电动汽车传动系统

4.4.4 差 速 器 设 计 车 辆 在 行 驶 过 程 中 ， 左 、 右 车 轮 在 同 一 时 间内 所 滚 过 的 路 程 往 往 是 不 相 等 的 ， 如 转 弯 、 左 右 两轮 胎 内 的 气 压 不 等 、 胎 面 磨 损 不 均 匀 、 两 车 轮 上 的负 荷 不 均 匀 而 引 起 车 轮 滚 动 半 径 不 相 等 ； 左 右 两 轮接 触 的 路 面 条 件 不 同 ， 行 驶 阻 力 不 等 等 。 如 果 驱 动 桥 的 左 、 右 车 轮 刚 性 连 接 ， 则 不 论 转弯 行 驶 或 直 线 行 驶 ， 均 会 引 起 车 轮 在 路 面 上 的 滑 移或 滑 转 ， 一 方 面 会 加 剧 轮 胎 磨 损 、 功 率 和 燃 料 消 耗 ，另 一 方 面 会 使 转 向 沉 重 ， 通 过 性 和 操 纵 稳 定 性 变 坏 。 为 此 ， 在 驱 动 桥 的 左 、 右 车 轮 间 都 装 有 轮 间 差 速 器 。在 多 桥 驱 动 的 汽 车 上 还 常 装 有 轴 间 差 速 器 ， 以 提 高 通 过 性 ，同 时 避 免 在 驱 动 桥 间 产 生 功 率 循 环 及 由 此 引 起 的 附 加 载 荷 、传 动 系 零 件 损 坏 、 轮 胎 磨 损 和 燃 料 消 耗 等 。 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 角 速 度 转 动 。 差 速 器 按 其 结 构 特 征 可 分 为 齿轮 式 、 凸 轮 式 、 蜗 轮 式 和 牙 嵌 自 由 轮 式 等 多 种 形 式 。 一 、 差 速 器 结 构 形 式 选 择 (一 )对 称 锥 齿 轮 式 差 速 器 汽 车 上 广 泛 采 用 的 差 速 器 为 对 称 锥 齿 轮 式 差 速 器 ， 具有 结 构 简 单 、 质 量 较 小 等 优 点 ， 应 用 广 泛 。 它 又 可 分 为 普通 锥 齿 轮 式 差 速 器 、 摩 擦 片 式 差 速 器 和 强 制 锁 止 式 差 速 器等 。 1 普 通 锥 齿 轮 式 差 速 器 由 于 普 通 锥 齿 轮 式 差 速 器 结 构 简 单 、 工 作 平 稳可 靠 ， 所 以 广 泛 应 用 于 一 般 使 用 条 件 的 汽 车 驱 动 桥中 。 图 426为 其 示 意 图 ， 根 据 运 动 分 析 可 得 1+ 2=2 0 (422) 当 一 侧 半 轴 不 转 时 ， 另 一 侧 半 轴 将 以 两 倍 的 差连 器 壳 体 角 速 度 旋 转 ； 当 差 速 器 壳 体 不 转 时 ， 左 右半 轴 将 等 速 反 向 旋 转 。 图 426 普 通 锥 齿 轮 式 差 速 器示 意 图 根 据 力 矩 平 衡 可 得 T1+T2=T0 (423) T2-T1=Tr 差 速 器 性 能 常 以 锁 紧 系 数 k来 表 征 ， 定 义 为 差 速器 的 内 摩 擦 力 矩 与 差 速 器 壳 接 受 的 转 矩 之 比 ， 由 下式 确 定 k=Tr T0 (424) 结 合 式 (4-23)可 得 T1=0 5T0(1-k) (425) T 2=0 5T0(1+k) 定 义 半 轴 转 矩 比 kb=T2 T1， 则 kb与 k之 间 有 kb=(1+k)/(1-k) (426) 普 通 锥 齿 轮 差 速 器 的 锁 紧 系 数 k一 般 为 0.050.15， 两 半 轴 转 矩 比 kb为 1.111.35， 这 说 明 左 、右 半 轴 的 转 矩 差 别 不 大 ， 故 可 以 认 为 分 配 给 两 半 轴的 转 矩 大 致 相 等 ， 这 样 的 分 配 比 例 对 于 在 良 好 路 面上 行 驶 的 汽 车 来 说 是 合 适 的 。 但 当 汽 车 越 野 行 驶 或在 泥 泞 、 冰 雪 路 面 上 行 驶 ， 一 侧 驱 动 车 轮 与 地 面 的附 着 系 数 很 小 时 ， 尽 管 另 一 侧 车 轮 与 地 面 有 良 好 的附 着 ， 其 驱 动 转 矩 也 不 得 不 随 附 着 系 数 小 的 一 侧 同样 地 减 小 ， 无 法 发 挥 潜 在 牵 引 力 ， 以 致 汽 车 停 驶 。 图 4-27 摩 擦 片 式 差 速 器1-差 速 器 壳 2-摩 擦 片 3-压 盘 4-V形 面 5-行 星 齿 轮轴 6-行 星 齿 轮 7-半 轴 齿 轮2. 摩 擦 片 式 差 速 器 为 了 增 加 差 速 器 的 内 摩擦 力 矩 ， 在 半 轴 齿 轮 7与差 速 器 壳 1之 间 装 上 了 摩擦 片 2(图 4-27)。 两 根 行 星齿 轮 轴 5互 相 垂 直 ， 轴 的两 端 制 成 V形 面 4与 差 速 器壳 孔 上 的 V形 面 相 配 ， 两个 行 星 齿 轮 轴 5的 V形 面 是反 向 安 装 的 。 每 个 半 轴 齿轮 背 面 有 压 盘 3和 主 、 从动 摩 擦 片 2， 主 、 从 动 摩擦 片 2分 别 经 花 键 与 差 速器 壳 1和 压 盘 3相 连 。 当 传 递 转 矩 时 ， 差 速 器 壳 通 过 斜 面 对 行 星 齿 轮 轴产 生 沿 行 星 齿 轮 轴 线 方 向 的 轴 向 力 ， 该 轴 向 力 推 动行 星 齿 轮 使 压 盘 将 摩 擦 片 压 紧 。 当 左 、 右 半 轴 转 速不 等 时 ， 主 、 从 动 摩 擦 片 间 产 生 相 对 滑 转 ， 从 而 产生 摩 擦 力 矩 。 此 摩 擦 力 矩 Tr与 差 速 器 所 传 递 的 转 矩T0成 正 比 。 可 表 示 为 (427)式 中 ， rf为 摩 擦 片 平 均 摩 擦 半 径 ； rd为 差 速 器 壳 v形面 中 点 到 半 轴 齿 轮 中 心 线 的 距 离 ； f为 摩 擦 因 数 ； z为 摩 擦 面 数 ； 为 V形 面 的 半 角 。 摩 擦 片 式 差 速 器 的 锁 紧 系 数 k可 达 0 6， k b可 达4。 这 种 差 速 器 结 构 简 单 ， 工 作 平 稳 ， 可 明 显 提 高汽 车 通 过 性 。 tan0 fzrrTT d fr 3 强 制 锁 止 式 差 速 器 当 一 个 驱 动 轮 处 于 附 着 系 数 较 小 的 路 面 时 ， 可通 过 液 压 或 气 动 操 纵 ， 啮 合 接 合 器 (即 差 速 锁 )将 差速 器 壳 与 半 轴 锁 紧 在 一 起 ， 使 差 速 器 不 起 作 用 ， 这样 可 充 分 利 用 地 面 的 附 着 系 数 ， 使 牵 引 力 达 到 可 能的 最 大 值 。 使 用 中 ， 在 汽 车 进 入 难 行 驶 路 段 之 前 操纵 差 速 锁 锁 止 差 速 器 ； 在 驶 出 难 行 驶 路 段 刚 进 入 较好 路 段 时 ， 应 及 时 将 差 速 锁 松 开 ， 以 避 免 出 现 因 无差 速 作 用 带 来 的 不 良 后 果 。 对 于 装 有 强 制 锁 止 式 差 速 器 的 4x2型 汽 车 ， 假 设 一驱 动 轮 行 驶 在 低 附 着 系 数 min的 路 面 上 ， 另 一 驱 动轮 行 驶 在 高 附 着 系 数 的 路 面 上 ， 这 样 装 有 普 通 锥齿 轮 差 速 器 的 汽 车 所 能 发 挥 的 最 大 牵 引 力 Ft为 (428)式 中 ， G2为 驱 动 桥 上 的 负 荷 。 如 果 差 速 器 完 全 锁 住 ， 则 汽 车 所 能 发 挥 的 最 大牵 引 力 Ft为 (429) 可 见 ， 采 用 差 速 锁 将 普 通 锥 齿 轮 差 速 器 锁 住 ，可 使 汽 车 的 牵 引 力 提 高 (+ min)/2min倍 ， 从 而 提高 了 汽 车 通 过 性 。 当 然 ， 如 果 左 、 右 车 轮 都 处 于 低 附 着 系 数 的 路面 ， 虽 锁 住 差 速 器 ， 但 牵 引 力 仍 超 过 车 轮 与 地 面 间的 附 着 力 ， 汽 车 也 无 法 行 驶 。 min2min2min2 22 GGGFt )(222 min2min22 GGGFt 强 制 锁 止 式 差 速 器 可 充 分 利 用 原 差 速 器 结 构 ，其 结 构 简 单 ， 操 作 方 便 。 目 前 ， 许 多 使 用 范 围 比 较广 的 重 型 货 车 上 都 装 用 差 速 锁 。 (二 )滑 块 凸 轮 式 差 速 器 图 4 28为 双 排 径 向 滑 块 凸 轮 式 差 速 器 。 差 速 器 的 主 动 件 是 与 差 速 器 壳 1连 接 在 一 起 的套 ， 套 上 有 两 排 径 向 孔 ， 滑 块 2装 于 孔 中 并 可 作 径向 滑 动 ； 滑 块 两 端 分 别 与 差 速 器 的 从 动 元 件 内 凸 轮4和 外 凸 轮 3接 触 。 内 、 外 凸 轮 分 别 与 左 、 右 半 轴用 花 健 连 接 。 当 差 速 器 传 递 动 力 时 ， 主 动 套 带 动 滑块 并 通 过 滑 块 带 动 内 、 外 凸 轮 旋 转 ， 同 时 允 许 内 、外 凸 轮 转 速 不 等 。 理 论 上 凸 轮 形 线 应 是 阿 基 米 德 螺线 ， 为 加 工 简 单 起 见 ， 可 用 圆 弧 曲 线 代 替 。 图 4-28 滑 块 凸 轮 式 差 速 器1-差 速 器 壳 2-滑 块 3-外 凸 轮 4-内 凸 轮 (三 )蜗 轮 式 差 速 器 蜗 轮 式 差 速 器 (图 429)也 是 一 种 高 摩 擦 自 锁 差速 器 。 蜗 杆 2、 4同 时 与 行 星 蜗 轮 3与 半 轴 蜗 轮 1、 5啮 合 ， 从 而 组 成 一 行 星 齿 轮 系 统 。 这 种 差 速 器 半 轴的 转 矩 比 为kb=tan(+ )/tan(-) (4-30) 式 中 ， 为 蜗 杆 螺 旋 角 ； 为 摩 擦 角 。 蜗 轮 式 差 速 器 的 半 轴 转 矩 比 kb可 高 达 5.679.00，锁 紧 系 数 k达 0.7 0.80但 在 如 此 高 的 内 摩 擦 情 况 下 ，差 速 器 磨 损 快 、 寿 命 短 。 当 把 k b降 到 2.653.00， k降 到 0.450.50时 ， 可 提 高 该 差 速 器 的 使 用 寿 命 。由 于 这 种 差 速 器 结 构 复 杂 ， 制 造 精 度 要 求 高 ， 因 而限 制 了 它 的 应 用 。 图 4-29 蜗 轮 式 差 速 器1、 5-半 轴 蜗 轮 2、 4-蜗 杆 9-行 星 蜗 轮 (四 )牙 嵌 式 自 由 轮 差 速 器 牙 嵌 式 自 由 轮 差 速 器 (图 4 30)是 自 锁 式 差 速 器的 一 种 。 装 有 这 种 差 速 器 的 汽 车 在 直 线 行 驶 时 ， 主动 环 可 将 由 主 减 速 器 传 来 的 转 矩 按 左 、 右 轮 阻 力 的大 小 分 配 给 左 、 右 从 动 环 (即 左 、 右 半 轴 )。 当 一 侧车 轮 悬 空 或 进 入 泥 泞 、 冰 雪 等 路 面 时 ， 主 动 环 的 转矩 可 全 部 或 大 部 分 分 配 给 另 一 侧 车 轮 。 当 转 弯 行 驶时 ， 外 侧 车 轮 有 快 转 的 趋 势 ， 使 外 侧 从 动 环 与 主 动环 脱 开 ， 即 中 断 对 外 轮 的 转 矩 传 递 ； 内 侧 车 轮 有 慢转 的 趋 势 ， 使 内 侧 从 动 环 与 主 动 环 压 得 更 紧 ， 即 主动 环 转 矩 全 部 传 给 内 轮 。 由 于 该 差 速 器 在 转 弯 时 是内 轮 单 边 传 动 ， 会 引 起 转 向 沉 重 ， 当 拖 带 挂 车 时 尤为 突 出 。 此 外 ， 由 于 左 、 右 车 轮 的 转 矩 时 断 时 续 ， 车 轮 传 动 装 置 受 的 动 载 荷 较 大 ， 单 边 传 动 也 使 其 受较 大 的 载 荷 。 牙 嵌 式 自 由 轮 差 速 器 的 半 轴 转 矩 比 kb是 可 变 的 ，最 大 可 为 无 穷 大 。 该 差 速 器 工 作 可 靠 ， 使 用 寿 命 长 ，锁 紧 性 能 稳 定 ， 制 造 加 工 也 不 复 杂 。图 4 30牙 嵌 式 自 由 轮 差 速 器 二 、 普 通 锥 齿 轮 差 速 器 齿 轮 设 计 (一 )差 速 器 齿 轮 主 要 参 数 选 择 1 行 星 齿 轮 数 n 行 星 齿 轮 数 n需 根 据 承 载 情 况 来 选 择 。 通 常 情 况 下 ， 轿车 ： n=2； 货 车 或 越 野 车 n=4。 2 行 星 齿 轮 球 面 半 径 Rb 行 星 齿 轮 球 面 半 径 Rb反 映 了 差 速 器 锥 齿 轮 节 锥 距 的 大小 和 承 载 能 力 ， 可 根 据 经 验 公 式 来 确 定 (431)式 中 ， K b为 行 星 齿 轮 球 面 半 径 系 数 ， Kb=2.5 3.0， 对 于有 四 个 行 星 齿 轮 的 轿 车 和 公 路 用 货 车 取 小 值 ， 对 于 有 两 个行 星 齿 轮 的 轿 车 及 四 个 行 星 齿 轮 的 越 野 车 和 矿 用 车 取 大 值 ；Td为 差 速 器 计 算 转 矩 (Nm)， Td=minTce， Tcs； Rb为 球面 半 径 (mm)。 3 dbb TKR 行 星 齿 轮 节 锥 距 A0为 A0=(0.980.99)Rb (432) 3 行 星 齿 轮 和 半 轴 齿 轮 齿 数 z1、 z2 为 了 使 轮 齿 有 较 高 的 强 度 ， 希 望 取 较 大 的 模 数 ，但 尺 寸 会 增 大 ， 于 是 又 要 求 行 星 齿 轮 的 齿 数 z1应 取少 些 ， 但 z1一 般 不 少 于 10。 半 轴 齿 轮 齿 数 z2在 1425选 用 。 大 多 数 汽 车 的 半 轴 齿 轮 与 行 星 齿 轮 的 齿数 比 z2 z1在 1 52 0的 范 围 内 。 为 使 两 个 或 四 个 行 星 齿 轮 能 同 时 与 两 个 半 轴 齿轮 啮 合 ， 两 半 轴 齿 轮 齿 数 和 必 须 能 被 行 星 齿 轮 数 整除 ， 否 则 差 速 齿 轮 不 能 装 配 。 4 行 星 齿 轮 和 半 轴 齿 轮 节 锥 角 1、 2， 及 模 数 m 行 星 齿 轮 和 半 轴 齿 轮 节 锥 角 1、 2分 别 为 1=arctan(z1 z2) (4-33) 2 =arctan(z2 z2) 锥 齿 轮 大 端 端 面 模 数 m为 m=2A0 sin 1 /z1=2A0sin 2 /z2 (4-34)5 压 力 角 a 汽 车 差 速 齿 轮 大 都 采 用 压 力 角 为 22 30， 齿 高系 数 为 0.8的 齿 形 。 某 些 重 型 货 车 和 矿 用 车 采 用25 压 力 角 ， 以 提 高 齿 轮 强 度 。 6 行 星 齿 轮 轴 直 径 d及 支 承 长 度 L 行 星 齿 轮 轴 直 径 d(mm)为 (4-35)式 中 ， T0为 差 速 器 壳 传 递 的 转 矩 (Nm)， n为 行 星齿 轮 数 ； rd为 行 星 齿 轮 支 承 面 中 点 到 锥 顶 的 距 离(mm)， 约 为 半 轴 齿 轮 齿 宽 中 点 处 平 均 直 径 的 一 半 ；c为 支 承 面 许 用 挤 压 应 力 ， 取 98MPa。 行 星 齿 轮 在 轴 上 的 支 承 长 度 L为 L=1.1d (436)dc nrTd 1.1 1030 (二 )差 速 器 齿 轮 强 度 计 算 差 速 器 齿 轮 的 尺 寸 受 结 构 限 制 ， 而 且 承 受 的 载荷 较 大 ， 它 不 像 主 减 速 器 齿 轮 那 样 经 常 处 于 啮 合 传动 状 态 ， 只 有 当 汽 车 转 弯 或 左 、 右 轮 行 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 计 算 。 轮 齿 弯 曲 应 力 w(Mpa)为 (437)式 中 ， n为 行 星 齿 轮 数 ； J为 综 合 系 数 ； b 2、 d2分 别为 半 轴 齿 轮 齿 宽 及 其 大 端 分 度 圆 直 径 (mm)； T为 半轴 齿 轮 计 算 转 矩 (Nm)， T=0.6T0；322 102 Jndmbk kTkv msw 按 主 减 速 器 齿 轮 强 度 计 算 的 有 关 数 值 选 取 。 当 T0=minTce， Tcs时 ， w =980MPa； 当T0=TcF时 ， w=210MPa。 差 速 器 齿 轮 与 主 减 速 器 齿 轮 一 样 ， 基 本 上 都 是用 渗 碳 合 金 钢 制 造 ， 目 前 用 于 制 造 差 速 器 锥 齿 轮 的材 料 为 20CrMnTi、 20CrMoTi、 22CrMnMo和20CrMo等 。 由 于 差 速 器 齿 轮 轮 齿 要 求 的 精 度 较 低 ，所 以 精 锻 差 速 器 齿 轮 工 艺 巳 被 广 泛 应 用 。 三 、 粘 性 联 轴 器 结 构 及 在 汽 车 上 的 布 置 粘 性 联 轴 器 是 一 种 利 用 液 体 粘 性 传 递 动 力 的 装置 。 它 以 其 优 良 的 性 能 不 仅 广 泛 应 用 于 四 轮 驱 动 汽车 上 ， 而 且 也 应 用 于 两 轮 驱 动 汽 车 上 。 1 粘 性 联 轴 器 结 构 和 工 作 原 理 粘 性 联 轴 器 结 构 简 图 如 图 4 31所 示 。 内 叶 片 2与 A轴 1以 花 键 连 接 ， 叶 片 可 在 轴 上 滑 动 ； 外 叶 片 6与 壳 体 3也 以 花 键 连 接 ， 但 叶 片 内 有 隔 环 7， 防 止外 叶 片 轴 向 移 动 。 隔 环 的 厚 度 决 定 了 内 、 外 叶 片 的间 隙 。 叶 片 上 各 自 加 工 有 孔 或 槽 ， 壳 体 内 充 入 作 为粘 性 工 作 介 质 的 硅 油 4， 用 油 封 密 封 。 图 4-31 粘 性 联 轴 器 结 构 简 图 1- A轴 2-内 叶 片 3-壳 体 4-硅 油 5-B轴 6-外叶 片 7-隔 环 粘 性 联 轴 器 属 于 液 体 粘 性 传 动 装 置 ， 是 依 靠 硅 油的 粘 性 阻 力 来 传 递 动 力 ， 即 通 过 内 、 外 叶 片 间 硅 油的 油 膜 剪 切 力 来 传 递 动 力 。 一 般 在 密 封 的 壳 体 内 填充 了 占 其 空 间 80 一 90%的 硅 油 (其 余 是 空 气 )， 高粘 度 的 硅 油 存 在 于 内 、 外 叶 片 的 间 隙 内 。 当 A轴 与B轴 之 间 有 转 速 差 时 ， 内 、 外 叶 片 间 将 产 生 剪 切 阻力 ， 使 转 矩 由 高 速 轴 传 递 到 低 速 轴 。 它 所 能 传 递 的转 矩 与 联 轴 器 的 结 构 、 硅 油 粘 度 及 输 入 轴 、 输 出 轴的 转 速 差 有 关 。 2 粘 性 联 轴 器 在 车 上 的 布 置 根 据 全 轮 驱 动 形 式 的 不 同 ， 粘 性 联 轴 器 在 汽 车上 有 不 同 的 布 置 形 式 。 图 432为 粘 性 联 轴 器 作 为 轴 间 差 速 器 限 动 装 置的 简 图 。 轴 间 差 速 器 壳 体 上 的 齿 轮 1与 变 速 器 输 出轴 上 的 齿 轮 相 啮 合 ， 壳 体 内 的 左 齿 轮 通 过 空 心 轴 2与 右 侧 的 前 桥 差 速 器 6壳 体 相 连 ， 右 齿 轮 通 过 空 心轴 4和 齿 轮 7等 与 后 桥 差 速 器 壳 上 的 齿 轮 相 连 。 粘性 联 轴 器 5的 壳 体 与 空 心 轴 4相 连 ， 内 叶 片 连 接 在空 心 轴 2上 ， 这 样 它 就 与 轴 间 差 速 器 3并 联 在 一 起 ，内 、 外 叶 片 的 转 速 分 别 反 映 了 前 、 后 差 速 器 壳 体 的转 速 。 图 432 粘 性 联 轴 器 用 作 轴 间 差 速 器 的 限 动 装 置 1-齿 轮 (与 变 速 器 轴 出 轴 上 的 齿 轮 相 啮 合 ) 2、4-空 心 轴 3-轴 间 差 速 器 5-粘 性 联 轴 器 6-前 桥 差速 器 7-齿 轮 8-锥 齿 轮 (通 向 后 桥 ) 当 前 、 后 桥 差 速 器 壳 体 转 速 相 近 时 ， 粘 性 联 轴 器 内 、 外叶 片 转 速 相 近 ， 它 并 不 起 限 动 作 用 ， 此 时 轴 间 差 速 器 将 转矩 按 固 定 比 例 分 配 给 前 、 后 桥 。 当 某 一 车 轮 (如 前 轮 )严 重打 滑 时 ， 前 桥 差 速 器 壳 的 转 速 升 高 ， 粘 性 联 轴 器 的 内 、 外叶 片 转 速 差 增 大 ， 阻 力 矩 增 大 ， 轴 间 差 速 器 中 与 后 桥 相 连的 转 速 较 低 的 齿 轮 就 获 得 了 较 大 的 转 矩 ， 使 附 着 条 件 较 好的 后 轮 产 生 与 附 着 条 件 相 适 应 的 较 大 的 驱 动 力 。 在 有 些 汽 车 中 ， 用 粘 性 联 轴 器 取 代 了 轴 间 差 速 器 。 当汽 车 正 常 行 驶 时 ， 前 、 后 轮 转 速 基 本 相 等 ， 粘 性 联 轴 器 不工 作 ， 此 时 相 当 于 前 轮 驱 动 。 当 汽 车 加 速 或 爬 坡 时 ， 汽 车质 心 后 移 ， 的 轮 将 出 现 打 滑 现 象 ， 转 速 升 高 ， 前 、 后 轮 出现 转 速 差 ， 粘 性 联 轴 器 开 始 工 作 ， 将 部 分 转 矩 传 给 后 桥 ，使 之 产 生 足 够 驱 动 力 帮 助 前 轮 恢 复 正 常 的 附 着 状 态 ， 提 高了 它 的 动 力 性 。 由 于 粘 性 传 动 不 如 机 械 传 动 可 靠 ， 所 能 传递 的 转 矩 较 小 ， 故 该 形 式 主 要 用 于 轿 车 和 轻 型 汽 车 中 。 4.4.5车 轮 传 动 装 置 设 计 车 轮 传 动 装 置 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 (图 433)， 车 轮传 动 装 置 为 万 向 传 动 装 置 。 讲 述 半 轴 的 设 计 。 一 、 结 构 形 式 分 析 半 轴 根 据 其 车 轮 端 的 支 承 方 式 不 同 ， 可 分 为 半浮 式 、 3 4浮 式 和 全 浮 式 三 种 形 式 。 半 浮 式 半 轴 (图 434a)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 图 433 转 向 驱 动桥1轮 毂 2-轮 毂 轴 承 3-制 动 鼓 4-固 定 弹簧 5-等 速 万 向 节 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 。 3 4浮 式 半 轴 (图 437b)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 4 37c)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 心 、 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 5 70MPa。 全 浮 式 半 轴 主 要 用 于 中 、重 型 货 车 上 。 图 4-34 半 轴 结 构 形 式 简 图及 受 力 情 况 a)半 浮 式 b)3 4浮 式 c)全 浮 式 二 、 半 轴 计 算 1 全 浮 式 半 轴 全 浮 式 半 轴 的 计 算 载 荷 可 按 车 轮 附 着 力 矩 M。 计算 （ 438)式 中 ， G2为 驱 动 桥 的 最 大 静 载 荷 ； rr为 车 轮 滚 动 半径 ； m2为 负 荷 转 移 系 数 ； 为 附 着 系 数 ， 计 算 时 i取 0.8。 半 轴 的 扭 转 切 应 力 为 (4-39)式 中 ， 为 半 轴 扭 转 切 应 力 ； d为 半 轴 直 径 。 rrGmM 2221 316dM 半 轴 的 扭 转 角 为 (4-40 )式 中 ， 为 扭 转 角 ； l为 半 轴 长 度 ； G为 材 料 剪 切 弹性 模 量 ； Ip为 半 轴 断 面 极 惯 性 矩 ， Ip= d4 32。 半 轴 的 扭 转 切 应 力 宜 为 500700MPa， 转 角 宜为 每 米 长 度 6 15 。 GI lM180 2 半 浮 式 半 轴 半 浮 式 半 轴 设 计 应 考 虑 如 下 三 种 载 荷 工 况 ： (1)纵 向 力 Fx2最 大 ， 侧 向 力 Fy2为 0,此 时 垂 向 力Fz2=m2G2 2， 纵 向 力 最 大 值Fx2= Fz2 =m2G2 2 ， 计 算 时 ， m2可 取 1 2， 取 0 8。 半 轴 弯 曲 应 力 。 和 扭 转 切 应 力 为 (441) 式 中 ， a为 轮 毂 支 承 轴 承 到 车 轮 中 心 平 面 之 间 的 距离 ， 如 图 4-34所 示 。 32 3 22221632d rF d FFa rx zx 合 成 应 力 (4-42) (2)侧 向 力 Fy2最 大 ， 纵 向 力 Fx2=0， 此 时 意 味 着发 生 侧 滑 ； 外 轮 上 的 垂 直 反 力 Fz20和 内 轮 上 的 垂 直反 力 Fz2i分 别 为 (443)式 中 ， hg为 汽 车 质 心 高 度 ； B2为 轮 距 ； 1为 侧 滑附 着 系 数 ， 计 算 时 1可 取 1 0。 外 轮 上 侧 向 力 F y20和 内 轮 上 侧 向 力 Fy2i分 别 为 (444) 22 4 h 2022 21220 )/5.0( ziz gz FGF BhGF 122 1220 iziy ozy FF FF 内 、 外 车 轮 上 的 总 侧 向 力 Fy2为 G2 1 。 这 样 ， 外 轮 半 轴 的 弯 曲 应 力 o和 内 轮 半 轴 的 弯曲 应 力 i分 别 为 (445) 3 22 3 2020 )(32 )(32 d aFrF d aFrF izriyi zryo (3)汽 车 通 过 不 平 路 面 ， 垂 向 力 Fz2最 大 ， 纵 向 力Fx2=0， 侧 向 力 Fy2=0； 此 时 垂 直 力 最 大 值 Fz2为 ： Fz2=kG2/2 (450)式 中 ， k为 动 载 系 数 ， 轿 车 ： k=1.75， 货 车 ：k=2.0， 越 野 车 ： k=2.50 半 轴 弯 曲 应 力 为 (446) 半 浮 式 半 轴 的 许 用 合 成 应 力 为 600750MPa。 3232 1632 d akGd aFz 3 3 4浮 式 半 轴 3 4浮 式 半 轴 计 算 与 半 浮 式 类 似 ， 只 是 半 轴 的危 险 断 面 不 同 ， 危 险 断 面 位 于 半 轴 与 轮 毂 相 配 表 面的 内 端 。 半 轴 和 半 轴 齿 轮 一 般 采 用 渐 开 线 花 健 连 接 ， 对花 键 应 进 行 挤 压 应 力 和 键 齿 切 应 力 验 算 挤 压 应 力 不大 于 200MPa， 切 应 力 不 大 于 73MPa。 三 、 半 轴 可 靠 性 设 计 在 汽 车 设 计 中 ， 可 靠 性 已 成 为 比 较 重 要 的 技 术指 标 之 一 。 对 于 产 品 设 计 ， 须 考 虑 各 参 量 的 统 计 分散 性 ， 进 行 随 机 不 确 定 分 析 ， 真 实 正 确 地 反 映 产 品的 强 度 与 受 载 等 情 况 。 1 可 靠 度 计 算 对 于 全 浮 式 半 轴 来 说 ， 所 受 的 扭 转 切 应 力 按 下式 计 算 (447) 式 中 ， T为 半 轴 所 传 递 的 转 矩 ； d为 半 轴 的 直 径 。 316dT 根 据 二 阶 矩 技 术 ， 以 应 力 极 限 状 态 表 示 的 状 态 方 程为 (448) 式 中 ， r为 半 轴 材 料 的 扭 转 强 度 ； X为 基 本 随 机 变量 矢 量 ： X=(r， T， d)。 设 基 本 随 机 变 量 矢 量 X的 均 值 E(X)=(r， T, d)T，方 差 D(X)= (r2,0,0,0, r2,0,0,0, d2,0,0,0)T ， 且 认为 这 些 随 机 变 量 是 服 从 正 态 分 布 的 相 互 独 立 的 随 机变 量 。 g(X)是 反 映 半 轴 状 态 和 性 能 的 状 态 函 数 ， 可表 示 半 轴 的 两 种 状 态 ： g(X)0 失 败 状 态 g(X)0 安 全 状 态 316)( dTrXg 将 g(X)在 均 值 E(X)= 处 展 开 成 二 阶 泰 勒 级 数 ，可 得 到 g(X)的 二 阶 近 似 均 值 g和 一 阶 近 似 方 差 g2 (4-49) 不 论 g(X)服 从 什 么 分 布 ， 可 靠 性 指 标 定 义 为 =g / g (450) 可 靠 度 的 一 阶 估 计 量 为 R=() (451)式 中 ， ( )为 标 准 正 态 分 布 函 数 。 X )()()( )()(21)()(2 2 2XDXXgXgD XDX XgXgXgE Tg Tg 2 可 靠 性 设 计 给 定 半 轴 可 靠 度 R， 查 表 得 可 靠 性 指 标 ， 由 式(449)经 推 导 整 理 得 (4-52)式 中 根 据 加 工 误 差 和 3法 则 ， 取 半 轴 直 径 标 准 差 d为 0.005倍 的 半 轴 直 径 均 值 d， 求 解 式 (4 52)即 可求 得 半 轴 的 最 小 直 径 的 均 值 d和 标 准 差 d。 02)( 2236222 BAA drdrr 22 22 22 )005.0(2304256;)005.0(9616 TTTT BA 四 、 半 轴 的 结 构 设 计 对 半 轴 进 行 结 构 设 计 时 ， 应 注 意 如 下 几 点 ； 1)全 浮 式 半 轴 杆 部 直 径 可 按 下 式 初 步 选 取 (4-53)式 中 ， d为 半 轴 杆 部 直 径 (mm)； M 为 半 轴 计 算 转矩 (Nmm)， 按 式 (442)计 算 ； K为 直 径 系 数 ， 取0.2050.218。 根 据 初 选 的 d， 按 前 面 的 应 力 公 式 进 行 强 度 校 核 。 2)半 轴 的 杆 部 直 径 应 小 于 或 等 于 半 轴 花 键 的 底 径 ，以 便 使 半 轴 各 部 分 达 到 基 本 等 强 度 。 3 MKd 3)半 轴 的 破 坏 形 式 大 多 是 扭 转 疲 劳 损 坏 ， 在 结 构 设计 时 应 尽 量 增 大 各 过 渡 部 分 的 圆 角 半 径 ， 尤 其 是 凸缘 与 杆 部 、 花 键 与 杆 部 的 过 渡 部 分 ， 以 减 小 应 力 集中 。 4)对 于 杆 都 较 粗 且 外 端 凸 缘 也 较 大 时 ， 可 采 用 两 端用 花 健 连 接 的 结 构 。 5)设 计 全 浮 式 半 轴 杆 部 的 强 度 储 备 应 低 于 驱 动桥 其 它 传 力 零 件 的 强 度 储 备 ， 使 半 轴 起一 个 “ 熔 丝 ” 的 作 用 。 半 浮 式 半 轴 直 接 安 装 车 轮 ，应 视 为 保 安 件 。 4.4.6 驱 动 桥 壳 设 计 驱 动 桥 壳 的 主 要 功 用 是 支 承 汽 车 质 量 ， 并 承 受 由 车 轮传 来 的 路 面 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 系 部 件 和 防 止 泥 水 浸 入 。 6)拆 装 、 调 整 、 维 修 方 便 。 一 、 驱 动 桥 壳 结 构 方 案 分 析 驱 动 桥 壳 大 致 可 分 为 可 分 式 、 整 体 式 和 组 合 式三 种 形 式 。 1 可 分 式 桥 壳 可 分 式 桥 壳 (图 435)由 一 个 垂 直 接 合 面 分 为 左右 两 部 分 ， 两 部 分 通过 螺 栓 联 接 成 一 体 。每 一 部 分 均 由 一 铸造 壳 体 和 一 个 压 入其 外 端 的 半 轴 套 管组 成 ， 轴 管 与 壳 体用 铆 钉 连 接 。 这 种 桥 壳 结 构 简 单 ， 制 造 工 艺 性 好 ， 主 减 速 器 支承 刚 度 好 。 但 拆 装 、 调 整 、 维 修 很 不 方 便 ， 桥 壳 的强 度 和 刚 度 受 结 构 的 限 制 ， 曾 用 于 轻 型 汽 车 上 ， 现已 较 少 使 用 。 2 整 体 式 桥 壳 整 体 式 桥 壳 (图 4-36)的 特 点 是 整 个 桥 壳 是 一 根 空心 梁 ， 桥 壳 和 主 减 速 器 壳 为 两 体 。 它 具 有 强 度 和 刚度 较 大 ， 主 减 速 器 拆 装 、 调 整 方 便 等 优 点 。 按 制 造 工 艺 不 同 ， 整 体 式 桥 壳 可 分 为 铸 造 式 (图4 36a)、 钢 板 冲 压 焊 接 式 (图 4 36b)和 扩 张 成 形式 三 种 。 图 4-36 整 体 式 桥 壳a)铸 造 式 b)钢 板 冲 压 焊 接 式 铸 造 式 桥 壳 的 强 度 和 刚 度 较 大 ， 但 质 量 大 ， 加 工 面多 ， 制 造 工 艺 复 杂 ， 主 要 用 于 中 、 重 型 货 车 上 。 钢板 冲 压 焊 接 式 和 扩 张 成 形 式 桥 壳 质 量 小 ， 材 料 利 用率 高 ， 制 造 成 本 低 ， 适 于 大 量 生 产 ， 广 泛 应 用 于 轿车 和 中 、 小 型 货 车 及 部 分 重 型 货 车 上 。 3 组 合 式 桥 壳 组 合 式 桥 壳 (图 437)是 将 主 减 速 器 壳 与 部 分 桥壳 铸 为 一 体 ， 而 后 用 无 缝 钢 管 分 别 压 入 壳 体 两 端 ，两 者 间 用 塞 焊 或 销 钉 固 定 。它 的 优 点 是 从 动 齿 轮 轴 承 的 支 承 刚 度 较 好 ， 主 减 速器 的 装 配 、 调 整 比 可 分 式 桥 壳 方 便 ， 然 而 要 求 有 较高 的 加 工 精 度 ， 常 用 于 轿 车 、 轻 型 货 车 中 。 图 4-37 组 合 式 桥 壳 二 、 驱 动 桥 壳 强 度 计 算 对 于 具 有 全 浮 式 半 轴 的 驱 动 桥 ， 强 度 计 算 的 载荷 工 况 与 半 轴 强 度 计 算 的 三 种 载 荷 工 况 相 同 。 图438为 驱 动 桥 壳 受 力 图 ， 桥 壳 危 险 断 面 通 常 在钢 板 弹 簧 座 内 侧 附 近 ， 桥 壳 端 部 的 轮 毂 轴 承 座 根部 也 应 列 为 危 险 断 面 进 行 强 度 验 算 。 (1) 当 牵 引 力 或 制 动 力 最 大 时 ， 桥 壳 钢 板 弹簧 座 处 危 险 断 面 的 弯 曲 应 力 和 扭 转 切 应 力 分 别为 (454) TT hhvvWT WMWM )( 式 中 ， Mv为 地 面 对 车 轮 垂 直 反 力 在 危 险 断 面 引 起的 垂 直 平 面 内 的 弯 矩 ， Mv=m2 G2b 2； b为 轮 胎中 心 平 面 到 板 簧 座 之 间 的 横 向 距 离 ， 如 图 4 41所示 ； Mh为 一 侧 车 轮 上 的 牵 引 力 或 制 动 力 Fx2在 水 平面 内 引 起 的 弯 矩 ， Mh=Fx2 b； TT为 牵 引 或 制 动 时 ，上 述 危 险 断 面 所 受 转 矩 ， TT=Fx2rr； Wv、 Whh、 WT分 别 为 危 险 断 面 垂 直 平 面 和 水 平 面 弯 曲 的 抗 弯 截 面系 数 及 抗 扭 截 面 系 数 。 图 4 38 桥 壳 受 力 简 图 (2)当 侧 向 力 最 大 时 ， 桥 壳 内 、 外 板 簧 座 处 断 面 的弯 曲 应 力 i、 o分 别 为 (455)式 中 ， Fz2i、 Fz2o为 内 、 外 侧 车 轮 地 面 垂 直 反 力 ； ri为 车 轮 滚 动 半 径 ； 1为 侧 滑 时 的 附 着 系 数 。 (3)当 汽 车 通 过 不 平 路 面 时 ， 动 载 系 数 为 k， 危险 断 面 的 弯 曲 应 力 为 (456) 桥 壳 的 许 用 弯 曲 应 力 为 300500MPa， 许 用 扭转 切 应 力 为 150400MPa。 可 锻 铸 铁 桥 壳 取 较 小 值 ，钢 板 冲 压 焊 接 桥 壳 取 较 大 值 。 v rz v rizi W rbF W rbF )( )( 1200 12 vWbkG2 2 4.4.7 驱 动 桥 的 结 构 元 件 一 、 支 承 轴 承 的 预 紧 为 了 提 高 主 减 速 器 锥 齿 轮 的 支 承 刚 度 ， 改 善 齿轮 啮 合 的 平 稳 性 ， 应 对 支 承 锥 齿 轮 的 圆 锥 滚 子 轴 承进 行 预 紧 。 但 是 如 果 预 紧 力 过 大 ， 会 使 轴 承 工 作 条件 变 坏 ， 降 低 传 动 效 率 ， 加 速 轴 承 的 磨 损 ， 还 会 导致 轴 承 过 热 而 损 坏 等 。 通 常 轴 承 预 紧 度 的 大 小 用 轴承 的 摩 擦 力 矩 来 衡 量 。预 紧 后 的 轴 承 摩 擦 力 矩 的 合 理 值 应 根 据 试 验 确 定 。对 于 货 车 ， 主 动 锥 齿 轮 滚 锥 轴 承 的 摩 擦 力 矩 一 般 为1 3N m。 主 动 锥 齿 轮 轴 承 预 紧 力 的 调 整 可 利 用 精 选 两 轴 承 内 圈 之间 的 套 筒 长 度 (图 4 10)、 调 整 垫 片 厚 度 (图 4 16)等 方 法进 行 。 在 使 用 中 采 用 这 些 方 法 不 太 方 便 ， 因 为 若 得 到 合 适的 轴 承 预 紧 度 往 往 需 反 复 调 整 多 次 。 近 年 来 ， 采 用 轴 向 具有 弹 性 的 波 形 套 筒 调 整 轴 承 预 紧 度 的 方 法 空 用 得 较 多 。 波形 套 筒 安 置 在 两 轴 承 内 圈 之 间 (图 4 39a)或 轴 承 与 轴 肩 之间 ， 其 上 有 一 波 纹 区 或 其 它 容 易 产 生 轴 向 变 形 的 部 分 。 该套 筒 的 轴 向 载 荷 与 轴 向 变 形 之 间 具 有 如 图 4 39b所 示 的 特性 。 A点 为 流 动 点 ， 当 轴 承 预 紧 后 ， 波 形 套 选 在 A点 以 后 的塑 性 变 形 区 工 作 ， 由 于 该 区 载 荷 变 形 曲 线 平 坦 ， 因 而 容 易使 轴 承 预 紧 度 保 持 在 规 定 范 围 内 。 但 每 拆 装 一 次 ， 由 于 材料 的 冷 作 硬 化 ， 套 筒 的 一 端 需 要 加 一 薄 垫 片 ， 以 使 波 形 套筒 再 次 在 塑 性 区 工 作 。 波 形 套 用 冷 拔 低 碳 无 缝 钢 管 制 造 。一 个 新 的 波 形 套 拆 装 3-4次 就 会 因 塑 性 太 小 而 报 废 ， 这 是波 形 套 的 主 要 缺 点 。 图 4 39 波 形 套 筒 及 其 特 性 从 动 锥 齿 轮 滚 锥 轴 承 预 紧 力 ， 靠 轴 承 外 侧 的 调 整螺 母 (图 4 16)或 主 减 速 器 壳 与 轴 承 盖 之 间 的 调 整垫 片 (图 4 15)来 调 整 。 二 、 锥 齿 轮 啮 合 调 整 在 轴 承 预 紧 度 调 整 之 后 ， 须 进 行 锥 齿 轮 啮 合 调整 ， 以 保 证 齿 轮 副 啮 合 印 迹 正 常 ， 并 使 齿 轮 大 端 处齿 侧 间 隙 在 适 当 的 范 围 内 (一 般 为 0.1 0.35mm)。主 减 速 器 锥 齿 轮 正 确 的 啮 合 印 迹 位 于 齿 高 中 部 稍 偏小 端 。 当 轮 齿 啮 合 印 迹 不 正 常 或 齿 侧 间 隙 不 适 宜 时 ，可 加 、 减 主 减 速 器 壳 与 轴 承 之 间 的 调 整 垫 片 (图 416)， 在 轴 向 移 动 主 动 锥 齿 轮 ， 对 从 动 锥 齿 轮 轴 承外 两 调 整 螺 母 旋 进 、 旋 出 相 同 的 角 度 ， 或 将 主 减 速器 壳 一 侧 的 垫 片 (图 4 16)的 一 部 分 取 出 放 到 另 一侧 ， 以 便 移 动 从 动 锥 齿 轮 ， 从 而 实 现 对 锥 齿 轮 的 啮合 调 整 。 三 . 润 滑 对 于 螺 旋 锥 齿 轮 主 减 速 器 ， 可 加 注 一 般 的 齿 轮油 ， 但 对 于 双 曲 面 齿 轮 主 减 速 器 ， 则 必 须 加 注 双 曲面 齿 轮 油 。 加 油 孔 应 设 在 加 油 方 便 之 处 ， 放 油 孔 应设 在 桥 壳 最 低 处 。 为 了 防 止 因 主 减 速 器 和 桥 壳 中 部温 度 高 使 壳 内 气 压 增 大 而 引 起 漏 油 ， 需 装 通 气 塞 。 差 速 器 壳 上 应 开 孔 使 润 滑 油 能 进 入 ， 以 保 证 差速 齿 轮 和 滑 动 表 面 的 润 滑 。 主 动 锥 齿 轮 上 的 后 轴 承 距 从 动 锥 齿 轮 较 远 ， 无 法 采 用飞 溅 润 滑 。 为 此 ， 常 在 主 减 速 器 壳 上 设 置 油 道 ， 齿 轮 飞 溅出 来 的 油 进 入 油 杯 状 的 油 口 ， 经 油 道 流 到 后 轴 承 处 。 主 动锥 齿 轮 轴 的 后 轴 承 滚 锥 大 端 向 外 ， 有 向 外 泵 油 的 作 用 ， 因而 在 该 轴 承 外 侧 要 有 回 油 道 口 ， 使 油 能 流 回 桥 壳 ， 以 保 护油 封 不 被 破 坏 。