如何学好传动系统中传动方案的设计

陈永清　宋雄飞　刘伟亮

摘 要：传动系中传动方案的设计是《工程机械设计》教学中的重点，而驱动桥中主传动器的布置是其中的难点。本文分析了传动系中可能存在的传动方案，对其中各个方案的机构做了详细的说明，特别是分析了主传动器采用双曲面锥齿轮时齿轮的安装位置、旋向和偏置情况，可以使学生更加轻松的掌握传动系传动方案的设计。

关键词：传动设计；差速器；双曲面锥齿轮；旋向；偏置

传动系中传动方案的设计是《工程机械设计》教学中的重点，而驱动桥中主传动器的布置是其中的难点。在设计过程中由于涉及到的传动装置多，运动方向易发生变化，在主传动器锥齿轮的布置上学生极易出错。为解决此问题，促进教学，本文对其设计过程进行了详细的分析。

1 传动系统方案

我们首先应将整个传动系看成一个整体，从发动机出发直至车轮轮毂，明确传动系中各个部分的布置情况及其传动方向。设计路线如下：发动机→ 联轴器→变速器→传动轴→驱动桥输入轴→主传动器→差速器→轮边减速器→車轮。

在主传动器的设计过程中，其结构型式主要根据齿轮类型以及减速形式的不同而不同。齿轮主要有螺旋锥齿轮、双曲面锥齿轮、圆柱齿轮和蜗轮蜗杆等形式。其中，当采用单级锥齿轮结构的主传动器时，在位置布置时先应确定其旋转方向，而旋转方向的确定则与变速器输出轴旋向和轮边减速器的型式有关。

2 主传动器主动齿轮的旋向

发动机的旋向是已知的，欲判断主传动器主动齿轮的旋向，则需明确在经过变速器后轴的旋向是否发生变化。一般情况下，变速器的型式对输出轴旋向的影响如下：

二轴式机械变速器（改变轴的旋向）

平面三轴式机械变速器（不改变轴的旋向）

空间三轴式机械变速器（不确定，设计者规定）

定轴式动力换挡变速器（不确定，设计者规定）

行星式动力换挡变速器（不改变轴的旋向）

如果变速器后又有一级圆柱齿轮减速，轴的旋向再次改变。

3 传动轴的画法

双十字轴万向节可以实现两根同一平面内且不在同一轴线的轴的等速传动，其结构简单，传动效率高，噪声低，使用寿命长，维修保养方便。所以以之为例进行说明。在传动轴采用十字万向节进行连接时，要注意其表示方法，传动轴两端万向节叉必须在同一平面内（见图2）。

4 轮边减速器的型式对主传动器被动齿轮的布置位置的影响

主传动器被动齿轮与轮边减速器输入轴同向旋转，我们已知车轮的前进方向，欲推断出被动齿轮的运动方向，则需判断轮边减速器是否改变轴的旋向。一般而言，轮边减速器的结构为单排行星轮传动或者圆柱齿轮传动。

4.1 轮边减速器为单排行星轮传动：图3表示，行星架固定，太阳轮输入，齿圈输出。其速度方向的判断如图所示：给定太阳轮的速度方向，齿圈的速度与太阳轮的速度相对于行星架来说，大小相等方向相反，因此，选择此种轮边减速器输入轴与输出轴的旋向相反。

图4表示，太阳轮输入，齿圈固定，行星架输出。给定太阳轮的速度方向同理可以判断出行星架（输出轴）的速度方向。此种情况下输入轴与输出轴的旋向相同。

4.2 轮边减速器为单级圆柱齿轮传动：图5表示轮边减速器为采用单级圆柱齿轮传动的情况，选择此种轮边减速器输入轴与输出轴的旋向相反。

5 主传动器锥齿轮位置的确定

当系统传动经过十字万向节传动后，到驱动桥输入轴，接下来进行的是锥齿轮的布置，锥齿轮的布置是整个系统设计的难点。选择以平面三轴式变速器和图4所示的轮边减速器为例进行分析：

我们首先要知道，主动锥齿轮和被动锥齿轮的轴向受力应使两个齿轮啮合面有分离趋势，防止齿面咬合。在主传动器中，主动锥齿轮与输入轴连接，被动锥齿轮与差速器壳连接。主动锥齿轮的位置可以直接确定，接下来布置被动锥齿轮。被动锥齿轮的位置可以由主动锥齿轮和差速器壳的旋向来确定。

锥齿轮旋向的判别法则：让大拇指方向指向受力方向，四指指向锥齿轮的运动方向；左手符合的则锥齿轮是左旋，右手符合的则锥齿轮是右旋。

以图6为例，主动锥齿轮受力方向向右，运动方向向下，右手符合，故主动锥齿轮右旋，被动锥齿轮左旋。要求车辆前进方向向左，而所选的轮边减速器不改变轴的旋向，因此，被动锥齿轮的旋向与车辆前进方向相同。

被动锥齿轮左旋，用左手四指指向主传动器输出轴方向，即指向车辆前进方向；大拇指方向指向轴向受力方向，则可判断出被动锥齿轮的位置，被动锥齿轮安装在上方，如图6所示。

6 差速器的简图

差速器是轮式车辆驱动桥的主要部件。它的作用就是在向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两侧车轮以纯滚动的形式行驶，减少轮胎与地面的摩擦。

普通圆锥齿轮差速器的基本结构如下：两个小锥齿轮（行星轮）装在十字轴上，十字轴穿过差速器壳，差速器壳与主传动器被动锥齿轮相连接。小锥齿轮与半轴齿轮啮合，半轴用花键与半轴齿轮相连。

最终得到驱动桥部分的传动简图如图8所示。

7 锥齿轮的旋向及偏置

相对于其他形式的主传动来说，双曲面锥齿轮具有承载能力强，传动平稳，容易实现大传动比的优点，广泛用在汽车，拖拉机和工程机械主传动上。

而当主传动器采用双曲面锥齿轮时，其旋向和偏置判断方法如图9所示：

齿轮旋转方向的判断：

齿轮轴上下偏移位置的判断：从大锥齿轮顶看，小齿轮轴线在大齿轮轴线右下方或左上方为下偏置，反之为上偏置。

8 总结

在教学过程中，很多学生对锥齿轮的判断方法了解不透彻，被动锥齿轮位置判断易出错。在安置被动锥齿轮前，需先知道被动锥齿轮的旋向和运动方向。被动锥齿轮的运动方向可综合轮边减速器和车轮运动方向进行判断，若轮边减速器改变输入输出轴的旋向，则被动锥齿轮与车辆前进方向相反，反之则相同；被动锥齿轮旋向与主动锥齿轮相反，被动锥齿轮的旋向可由被动锥齿轮的受力方向和运动方向推出，因而确定被动锥齿轮的位置（其具体判断方法已在“锥齿轮的旋向及偏置”详细阐述）。

9 结束语

采用以上方法进行教学后，学生普遍反映能较容易的抓住其中的关键点，并能梳理清各个结构之间的关系以及其结构内部的连接和传动方式。通过教学实践证明，在驱动桥设计过程中，在确定驱动桥的整体结构后，理清动力传递所需的各个部件之间的联系，以及各结构的内部连接方式能更方便、准确的设计出正确的传递简图。

参考文献：

[1]余志生.汽车理论（第二版）[M].机械工业出版社，1992.

[2]张光裕.工程机械底盘构造与设计[M].建筑工业出版社，1996.

[3]张光裕.工程机械底盘设计[M].机械工业出版社，1986.

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