｎｃｅ
ｖｅｒｙ
ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｆｒｏｍ
ｔｈｅ
ｃａｎ
ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ
ｏｆ ｔｈｅ ｂｉａｓ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｈａｆｔ
ｄｒｉｖｅｎ
ｇｅａｒ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｏｆｆｓｅｔ，ｔｈｅ ｈｙｐｏｉｄ ｇｅａｒｓ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄ：ｈｙｐｏｉｄ ｇｅａｒ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ
ＩＩＩ

独创性声明
本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
ｍｅｔｈｏｄ
ｔｏ
ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｂｉａｓ ｆｏｒ ｌｏｗｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅｄｕｃｅｒ ｉｓ
ａ
ｇｒｅａｔ
ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｈｙｐｏｉｄ ｇｅａｒ ｒｅｄｕｃｅｒ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ
ｇｒａｖｉｔｙ ｔｏ ｍｏｔｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｈｉｇｈ ｌｏａｄ－ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｌｌ ｔｈｉｓ ｍａｄｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅｄｕｃｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｎ ｏｆ ｈｙｐｏｉｄ ｇｅａｒ，ｔｈｅ ｏｆｆｓｅｔ
ｃａｒ
ａｎｄ
ｔｈｅ
ａｄｖａｎｔａｇｅｓ
ｏｆ ｌｏｎｇ ｌｉｆｅ，
ａｎｄ
ａｔ ｍｏｄａｌ ｓｔｅａｄｙ ｏｆ ｈｙｐｏｉｄ ｇｅａｒｓ ｍｏｖｅｍｅｎｔ．Ｇｅａｒｓ
ａｎａｌｙｓｉｓ
ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ３０ ｎａｔｕｒａｌ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ，ａｎｄ ｍｏｄｅ
ｓｈａｐｅｓ ａｒｅ
Ｉｌ
武汉理工大学硕士学位论文
ｌｉｓｔｅｄ ｉｎ ｍａｐｓ．Ａｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｅａｒ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｓｏｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｅｌｅｃｔ ｏｆ ｈｙｐｏｉｄ ｇｅａｒｓ ａｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ．
ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ
ｒａｎｇｅ，ｉｔ
ｉｓ
ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ
ｔｏ ｓｅｌｅｃｔ ｔｈｅ

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螺旋锥齿轮——准双曲面齿轮讲解

螺旋锥齿轮——准双曲面齿轮讲解

2) 沿齿长方向和齿高方向都有相对滑动，所以齿面 磨损均匀。热处理后也便于研磨，改善接触区、
提高齿面光洁度和降低噪声。
2. 准双曲面齿轮概述
3）轴线偏置，使传动在空间的布置具有了更大的自由度。如 下偏可以用于降低汽车的重心增加平稳性；也可以用来增 加车身的高度，增加汽车的越野性。
2. 准双曲面齿轮概述
2.速比与螺旋角
轮齿的齿线的形成
K2
VpgH2G Nhomakorabean
法面
1 2 '


V

P
R2
H1

轮齿 切线
R1
K1

p
VG
2.速比与螺旋角
不同的螺旋角可以适应不同的传动比 ,因此对于给定的传 动比准双曲面齿轮的节锥并不唯一。 设计中一般先给定小轮螺旋角 1 。如果螺旋角不满足要 求，可通过改变r1来满足。
•H1、H2节锥顶点 •H1P小轮锥距R1 •H2P大轮锥距R2 1小轮节锥角 2大轮节锥角 ’ 偏置角
O1 A2
Z O2
H2
ZP

r2 R2
-G

H1
ZG

R1
A1
P
r1
K1
1.准双曲面齿轮副的节面模型
• 节平面为两节锥 的共切面 • 节锥面为单叶双 曲面的近似
K2
A2
H2

r2 R2
3) 润滑条件要求高，需特殊的准双曲面齿轮润滑油。
使用中的一些特性： 准双曲面齿轮齿面间的纵向滑移远超过圆柱齿 轮和弧齿锥齿轮，这种滑移对承载能力和齿面 磨损有很大的影响，多数情况下出现机械磨损，
或引起齿面胶合，其次的失效形式为疲劳点蚀。
Ease-off修形高减速比准双曲面齿轮接触仿真与动态性能试验

Ease-off修形高减速比准双曲面齿轮接触仿真与动态性能试验

2023年第47卷第5期Journal of Mechanical TransmissionEase-off修形高减速比准双曲面齿轮接触仿真与动态性能试验古德万魏冰阳任明辉何宏图（河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471000）摘要针对高减速比准双曲面（High Reduction Hypoid，HRH）齿轮大轮齿廓曲率不足、小轮大螺旋角齿面高度扭转的问题，提出了大轮采用刀具修形以实现齿面点接触的方法，小轮采用一般滚切法，简化机床加工参数；建立了大、小轮的三维模型，Ease-off拓扑曲面；解析了接触路径、差曲率、传动误差等齿面接触性能参数；通过三维运动仿真对比修形前后齿面的接触区，修形后避免了边缘接触，接触区位于齿面中部靠近小端，与齿轮实际接触斑点一致。

完成了HRH齿轮减速器动态性能试验，齿轮啮合传动性能优良，啮合质量稳定，验证说明所设计的HRH齿轮修形量控制合理、理论计算与运动仿真正确。

关键词准双曲面齿轮刀具修形差曲面运动仿真振动Contact Simulation and Dynamic Performance Test of Ease-off Modified HighReduction Hypoid GearsGu Dewan Wei Bingyang Ren Minghui He Hongtu(School of Mechanical & Electronic Engineering, Henan University of Science & Technology, Luoyang 471000, China)Abstract Aiming at the problems of insufficient curvature of the tooth profile of the wheel of the high reduction hypoid (HRH) gear, and high twist of the tooth surface of the pinion with a large helix angle, a method of using a tool to modify the wheel to realize the point contact of the tooth surface is proposed; the pinion adopts the general hobbing method, which simplifies the machining parameters of the machine tool. Three-dimensional models of wheels and pinions and Ease-off topological surfaces are established; the contact performance parameters of tooth surfaces, such as the contact path, differential curvatures, transmission error, etc. are analyzed. The contact areas of the tooth surface before and after modification are compared by 3D motion simulation，and the edge contact is avoided after modification, and the contact area is located in the middle of the tooth surface near the small end, which is consistent with the actual contact spot of the gear. The dynamic performance test of HRH gear reducers has been completed, the gear meshing transmission performance is excellent, and the meshing quality is stable, which verifies the reasonable control of the designed HRH gear modification amount, and the correct theoretical calculation and motion simulation.Key words Hypoid gear Modification tool Ease-off surface Motion simulation Vibration0 引言大减速比齿轮传动装置常采用蜗杆或行星传动，其制造难度大、成本高、精度难以保证。

准双曲面齿轮实际齿面接触分析与调整计算

准双曲面齿轮实际齿面接触分析与调整计算

2023年第47卷第4期Journal of Mechanical Transmission准双曲面齿轮实际齿面接触分析与调整计算韩昆朋1杨建军2（1 新乡职业技术学院数控技术学院，河南新乡453000）（2 河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471039）摘要为了对准双曲面齿轮实际齿面的接触区进行调整修正，基于齿面测量结果，对大、小轮齿面进行了双三次样条曲面拟合。

采用齿面点二维黄金分割加密方法，编制了离散齿面接触分析算法，获得了实际齿面的啮合信息和接触印痕调整参数，为机床加工参数的反调修正提供了依据。

对某车桥准双曲面齿轮副进行了实际齿面滚检试验，仿真分析与实际滚检结果基本一致，验证了所提出算法的可行性和正确性。

关键词准双曲面齿轮接触印痕齿面加密干涉Tooth Contact Analysis and Adjustment Calculation of Real ToothSurfaces of Hypoid GearsHan Kunpeng1Yang Jianjun2（1 School of Numerical Control Technology, Xinxiang Vocational and Technical College, Xinxiang 453000, China）（2 School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471039, China）Abstract For the purpose of adjusting the calculation of the contact pattern of real hypoid gears, the double third-power spline surface is used for fitting tooth surfaces of pinions and gears accurately according to the measurement results of the gear surface. Based on the two-dimension golden section method for increasing the density of gear grid mesh points, the contact analysis algorithm for discrete real gear surface is established to carry out the contact information of real gear surface and adjust parameters of contact patterns, which is applied for adjusting of machining-tool settings conveniently. In the end, a hypoid gear pair of automobile driving axles is used to verify the feasibility and correctness of the proposed algorithm by rolling tests, which shows that the contact pattern by discrete tooth contact analysis is consistent with the real rolling test.Key words Hypoid gear Contact pattern Tooth surface refinement Interference0 引言准双曲面齿轮具有重合度大、传动平稳等特点，广泛应用于车辆驱动桥传动中。

驱动桥准双曲面齿轮的建模与分析

驱动桥准双曲面齿轮的建模与分析


XF
, X1
2
准双曲面齿轮的实体模型
鉴于准双曲面齿轮齿面形状的复杂性，本文决定
[5]
αP
rC 1
Yt1 YP
OP sP θP ZP Z t1 X t1
XP
研究了在安装误 差下准双曲面齿轮的啮合性能，
比较了直齿锥齿轮和准双曲面齿轮对安装误差的敏感 性，文献 [6] 研究了接触区偏移对螺旋锥齿轮齿根弯曲 强度的影响，得出不同工况对接触区的要求。 综合上述考虑，本文决定从齿轮副的建模和有限 元分析两个方面入手，建立该齿轮的精确的数学模型 和实体模型，比较在具有安装误差情况下，大端接触、 小端接触和中点接触三个不同接触区的应力状态以及 发生边缘接触时的载荷，提高齿轮传动可靠性。
准双曲面齿轮能够传递两相交轴或交错轴之间的 运动和动力，具有重合度大、承载能力高、传动平稳等 优点，广泛应用于车辆和工程机械的驱动桥传动中
[1,2]
面方程，过程如下 ： 图 1 是小轮的刀盘坐标系，在刀盘坐标系 SP 中，
。 表示刀盘的切削面方程和法线方程如下 ：
准双曲面齿轮具有非常复杂的齿面形状，无法实 现直接建模和参数化建模 ；在加工方面，国内外普遍 采用 HFT(hypoid gear formate tilt)[3] 法，这种方法较 为成熟，目前，国外学者提出一种新的加工方法—全 工序法 [4]，但该方法尚处于研究阶段，对加工机床的 要求过高，需要对机床加以改造 ； 准双曲面齿轮作为驱 动桥的主要部件，其接触强度和弯曲强度对齿轮的使 用寿命和可靠性具有重要意义 ；安装误差对齿轮副的 接触路径以及传动性能具有很大的影响，鉴于此，文 献
式中 ： rc1 —刀尖半径 ；
（2）
H FT 法加工，大轮的数学模型较为简单，具体可参照 文献 ，鉴于篇幅，本文以左旋小轮为例，推导其齿