《汽车驱动桥设计》kiomail

前言3设计要求4第一章 驱动桥结构方案拟定5图1-2中央主减速器整体式驱动桥5第二章 主减速器设计62.1主减速器的结构形式6主减速器的齿轮类型8主减速器主，从动锥齿轮的支承形式82.2 主减速器的基本参数选择与设计计算9主减速器计算载荷的确定9主减速器基本参数的选择11主减速器圆弧锥齿轮的几何尺寸计算13主减速器圆弧锥齿轮的强度计算152.齿轮弯曲强度163.轮齿接触强度17主减速器轴承的载荷计算18第三章 差速器设计233.1 对称式圆锥行星齿轮差速器的差速原理233.2 对称式圆锥行星齿轮差速器的结构243.3 对称式圆锥行星齿轮差速器的设计26差速器齿轮的基本参数的选择26差速器齿轮的几何计算28差速器齿轮的强度计算30第四章 驱动半轴的设计324.1结构形式分析324.1 全浮式半轴计算载荷的确定344.2 全浮式半轴的杆部直径的初选354.3 全浮式半轴的强度计算354.4 半轴花键的强度计算364.5半轴的结构设计及材料与热处理36第五章 驱动桥壳的设计385.1 铸造整体式桥壳的结构395.2 桥壳的受力分析与强度计算40参考文献41附件42前言汽车驱动桥位于传动系的末端。其基本功用是增扭、降速和改变转矩的传递方向，即增大由传动轴或直接从变速器传来的转矩，并将转矩合理的分配给左右驱动车轮；其次，驱动桥还要承受作用于路面或车身之间的垂直力，纵向力和横向力，以及制动力矩和反作用力矩等。驱动桥一般由主减速器，差速器，车轮传动装置和桥壳组成。设计驱动桥时应当满足如下基本要求：1） 选择适当的主减速比，以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。2） 外廓尺寸小，保证汽车具有足够的离地间隙，以满足通过性的要求。3） 齿轮及其它传动件工作平稳，噪声小。4） 在各种载荷和转速工况下有较高的传动效率。5） 具有足够的强度和刚度，以承受和传递作用于路面和车架或车身间的各种力和力矩；在此条件下，尽可能降低质量，尤其是簧下质量，减少不平路面的冲击载荷，提高汽车的平顺性。6） 与悬架导向机构运动协调。7） 结构简单，加工工艺性好，制造容易，维修，调整方便。驱动桥的结构型式按工作特性分，可以归并为非断开式驱动桥和断开式驱动桥两大类。当驱动车轮采用非独立悬架时，应该选用非断开式驱动桥，称为非独立悬架驱动桥；当驱动车轮采用独立悬架时，则应该选用断开式驱动桥，称为独立悬架驱动桥。独立悬架驱动桥结构较复杂，但大大提高了汽车在不平路面上的行驶平顺性。设计要求 车型：载货汽车 设计基础数据：1.车型：载货汽车；2.空载质量：4080kg前：1930kg后：2150kg；3.满载质量：9290kg前：2360kg后：6930kg；4.轮距：前：1810mm后：1800mm；5.最高车速：90km/h最大爬坡度：大于30%；6.传动系最小传动比：7.31主减速器传动比：6.33；7.额定功率：99kw（最高车速时3000r/min时）；8.最大转矩：353Nm（12001400r/min时）；9.轮胎规格：GB516-8219设计要求：； 附件要求：1.装配图一张；2.轴图一张；3.齿轮图一张。第一章 驱动桥结构方案拟定由于要求设计的是载货汽车的后驱动桥，要设计这样一个级别的驱动桥，一般选用非断开式驱动桥以与非独立悬架相适应。该种形式的驱动桥是一根支撑在左右驱动车轮的刚性空心梁，一般是铸造或钢板冲压而成，主减速器，差速器和半轴等所有传动件都装在其中，此时驱动桥，驱动车轮都属于簧下质量。123456789101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 驱动桥图1-2中央主减速器整体式驱动桥第二章 主减速器设计2.1主减速器的结构形式主减速器的结构形式主要是根据其齿轮的类型，主动齿轮和从动齿轮的安置方法以及减速形式的不同而异。驱动桥中主减速器、差速器设计应满足如下基本要求：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。按主减速器的类型分，驱动桥的结构形式有多种，基本形式有三种如下：1)中央单级减速器。此是驱动桥结构中最为简单的一种，是驱动桥的基本形式， 在载重汽车中占主导地位。一般在主传动比较小的情况下，应尽量采用中央单级减速驱动桥。图2-1单级主减速器 图2-2双级主减速器2)中央双级主减速器。由于上述中央双级减速桥均是在中央单级桥的速比超出一定数值或牵引总质量较大时，综合来说，双级减速桥一般均不作为一种基本型驱动桥来发展，而是作为某一特殊考虑而派生出来的驱动桥存在。3)中央单级、轮边减速器。综上所述，中央单级主减速器。它还有以下几点优点：(l)结构最简单，制造工艺简单，成本较低， 是驱动桥的基本类型，在重型汽车上占有重要地位；(2) 载重汽车发动机向低速大转矩发展的趋势，使得驱动桥的传动比向小速比发展；(3) 随着公路状况的改善，特别是高速公路的迅猛发展，汽车使用条件对汽车通过性的要求降低。(4) 与带轮边减速器的驱动桥相比，由于产品结构简化，单级减速驱动桥机械传动效率提高，易损件减少，可靠性提高。单级驱动桥产品的优势为单级驱动桥的发展拓展了广阔的前景。从产品设计的角度看， 载重车产品在主减速比小于6的情况下，应尽量选用单级减速驱动桥。所以此设计采用中央单级减速驱动桥，再配以铸造整体式桥壳。图2-3中央主减速器 主减速器的齿轮类型主减速器的齿轮有弧齿锥齿轮，双曲面齿轮，圆柱齿轮和蜗轮蜗杆等形式。在此选用弧齿锥齿轮传动，其特点是主、从动齿轮的轴线垂直交于一点。由于轮齿端面重迭的影响，至少有两个以上的轮齿同时啮合，因此可以承受较大的负荷，加之其轮齿不是在齿的全长上同时啮合，而是逐渐有齿的一端连续而平稳的地转向另一端，所以工作平稳，噪声和振动小。另外，弧齿锥齿轮与双曲面锥齿轮相比，具有较高的传动效率。 主减速器主，从动锥齿轮的支承形式图2-3主动锥齿轮悬臂式支承图2-4主动锥齿轮跨置式图2-5从动锥齿轮支撑形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2-3示）。跨置式支承使支承刚度大为增加，使齿轮在载荷作用下的变形大为减小，约减小到悬臂式支承的130以下而主动锥齿轮后轴承的径向负荷比悬臂式的要减小至1/51/7。齿轮承载能力较悬臂式可提高10%左右。但结构较复杂，所以选用跨置式。从动锥齿轮采用圆锥滚子轴承支承（如图2-5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。2.2 主减速器的基本参数选择与设计计算 主减速器计算载荷的确定1. 按发动机最大转矩和最低挡传动比确定从动锥齿轮的计算转矩Tce从动锥齿轮计算转矩TceTce= （2-1）式中：Tce计算转矩，；Temax发动机最大转矩；Temax =353 n计算驱动桥数，1；if变速器传动比，if=7.31；i0主减速器传动比，i0=6.33；变速器传动效率，取=0.9；k液力变矩器变矩系数，K=1；Kd由于猛接离合器而产生的动载系数，Kd=1；i1变速器最低挡传动比，i1=1；代入式（2-1），有： Tce=14700.7 主动锥齿轮计算转矩T=2322.39 Nm2. 按驱动轮打滑转矩确定从动锥齿轮的计算转矩 （2-2）式中 汽车满载时一个驱动桥给水平地面的最大负荷，后桥所承载69300N的负荷; 轮胎对地面的附着系数，对于安装一般轮胎的公路用车，取=0.85；对于越野汽车取1.0；对于安装有专门的防滑宽轮胎的高级轿车，计算时可取1.25; 车轮的滚动半径，在此选用轮胎型号为GB516-82 9.020，则车论的滚动半径为0.456m； ，分别为所计算的主减速器从动锥齿轮到驱动车轮之间的传动效率和传动比，取0.9，由于没有轮边减速器取1.0 所以=29845.23. 按汽车日常行驶平均转矩确定从动锥齿轮的计算转矩对于公路车辆来说，使用条件较非公路车辆稳定，其正常持续的转矩根据所谓的平均牵引力的值来确定： （2-3）式中：汽车满载时的总重量，92900N；所牵引的挂车满载时总重量，N，但仅用于牵引车的计算；道路滚动阻力系数，对于载货汽车可取0.0150.020；在此取0.018汽车正常行驶时的平均爬坡能力系数，对于载货汽车可取0.050.09在此取0.07；汽车的性能系数在此取0；主减速器主动齿轮到车轮之间的效率；主减速器从动齿轮到车轮之间的传动比；n驱动桥数。所以 =38502.7 主减速器基本参数的选择主减速器锥齿轮的主要参数有主、从动齿轮的齿数和、从动锥齿轮大端分度圆直径、端面模数、主从动锥齿轮齿面宽和、中点螺旋角、法向压力角等。1. 主、从动锥齿轮齿数和选择主、从动锥齿轮齿数时应考虑如下因素：1）为了磨合均匀，之间应避免有公约数。2）为了得到理想的齿面重合度和高的轮齿弯曲强度，主、从动齿轮齿数和应不小于40。3）为了啮合平稳，噪声小和具有高的疲劳强度对于商用车一般不小于6。4）主传动比较大时，尽量取得小一些，以便得到满意的离地间隙。5）对于不同的主传动比，和应有适宜的搭配。根据以上要求，这里取=6 =38，能够满足条件：+=44402. 从动锥齿轮大端分度圆直径和端面模数对于单级主减速器，增大尺寸会影响驱动桥壳的离地间隙，减小又会影响跨置式主动齿轮的前支承座的安装空间和差速器的安装。可根据经验公式初选，即 （2-4）直径系数，一般取13.015.3； 从动锥齿轮的计算转矩，为Tce和Tcs中的较小者。所以 =（13.015.3）=（318.5374.8）初选=340 则=/=350/38=8.95参考机械设计手册选取 9，则=342 根据=来校核=10选取的是否合适，其中=（0.30.4）此处，=（0.30.4）=（7.359.80），因此满足校核条件。3. 主，从动锥齿轮齿面宽和锥齿轮齿面过宽并不能增大齿轮的强度和寿命，反而会导致因锥齿轮轮齿小端齿沟变窄引起的切削刀头顶面过窄及刀尖圆角过小，这样不但会减小了齿根圆角半径，加大了集中应力，还降低了刀具的使用寿命。此外，安装时有位置偏差或由于制造、热处理变形等原因使齿轮工作时载荷集中于轮齿小端，会引起轮齿小端过早损坏和疲劳损伤。另外，齿面过宽也会引起装配空间减小。但齿面过窄，轮齿表面的耐磨性和轮齿的强度会降低。对于从动锥齿轮齿面宽，推荐不大于节锥的0.3倍，即，而且应满足，对于汽车主减速器圆弧齿轮推荐采用： =0.155342=53.01 在此取54一般习惯使锥齿轮的小齿轮齿面宽比大齿轮稍大，使其在大齿轮齿面两端都超出一些，通常使小齿轮的齿面比大齿轮大10%，在此取=604.中点螺旋角螺旋角沿齿宽是变化的，轮齿大端的螺旋角最大，轮齿小端螺旋角最小。弧齿锥齿轮副的中点螺旋角是相等的，选时应考虑它对齿面重合度，轮齿强度和轴向力大小的影响，越大，则也越大，同时啮合的齿越多，传动越平稳，噪声越低，而且轮齿的强度越高，应不小于1.25，在1.52.0时效果最好，但过大，会导致轴向力增大。汽车主减速器弧齿锥齿轮的平均螺旋角为3540，而商用车选用较小的值以防止轴向力过大，通常取35。5. 螺旋方向主、从动锥齿轮的螺旋方向是相反的。螺旋方向与锥齿轮的旋转方向影响其所受的轴向力的方向。当变速器挂前进挡时，应使主动锥齿轮的轴向力离开锥顶方向。这样可使主、从动齿轮有分离的趋势，防止轮齿因卡死而损坏。所以主动锥齿轮选择为左旋，从锥顶看为逆时针运动，这样从动锥齿轮为右旋，从锥顶看为顺时针，驱动汽车前进。6. 法向压力角法向压力角大一些可以提高齿轮的强度，减少齿轮不产生根切的最小齿数，但对于尺寸小的齿轮，大压力角易使齿顶变尖及刀尖宽度过小，并使齿轮的端面重合度下降。对于弧齿锥齿轮，乘用车的一般选用1430或16,商用车的为20或2230。这里取2030。 主减速器圆弧锥齿轮的几何尺寸计算表2-1 主减速器圆弧锥齿轮的几何尺寸计算用表项 目计 算 公 式计 算 结 果主动齿轮齿数6从动齿轮齿数38端面模数9齿面宽=54 =60工作齿高18全齿高=20.25法向压力角=20轴交角=90节圆直径=54=228 续表项 目计 算 公 式计 算 结 果节锥角arctan=90-=8.973=81.027节锥距A=取A=150.0周节t=3.1416 t=28.27齿顶高=9齿根高=11.25 径向间隙c=c=2.25齿根角=4.285 面锥角=13.258=85.312根锥角=4.688=76.042齿顶圆直径=71.780=230.793节锥顶点止齿轮外缘距离=112.596=18.110理论弧齿厚 =27.38mm=10.32mm齿侧间隙B=0.3050.4060.4mm螺旋角=35 主减速器圆弧锥齿轮的强度计算在选好主减速器齿轮的主要参数后，应根据所选的齿形计算锥齿轮的几何尺寸，对其强度进行计算，以保证其有足够的强度和寿命。在进行强度计算之前应首先了解齿轮的破坏形式及其影响因素。1.单位齿长圆周力在汽车主减速器齿轮的表面耐磨性，常常用其在轮齿上的假定单位压力即单位齿长圆周力来估算，即 Nmm (2-6)式中：P作用在齿轮上的圆周力，按发动机最大转矩Temax和最大附着力矩 两种载荷工况进行计算，N； 从动齿轮的齿面宽，在此取60mm. 按发动机最大转矩计算时： Nmm （2-7）式中：发动机输出的最大转矩，在此取353； 变速器的传动比，7.31； 主动齿轮节圆直径，在此取54mm.按上式 Nmm 按最大附着力矩计算时： Nmm （2-8）式中：汽车满载时一个驱动桥给水平地面的最大负荷，对于后驱动桥还应考虑汽车最大加速时的负荷增加量，在此取69300N； 轮胎与地面的附着系数，在此取0.85： 轮胎的滚动半径，在此取0.456m按上式=981.8 Nmm在现代汽车的设计中，由于材质及加工工艺等制造质量的提高，单位齿长上的圆周力有时提高许用资料的20%25%。经验算以上两数据都在许用范围内。其中上述两种方法计算用的许用单位齿长上的圆周力p都为1865N/mm，故满足条件。2.齿轮弯曲强度锥齿轮轮齿的齿根弯曲应力为： = （2-7）式中：锥齿轮轮齿的齿根弯曲应力，MPa；齿轮的计算转矩，对从动齿轮，取中的较小值，为14700.7 Nm；对主动齿轮取为2580.43 Nm；k0过载系数，一般取1；ks尺寸系数，0.682；km齿面载荷分配系数，悬臂式结构，km=1.25；kv质量系数，取1；b所计算的齿轮齿面宽；b=54mmD所讨论齿轮大端分度圆直径；D=342mmJw齿轮的轮齿弯曲应力综合系数，取0.03；对于主动锥齿轮， T=2580.43Nm；从动锥齿轮，T=14700.7Nm；将各参数代入式（2-7），有： 主动锥齿轮， =466MPa；从动锥齿轮， =458MPa；按照文献1, 主从动锥齿轮的=700MPa，轮齿弯曲强度满足要求。3.轮齿接触强度 锥齿轮轮齿的齿面接触应力为： j= （2-8）式中：j锥齿轮轮齿的齿面接触应力，MPa；D1主动锥齿轮大端分度圆直径，mm；D1=64mmb主、从动锥齿轮齿面宽较小值；b=54mmkf齿面品质系数，取1.0；cp综合弹性系数，取232N1/2/mm；ks尺寸系数，取1.0；Jj齿面接触强度的综合系数，取0.01；Tz主动锥齿轮计算转矩；Tz=2322.39N.mk0、km、kv选择同式（2-7）将各参数代入式 （2-8），有： j=813.5MPa按照文献汽车设计，jj=2800MPa，轮齿接触强度满足要求。汽车驱动桥的齿轮，承受的是交变负荷，其主要损坏形式是疲劳。其表现是齿根疲劳折断和由表面点蚀引起的剥落。在要求使用寿命为20万千米或以上时，其循环次数均以超过材料的耐久疲劳次数。因此，驱动桥齿轮的许用弯曲应力不超过210.9Nmm.表2-2给出了汽车驱动桥齿轮的许用应力数值。 表2-2 汽车驱动桥齿轮的许用应力 Nmm计算载荷 主减速器齿轮的许用弯曲应力主减速器齿轮的许用接触应力差速器齿轮的许用弯曲应力按式（2-1）、式（2-3）计算出的最大计算转矩Tec，Tcs中的较小者7002800980按式（2-4）计算出的平均计算转矩Tcf210.91750210.9 实践表明，主减速器齿轮的疲劳寿命主要与最大持续载荷（即平均计算转矩）有关，而与汽车预期寿命期间出现的峰值载荷关系不大。汽车驱动桥的最大输出转矩Tec和最大附着转矩Tcs并不是使用中的持续载荷，强度计算时只能用它来验算最大应力，不能作为疲劳损坏的依据。 主减速器轴承的载荷计算1.锥齿轮齿面上的作用力锥齿轮在工作过程中，相互啮合的齿面上作用有一法向力。该法向力可分解为沿齿轮切向方向的圆周力、沿齿轮轴线方向的轴向力及垂直于齿轮轴线的径向力。为计算作用在齿轮的圆周力，首先需要确定计算转矩。汽车在行驶过程中，由于变速器挡位的改变，且发动机也不全处于最大转矩状态，故主减速器齿轮的工作转矩处于经常变化中。实践表明，轴承的主要损坏形式为疲劳损伤，所以应按输入的当量转矩进行计算。经估算,这里取=2000 N对于圆锥齿轮的齿面中点的分度圆直径经计算45.11mm =285.67mm。上式参考汽车设计。(1) 齿宽中点处的圆周力齿宽中点处的圆周力为N (2-9) 式中：作用在该齿轮上的转矩，作用在主减速器主动锥齿轮上的当量转矩，=2000 N；该齿轮的齿面宽中点处的分度圆直径. 按上式主减速器从动锥齿轮齿宽中点处的圆周力=14.00 KN由可知，对于弧齿锥齿轮副，作用在主、从动齿轮上的圆周力是相等的。（2）锥齿轮的轴向力和径向力图2-5 主动锥齿轮齿面的受力图如图2-5，主动锥齿轮螺旋方向为左旋，从锥顶看旋转方向为逆时针，F 为作用在节锥面上的齿面宽中点A处的法向力，在A点处的螺旋方向的法平面内，F分解成两个相互垂直的力F和，F垂直于OA且位于OOA所在的平面，位于以OA为切线的节锥切平面内。在此平面内又可分为沿切线方向的圆周力F和沿节圆母线方向的力。F与之间的夹角为螺旋角，F与之间的夹角为法向压力角，这样就有： （2-10） （2-11） （2-12）于是，作用在主动锥齿轮齿面上的轴向力和径向力分别为 （2-13） （2-14）有式（2-13）可计算10787.1N有式（2-14）可计算=5463.2N式（2-10）式（2-14）参考汽车设计。2.主减速器锥齿轮轴承载荷的计算轴承的轴向载荷就是上述的齿轮的轴向力。但如果采用圆锥滚子轴承作支承时，还应考虑径向力所应起的派生轴向力的影响。而轴承的径向载荷则是上述齿轮的径向力，圆周力及轴向力这三者所引起的轴承径向支承反力的向量和。当主减速器的齿轮尺寸，支承形式和轴承位置已确定，则可计算出轴承的径向载荷。对于采用骑马式的主动锥齿轮和从动锥齿轮的轴承径向载荷，如图2-6所示图2-6 主减速器轴承的布置尺寸轴承A，B的径向载荷分别为R= （2-18） （2-19） 根据上式已知=10787.1N，=5463.2N，a=134mm ，b=84mm，c=50mm 所以轴承A的径向力= =8922.38N其轴向力为0 轴承B的径向力R= =3526.09N（1）对于轴承A，只承受径向载荷所以采用圆柱滚子轴承42608E(内径40，外径90)，此轴承的额定动载荷Cr为102.85KN，所承受的当量动载荷Q=XR=115976=15976N。（2）对于轴承B，在此并不是一个轴承，而是一对轴承，对于成对安装的轴承组的计算当量载荷时径向动载荷系数X和轴向动载荷系数Y值按双列轴承选用，e值与单列轴承相同。在此选用7514E型轴承。（3）对于从动齿轮的轴承C，D的径向力由计算公式较核，轴承C，D均采用7315E(内径75，外径160)，其额定动载荷Cr为134097N。此节计算内容参考了汽车设计关于主减速器的有关计算和机械设计关于轴承的选择。第三章 差速器设计汽车在行驶过程中左，右车轮在同一时间内所滚过的路程往往不等。转弯时内、外两侧车轮行程显然不同，外侧车轮滚过的距离大于内侧的车轮；汽车在不平路面上行驶时，由于路面波形不同也会造成两侧车轮滚过的路程不等；即使在平直路面上行驶，由于轮胎气压、轮胎负荷、胎面磨损程度不同以及制造误差等因素的影响，也会引起左、右车轮因滚动半径的不同而使左、右车轮行程不等。如果驱动桥的左、右车轮刚性连接，则行驶时不可避免地会产生驱动轮在路面上的滑移或滑转。这不仅会加剧轮胎的磨损与功率和燃料的消耗，而且可能导致转向和操纵性能恶化。为了防止这些现象的发生，汽车左、右驱动轮间都装有轮间差速器，从而保证了驱动桥两侧车轮在行程不等时具有不同的旋转角速度，满足了汽车行驶运动学要求。差速器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。差速器有多种形式，在此设计普通对称式圆锥行星齿轮差速器。3.1 对称式圆锥行星齿轮差速器的差速原理图3-1差速器差速原理 当行星齿轮只是随同行星架绕差速器旋转轴线公转时，显然，处在同一半径上的A、B、C三点的圆周速度都相等（图3-1），其值为。于是=，即差速器不起差速作用，而半轴角速度等于差速器壳3的角速度。当行星齿轮4除公转外，还绕本身的轴5以角速度自转时（图），啮合点A的圆周速度为=+，啮合点B的圆周速度为=-。于是+=（+）+(-)即 + =2 （3-1） 若角速度以每分钟转数表示，则 （3-2）式（3-2）为两半轴齿轮直径相等的对称式圆锥齿轮差速器的运动特征方程式，它表明左右两侧半轴齿轮的转速之和等于差速器壳转速的两倍，而与行星齿轮转速无关。因此在汽车转弯行驶或其它行驶情况下，都可以借行星齿轮以相应转速自转，使两侧驱动车轮以不同转速在地面上滚动而无滑动。有式（3-2）还可以得知：当任何一侧半轴齿轮的转速为零时，另一侧半轴齿轮的转速为差速器壳转速的两倍；当差速器壳的转速为零（例如中央制动器制动传动轴时），若一侧半轴齿轮受其它外来力矩而转动，则另一侧半轴齿轮即以相同的转速反向转动。3.2 对称式圆锥行星齿轮差速器的结构普通的对称式圆锥齿轮差速器由差速器左右壳，两个半轴齿轮，四个行星齿轮，行星齿轮轴，半轴齿轮垫片及行星齿轮垫片等组成。如图3-2所示。由于其具有结构简单、工作平稳、制造方便、用于公路汽车上也很可靠等优点，故广泛用于各类车辆上。图3-2 普通的对称式圆锥行星齿轮差速器1，12-轴承；2-螺母；3，14-锁止垫片；4-差速器左壳；5，13-螺栓；6-半轴齿轮垫片；7-半轴齿轮；8-行星齿轮轴；9-行星齿轮；10-行星齿轮垫片；11-差速器右壳图3-21-轴承；2-左外壳；3-垫片；4-半轴齿轮；5-垫圈；6-行星齿轮； 7-从动齿轮；8-右外壳；9-十字轴；10-螺栓3.3 对称式圆锥行星齿轮差速器的设计由于在差速器壳上装着主减速器从动齿轮，所以在确定主减速器从动齿轮尺寸时，应考虑差速器的安装。差速器的轮廓尺寸也受到主减速器从动齿轮轴承支承座及主动齿轮导向轴承座的限制。 差速器齿轮的基本参数的选择1.行星齿轮数目的选择 载货汽车采用4个行星齿轮。 2.行星齿轮球面半径的确定 圆锥行星齿轮差速器的结构尺寸，通常取决于行星齿轮的背面的球面半径，它就是行星齿轮的安装尺寸，实际上代表了差速器圆锥齿轮的节锥距，因此在一定程度上也表征了差速器的强度。 球面半径可按如下的经验公式确定： mm (3-3) 式中：行星齿轮球面半径系数，可取2.522.99，对于有4个行星齿轮的载货汽车取小值2.6； T计算转矩，取Tce和Tcs的较小值，14700.7 .根据上式=63.7mm 所以预选其节锥距A=63.7mm3.行星齿轮与半轴齿轮的选择为了获得较大的模数从而使齿轮有较高的强度，应使行星齿轮的齿数尽量少。但一般不少于10。半轴齿轮的齿数采用1425，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。 差速器的各个行星齿轮与两个半轴齿轮是同时啮合的，因此，在确定这两种齿轮齿数时，应考虑它们之间的装配关系，在任何圆锥行星齿轮式差速器中，左右两半轴齿轮的齿数，之和必须能被行星齿轮的数目所整除，以便行星齿轮能均匀地分布于半轴齿轮的轴线周围，否则，差速器将无法安装，即应满足的安装条件为： （3-4）式中：，左右半轴齿轮的齿数，对于对称式圆锥齿轮差速器来说，= 行星齿轮数目； 任意整数。在此=10，=18 满足以上要求。4.差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定 首先初步求出行星齿轮与半轴齿轮的节锥角， =29.05 =90-=60.95 再按下式初步求出圆锥齿轮的大端端面模数m m= 由于强度的要求在此取m=8mm得 5.压力角目前，汽车差速器的齿轮大都采用22.5的压力角，齿高系数为0.8。最小齿数可减少到10，并且在小齿轮（行星齿轮）齿顶不变尖的条件下，还可以由切向修正加大半轴齿轮的齿厚，从而使行星齿轮与半轴齿轮趋于等强度。由于这种齿形的最小齿数比压力角为20的少，故可以用较大的模数以提高轮齿的强度。在此选22.5的压力角。6. 行星齿轮安装孔的直径及其深度L行星齿轮的安装孔的直径与行星齿轮轴的名义尺寸相同，而行星齿轮的安装孔的深度就是行星齿轮在其轴上的支承长度，通常取： （3-5）式中：差速器传递的转矩，Nm；在此取14700.7 行星齿轮的数目；在此为4 行星齿轮支承面中点至锥顶的距离， 0.5d， d为半轴齿轮齿面宽中点处的直径，而d0.8； 支承面的许用挤压应力，在此取69 根据上式 =0.599.2=49.6 31 34 差速器齿轮的几何计算表3-1汽车差速器直齿锥齿轮的几何尺寸计算用表项目计算公式计算结果行星齿轮齿数10，应尽量取最小值=10半轴齿轮齿数=1425，且需满足式（3-4）=18模数=8mm齿面宽b=(0.250.30)A;b10m20mm续表项目计算公式计算结果工作齿高=12.8mm全齿高14.355压力角22.5轴交角=90节圆直径； 节锥角，=29.05，节锥距=82.4mm周节=3.1416=25.13mm齿顶高;=8.45mm=4.35mm齿根高=1.788-;=1.788-=5.85mm;=9.95mm径向间隙=-=0.188+0.051=1.555mm齿根角=;=4.061; =6.885面锥角；=35.94，=65.01根锥角；=24.99，=54.07外圆直径；mmmm节圆顶点至齿轮外缘距离续表项目计算公式计算结果理论弧齿厚=15.24 mm=12.66 mm齿侧间隙=0.2450.330 mm=0.250mm弦齿厚=14.36mm=11.32mm弦齿高=10.10mm=4.86mm 差速器齿轮的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状态，只有当汽车转弯或左右轮行驶不同的路程时，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校核。轮齿弯曲强度为 MPa (3-6) 式中：差速器一个行星齿轮传给一个半轴齿轮的转矩，其计算式 在此为2205.10 Nm； 差速器的行星齿轮数； 半轴齿轮齿数； 、见式（2-8）下的说明； 计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数，由图3-3查得=0.225图3-3弯曲计算用综合系数根据上式783.6 MPa 980 MPa所以，差速器齿轮满足弯曲强度要求。材料为20CrMnTi、20CrMoTi、22CrMnMo和20CrMo。此节内容图表参考了汽车设计中差速器设计一节。第四章 驱动半轴的设计 驱动半轴位于传动系的末端，其基本功用是接受从差速器传来的转矩并将其传给车轮。对于非断开式驱动桥，车轮传动装置的主要零件为半轴；对于断开式驱动桥和转向驱动桥，车轮传动装置为万向传动装置。万向传动装置的设计见第四章，以下仅讲述半轴的设计。4.1结构形式分析 半轴根据其车轮端的支承方式不同，可分为牛浮式、34浮式和全浮式三种形式。 半浮式半轴(图528a)的结构特点是半轴外端支承轴承位于半轴套管外端的内孔，车轮装在半轴上。半浮式半轴除传递转矩外，其外端还承受由路面对车轮的反力所引起的全部力和力矩。半浮式半轴结构简单，所受载荷较大，只用于轿车和轻型货车及轻型客车上。 34浮式半轴(图528b)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，而半轴则以其端部凸缘与轮毂用螺钉联接。该形式半轴受载情况与半浮式相似，只是载荷有所减轻，一般仅用在轿车和轻型货车上。全浮式半轴(图528c)的结构特点是半轴外端的凸缘用螺钉与轮毂相联，而轮毂又借用两个圆锥滚子轴承支承在驱动桥壳的半轴套管上。理论上来说，半轴只承受转矩，作用于驱动轮上的其它反力和弯矩全由桥壳来承受。但由于桥壳变形、轮毂与差速器半轴齿轮不同女、半轴法兰平面相对其轴线不垂直等因素，会引起半轴的弯曲变形，由此引起的弯曲应力一般为570MPa。全浮式半轴主要用于中、重型货车上。在这里我们选择全浮式半轴。 设计半轴的主要尺寸是其直径，在设计时首先可根据对使用条件和载荷工况相同或相近的同类汽车同形式半轴的分析比较，大致选定从整个驱动桥的布局来看比较合适的半轴半径，然后对它进行强度校核。 计算时首先应合理地确定作用在半轴上的载荷，应考虑到以下三种可能的载荷工况： 纵向力（驱动力或制动力）最大时，其最大值为，附着系数在计算时取0.8，没有侧向力作用； 侧向力最大时，其最大值为（发生于汽车侧滑时），侧滑时轮胎与地面的侧向附着系数在计算时取1.0，没有纵向力作用； 垂向力最大时（发生在汽车以可能的高速通过不平路面时），其值为，其中为车轮对地面的垂直载荷，为动载荷系数，这时不考虑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，即有 故纵向力最大时不会有侧向力作用，而侧向力最大时也不会有纵向力作用。4.1 全浮式半轴计算载荷的确定 全浮式半轴只承受转矩，其计算转矩可有附着力矩求得，其中，的计算，可根据以下方法计算，并取两者中的较小者。 若按最大附着力计算，即 （4-1）式中：轮胎与地面的附着系数取0.8； 汽车加速或减速时的质量转移系数，可取1.21.4在此取1.3。根据上式=36036 N ， 16432.42 若按发动机最大转矩计算，即 （4-2）式中：差速器的转矩分配系数，对于普通圆锥行星齿轮差速器取0.6； 发动机最大转矩，Nm； 汽车传动效率，计算时可取1或取0.9； 传动系最低挡传动比； 轮胎的滚动半径，m。根据上式=23841.4 N在此23841.4 N =10871.7 Nm4.2 全浮式半轴的杆部直径的初选全浮式半轴杆部直径的初选可按下式进行 （4-3）取小值为10871.7，根据上式=（45.4148.29）mm根据强度要求在此取48 mm。4.3 全浮式半轴的强度计算 首先是验算其扭转应力： MPa （4-4）式中：半轴的计算转矩，Nm在此取10871.7 Nm；半轴杆部的直径，48 mm。根据上式500.9 MPa =(490588) MPa所以满足强度要求。半轴的扭转角为 (4-5) 式中，为扭转角；为半轴长度，取；G为材料剪切弹性模量，；为半轴截面极惯性矩，。转角宜为每米长度。计算较核得，满足条件范围。4.4 半轴花键的强度计算在计算半轴在承受最大转矩时还应该校核其花键的剪切应力和挤压应力。半轴花键的剪切应力为 （4-6）半轴花键的挤压应力为 （4-7）式中T半轴承受的最大转矩，T=10871.7 Nm；DB半轴花键(轴)外径，DB=52mm；dA相配的花键孔内径，dA=48mm；z花键齿数，在此取20；Lp花键工作长度，Lp=70mm；b花键齿宽，b=3.77 mm；载荷分布的不均匀系数，取0.75。 将数据带入式（5-5）、（5-6）得：=62.9 MPa=142.6 MPa根据要求当传递的转矩最大时，半轴花键的切应力不应超过71.05 MPa，挤压应力不应超过196 MPa，以上计算均满足要求。此节的有关计算参考了汽车车桥设计中关于半轴的计算的内容。4.5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 驱动桥壳的设计驱动桥课的主要功用是支撑汽车质量，并承受由车轮传来的路面的反力和反力矩，并经悬架传给车架（或车身）；它又是主减速器、差速器、半轴的装配基体驱动桥壳应满足如下设计要求：1）应具有足够的强度和刚度，以保证主减速器齿轮啮合正常并不使半轴产生附加弯曲应力2）在保证强度和刚度的前提下，尽量减小质量以提高汽车行驶平顺性3）保证足够的离地间隙4）结构工艺性好，成本低5）保护装于其上的传动部件和防止泥水浸入6）拆装，调整，维修方便考虑的设计的是载货汽车，驱动桥壳的结构形式采用铸造整体式桥壳。图5-1整体式桥壳a)铸造式b)钢板冲压焊接式5.1 铸造整体式桥壳的结构 通常可采用球墨铸铁、可锻铸铁或铸钢铸造。在球铁中加入1.7%的镍，解决了球铁低温（-41C）冲击值急剧降低的问题，得到了与常温相同的冲击值。为了进一步提高其强度和刚度，铸造整体式桥壳的两端压入较长的无缝钢管作为半轴套筒，并用销钉固定。如图5-1所示，每边半轴套管与桥壳的压配表面共四处，由里向外逐渐加大配合面的直径，以得到较好的压配效果。钢板弹簧座与桥壳铸成一体，故在钢板弹簧座附近桥壳的截面可根据强度要求铸成适当的形状，通常多为矩形。安装制动底板的凸缘与桥壳住在一起。桥壳中部前端的平面及孔用于安装主减速器及差速器总成，后端平面及孔可装上后盖，打开后盖可作检视孔用。另外，由于汽车的轮毂轴承是装在半轴套管上，其中轮毂内轴承与桥壳铸件的外端面相靠，而外轴承则与拧在半轴套管外端的螺母相抵，故半轴套管有被拉出的倾向，所以必须将桥壳与半轴套管用销钉固定在一起。图5-2 铸造整体式驱动桥结构铸造整体式桥壳的主要优点在于可制成复杂而理想的形状，壁厚能够变化，可得到理想的应力分布，其强度及刚度均较好，工作可靠，故要求桥壳承载负荷较大的中、重型汽车，适于采用这种结构。尤其是重型汽车，其驱动桥壳承载很重，在此采用球铁整体式桥壳。除了优点之外，铸造整体式桥壳还有一些不足之处，主要缺点是质量大、加工面多，制造工艺复杂，且需要相当规模的铸造设备，在铸造时质量不宜控制，也容易出现废品，故仅用于载荷大的重型汽车。5.2 桥壳的受力分析与强度计算选定桥壳的结构形式以后，应对其进行受力分析，选择其端面尺寸，进行强度计算。汽车驱动桥的桥壳是汽车上的主要承载构件之一，其形状复杂，而汽车的行驶条件如道路状况、气候条件及车辆的运动状态又是千变万化的，因此要精确地计算出汽车行驶时作用于桥壳各处的应力大小是相当困难的。在通常的情况下，在设计桥壳时多采用常规设计方法，这时将桥壳看成简支梁并校核某些特定断面的最大应力值。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，即当车轮承受最大的铅锤力（当汽车满载并行驶与不平路面，受冲击载荷）时；当车轮承受最大切应力（当汽车满载并以最大牵引力行驶和紧急制动）时；以及当车轮承受最大侧向力（当汽车满载侧滑）时。只要在这三种载荷计算工况下桥壳的强度特征得到保证，就认为该桥壳在汽车各种行驶条件下是可靠的。在进行上述三种载荷工况下桥壳的受力分析之前，还应先分析一下汽车满载静止于水平路面时桥壳最简单的受力情况，即进行桥壳的静弯曲应力计算。参考文献1 刘惟信 编着.汽车车桥设计 .北京：清华大学出版社，20042 徐颢 主编.机械设计手册（第3，4卷）.北京：机械工业出版社，19913 吉林大学 王望予 主编.汽车设计(第四版).北京:机械工业出版社，20044 吉林大学 陈家瑞 主编.汽车构造(下册).北京:机械工业出版社，20055 朱孝录 主编.齿轮传动设计手册.北京：化学工业出版社，20056 邱宣怀 主编.机械设计.北京：高等教育出版社，19977 廖念钊等编 .互换性与技术测量（第四版）.北京：中国计量出版社，20008 王明珠 主编 .工程制图学及计算机绘图 .北京：国防工业出版社，19989 戴少度 主编.材料力学. 北京：国防工业出版社，200210 第二汽车制造厂 何敏. EQ1141G后驱动桥.汽车运输，1992（11）11 丹东汽车制造厂 刘凤君.浅谈DD321 20系列后驱动桥的开发.1997(4)12 重载汽车驱动桥的基本结构形式13 单级桥：重型车桥的发展方向附件1.主动齿轮轴图(A4幅面)一张。2.驱动桥装配图(A3幅面)一张。3.Pro/E软件绘制的差速器的三维实体效果图如下：附录图-1 差速器行星齿轮与半轴齿轮附录图-2 差速器行星齿轮轴与左壳附录图-3 差速器右壳与从动锥齿轮附录图-4 差速器装配图