可以測(cè)試輪胎牽引性能的儀表化驅(qū)動(dòng)橋
[摘要] 儀表化驅(qū)動(dòng)橋被用于農(nóng)機(jī)領(lǐng)域和其性能實(shí)現(xiàn)的研究。此裝置用來(lái)確定儀表化驅(qū)動(dòng)橋是否具有可行性。這個(gè)驅(qū)動(dòng)橋裝配了一套用來(lái)測(cè)量車輪角速度、后輪扭矩和動(dòng)態(tài)載荷以及輪胎側(cè)向力的傳感器。通過(guò)測(cè)量作用在原型車上的牽引桿的作用力，來(lái)計(jì)算每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上的實(shí)際牽引力、運(yùn)動(dòng)阻力和底盤(pán)反力的數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：測(cè)力計(jì)；牽引性能；輪胎側(cè)向力；垂直載荷；實(shí)際牽引力；運(yùn)動(dòng)阻力；底盤(pán)反力
1. 介紹
多數(shù)拖拉機(jī)和農(nóng)用機(jī)械，除過(guò)輪胎和駕駛員座椅彈簧，沒(méi)有用來(lái)緩沖或隔離來(lái)自不規(guī)則路面的振動(dòng)的懸掛系統(tǒng)。輪胎其他重要作用包括：提供可操作性和穩(wěn)定性，提供牽引力和制動(dòng)力以及支承整車質(zhì)量.在汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)， 輪胎側(cè)向力增加。同樣，相同的力也可能是由斜坡路面行駛，側(cè)向風(fēng)或者不對(duì)稱牽引力作用的結(jié)果。
牽引力由作用在車輪上的轉(zhuǎn)矩提供，而這個(gè)轉(zhuǎn)矩是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生并經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系傳遞而來(lái)。參考圖 1 可知，這被稱為總牽引力（GT）、克服運(yùn)動(dòng)阻力
（MR）和牽引力或者實(shí)際牽引力（NT）。相反，制動(dòng)力是通過(guò)鎖止車輪和汽車底盤(pán)而得到的扭力來(lái)提供的。輪胎也承受車輛自重及動(dòng)態(tài)載荷（WD），包括靜態(tài)和其他任何附加形式的力。隨著輪胎動(dòng)態(tài)載荷的增加，滑移減少而牽引力增加。有很多來(lái)自各種角度識(shí)別牽引性能的不同參數(shù)，最重要的參數(shù)有：行駛減速比（TRR）、實(shí)際牽引比（NTR）、牽引效率（TE）、總牽引比
（GTR）和運(yùn)動(dòng)阻力比（MRR）。當(dāng)所有這些參數(shù)得出后，牽引力條件可以很好地說(shuō)明并且參數(shù)會(huì)得倒優(yōu)化。為了表現(xiàn)這些數(shù)據(jù)，了解輪胎牽引力、輸
入扭矩、滾動(dòng)阻力、動(dòng)態(tài)載荷、車輪角速度和行駛速度是至關(guān)重要的。所以，測(cè)量作用在輪胎上上的這些力和扭矩對(duì)動(dòng)態(tài)特性的研究，尤其是車輛牽引力的研究是非常有幫助的。
2. 背景
對(duì)那些表現(xiàn)動(dòng)態(tài)特性和牽引性能研究文獻(xiàn)的回顧，可以對(duì)理論和實(shí)驗(yàn) 程序有一定指引。通常，理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證在實(shí)驗(yàn)室或者試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行。因此，大多數(shù)研究需要測(cè)量施加在輪胎上的力和扭矩。當(dāng)場(chǎng)地測(cè)試需要儀表化車輛的時(shí)候，一些實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在土壤箱中進(jìn)行。Fleming 回顧了測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸扭矩的不同方法，將其總結(jié)成七大類并分析了每一類的規(guī)格、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。Oida 為了確定了拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向特性，通過(guò)依附在驅(qū)動(dòng)橋殼上的四個(gè)應(yīng)變儀，測(cè)得了鉸接式拖拉機(jī)輪胎的側(cè)向力。Shoop 開(kāi)發(fā)了一種在車輪軸上安裝空間測(cè)壓元件的車輛。它已被用于測(cè)量輪胎/土壤表面產(chǎn)生的力。 McLaughlin 等人改裝了一個(gè) 97Kw 的農(nóng)用拖拉機(jī)，對(duì)其裝備了在拖拉機(jī)和實(shí)現(xiàn)性能領(lǐng)域研究使用的儀器和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。拖拉機(jī)裝有一組用來(lái)測(cè)量燃料消耗量、發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪和地面速度，前后軸的扭矩和重量，作用在三點(diǎn)懸掛裝置的各種力傳感器。Itoh 等人提出了測(cè)量垂直、縱向和側(cè)向力的方法，這種方法可應(yīng)用在在四輪驅(qū)動(dòng)和四輪轉(zhuǎn)向農(nóng)用拖拉機(jī)上。他還測(cè)量了輪胎的縱向和橫向滑移。為了研究四驅(qū)拖拉機(jī)牽引性能中動(dòng)態(tài)負(fù)載分配的效果，Gu 和 Kushwaha 設(shè)計(jì)并組裝了一個(gè)儀表化拖拉機(jī)模型。Al-Janobi 等人開(kāi)發(fā)了一種用于農(nóng)用拖拉機(jī)上的高精度車輪扭矩和重量傳感器，取代了之前已裝備成熟的車輪扭矩傳感器。車輪的扭矩和重量傳感器包含三種負(fù)載傳感 U 形螺栓。他還用一個(gè)軸角編碼器測(cè)量了車輪的角速度。 Besselink 開(kāi)發(fā)了一種用來(lái)研究牽引性能的車輛，設(shè)計(jì)了一個(gè)由一個(gè)S 型測(cè)力傳感器組成的測(cè)力計(jì)，用來(lái)測(cè)量沿縱向軸線的動(dòng)態(tài)力。Baffe 等人采用了非常昂貴的測(cè)力集線器，用于測(cè)量力和作用在道路車輛輪胎上的力和扭矩，以研究車輪和道路接觸面的動(dòng)態(tài)特性。Ahmad 等人描述了用于測(cè)
量被牽引的小寬度車輪運(yùn)動(dòng)阻力試驗(yàn)裝置的發(fā)展。與運(yùn)動(dòng)阻力相等的拖曳力將通過(guò)安裝在試驗(yàn)臺(tái)上的基本測(cè)力計(jì)（BFG）進(jìn)行測(cè)量。該試驗(yàn)裝置由兩個(gè)部分組成，一部分固定在車輪上，另一部分拴到拖拉機(jī)上。BFG 位于兩者之間時(shí)，基本測(cè)力計(jì)就可以測(cè)量所受拉力。盡管用來(lái)測(cè)量驅(qū)動(dòng)輪受力和扭矩的好幾種方法已經(jīng)在文獻(xiàn)中敘述，但是他們還只局限于測(cè)量有限的數(shù)據(jù)，也可以這樣講，他們的方法是不經(jīng)濟(jì)的。本文提出了一種更為經(jīng)濟(jì)的方法，可以更加靈活的測(cè)量作用在驅(qū)動(dòng)輪上的力。
3. 驅(qū)動(dòng)輪的測(cè)力設(shè)計(jì)
作用在驅(qū)動(dòng)輪上的力和輸入轉(zhuǎn)矩可以在一個(gè)原型車上測(cè)量，這個(gè)原型車的前輪可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，后橋由一個(gè)減速比為 1:3.3 的差速器來(lái)驅(qū)動(dòng)。為了測(cè)量驅(qū)動(dòng)輪的輸入轉(zhuǎn)矩、側(cè)向力和垂直載荷，應(yīng)該用到 S 型剪切式壓測(cè)壓元件。
3.1 輸入扭矩（T）
通過(guò)對(duì) Fleming 用于測(cè)量驅(qū)動(dòng)橋輸入扭矩提出方法的調(diào)研，反作用力法因其對(duì)驅(qū)動(dòng)橋裝置的通用性高、成本低、精度高而博得青睞。作用在軸上的轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的反作用力可以很容易地用這種方法測(cè)量。由圖 2a 知，在驅(qū)動(dòng)橋機(jī)構(gòu)中，橋殼通過(guò)兩對(duì)圓錐滾子軸承支承，而非直接與拖拉機(jī)的底盤(pán)連接。這可以使橋殼自由地繞著軸承軸線旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)扭矩由差速器輸入軸傳至驅(qū)動(dòng)輪時(shí)，反作用力會(huì)產(chǎn)生讓橋殼反方向旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。通過(guò)固定差速器輸入軸和底盤(pán)，這個(gè)反作用力是可以用測(cè)力傳感器 1 測(cè)量出來(lái)的。輸入轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)這個(gè)力與它到旋轉(zhuǎn)軸垂直距離的乘積得到。即公式（1）.
顯然，作用在驅(qū)動(dòng)橋殼上且與測(cè)力傳感器 1 的軸線平行的所有力會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量帶來(lái)誤差，甚至錯(cuò)誤。所以，如圖 2b 所示，兩個(gè)側(cè)向安裝相同的鏈輪把從變速器輸出的動(dòng)力傳遞到了差速器的輸入端。這樣就避免了鏈
條張力影響到傳感器的讀數(shù)（???? ）。
因?yàn)椴钏倨鳈C(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)輪上的輸入轉(zhuǎn)矩相等，所求車輪轉(zhuǎn)矩就是車軸
扭矩的一半。即 ???? = ???? ?2
3.2 總牽引力（GT）
牽引力和行駛阻力是兩股反作用在車輪前進(jìn)方向的力，應(yīng)該用車輪的扭矩來(lái)克服。這個(gè)扭矩在車輪與地面接觸面產(chǎn)生，并產(chǎn)生驚人的扭矩。所以，GT 是車輪扭矩除以車輪中心到接觸面的距離的結(jié)果。即公式（2）
正確的扭矩半徑不能直接通過(guò)測(cè)量得到。關(guān)于半徑的應(yīng)用，在牽引力研究的工作人員中仍沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。因此，帶著一個(gè)預(yù)期的錯(cuò)誤，輪胎滾動(dòng)一周所走距離用牽引力除以 2p 來(lái)代替。
3.3 實(shí)際牽引力（NT）
實(shí)際牽引力用車輛繪制工具來(lái)表示，可以用 S 型測(cè)壓元件測(cè)量出。當(dāng)單個(gè)車輪的實(shí)際牽引力通過(guò)車輛的牽引力測(cè)量工具測(cè)量時(shí)，為了確定左右車輪驅(qū)動(dòng)作用相同，下面兩點(diǎn)非常重要：
（1） 牽引器方向應(yīng)與地平線平行，與拖拉機(jī)縱向軸重合。
（2） 當(dāng)拖拉機(jī)直線移動(dòng)時(shí)，需要引導(dǎo)測(cè)量。3.4 垂直載荷（????）
涉及上述各力的牽引力參數(shù)除以垂直載荷????可標(biāo)準(zhǔn)化，????包括靜態(tài)重量和任何形式的轉(zhuǎn)移重量，即總反力。根據(jù)圖 2c，作用在每一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上的垂直載荷通過(guò)安裝在底盤(pán)和圓錐滾子軸承間的兩個(gè)剪切式測(cè)壓元件測(cè)量得到。因?yàn)檫@些力的作用點(diǎn)沒(méi)有在輪胎的中心平面上，測(cè)壓元件得出的力與輪胎垂直載荷不等。因此，這些測(cè)壓元件對(duì)附著在他們下面的零件的重力測(cè)量不能得到一個(gè)令人滿意的結(jié)果，車軸一半的重量增加到了每一個(gè)車輪的垂直載荷上。所以，每一個(gè)車輪上的垂直反力應(yīng)該用下面的數(shù)據(jù)分析來(lái)計(jì)算：公式（3）和公式（4）.
當(dāng)拖拉機(jī)過(guò)彎（特別是高速行駛時(shí)）和爬坡時(shí)，左右車輪上的垂直載荷不相等。這種不等通過(guò)上述的公式也可以被發(fā)現(xiàn)。
3.5 運(yùn)動(dòng)阻力（MR）、底盤(pán)反力（CR）和垂直力與接觸面中心的距離（eh）
圖 2d 圖解說(shuō)明了一驅(qū)動(dòng)輪受力情況。由于反作用力（Rv）沒(méi)有位于軸線之下且有一定距離的偏移，車輪上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相反的扭矩。移動(dòng)力（Rv） 的作用點(diǎn)至車輪中心下，使產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩來(lái)滿足靜力平衡條件。這個(gè)轉(zhuǎn)矩常通過(guò)一個(gè)作用在車輪上實(shí)際縱向力來(lái)產(chǎn)生，即運(yùn)動(dòng)阻力。用公式表達(dá)： 公式(5).
除了運(yùn)動(dòng)阻力外，其他的力被從動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)所抵消。我們把這個(gè)力叫做底盤(pán)反力，這些力主要由非驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)阻力和空氣阻力通過(guò)底盤(pán)傳遞到驅(qū)動(dòng)橋。這些力的代數(shù)總和與車輪滾動(dòng)半徑的乘積減去驅(qū)動(dòng)輪上的輸入轉(zhuǎn)矩的結(jié)果必須為零。公式（6）成立。
式中合力 R 的大小和方向由公式（7）和（8）得到。此外，車輪轉(zhuǎn)矩還可以公式（9）和（10）表達(dá)。經(jīng)過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何分析，下面涉及到參數(shù) d、θ、rt 和 eh 可以等到方程式，即公式（11）。
現(xiàn)在基于動(dòng)態(tài)分析， 一個(gè)方程式組已經(jīng)得出，這個(gè)方程組里參數(shù)????、
????、rt 和 NT 將可以計(jì)算出 CR 和 eh 的結(jié)果。3.6 側(cè)向力（???? ）
針對(duì)輪胎側(cè)向力的重要性，尤其是當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向和爬坡時(shí)，人們開(kāi)發(fā)了一種可以測(cè)量該力的裝置。在此裝置中，S 型測(cè)壓元件 4 和 5 安裝在與車輪中心相合的位置，側(cè)向力方向沿著測(cè)壓元件軸線方向，而其他力被軸承或者導(dǎo)桿所吸收。圓錐滾子軸承的內(nèi)圈被測(cè)壓元件軸線所環(huán)繞是為了防止他們的轉(zhuǎn)動(dòng)，為了防止信號(hào)線隨著車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生纏繞而已。
3.7 角速度（??）
每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪輸入力的計(jì)算需要輸入轉(zhuǎn)矩和角速度值大小已知。對(duì)于獲得車輛牽引性能，角速度是非常重要的參數(shù)。所以，原型車的驅(qū)動(dòng)輪裝配了一些角速度傳感器。把一個(gè)由有 90 齒的鋸齒形圓環(huán)安裝在與每一個(gè)車輪軸線同軸且位于一個(gè)光電計(jì)數(shù)器的發(fā)射器和接收器之間的位置，脈沖經(jīng)計(jì)數(shù)器傳到電子處理器單元，角速度就可以被精確地測(cè)量出來(lái)。
4. 測(cè)力計(jì)的開(kāi)發(fā)
輸入轉(zhuǎn)矩、總牽引力、實(shí)際牽引力、運(yùn)動(dòng)阻力、底盤(pán)反力和 eh 的距離數(shù)值的推導(dǎo)需要由上一節(jié)給出的方程式求解。這些方程式包含一些取決于原型機(jī)和其驅(qū)動(dòng)橋規(guī)格的常量。這些數(shù)據(jù)如表 1 所示。
測(cè)壓元件 1 測(cè)量驅(qū)動(dòng)橋轉(zhuǎn)矩。這個(gè)轉(zhuǎn)矩由一個(gè)排量為 150cc 的單缸摩托車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)提供。在一檔時(shí)，扭矩增益系數(shù)最大，其值大約是 8。減速比為 7.5 的螺旋齒輪減速器（如圖 2a 所示）用來(lái)增大轉(zhuǎn)矩，并將動(dòng)力傳遞方向改變了 90°。此外，傳動(dòng)系數(shù)為 3.3 的差速器可實(shí)現(xiàn)再一次增扭。所以，驅(qū)動(dòng)橋的最大輸入轉(zhuǎn)矩等于：公式（12）。
得知測(cè)壓元件 1 和其與驅(qū)動(dòng)橋間的標(biāo)準(zhǔn)距離，就可以得出最大的力
8910N；因此，應(yīng)該應(yīng)用有 1000 公斤力(9810N)測(cè)量容量傳感器。
安裝測(cè)壓元件 2 和 3 的目的是測(cè)量作用在左右驅(qū)動(dòng)車輪上的動(dòng)態(tài)負(fù)載。用表 1 給出的 W、i、???? 的數(shù)值大小，得到靜力為 850N。所以，當(dāng)汽車爬坡或者過(guò)彎時(shí)，應(yīng)該用 150 公斤力（1470N）容量的測(cè)壓元件，以消除起伏路面的對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
測(cè)壓元件 4 和 5 測(cè)量作用在驅(qū)動(dòng)輪上的側(cè)向力。側(cè)向力主要是斜坡行駛引起的，而橫向滑移是汽車轉(zhuǎn)向行駛的結(jié)果。原型車的驅(qū)動(dòng)輪不可以轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，汽車過(guò)彎的側(cè)向力比爬坡時(shí)的小。所以，假設(shè)最大爬坡度為30°， 可以得到：公式（13）。公式（13）中忽略了一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪輪胎與地面之間的
摩擦，而把整個(gè)側(cè)向力加到另一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。因此，測(cè)壓元件 4 和 5 的負(fù)載容量應(yīng)該為 150 公斤力（1479N）（參考圖 3）。
5. 結(jié)論
本次研究的儀表化驅(qū)動(dòng)橋證明了牽引能力和輪胎側(cè)向力的在線測(cè)量的可行性。這個(gè)機(jī)構(gòu)中，已應(yīng)用了低成本的測(cè)壓元件，相比手動(dòng)安裝的應(yīng)變計(jì)更加精確；然而，它是復(fù)雜的，仍需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。測(cè)壓元件的應(yīng)用成本低于集線測(cè)力計(jì)的，即使集線測(cè)力計(jì)的精度更高。因?yàn)樽饔命c(diǎn)未知，滾動(dòng)阻力將會(huì)有一定誤差。為了測(cè)量縱軸力矩，確定上述力的精確位置，其他的測(cè)量裝置一定會(huì)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。
文獻(xiàn)綜述
[摘要]：農(nóng)業(yè)機(jī)械化是發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的前提和基礎(chǔ)。低速車作為農(nóng)資運(yùn)輸所不可或缺的生產(chǎn)資料，在農(nóng)業(yè)發(fā)展中扮演著極其重要的角色。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外低速車驅(qū)動(dòng)橋新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)的分析、歸納，在學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上得出自己的見(jiàn)解，并以此展開(kāi)畢業(yè)設(shè)計(jì)后續(xù)工作。
關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械化、低速車、驅(qū)動(dòng)橋
1. 引言
自 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，我國(guó)低速車就進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，在應(yīng)用技術(shù)的同時(shí)，不斷涌現(xiàn)出新的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品。同時(shí)，繼完成提高整機(jī)可靠性任務(wù)后， 技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)在于增加產(chǎn)品的電子信息技術(shù)含量和智能化程度，努力完善產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，改善駕駛?cè)藛T的工作條件，向節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展。
后輪總成（主要是驅(qū)動(dòng)橋）作為低速車重要總成部分，位于傳動(dòng)系的末端， 主要由主減速器、差速器、車輪傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)橋殼、制動(dòng)器組成，其基本功能是增大傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并合理分配給驅(qū)動(dòng)輪，另外還要承受作用于路面和車架之間的力，它的結(jié)構(gòu)形式、合理性、可靠性及耐久性，對(duì)汽車性能和操作穩(wěn)定性有著直接的影響[ 1 ] ，因此對(duì)后輪總成的研究顯得尤為重要。
但由于與國(guó)內(nèi)外驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)發(fā)展有著巨大的差距，我們?cè)谀７?、逆向的基礎(chǔ)上很難掌握驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)的精髓，驅(qū)動(dòng)橋在合理性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面亟待提高。低速汽車必須市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以科技進(jìn)步為動(dòng)力，以開(kāi)拓創(chuàng)新為主線，努力適應(yīng)“三農(nóng)”發(fā)展的需要，才能得到快速健康的發(fā)展【2 】。
2. 國(guó)外驅(qū)動(dòng)橋發(fā)展及研究現(xiàn)狀
2.1 驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)現(xiàn)狀
2.1.1 模塊化技術(shù)的采用
模塊化設(shè)計(jì)是對(duì)在一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上,劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，然后通過(guò)模塊的選擇和組合構(gòu)成不同產(chǎn)品的一種設(shè)計(jì)方法。
以DANA為代表的意大利企業(yè)多已采用了該類設(shè)計(jì)方法, 優(yōu)點(diǎn)是: 減少設(shè)計(jì)
及工裝制造的投入, 減少了零件種類, 提高規(guī)模生產(chǎn)程度, 降低制造費(fèi)用, 提 高市場(chǎng)響應(yīng)速度等。至今，模塊化已發(fā)展?jié)u趨成熟，成為汽車主要的生產(chǎn)方式。
2.1.2 模態(tài)分析
模態(tài)分析是對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分析研究的最先進(jìn)的現(xiàn)代方法與手段之一。它可以定義為對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的解析分析(有限元分析)和實(shí)驗(yàn)分析(實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析)，其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性用模態(tài)參數(shù)來(lái)表征。模態(tài)分析技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)是在對(duì)系統(tǒng)做動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，用模態(tài)坐標(biāo)代替物理學(xué)坐標(biāo)，從而可大大壓縮系統(tǒng)分析的自由度數(shù)目，分析精度較高。
驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)特性不但直接影響其本身的強(qiáng)度，而且對(duì)整車的舒適性和平順性有著至關(guān)重要的影響。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行模態(tài)分析，掌握和改善其振動(dòng)特性， 是設(shè)計(jì)中的重要方面[ 3 ] 。
2.1.3 配置高性能制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)
在世界各國(guó)的生機(jī)產(chǎn)品中, 已出現(xiàn)了自循環(huán)冷卻功能的濕式制動(dòng)器橋、帶散熱風(fēng)送的盤(pán)式制動(dòng)器橋、適于ABS的蹄、鼓式和盤(pán)式制動(dòng)器橋、帶自動(dòng)補(bǔ)償間隙的盤(pán)式制動(dòng)器等配置高性能制動(dòng)器橋, 同時(shí)制動(dòng)器的布置位置也出現(xiàn)了從橋臂處分別向橋包總成和輪邊端部轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。前種處理方式易于散熱, 后種處理方式為了降低成本, 甚至有廠商把制動(dòng)器的殼體與橋殼鑄為一體, 既易于散熱，又利于降低材料成本, 但這對(duì)鑄造技術(shù)、鑄造精度和加工精度都提出了極高的要求
[ 4 ] 。
3、國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)研究水平
3.1 國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)橋的廠家較多，品種和規(guī)格也較齊全，其性能和質(zhì)量基本上能夠滿足國(guó)產(chǎn)農(nóng)業(yè)機(jī)械和工程機(jī)械的使用需求，呈現(xiàn)了明顯的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)：由進(jìn)口國(guó)外產(chǎn)品向國(guó)產(chǎn)化發(fā)展，由小作坊向正規(guī)化產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，由低端產(chǎn)品向高端產(chǎn)品發(fā)展，由引進(jìn)國(guó)外技術(shù)向自主研發(fā)發(fā)展。在技術(shù)方面，通過(guò)不斷提高自身鑄鍛造技術(shù)及工藝水平來(lái)保證研發(fā)產(chǎn)品制造質(zhì)量；通過(guò)利用先進(jìn)科學(xué)的設(shè)計(jì)輔助手段來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的；通過(guò)不斷學(xué)習(xí)吸收國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)技術(shù)與國(guó)際接軌的目標(biāo)，從而提高產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力；通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)及方法來(lái)提高
產(chǎn)品的性能，滿足市場(chǎng)需求，推進(jìn)機(jī)電一體化進(jìn)程。目前國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)橋生產(chǎn)廠家分為四種類型。
一是與國(guó)際知名品牌廠家合作，利用國(guó)內(nèi)本土資源優(yōu)勢(shì)及國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)支持生產(chǎn)。如 1995 年柳工與德國(guó)采埃孚公司在柳州建立的合資公司，除生產(chǎn)采埃孚高技術(shù)水平雙變外，還生產(chǎn)采埃孚高技術(shù)水平驅(qū)動(dòng)橋，供中國(guó)高技術(shù)及出口裝載機(jī)、平地機(jī)等配套，為中國(guó)高技術(shù)水平驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。成工引進(jìn)了卡特三節(jié)式濕式橋的樣機(jī)，成功開(kāi)發(fā)了成工的三節(jié)式系列濕式橋，已批量推向了市場(chǎng)。徐州美馳車橋有限公司是由美國(guó)的阿文美馳公司和徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司共同投資的合資公司，公司投資總額 2408.7 萬(wàn)美元，注冊(cè)資本
1680.3 萬(wàn)美元，其中美方股比為 60%、中方為 40%，擁有員工 1000 多人，其中
工程技術(shù)人員 100 多人，主要產(chǎn)品包括各種輪式車輛用剛性橋、從動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向貫通驅(qū)動(dòng)橋、貫通橋。
二是通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)，依托本土的環(huán)境優(yōu)勢(shì)建立的民族企業(yè)，占據(jù)著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的大部份額。如引進(jìn)意大利菲亞特技術(shù)、依托于中國(guó)一拖旗下的一拖
（洛陽(yáng)）開(kāi)創(chuàng)裝備科技有限公司就是典型的代表。其農(nóng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品已從 16 馬力覆蓋至 200 馬力，所生產(chǎn)的 80~160 馬力驅(qū)動(dòng)橋在市場(chǎng)上占據(jù)著主導(dǎo)地位，有“中國(guó)第一橋”的美譽(yù)。此外，山東的前進(jìn)橋廠、煙臺(tái)捷林達(dá)橋廠以及新昌齒輪箱廠也在不斷借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)驅(qū)動(dòng)橋的發(fā)展。
三是一些主機(jī)廠家根據(jù)自身需要，利用自身資源自產(chǎn)自用，也是國(guó)產(chǎn)驅(qū)動(dòng)橋的一種發(fā)展模式。比如常發(fā)集團(tuán)生產(chǎn)的中小馬力拖拉機(jī)上用的驅(qū)動(dòng)橋就是典型的生產(chǎn)自用型。此外，龍工、徐工等工程機(jī)械廠家也生產(chǎn)自己整機(jī)上所用的驅(qū)動(dòng)橋， 但這種模式僅為自給自足，很難滿足外部市場(chǎng)需求。
四是國(guó)際知名品牌傳動(dòng)系生產(chǎn)商進(jìn)軍中國(guó)市場(chǎng)，成立的獨(dú)資企業(yè)。如卡拉羅青島公司、德納在無(wú)錫的工廠以及 EME 在陜西成立的銷售公司等。由于剛剛進(jìn)駐中國(guó)市場(chǎng)，暫時(shí)還處于競(jìng)爭(zhēng)上的劣勢(shì)，還無(wú)法對(duì)本土企業(yè)造成太大的威脅，但隨著國(guó)際交流日趨密切，這些企業(yè)最終必將成為民族產(chǎn)業(yè)不可小視的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。[5]
3.2 國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)方法
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是以生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以運(yùn)用力學(xué)、數(shù)學(xué)和回歸方法形成的公式、圖表、手冊(cè)等為依據(jù)進(jìn)行的。
3.2.1 驅(qū)動(dòng)橋殼常規(guī)設(shè)計(jì)方法
早期驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)通常采用設(shè)計(jì)和試驗(yàn)交叉進(jìn)行。在驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)定型之前往往經(jīng)過(guò)多輪設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)面對(duì)的對(duì)象是實(shí)物，需要經(jīng)過(guò)樣品試制-試驗(yàn)-修改-再設(shè)計(jì)的往復(fù)，這種方式不可避免地導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)周過(guò)期長(zhǎng)，造成人力、物力和財(cái)力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。隨著設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累，人們將計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于汽車驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)性能的分析及設(shè)計(jì)中。初期的驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)性能計(jì)算是通汽車驅(qū)動(dòng)橋殼優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)將驅(qū)動(dòng)橋殼簡(jiǎn)化成單根縱梁，進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核。這種計(jì)算方法至今還在沿用，但它顯然滿足不了汽車驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)要求。
后來(lái)提出的驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算方法，只能計(jì)算純扭轉(zhuǎn)工況，不能考慮驅(qū)動(dòng)橋殼的實(shí)際工況，而且，計(jì)算比較復(fù)雜，工作量大，在實(shí)際運(yùn)用中存在著很大的困難。再后來(lái)，人們將比較設(shè)計(jì)的思想應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)中。這種設(shè)計(jì)方法是以同一類型的成熟樣車為參考來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)橋殼的設(shè)計(jì)，目前依然是驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的主要方法。但是，這種方法可能造成驅(qū)動(dòng)橋殼各處材質(zhì)不均勻， 某些局部強(qiáng)度富裕較大，產(chǎn)生材料浪費(fèi)等現(xiàn)象[ 6 ] 。
3.2.2 弧齒錐齒加工方法
傳統(tǒng)的Gleason 技術(shù)[7] 是以“局部共軛原理”為基礎(chǔ)的。首先切出大輪齒面, 然后選取一個(gè)計(jì)算參考點(diǎn),求出與大輪齒面做線接觸的小輪齒面在參考點(diǎn)處的位置、法向量以及法曲率等一階、二階接觸參數(shù),然后根據(jù)要求修正小輪齒面在參考點(diǎn)處的法曲率,并以此為基礎(chǔ)來(lái)確定小輪切齒調(diào)整參數(shù)。由此可見(jiàn),修正小輪齒面在參考點(diǎn)處的法曲率是弧齒錐齒輪與準(zhǔn)雙曲面齒輪技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn),并且修正后的齒面嚙合性能只能通過(guò)試切滾檢或通過(guò)仿真分析后才能知道。因此,為了得到滿意的嚙合性能往往需要反復(fù)多次,且需要經(jīng)驗(yàn)的積累。目前國(guó)內(nèi)的齒輪加工企業(yè)大都采用這種加工方式，但也有更先進(jìn)技術(shù)的使用如綦江齒輪廠引進(jìn)的洛克威爾單級(jí)橋齒輪技術(shù)，采用特殊的“HYPOID GENEROID”錐齒輪傳動(dòng)，該齒輪運(yùn)用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有較多對(duì)齒同時(shí)嚙合，強(qiáng)度高、噪音小、壽命長(zhǎng)。
4、 驅(qū)動(dòng)橋關(guān)鍵技術(shù)及先進(jìn)開(kāi)發(fā)模式
4.1 驅(qū)動(dòng)橋殼有限元分析法
20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，有限元法在工程上獲得了廣泛應(yīng)用。有限元法不需要對(duì)所分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的簡(jiǎn)化，既可以考慮各種計(jì)算要求和條件，也可以計(jì)算各種工況，而且計(jì)算精度高。有限元法將具有無(wú)限個(gè)自由度的連續(xù)體離散為有限個(gè)自由度的單元集合體，使問(wèn)題簡(jiǎn)化為適合于數(shù)值解法的問(wèn)題。只要確定了單元的力學(xué)特性，就可以按照結(jié)構(gòu)分析的方法求解，使分析過(guò)程大為簡(jiǎn)化，配以計(jì)算機(jī)就可以解決許多解析法無(wú)法解決的復(fù)雜工程問(wèn)題
[8] 。目前，有限元法己經(jīng)成為求解數(shù)學(xué)、物理、力學(xué)以及工程問(wèn)題的一種有效的
數(shù)值方法，也為驅(qū)動(dòng)橋殼設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的工具。
4.2 驅(qū)動(dòng)橋的參數(shù)化設(shè)計(jì)
參數(shù)化設(shè)計(jì)(Parametrie)(也叫尺寸驅(qū)動(dòng) Dimension-Driven)是指設(shè)計(jì)對(duì)象模型的尺寸用變量及其關(guān)系表示，而不需要確定具體數(shù)值[9] ，是 CAD 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中提出的課題，它不僅可使 CAD 系統(tǒng)具有交互式繪圖功能，還具有自動(dòng)繪圖的功能。目前它是 CAD 技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要的、且待進(jìn)一步研究的課題。利用參數(shù)化設(shè)計(jì)手段開(kāi)發(fā)的專用產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可使設(shè)計(jì)人員從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來(lái)，可以大大提高設(shè)計(jì)速度，并減少信息的存儲(chǔ)量。
4.3 并行工程開(kāi)發(fā)模式在驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
汽車零部件已在國(guó)內(nèi)甚至全球范圍內(nèi)展開(kāi)了劇烈的競(jìng)爭(zhēng)，縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間、降低成本、提升質(zhì)量、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，日益成為汽車零部件制造企業(yè)考慮的首要問(wèn)題。并行工程(CE，Concurrent Engineering)[ 10] 作為現(xiàn)代的，先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)模式，是解決上述問(wèn)題的一種好辦法。并行工程的關(guān)鍵是對(duì)產(chǎn)品及其相關(guān)過(guò)程實(shí)行集成的并行設(shè)計(jì)、面向制造與裝配的設(shè)計(jì)(DFMA，Design For Manufacturing And Assembly)[1 1 ]~[13]是并行工程的重要內(nèi)容。
由此可見(jiàn)，現(xiàn)代汽車零部件設(shè)計(jì)已不再是單一的機(jī)械設(shè)計(jì)，而正在成為需綜合運(yùn)用多方面的基礎(chǔ)理論、技術(shù)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)和許多當(dāng)代技術(shù)成就而進(jìn)一種交叉學(xué)科的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)。
5、未來(lái)驅(qū)動(dòng)橋
智能化控制系統(tǒng)已經(jīng)在汽車業(yè)得到了快速發(fā)展，如，現(xiàn)代汽車上使用的ABS(制動(dòng)防抱死控制)、ESC（電子穩(wěn)定控制裝置）、ASR（驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)）等系
統(tǒng)。ASR 通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和汽車的制動(dòng)系統(tǒng)等手段來(lái)控制驅(qū)動(dòng)力，即在汽車起步，加速時(shí)減少驅(qū)動(dòng)力,防止驅(qū)動(dòng)力超過(guò)輪胎與路面的附著力而導(dǎo)致車輪空轉(zhuǎn)打滑，保持最佳的驅(qū)動(dòng)力,改善汽車的方向穩(wěn)定性和操縱性。
另外，汽車電子控制系統(tǒng)和總線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的迅速發(fā)展，如線控?fù)Q擋、線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)等的研究開(kāi)發(fā)。AUTOnomy 概念車底盤(pán)—滑板結(jié)構(gòu)就是 SKF 線控制、燃料電池驅(qū)動(dòng)的，加上不同形狀車身的轎車，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始啟動(dòng)，通用公司宣傳Dring the Hy-wire，這種車有可能在未來(lái) 10 年上市。當(dāng)線控這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)時(shí)， 汽車將是一種完全的高新技術(shù)產(chǎn)品，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向機(jī)全都不見(jiàn)了，當(dāng)然四個(gè)輪子還是要的。到那時(shí)，汽車就可以說(shuō)是一臺(tái)裝在輪子上的計(jì)算機(jī)了[14]。
6. 小結(jié)
結(jié)合國(guó)內(nèi)外低速車相關(guān)技術(shù)的技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀，可以預(yù)測(cè)，未來(lái)低速車發(fā)展有以下趨勢(shì)：
1. 系列化、大型化。由于產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期明顯縮短，特點(diǎn)是科技含量高， 研制與生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，投資大，而市場(chǎng)容量有限，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，特別是我國(guó)處于發(fā)展的中期，仍與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品有一定差距。這是對(duì)我國(guó)汽車制造業(yè)的考驗(yàn)和機(jī)遇。
2. 微電子技術(shù)、信息技術(shù)的普及和應(yīng)用。
3. 節(jié)能與環(huán)保。為提高產(chǎn)品的節(jié)能效果和滿足日益苛刻的環(huán)保要求，我國(guó)低速車制造公司應(yīng)主要從降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放、提高液壓系統(tǒng)的效率和減振、降噪等方面入手。
4. 強(qiáng)調(diào)以人為本。歸根到底，車是為人而造的，為司機(jī)創(chuàng)造一個(gè)更加舒適的環(huán)境無(wú)可厚非，應(yīng)充分利用人機(jī)工程學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)汽車相關(guān)產(chǎn)品。如擦用防塵、減振和隔音材料，設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)司機(jī)座椅，安裝翻車保護(hù)機(jī)構(gòu)和落物撞擊保護(hù)機(jī)構(gòu)等。
5. 計(jì)算機(jī)管理及故障診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控及整機(jī)智能化。如安裝可以集成顯示并監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)燃油液面高度、冷卻水溫、變速器和液壓油溫等，并具備故障診斷能力，可以向司機(jī)發(fā)出預(yù)警，從而防患于未然。
6. 優(yōu)秀的設(shè)計(jì)。優(yōu)秀的設(shè)計(jì)是延長(zhǎng)機(jī)械使用壽命的首要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)過(guò)程中均衡考慮汽車的維修性能和保障性能的平衡。即降低機(jī)械表面的接觸應(yīng)力，如發(fā)動(dòng)
機(jī)活塞高位活塞環(huán)的設(shè)計(jì)；水套的高位冷卻；傳動(dòng)系統(tǒng)選用螺旋齒代替漸開(kāi)線齒， 增加重迭系數(shù)；為減少熱量，采用濕式離合器、濕式制動(dòng)器等。設(shè)計(jì)時(shí)，努力改善機(jī)械的維修性可延長(zhǎng)機(jī)械壽命。
即使，國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)橋發(fā)展前景一片光明，但我們?nèi)砸庾R(shí)到與國(guó)外先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的差距，我國(guó)驅(qū)動(dòng)橋的發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。隨著技術(shù)發(fā)展由機(jī)械到電子的轉(zhuǎn)變， 我們既要學(xué)習(xí)傳統(tǒng)技術(shù)中的精華，又要緊跟時(shí)代步伐，掌握CAD、CAE技術(shù)，在已有的基礎(chǔ)上改革企業(yè)體制，增加科技創(chuàng)新投入，才能謀求長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。
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目 錄
摘要…………………………………………………………………………… ?
ABSTRACT……………………………………………………………………… ? ?
第1張 前言 1
1.1 選題的目的及意義 1
1.2 國(guó)外驅(qū)動(dòng)橋發(fā)展及研究現(xiàn)狀 1
1.3 國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)現(xiàn)狀 2
1.4 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和預(yù)期成果 4
1.5 取得的成果及意義 4
第2章 驅(qū)動(dòng)橋總體方案的確定 5
2.1 概述 5
2.2 驅(qū)動(dòng)橋的種類 5
2.3 設(shè)計(jì)車型主要參數(shù) 7
2.4 主減速器結(jié)構(gòu)方案的確定 7
2.4.1主減速器齒輪類型的選擇 7
2.4.2 主減速器的減速形式 9
2.4. 3主減速器主從動(dòng)錐齒輪的支承形式及安裝方法 10
2.5 差速器結(jié)構(gòu)方案的確定 13
2.6 半軸形式的確定 14
2.7 驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)的確定 15
2.8 本章小結(jié) 16
第3章 主減速器設(shè)計(jì) 18
3.1 概述 18
3.2 主減速比及主減速器齒輪參數(shù)的選擇與強(qiáng)度校核 18
3.2.1 主減速器齒輪參數(shù)的選擇 18
3.2.2 主減速器錐齒輪材料及熱處理 23
3.2.3 螺旋錐齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 24
3.3 主減速器的潤(rùn)滑 28
3.4 本章小結(jié) 29
第4章 差速器的設(shè)計(jì) 30
4.1 概述 30
4.2 普通錐齒輪式差速器設(shè)計(jì) 30
4.3 差速器齒輪材料 33
4.4 差速器齒輪強(qiáng)度計(jì)算 33
4.5 本章小結(jié) 33
第5章 半軸設(shè)計(jì) 34
5.1 半軸計(jì)算 34
5.2 半軸的強(qiáng)度計(jì)算 34
5.3 半軸花鍵的強(qiáng)度計(jì)算 35
5.4 半軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其材料熱處理 36
5.5 本章小結(jié) 37
第6章 制動(dòng)系設(shè)計(jì) 38
6.1 概述 38
6.2 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)方案分析 38
6.3鼓式制動(dòng)器主要參數(shù)的確定 41
6.4制動(dòng)器主要零部件設(shè)計(jì) 44
結(jié) 論 47
參考文獻(xiàn) 48
致 謝 49
摘 要
低速車在發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，加快農(nóng)業(yè)機(jī)械化中扮演著至關(guān)重要的角色。后輪總成作為低速車四大總成之一，它的性能好壞直接的影響著整車的性能和安全，驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)的合理性顯得尤為重要。為滿足目前低速汽車系列化、大型化、生產(chǎn)快速化、高效化的要求，驅(qū)動(dòng)橋必須向著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉方向發(fā)展，以降低低速車整車生產(chǎn)成本，降低農(nóng)民投資成本，推動(dòng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。通過(guò)本次后輪總成設(shè)計(jì)，可以在參考實(shí)際生產(chǎn)的基礎(chǔ)上將課本知識(shí)學(xué)以致用，鞏固和掌握汽車設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，并設(shè)計(jì)出一款具現(xiàn)實(shí)意義的低速貨車后輪總成。
本文在分析驅(qū)動(dòng)橋各部分以及制動(dòng)器結(jié)構(gòu)形式、發(fā)展過(guò)程和其優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，計(jì)算設(shè)計(jì)需要的主要參數(shù)，最后確定后輪總成總體方案，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法完成主減速器、差速器、半軸、橋殼、鼓式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)工作。最后運(yùn)用AutoCAD完成總裝配圖和相關(guān)零件二維圖的繪制。
關(guān)鍵字：低速車；后輪總成；驅(qū)動(dòng)橋；主減速器；差速器；半軸；橋殼；鼓式制動(dòng)器
ABSTRACT
Low-speed truck in developing modern agriculture and accelerating agricultural mechanization plays a vital role. Rear wheel assembly is one of the four big assembly of a low-speed car, its performance directly affects the vehicle's performance and safety, it is particularly important to the rationality of the design of drive axle. In order to meet the current low speed car series, large-scale, production of rapidness, efficiency requirements, drive axle must be toward the direction of simple structure, reliable operation and low cost, in order to reduce the low-speed vehicle production costs, reduce farmers' investment cost, promote the rapid development of agricultural economy. Through the rear wheel assembly design, can be in reference textbook knowledge will be the basis of the actual production process, to consolidate and master the relevant knowledge of vehicle design, and designed a most practical significance of low-speed truck rear wheel assembly.
This paper to determine the main structure, main parameters and the analysis of drive axle structure, development process and its advantages and disadvantages of each part, on the basis of deciding the overall concept of the rear wheel assembly, complete with the traditional design method of main reducer, differential and half shaft, bridge shell, the drum brake designing work. The general assembly drawing and related parts will be done using AutoCAD 2 d figure drawing.
KEY WORDS: low-truck；rear wheel assembly；drive axle；main reducer；differential；half shaft；drum brake
第1章 前言
1.1 選題的目的及意義
自20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)低速車就進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，在應(yīng)用新技術(shù)的同時(shí)，不斷涌現(xiàn)出新的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品。同時(shí)，繼完成提高整機(jī)可靠性任務(wù)后，技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)在于增加產(chǎn)品的電子信息技術(shù)含量和智能化程度，努力完善產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，改善駕駛?cè)藛T的工作條件，向節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展[1]。
后輪總成（主要是驅(qū)動(dòng)橋）作為低速車重要總成部分，位于傳動(dòng)系的末端，主要由主減速器、差速器、車輪傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)橋殼、制動(dòng)器組成，其基本功能是增大傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并合理分配給驅(qū)動(dòng)輪，另外還要承受作用于路面和車架之間的力。它的結(jié)構(gòu)形式、合理性、可靠性及耐久性，對(duì)汽車性能和操作穩(wěn)定性有著直接的影響[2]，因此對(duì)后輪總成的研究顯得尤為重要。
但由于與國(guó)內(nèi)外驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)發(fā)展有著巨大的差距，我們?cè)谀７?、逆向的基礎(chǔ)上很難掌握驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)的精髓，驅(qū)動(dòng)橋在合理性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面亟待提高。低速汽車必須市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以科技進(jìn)步為動(dòng)力，以開(kāi)拓創(chuàng)新為主線，努力適應(yīng)“三農(nóng)”發(fā)展的需要，才能得到快速健康的發(fā)展[3]。
1.2 國(guó)外驅(qū)動(dòng)橋發(fā)展及研究現(xiàn)狀
1.模塊化技術(shù)的采用
模塊化設(shè)計(jì)是對(duì)在一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上,劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，然后通過(guò)模塊的選擇和組合構(gòu)成不同產(chǎn)品的一種設(shè)計(jì)方法。
以DANA為代表的意大利企業(yè)多已采用了該類設(shè)計(jì)方法, 優(yōu)點(diǎn)是: 減少設(shè)計(jì)及工裝制造的投入, 減少了零件種類, 提高規(guī)模生產(chǎn)程度, 降低制造費(fèi)用, 提高市場(chǎng)響應(yīng)速度等。至今，模塊化已發(fā)展?jié)u趨成熟，成為汽車主要的生產(chǎn)方式。
2 .模態(tài)分析
模態(tài)分析是對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分析研究的最先進(jìn)的現(xiàn)代方法與手段之一。它可以定義為對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的解析分析(有限元分析)和實(shí)驗(yàn)分析(實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析)，其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性用模態(tài)參數(shù)來(lái)表征。模態(tài)分析技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)是在對(duì)系統(tǒng)做動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，用模態(tài)坐標(biāo)代替物理學(xué)坐標(biāo)，從而可大大壓縮系統(tǒng)分析的自由度數(shù)目，分析精度較高。
驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)特性不但直接影響其本身的強(qiáng)度，而且對(duì)整車的舒適性和平順性有著至關(guān)重要的影響。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行模態(tài)分析，掌握和改善其振動(dòng)特性，是設(shè)計(jì)中的重要方面。
3. 配置高性能制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)
在世界各國(guó)的生機(jī)產(chǎn)品中, 已出現(xiàn)了自循環(huán)冷卻功能的濕式制動(dòng)器橋、帶散熱風(fēng)送的盤(pán)式制動(dòng)器橋、適于ABS的蹄、鼓式和盤(pán)式制動(dòng)器橋、帶自動(dòng)補(bǔ)償間隙的盤(pán)式制動(dòng)器等配置高性能制動(dòng)器橋, 同時(shí)制動(dòng)器的布置位置也出現(xiàn)了從橋臂處分別向橋包總成和輪邊端部轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。前種處理方式易于散熱, 后種處理方式為了降低成本, 甚至有廠商把制動(dòng)器的殼體與橋殼鑄為一體, 既易于散熱，又利于降低材料成本, 但這對(duì)鑄造技術(shù)、鑄造精度和加工精度都提出了極高的要求[4]。
1.3 國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)橋的廠家較多，品種和規(guī)格也較齊全，其性能和質(zhì)量基本上能夠滿足國(guó)產(chǎn)農(nóng)業(yè)機(jī)械和工程機(jī)械的使用需求，呈現(xiàn)了明顯的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)：由進(jìn)口國(guó)外產(chǎn)品向國(guó)產(chǎn)化發(fā)展，由小作坊向正規(guī)化產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，由低端產(chǎn)品向高端產(chǎn)品發(fā)展，由引進(jìn)國(guó)外技術(shù)向自主研發(fā)發(fā)展。在技術(shù)方面，通過(guò)不斷提高自身鑄鍛造技術(shù)及工藝水平來(lái)保證研發(fā)產(chǎn)品制造質(zhì)量；通過(guò)利用先進(jìn)科學(xué)的設(shè)計(jì)輔助手段來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的；通過(guò)不斷學(xué)習(xí)吸收國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)技術(shù)與國(guó)際接軌的目標(biāo)，從而提高產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力；通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)及方法來(lái)提高產(chǎn)品的性能，滿足市場(chǎng)需求，推進(jìn)機(jī)電一體化進(jìn)程。
目前國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)橋生產(chǎn)廠家分為4種類型。
1.是與國(guó)際知名品牌廠家合作，利用國(guó)內(nèi)本土資源優(yōu)勢(shì)及國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)支持生產(chǎn)。如1995年柳工與德國(guó)采埃孚公司在柳州建立的合資公司，除生產(chǎn)采埃孚高技術(shù)水平雙變外，還生產(chǎn)采埃孚高技術(shù)水平驅(qū)動(dòng)橋，供中國(guó)高技術(shù)及出口裝載機(jī)、平地機(jī)等配套，為中國(guó)高技術(shù)水平驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。成工引進(jìn)了卡特三節(jié)式濕式橋的樣機(jī)，成功開(kāi)發(fā)了成工的三節(jié)式系列濕式橋，已批量推向了市場(chǎng)。徐州美馳車橋有限公司是由美國(guó)的阿文美馳公司和徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司共同投資的合資公司，公司投資總額2408.7萬(wàn)美元，注冊(cè)資本1680.3萬(wàn)美元，其中美方股比為60%、中方為40%，擁有員工1000多人，其中工程技術(shù)人員100多人，主要產(chǎn)品包括各種輪式車輛用剛性橋、從動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向貫通驅(qū)動(dòng)橋、貫通橋。
2.是通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)，依托本土的環(huán)境優(yōu)勢(shì)建立的民族企業(yè)，占據(jù)著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的大部份額。如引進(jìn)意大利菲亞特技術(shù)、依托于中國(guó)一拖旗下的一拖（洛陽(yáng)）開(kāi)創(chuàng)裝備科技有限公司就是典型的代表。其農(nóng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品已從16馬力覆蓋至200馬力，所生產(chǎn)的80~160馬力驅(qū)動(dòng)橋在市場(chǎng)上占據(jù)著主導(dǎo)地位，有“中國(guó)第一橋”的美譽(yù)。
3.是一些主機(jī)廠家根據(jù)自身需要，利用自身資源自產(chǎn)自用，也是國(guó)產(chǎn)驅(qū)動(dòng)橋的一種發(fā)展模式。比如常發(fā)集團(tuán)生產(chǎn)的中小馬力拖拉機(jī)上用的驅(qū)動(dòng)橋就是典型的生產(chǎn)自用型。此外，龍工、徐工等工程機(jī)械廠家也生產(chǎn)自己整機(jī)上所用的驅(qū)動(dòng)橋，但這種模式僅為自給自足，很難滿足外部市場(chǎng)需求。
4.是國(guó)際知名品牌傳動(dòng)系生產(chǎn)商進(jìn)軍中國(guó)市場(chǎng)，成立的獨(dú)資企業(yè)。如卡拉羅青島的公司、德納在無(wú)錫的工廠以及EME在陜西成立的銷售公司等。由于剛剛進(jìn)駐中國(guó)市場(chǎng)，暫時(shí)還處于競(jìng)爭(zhēng)上的劣勢(shì)，還無(wú)法對(duì)本土企業(yè)造成太大的威脅，但隨著國(guó)際交流日趨密切，這些企業(yè)最終必將成為民族產(chǎn)業(yè)不可小視的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手[5]。
1.4 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和預(yù)期成果
1.驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)形式及布置方案的確定。
2.驅(qū)動(dòng)橋零部件尺寸參數(shù)的確定和相關(guān)校核：
（1）完成主減速器基本參數(shù)的選擇和計(jì)算；
（2）完成差速器的設(shè)計(jì)與計(jì)算；
（3）完成半軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算；
3.完成制動(dòng)器結(jié)構(gòu)形式的選擇和計(jì)算。
4.完成后輪總成總裝配圖和主要零部件圖。
1.5 取得的成果及意義
本次低速車后輪總成設(shè)計(jì)是根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法而展開(kāi)的，在兼顧結(jié)構(gòu)緊湊、安全、合理和可靠的同時(shí)，以降低制造成本為目的，完善了實(shí)際產(chǎn)品中實(shí)際參數(shù)擴(kuò)大化的不足，零部件選料更加合理。但由于能力有限，局部設(shè)計(jì)尚未完善，難以滿足現(xiàn)實(shí)需要，實(shí)用性有待考究，還需進(jìn)一步改進(jìn)。
本次設(shè)計(jì)，運(yùn)用了以往專業(yè)課本中的大多知識(shí)，在參考機(jī)械手冊(cè)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)了理論知識(shí)，通過(guò)完整的設(shè)計(jì)，提高了汽車零部件設(shè)計(jì)的能力，為以后的汽車設(shè)計(jì)工作奠定了一定基礎(chǔ)。但學(xué)海無(wú)涯，汽車相關(guān)知識(shí)沒(méi)有邊界，汽車的發(fā)展也不會(huì)有盡頭，我仍需不懈努力。
第2章 驅(qū)動(dòng)橋總體方案的確定
2.1 概述
驅(qū)動(dòng)橋位于傳動(dòng)系末端，其基本功用首先是增扭、降速，改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向，即增大由傳動(dòng)軸或直接從變速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩，并合理的分配給左、右驅(qū)動(dòng)車輪，其次，驅(qū)動(dòng)橋還要承受作用于路面和車架或車廂之間的垂直力、縱向力和橫向力，以及制動(dòng)力矩和反作用力矩等[6]。
驅(qū)動(dòng)橋一般由主減速器、差速器、車輪傳動(dòng)裝置和橋殼組成，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋還有等速萬(wàn)向節(jié)。
設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋時(shí)應(yīng)當(dāng)滿足如下基本要求：
1. 選擇適當(dāng)?shù)闹鳒p速比，以保證汽車在給定的條件下具有最佳的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。
2. 外廓尺寸小，保證汽車具有足夠的離地間隙，以滿足通過(guò)性的要求。
3. 齒輪及其他傳動(dòng)件工作平穩(wěn)，噪聲小。
4. 在各種載荷和轉(zhuǎn)速工況下有較高的傳動(dòng)效率。
6. 具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受和傳遞作用于路面和車架或車身間的各種力和力矩；在此條件下，盡可能降低質(zhì)量，尤其是簧下質(zhì)量，減少不平路面的沖擊載荷，提高汽車的平順性。
6、與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。
7、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工工藝性好，制造容易，維修，調(diào)整方便。
隨著汽車向采用大功率發(fā)動(dòng)機(jī)和輕量化方向的發(fā)展以及路面條件的改善，近年來(lái)主減速器比有減小的趨勢(shì)，以滿足高速行駛的要求[7]。
2.2 驅(qū)動(dòng)橋的種類
驅(qū)動(dòng)橋分?jǐn)嚅_(kāi)式和非斷開(kāi)式兩類。驅(qū)動(dòng)車輪采用獨(dú)立懸掛時(shí)，應(yīng)選用斷開(kāi)時(shí)驅(qū)動(dòng)橋；驅(qū)動(dòng)車輪采用非獨(dú)立懸架時(shí)，則應(yīng)選用非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋。
斷開(kāi)時(shí)驅(qū)動(dòng)橋(如圖2-1)，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是沒(méi)有連接左右驅(qū)動(dòng)車輪的剛性整體外殼或梁，主減速器、差速器及其殼體安裝在車架或車身上，通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)車輪。此時(shí)，主減速器、差速器和部分車輪傳動(dòng)裝置的質(zhì)量均為簧上質(zhì)量。兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)車輪經(jīng)獨(dú)立懸架與車架或車身作彈性連接，因此可以彼此獨(dú)立的相對(duì)于車架或車身上下擺動(dòng)。為防止車輪跳動(dòng)時(shí)因輪距變化使萬(wàn)向 圖2-1 斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋
節(jié)傳動(dòng)裝置與獨(dú)立懸架導(dǎo)向裝置產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，在設(shè)計(jì)車輪傳動(dòng)裝置時(shí)，應(yīng)采用滑動(dòng)花鍵軸或允許軸向適量移動(dòng)的萬(wàn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
圖2-2 非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋
1-主減速器 2-套筒 3-差速器 4、7-半軸 5調(diào)整螺母 6-調(diào)整墊片 7-橋殼
非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋（圖2-2）的橋殼是一根支撐在左右驅(qū)動(dòng)車輪上的剛性空心梁，主減速器、差速器和半軸等所有的傳動(dòng)件都裝在其中。此時(shí)，驅(qū)
動(dòng)橋、驅(qū)動(dòng)車輪均屬簧下質(zhì)量。
斷開(kāi)時(shí)驅(qū)動(dòng)橋在乘用車和部分越野汽車上應(yīng)用廣泛。飛斷開(kāi)時(shí)驅(qū)動(dòng)橋機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，工作可靠，廣泛應(yīng)用于各種商用車和部分乘用車上。
本次低速車采用雙式車輪，理所當(dāng)然選用非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋（整體式驅(qū)動(dòng)橋）。
2.3 設(shè)計(jì)車型主要參數(shù)
車輛名稱
自卸低速貨車
車輛型號(hào)
SD5815PD3
品牌
奧峰牌
發(fā)動(dòng)機(jī)功率
60Kw
燃料種類
柴油
總質(zhì)量
4410Kg
整備質(zhì)量
2670Kg
額定載質(zhì)量
1545Kg
軸距
3400mm
最高車速
65.0Km/h
前輪距
1550mm
后輪距
1540mm
輪胎規(guī)格
7.50-16
輪胎數(shù)
6
表2-1 設(shè)計(jì)車型主要參數(shù)
2.4 主減速器結(jié)構(gòu)方案的確定
2.4.1主減速器齒輪類型的選擇
按齒輪副結(jié)構(gòu)型式分，主減速器的齒輪傳動(dòng)主要有螺旋錐齒輪式傳動(dòng)、雙曲面齒輪式傳動(dòng)、圓柱齒輪式傳動(dòng)（又可分為軸線固定式齒輪傳動(dòng)和軸線旋轉(zhuǎn)式齒輪傳動(dòng)即行星齒輪式傳動(dòng)）和蝸桿蝸輪式傳動(dòng)等形式。
在發(fā)動(dòng)機(jī)橫置的汽車驅(qū)動(dòng)橋上，主減速器往往采用簡(jiǎn)單的斜齒圓柱齒輪；在發(fā)動(dòng)機(jī)縱置的汽車驅(qū)動(dòng)橋上，主減速器往往采用圓錐齒輪式傳動(dòng)或準(zhǔn)雙曲面齒輪式傳動(dòng)。
在現(xiàn)代貨車車驅(qū)動(dòng)橋中，主減速器采用得最廣泛的是螺旋錐齒輪和雙曲面齒輪。
螺旋錐齒輪如圖2-3（a）所示主、從動(dòng)齒輪軸線交于一點(diǎn)，交角都采用90度。螺旋錐齒輪的重合度大，嚙合過(guò)程是由點(diǎn)到線，因此，螺旋錐齒輪能承受大的載荷，而且工作平穩(wěn)，即使在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其噪聲和振動(dòng)也是很小的。雙曲面齒輪如圖2-3（b），主、從動(dòng)齒輪軸線不相交而呈空間交叉。 圖2-3 螺旋錐齒輪與雙曲面齒輪
和螺旋錐齒輪相比，雙曲面齒輪的優(yōu)點(diǎn)有：
1. 尺寸相同時(shí)，雙曲面齒輪有更大的傳動(dòng)比。
2. 傳動(dòng)比一定時(shí)，如果主動(dòng)齒輪尺寸相同，雙曲面齒輪比螺旋錐齒輪有較大軸徑，較高的輪齒強(qiáng)度以及較大的主動(dòng)齒輪軸和軸承剛度。
3. 當(dāng)傳動(dòng)比一定，主動(dòng)齒輪尺寸相同時(shí)，雙曲面從動(dòng)齒輪的尺寸較小，從而可以獲得較大更大的離地間隙。
4. 由于偏移距的存在，使雙曲面齒輪在工作的過(guò)程中不僅存在與弧齒錐齒輪相同的沿齒高方向的側(cè)向滑動(dòng)，又有沿齒長(zhǎng)方向的縱向滑動(dòng)，從而可以改善齒輪的磨合過(guò)程，使其具有更高的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。
6. 雙曲面?zhèn)鲃?dòng)帶的主動(dòng)齒輪直徑及螺旋角都較大，所以相嚙合的當(dāng)量曲率半徑較相應(yīng)的弧齒錐齒輪大，從而可以降低齒面間的接觸應(yīng)力。
7. 雙曲面?zhèn)鲃?dòng)的主動(dòng)齒輪螺旋角較大，則不產(chǎn)生根切的最小齒數(shù)可減少，因此可以選用較少的齒數(shù)，有利于增加傳動(dòng)比；其偏移距還有利于實(shí)現(xiàn)汽車的總體布置。
雙曲面齒輪傳動(dòng)有如下缺點(diǎn)：
1. 沿齒長(zhǎng)方向的縱向滑動(dòng)使摩擦損失增加，降低傳動(dòng)效率。
2. 齒面間的壓力和摩擦功較大，可能導(dǎo)致油膜破壞和齒面燒結(jié)咬死，抗膠合能力較低。
3. 雙曲面主動(dòng)齒輪具有較大的軸向力，使其軸承負(fù)荷增大。
4. 雙曲面齒輪必須采用可改善油膜強(qiáng)度和防刮傷添加劑的特種潤(rùn)滑油。
螺旋錐齒輪傳動(dòng)的主、從動(dòng)齒輪軸線垂直相交于一點(diǎn)。由于輪齒斷面重疊的影響，至少有兩對(duì)以上的輪齒同時(shí)嚙合，因此可以承受較大的負(fù)荷，加之其輪齒不是在齒的全長(zhǎng)上同時(shí)嚙合，而是逐漸從一端連續(xù)而平穩(wěn)地轉(zhuǎn)向另一端，所以工作平穩(wěn)，噪聲和振動(dòng)小。
一般情況下，當(dāng)主減速器傳動(dòng)器速比大于4.5而輪廓尺寸有限時(shí)，采用雙曲面齒輪傳動(dòng)更為合理；當(dāng)傳動(dòng)比小于2.0時(shí)，雙曲面齒輪傳動(dòng)的主動(dòng)齒輪相對(duì)于弧齒錐齒輪傳動(dòng)的主動(dòng)齒輪就顯得過(guò)大，此時(shí)選用弧齒錐齒輪更合理，因?yàn)楹笳吒哂休^大的差速器可利用空間；對(duì)于中等傳動(dòng)比，兩種齒輪傳動(dòng)均可采用。
本次設(shè)計(jì)采用螺旋錐齒輪。
2.4.2 主減速器的減速形式
主減速器的減速形式分為單級(jí)減速、雙級(jí)減速、單級(jí)貫通、雙級(jí)貫通、主減速及輪邊減速等。減速形式的選擇與汽車的類型及使用條件有關(guān)，有時(shí)也與制造廠的產(chǎn)品系列及制造條件有關(guān)，但它主要取決于由動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等整車性能所要求的主減速比io的大小及驅(qū)動(dòng)橋下的離地間隙、驅(qū)動(dòng)橋的數(shù)目及布置形式等。通常單極減速器用于主減速比io≤7.6的各種中小型汽車上。
如圖2-4（a）所示，單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)車橋是驅(qū)動(dòng)橋中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種，制造工藝較簡(jiǎn)單，成本較低，是驅(qū)動(dòng)橋的基本型，在貨車車上占有重要地位。目前貨車車發(fā)動(dòng)機(jī)向低速大扭矩發(fā)展的趨勢(shì)使得驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)比向小速比發(fā)展；隨著公路狀況的改善，特別是高速公路的迅猛發(fā)展，許多貨車使用條件對(duì)汽車通過(guò)性的要求降低，因此，產(chǎn)品不必像過(guò)去一樣，采用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)提高其的通過(guò)性；與帶輪邊減速器的驅(qū)動(dòng)橋相比，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋機(jī)械傳動(dòng)效率提高，易損件減少，可靠性增加。
如圖2-4（b）所示，與單級(jí)主減速器相比，由于雙級(jí)主減速器由兩級(jí)齒輪減速組成，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量加大；主減速器的齒輪及軸承數(shù)量的增多和材料消耗及加工的工時(shí)增加，制造成本也顯著增加，只有在主減速比較大（7.6<） 且采用單級(jí)主減速器不能滿足既定的主減速比和
（a） 單級(jí)主減速器 （b） 雙級(jí)主減速器
圖2-4主減速器
離地間隙等要求是才采用。通常僅用在裝在質(zhì)量10t以上的重型汽車上。
本次設(shè)計(jì)貨車主減速比=6，所以采用單級(jí)主減速器。
2.4.3主減速器主從動(dòng)錐齒輪的支承形式及安裝方法
1. 主減速器主動(dòng)錐齒輪的支承形式及安裝方式的選擇
現(xiàn)在汽車主減速器主動(dòng)錐齒輪的支承形式有如下兩種：
（1）懸臂式
懸臂式支承結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，其特點(diǎn)是在錐齒輪大端一側(cè)采用較長(zhǎng)的軸徑，并在其上安裝兩個(gè)圓錐滾子軸承。為了減小懸臂長(zhǎng)度a和增加兩端的距離b，以改善支承剛度，應(yīng)使兩軸承圓錐滾子的大端朝外。使作用在齒輪上離開(kāi)錐頂?shù)妮S向力由靠近齒輪的軸承承受，而反軸向力則由另一軸承承受。為了方便拆裝，應(yīng)使靠近齒輪的軸徑比另一軸承的支撐軸徑大些。 懸臂式支承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，支承剛度較差，多用于傳遞轉(zhuǎn)鉅較小的轎車、輕型貨車的單級(jí)主減速器及許多雙級(jí)主減速器中。
圖2-5 錐齒輪懸臂式支承
（2）跨置式
跨置式支承結(jié)構(gòu)如圖2-6所示，其特點(diǎn)是在錐齒輪的兩端均有軸承支承，這樣可大大增加支承剛度，又使軸承負(fù)荷減小，齒輪嚙合條件改善，因此齒輪的承載能力高于懸臂式。此外，由于齒輪大端一側(cè)軸徑上的兩個(gè)相對(duì)安裝的圓錐滾子軸承之間的距離很小，可以縮短主動(dòng)齒輪軸的長(zhǎng)度，使布置更緊湊，并可減小傳動(dòng)軸夾角，有利于整車布置。但是，跨置式支撐必須在主減速器課題上有支撐導(dǎo)向軸承所需要的軸承座，使主減速器殼體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本提高，另外還會(huì)使軸承布置困難或拆裝困難。在需要傳遞較大轉(zhuǎn)矩情況下，最好采用跨置式支承。
圖2-6 主動(dòng)錐齒輪跨置式支承
跟據(jù)實(shí)際情況，所設(shè)計(jì)的為低速載貨車采用懸臂式支撐。當(dāng)主動(dòng)錐齒輪安裝在圓錐滾子軸承上時(shí)，為了減小懸臂長(zhǎng)度增加支撐間距離，應(yīng)使兩軸承的小端朝內(nèi)相向，大端朝外，這樣也便于結(jié)構(gòu)的布置、軸承預(yù)緊度的調(diào)整及軸承的潤(rùn)滑。
2. 主減速器從動(dòng)錐齒輪的支承形式及安裝方式的選擇
從動(dòng)錐齒輪只有跨置式一種支撐形式如圖2-7所示，兩端支承多采用圓錐滾子軸承，安裝時(shí)應(yīng)使它們的圓錐滾子大端相向朝內(nèi)，而小端相向朝外。為了防止從動(dòng)錐齒輪在軸向載荷作用下的偏移，圓錐滾子軸承應(yīng)用兩端的調(diào)整螺母調(diào)整。主減速器從動(dòng)錐齒輪采用無(wú)輻式結(jié)構(gòu)并用細(xì)牙螺釘以精度較高的緊配固定在差速器殼的凸緣上，從動(dòng)齒輪節(jié)圓直徑較大時(shí)采用螺栓和差速器殼固定在一起。
圖2-7從動(dòng)齒輪支撐形式
本次設(shè)計(jì)主動(dòng)錐齒輪采用懸臂式支撐（圓錐滾子軸承），從動(dòng)錐齒輪采用騎馬式支撐（圓錐滾子軸承）。
2.5 差速器結(jié)構(gòu)方案的確定
根據(jù)汽車行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求和實(shí)際的車輪、道路以及它們之間的相互聯(lián)系表明：汽車在行駛時(shí)，左、右車輪在同一時(shí)間內(nèi)所滾過(guò)的路程往往不等。例如，轉(zhuǎn)彎時(shí)外側(cè)車輪行駛的距離總要比內(nèi)側(cè)長(zhǎng)；汽車在不平路面上行駛時(shí)，由于路面波形不同也會(huì)造成兩側(cè)車輪滾過(guò)的路程不相等；即使汽車作直線行駛，也會(huì)由于左右車輪在同一時(shí)間內(nèi)所滾過(guò)的路面垂向波形的不同，或由于左右車輪輪胎氣壓、輪胎負(fù)荷、胎面磨損程度的不同以及制造誤差等因素引起左右車輪外徑不同或滾動(dòng)半徑不相等而要求車輪行程不等。
在左右車輪行程不等的情況下，如果采用一根整體的驅(qū)動(dòng)車輪軸將動(dòng)力傳給左右車輪，則會(huì)由于左右車輪的轉(zhuǎn)速雖然相等而行程卻又不同的這一運(yùn)動(dòng)學(xué)上的矛盾，引起某一驅(qū)動(dòng)車輪產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)或滑移。這不僅會(huì)是輪胎過(guò)早磨、無(wú)益地消耗功率和燃料及使驅(qū)動(dòng)車輪軸超載等，還會(huì)因?yàn)椴荒馨此蟮乃矔r(shí)中心轉(zhuǎn)向而使操縱性變壞。此外，由于車輪與路面間尤其在轉(zhuǎn)彎時(shí)有大的滑轉(zhuǎn)或滑移，易使汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)失去抗側(cè)滑能力而使穩(wěn)定性變壞。為了防止這些現(xiàn)象的發(fā)生，汽車左右驅(qū)動(dòng)輪間都裝有輪間差速器，從而保證了驅(qū)動(dòng)橋兩側(cè)車輪在行程不相等時(shí)具有不同的旋轉(zhuǎn)角速度，滿足了汽車行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求。
差速器的結(jié)構(gòu)型式選擇，應(yīng)從所設(shè)計(jì)汽車的類型及其使用條件出發(fā)，以滿足該型汽車在給定的使用條件下的使用性能要求。
差速器的結(jié)構(gòu)型式有多種，大多數(shù)汽車都屬于公路運(yùn)輸車輛，對(duì)于在公路上和市區(qū)行駛的汽車來(lái)說(shuō)，由于路面較好，各驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著系數(shù)變化很小，因此幾乎都采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作平穩(wěn)、制造方便、用于公路汽車也很可靠的普通對(duì)稱式圓錐行星齒輪差速器，作為安裝在左、右驅(qū)動(dòng)車輪間的所謂輪間差速器使用；對(duì)于經(jīng)常行駛在泥濘、松軟土路或無(wú)路地區(qū)的越野汽車來(lái)說(shuō)，為了防止因某一側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪滑轉(zhuǎn)而陷車，則可采用防滑差速器。后者又分為強(qiáng)制鎖止式和自然鎖止式兩類。自鎖式差速器又有多種結(jié)構(gòu)式的高摩擦式和自由輪式的以及變傳動(dòng)比式的。
本次設(shè)計(jì)選用：普通錐齒輪式差速器，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量較小，工作平穩(wěn)可靠，適用于本次設(shè)計(jì)的汽車驅(qū)動(dòng)橋。
2.6 半軸形式的確定
驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)裝置位于汽車傳動(dòng)系的末端，其基本功用是接受從差速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩并將其傳給車輪。對(duì)于斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋，驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)裝置為萬(wàn)向傳動(dòng)裝置；對(duì)于非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋，驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)裝置的主要零件就是半軸。這時(shí)半軸將差速器半鈾齒輪與輪轂連接起來(lái)。在裝有輪邊減速器的驅(qū)動(dòng)橋上，半軸將半軸齒輪與輪邊減速器的主動(dòng)齒輪連接起來(lái)。根據(jù)半軸外端支撐方式不同可分為半浮式，3/4浮式，全浮式。
（a）半浮式 （b）3/4浮式 （c）全浮式
圖2-8半軸支撐形式
半浮式半軸（圖2-8a）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，半軸外端的支撐軸承位于半軸套管外端的內(nèi)孔中，車輪裝在半軸上。半浮式半軸除傳遞轉(zhuǎn)矩外，其外端還承受由路面對(duì)車輪的反力所引起的全部力和力矩。半浮式半軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所受載荷較大，只用于乘用車和總質(zhì)量較小的商用車上。
3/4浮式半軸（圖2-8b）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，半軸外端僅有一個(gè)軸承并裝在驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管的端部，直接支撐于車輪輪轂，而半軸則以其端部凸緣與輪轂用螺釘連接。因其側(cè)向力引起彎矩使軸承有歪斜的趨勢(shì)，這將急劇降低軸承的壽命，所以未得到推廣。
全浮式半軸（圖2-8c）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，半軸外端的凸緣用螺釘與輪轂相連，而輪轂又借用兩個(gè)圓錐滾子軸承支撐在驅(qū)動(dòng)橋殼的半軸套管上。理論上來(lái)說(shuō)，半軸只承受轉(zhuǎn)矩，作用于驅(qū)動(dòng)輪上的其他反力和彎矩全部由橋殼來(lái)承受。由于其工作可靠，廣泛應(yīng)用于各類載貨類汽車上。
由于低速貨車后軸負(fù)荷比前軸大得多，為使后輪輪胎不致過(guò)載，后橋一般裝用雙式車輪，半軸形式采用全浮式。
2.7 驅(qū)動(dòng)橋殼結(jié)構(gòu)的確定
驅(qū)動(dòng)橋殼的主要功用是支撐汽車質(zhì)量，并承受由車輪傳來(lái)的路面反力和反力矩，并經(jīng)懸架傳遞給車架；它又是主減速器、差速器、半軸的裝配基體。
驅(qū)動(dòng)橋殼大致可以分為可分式、整體式和組合式三種形式。
1.可分式橋殼
可分式橋殼（圖2-9）由一個(gè)垂直結(jié)合面分為左右兩部分，兩部分通過(guò)
羅雙連接成一體，每個(gè)部分均由一鑄造殼體和一個(gè)壓入其外端的半軸套管組成，軸管與殼體用鉚釘連接。這種橋殼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工藝性好，主減速器支撐剛度好。但拆裝、調(diào)整、維修很不方便，橋殼的強(qiáng)度和剛度受結(jié)構(gòu)限制，曾用于總質(zhì)量不大的汽車上，現(xiàn)在較少使用。
圖2-9 可分式橋殼
2.整體式橋殼
整體式橋殼（圖2-10）特點(diǎn)是整個(gè)橋殼是一根空心梁，橋殼和主減速器殼為兩體。它具有強(qiáng)度和剛度較大，主減速器拆裝、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。
(a) (b)
圖2-10 整體式橋殼
按制造工藝不同，整體式橋殼可分為鑄造式（圖2-10a）、鋼板沖壓焊接式（圖2-10b）和擴(kuò)張成形式三種。鑄造式橋殼的剛度和強(qiáng)度較大，但質(zhì)量大，加工面多，制造工藝復(fù)雜，主要用于總質(zhì)量較大的火車上。鋼板沖壓焊接式和擴(kuò)張成形式橋殼質(zhì)量較小，材料利用率高，制造成本地，適于大量生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于乘用車和總質(zhì)量較小的商用車上。
3.組合式橋殼
組合式橋殼（圖2-11）是將主減速器殼與部分橋殼鑄成一體，而后用無(wú)縫鋼管分別壓入殼體兩端，兩者之間用塞焊或銷釘固定。它的優(yōu)點(diǎn)是從動(dòng)齒輪軸承的支撐剛度好，主減速器的裝配、調(diào)整比可分式橋殼方便；然而要求有較高的加工精度，故常用于乘用車和總質(zhì)量較小的商用車上。 圖2-11 組合式橋殼
本次設(shè)計(jì)選用整體式橋殼。
2.8 本章小結(jié)
本章主要分析和選擇了主減速器齒輪的類型、主減速器的減速形式、主減速器主動(dòng)錐齒輪的支承形式及安裝方式、從動(dòng)錐齒輪的支承方式和安裝方式，從而確定逐步給出驅(qū)動(dòng)橋各個(gè)總成的基本結(jié)構(gòu)，分析了驅(qū)動(dòng)橋各總成結(jié)構(gòu)組成?；敬_定了驅(qū)動(dòng)橋四個(gè)組成部分主減速器、差速器、半軸、橋殼的結(jié)構(gòu)。
第3章 主減速器設(shè)計(jì)
3.1 概述
主減速器是汽車傳動(dòng)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(dòng)齒數(shù)多的錐齒輪。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)縱置的汽車，其主減速器還利用錐齒輪傳動(dòng)以改變動(dòng)力方向。汽車在各種道路上行使時(shí)，其驅(qū)動(dòng)輪上要求必須具有一定的驅(qū)動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)速，在動(dòng)力向左右驅(qū)動(dòng)輪分流的差速器之前設(shè)置一個(gè)主減速器后，可使主減速器前面的傳動(dòng)部件如變速器、萬(wàn)向傳動(dòng)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。
3.2 主減速比及主減速器齒輪參數(shù)的選擇與強(qiáng)度校核
主減速比對(duì)主減速器的結(jié)構(gòu)形式、輪廓尺寸、質(zhì)量大小影響很大。當(dāng)變速器處于最高檔位時(shí)對(duì)汽車的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性都有直接影響。的選擇應(yīng)在汽車總體設(shè)計(jì)時(shí)和傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比一起由整車動(dòng)力計(jì)算來(lái)確定?？衫迷诓煌南碌墓β势胶鈭D來(lái)計(jì)算對(duì)汽車動(dòng)力性的影響。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系參數(shù)作最佳匹配的方法來(lái)選擇值，可是汽車獲得最佳的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。
本次設(shè)計(jì)是以后輪為計(jì)算的點(diǎn)。
3.2.1主減速器齒輪參數(shù)的選擇
1.計(jì)算后輪的功率
已知車的載重為1545kg，車的自
重為2670kg。其中載重和自重的70%
由后輪承擔(dān)，車輛主要在農(nóng)村水泥路面和砂石路面上行駛，因此摩擦 圖3-1 驅(qū)動(dòng)車輪受力分析圖
系數(shù)μ取0.16，g=10N/Kg 。
對(duì)驅(qū)動(dòng)車輪受力分析[14]，如圖3-1：
因此，P=F×V=μGην （3-1）
=0.7×2670+1545×10×0.16×65×1032×3600×0.7=42Kw
式中，G為車總質(zhì)量，N；η為軸荷比；ν為汽車最高速度，km/h。
2.計(jì)算車輪的轉(zhuǎn)速n0及角速度ω0
已知車速V=65Km/h，查手冊(cè)得知輪胎規(guī)格7.50-16輪胎的滾動(dòng)半徑r=383.27mm：
即，
n0=ν×1032πr×60 （3-2）
=65×1032×3.14×383.27×60=450.08rmin
式中：υ-汽車的最高速度，Km/h；
r-車輪的滾動(dòng)半徑，mm。
可以推出： ω0=2πn/60=(2×3.14×450.08)/60=47.11 rad?s
3.計(jì)算車輪轉(zhuǎn)矩
由公式
T0=Pω0×106=891.53 N?m (3-3)
4.計(jì)算主減速器從動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)矩
齒輪的傳動(dòng)效率η=0.9，齒輪用9級(jí)精度制造
由公式：
Tj=2T0η=2×891.530.9=1981.2N?m (3-4)
5.主減速比的計(jì)算
對(duì)于具有很大功率儲(chǔ)備的轎車、長(zhǎng)途公共汽車尤其是競(jìng)賽車來(lái)說(shuō)，在給定發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率及其轉(zhuǎn)速的情況下，所選擇的值應(yīng)能保證這些汽車有盡可能高的最高車速。這時(shí)值應(yīng)按下式來(lái)確定[8]：
i0=0.337rrnpνamaxigh (3-5)
式中：——車輪的滾動(dòng)半徑，=0.383m；
——變速器最高檔傳動(dòng)比1. 0（為直接檔）；
——最大功率轉(zhuǎn)速； r/min；
——最大車速，km/h。
對(duì)于與其他汽車來(lái)說(shuō)，為了得到足夠的功率而使最高車速稍有下降，一般選得比最小值大10%～25%，即按下式選擇：
i0=0.337~0.472rrnpνamaxigh (3-6)
但是，該低速載貨汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)未知，故不能使用上述公式。可根據(jù)下表3-1選?。?
表3-1 載貨汽車驅(qū)動(dòng)橋主減速器主動(dòng)錐齒輪齒數(shù)
傳動(dòng)比（z1z2）
推薦的主動(dòng)錐齒輪最小齒數(shù)z1
主動(dòng)齒輪齒數(shù)的允許范圍z2
1.50~1.75
14
12~16
1.75~2.00
13
11~15
2.0~2.5
11
10~13
2.5~3.0
10
9~11
3.0~3.5
10
9~11
3.5~4.0
10
9~11
4.0~4.5
9
8~10
4.5~5.0
8
7~9
5.0~6.0
7
6~8
6.0~7.5
6
5~7
7.5~10
5
5~6
選取傳動(dòng)比i0=6， 得主動(dòng)錐齒輪z1=7，z2=42 。
6.從動(dòng)錐齒輪節(jié)圓直徑及端面模數(shù)的選擇
主減速器螺旋錐齒輪的節(jié)圓直徑，可根據(jù)齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩計(jì)算
d 2=kd13Tj (3-7)
=16×31981.2≈200mm
式中：d2-從動(dòng)錐齒輪的節(jié)圓直徑，mm；
kd1-直徑系數(shù)，取kd1=13~16；
Tj-計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N?m。
推出，從動(dòng)錐齒輪大端面模數(shù) m=d2z2=20042=4.78mm
大端面模數(shù)校核：m=km3Tj=0.3~0.4×12.6=3.78~5.04
取m=5 。
7.主減速器弧齒螺旋錐齒輪的幾何尺寸計(jì)算：
（a）查機(jī)械手冊(cè)知：齒頂高系數(shù)ha*=0.85 ,頂隙系數(shù)c*=0.188，齒數(shù)比μ=z2z1=6，變位系數(shù)x1=0.391-1μ2=0.3792，x2=-x1=-0.3792 。
表3-2主減速器螺旋錐齒輪幾何尺寸
參數(shù)
公式
主動(dòng)錐齒輪
從動(dòng)錐齒輪
模數(shù)
m
7
42
齒面寬
F=0.155d2
32.55，取35
工作齒高
hw=H1m=1.7m
8.5mm
齒全高
h=h2m=1.88m
9.44mm
法向壓力角
α
20°
20°
軸交角
Σ
90°
90°
分度圓直徑
d=mz
35mm
210mm
節(jié)錐角
γ1=tanh-1z1z2
9°27′
80°33′
節(jié)錐距
A0=d12sinγ1=d22sinγ2
106.47mm
106.47mm
周節(jié)
t=3.1416m
15.708mm
15.708mm
齒頂高
ha1=ha*+x1m
ha2=ha*+x2m
6.1458mm
2.3542mm
齒根高
hf1=h-ha1，hf1=h-ha1
3.2942mm
7.0858mm
齒高
h=2ha*+c*m
9.44mm
9.44mm
頂系
c=h-hw
0.94mm
0.94mm
齒根角
θf(wàn)=arctanhfA0
1°46′
3°48′
頂錐角
δa1=γ1+θf(wàn)2
δa2=γ2+θf(wàn)1
13°15′
82°19′
根錐角
θf(wàn)1=γ1-θf(wàn)1,θf(wàn)2=γ2-θf(wàn)2
7°41′
76°45′
頂圓直徑
da1=d1+2ha*?cosγ1
da1=d1+2ha*?cosγ1
47.123mm
210.775mm
（b）中點(diǎn)螺旋角
螺旋角是沿齒寬變化的，輪齒大端的螺旋角大，輪齒小端的螺旋角小。選擇β時(shí)，應(yīng)考慮它對(duì)齒面重合度的εF、輪齒強(qiáng)度和軸向力大小的影響。β越大，則εF也越大，同時(shí)嚙合的齒數(shù)越多，傳動(dòng)就越平穩(wěn)，噪聲越低，而且齒輪的強(qiáng)度越高。
汽車主減速器弧齒錐齒輪螺旋角或雙曲面齒輪副的平均螺旋角一般為35°~40°。乘用車選用較大的β值以保證較大的εF，使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低；商用車選用較小的β值以防止軸向力較大，通常取35°，本次設(shè)計(jì)取35°。
（c）螺旋方向
從錐齒輪錐頂看，齒形從中心線上半部向左傾斜為左旋，向右傾斜為右旋。主、從動(dòng)錐齒輪的螺旋方向是相反的。螺旋方向與錐齒輪的旋轉(zhuǎn)方向影響其所受軸向力的方向。當(dāng)變速器掛前進(jìn)擋時(shí)，應(yīng)使主動(dòng)齒輪的軸向力離開(kāi)錐頂方向，這可以使主、從動(dòng)齒輪有分離趨勢(shì)，防止輪齒卡死而損壞。
（d）法向壓力角
法向壓力角大一些可以增加輪齒強(qiáng)度，減少齒輪不發(fā)生根切的最少齒數(shù)，也可以使齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低。本次設(shè)計(jì)貨車弧齒錐齒輪，α選用20°。
3.2.2 主減速器錐齒輪材料及熱處理
驅(qū)動(dòng)橋錐齒輪的工作條件是相當(dāng)惡劣的，與傳動(dòng)系的其它齒輪相比，具有載荷大，作用時(shí)間長(zhǎng)，載荷變化多，帶沖擊等特點(diǎn)。其損壞形式主要有齒輪根部彎曲折斷、齒面疲勞點(diǎn)蝕（剝落）、磨損和擦傷等。根據(jù)這些情況，對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋齒輪的材料及熱處理應(yīng)有以下要求：
1. 具有較高的疲勞彎曲強(qiáng)度和表面接觸疲勞強(qiáng)度，以及較好的齒面耐磨性，故齒表面應(yīng)有高的硬度；
2. 輪齒心部應(yīng)有適當(dāng)?shù)捻g性以適應(yīng)沖擊載荷，避免在沖擊載荷下輪齒根部折斷；
3. 鋼材的鍛造、切削與熱處理等加工性能良好，熱處理變形小或變形規(guī)律易于控制，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量、縮短制造時(shí)間、減少生產(chǎn)成本并將低廢品率；
4. 選擇齒輪材料的合金元素時(shí)要適合我國(guó)的情況。
汽車主減速器用的螺旋錐齒輪以及差速器用的直齒錐齒輪，目前都是用滲碳合金鋼制造。在此，齒輪所采用的鋼為20CrMnTi。
用滲碳合金鋼制造的齒輪，經(jīng)過(guò)滲碳、淬火、回火后，輪齒表面硬度應(yīng)達(dá)到58～64HRC，而心部硬度較低，當(dāng)端面模數(shù)〉8時(shí)為29～45HRC。
對(duì)于滲碳深度有如下的規(guī)定：當(dāng)端面模數(shù)m≤5時(shí)， 為0.9～1. 3mm
當(dāng)端面模數(shù)m>5～8時(shí)，為1. 0～1. 4mm
由于新齒輪接觸和潤(rùn)滑不良，為了防止在運(yùn)行初期產(chǎn)生膠合、咬死或擦傷，防止早期的磨損，圓錐齒輪的傳動(dòng)副（或僅僅大齒輪）在熱處理及經(jīng)加工（如磨齒或配對(duì)研磨）后均予與厚度0.005～0.010mm的磷化處理或鍍銅、鍍錫。這種表面不應(yīng)用于補(bǔ)償零件的公差尺寸，也不能代替潤(rùn)滑。
對(duì)齒面進(jìn)行噴丸處理有可能提高壽命達(dá)25％。對(duì)于滑動(dòng)速度高的齒輪，為了提高其耐磨性，可以進(jìn)行滲硫處理。滲硫處理時(shí)溫度低，故不引起齒輪變形。滲硫后摩擦系數(shù)可以顯著降低，故即使?jié)櫥瑮l件較差，也會(huì)防止齒輪咬死、膠合和擦傷等現(xiàn)象產(chǎn)生。
3.2.3 螺旋錐齒輪的強(qiáng)度計(jì)算
1.損壞形式及壽命
在完成主減速器齒輪的幾何計(jì)算之后，應(yīng)對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，以保證其有足夠的強(qiáng)度和壽命以及安全可靠性地工作。在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算之前應(yīng)首先了解齒輪的破壞形式及其影響因素。
齒輪的損壞形式常見(jiàn)的有輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕及剝落、齒面膠合、齒面磨損等。它們的主要特點(diǎn)及影響因素分述如下：
（1）輪齒折斷
主要分為疲勞折斷及由于彎曲強(qiáng)度不足而引起的過(guò)載折斷。折斷多數(shù)從齒根開(kāi)始，因?yàn)辇X根處齒輪的彎曲應(yīng)力最大。
①疲勞折斷：在長(zhǎng)時(shí)間較大的交變載荷作用下，齒輪根部經(jīng)受交變的彎曲應(yīng)力。如果最高應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力超過(guò)材料的耐久極限，則首先在齒根處產(chǎn)生初始的裂紋。隨著載荷循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋不斷擴(kuò)大，最后導(dǎo)致輪齒部分地或整個(gè)地?cái)嗟簟Ｔ陂_(kāi)始出現(xiàn)裂紋處和突然斷掉前存在裂紋處，在載荷作用下由于裂紋斷面間的相互摩擦，形成了一個(gè)光亮的端面區(qū)域，這是疲勞折斷的特征，其余斷面由于是突然形成的故為粗糙的新斷面。
②過(guò)載折斷：由于設(shè)計(jì)不當(dāng)或齒輪的材料及熱處理不符合要求，或由于偶然性的峰值載荷的沖擊，使載荷超過(guò)了齒輪彎曲強(qiáng)度所允許的范圍，而引起輪齒的一次性突然折斷。
為了防止輪齒折斷，應(yīng)使其具有足夠的彎曲強(qiáng)度，并選擇適當(dāng)?shù)哪?shù)、壓力角、齒高及切向修正量、良好的齒輪材料及保證熱處理質(zhì)量等。齒根圓角盡可能加大，根部及齒面要光潔。
（2）齒面的點(diǎn)蝕及剝落
齒面的疲勞點(diǎn)蝕及剝落是齒輪的主要破壞形式之一，約占損壞報(bào)廢齒輪的70%以上。它主要由于表面接觸強(qiáng)度不足而引起的。
①點(diǎn)蝕：是輪齒表面多次高壓接觸而引起的表面疲勞的結(jié)果。由于接觸區(qū)產(chǎn)生很大的表面接觸應(yīng)力，常常在節(jié)點(diǎn)附近，特別在小齒輪節(jié)圓以下的齒根區(qū)域內(nèi)開(kāi)始，形成極小的齒面裂紋進(jìn)而發(fā)展成淺凹坑，形成這種凹坑或麻點(diǎn)的現(xiàn)象就稱為點(diǎn)蝕。一般首先產(chǎn)生在幾個(gè)齒上。在齒輪繼續(xù)工作時(shí)，則擴(kuò)大凹坑的尺寸及數(shù)目，甚至?xí)饾u使齒面成塊剝落，引起噪音和較大的動(dòng)載荷。在最后階段輪齒迅速損壞或折斷。減小齒面壓力和提高潤(rùn)滑效果是提高抗點(diǎn)蝕的有效方法，為此可增大節(jié)圓直徑及增大螺旋角，使齒面的曲率半徑增大，減小其接觸應(yīng)力。在允許的范圍內(nèi)適當(dāng)加大齒面寬也是一種辦法。
②齒面剝落：發(fā)生在滲碳等表面淬硬的齒面上，形成沿齒面寬方向分布的較點(diǎn)蝕更深的凹坑。凹坑壁從齒表面陡直地陷下。造成齒面剝落的主要原因是表面層強(qiáng)度不夠。例如滲碳齒輪表面層太薄、心部硬度不夠等都會(huì)引起齒面剝落。當(dāng)滲碳齒輪熱處理不當(dāng)使?jié)B碳層中含碳濃度的梯度太陡時(shí)，則一部分滲碳層齒面形成的硬皮也將從齒輪心部剝落下來(lái)。
（3）齒面膠合
在高壓和高速滑摩引起的局部高溫的共同作用下，或潤(rùn)滑冷卻不良、油膜破壞形成金屬齒表面的直接摩擦?xí)r，因高溫、高壓而將金屬粘結(jié)在一起后又撕下來(lái)所造成的表面損壞現(xiàn)象和擦傷現(xiàn)象稱為膠合。它多出現(xiàn)在齒頂附近，在與節(jié)錐齒線的垂直方向產(chǎn)生撕裂或擦傷痕跡。輪齒的膠合強(qiáng)度是按齒面接觸點(diǎn)的臨界溫度而定，減小膠合現(xiàn)象的方法是改善潤(rùn)滑條件等。
（4）齒面磨損
這是輪齒齒面間相互滑動(dòng)、研磨或劃痕所造成的損壞現(xiàn)象。規(guī)定范圍內(nèi)的正常磨損是允許的。研磨磨損是由于齒輪傳動(dòng)中的剝落顆粒、裝配中帶入的雜物，如未清除的型砂、氧化皮等以及油中不潔物所造成的不正常磨損，應(yīng)予避免。汽車主減速器及差速器齒輪在新車跑合期及長(zhǎng)期使用中按規(guī)定里程更換規(guī)定的潤(rùn)滑油并進(jìn)行清洗是防止不正常磨損的有效方法。
汽車驅(qū)動(dòng)橋的齒輪，承受的是交變負(fù)荷，其主要損壞形式是疲勞。其表現(xiàn)是齒根疲勞折斷和由表面點(diǎn)蝕引起的剝落。在要求使用壽命為20萬(wàn)千米或以上時(shí)，其循環(huán)次數(shù)均以超過(guò)材料的耐久疲勞次數(shù)。因此，驅(qū)動(dòng)橋齒輪的許用彎曲應(yīng)力不超過(guò)210.9N／mm.表3-3給出了汽車驅(qū)動(dòng)橋齒輪的許用應(yīng)力數(shù)值。
表3-3 汽車驅(qū)動(dòng)橋的許用應(yīng)力（N/mm2）
計(jì)算載荷
主減速器齒輪的需用彎曲應(yīng)力
主減速器齒輪的許用接觸應(yīng)力
差速器齒輪的許用彎曲應(yīng)力
Tjε，Tjψ中較小者
700
2800
980
Tjm
210.9
1750
210.0
實(shí)踐表明，主減速器齒輪的疲勞壽命主要與最大持續(xù)載荷（即平均計(jì)算轉(zhuǎn)矩）有關(guān)，而與汽車預(yù)期壽命期間出現(xiàn)的峰值載荷關(guān)系不大。汽車驅(qū)動(dòng)橋的最大輸出轉(zhuǎn)矩和最大附著轉(zhuǎn)矩并不是使用中的持續(xù)載荷，強(qiáng)度計(jì)算時(shí)只能用它來(lái)驗(yàn)算最大應(yīng)力，不能作為疲勞損壞的依據(jù)。
2.主減速器螺旋錐齒輪的強(qiáng)度計(jì)算
(1)輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算
汽車主減速器從動(dòng)螺旋錐齒輪輪齒的計(jì)算彎曲應(yīng)力為
σw=2×103?Tj?K0?Ks?KmKv?F?z?m2?J （3-8）
式中： ——齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)矩，
——超載系數(shù)，1. 0；
——尺寸系數(shù)，Ks=4m25.4=0.67;
——載荷分配系數(shù)取=1；
——質(zhì)量系數(shù)，對(duì)于汽車驅(qū)動(dòng)橋齒輪，檔齒輪接觸良好、節(jié)及徑向跳動(dòng)精度高時(shí)，取1；
J——計(jì)算彎曲應(yīng)力用的綜合系數(shù)[9]，見(jiàn)圖3-2，J=0.26 。
圖3-2 完全計(jì)算用綜合系數(shù)
把參數(shù)代入公式得：σw=277.8 N/mm2<700N/mm2，滿足強(qiáng)度。
（1） 輪齒接觸強(qiáng)度計(jì)算
螺旋錐齒輪齒面的計(jì)算接觸應(yīng)力σj(N/mm2)為：
σj=Cpd12×Tjz?K0?Ks?Km?Kf×103Kv?F?J （3-9）
式中：——主動(dòng)齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tjz=Tj6=1981.26=330.2N?m
——材料的彈性系數(shù)，對(duì)于鋼制齒輪副取232.6；
——主動(dòng)齒輪節(jié)圓直徑，35mm；
，，同3. 10；
——尺寸系數(shù)，=1；
——表面質(zhì)量系數(shù)，對(duì)于制造精確的齒輪可取1；
F——齒面寬，取齒輪副中較小值即從動(dòng)齒輪齒寬35mm；
J—— 計(jì)算應(yīng)力的綜合系數(shù)，J =0.132，見(jiàn)圖3-3所示。
圖3-3 接觸強(qiáng)度計(jì)算綜合系數(shù)J
將參數(shù)代入公式得：σj=2018N/mm2<2800N/mm2，滿足強(qiáng)度。
3.3 主減速器的潤(rùn)滑
主加速器及差速器的齒輪、軸承以及其他摩擦表面均需潤(rùn)滑，其中尤其應(yīng)注意主減速器主動(dòng)錐齒輪的前軸承的潤(rùn)滑，因?yàn)槠錆?rùn)滑不能靠潤(rùn)滑油的飛濺來(lái)實(shí)現(xiàn)。為此，通常是在從動(dòng)齒輪的前端靠近主動(dòng)齒輪處的主減速殼的內(nèi)壁上設(shè)一專門(mén)的集油槽，將飛濺到殼體內(nèi)壁上的部分潤(rùn)滑油收集起來(lái)再經(jīng)過(guò)近油孔引至前軸承圓錐滾子的小端處，由于圓錐滾子在旋轉(zhuǎn)時(shí)的泵油作用，使?jié)櫥陀蓤A錐滾子的下端通向大端，并經(jīng)前軸承前端的回油孔流回驅(qū)動(dòng)橋殼中間的油盆中，使?jié)櫥偷玫窖h(huán)。這樣不但可使軸承得到良好的潤(rùn)滑、散熱和清洗，而且可以保護(hù)前端的油封不被損壞。
為了保證有足夠的潤(rùn)滑油流進(jìn)差速器，有的采用專門(mén)的倒油匙。為了防止因溫度升高而使主減速器殼和橋殼內(nèi)部壓力增高所引起的漏油，應(yīng)在主減速器殼上或橋殼上裝置通氣塞，后者應(yīng)避開(kāi)油濺所及之處。
加油孔應(yīng)設(shè)置在加油方便之處，油孔位置也決定了油面位置。放油孔應(yīng)設(shè)在橋殼最低處，但也應(yīng)考慮到汽車在通過(guò)障礙時(shí)放油塞不易被撞掉。
3.4 本章小結(jié)
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)車型的設(shè)計(jì)參數(shù)確定了主減速比、主減速器的計(jì)算載荷，并根據(jù)相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造標(biāo)準(zhǔn)對(duì)齒輪參數(shù)進(jìn)行了合理選擇，整理出螺旋錐齒輪的幾何尺寸表。在此基礎(chǔ)上，對(duì)主減速器齒輪進(jìn)行了強(qiáng)度校核。最后，對(duì)主減速器齒輪材料及熱處理、主減速器的潤(rùn)滑予以說(shuō)明。
第4章 差速器的設(shè)計(jì)
4.1 概述
由于在第2章《驅(qū)動(dòng)橋總體方案的確定》中已經(jīng)介紹并分析，在這一章就不再贅述，直接開(kāi)始普通錐齒輪式差速器的設(shè)計(jì)。
4.2 普通錐齒輪式差速器設(shè)計(jì)
1.行星齒輪數(shù)n
行星齒輪數(shù)n需要根據(jù)承載情況來(lái)選擇，在承載不大的情況下n可取兩個(gè)，反之應(yīng)取n=4，本次設(shè)計(jì)取n=4.
2.行星齒輪球面半徑Rb
行星齒輪球面半徑Rb反應(yīng)了差速器錐齒輪節(jié)錐距的大小和承載能力，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定