汽车前驱动桥的结构设计_本科学生毕业论文设计

( 此文档为 word 格式，下载后您可任意编辑修改！)本科学生毕业设计汽车前驱动桥的结构设计系部名称 ：汽车与交通工程学院专业班级 ：车辆工程 XX 班黑龙江工程学院The Graduation Design for Bachelor's DegreeThe Structural Design of The CarFront Drive AxleCandidate ：XXXSpecialty： Vehicle EngineeringClass： XXSupervisor： Experimentalist XXHeilongjiang Institute of Technology2013-06 Harbin·摘要随着现代车型的发展，普通汽车已经逐渐走进每个人的生活中。车桥设计是汽车设计中重要的环节之一，国产驱动桥在国内市场占据了绝大部分份额，但仍有一定数量的车桥依赖进口，国产车桥与国际先进水平仍有一定差距。本次设计首先通过查阅近几年来有关国内外前驱动桥设计的文献资料，综合所学专业知识，了解并掌握了汽车前驱动桥结构及工作原理，根据所给的汽车参数制定了相应的设计方案。然后通过查阅相关标准、 手册资料，确定了驱动桥的主要零部件的主要设计参数，完成转向器、万向节、主减速器、差速器、半轴及桥壳的结构和尺寸设计计算，并进行相应校核，再根据所计算选取的参数画出了转向驱动桥的整体装配图、差速器装配图以及部分零件图。关键词： 前驱动；转向驱动桥；主减速器；差速器；半轴；桥壳ABSTRACTAs the development of the auto industry, car is one of the important parts of automotive design, domestic drive axle in the domestic market accounted for the lion's share, but there is still a certain number of axles dependent on imports, there is still a certain gap between domestic axle and the international advanced level.Firstly, this design is lookup of the domestic and international front drive axle design documents in recent years, integrated the knowledge of our expertise we programs.Then refered to the relevant standard, manual data to determine the main design parameters of the main components of the drive axle, completed the structure and size of the steering, universal joints, main gear box, differential, axle and axlereducer；Differential； Axle； Axle 轴承的计算转速：2.66vamnrr=2.66500.36215=367.25 rminrr 轮胎的滚动半径vam 汽车的平均行驶速度，km 行星齿轮数； 2l 为行星齿轮支承面中点到锥顶的距高，mm； l0.5d 2' ， d2' 是半轴齿轮的齿面宽中点的直径，而d2'0.8d2 ；c 支承面的许用挤压应力，取为98MPa 。行星齿轮安装孔的深度L 就是行星齿轮在其轴上的支承长度。通常取L1.1 1.1 21.444 23.589 mm5表 4.1 差速器齿轮的几何参数的计算序号项目计算公式结果1 行星齿轮齿数2 半轴齿轮齿数3模数4齿面宽5齿工作高6齿全高7压力角8轴交角9节圆直径10节锥角z110, 应尽量取小值z2=1425, 且需满足式 (4-14)mF=(0.250.30)A 0 ; F10m+0.051一般汽车 :a= 22o30 '90 od1=mz 1;d2=mz2z1； 2z1 arctanarctan 2z2;z1或 2 =90o- 111204.10126.567.381822° 3090 o45.1； 8228.81o ；61.19 oA o=d1d211节锥距12周节13齿顶高14齿根高15径向间隙16齿根角17面锥角18根锥角2 sin 12sin2t=3.1416mh1'hg h2' ; h2'0.4300.3702mz2z1h1''1.788mh1' ; h2"1.788mh2'chhg0.188m0.0511arctan h1"2arctan h2"AoAo0112 ;0221R112;R22246.79312.8814.3381；2.22192.9927；5.10890.82183.6594°；o6.230935.0409° ；64.8494°22.5791 °；57.5306°d01d12h1' cos 1;52.7023；19外圆直径d02d22h2' cos 284.141501d 2h1' sin 1;20节锥顶点至齿轮外238.9094；缘距离02d1h2' sin 243.90212s1 t S2 ;21理论弧齿厚S2t''12.3614；2(h1h2 ) tan a m22齿侧间隙BSS1S13B; S6d12223弦齿厚124h 1h1'S12 cos 1 ; h弦齿高4d1220.51960.136S23B12.1386；S226d220.451625.0803；h2'S2 cos24d22.22234.2 差速器齿轮与强度计算汽车差速器齿轮的弯曲应力为：w2 103 T K sK m(4-8)Kvm n JFd2按计算转矩进行计算时：2103 T K sK m 749.4MPawKv m n JFd22103975.60.63351.114.120.2251282749.4MPa式中：T 差速器一个行星齿轮给予一个半轴齿轮的转矩，N·m； T0.6Tj / n=975.6n 差速器行星齿轮数目； 2J 计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数，见参考文献3图 4-11 查得为0.225按日常行驶平均转矩计算所得的汽车差速器齿轮的弯曲应力，应不大于210.9MPa；按计算转矩进行计算时，弯曲应力应不大于980 MPa 。从上可知设计的齿轮符合要求。4.3 锥形摩擦盘的设计为了充分利用个汽车的牵引力，保证转矩在驱动车轮件的不等分配以提高抗滑能力，创造出了各种类型的自锁式差速器。用以评定自锁式差速器性能的主要参数是它的锁紧系数。为了提高汽车的通过性，似乎是锁紧系数愈大愈好，但是过大的锁紧系数不但对汽车转向操纵的轻便灵活性、形式的稳定性、 传动系的载荷、 轮胎磨损和燃料消耗等， 有不同程度的不良影响，而且无助于进一步提升驱动车辆的抗滑能力。因此在设计高通过性汽车时，应正确选择锁紧数值。在本论文中选择锥形摩擦盘式自锁差速器，其锁紧系数约为2.5 左右。如下图所示：1差速器左壳；2半轴齿轮；3行星齿轮；4行星齿轮轴；5 V 形斜面；6差速器右壳；7锥形摩擦盘图 4.3 带摩擦片 (盘 )的圆锥齿轮防滑差速器差速器此种差速器相对于自由轮式差速器，工作更加平滑无声， 而且结构相对比较简单。尤其是与普通圆锥行星齿轮差速器的通用性好，变形方便，适用于轿车、载货汽车机越野汽车等各种车辆，是一种值得推荐采用的结构。图 4.4 给出了摩擦片式圆锥齿轮差速器的动力传递路线。当汽车直行、两半轴无转速差时，传给差速器壳的转矩在左、右半轴之间平均分配。此时转矩经两条路线传给半轴。当汽车转弯或某一侧驱动车轮滑转时，左、右驱动车轮产生转速差。此时差速器壳的转速n0。与左、右半轴齿轮的转速n2,n1 都各不相等，如图 4.4( b )所示，当 n1>n2 时 ,则有 n1>n2>n3 的转速关系。 由于转速差的存在和主、从动摩擦片及推力盘被压紧，这时在左、右两侧的主、从动摩擦片、推力盘及差速器壳之间必将分别产生摩擦力矩。其大小与这些摩擦元件间的摩擦系数及压紧力的大小有关 ;而摩擦力矩的方向则与， n1 与 n0 或 n2 与 n0 之间的相对转速有关。 不难看出 :快转轮一侧的摩擦力矩方向与快转轮的旋转方向相反，故其值为负 ;而慢转轮一侧的摩擦力矩方向与慢转轮的旋转方向相同，故其值为正。这种情况犹如将部分驱动力矩由快转轮转移到慢转轮似的，使慢转轮的驱动力矩大于快转轮的驱动力矩。这样也就提高了汽车的防滑能力。图 4.3 摩擦片式圆锥齿轮差速器的动力传递间图(a)无转速差即 n1=n2(b)有转速差，当 n1>n2 时1从动齿轮； 2主动齿轮； 3摩擦片； 4差速器壳； 5右半轴；6行星齿轮； 7半轴齿轮； 8 一左半轴锥形摩擦片式圆锥行星齿轮差速器的动力传输与摩擦片式差速器类似，对其载荷进行分析如下：当汽车直行时，左右车轮转速相同，作用在差速器壳上的转矩T0 为：T0TgT 'fT '' f式中： Tg由差速器壳经行星齿轮轴、半轴齿轮传到两个半轴的转矩；T 'f 由行星齿轮背部的圆柱台肩与左、右锥形摩擦盘端面之间的摩擦力所形成的摩擦力矩 T ' f 1 、 T ' f 2 之和，它们分别经过左、右锥形摩擦盘传到相应的半轴上；T ''f 由差速器壳与左、右锥形摩擦盘的锥面之间的摩擦力所形成的摩擦力矩 T '' f 1 、 T '' f 2 之和，它们分别经过左、右锥形摩擦盘传到相应的半轴上。这时，由于左、右半轴之间无转速差， 故传到左、右半轴上的摩擦力矩T ' f 1 、T 'f 2 、T ''f 1 及 T ''f 2 为正值，而经过差速器齿轮传给两半轴之转矩Tg。应小于差速器壳上的转矩 T0。当汽车直线行驶且左、右驱动车轮与路面的附着情况相同时，经过左、右半轴传递的转矩相等，其值为：T0T1T22而且只要两车轮的驱动力不超过其附着极限，上式总是成立的。一旦驱动力达到并开始滑转。当左、右半轴转速不等时，差速器的锁紧系数为3:T2rR tansinfrm r sinfr(rR tantansin2 )KrR tansinfrm r sinfr(rR tantansin(4-9)T12 )式中： R差速器壳 V 形面中点到半轴齿轮中心线的距离；rm 、 r 、 r 见图 4.2，分别取为 42、33、 38，单位 mm； V 形面的半角，取 45 ；差速器圆锥齿轮的啮合角，60 ；2 半轴齿轮的节锥角，60 ；锥形摩擦盘锥面的半锥角，120 ；f摩擦系数。得K 3。4.4 本章总结本章主要介绍设计了差速器的基本参数，并且选择出了本次差速器设计的主要参数，最后根据选出的参数，我们进行了差速器齿轮的强度校核，证明我们所选差速器的尺寸是符合本次驱动桥设计的要求。第 5 章 半轴设计与万向节选择半轴是在差速器与驱动轮之间传递动力的实心轴。其内端与差速器的半轴齿轮(bevel side gear)连接，外端则与驱动轮的轮毂相连。半轴与驱动轮的轮毂在驱动桥壳上的支称形式，决定了半轴的受力情况。5.1 半轴的型式半轴的型式主要取决于半轴的支承型式。普通非断开式驱动桥的半轴，根据其外端的支承型式或受力状况的不同而分为半浮式、 34 浮式和全浮式三种形式。 此次课题设计采用的是选用全浮式。 135.2 半轴尺寸选取半轴的主要尺寸是它的直径，在设计时可根据对使用条件和载荷工况相同或相近的同类汽车同型式的半轴的分析比较，大致选定从整个驱动桥的布局来看比较合适的半轴半径，然后对它进行强度计算。 11.全浮式半轴计算载荷的确定:T X 2 r rrm 'G2 / 2(5-1)1.4155820.8m22076.05 N式中：m' 汽车加减速时质量转移系数， 对于前驱动桥可取m' =1.41.7，在此选择 1.4；G2 满载静止汽车的驱动桥对水平地面的载荷，N； 轮胎对地面的附着系数，取0.8 ；计算得： T=2076.05 N ·m2.全浮式半轴杆部直径的初选和确定：d3T 103(2.05 2.18)3 T(5-2)0.196 2.05 2.18 32076.05 26.15 27.81mm式子中：d 半轴杆部直径T 半轴计算载荷 半轴扭转许用应力所以取半轴杆部直径为d28mm5.3 半轴的强度验算1.全浮式半轴扭转应力：Td 3(5-3)162076.6481.88MPa490 588MPa28316式子中： 半轴的扭转应力T 半轴计算载荷 T=2076.06 N m·D 半轴杆部直径d28mm 半轴扭转许用应力2.半轴花键的剪切应力 2:T103s(5-4)DBd A zLpb42076.06 10349.72MPa3226106460.754式子中：T半轴承受的最大转矩，T=2076.06 N m·；D B 半轴花键的外径，DB =32mm；d A 相配合花键孔的内径，d A =26mm；z 花键齿数， z =10；L p 花键的工作长度，L p =64mm ；b 花键的齿宽， b =6mm； 载荷分布不均匀系数，=0.75。3.半轴花键的挤压应力：cT103DBd ADB d A(5-5)42zLp2076.06 10399.44MPa3226322610640.7542当传递最大转矩时，半轴花键的剪切应力不应超过71.05Mpa ，半轴花键的挤压应力不应超过 196Mpa 。通过计算说明半轴强度足够了。在通常的设计中常使半轴的强度储备低于驱动桥其他传递转矩零件的强度储备，使半轴起类似电路中的“保险丝 ”的作用。5.4 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。在本次设计中我们选择的是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HB388 444(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 HRC52 63，硬化层深约为其半径的 13，心部硬度可定为 HRC30 35；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。 135.5 万向节结构选择对于转向驱动桥，在其驱动车轮的传动装置中必须采用万向节传动，以便使转向车轮能够转向。选择万向节时应考虑一下使用要求：（1） 能够在足够的角度范围内可靠地传递动力；（2） 能钩在大的转速变化内使连接的两轴均匀地转动，由于轴间交角产生的附加载荷应在允许范围内；（3） 能够补偿由它所连接的两零件之间在运动时引起的长度变化；（4） 传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便。在转向驱动桥上，常常在通往左右转向车轮的传动装置中和靠近车轮处，各安装一个等速万向节。固定型球笼式万向节（RF节图 5-1 ）和伸缩型球笼式万向节（VL节图 5-2 ）广泛应用于采用独立悬架的轿车转向驱动桥，如红旗、桑塔纳、捷达、宝来、奥迪等轿车的前桥。 其中 RF节用于靠近车轮处， VL 节用于靠近驱动桥处 （如图 5-3 ）。因此在本设计中也采用这两种万向节。图 5-1固定型球笼式万向节图 5-2伸缩型球笼式万向节图 5-3 RF 节与 VL节在转向驱动桥中的布置5.6 万向节尺寸计算球笼式等速万向节的失效形式主要是钢球与接触道表面的疲劳点蚀，在特殊情况下，因热处理不当、润滑剂不良或温度过高等也会因磨损而损坏。由于星形套滚道接触点的纵向曲率半径小于外半轴滚道的纵向曲率半径，所以前者上的接触椭圆比后者上的要小，即前者的接触应力大于后者， 因此控制钢球与星形套滚道表面的接触应力，并以此来确定万向节的承载能力。对于Birfield 型球笼式万向节，以与星形套连接轴的直径 ds 作为万向节的基本尺寸。即3Ts1 F(5-1)ds87.23 3.252 1061.587.225.1mm式中：T1 装在转向驱动桥和摆动半轴驱动桥的万向节所传递的最大扭矩N·m，T1minTje ,Tjs3252N·m=3.252 106· ；N mms使用因素。对于无振动的理想传动取，有轻微振动的取1.5有中等F1.01.2振动的取 1.7 2.0，振动十分严重的取 2.7 3.6。这里取 sF1.5 。计算 ds38.2mm，这里取 ds38.1mm。通过查表得到万向节的其他系列数据3。表 5.1 Birfield 等角速万向节的参数名义尺寸125mm与星形套连接的轴颈直径ds38.1mm钢球直径28.575mm星最大直径46.1045.97mm形最小直径41.2841.15mm套槽距10.521mm花键齿数18球形壳外径137mm5.7 万向节的材料及热处理在传递转矩时，钢球与滚道间产生较大的接触应力，因此对材料要求较高。球形壳和星形套采用15NiMo 低碳合金钢制造，并经渗碳、淬火、回火处理；钢球则选用轴承用钢球，材料为15Cr。5.8 本章总结首先本章主要介绍了半轴的型式有半浮式、34 浮式和全浮式三种， 而本次设计中采用的是全浮式设计，然后根据半轴的载荷要求，我们确定了半轴的尺寸并且进行了半轴的强度校核，证明选择的半轴尺寸是满足强度要求的，最后介绍了半轴的结构设计以及材料和热处理方式，选择半轴的材料为40Cr ，热处理方式为调质处理。最后介绍了固定型球笼式万向节和伸缩型球笼式万向节结构及其原理，计算了万向节的许用直径，确定了角减速器的参数。根据汽车运转中万向节的需要选择了万向节的热处理方式及材料。第 6 章 驱动桥壳设计6.1 驱动桥壳的选择整体式桥壳是把整个桥壳制成一个整体，桥壳犹如一整体的空心梁，其刚度和强度都比较好。桥壳将车体上的重力传到车轮并将作用在车轮上的牵引力，制动力，侧向力传给悬架和车架。其内部用来安装主减速器、差速器和半轴等。桥壳的作用就是直接承受汽车后部的负荷。当汽车直线行驶时，桥壳承受垂直和水平负荷，当汽车制动时，桥壳承受垂直和水平负荷及由制动力产生的扭转力矩，而汽车侧向滑移时，后桥壳承受垂直和侧向负荷。由此可知，后桥壳在实际使用中的工况是比较复杂的。因此在设计驱动桥壳时，应使其具有足够的强度，疲劳寿命及刚度，以确保减速器总成的正常运转 3。驱动桥壳应满足以下要求2：保护装于其上的传动系部件和防止泥水侵入，具有足够的强度和使用寿命，质量小；具有高的刚度，以保证主减速器齿轮的啮合的正常工作和不使半轴产生附加弯曲应力；保证足够的离地间隙；结构工艺性好，成本底，拆装、保养、维修方便。整体式桥壳因制造方法不同，可分为整体铸造式、中段铸造压入钢管式和钢板冲压焊接式等。本设计选用整体铸造式桥壳，它具有如下优点：可制造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，其刚度和强度都比较好，工作可靠。6.2 本章小结本章主要介绍了驱动桥壳的的作用和设计中需要足够的强度，疲劳寿命及刚度，并且选出了本驱动桥桥壳的制造方法为整体铸造式。结 论随着现代车型的多样化、个性化的需求与发展，越野车以其优越的克服恶劣环境的能力吸引着大众的视线。而车桥设计是汽车设计中重要的环节之一，本次课程设计就是根据已知的汽车参数计算设计汽车的前转向驱动桥。本次设计主要是查阅近几年来有关国内外前驱动桥设计的文献资料，通过综合运用汽车构造、汽车理论、汽车设计、机械设计、汽车制造工艺学等课程的知识，并查阅相关标准、手册资料，掌握汽车前驱动桥结构及工作原理，设计比较了不同方案，选取了最佳方案进行设计，基于给定的汽车参数确定主要零部件的主要设计参数，完成转向器、万向节和自由轮毂、主减速器、差速器、半轴及桥壳的结构和尺寸设计计算，并进行相应校核。并且根据所计算选取的参数画出了前转向驱动桥的总装配图、差速器的装配图、以及相应半轴、齿轮等的零件图，完成了设计任务书所规定的图纸量。这次设计是对四年所学过的知识的一个复习，包括汽车构造、机械设计、机械制图等等。对汽车驱动桥结构与设计有了深刻的认识， 能够合理选择各总成的结构类型，制定设计方案，正确地分析、计算、校核，并考虑制造工艺、经济、使用、维修等问题，培养未来工作的综合能力，但是在设计过程仍有许多不足，在设计结构尺寸时，有些设计参数是按照以往经验值得出，这样就带来了一定的误差。另外，在一些小的方面，由于时间问题，做得还不够仔细，恳请各位老师同学给予批评指正。参考文献1 刘惟信 . 汽车设计 M. 北京 :清华大学出版社， 2004.2 刘惟信 .汽车车桥设计 M. 北京 :清华大学出版社， 2001 .3 郑文达主编 . 汽车构造 M 北京 : 机械工业出版社， 2002.4 陈家瑞主编 .汽车构造 (下) M 北京 :人民交通出版社 .2000.5 汽车工程手册编辑委员会 .汽车工程手册 M. 北京：人民交通出版社 .2001.6 李秀珍 .机械设计基础 (第 3 版) M 北京：机械工业出版社， 2003.7 吉林工业大学汽车教研室编 .汽车设计 M. 北京：机械工业出版社， 1981.8 机械设计手册委员会编 .机械设计手册第 3 卷 M. 北京：机械工业出版社， 2004.9 机械设计手册委员会编 . 机械设计手册第 2 卷M. 北京：机械工业出版社， 2004.10 刘鸿文 .材料力学 (第三版 ) M 北京：高等教育出版社， 1993.11 杨恩霞 . 机械设计 .哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社， 2006。12邹书洋 . 驱动桥总体方案自动生成系统研究J，南京理工大学， 2007.13刘柯军，高淑兰 , 汽车半轴失效分析 J，汽车工艺与材料， 2004.07. 14Yu Jianfei. 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