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輕量化設(shè)計的汽車零部件用高強度鋼來抗凹
張研 來新民 朱平 王吳榮
摘要 輕巧耐撞性是汽車車身設(shè)計的兩個重要因素。在這篇文章中，基于淺殼理論，表達抗凹剛度的雙曲率扁殼是在集中載荷條件下取得的。該臨界負荷導(dǎo)致當(dāng)?shù)噩嵥榈陌己墼谠撝行牡臏\殼被視為輕量級對汽車零部件的重要影響指數(shù)。本規(guī)則適用于輕量化設(shè)計的保險杠系統(tǒng)用高強度鋼代替溫和鋼。耐撞模擬輕量級的一部分，證明了輕量化進程的有效性。
關(guān)鍵詞: 高強度鋼 輕量 抗凹
1、介紹
近年來，由于汽車保有量的急劇增長，大大影響了社會和人們的生活，這種情況帶來了很多嚴(yán)峻的問題比如能源危機，環(huán)境污染。國際鋁組織協(xié)會聲明石油的消耗可降低8-10％與減少約10％的汽車重量。因此，汽車輕量化是節(jié)約燃料的一個基本方式。
為了減少汽車的重量，這又兩個較好的方法。一種方法是重新設(shè)計汽車零部件優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，通過使用細薄的、空心的、小型的和混合材料的零部件，來減輕汽車的重量。另一種是使用新的輕型材料，如今這種材料越來越多，如鋁合金，高強度鋼，復(fù)合材料都被廣泛作為輕質(zhì)材料以取代傳統(tǒng)材料如低碳鋼。這些材料可以顯著的減輕汽車的重量。使汽車輕量化材料替換比優(yōu)化結(jié)構(gòu)更有效。根據(jù)引進的汽車安全法規(guī)，輕量化設(shè)計的車身中耐撞性和安全性被視為先決條件。高強度鋼被廣泛的應(yīng)用于汽車上以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低碳鋼。
高強度鋼板可用于汽車車身來提高部件碰撞能量吸收能力和耐塑性變形能力。汽車體重可減少通過使其零部件用一個更薄厚度的高強度鋼板取代低碳鋼板來制造。與鋁相比，鎂，復(fù)合材料和高強度鋼具有更好的經(jīng)濟性因為這些材料的原料和制作費用比較便宜。此外，高強度鋼可直接應(yīng)用到生產(chǎn)線上，包括成型，焊接，裝配和油漆。經(jīng)營成本節(jié)省了，因為沒有必要對整個線路進行調(diào)整。
在車身外，有幾個薄的金屬板，其中大部分是淺水面板。凹痕阻力是有能力保持形狀對沉沒撓度和地方凹痕在外力的作用下。凹性汽車板成為汽車的一個重要方面和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。因此，抗凹剛度的汽車板應(yīng)在面板設(shè)計和制造過程中被測試和評估。一些報道的測試方法列舉如下:
1）、在外力不變的情況下，測量位移沉沒撓度的fp
2）、測試外力F到獲得固定位移沉沒偏轉(zhuǎn)量
3）、在外力載荷作用下測試得邊坡力位移曲線
在這篇文章中，第二種方法將被采用，該表達抗凹剛度雙曲率淺殼是通過淺殼理論和集中負載的條件下得到的。該臨界負荷導(dǎo) 致該中心淺殼瑣碎的凹痕被視為凹性汽車零部件的重要評價指數(shù)。本規(guī)則適用于在第2條中，輕量化設(shè)計連年系統(tǒng)用高強度鋼代替低碳鋼與耐撞性仿真。
2、雙曲率淺殼的抗凹性分析
2.1 淺殼的抗凹剛度分析
殼牌與中表面特點可以分為三特征：厚度h，中面尺寸L，曲率半徑r ，并滿足的h / r<<1。當(dāng)h/L<<1時，定義外殼為薄殼，如果在上述兩條件滿足的同時又滿足L／r<<1，這個薄殼被認為是淺殼。
如圖1所示，平面x-y是淺殼中表面沿著z軸的投影。假設(shè)M是中表面上的任意一點，兩平面QMN&PMN分別去平行OYZ和OXZ。邊PM和QM可近似認為是垂直的因為中表面和平坦。同時，MN正交于中面。因此，MN,PM,QM可構(gòu)成垂直參考系MPQN。其差額由正交坐標(biāo)系統(tǒng)OXYZ可以忽略不計，同時PM和QM通過α和β來表示，該曲面坐標(biāo)MPQN。
圖1
假設(shè)M是Z軸上的一點，對中表面的詳細分析方程如下：
z=F(x,y) （1）
由于是平坦的外殼，就有如下方程：
（2）
中面的曲率和撓度可近似至：
（3）
該中面的下載系數(shù)可沿α和β方向?qū)С觯?
（4）
運用集中力P沿Z軸和忽略橫向剪切力造成的影響，得到淺殼的平衡微分方程：
（5）
其中δ（0，0）是狄拉克-δ函數(shù)。
淺殼的兼容性方程是：
（6）
其中
通過橫向位移w來表達瞬時結(jié)果M1, M2和M12，淺殼在橫向集中力下的基本方程：
（7）
其中N1是膜應(yīng)力在X方向，N2是膜應(yīng)力在Y方向，D表示淺殼的抗彎剛度。
這是很難解決上述方程。據(jù)要立足現(xiàn)實，沉沒的偏轉(zhuǎn)將只集中就在小范圍內(nèi)左右對外力P ，所以無限大型淺水殼牌是假定在這項研究中。因為w，N1,N2關(guān)于X,Y軸對稱，所有順序衍生的w,N1,N2都無限接近于零，以下方程可通過傅立葉進行變換。
（8）
其中：
（9）
從公式（8）我們可以得到。通過逆向傅立葉變換和極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換ξ,η,w，再根據(jù)極坐標(biāo)系統(tǒng)我們可以得到：
（10）
把x=0,y=0帶入式（8），這關(guān)系在偏轉(zhuǎn)力fp和矩形淺殼的集中力P我們可以得到如下：
（11）
最后抗凹剛度的雙曲率淺殼K便可獲得
(12)
這個等式綜合的說明了該抗凹剛度雙曲率淺殼的所有影響因素，包括材料性能，幾何參數(shù)，這些因素可以用來引導(dǎo)設(shè)計，材料選擇及制造。
2.2分析臨界載荷造成當(dāng)?shù)噩嵥榘己?
為定量評價的臨界載荷對地方抗凹的展板，幾位研究員已經(jīng)提出了經(jīng)驗公式。根據(jù)大量的實驗，Dicellello說明一個公式表明最低能量W造成有形瑣碎的凹痕微量由厚度T的屈服應(yīng)力RS和基本抗凹剛度K。
（13）
其中C是比例恒，從公式（12）和（13），臨界載荷聚合酶鏈反應(yīng)，導(dǎo)致淺殼中心瑣碎的凹痕是可以實現(xiàn)的，其中這被定義為評價。
（14）
從公式（14），是有密切相關(guān)關(guān)系臨界負荷Pcr和厚度t,屈服應(yīng)力,關(guān)鍵負載可以是根據(jù)一個規(guī)則進行輕量化設(shè)計其中汽車零部件用高強度鋼代替低碳鋼。
3、舉列和耐撞性分析
3.1 整車的有限元模型及其碰撞模擬
一份詳細的有限元模型已確立基于從一輛房車改裝成一輛客車， 如圖2所示。以確保正確性性和有效性的有限元模型，一下方法將被采用：
1、因為目的是為了模擬正面碰撞的車，嚙合的前端車身比后方車身更稠密。
2、采取4節(jié)點殼單元和8節(jié)點磚固體成分來降低集成方法與沙漏控制，以提高仿真效率。
3、用嚙合和大量的縮放技術(shù)，到該特征長度的最小單元以確保提高仿真效率。
4、材料本構(gòu)與Cowper–Symonds應(yīng)變率項目是用于鋼鐵零件。
5、自動單面接觸算法是通過在模擬瞄準(zhǔn)的復(fù)雜性來進行汽車碰撞仿真分析。
圖2 整車的有限元模型
6、點焊元件故障規(guī)則中說，考慮到該對標(biāo)準(zhǔn)力和剪切力，是用來模擬點焊連接汽車零部件。
顯式動力有限元軟件LS - DYNA的950版本是用來模擬正面碰撞的車對剛性壁在車速為50公里/秒根據(jù)國家墜毀立法CMDVR294。一個真正的車毀人亡實驗是在清華大學(xué)實驗室做的汽車碰撞。通過對比時程加速度某些位置上的一個支柱0.1 s時，模擬給出了一個合理的適合實驗結(jié)果，其中保證正確性的有限元模型，并給出了更好的基地，為下一步輕量化優(yōu)化設(shè)計做準(zhǔn)備。
3、2輕量化設(shè)計及耐撞性分析
使用高強度鋼，是其中一個有效的如何降低汽車重量。然而，部分績效（如耐撞性，剛度，抗凹）通過新的材料得到保證。舉例來說，前面部分的汽車是主要能源吸收部分，在這一過程中的車毀人亡，所以能源吸收性能不影響乘客，故設(shè)計的前車零件的安全性需得到保證。在這項研究中，研究了不同的材料來制作汽車的緩沖器，但其余的為抗凹。
低碳鋼及高碳鋼的力學(xué)性能如下（見表1）：
評價指標(biāo)的凹痕阻力保險杠用低碳鋼是
（15）
當(dāng)高強度鋼是用來取代低碳鋼其余的主要形狀和抗凹性能， 高強度鋼的新厚度可以實現(xiàn)
（16）
從公式（16）可以得到，保險杠的厚度可使用高強度鋼得到積累和更新，在整車FE模型中。變形過程中的收獲，以新的材料取得后，車毀人亡的是重新模擬與更新部分厚度（見圖3）
圖3
通過模擬實驗中，變形的保險杠有兩種不同的材料相似，即塑料鉸鏈與張力塑性變形出現(xiàn)在部分保險杠的中部。能量吸收的過程表現(xiàn)在保險杠橫梁上。從圖 4可以看出兩種材料的能量吸收差異很小，約4.1 ％為保險杠梁吸收。從中可以得出一個結(jié)論，在這份研究中說明的是在抗凹性的評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上，合理的減少保險杠板的厚度。
圖4
4、結(jié)論
本文研究了汽車中叫小的雙曲率淺殼的抗凹性零件，使用方法如下：
1、 抗凹剛度下，集中力量，是鑒于這種零件。
2、 臨界載荷導(dǎo)致當(dāng)?shù)噩嵥橄魅踉撝行牡臏\殼已推斷， 這反過來又成為汽車零部件凹痕阻力的評價指數(shù)。
3、 有效性的評價指標(biāo)，就是證明申請發(fā)達國家的規(guī)則向輕量化設(shè)計的保險杠系統(tǒng)采用高強度鋼代替溫和鋼并通過耐撞性仿真
參考文獻：
【1】 李元先，林中勤，江愛琴，陳關(guān)龍，使用高強度鋼的輕量化設(shè)計與防撞車身，2003；24：177-82
【2】 李元先，汽車車身輕量化研究的基礎(chǔ)上耐撞性的數(shù)值模擬。博士論文，中國，上海交通大學(xué)，2003
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【4】 Jambor A, Beyer M. 新汽車新材料，1997
【5】 Che on SS, Lee DG, Jeong KS. 復(fù)合材料門影響客車橫梁，1997
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【7】 李忠勝，周先斌，雙曲率車身鋼板的下沉剛度，2003
【8】 對轎車車身鋼板的強度，剛度及抗凹性分析，1995
【9】 車身面板的抗凹性的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，SAE 1974
【10】韓強，黃小清，恁建國，先進的鋼板殼體理論，2002
江 蘇 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書
汽車與交通工程 學(xué)院 班級 學(xué)生
設(shè)計（論文）題目 汽車驅(qū)動橋設(shè)計
課題來源 自選
起訖日期 2011 年 3月7日至 2011 年 6 月 10 日共14周
指導(dǎo)教師（簽名）
教研室主任（簽名）
設(shè)計計算依據(jù)：
汽車驅(qū)動橋設(shè)計依據(jù)：
發(fā)動機排量 1997ML?
最大功率/轉(zhuǎn)速110/6000? KW/RPM??
最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速 186/5000? NM/RPM
最高車速 Vmax=180km/h
輪距 1450mm?
車輪滾動半徑R=0.312m
主減速比 3.91
任務(wù)要求：
1. 英文翻譯，不少于3萬字符
2. 完成一篇不少于5000字的文獻綜述
3. 完成汽車驅(qū)動橋總體方案與主減速器、差速器、半軸等零部件的設(shè)計方案，并進行強度校核.
要求: 參考汽車構(gòu)造、汽車設(shè)計、機械制圖等教科書和參考資料，合理選擇主減速器、差速器、半軸等零部件的設(shè)計參數(shù)；繪制驅(qū)動橋總成圖及主減速器主從動齒輪、差速器半軸齒輪、半軸等零部件設(shè)計圖。圖紙總量不少于3張零號圖。
4. 完成畢業(yè)設(shè)計說明書
5. 畢業(yè)設(shè)計答辯
畢業(yè)設(shè)計（論文）進度計劃：
起訖日期
工 作 內(nèi) 容
備 注
3.07～3.18
3.19～3.31
4.1～4.20
4.21～5.22
5.22～5.31
6.1～6.10
查閱文獻、翻譯外文資料。
閱讀文獻資料，完成外文翻譯資料和文獻綜述
確定驅(qū)動橋設(shè)計方案和主減速器、差速器、半軸等零部件設(shè)計參數(shù)，并進行強度校核。
繪制驅(qū)動橋總成圖及主減速器主從動齒輪、差速器、半軸等零部件設(shè)計圖。
圖紙修改，撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書。
整理畢業(yè)設(shè)計資料，準(zhǔn)備答辯
外文翻譯資料匯報
審查文獻綜述
審查設(shè)計方案和計算結(jié)果
審查設(shè)計圖紙
指導(dǎo)及審查設(shè)計說明書
準(zhǔn)備多媒體答辯材料1份。
每周一下午為畢業(yè)設(shè)計匯報、交流、討論時間。
J I A N G S U U N I V E R S I T Y
本 科 畢 業(yè) 論 文
汽車驅(qū)動橋設(shè)計
Automotive Drive Axle Design
學(xué)院名稱： 汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)班級：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師姓名：
指導(dǎo)教師職稱： 教授
2011 年 6 月
文獻綜述
摘要 隨著我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展，作為汽車主要零部件之一的車橋系統(tǒng)也得到相應(yīng)的發(fā)展。各車橋生產(chǎn)廠家為了能在激烈的車橋產(chǎn)品市場中占有一定的份額，紛紛推出承載能力強、技術(shù)含量高、質(zhì)量好的車橋總成[1]。本文從眾多的車橋生產(chǎn)廠生產(chǎn)的產(chǎn)品中總結(jié)、歸納，分析了今后商用車車橋的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：商用車 車橋 法規(guī) 發(fā)展 車橋現(xiàn)狀
引言
近十幾年來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛，特別是在我國加入世貿(mào)后的這兩三年時間里，商用車的發(fā)展和乘用車一樣的快速。從2000年到2003年，全國商用車年銷售量由774901輛增加到了1211411輛，總增長率高達56.3%[2]。汽車工業(yè)的發(fā)展帶動了零部件及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，作為汽車關(guān)鍵零部件之一的車橋系統(tǒng)也得到相應(yīng)的發(fā)展，各生產(chǎn)廠家基本上形成了專業(yè)化、系列化、批量化生產(chǎn)的局面。
一、驅(qū)動橋的組成
驅(qū)動橋主要由主減速器、差速器、車輪傳動裝置和驅(qū)動橋殼等組成。
1、主減速器：主減速器一般用來改變傳動方向，降低轉(zhuǎn)速，增大扭矩，保證汽車有足夠的驅(qū)動力和適當(dāng)?shù)乃倨?。主減速器類型較多，有單級、雙級、雙速、輪邊減速器等。
由一對減速齒輪實現(xiàn)減速的裝置，稱為單級減速器。其結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，東風(fēng)BQl090型等輕、中型載重汽車上應(yīng)用廣泛。但是對一些載重較大的載重汽車，要求較大的減速比，用單級主減速器傳動，則從動齒輪的直徑就必須增大，會影響驅(qū)動橋的離地間隙，所以采用兩次減速。通常稱為雙級減速器。雙級減速器有兩組減速齒輪，實現(xiàn)兩次減速增扭[3]。
2、差速器：差速器用以連接左右半軸，可使兩側(cè)車輪以不同角速度旋轉(zhuǎn)同時傳遞扭矩。保證車輪的正常滾動。有的多橋驅(qū)動的汽車，在分動器內(nèi)或在貫通式傳動的軸間也裝有差速器，稱為橋間差速器。其作用是在汽車轉(zhuǎn)彎或在不平坦的路面上行駛時，使前后驅(qū)動車輪之間產(chǎn)生差速作用。
目前國產(chǎn)轎車及其它類汽車基本都采用了對稱式錐齒輪普通差速器。對稱式錐齒輪差速器由行星齒輪、半軸齒輪、行星齒輪軸（十字軸或一根直銷軸）和差速器殼等組成。
3、半軸：它是將差速器傳來的扭矩再傳給車輪，驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)，推動汽車行駛的實心軸。由于輪轂的安裝結(jié)構(gòu)不同，而半軸的受力情況也不同。所以，半軸分為全浮式、半浮式、3／4浮式三種型式。一般大、中型汽車均采用全浮式結(jié)構(gòu)。而半浮式半軸這種結(jié)構(gòu)型式主要用于小客車。3／4浮式半軸是受彎短的程度介于半浮式和全浮式之間[4]。此式半軸目前應(yīng)用不多，只在個別小臥車上應(yīng)用，如華沙M20型汽車。
4、橋殼：整體式橋殼因強度和剛度性能好，便于主減速器的安裝、調(diào)整和維修，而得到廣泛應(yīng)用。整體式橋殼因制造方法不同，可分為整體鑄造式、中段鑄造壓入鋼管式和鋼板沖壓焊接式等。分段式橋殼一般分為兩段，由螺栓1將兩段連成一體。分段式橋殼比較易于鑄造和加工。目前應(yīng)用整體式較多。
二?、汽車驅(qū)動橋現(xiàn)狀
現(xiàn)在，世界上貨車普遍采用兩種驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)：單級減速雙曲線螺旋錐齒輪副；帶輪邊減速(行星齒輪傳動)的雙級主減速器。后者更適宜于最大程度地滿足用戶不同需要。
在西歐，帶輪邊減速的雙級主減速器后驅(qū)動橋只占整個產(chǎn)品的40%，且有呈下降趨勢，在美國只占10%。其原因是這些地區(qū)的道路較好，采用單級減速雙曲線螺旋錐齒輪副成本較低，故大部分均采用這種結(jié)構(gòu)[5]。而亞洲、非洲和南美國家則采用帶輪邊減速的雙級主減速器的驅(qū)動橋，用于非道路和惡劣道路使用的車輛(工程自卸車、運水車等)。因此可以得出結(jié)論：一個國家的道路愈差，則采用帶輪邊減速雙級主減速器驅(qū)動橋愈多，反之，則愈少。
國外汽車驅(qū)動橋已普遍采用限滑差速器（N-Pin牙嵌式或多片摩擦盤式）、濕式行車制動器等先進技術(shù)。限滑差速器大大減少了輪胎的磨損，而濕式行車制動器則提高了主機的安全性能，簡化了維修工作。國內(nèi)僅一部分車使用N-Pin牙嵌式差速器。限滑差速器成本較高，因而在多數(shù)國產(chǎn)驅(qū)動橋上一直沒有得到應(yīng)用。目前向國內(nèi)提供限滑差速器的制造商主要是美國TraCtech公司和德國采埃孚公司。美國Tractech公司在蘇州的工廠即將建成投產(chǎn)，主要生產(chǎn)N-Pin牙嵌式、多片摩擦盤式和戶下O比例扭矩(三周節(jié))差速器(鎖緊系數(shù)3.5)。國內(nèi)如徐工、鼎盛天工等主機制造商等原來自制一部分N-Pin牙嵌式差速器，后因質(zhì)量不過關(guān)而放棄。國內(nèi)有幾個制造商生產(chǎn)比例扭矩差速器，但均為單周節(jié)，鎖緊系數(shù)138，較三周節(jié)要小得多。徐州良羽傳動機械有限公司在停車制動器(液壓)上也做了一些工作，主要用于重型卡車產(chǎn)品，但國產(chǎn)此類產(chǎn)品的可靠性還有待提高[6]。
美國戴納(Dana)公司斯皮賽爾重型車橋和制動器部最近研制成新一代貨車用中型和重型科爾德(Gold)系列車橋，其中一種重型單級減速驅(qū)動橋和兩種中型單級減速驅(qū)動橋已投人生產(chǎn)。除供應(yīng)納維斯塔(Navi-star)國際公司和麥克貨車公司用外，并將積極開拓世界市場。新型科爾德重型523-S單級橋標(biāo)定載荷10440kg，采用新設(shè)計的恒齒高準(zhǔn)雙曲面齒輪，直徑470mm。該齒輪采用專利工藝加工，齒根全圓弧倒角，比傳統(tǒng)的準(zhǔn)雙曲面齒輪更堅固。該齒輪具有表面塑性變形小，產(chǎn)生的熱量少，使用壽命長，效率高等優(yōu)點，據(jù)試驗表明，新的523-S車橋比先前10440kg車橋的使用壽命提高2倍，如在523-S車轎上加裝控制式差速鎖(5230-SL型)還能大大提高在惡劣環(huán)境下的牽引力。來用整體式球墨鑄鐵外殼制成的5135-和5150-S兩種型號的中型橋，額定載荷分別為6129kg和6810kg，傳動比值范圍3.07、4.78[7]。這兩種車橋是為低斷面輪胎，較高速度車輛而設(shè)計的。其為快速和長途運輸需求而安裝錐形滾柱軸承具有較高承載能力;其高頻淬火的車橋軸使用壽命長，適用多種潤滑劑的三唇橡膠油封密封性能好。
三、驅(qū)動橋的發(fā)展方向
3.1? 驅(qū)動橋向重載方向發(fā)展
? ? 隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資的不斷加大以及水電、礦業(yè)、油田、公路、城市交通運輸和環(huán)保工程建設(shè)等項目的增加，加大了重型車的需要，為重型車的發(fā)展創(chuàng)造了廣闊的市場空間。重型汽車近年來生產(chǎn)總量直線上升，2001年全國重型汽車比上年同期增長91.67%，2002年為60.97%，2003年為3.22%，重型汽車的用車環(huán)境及其它各項指標(biāo)發(fā)生了很多的變化，標(biāo)載噸位不斷向大的方向發(fā)展，多軸車上升明顯[8]。我國《汽車工業(yè)“十五”規(guī)劃》指出，載貨車要重點發(fā)展適應(yīng)高速公路需要的(排量9L以上，輸出功率220kW以上)重型車，主要為大功率牽引車及其它大型化、長途化、高速化、專用化等重型專用車。各汽車生產(chǎn)廠家為了實現(xiàn)汽車的高噸位，對車輛的行駛系進行了加強，通過采用多軸行駛系或空氣懸架結(jié)構(gòu)，滿足車輛的軸荷限值和提高行駛平順性。針對重型車的發(fā)展，為了不斷滿足重型車的需要，車橋也必須向著重載、高速的方向發(fā)展。許多車橋?qū)I(yè)生產(chǎn)廠也針對重型車發(fā)展的趨勢，通過加強橋殼、強化傳動齒輪等方式，紛紛推出重噸位的前/后橋總成，最大載重量達26噸[9]。
3.2? 驅(qū)動橋向多聯(lián)驅(qū)動橋發(fā)展
? ? 為了規(guī)范道路車輛的制造，為治理超限超載提供技術(shù)上的準(zhǔn)則，由國家發(fā)改委、交通部、公安部共同提出的強制性標(biāo)準(zhǔn)GB1589-2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》于2004年4月28日發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)對汽車車橋的載荷進行了明確規(guī)定：單軸掛車軸荷的最大限值每側(cè)單胎為6000kg，每側(cè)雙胎為10000kg，并裝雙軸掛車軸荷的最大限值為20000kg，并裝三軸掛車軸荷的最大限值為24000kg。這樣，為了實現(xiàn)車輛多拉快跑又不違反國家法規(guī)，各汽車生產(chǎn)廠家在6X4、8X4等多軸車的基礎(chǔ)上推出了10X6以上的多軸重型車。但這些多軸車都是在雙聯(lián)驅(qū)動橋的基礎(chǔ)上增加浮動橋而成，雖然其稱10X6，但實際起驅(qū)動作用的只有兩個驅(qū)動橋，這樣，由于驅(qū)動橋不能對車輪進行合理的扭矩分配，使得增加浮動橋后的整車行駛系沒有很好地發(fā)揮車橋驅(qū)動的作用。為了能合理地分配扭矩，以滿足某些獨立懸掛多軸驅(qū)動車型的使用，一些車橋生產(chǎn)廠家自主研發(fā)了三聯(lián)驅(qū)動橋，三聯(lián)驅(qū)動橋的扭矩分配原理是：每一個驅(qū)動橋都可以得到從發(fā)動機傳出的扭矩的1/3。這樣就可以在很大限度上滿足多軸車的需要，合理分配從發(fā)動機傳到車輪上的扭矩，提高這類車型的可靠性和安全性，并為以后的四聯(lián)、五聯(lián)驅(qū)動橋打下科學(xué)基礎(chǔ)[10]。
3.3? 增加驅(qū)動橋附件的技術(shù)含量
? ? 據(jù)分析，不管重型車的技術(shù)含量提升得多快，在未來10~15年內(nèi)大多數(shù)重型車的車橋和懸架結(jié)構(gòu)不會有明顯的改變，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和型式仍處于主導(dǎo)地位。那怎樣在相同結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上推出各自車橋的亮點呢？這是每一個專業(yè)廠必須不斷研究的問題。以前，各廠家主要是在載重噸位上進行競爭，但在國家法規(guī)的限定下，車橋的載重能力不可能有太多的增加，現(xiàn)在各專業(yè)廠采用最多的方法是：不斷增加車橋及其附件的技術(shù)含量，從橋殼的制造工藝、車橋的減速形式、車輪的制動方式等方面入手，通過吸收國外一些先進的技術(shù)，推出具有本企業(yè)特色、結(jié)構(gòu)先進、承載能力強的車橋，不斷提升產(chǎn)品的制造質(zhì)量及服務(wù)質(zhì)量[11]。
3.3.1? 從橋殼的制造技術(shù)上
? ? 尋求制造工藝先進、制造效率高、成本低的方法，使橋殼在原有的基礎(chǔ)上具有結(jié)構(gòu)先進、簡單、強度高的特點。目前，橋殼的制造方法主要有：
? ? (1)沖焊橋殼：沖焊橋殼工藝是經(jīng)過氣割下料后，中頻加熱沖壓成型后兩半對焊。這是一種傳統(tǒng)的橋殼加工形式，具有工藝簡單、材料利用率高、質(zhì)量小、韌性高、彈性好、成本低的優(yōu)點。但由于沖焊過程中，材料受熱，使得材料分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，失去了原有的狀態(tài)致使強度降低。同時，由于在焊接過程中，不可避免地出現(xiàn)焊接缺陷，而焊接缺陷是影響整體強度的主要原因之一。
? ? (2)鑄造橋殼：具有剛性好、強度高、塑性變形小、易鑄成等強度梁等優(yōu)點，但韌性及彈性沒有沖焊橋殼好[12]。為了達到更大的承載能力，往往以加大截面、增加安裝尺寸的方式進行局部加強，這就使得整體質(zhì)量大、鑄造質(zhì)量不易保證、成本較高，不適合整車進行輕量化及降成本設(shè)計。
? ? (3)整體冷成型無焊縫橋殼：這是一種新型的橋殼成型方式，其特點是采用國際最先進的低合金無縫鋼管整體冷成形，無縱向焊縫，消除了由于材料受熱而使晶格發(fā)生變化后強度下降的影響。在冷成形的過程中，反而使強度大幅度提高，據(jù)實驗，冷成形橋殼的抗彎和疲勞強度比熱成型兩半殼焊接橋殼可提高近一倍。
3.3.2? 從齒輪減速形式上
? ? 從傳統(tǒng)的中央單級減速發(fā)展到了現(xiàn)在的中央及輪邊雙級減速或雙級主減速器結(jié)構(gòu)，不但擴寬了車橋轉(zhuǎn)速比的范圍，有利于輸出轉(zhuǎn)速及輸出扭矩的調(diào)整。還由于把減速機構(gòu)放到輪邊后，使得車橋中央的第一級減速比做得比較小，因此橋殼中部離地間距較大，能很好地滿足汽車通過性的要求。
3.3.3? 從齒輪加工形式上
? ? 由于汽車高速行駛要求及法規(guī)對于噪音的控制要求，為了降低齒輪在高速運轉(zhuǎn)下的磨損，增加車橋的使用壽命，降低維修費用，車橋內(nèi)部的主、從動齒輪、行星齒輪及圓柱齒輪逐漸采用精磨加。但由于精磨加工成本較高，因此在貨車車橋上的應(yīng)用還不是很多，但這也是以后高速車橋發(fā)展的需要[13]。
3.3.4? 從車橋所帶的附件上
? ? 為了在市場競爭中凸出本企業(yè)車橋的亮點，現(xiàn)在各車橋廠做得最多的事情就是在傳統(tǒng)車橋的基礎(chǔ)上不斷增加具有競爭優(yōu)勢的先進附件：比如為了增加汽車行駛安全性，增加ABS防抱死系統(tǒng)、驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)(ASR)、制動間隙調(diào)整臂、無石棉制動摩擦片等裝置，是今后車橋發(fā)展必不可少的項目;為了提高車輛行駛的平順性，很好地保護車輛運載貨物，選裝空氣懸架或橡膠懸掛是有效途徑。根據(jù)資料表明，隨著相關(guān)法律法規(guī)的不斷完善，空氣懸架市場將進入增長期;為了有效地保護車輪制動鼓，減少由于制動鼓發(fā)熱而造成龜裂和抱死的現(xiàn)象，現(xiàn)在有的廠家主要從制動鼓散熱形式去研究制動鼓結(jié)構(gòu)，讓制動鼓不僅要有好的散熱，還要有有效的導(dǎo)熱，形成風(fēng)冷降溫，消除了傳統(tǒng)的強制水冷降溫的做法，從而提高車橋輪鼓的制動性能和使用壽命[14]。
3.3.5? 從油封質(zhì)量上
? ? 要求密封性好，使用壽命長，讓車橋在高速、高溫、長時間動轉(zhuǎn)狀態(tài)下不漏油，保證車橋的良好潤滑，減少維修維護所需的費用。
四、結(jié)束語
? ? 綜合分析，雖然汽車科技發(fā)展迅速，但在目前的狀態(tài)下車橋的結(jié)構(gòu)并沒有多大的變化，為了適應(yīng)市場的需要，適應(yīng)國家法律、法規(guī)的需要，車橋技術(shù)的進展主要是：改變橋殼的制造工藝以提高制造的效率、增加車橋附件的技術(shù)含量以提高車輛行駛安全性、提高車橋的自潤滑能力以提高車橋的使用壽命、增加電子技術(shù)在車橋的上應(yīng)用以減少人工操縱的疲勞、減少維修費用、提高服務(wù)質(zhì)量、降低車橋成本以提高車橋的競爭力等方面開發(fā)車橋，從最大限度上滿足車橋高速、重載、智能發(fā)展的需要，以生產(chǎn)出具有本企業(yè)特色、適合市場需要的車橋。
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汽車驅(qū)動橋設(shè)計 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱：教授 摘要 驅(qū)動橋位于傳動系末端，其基本功用是增矩、降速，承受作用于路面和車架或車身 之間的作用力。它的性能好壞直接影響整車性能，而對于載重汽車顯得尤為重要。當(dāng)采 用大功率發(fā)動機輸出大的轉(zhuǎn)矩以滿足目前載重汽車的快速、重載的高效率、高效益的需 要時，必須搭配一個高效、可靠的驅(qū)動橋，所以采用傳動效率高的單級減速驅(qū)動橋已經(jīng) 成為未來載重汽車的發(fā)展方向。驅(qū)動橋設(shè)計應(yīng)主要保證汽車在給定的條件下具有最佳的 動力性和燃油經(jīng)濟性。本設(shè)計根據(jù)給定的參數(shù)，按照傳統(tǒng)設(shè)計方法并參考同類型車確定 汽車總體參數(shù)，再確定主減速器、差速器、半軸和橋殼的結(jié)構(gòu)類型，最后進行參數(shù)設(shè)計 并對主減速器主、從動齒輪、半軸齒輪和行星齒輪進行強度以及壽命的校核。驅(qū)動橋設(shè) 計過程中基本保證結(jié)構(gòu)合理，符合實際應(yīng)用，總成及零部件的設(shè)計能盡量滿足零件的標(biāo) 準(zhǔn)化、部件的通用化和產(chǎn)品的系列化及汽車變型的要求，修理、保養(yǎng)方便，機件工藝性 好，制造容易。 關(guān)鍵字：輕型貨車 驅(qū)動橋 主減速器 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 錄 引言 ........................................................................1 第一章 總體方案論證 ......................................................2 1.1 非斷開式驅(qū)動橋 .......................................................3 1.2 斷開式驅(qū)動橋 .........................................................3 1.3 多橋驅(qū)動的布置 .......................................................4 第二章 主減速器設(shè)計 ......................................................5 2.1 主減速器結(jié)構(gòu)方案分析 .................................................6 2.1.1 螺旋錐齒輪傳動 ....................................................6 2.1.2 結(jié)構(gòu)形式 ..........................................................7 2.2 主減速器主、從動錐齒輪的支承方案 .....................................7 2.2.1 主動錐齒輪的支承 ..................................................7 2.2.2 從動錐齒輪的支承 ..................................................8 2.3 主減速器錐齒輪設(shè)計 ...................................................8 2.3.1 主減速比 i 的確定 .................................................80 2.3.2 主減速器錐齒輪的主要參數(shù)選擇 .....................................10 2.4 主減速器錐齒輪的材料 ................................................11 2.5 主減速器錐齒輪的強度計算 ............................................12 2.5.1 單位齒長圓周力 ...................................................12 2.5.2 齒輪彎曲強度 .....................................................13 2.5.3 輪齒接觸強度 .....................................................14 2.6 主減速器錐齒輪軸承的設(shè)計計算 ........................................14 2.6.1 錐齒輪齒面上的作用力 .............................................14 2.6.2 錐齒輪軸承的載荷 .................................................15 2.6.3 錐齒輪軸承型號的確定 .............................................18 第三章 差速器設(shè)計 ........................................................19 3.1 差速器結(jié)構(gòu)形式選擇 ..................................................19 3.2 普通錐齒輪式差速器齒輪設(shè)計 ..........................................20 3.3 差速器齒輪的材料 ....................................................22 3.4 普通錐齒輪式差速器齒輪強度計算 ......................................22 第四章 驅(qū)動車輪的傳動裝置設(shè)計 ..........................................23 4.1 半軸的型式 ..........................................................23 4.2 半軸的設(shè)計與計算 ....................................................24 4.2.1 半浮式半軸的設(shè)計計算 .............................................25 4.3 半軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料與熱處理 ........................................27 第五章 驅(qū)動橋殼設(shè)計 .....................................................28 5.1 橋殼的結(jié)構(gòu)型式 ......................................................28 5.2 橋殼的受力分析及強度計算 ............................................29 第六章 結(jié)論 ...............................................................30 致 謝 ..................................................................31 參 考 文 獻 ...............................................................31 附件清單 ..................................................................33 0 引言 本課題是對汽車驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計。故本說明書將對驅(qū)動橋及其主要零部件的結(jié)構(gòu) 型式與設(shè)計計算作一一介紹。 驅(qū)動橋的設(shè)計，由驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)組成、功用、工作特點及設(shè)計要求講起，詳細地分 析了驅(qū)動橋總成的結(jié)構(gòu)型式及布置方法；全面介紹了驅(qū)動橋車輪的傳動裝置和橋殼的各 種結(jié)構(gòu)型式與設(shè)計計算方法。 汽車驅(qū)動橋是汽車的重大總成，承載著汽車的滿載簧荷重及地面經(jīng)車輪、車架及承 載式車身經(jīng)懸架給予的鉛垂力、縱向力、橫向力及其力矩，以及沖擊載荷；驅(qū)動橋還傳 遞著傳動系中的最大轉(zhuǎn)矩，橋殼還承受著反作用力矩。汽車驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計參數(shù) 除對汽車的可靠性與耐久性有重要影響外，也對汽車的行駛性能如動力性、經(jīng)濟性、平 順性、通過性、機動性和操動穩(wěn)定性等有直接影響。另外，汽車驅(qū)動橋在汽車的各種總 成中也是涵蓋機械零件、部件、分總成等的品種最多的大總成。例如，驅(qū)動橋包含主減 速器、差速器、驅(qū)動車輪的傳動裝置（半軸及輪邊減速器） 、橋殼和各種齒輪。由上述可 見，汽車驅(qū)動橋設(shè)計涉及的機械零部件及元件的品種極為廣泛，對這些零部件、元件及 總成的制造也幾乎要設(shè)計到所有的現(xiàn)代機械制造工藝。因此，通過對汽車驅(qū)動橋的學(xué)習(xí) 和設(shè)計實踐，可以更好的學(xué)習(xí)并掌握現(xiàn)代汽車設(shè)計與機械設(shè)計的全面知識和技能。 本課題的設(shè)計依據(jù)： 發(fā)動機排量 1997ML 最大功率/轉(zhuǎn)速 110/6000 KW/RPM 最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速 186/5000 NM/RPM 最高車速 Vmax=180km/h 輪距 1450mm 車輪滾動半徑 R=0.312m 主減速比 3.91 有以下兩大難題，一是將發(fā)動機輸出扭矩通過萬向傳動軸將動力傳遞到后輪子上， 達到更好的車輪牽引力與轉(zhuǎn)向力的有效發(fā)揮，從而提高汽車的行駛能力。二是差速器向 兩邊半軸傳遞動力的同時，允許兩邊半軸以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，滿足兩邊車輪盡可能以純 1 滾動的形式作不等距行駛，減少輪胎與地面的摩擦。 本課題的設(shè)計思路可分為以下幾點：首先選擇初始方案，該轎車屬于普及型轎車， 采用后橋驅(qū)動，所以設(shè)計的驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)需要符合普及型轎車的結(jié)構(gòu)要求；接著選擇各部 件的結(jié)構(gòu)形式；最后選擇各部件的具體參數(shù)，設(shè)計出各主要尺寸。 所設(shè)計的轎車驅(qū)動橋制造工藝性好、外形美觀，工作更穩(wěn)定、可靠。該驅(qū)動橋設(shè)計 大大降低了制造成本，同時驅(qū)動橋使用維護成本也降低了。驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)符合其整體結(jié)構(gòu) 要求。設(shè)計的產(chǎn)品達到了結(jié)構(gòu)簡單，修理、保養(yǎng)方便；機件工藝性好，制造容易的要求。 目前我國正在大力發(fā)展汽車產(chǎn)業(yè),采用后輪驅(qū)動汽車的平衡性和操作性都將會有很大 的提高。后輪驅(qū)動的汽車加速時，牽引力將不會由前輪發(fā)出，所以在加速轉(zhuǎn)彎時，司機 就會感到有更大的橫向握持力，操作性能變好。維修費用低也是后輪驅(qū)動的一個優(yōu)點， 盡管由于構(gòu)造和車型的不同，這種費用將會有很大的差別。如果你的變速器出了故障， 對于后輪驅(qū)動的汽車就不需要對差速器進行維修，但是對于前輪驅(qū)動的汽車來說也許就 有這個必要了，因為這兩個部件是做在一起的。 所以后輪驅(qū)動必然會使得乘車更加安全、舒適，從而帶來可觀的經(jīng)濟效益。 第一章 總體方案論證 驅(qū)動橋處于動力傳動系的末端，其基本功能是增大由傳動軸或變速器傳來的轉(zhuǎn)矩,并 將動力合理地分配給左、右驅(qū)動輪，另外還承受作用于路面和車架或車身之間的垂直力 力和橫向力。驅(qū)動橋一般由主減速器、差速器、車輪傳動裝置和驅(qū)動橋殼等組成。 驅(qū)動橋設(shè)計應(yīng)當(dāng)滿足如下基本要求： a)所選擇的主減速比應(yīng)能保證汽車具有最佳的動力性和燃料經(jīng)濟性。 b)外形尺寸要小，保證有必要的離地間隙。 c)齒輪及其它傳動件工作平穩(wěn)，噪聲小。 d)在各種轉(zhuǎn)速和載荷下具有高的傳動效率。 e)在保證足夠的強度、剛度條件下，應(yīng)力求質(zhì)量小，尤其是簧下質(zhì)量應(yīng)盡量小，以 改善汽車平順性。 2 f)與懸架導(dǎo)向機構(gòu)運動協(xié)調(diào)，對于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋，還應(yīng)與轉(zhuǎn)向機構(gòu)運動協(xié)調(diào)。 g)結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝性好，制造容易，拆裝，調(diào)整方便。 驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)型式按工作特性分，可以歸并為兩大類，即非斷開式驅(qū)動橋和斷開式 驅(qū)動橋。當(dāng)驅(qū)動車輪采用非獨立懸架時，應(yīng)該選用非斷開式驅(qū)動橋；當(dāng)驅(qū)動車輪采用獨 立懸架時，則應(yīng)該選用斷開式驅(qū)動橋。因此，前者又稱為非獨立懸架驅(qū)動橋；后者稱為 獨立懸架驅(qū)動橋。獨立懸架驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)叫復(fù)雜，但可以大大提高汽車在不平路面上的行 駛平順性。 1.1 非斷開式驅(qū)動橋 普通非斷開式驅(qū)動橋，由于結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、工作可靠，廣泛用在各種載貨汽 車、客車和公共汽車上，在多數(shù)的越野汽車和部分轎車上也采用這種結(jié)構(gòu)。他們的具體 結(jié)構(gòu)、特別是橋殼結(jié)構(gòu)雖然各不相同，但是有一個共同特點，即橋殼是一根支承在左右 驅(qū)動車輪上的剛性空心梁，齒輪及半軸等傳動部件安裝在其中。這時整個驅(qū)動橋、驅(qū)動 車輪及部分傳動軸均屬于簧下質(zhì)量，汽車簧下質(zhì)量較大，這是它的一個缺點。 驅(qū)動橋的輪廓尺寸主要取決于主減速器的型式。在汽車輪胎尺寸和驅(qū)動橋下的最小 離地間隙已經(jīng)確定的情況下，也就限定了主減速器從動齒輪直徑的尺寸。在給定速比的 條件下，如果單級主減速器不能滿足離地間隙要求，可該用雙級結(jié)構(gòu)。在雙級主減速器 中，通常把兩級減速器齒輪放在一個主減速器殼體內(nèi)，也可以將第二級減速齒輪作為輪 邊減速器。對于輪邊減速器：越野汽車為了提高離地間隙，可以將一對圓柱齒輪構(gòu)成的 輪邊減速器的主動齒輪置于其從動齒輪的垂直上方；公共汽車為了降低汽車的質(zhì)心高度 和車廂地板高度，以提高穩(wěn)定性和乘客上下車的方便，可將輪邊減速器的主動齒輪置于 其從動齒輪的垂直下方；有些雙層公共汽車為了進一步降低車廂地板高度，在采用圓柱 齒輪輪邊減速器的同時，將主減速器及差速器總成也移到一個驅(qū)動車輪的旁邊。 在少數(shù)具有高速發(fā)動機的大型公共汽車、多橋驅(qū)動汽車和超重型載貨汽車上，有時 采用蝸輪式主減速器，它不僅具有在質(zhì)量小、尺寸緊湊的情況下可以得到大的傳動比以 及工作平滑無聲的優(yōu)點，而且對汽車的總體布置很方便。 1.2 斷開式驅(qū)動橋 3 斷開式驅(qū)動橋區(qū)別于非斷開式驅(qū)動橋的明顯特點在于前者沒有一個連接左右驅(qū)動車 輪的剛性整體外殼或梁。斷開式驅(qū)動橋的橋殼是分段的，并且彼此之間可以做相對運動， 所以這種橋稱為斷開式的。另外，它又總是與獨立懸掛相匹配，故又稱為獨立懸掛驅(qū)動 橋。這種橋的中段，主減速器及差速器等是懸置在車架橫粱或車廂底板上，或與脊梁式 車架相聯(lián)。主減速器、差速器與傳動軸及一部分驅(qū)動車輪傳動裝置的質(zhì)量均為簧上質(zhì)量。 兩側(cè)的驅(qū)動車輪由于采用獨立懸掛則可以彼此致立地相對于車架或車廂作上下擺動，相 應(yīng)地就要求驅(qū)動車輪的傳動裝置及其外殼或套管作相應(yīng)擺動。 汽車懸掛總成的類型及其彈性元件與減振裝置的工作特性是決定汽車行駛平順性的 主要因素，而汽車簧下部分質(zhì)量的大小，對其平順性也有顯著的影響。斷開式驅(qū)動橋的 簧下質(zhì)量較小，又與獨立懸掛相配合，致使驅(qū)動車輪與地面的接觸情況及對各種地形的 適應(yīng)性比較好，由此可大大地減小汽車在不平路面上行駛時的振動和車廂傾斜，提高汽 車的行駛平順性和平均行駛速度，減小車輪和車橋上的動載荷及零件的損壞，提高其可 靠性及使用壽命。但是，由于斷開式驅(qū)動橋及與其相配的獨立懸掛的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故這種 結(jié)構(gòu)主要見于對行駛平順性要求較高的一部分轎車及一些越野汽車上，且后者多屬于輕 型以下的越野汽車或多橋驅(qū)動的重型越野汽車。 1.3 多橋驅(qū)動的布置 為了提高裝載量和通過性，有些重型汽車及全部中型以上的越野汽車都是采用多橋 驅(qū)動，常采用的有 4×4、6×6、8×8 等驅(qū)動型式。在多橋驅(qū)動的情況下，動力經(jīng)分動器 傳給各驅(qū)動橋的方式有兩種。相應(yīng)這兩種動力傳遞方式，多橋驅(qū)動汽車各驅(qū)動橋的布置 型式分為非貫通式與貫通式。前者為了把動力經(jīng)分動器傳給各驅(qū)動橋，需分別由分動器 經(jīng)各驅(qū)動橋自己專用的傳動軸傳遞動力，這樣不僅使傳動軸的數(shù)量增多，且造成各驅(qū)動 橋的零件特別是橋殼、半軸等主要零件不能通用。而對 8×8 汽車來說，這種非貫通式驅(qū) 動橋就更不適宜，也難于布置了。 為了解決上述問題，現(xiàn)代多橋驅(qū)動汽車都是采用貫通式驅(qū)動橋的布置型式。 在貫通式驅(qū)動橋的布置中，各橋的傳動軸布置在同一縱向鉛垂平面內(nèi)，并且各驅(qū)動 橋不是分別用自己的傳動軸與分動器直接聯(lián)接，而是位于分動器前面的或后面的各相鄰 兩橋的傳動軸，是串聯(lián)布置的。汽車前后兩端的驅(qū)動橋的動力，是經(jīng)分動器并貫通中間 4 橋而傳遞的。其優(yōu)點是，不僅減少了傳動軸的數(shù)量，而且提高了各驅(qū)動橋零件的相互通 用性，并且簡化了結(jié)構(gòu)、減小了體積和質(zhì)量。這對于汽車的設(shè)計(如汽車的變型)、制造 和維修，都帶來方便。 由于非斷開式驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、工作可靠，查閱資料，參照國內(nèi)相關(guān)轎 車的設(shè)計,最后本課題選用非斷開式驅(qū)動橋。 其結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1－半軸 2－圓錐滾子軸承 3－支承螺栓 4－主減速器從動錐齒輪 5－油封 6－主減速器主動錐齒 輪 7－彈簧座 8－墊圈 9－輪轂 10－調(diào)整螺母 圖 1-1 驅(qū)動橋 第二章 主減速器設(shè)計 主減速器是汽車傳動系中減小轉(zhuǎn)速、增大扭矩的主要部件，它是依靠齒數(shù)少的錐齒 輪帶動齒數(shù)多的錐齒輪。對發(fā)動機縱置的汽車，其主減速器還利用錐齒輪傳動以改變動 力方向。由于汽車在各種道路上行使時，其驅(qū)動輪上要求必須具有一定的驅(qū)動力矩和轉(zhuǎn) 速，在動力向左右驅(qū)動輪分流的差速器之前設(shè)置一個主減速器后，便可使主減速器前面 的傳動部件如變速器、萬向傳動裝置等所傳遞的扭矩減小，從而可使其尺寸及質(zhì)量減小、 操縱省力。 驅(qū)動橋中主減速器、差速器設(shè)計應(yīng)滿足如下基本要求： 5 a）所選擇的主減速比應(yīng)能保證汽車既有最佳的動力性和燃料經(jīng)濟性。 b）外型尺寸要小，保證有必要的離地間隙；齒輪其它傳動件工作平穩(wěn)，噪音小。 c）在各種轉(zhuǎn)速和載荷下具有高的傳動效率；與懸架導(dǎo)向機構(gòu)與動協(xié)調(diào)。 d）在保證足夠的強度、剛度條件下，應(yīng)力求質(zhì)量小，以改善汽車平順性。 e）結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝性好，制造容易，拆裝、調(diào)整方便。 2.1 主減速器結(jié)構(gòu)方案分析 主減速器的結(jié)構(gòu)形式主要是根據(jù)齒輪類型、減速形式的不同而不同。 2.1.1 螺旋錐齒輪傳動 圖 2-1 螺旋錐齒輪傳動 按齒輪副結(jié)構(gòu)型式分，主減速器的齒輪傳動主要有螺旋錐齒輪式傳動、雙曲面齒輪 式傳動、圓柱齒輪式傳動（又可分為軸線固定式齒輪傳動和軸線旋轉(zhuǎn)式齒輪傳動即行星 齒輪式傳動）和蝸桿蝸輪式傳動等形式。 在發(fā)動機橫置的汽車驅(qū)動橋上，主減速器往往采用簡單的斜齒圓柱齒輪；在發(fā)動機 縱置的汽車驅(qū)動橋上，主減速器往往采用圓錐齒輪式傳動或準(zhǔn)雙曲面齒輪式傳動。 為了減少驅(qū)動橋的外輪廓尺寸，主減速器中基本不用直齒圓錐齒輪而采用螺旋錐齒 輪。因為螺旋錐齒輪不發(fā)生根切（齒輪加工中產(chǎn)生輪齒根部切薄現(xiàn)象，致使齒輪強度大 大降低）的最小齒數(shù)比直齒輪的最小齒數(shù)少，使得螺旋錐齒輪在同樣的傳動比下主減速 器結(jié)構(gòu)較緊湊。此外，螺旋錐齒輪還具有運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小等優(yōu)點，汽車上獲得廣泛應(yīng) 用。 近年來，有些汽車的主減速器采用準(zhǔn)雙曲面錐齒輪（車輛行業(yè)中簡稱雙曲面?zhèn)鲃樱?6 傳動。準(zhǔn)雙曲面錐齒輪傳動與圓錐齒輪相比，準(zhǔn)雙曲面齒輪傳動不僅工作平穩(wěn)性更好， 彎曲強度和接觸強度更高，同時還可使主動齒輪的軸線相對于從動齒輪軸線偏移。當(dāng)主 動準(zhǔn)雙曲面齒輪軸線向下偏移時，可降低主動錐齒輪和傳動軸位置，從而有利于降低車 身及整車重心高度，提高汽車行使的穩(wěn)定性。但是，準(zhǔn)雙曲面齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩時，齒面間 有較大的相對滑動，且齒面間壓力很大，齒面油膜很容易被破壞。為減少摩擦，提高效 率，必須采用含防刮傷添加劑的雙曲面齒輪油，絕不允許用普通齒輪油代替，否則將時 齒面迅速擦傷和磨損，大大降低使用壽命。 查閱文獻[1]、[2]，經(jīng)方案論證，主減速器的齒輪選用螺旋錐齒輪傳動形式（如圖 2-1 示） 。螺旋錐齒輪傳動的主、從動齒輪軸線垂直相交于一點，齒輪并不同時在全長上 嚙合，而是逐漸從一端連續(xù)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)向另一端。另外，由于輪齒端面重疊的影響，至少 有兩對以上的輪齒同時捏合，所以它工作平穩(wěn)、能承受較大的負荷、制造也簡單。為保 證齒輪副的正確嚙合，必須將支承軸承預(yù)緊，提高支承剛度，增大殼體剛度。 2.1.2 結(jié)構(gòu)形式 為了滿足不同的使用要求，主減速器的結(jié)構(gòu)形式也是不同的。 按參加減速傳動的齒輪副數(shù)目分，有單級式主減速器和雙級式主減速器、雙速主減 速器、雙級減速配以輪邊減速器等。雙級式主減速器應(yīng)用于大傳動比的中、重型汽車上， 若其第二級減速器齒輪有兩副，并分置于兩側(cè)車輪附近，實際上成為獨立部件，則稱輪 邊減速器。單級式主減速器應(yīng)用于轎車和一般輕、中型載貨汽車。單級主減速器由一對 圓錐齒輪組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、成本低、使用簡單等優(yōu)點。 查閱文獻[1]、[2]，經(jīng)方案論證，本設(shè)計主減速器采用單級主減速器。其傳動比 i0 一般小于等于 7。 2.2 主減速器主、從動錐齒輪的支承方案 主減速器中心必須保證主從動齒輪具有良好的嚙合狀況，才能使它們很好地工作。 齒輪的正確嚙合，除了與齒輪的加工質(zhì)量裝配調(diào)整及軸承主減速器殼體的剛度有關(guān)以外， 還與齒輪的支承剛度密切相關(guān)。 3.2.1 主動錐齒輪的支承 7 圖 2-2 主動錐齒輪懸臂式 主動錐齒輪的支承形式可分為懸臂式支承和跨置式支承兩種。查閱資料、文獻，經(jīng) 方案論證，采用懸臂式支承結(jié)構(gòu)（如圖 2-2 示） 。圓錐滾子軸承大端向外，這樣可以增加 支撐間的距離 b，并可減小懸臂長度 a，可以改善支承剛度。 懸臂式支承的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單。缺點是支承剛度較差。這種結(jié)構(gòu)主要用在傳遞轉(zhuǎn)矩 較小的乘用車，輕型商用車的單級主減速器中。所以綜合得出本設(shè)計選用懸臂式支承。 圖 2-3 從動錐齒輪支撐形式 2.2.2 從動錐齒輪的支承 從動錐齒輪采用圓錐滾子軸承支承（如圖 2-3 示） 。為了增加支承剛度，兩軸承的圓 錐滾子大端應(yīng)向內(nèi)，以減小尺寸 c+d。為了使從動錐齒輪背面的差速器殼體處有足夠的位 置設(shè)置加強肋以增強支承穩(wěn)定性，c+d 應(yīng)不小于從動錐齒輪大端分度圓直徑的 70%。為了 使載荷能均勻分配在兩軸承上，應(yīng)是 c 等于或大于 d。 2.3 主減速器錐齒輪設(shè)計 主減速比 i 、驅(qū)動橋的離地間隙和計算載荷，是主減速器設(shè)計的原始數(shù)據(jù)，應(yīng)在0 汽車總體設(shè)計時就確定。 2.3.1 主減速比 i 的確定0 8 主減速比對主減速器的結(jié)構(gòu)型式、輪廓尺寸、質(zhì)量大小以及當(dāng)變速器處于最高 檔位時汽車的動力性和燃料經(jīng)濟性都有直接影響。i 的選擇應(yīng)在汽車總體設(shè)計時和傳動0 系的總傳動比 i 一起由整車動力計算來確定?？衫迷诓煌?i 下的功率平衡田來研究 i0 對汽車動力性的影響。通過優(yōu)化設(shè)計，對發(fā)動機與傳動系參數(shù)作最佳匹配的方法來選擇0 i 值，可使汽車獲得最佳的動力性和燃料經(jīng)濟性。 本設(shè)計給出了 i =3.910 從動錐齒輪計算轉(zhuǎn)矩 Tcs Tcs= （2-3）2rmGin??? 式中： Tce—計算轉(zhuǎn)矩，N·m； n—計算驅(qū)動橋數(shù)，1； im—主減速器從動齒輪到車輪間的傳動比，i f=1； —滿載狀態(tài)下一個驅(qū)動橋上的靜載荷（N） ， =11858N；2G2G ηm—主減速器主動齒輪到車輪間的傳動效率，η=1； —汽車最大加速的時的后軸負荷轉(zhuǎn)移系數(shù)， =1.3；2? 2m? —輪胎與路面間的附著系數(shù)， =0.85；?? —車輪滾動半徑， =0.312m；r r 代入式（3-3） ，有： Tcs=4088 N·m Tce=2941.7N·m 主動斜齒圓柱齒輪的計算轉(zhuǎn)矩為 （2-5）GoziTce?? 式中： 為主動斜齒圓柱齒輪的計算轉(zhuǎn)矩，Nm；zT 9 為主傳動比，取 3.91；oi 為主、從動斜齒圓柱齒輪間的傳動效率。 （計算時，對于弧齒斜齒圓柱齒輪副，G? 取 95%；對于雙曲面齒輪副，當(dāng) >6 時， 取 85%，當(dāng) =e，由此得 X=0.4,Y=1.7。arF 18 另外查得載荷系數(shù) fp=1.2。 P=fp（XF r+YFa） （2-21） 將各參數(shù)代入式（3-21）中，有： P=78990N 軸承應(yīng)有的基本額定動負荷 C′ r C′ r= （2-22） 10h36tnLPf 式中： ft—溫度系數(shù)，查文獻[4]，得 ft=1； ε—滾子軸承的壽命系數(shù)，查文獻[4]，得 ε=10/3； n—軸承轉(zhuǎn)速，426.3r/min； L′ h—軸承的預(yù)期壽命，5000h； 將各參數(shù)代入式（2-22）中，有； C′ r=59558N 初選軸承型號 查文獻[3]，初步選擇 Cr =61500N> C′ r的圓錐滾子軸承 32304。 驗算 32304 圓錐滾子軸承的壽命 Lh = （2-23） εtrf167nP?????? 將各參數(shù)代入式（2-21）中，有： Lh =4879h<5000h 所選擇 32304 圓錐滾子軸承的壽命低于預(yù)期壽命，故選 32304 軸承,經(jīng)檢驗?zāi)軡M足。 軸承 B、軸承 C、軸承 D、軸承 E 強度都可按此方法得出，其強度均能夠滿足要求。 第三章 差速器設(shè)計 19 汽車在行使過程中，左右車輪在同一時間內(nèi)所滾過的路程往往是不相等的，左右兩 輪胎內(nèi)的氣壓不等、胎面磨損不均勻、兩車輪上的負荷不均勻而引起車輪滾動半徑不相 等；左右兩輪接觸的路面條件不同，行使阻力不等等。這樣，如果驅(qū)動橋的左、右車輪 剛性連接，則不論轉(zhuǎn)彎行使或直線行使，均會引起車輪在路面上的滑移或滑轉(zhuǎn)，一方面 會加劇輪胎磨損、功率和燃料消耗，另一方面會使轉(zhuǎn)向沉重，通過性和操縱穩(wěn)定性變壞。 為此，在驅(qū)動橋的左右車輪間都裝有輪間差速器。 差速器是個差速傳動機構(gòu)，用來在兩輸出軸間分配轉(zhuǎn)矩，并保證兩輸出軸有可能以 不同的角速度轉(zhuǎn)動，用來保證各驅(qū)動輪在各種運動條件下的動力傳遞，避免輪胎與地面 間打滑。差速器按其結(jié)構(gòu)特征可分為齒輪式、凸輪式、蝸輪式和牙嵌自由輪式等多種形 式。 3.1 差速器結(jié)構(gòu)形式選擇 汽車上廣泛采用的差速器為對稱錐齒輪式差速器，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量較小等優(yōu)點， 應(yīng)用廣泛。它可分為普通錐齒輪式差速器、摩擦片式差速器和強制鎖止式差速器。 普通齒輪式差速器的傳動機構(gòu)為齒輪式。齒輪差速器要圓錐齒輪式和圓柱齒輪式兩 種。 強制鎖止式差速器就是在對稱式錐齒輪差速器上設(shè)置差速鎖。當(dāng)一側(cè)驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)時， 可利用差速鎖使差速器不起差速作用。差速鎖在軍用汽車上應(yīng)用較廣。 查閱文獻[5]經(jīng)方案論證，差速器結(jié)構(gòu)形式選擇對稱式圓錐行星齒輪差速器。 普通的對稱式圓錐行星齒輪差速器由差速器左、右殼，2 個半軸齒輪，4 個行星齒輪 (少數(shù)汽車采用 3 個行星齒輪，小型、微型汽車多采用 2 個行星齒輪)，行星齒輪軸(不少 裝 4 個行星齒輪的差逮器采用十字軸結(jié)構(gòu))，半軸齒輪及行星齒輪墊片等組成。由于其結(jié) 構(gòu)簡單、工作平穩(wěn)、制造方便、用在公路汽車上也很可靠等優(yōu)點，最廣泛地用在轎車、 客車和各種公路用載貨汽車上．有些越野汽車也采用了這種結(jié)構(gòu)，但用到越野汽車上需 要采取防滑措施。例如加進摩擦元件以增大其內(nèi)摩擦，提高其鎖緊系數(shù)；或加裝可操縱 的、能強制鎖住差速器的裝置——差速鎖等。 3.2 普通錐齒輪式差速器齒輪設(shè)計 20 a) 行星齒輪數(shù) n 通常情況下，轎車的行星齒輪數(shù) n=2。 b) 行星齒輪球面半徑 Rb 行星齒輪球面半徑 Rb反映了差速器錐齒輪節(jié)錐矩的大小和承載能力。 Rb=Kb （3-1）3dT 式中： Kb—行星齒輪球面半徑系數(shù)，K b=2.5～3.0，對于有兩個行星齒輪的轎車取最大值； 取 3.0 Td—差速器計算轉(zhuǎn)矩，2941.7N·m； 將各參數(shù)代入式（3-1） ，有： Rb=44 mm 行星齒輪節(jié)錐距 A0=43.5mm c）行星齒輪和半軸齒輪齒數(shù) z1和 z2 為了使輪齒有較高的強度，z 1一般不少于 10。半軸齒輪齒數(shù) z2在 14～25 選用。大 多數(shù)汽車的半軸齒輪與行星齒輪的齒數(shù)比 在 1.5～2.0 的范圍內(nèi)，且半軸齒輪齒數(shù)和必21z 須能被行星齒輪齒數(shù)整除。 查閱資料，經(jīng)方案論證，初定半軸齒輪與行星齒輪的齒數(shù)比 =2，半軸齒輪齒數(shù)21z z2=24，行星齒輪的齒數(shù) z 1=12。 d） 行星齒輪和半軸齒輪節(jié)錐角 γ 1、γ 2及模數(shù) m 行星齒輪和半軸齒輪節(jié)錐角 γ 1、γ 2分別為 γ 1= （3-2）2zarctn?????? γ 2= （3-3）1rtz 將各參數(shù)分別代入式（3—2）與式（3—3） ，有： γ 1=27°，γ 2=63° 21 錐齒輪大端模數(shù) m 為 m= （3-4）012Asinγz 將各參數(shù)代入式（3-4） ，有： m=3.29mm 查閱文獻[3]，取模數(shù) m=3.3 e）半軸齒輪與行星齒輪齒形參數(shù) 按照文獻[3]中的設(shè)計計算方法進行設(shè)計和計算，結(jié)果見表 3-1。 f）壓力角 α 汽車差速齒輪大都采用壓力角 α=22°30′，齒高系數(shù)為 0.8 的齒形。 表 3-1 半軸齒輪與行星齒輪參數(shù) 參 數(shù) 符 號 半軸齒輪 行星齒輪 分度圓直徑 d 100 50 齒頂高 ha 2.7 3.51 齒根高 hf 4.11 3.3 齒頂圓直徑 da 110.5 54 齒根圓直徑 df 98 46 齒頂角 θ a 3.14° 5.53° 齒根角 θ f 5.53° 3.14° 分度圓錐角 δ 63° 27° 頂錐角 δ a 66.1° 32.5° 根錐角 δ f 57.5° 24° 錐距 R 47 46 分度圓齒厚 s 6.45 6.67 齒面寬 b 12 12 g)行星齒輪軸用直徑 d 行星齒輪軸用直徑 d（mm）為 22 d= （3-5）??30cdT×1.σnr 式中： T0—差速器殼傳遞的轉(zhuǎn)矩，2941.7Nm； n—行星齒輪數(shù),2； rd—行星齒輪支承面中點到錐頂?shù)木嚯x，mm； [σ c]—支承面許用擠壓應(yīng)力，取 98 MPa； 將各參數(shù)代入式（3-5）中，有： d=21.2mm，取 22mm。 行星齒輪在軸上的支承長度 L 為 L=1.1d=24.2mm 3.3 差速器齒輪的材料 差速器齒輪和主減速器齒輪一樣，基本上都是用滲碳合金鋼制造，目前用于制造差 速器錐齒輪的材料為 20CrMnTi、20CrMoTi、22CrMnMo 和 20CrMo 等。由于差速器齒輪輪 齒要求的精度較低，所以精鍛差速器齒輪工藝已被廣泛應(yīng)用。 3.4 普通錐齒輪式差速器齒輪強度計算 差速器齒輪的尺寸受結(jié)構(gòu)限制，而且承受的載荷較大，它不像主減速器齒輪那樣經(jīng) 常處于嚙合傳動狀態(tài)，只有當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎或左、右輪行使不同的路程時，或一側(cè)車輪打滑 而滑轉(zhuǎn)時，差速器齒輪才能有嚙合傳動的相對運動。因此，對于差速器齒輪主要應(yīng)進行 彎曲強度計算。輪齒彎曲應(yīng)力 σ w（MPa）為 σ w= （3-6）3smv2Tk×10bdJn 式中： n—行星齒輪數(shù),2； J—綜合系數(shù)，取 0.224； b2—半軸齒輪齒寬，mm； 23 d2—半軸齒輪大端分度圓直徑，mm； T—半軸齒輪計算轉(zhuǎn)矩（Nm） ，T=0.6 T 0 ,1765； ks、k m、k v按照主減速器齒輪強度計算的有關(guān)轉(zhuǎn)矩選?。?將各參數(shù)代入式（4-6）中，有： σ w=938.5 MPa 按照文獻[1], 差速器齒輪的 σ w≤[σ w]=980 MPa，所以齒輪彎曲強度滿足要求。 第四章 驅(qū)動車輪的傳動裝置設(shè)計 驅(qū)動車輪的傳動裝置位于汽車傳動系的末端，其功用是將轉(zhuǎn)矩由差速器半軸齒輪傳 給驅(qū)動車輪。在斷開式驅(qū)動橋和轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，驅(qū)動車輪的傳動裝置包括半軸和萬向節(jié) 傳動裝置且多采用等速萬向節(jié)。在一般非斷開式驅(qū)動橋上，驅(qū)動車輪的傳動裝置就是半 軸，這時半軸將差速器半軸齒輪與輪轂連接起來。在裝有輪邊減速器的驅(qū)動橋上，半軸 將半軸齒輪與輪邊減速器的主動齒輪連接起來。 4.1 半軸的型式 普通非斷開式驅(qū)動橋的半軸，根據(jù)其外端的支承型式或受力狀況的不同而分為半浮 式、3/4 浮式和全浮式三種。 半浮式半軸以靠近外端的軸頸直接支承在置于橋殼外端內(nèi)孔中的軸承上，而端部則 以具有錐面的軸頸及鍵與車輪輪轂相固定，或以突緣直接與車輪輪盤及制動鼓相聯(lián)接)。 因此，半浮式半軸除傳遞轉(zhuǎn)矩外，還要承受車輪傳來的彎矩。由此可見，半浮式半軸承 受的載荷復(fù)雜，但它具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、尺寸緊湊、造價低廉等優(yōu)點。用于質(zhì)量較 小、使用條件較好、承載負荷也不大的轎車和輕型載貨汽車。 3/4 浮式半軸的結(jié)構(gòu)特點是半軸外端僅有一個軸承并裝在驅(qū)動橋殼半軸套管的端部， 直接支承著車輪輪轂，而半軸則以其端部與輪轂相固定。由于一個軸承的支承剛度較差， 因此這種半軸除承受全部轉(zhuǎn)矩外，彎矩得由半軸及半軸套管共同承受，即 3/4 浮式半軸 還得承受部分彎矩，后者的比例大小依軸承的結(jié)構(gòu)型式及其支承剛度、半軸的剛度等因 素決定。側(cè)向力引起的彎矩使軸承有歪斜的趨勢，這將急劇降低軸承的壽命。可用于轎 24 車和輕型載貨汽車，但未得到推廣。 全浮式半軸的外端與輪轂相聯(lián)，而輪轂又由一對軸承支承于橋殼的半軸套管上。多 采用一對圓錐滾子軸承支承輪轂，且兩軸承的圓錐滾子小端應(yīng)相向安裝并有一定的預(yù)緊， 調(diào)好后由鎖緊螺母予以鎖緊，很少采用球軸承的結(jié)構(gòu)方案。 由于車輪所承受的垂向力、縱向力和側(cè)向力以及由它們引起的彎矩都經(jīng)過輪轂、輪 轂軸承傳給橋殼，故全浮式半軸在理論上只承受轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩。但在實際工作中由 于加工和裝配精度的影響及橋殼與軸承支承剛度的不足等原因，仍可能使全浮式半軸在 實際使用條件下承受一定的彎矩，彎曲應(yīng)力約為 5～70MPa。具有全浮式半軸的驅(qū)動橋的 外端結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需采用形狀復(fù)雜且質(zhì)量及尺寸都較大的輪轂，制造成本較高，故轎車 及其他小型汽車不采用這種結(jié)構(gòu)。但由于其工作可靠，故廣泛用于輕型以上的各類汽車 上。 4.2 半軸的設(shè)計與計算 半軸的主要尺寸是它的直徑，設(shè)計與計算時首先應(yīng)合理地確定其計算載荷。 半軸的計算應(yīng)考慮到以下三種可能的載荷工況： a）縱向力 X2最大時(X 2＝Z 2 )附著系數(shù)尹取 0.8，沒有側(cè)向力作用；? b）側(cè)向力 Y2最大時，其最大值發(fā)生于側(cè)滑時，為 Z2 中， ，側(cè)滑時輪胎與地面?zhèn)认?? 附著系數(shù) ，在計算中取 1.0，沒有縱向力作用；1? c）垂向力 Z2最大時，這發(fā)生在汽車以可能的高速通過不平路面時，其值為(Z 2-gw) kd，k d是動載荷系數(shù)，這時沒有縱向力和側(cè)向力的作用。 由于車輪承受的縱向力、側(cè)向力值的大小受車輪與地面最大附著力的限制，即: 2=X+Y? 故縱向力 X2最大時不會有側(cè)向力作用，而側(cè)向力 Y2最大時也不會有縱向力作用。 4.2.1 全浮式半軸的設(shè)計計算 本課題采用全浮式半軸，其詳細的計算校核如下： a)全浮式半軸計算載荷的確定 全浮式半軸只承受轉(zhuǎn)矩，其計算轉(zhuǎn)矩按下式進行： 25 T=ξ Temaxig1i0 （4-1） 式中：ξ——差速器的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)，對圓錐行星齒輪差速器可取 ＝0.6；? ig1——變速器 1 擋傳動比； i0——主減速比。 已知：T emax＝186Nm；i g1＝4.17； i 0＝3.91 ； =0.6ξ 計算結(jié)果： T=0.6×186×4.17×3.91 =1819.6N.m 在設(shè)計時，全浮式半軸桿部直徑的初步選取可按下式進行： （4-2） 33310(2.5~.18).96[]TdT????? 式中 d——半軸桿部直徑，mm； T——半軸的計算轉(zhuǎn)矩，Nrn； [ ]——半軸扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力，MPa。? 根據(jù)上式帶入 T＝1819.6Nm，得： 32mm≤d≤32.6mm ?。篸=32mm 給定一個安全系數(shù) k=1.5 d=k×d =1.5×26 =48mm 全浮式半軸支承轉(zhuǎn)矩，其計算轉(zhuǎn)矩為： （4-3）22LrRrTX?? 三種半軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力由下式計算： （4-4）3160d?? 26 式中 ——半軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，MPa；? T—一半軸的計算轉(zhuǎn)矩，T=1819.6Nm； d——半軸桿部直徑，d=32mm。 將數(shù)據(jù)帶入式（4-3） 、 （4-4）得： =528MPa? 半軸花鍵的剪切應(yīng)力為 （4-5） 310()/4bpBATzLjDd???? 半軸花鍵的擠壓應(yīng)力為 （4-6）2/)(]4/)[(10 3ABABpc ddLzT????????? 式中 T——半軸承受的最大轉(zhuǎn)矩，T=12215Nm； DB——半軸花鍵(軸)外徑，D B=48mm； dA——相配的花鍵孔內(nèi)徑，d A=42mm； z——花鍵齒數(shù)； Lp——花鍵工作長度，L p=48mm； B——花鍵齒寬，B=6qqmm； ——載荷分布的不均勻系數(shù)，取 0.75。? 將數(shù)據(jù)帶入式（4-5） 、 （4-6）得： =68Mpab? =169MPac? 半軸的最大扭轉(zhuǎn)角為 （4-7）3108????GJTl 式中 T——半軸承受的最大轉(zhuǎn)矩，T=12215Nm； l——半軸長度，l =725mm； G——材料的剪切彈性模量，MPa； 27 J——半軸橫截面的極慣性矩， mm 4。 將數(shù)據(jù)帶入式（4-7）得： = 8°? 半軸計算時的許用應(yīng)力與所選用的材料、加工方法、熱處理工藝及汽車的使用條 件有關(guān)。當(dāng)采用 40Cr，40MnB，40MnVB，40CrMnMo，40 號及 45 號鋼等作為全浮式半軸的 材料時，其扭轉(zhuǎn)屈服極限達到 784MPa 左右。在保證安全系數(shù)在 1.3～1.6 范圍時，半軸 扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力可取為[ ＝490～588MPa。]? 對于越野汽車、礦用汽車等使用條件差的汽車，應(yīng)該取較大的安全系數(shù)，這時許用 應(yīng)力應(yīng)取小值；對于使用條件較好的公路汽車則可取較大的許用應(yīng)力。 當(dāng)傳遞最大轉(zhuǎn)矩時，半軸花鍵的剪切應(yīng)力不應(yīng)超過 71.05MPa；擠壓應(yīng)力不應(yīng)該超過 196MPa，半軸單位長度的最大轉(zhuǎn)角不應(yīng)大于 8°/m。 4.3 半軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料與熱處理 為了使半軸的花鍵內(nèi)徑不小于其桿部直徑，常常將加工花鍵的端部做得粗些，并適 當(dāng)?shù)販p小花鍵槽的深度，因此花鍵齒數(shù)必須相應(yīng)地增加，通常取 10 齒(轎車半軸)至 18 齒(載貨汽車半軸)。半軸的破壞形式多為扭轉(zhuǎn)疲勞破壞，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)盡量增大 各過渡部分的圓角半徑以減小應(yīng)力集中。重型車半軸的桿部較粗，外端突緣也很大，當(dāng) 無較大鍛造設(shè)備時可采用兩端均為花鍵聯(lián)接的結(jié)構(gòu)，且取相同花鍵參數(shù)以簡化工藝。在 現(xiàn)代汽車半軸上，漸開線花鍵用得較廣，但也有采用矩形或梯形花鍵的。 半軸多采用含鉻的中碳合金鋼制造，如 40Cr，40CrMnMo，40CrMnSi，40CrMoA，35CrMnSi，35CrMnTi 等。40MnB 是我國研制出的 新鋼種，作為半軸材料效果很好。半軸的熱處理過去都采用調(diào)質(zhì)處理的方法，調(diào)質(zhì)后要 求桿部硬度為 HB388—444(突緣部分可降至 HB248)。近年來采用高頻、中頻感應(yīng)淬火的 口益增多。這種處理方法使半軸表面淬硬達 HRC52～63，硬化層深約為其半徑的 1／3， 心部硬度可定為 HRC30—35；不淬火區(qū)(突緣等)的硬度可定在 HB248～277 范圍內(nèi)。由于 硬化層本身的強度較高，加之在半軸表面形成大的殘余壓應(yīng)力，以及采用噴丸處理、滾 壓半軸突緣根部過渡圓角等工藝，使半軸的靜強度和疲勞強度大為提高，尤其是疲勞強 28 度提高得十分顯著。由于這些先進工藝的采用，不用合金鋼而采用中碳(40 號、45 號)鋼 的半軸也日益增多。 第五章 驅(qū)動橋殼設(shè)計 驅(qū)動橋橋殼是汽車上的主要零件之一，非斷開式驅(qū)動橋的橋殼起著支承汽車荷重的 作用，并將載荷傳給車輪．作用在驅(qū)動車輪上的牽引力，制動力、側(cè)向力和垂向力也是 經(jīng)過橋殼傳到懸掛及車架或車廂上。因此橋殼既是承載件又是傳力件，同時它又是主減 速器、差速器及驅(qū)動車輪傳動裝置(如半軸)的外殼。 在汽車行駛過程中，橋殼承受繁重的載荷，設(shè)計時必須考慮在動載荷下橋殼有足夠 的強度和剛度。為了減小汽車的簧下質(zhì)量以利于降低動載荷、提高汽車的行駛平順性， 在保證強度和剛度的前提下應(yīng)力求減小橋殼的質(zhì)量．橋殼還應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便以利 于降低成本。其結(jié)構(gòu)還應(yīng)保證主減速器的拆裝、調(diào)整、維修和保養(yǎng)方便。在選擇橋殼的 結(jié)構(gòu)型式時，還應(yīng)考慮汽車的類型、使用要求、制造條件、材料供應(yīng)等。 5.1 橋殼的結(jié)構(gòu)型式 橋殼的結(jié)構(gòu)型式大致分為可分式 a）可分式橋殼 可分式橋殼的整個橋殼由一個垂直接合面分為左右兩部分，每一部分均由一個鑄件 殼體和一個壓入其外端的半軸套管組成。半軸套管與殼體用鉚釘聯(lián)接。在裝配主減速器 及差速器后左右兩半橋殼是通過在中央接合面處的一圈螺栓聯(lián)成一個整體。其特點是橋 殼制造工藝簡單、主減速器軸承支承剛度好。但對主減速器的裝配、調(diào)整及維修都很不 方便，橋殼的強度和剛度也比較低。過去這種所謂兩段可分式橋殼見于輕型汽車，由于 上述缺點現(xiàn)已很少采用。 b）整體式橋殼 整體式橋殼的特點是將整個橋殼制成一個整體，橋殼猶如一整體的空心梁，其強度 及剛度都比較好。且橋殼與主減速器殼分作兩體，主減速器齒輪及差速器均裝在獨立的 主減速殼里，構(gòu)成單獨的總成，調(diào)整好以后再由橋殼中部前面裝入橋殼內(nèi)，并與橋殼用 29 螺栓固定在一起。使主減速器和差速器的拆裝、調(diào)整、維修、保養(yǎng)等都十分方便。 整體式橋殼按其制造工藝的不同又可分為鑄造整體式、鋼板沖壓焊接式和鋼管擴張 成形式三種。 5.2 橋殼的受力分析及強度計算 我國通常推薦：計算時將橋殼復(fù)雜的受力狀況簡化成三種典型的計算工況（與前述 半軸強度計算的三種載荷工況相同） 。 當(dāng)牽引力或制動力最大時，橋殼鋼板彈簧座處危險端面的彎曲應(yīng)力 和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 為：?? (5-1)vhMσ=W? (5-2)Tτ 式中 ——地面對車輪垂直反力在橋殼板簧座處危險端面引起的垂直平面內(nèi)的彎矩，vM ；hx2=Fb? ——橋殼板簧座到車輪面的距離；b ——牽引力或制動力 （一側(cè)車輪上的）在水平平面內(nèi)引起的彎矩，h x2 ；hx2M=Fb? ——牽引或制動時，上述危險斷面所受的轉(zhuǎn)矩， ；T Tx2r=F? 、 ——分別為橋殼危險斷面垂直平面和水平面彎曲的抗彎截面系數(shù)；vWh ——危險斷面的抗扭截面系數(shù)。T 將數(shù)據(jù)帶入式（5-2） 、 （5-3）得： =400 N/mm2 σ =250 N/mm2 τ 橋殼許用彎曲應(yīng)力為 300-500N/mm2，許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為 150-400N/mm2。可鍛造橋殼取 30 較小值，鋼板沖壓焊接橋殼取最大值。 第六章 結(jié)論 本課題是汽車驅(qū)動橋設(shè)計，由于結(jié)構(gòu)簡單、主減速器造價低廉、工作可靠，可以被 廣泛用在各種轎車。 設(shè)計介紹了后橋驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，計算了差速器、主減速器以及半軸的 結(jié)構(gòu)尺寸，進行了強度校核，并繪制了有關(guān)零件圖和裝配圖。 本驅(qū)動橋設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，符合實際應(yīng)用，具有很好的動力性和經(jīng)濟性，驅(qū)動橋總成 及零部件的設(shè)計能盡量滿足零件的標(biāo)準(zhǔn)化、部件的通用化和產(chǎn)品的系列化及汽車變型的 要求，修理、保養(yǎng)方便，機件工藝性好，制造容易。 但此設(shè)計過程仍有許多不足，在設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸時，有些設(shè)計參數(shù)是按照以往經(jīng)驗值 得出，這樣就帶來了一定的誤差。另外，在一些小的方面，由于時間問題，做得還不夠 仔細，懇請各位老師給予批評指正。 31 致 謝 近三個月時間的畢業(yè)課題設(shè)計是我大學(xué)生活中忙碌而又充實一段時光。這里有治學(xué) 嚴(yán)謹而又親切的老師，有互相幫助的同學(xué)，更有積極、向上、融洽的學(xué)習(xí)生活氛圍。短 短的時間里，我學(xué)到了很多的東西。 首先，非常感謝我的畢業(yè)設(shè)計知道老師左老師。本次設(shè)計的課題是：汽車驅(qū)動橋設(shè) 計。作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如 果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。通過指導(dǎo)老師左老師的講解， 終于把設(shè)計的思路搞清楚了。對于具體的細節(jié)問題，涉及到一些經(jīng)驗方面的問題，指導(dǎo) 老師總是不厭其煩的講解。給了我很大的幫助。在這里我非常敬佩左老師的專業(yè)水平、 治學(xué)嚴(yán)謹和科學(xué)研究的精神，這將是我終身學(xué)習(xí)的榜樣，.并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和 工作。 其次，非常感謝我的同學(xué)。當(dāng)我在畢業(yè)設(shè)計過程中遇到問題和困難時，是他們給我 提出許多細節(jié)的意見和建議，使我的畢業(yè)設(shè)計更加完善，并耐心的幫我解決了許多實際 問題，使我獲益良多。 最后，向我的父親、母親致謝，感謝他