汽车驱动桥设计【轻型货车驱动桥设计】【主减速器采用单级主减速器驱动桥】
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汽车驱动桥设计 专业班级: 学生姓名: 指导教师: 职称:教授 摘要 驱动桥位于传动系末端,其基本功用是增矩、降速,承受作用于路面和车架或车身 之间的作用力。它的性能好坏直接影响整车性能,而对于载重汽车显得尤为重要。当采 用大功率发动机输出大的转矩以满足目前载重汽车的快速、重载的高效率、高效益的需 要时,必须搭配一个高效、可靠的驱动桥,所以采用传动效率高的单级减速驱动桥已经 成为未来载重汽车的发展方向。驱动桥设计应主要保证汽车在给定的条件下具有最佳的 动力性和燃油经济性。本设计根据给定的参数,按照传统设计方法并参考同类型车确定 汽车总体参数,再确定主减速器、差速器、半轴和桥壳的结构类型,最后进行参数设计 并对主减速器主、从动齿轮、半轴齿轮和行星齿轮进行强度以及寿命的校核。驱动桥设 计过程中基本保证结构合理,符合实际应用,总成及零部件的设计能尽量满足零件的标 准化、部件的通用化和产品的系列化及汽车变型的要求,修理、保养方便,机件工艺性 好,制造容易。 关键字:轻型货车 驱动桥 主减速器 差速器 Automotive Drive Axle Design Abstract Drive axle is at the end of the powertrain, and its basic function is increasing the torque and reducing the speed, bearing the force between the road and the frame or body. Its performance will have a direct impact on automobile performance .Because using the big power engine with the big driving torque satisfied the need of high speed, heavy-loaded,high efficiency,high benefit today heavy truck,must exploiting the high driven efficiency single reduction final drive axle is becoming the heavy truck developing tendency. Drive axle should be designed to ensure the best dynamic and fuel economy on given condition. According to the design parameters given, firstly determine the overall vehicle parameters in accordance with the traditional design methods and reference the same vehicle parameters, then identify the main reducer, differential, axle and axle housing structure type, finally design the parameters of the main gear, the driven gear of the final drive, axle gears and spiral bevel gear and check the strength and life of them. In design process of the drive axle, we should ensure a reasonable structure, practical applications, the design of assembly and parts as much as possible meeting requirements of the standardization of parts, components and products universality and the serialization and change convenience of repair and maintenance, good mechanical technology, being easy to manufacture. Key words: light truck; drive axle; single reduction final drive 目 录 引言 .1 第一章 总体方案论证 .2 1.1 非断开式驱动桥 .3 1.2 断开式驱动桥 .3 1.3 多桥驱动的布置 .4 第二章 主减速器设计 .5 2.1 主减速器结构方案分析 .6 2.1.1 螺旋锥齿轮传动 .6 2.1.2 结构形式 .7 2.2 主减速器主、从动锥齿轮的支承方案 .7 2.2.1 主动锥齿轮的支承 .7 2.2.2 从动锥齿轮的支承 .8 2.3 主减速器锥齿轮设计 .8 2.3.1 主减速比 i 的确定 .80 2.3.2 主减速器锥齿轮的主要参数选择 .10 2.4 主减速器锥齿轮的材料 .11 2.5 主减速器锥齿轮的强度计算 .12 2.5.1 单位齿长圆周力 .12 2.5.2 齿轮弯曲强度 .13 2.5.3 轮齿接触强度 .14 2.6 主减速器锥齿轮轴承的设计计算 .14 2.6.1 锥齿轮齿面上的作用力 .14 2.6.2 锥齿轮轴承的载荷 .15 2.6.3 锥齿轮轴承型号的确定 .18 第三章 差速器设计 .19 3.1 差速器结构形式选择 .19 3.2 普通锥齿轮式差速器齿轮设计 .20 3.3 差速器齿轮的材料 .22 3.4 普通锥齿轮式差速器齿轮强度计算 .22 第四章 驱动车轮的传动装置设计 .23 4.1 半轴的型式 .23 4.2 半轴的设计与计算 .24 4.2.1 半浮式半轴的设计计算 .25 4.3 半轴的结构设计及材料与热处理 .27 第五章 驱动桥壳设计 .28 5.1 桥壳的结构型式 .28 5.2 桥壳的受力分析及强度计算 .29 第六章 结论 .30 致 谢 .31 参 考 文 献 .31 附件清单 .33 0 引言 本课题是对汽车驱动桥的结构设计。故本说明书将对驱动桥及其主要零部件的结构 型式与设计计算作一一介绍。 驱动桥的设计,由驱动桥的结构组成、功用、工作特点及设计要求讲起,详细地分 析了驱动桥总成的结构型式及布置方法;全面介绍了驱动桥车轮的传动装置和桥壳的各 种结构型式与设计计算方法。 汽车驱动桥是汽车的重大总成,承载着汽车的满载簧荷重及地面经车轮、车架及承 载式车身经悬架给予的铅垂力、纵向力、横向力及其力矩,以及冲击载荷;驱动桥还传 递着传动系中的最大转矩,桥壳还承受着反作用力矩。汽车驱动桥结构型式和设计参数 除对汽车的可靠性与耐久性有重要影响外,也对汽车的行驶性能如动力性、经济性、平 顺性、通过性、机动性和操动稳定性等有直接影响。另外,汽车驱动桥在汽车的各种总 成中也是涵盖机械零件、部件、分总成等的品种最多的大总成。例如,驱动桥包含主减 速器、差速器、驱动车轮的传动装置(半轴及轮边减速器) 、桥壳和各种齿轮。由上述可 见,汽车驱动桥设计涉及的机械零部件及元件的品种极为广泛,对这些零部件、元件及 总成的制造也几乎要设计到所有的现代机械制造工艺。因此,通过对汽车驱动桥的学习 和设计实践,可以更好的学习并掌握现代汽车设计与机械设计的全面知识和技能。 本课题的设计依据: 发动机排量 1997ML 最大功率/转速 110/6000 KW/RPM 最大转矩/转速 186/5000 NM/RPM 最高车速 Vmax=180km/h 轮距 1450mm 车轮滚动半径 R=0.312m 主减速比 3.91 有以下两大难题,一是将发动机输出扭矩通过万向传动轴将动力传递到后轮子上, 达到更好的车轮牵引力与转向力的有效发挥,从而提高汽车的行驶能力。二是差速器向 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,满足两边车轮尽可能以纯 1 滚动的形式作不等距行驶,减少轮胎与地面的摩擦。 本课题的设计思路可分为以下几点:首先选择初始方案,该轿车属于普及型轿车, 采用后桥驱动,所以设计的驱动桥结构需要符合普及型轿车的结构要求;接着选择各部 件的结构形式;最后选择各部件的具体参数,设计出各主要尺寸。 所设计的轿车驱动桥制造工艺性好、外形美观,工作更稳定、可靠。该驱动桥设计 大大降低了制造成本,同时驱动桥使用维护成本也降低了。驱动桥结构符合其整体结构 要求。设计的产品达到了结构简单,修理、保养方便;机件工艺性好,制造容易的要求。 目前我国正在大力发展汽车产业,采用后轮驱动汽车的平衡性和操作性都将会有很大 的提高。后轮驱动的汽车加速时,牵引力将不会由前轮发出,所以在加速转弯时,司机 就会感到有更大的横向握持力,操作性能变好。维修费用低也是后轮驱动的一个优点, 尽管由于构造和车型的不同,这种费用将会有很大的差别。如果你的变速器出了故障, 对于后轮驱动的汽车就不需要对差速器进行维修,但是对于前轮驱动的汽车来说也许就 有这个必要了,因为这两个部件是做在一起的。 所以后轮驱动必然会使得乘车更加安全、舒适,从而带来可观的经济效益。 第一章 总体方案论证 驱动桥处于动力传动系的末端,其基本功能是增大由传动轴或变速器传来的转矩,并 将动力合理地分配给左、右驱动轮,另外还承受作用于路面和车架或车身之间的垂直力 力和横向力。驱动桥一般由主减速器、差速器、车轮传动装置和驱动桥壳等组成。 驱动桥设计应当满足如下基本要求: a)所选择的主减速比应能保证汽车具有最佳的动力性和燃料经济性。 b)外形尺寸要小,保证有必要的离地间隙。 c)齿轮及其它传动件工作平稳,噪声小。 d)在各种转速和载荷下具有高的传动效率。 e)在保证足够的强度、刚度条件下,应力求质量小,尤其是簧下质量应尽量小,以 改善汽车平顺性。 2 f)与悬架导向机构运动协调,对于转向驱动桥,还应与转向机构运动协调。 g)结构简单,加工工艺性好,制造容易,拆装,调整方便。 驱动桥的结构型式按工作特性分,可以归并为两大类,即非断开式驱动桥和断开式 驱动桥。当驱动车轮采用非独立悬架时,应该选用非断开式驱动桥;当驱动车轮采用独 立悬架时,则应该选用断开式驱动桥。因此,前者又称为非独立悬架驱动桥;后者称为 独立悬架驱动桥。独立悬架驱动桥结构叫复杂,但可以大大提高汽车在不平路面上的行 驶平顺性。 1.1 非断开式驱动桥 普通非断开式驱动桥,由于结构简单、造价低廉、工作可靠,广泛用在各种载货汽 车、客车和公共汽车上,在多数的越野汽车和部分轿车上也采用这种结构。他们的具体 结构、特别是桥壳结构虽然各不相同,但是有一个共同特点,即桥壳是一根支承在左右 驱动车轮上的刚性空心梁,齿轮及半轴等传动部件安装在其中。这时整个驱动桥、驱动 车轮及部分传动轴均属于簧下质量,汽车簧下质量较大,这是它的一个缺点。 驱动桥的轮廓尺寸主要取决于主减速器的型式。在汽车轮胎尺寸和驱动桥下的最小 离地间隙已经确定的情况下,也就限定了主减速器从动齿轮直径的尺寸。在给定速比的 条件下,如果单级主减速器不能满足离地间隙要求,可该用双级结构。在双级主减速器 中,通常把两级减速器齿轮放在一个主减速器壳体内,也可以将第二级减速齿轮作为轮 边减速器。对于轮边减速器:越野汽车为了提高离地间隙,可以将一对圆柱齿轮构成的 轮边减速器的主动齿轮置于其从动齿轮的垂直上方;公共汽车为了降低汽车的质心高度 和车厢地板高度,以提高稳定性和乘客上下车的方便,可将轮边减速器的主动齿轮置于 其从动齿轮的垂直下方;有些双层公共汽车为了进一步降低车厢地板高度,在采用圆柱 齿轮轮边减速器的同时,将主减速器及差速器总成也移到一个驱动车轮的旁边。 在少数具有高速发动机的大型公共汽车、多桥驱动汽车和超重型载货汽车上,有时 采用蜗轮式主减速器,它不仅具有在质量小、尺寸紧凑的情况下可以得到大的传动比以 及工作平滑无声的优点,而且对汽车的总体布置很方便。 1.2 断开式驱动桥 3 断开式驱动桥区别于非断开式驱动桥的明显特点在于前者没有一个连接左右驱动车 轮的刚性整体外壳或梁。断开式驱动桥的桥壳是分段的,并且彼此之间可以做相对运动, 所以这种桥称为断开式的。另外,它又总是与独立悬挂相匹配,故又称为独立悬挂驱动 桥。这种桥的中段,主减速器及差速器等是悬置在车架横粱或车厢底板上,或与脊梁式 车架相联。主减速器、差速器与传动轴及一部分驱动车轮传动装置的质量均为簧上质量。 两侧的驱动车轮由于采用独立悬挂则可以彼此致立地相对于车架或车厢作上下摆动,相 应地就要求驱动车轮的传动装置及其外壳或套管作相应摆动。 汽车悬挂总成的类型及其弹性元件与减振装置的工作特性是决定汽车行驶平顺性的 主要因素,而汽车簧下部分质量的大小,对其平顺性也有显著的影响。断开式驱动桥的 簧下质量较小,又与独立悬挂相配合,致使驱动车轮与地面的接触情况及对各种地形的 适应性比较好,由此可大大地减小汽车在不平路面上行驶时的振动和车厢倾斜,提高汽 车的行驶平顺性和平均行驶速度,减小车轮和车桥上的动载荷及零件的损坏,提高其可 靠性及使用寿命。但是,由于断开式驱动桥及与其相配的独立悬挂的结构复杂,故这种 结构主要见于对行驶平顺性要求较高的一部分轿车及一些越野汽车上,且后者多属于轻 型以下的越野汽车或多桥驱动的重型越野汽车。 1.3 多桥驱动的布置 为了提高装载量和通过性,有些重型汽车及全部中型以上的越野汽车都是采用多桥 驱动,常采用的有 44、66、88 等驱动型式。在多桥驱动的情况下,动力经分动器 传给各驱动桥的方式有两种。相应这两种动力传递方式,多桥驱动汽车各驱动桥的布置 型式分为非贯通式与贯通式。前者为了把动力经分动器传给各驱动桥,需分别由分动器 经各驱动桥自己专用的传动轴传递动力,这样不仅使传动轴的数量增多,且造成各驱动 桥的零件特别是桥壳、半轴等主要零件不能通用。而对 88 汽车来说,这种非贯通式驱 动桥就更不适宜,也难于布置了。 为了解决上述问题,现代多桥驱动汽车都是采用贯通式驱动桥的布置型式。 在贯通式驱动桥的布置中,各桥的传动轴布置在同一纵向铅垂平面内,并且各驱动 桥不是分别用自己的传动轴与分动器直接联接,而是位于分动器前面的或后面的各相邻 两桥的传动轴,是串联布置的。汽车前后两端的驱动桥的动力,是经分动器并贯通中间 4 桥而传递的。其优点是,不仅减少了传动轴的数量,而且提高了各驱动桥零件的相互通 用性,并且简化了结构、减小了体积和质量。这对于汽车的设计(如汽车的变型)、制造 和维修,都带来方便。 由于非断开式驱动桥结构简单、造价低廉、工作可靠,查阅资料,参照国内相关轿 车的设计,最后本课题选用非断开式驱动桥。 其结构如图 1-1 所示: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1半轴 2圆锥滚子轴承 3支承螺栓 4主减速器从动锥齿轮 5油封 6主减速器主动锥齿 轮 7弹簧座 8垫圈 9轮毂 10调整螺母 图 1-1 驱动桥 第二章 主减速器设计 主减速器是汽车传动系中减小转速、增大扭矩的主要部件,它是依靠齿数少的锥齿 轮带动齿数多的锥齿轮。对发动机纵置的汽车,其主减速器还利用锥齿轮传动以改变动 力方向。由于汽车在各种道路上行使时,其驱动轮上要求必须具有一定的驱动力矩和转 速,在动力向左右驱动轮分流的差速器之前设置一个主减速器后,便可使主减速器前面 的传动部件如变速器、万向传动装置等所传递的扭矩减小,从而可使其尺寸及质量减小、 操纵省力。 驱动桥中主减速器、差速器设计应满足如下基本要求: 5 a)所选择的主减速比应能保证汽车既有最佳的动力性和燃料经济性。 b)外型尺寸要小,保证有必要的离地间隙;齿轮其它传动件工作平稳,噪音小。 c)在各种转速和载荷下具有高的传动效率;与悬架导向机构与动协调。 d)在保证足够的强度、刚度条件下,应力求质量小,以改善汽车平顺性。 e)结构简单,加工工艺性好,制造容易,拆装、调整方便。 2.1 主减速器结构方案分析 主减速器的结构形式主要是根据齿轮类型、减速形式的不同而不同。 2.1.1 螺旋锥齿轮传动 图 2-1 螺旋锥齿轮传动 按齿轮副结构型式分,主减速器的齿轮传动主要有螺旋锥齿轮式传动、双曲面齿轮 式传动、圆柱齿轮式传动(又可分为轴线固定式齿轮传动和轴线旋转式齿轮传动即行星 齿轮式传动)和蜗杆蜗轮式传动等形式。 在发动机横置的汽车驱动桥上,主减速器往往采用简单的斜齿圆柱齿轮;在发动机 纵置的汽车驱动桥上,主减速器往往采用圆锥齿轮式传动或准双曲面齿轮式传动。 为了减少驱动桥的外轮廓尺寸,主减速器中基本不用直齿圆锥齿轮而采用螺旋锥齿 轮。因为螺旋锥齿轮不发生根切(齿轮加工中产生轮齿根部切薄现象,致使齿轮强度大 大降低)的最小齿数比直齿轮的最小齿数少,使得螺旋锥齿轮在同样的传动比下主减速 器结构较紧凑。此外,螺旋锥齿轮还具有运转平稳、噪声小等优点,汽车上获得广泛应 用。 近年来,有些汽车的主减速器采用准双曲面锥齿轮(车辆行业中简称双曲面传动) 6 传动。准双曲面锥齿轮传动与圆锥齿轮相比,准双曲面齿轮传动不仅工作平稳性更好, 弯曲强度和接触强度更高,同时还可使主动齿轮的轴线相对于从动齿轮轴线偏移。当主 动准双曲面齿轮轴线向下偏移时,可降低主动锥齿轮和传动轴位置,从而有利于降低车 身及整车重心高度,提高汽车行使的稳定性。但是,准双曲面齿轮传递转矩时,齿面间 有较大的相对滑动,且齿面间压力很大,齿面油膜很容易被破坏。为减少摩擦,提高效 率,必须采用含防刮伤添加剂的双曲面齿轮油,绝不允许用普通齿轮油代替,否则将时 齿面迅速擦伤和磨损,大大降低使用寿命。 查阅文献1、2,经方案论证,主减速器的齿轮选用螺旋锥齿轮传动形式(如图 2-1 示) 。螺旋锥齿轮传动的主、从动齿轮轴线垂直相交于一点,齿轮并不同时在全长上 啮合,而是逐渐从一端连续平稳地转向另一端。另外,由于轮齿端面重叠的影响,至少 有两对以上的轮齿同时捏合,所以它工作平稳、能承受较大的负荷、制造也简单。为保 证齿轮副的正确啮合,必须将支承轴承预紧,提高支承刚度,增大壳体刚度。 2.1.2 结构形式 为了满足不同的使用要求,主减速器的结构形式也是不同的。 按参加减速传动的齿轮副数目分,有单级式主减速器和双级式主减速器、双速主减 速器、双级减速配以轮边减速器等。双级式主减速器应用于大传动比的中、重型汽车上, 若其第二级减速器齿轮有两副,并分置于两侧车轮附近,实际上成为独立部件,则称轮 边减速器。单级式主减速器应用于轿车和一般轻、中型载货汽车。单级主减速器由一对 圆锥齿轮组成,具有结构简单、质量小、成本低、使用简单等优点。 查阅文献1、2,经方案论证,本设计主减速器采用单级主减速器。其传动比 i0 一般小于等于 7。 2.2 主减速器主、从动锥齿轮的支承方案 主减速器中心必须保证主从动齿轮具有良好的啮合状况,才能使它们很好地工作。 齿轮的正确啮合,除了与齿轮的加工质量装配调整及轴承主减速器壳体的刚度有关以外, 还与齿轮的支承刚度密切相关。 3.2.1 主动锥齿轮的支承 7 图 2-2 主动锥齿轮悬臂式 主动锥齿轮的支承形式可分为悬臂式支承和跨置式支承两种。查阅资料、文献,经 方案论证,采用悬臂式支承结构(如图 2-2 示) 。圆锥滚子轴承大端向外,这样可以增加 支撑间的距离 b,并可减小悬臂长度 a,可以改善支承刚度。 悬臂式支承的优点是结构简单。缺点是支承刚度较差。这种结构主要用在传递转矩 较小的乘用车,轻型商用车的单级主减速器中。所以综合得出本设计选用悬臂式支承。 图 2-3 从动锥齿轮支撑形式 2.2.2 从动锥齿轮的支承 从动锥齿轮采用圆锥滚子轴承支承(如图 2-3 示) 。为了增加支承刚度,两轴承的圆 锥滚子大端应向内,以减小尺寸 c+d。为了使从动锥齿轮背面的差速器壳体处有足够的位 置设置加强肋以增强支承稳定性,c+d 应不小于从动锥齿轮大端分度圆直径的 70%。为了 使载荷能均匀分配在两轴承上,应是 c 等于或大于 d。 2.3 主减速器锥齿轮设计 主减速比 i 、驱动桥的离地间隙和计算载荷,是主减速器设计的原始数据,应在0 汽车总体设计时就确定。 2.3.1 主减速比 i 的确定0 8 主减速比对主减速器的结构型式、轮廓尺寸、质量大小以及当变速器处于最高 档位时汽车的动力性和燃料经济性都有直接影响。i 的选择应在汽车总体设计时和传动0 系的总传动比 i 一起由整车动力计算来确定。可利用在不同 i 下的功率平衡田来研究 i0 对汽车动力性的影响。通过优化设计,对发动机与传动系参数作最佳匹配的方法来选择0 i 值,可使汽车获得最佳的动力性和燃料经济性。 本设计给出了 i =3.910 从动锥齿轮计算转矩 Tcs Tcs= (2-3)2rmGin 式中: Tce计算转矩,Nm; n计算驱动桥数,1; im主减速器从动齿轮到车轮间的传动比,i f=1; 满载状态下一个驱动桥上的静载荷(N) , =11858N;2G2G m主减速器主动齿轮到车轮间的传动效率,=1; 汽车最大加速的时的后轴负荷转移系数, =1.3;2 2m 轮胎与路面间的附着系数, =0.85; 车轮滚动半径, =0.312m;r r 代入式(3-3) ,有: Tcs=4088 Nm Tce=2941.7Nm 主动斜齿圆柱齿轮的计算转矩为 (2-5)GoziTce 式中: 为主动斜齿圆柱齿轮的计算转矩,Nm;zT 9 为主传动比,取 3.91;oi 为主、从动斜齿圆柱齿轮间的传动效率。 (计算时,对于弧齿斜齿圆柱齿轮副,G 取 95%;对于双曲面齿轮副,当 6 时, 取 85%,当 =e,由此得 X=0.4,Y=1.7。arF 18 另外查得载荷系数 fp=1.2。 P=fp(XF r+YFa) (2-21) 将各参数代入式(3-21)中,有: P=78990N 轴承应有的基本额定动负荷 C r C r= (2-22) 10h36tnLPf 式中: ft温度系数,查文献4,得 ft=1; 滚子轴承的寿命系数,查文献4,得 =10/3; n轴承转速,426.3r/min; L h轴承的预期寿命,5000h; 将各参数代入式(2-22)中,有; C r=59558N 初选轴承型号 查文献3,初步选择 Cr =61500N C r的圆锥滚子轴承 32304。 验算 32304 圆锥滚子轴承的寿命 Lh = (2-23) trf167nP 将各参数代入式(2-21)中,有: Lh =4879h5000h 所选择 32304 圆锥滚子轴承的寿命低于预期寿命,故选 32304 轴承,经检验能满足。 轴承 B、轴承 C、轴承 D、轴承 E 强度都可按此方法得出,其强度均能够满足要求。 第三章 差速器设计 19 汽车在行使过程中,左右车轮在同一时间内所滚过的路程往往是不相等的,左右两 轮胎内的气压不等、胎面磨损不均匀、两车轮上的负荷不均匀而引起车轮滚动半径不相 等;左右两轮接触的路面条件不同,行使阻力不等等。这样,如果驱动桥的左、右车轮 刚性连接,则不论转弯行使或直线行使,均会引起车轮在路面上的滑移或滑转,一方面 会加剧轮胎磨损、功率和燃料消耗,另一方面会使转向沉重,通过性和操纵稳定性变坏。 为此,在驱动桥的左右车轮间都装有轮间差速器。 差速器是个差速传动机构,用来在两输出轴间分配转矩,并保证两输出轴有可能以 不同的角速度转动,用来保证各驱动轮在各种运动条件下的动力传递,避免轮胎与地面 间打滑。差速器按其结构特征可分为齿轮式、凸轮式、蜗轮式和牙嵌自由轮式等多种形 式。 3.1 差速器结构形式选择 汽车上广泛采用的差速器为对称锥齿轮式差速器,具有结构简单、质量较小等优点, 应用广泛。它可分为普通锥齿轮式差速器、摩擦片式差速器和强制锁止式差速器。 普通齿轮式差速器的传动机构为齿轮式。齿轮差速器要圆锥齿轮式和圆柱齿轮式两 种。 强制锁止式差速器就是在对称式锥齿轮差速器上设置差速锁。当一侧驱动轮滑转时, 可利用差速锁使差速器不起差速作用。差速锁在军用汽车上应用较广。 查阅文献5经方案论证,差速器结构形式选择对称式圆锥行星齿轮差速器。 普通的对称式圆锥行星齿轮差速器由差速器左、右壳,2 个半轴齿轮,4 个行星齿轮 (少数汽车采用 3 个行星齿轮,小型、微型汽车多采用 2 个行星齿轮),行星齿轮轴(不少 装 4 个行星齿轮的差逮器采用十字轴结构),半轴齿轮及行星齿轮垫片等组成。由于其结 构简单、工作平稳、制造方便、用在公路汽车上也很可靠等优点,最广泛地用在轿车、 客车和各种公路用载货汽车上有些越野汽车也采用了这种结构,但用到越野汽车上需 要采取防滑措施。例如加进摩擦元件以增大其内摩擦,提高其锁紧系数;或加装可操纵 的、能强制锁住差速器的装置差速锁等。 3.2 普通锥齿轮式差速器齿轮设计 20 a) 行星齿轮数 n 通常情况下,轿车的行星齿轮数 n=2。 b) 行星齿轮球面半径 Rb 行星齿轮球面半径 Rb反映了差速器锥齿轮节锥矩的大小和承载能力。 Rb=Kb (3-1)3dT 式中: Kb行星齿轮球面半径系数,K b=2.53.0,对于有两个行星齿轮的轿车取最大值; 取 3.0 Td差速器计算转矩,2941.7Nm; 将各参数代入式(3-1) ,有: Rb=44 mm 行星齿轮节锥距 A0=43.5mm c)行星齿轮和半轴齿轮齿数 z1和 z2 为了使轮齿有较高的强度,z 1一般不少于 10。半轴齿轮齿数 z2在 1425 选用。大 多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比 在 1.52.0 的范围内,且半轴齿轮齿数和必21z 须能被行星齿轮齿数整除。 查阅资料,经方案论证,初定半轴齿轮与行星齿轮的齿数比 =2,半轴齿轮齿数21z z2=24,行星齿轮的齿数 z 1=12。 d) 行星齿轮和半轴齿轮节锥角 1、 2及模数 m 行星齿轮和半轴齿轮节锥角 1、 2分别为 1= (3-2)2zarctn 2= (3-3)1rtz 将各参数分别代入式(32)与式(33) ,有: 1=27, 2=63 21 锥齿轮大端模数 m 为 m= (3-4)012Asinz 将各参数代入式(3-4) ,有: m=3.29mm 查阅文献3,取模数 m=3.3 e)半轴齿轮与行星齿轮齿形参数 按照文献3中的设计计算方法进行设计和计算,结果见表 3-1。 f)压力角 汽车差速齿轮大都采用压力角 =2230,齿高系数为 0.8 的齿形。 表 3-1 半轴齿轮与行星齿轮参数 参 数 符 号 半轴齿轮 行星齿轮 分度圆直径 d 100 50 齿顶高 ha 2.7 3.51 齿根高 hf 4.11 3.3 齿顶圆直径 da 110.5 54 齿根圆直径 df 98 46 齿顶角 a 3.14 5.53 齿根角 f 5.53 3.14 分度圆锥角 63 27 顶锥角 a 66.1 32.5 根锥角 f 57.5 24 锥距 R 47 46 分度圆齿厚 s 6.45 6.67 齿面宽 b 12 12 g)行星齿轮轴用直径 d 行星齿轮轴用直径 d(mm)为 22 d= (3-5)30cdT1.nr 式中: T0差速器壳传递的转矩,2941.7Nm; n行星齿轮数,2; rd行星齿轮支承面中点到锥顶的距离,mm; c支承面许用挤压应力,取 98 MPa; 将各参数代入式(3-5)中,有: d=21.2mm,取 22mm。 行星齿轮在轴上的支承长度 L 为 L=1.1d=24.2mm 3.3 差速器齿轮的材料 差速器齿轮和主减速器齿轮一样,基本上都是用渗碳合金钢制造,目前用于制造差 速器锥齿轮的材料为 20CrMnTi、20CrMoTi、22CrMnMo 和 20CrMo 等。由于差速器齿轮轮 齿要求的精度较低,所以精锻差速器齿轮工艺已被广泛应用。 3.4 普通锥齿轮式差速器齿轮强度计算 差速器齿轮的尺寸受结构限制,而且承受的载荷较大,它不像主减速器齿轮那样经 常处于啮合传动状态,只有当汽车转弯或左、右轮行使不同的路程时,或一侧车轮打滑 而滑转时,差速器齿轮才能有啮合传动的相对运动。因此,对于差速器齿轮主要应进行 弯曲强度计算。轮齿弯曲应力 w(MPa)为 w= (3-6)3smv2Tk10bdJn 式中: n行星齿轮数,2; J综合系数,取 0.224; b2半轴齿轮齿宽,mm; 23 d2半轴齿轮大端分度圆直径,mm; T半轴齿轮计算转矩(Nm) ,T=0.6 T 0 ,1765; ks、k m、k v按照主减速器齿轮强度计算的有关转矩选取; 将各参数代入式(4-6)中,有: w=938.5 MPa 按照文献1, 差速器齿轮的 w w=980 MPa,所以齿轮弯曲强度满足要求。 第四章 驱动车轮的传动装置设计 驱动车轮的传动装置位于汽车传动系的末端,其功用是将转矩由差速器半轴齿轮传 给驱动车轮。在断开式驱动桥和转向驱动桥中,驱动车轮的传动装置包括半轴和万向节 传动装置且多采用等速万向节。在一般非断开式驱动桥上,驱动车轮的传动装置就是半 轴,这时半轴将差速器半轴齿轮与轮毂连接起来。在装有轮边减速器的驱动桥上,半轴 将半轴齿轮与轮边减速器的主动齿轮连接起来。 4.1 半轴的型式 普通非断开式驱动桥的半轴,根据其外端的支承型式或受力状况的不同而分为半浮 式、3/4 浮式和全浮式三种。 半浮式半轴以靠近外端的轴颈直接支承在置于桥壳外端内孔中的轴承上,而端部则 以具有锥面的轴颈及键与车轮轮毂相固定,或以突缘直接与车轮轮盘及制动鼓相联接)。 因此,半浮式半轴除传递转矩外,还要承受车轮传来的弯矩。由此可见,半浮式半轴承 受的载荷复杂,但它具有结构简单、质量小、尺寸紧凑、造价低廉等优点。用于质量较 小、使用条件较好、承载负荷也不大的轿车和轻型载货汽车。 3/4 浮式半轴的结构特点是半轴外端仅有一个轴承并装在驱动桥壳半轴套管的端部, 直接支承着车轮轮毂,而半轴则以其端部与轮毂相固定。由于一个轴承的支承刚度较差, 因此这种半轴除承受全部转矩外,弯矩得由半轴及半轴套管共同承受,即 3/4 浮式半轴 还得承受部分弯矩,后者的比例大小依轴承的结构型式及其支承刚度、半轴的刚度等因 素决定。侧向力引起的弯矩使轴承有歪斜的趋势,这将急剧降低轴承的寿命。可用于轿 24 车和轻型载货汽车,但未得到推广。 全浮式半轴的外端与轮毂相联,而轮毂又由一对轴承支承于桥壳的半轴套管上。多 采用一对圆锥滚子轴承支承轮毂,且两轴承的圆锥滚子小端应相向安装并有一定的预紧, 调好后由锁紧螺母予以锁紧,很少采用球轴承的结构方案。 由于车轮所承受的垂向力、纵向力和侧向力以及由它们引起的弯矩都经过轮毂、轮 毂轴承传给桥壳,故全浮式半轴在理论上只承受转矩而不承受弯矩。但在实际工作中由 于加工和装配精度的影响及桥壳与轴承支承刚度的不足等原因,仍可能使全浮式半轴在 实际使用条件下承受一定的弯矩,弯曲应力约为 570MPa。具有全浮式半轴的驱动桥的 外端结构较复杂,需采用形状复杂且质量及尺寸都较大的轮毂,制造成本较高,故轿车 及其他小型汽车不采用这种结构。但由于其工作可靠,故广泛用于轻型以上的各类汽车 上。 4.2 半轴的设计与计算 半轴的主要尺寸是它的直径,设计与计算时首先应合理地确定其计算载荷。 半轴的计算应考虑到以下三种可能的载荷工况: a)纵向力 X2最大时(X 2Z 2 )附着系数尹取 0.8,没有侧向力作用; b)侧向力 Y2最大时,其最大值发生于侧滑时,为 Z2 中, ,侧滑时轮胎与地面侧向1 附着系数 ,在计算中取 1.0,没有纵向力作用;1 c)垂向力 Z2最大时,这发生在汽车以可能的高速通过不平路面时,其值为(Z 2-gw) kd,k d是动载荷系数,这时没有纵向力和侧向力的作用。 由于车轮承受的纵向力、侧向力值的大小受车轮与地面最大附着力的限制,即: 2=X+Y 故纵向力 X2最大时不会有侧向力作用,而侧向力 Y2最大时也不会有纵向力作用。 4.2.1 全浮式半轴的设计计算 本课题采用全浮式半轴,其详细的计算校核如下: a)全浮式半轴计算载荷的确定 全浮式半轴只承受转矩,其计算转矩按下式进行: 25 T= Temaxig1i0 (4-1) 式中:差速器的转矩分配系数,对圆锥行星齿轮差速器可取 0.6; ig1变速器 1 挡传动比; i0主减速比。 已知:T emax186Nm;i g14.17; i 03.91 ; =0.6 计算结果: T=0.61864.173.91 =1819.6N.m 在设计时,全浮式半轴杆部直径的初步选取可按下式进行: (4-2) 33310(2.5.18).96TdT 式中 d半轴杆部直径,mm; T半轴的计算转矩,Nrn; 半轴扭转许用应力,MPa。 根据上式带入 T1819.6Nm,得: 32mmd32.6mm 取:d=32mm 给定一个安全系数 k=1.5 d=kd =1.526 =48mm 全浮式半轴支承转矩,其计算转矩为: (4-3)22LrRrTX 三种半轴的扭转应力由下式计算: (4-4)3160d 26 式中 半轴的扭转应力,MPa; T一半轴的计算转矩,T=1819.6Nm; d半轴杆部直径,d=32mm。 将数据带入式(4-3) 、 (4-4)得: =528MPa 半轴花键的剪切应力为 (4-5) 310()/4bpBATzLjDd 半轴花键的挤压应力为 (4-6)2/)(4/)(10 3ABABpc ddLzT 式中 T半轴承受的最大转矩,T=12215Nm; DB半轴花键(轴)外径,D B=48mm; dA相配的花键孔内径,d A=42mm; z花键齿数; Lp花键工作长度,L p=48mm; B花键齿宽,B=6qqmm; 载荷分布的不均匀系数,取 0.75。 将数据带入式(4-5) 、 (4-6)得: =68Mpab =169MPac 半轴的最大扭转角为 (4-7)3108GJTl 式中 T半轴承受的最大转矩,T=12215Nm; l半轴长度,l =725mm; G材料的剪切弹性模量,MPa; 27 J半轴横截面的极惯性矩, mm 4。 将数据带入式(4-7)得: = 8 半轴计算时的许用应力与所选用的材料、加工方法、热处理工艺及汽车的使用条 件有关。当采用 40Cr,40MnB,40MnVB,40CrMnMo,40 号及 45 号钢等作为全浮式半轴的 材料时,其扭转屈服极限达到 784MPa 左右。在保证安全系数在 1.31.6 范围时,半轴 扭转许用应力可取为 490588MPa。 对于越野汽车、矿用汽车等使用条件差的汽车,应该取较大的安全系数,这时许用 应力应取小值;对于使用条件较好的公路汽车则可取较大的许用应力。 当传递最大转矩时,半轴花键的剪切应力不应超过 71.05MPa;挤压应力不应该超过 196MPa,半轴单位长度的最大转角不应大于 8/m。 4.3 半轴的结构设计及材料与热处理 为了使半轴的花键内径不小于其杆部直径,常常将加工花键的端部做得粗些,并适 当地减小花键槽的深度,因此花键齿数必须相应地增加,通常取 10 齿(轿车半轴)至 18 齿(载货汽车半轴)。半轴的破坏形式多为扭转疲劳破坏,因此在结构设计上应尽量增大 各过渡部分的圆角半径以减小应力集中。重型车半轴的杆部较粗,外端突缘也很大,当 无较大锻造设备时可采用两端均为花键联接的结构,且取相同花键参数以简化工艺。在 现代汽车半轴上,渐开线花键用得较广,但也有采用矩形或梯形花键的。 半轴多采用含铬的中碳合金钢制造,如 40Cr,40CrMnMo,40CrMnSi,40CrMoA,35CrMnSi,35CrMnTi 等。40MnB 是我国研制出的 新钢种,作为半轴材料效果很好。半轴的热处理过去都采用调质处理的方法,调质后要 求杆部硬度为 HB388444(突缘部分可降至 HB248)。近年来采用高频、中频感应淬火的 口益增多。这种处理方法使半轴表面淬硬达 HRC5263,硬化层深约为其半径的 13, 心部硬度可定为 HRC3035;不淬火区(突缘等)的硬度可定在 HB248277 范围内。由于 硬化层本身的强度较高,加之在半轴表面形成大的残余压应力,以及采用喷丸处理、滚 压半轴突缘根部过渡圆角等工艺,使半轴的静强度和疲劳强度大为提高,尤其是疲劳强 28 度提高得十分显著。由于这些先进工艺的采用,不用合金钢而采用中碳(40 号、45 号)钢 的半轴也日益增多。 第五章 驱动桥壳设计 驱动桥桥壳是汽车上的主要零件之一,非断开式驱动桥的桥壳起着支承汽车荷重的 作用,并将载荷传给车轮作用在驱动车轮上的牵引力,制动力、侧向力和垂向力也是 经过桥壳传到悬挂及车架或车厢上。因此桥壳既是承载件又是传力件,同时它又是主减 速器、差速器及驱动车轮传动装置(如半轴)的外壳。 在汽车行驶过程中,桥壳承受繁重的载荷,设计时必须考虑在动载荷下桥壳有足够 的强度和刚度。为了减小汽车的簧下质量以利于降低动载荷、提高汽车的行驶平顺性, 在保证强度和刚度的前提下应力求减小桥壳的质量桥壳还应结构简单、制造方便以利 于降低成本。其结构还应保证主减速器的拆装、调整、维修和保养方便。在选择桥壳的 结构型式时,还应考虑汽车的类型、使用要求、制造条件、材料供应等。 5.1 桥壳的结构型式 桥壳的结构型式大致分为可分式 a)可分式桥壳 可分式桥壳的整个桥壳由一个垂直接合面分为左右两部分,每一部分均由一个铸件 壳体和一个压入其外端的半轴套管组成。半轴套管与壳体用铆钉联接。在装配主减速器 及差速器后左右两半桥壳是通过在中央接合面处的一圈螺栓联成一个整体。其特点是桥 壳制造工艺简单、主减速器轴承支承刚度好。但对主减速器的装配、调整及维修都很不 方便,桥壳的强度和刚度也比较低。过去这种所谓两段可分式桥壳见于轻型汽车,由于 上述缺点现已很少采用。 b)整体式桥壳 整体式桥壳的特点是将整个桥壳制成一个整体,桥壳犹如一整体的空心梁,其强度 及刚度都比较好。且桥壳与主减速器壳分作两体,主减速器齿轮及差速器均装在独立的 主减速壳里,构成单独的总成,调整好以后再由桥壳中部前面装入桥壳内,并与桥壳用 29 螺栓固定在一起。使主减速器和差速器的拆装、调整、维修、保养等都十分方便。 整体式桥壳按其制造工艺的不同又可分为铸造整体式、钢板冲压焊接式和钢管扩张 成形式三种。 5.2 桥壳的受力分析及强度计算 我国通常推荐:计算时将桥壳复杂的受力状况简化成三种典型的计算工况(与前述 半轴强度计算的三种载荷工况相同) 。 当牵引力或制动力最大时,桥壳钢板弹簧座处危险端面的弯曲应力 和扭转应力 为: (5-1)vhM=W (5-2)T 式中 地面对车轮垂直反力在桥壳板簧座处危险端面引起的垂直平面内的弯矩,vM ;hx2=Fb 桥壳板簧座到车轮面的距离;b 牵引力或制动力 (一侧车轮上的)在水平平面内引起的弯矩,h x2 ;hx2M=Fb 牵引或制动时,上述危险断面所受的转矩, ;T Tx2r=F 、 分别为桥壳危险断面垂直平面和水平面弯曲的抗弯截面系数;vWh 危险断面的抗扭截面系数。T 将数据带入式(5-2) 、 (5-3)得: =400 N/mm2 =250 N/mm2 桥壳许用弯曲应力为 300-500N/mm2,许用扭转应力为 150-400N/mm2。可锻造桥壳取 30 较小值,钢板冲压焊接桥壳取最大值。 第六章 结论 本课题是汽车驱动桥设计,由于结构简单、主减速器造价低廉、工作可靠,可以被 广泛用在各种轿车。 设计介绍了后桥驱动的结构形式和工作原理,计算了差速器、主减速器以及半轴的 结构尺寸,进行了强度校核,并绘制了有关零件图和装配图。 本驱动桥设计结构合理,符合实际应用,具有很好的动力性和经济性,驱动桥总成 及零部件的设计能尽量满足零件的标准化、部件的通用化和产品的系列化及汽车变型的 要求,修理、保养方便,机件工艺性好,制造容易。 但此设计过程仍有许多不足,在设计结构尺寸时,有些设计参数是按照以往经验值 得出,这样就带来了一定的误差。另外,在一些小的方面,由于时间问题,做得还不够 仔细,恳请各位老师给予批评指正。 31 致 谢 近三个月时间的毕业课题设计是我大学生活中忙碌而又充实一段时光。这里有治学 严谨而又亲切的老师,有互相帮助的同学,更有积极、向上、融洽的学习生活氛围。短 短的时间里,我学到了很多的东西。 首先,非常感谢我的毕业设计知道老师左老师。本次设计的课题是:汽车驱动桥设 计。作为一个本科生的毕业设计,由于经验的匮乏,难免有许多考虑不周全的地方,如 果没有导师的督促指导,想要完成这个设计是难以想象的。通过指导老师左老师的讲解, 终于把设计的思路搞清楚了。对于具体的细节问题,涉及到一些经验方面的问题,指导 老师总是不厌其烦的讲解。给了我很大的帮助。在这里我非常敬佩左老师的专业水平、 治学严谨和科学研究的精神,这将是我终身学习的榜样,.并将积极影响我今后的学习和 工作。 其次,非常感谢我的同学。当我在毕业设计过程中遇到问题和困难时,是他们给我 提出许多细节的意见和建议,使我的毕业设计更加完善,并耐心的帮我解决了许多实际 问题,使我获益良多。 最后,向我的父亲、母亲致谢,感谢他
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