驱动桥桥壳设计

精选优质文档-倾情为你奉上目 录摘要Abstract1 绪论12 桥壳设计12.1 桥壳的设计要求22.2 桥壳的结构型式22.3 桥壳的三维参数化设计22.4 桥壳强度计算32.4.1 桥壳的静弯曲应力计算32.4.2 在不平路面冲击载荷作用下桥壳的强度计算52.4.3 汽车以最大牵引力行驶时桥壳的强度计算52.4.4 汽车紧急制动时桥壳的强度计算72.4.5 汽车受最大侧向力时桥壳的强度计算93 半轴的设计143.1 半轴形式143.2 三维建模143.3 实心半轴强度校核计算：143.3.1 半轴材料的性能指标：143.3.2 断面B-B处的强度计算：143.3.3 断面B-B处的强度计算 (四档时)163.3.4 断面C-C处强度计算173.4 空心半轴强度校核173.4.1 断面B-B处的强度校核173.4.2 断面B-B处的强度计算 (四档时)183.4.3 断面C-C处的强度计算18结论19参考文献致谢微型汽车后驱动桥半轴和桥壳设计1 绪论驱动桥壳是汽车的主要部件之一，它既是传动系的主要组件，又是行驶系的主要组件。在传动系中驱动桥壳主要作用是支承并保护主减速器，差速器和半轴等；在行驶系中，驱动桥壳的主要作用是使左右驱动车轮的轴向相对位置固定，与从动桥一起支承车架及其上的各总成质量，同时，在汽车行驶时，承受有车轮传来的路面反作用力和力矩，并经悬架传给车架。因此，驱动桥壳应有足够的强度和刚度，质量小，以便主减速器的拆装和调整。半轴是差速器与驱动轮之间传递动力的实心轴，其首要任务是传递扭矩。本桥采用非断开式驱动桥，普通非断开式驱动桥由于其结构简单、造价低廉、工作可靠，最广泛地用在各种汽车上。采用钢板冲压-焊接的整体式桥壳可显着地减轻驱动桥的质量。采用半浮式半轴，它具有结构简单、质量小、尺寸紧凑、造价低廉等优点，质量较小、使用条件较好、承载负荷也不大。本设计过程中采用UG软件进行三维参数化设计。UG致力于CAD/CAM/CAE一体化即从概念设计到制造到工程分析的整个产品开发过程。通过应用主模型方法，使得从设计到制造的所有应用相关联。通过使用主模型，支持扩展企业范围的并行协作，可进行无图加工。考虑到目前实际设计要求，利用UG3D-2D转换功能将其输出为Auto CAD格式文件，并在Auto CAD环境下进行修改编辑。本文拟通过桥壳和半轴强度校核计算的设计方法，实现UG三维模型到二维图纸转化的目标。2 桥壳设计2.1 桥壳的设计要求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，尽量减少质量以提高行驶平顺性。(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侵入。(6)拆装、调整和维修方便1。2.2 桥壳的结构型式驱动桥壳大致可分为可分式，整体式和组合式三种形式。本桥采用整体式桥壳，它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，钢板冲压焊接式和扩张成形式三种。迄今为止，国内微型车驱动桥壳一直采用钢板冲压焊接式驱动桥壳。它具有很多优点：（1）冲焊桥壳自重轻，材料利用率高。据国外统计，冲焊桥壳比铸钢桥壳的自重减小37%左右，其单轴负荷也大为增加，达169125%。（2）质量高，尤其是疲劳强度。电子束焊接的钢板冲压桥壳疲劳值达150200万次；采用CO2 气体保护焊焊接钢板冲压桥壳的疲劳值也可达100万次左右，均超过JB380484规定桥壳疲劳值不低于80万次的要求，从而使用更安全可靠。（3）成本低，生产率高，易实现大批量机械化生产。据国外资料介绍，批量生产16000根以上，成本可降低3050。冲焊桥壳工艺性好，便于实现机械化，自动化生产，也利于多品种专业化生产。因此，国外大中小型车桥基本上都采用冲焊桥壳，铸造桥壳极少。在汽车行驶过程中，桥壳承受繁重的负荷，设计时必须考虑在动载荷下桥壳有足够的强度和刚度。为了减小汽车的簧下质量以利于降低动载荷、提高汽车的行驶平顺性，在保证强度和刚度的前提下应力求减小桥壳的质量。桥壳还应结构简单、制造方便以利于降低成本。其结构还应保证主减速器的拆装、调整、维修和保养方便。在选择桥壳的结构型式时，还应考虑汽车的类型、使用要求、制造条件、材料供应等。桥壳是为驱动各种零部件提供定位连接和支承包容的基础件。桥壳焊接总成的成本，约占驱动桥总成的1/51/6。因此桥壳的合理设计和经济制造，对确保驱动桥性能和降低生产成本，具有十分重要的意义1。2.3 桥壳的三维参数化设计在UG三维环境下，运用草图、拉伸、旋转、镜像、布尔运算等功能建立了桥壳的三维参数化模型，如图2-1所示。图2-1 微型车桥结构示意图该桥壳结构主要由中间琵琶包、两侧轴管、两端轴头和一些焊接件（如加强环、后盖、板簧座、减振器支架、缓冲垫和油管支架）等组成，轴管占整个桥壳长度一半以上，琵琶包是桥壳形成最复杂部分。除去焊上的加强环和后盖外，桥壳本体（即焊前桥壳）中间的上下两部分的材料配置，相当于轴管部分沿轴向一分为二。上下半体，桥壳凸缘，后盖，半轴套管，内衬套，板簧支座的轴头等零件焊接而成，属冲压焊接式桥壳，是分开式结构，上下半体采用厚3mm的20钢板，半轴套管采用无缝钢管，桥壳凸缘采用厚7mm钢板制成。其主要制造工艺：首先组焊上下半体，机加工（车两端，车中间直径145mm孔），其次焊桥壳凸缘及后盖。然后将半轴套管扩孔后车端面，倒角后加内衬套与上述组件焊合2。2.4 桥壳强度计算驱动桥的桥壳是汽车上的主要承载构件之一，其形状复杂，汽车的行驶条件又多变，因此要精计算汽车行驶时桥壳上各处的应力大小较困难。在通常的情况下，在设计桥壳时多采用常规设计方法，这时将桥壳看成是一简支梁并校核某些特定断面的最大应力值。例如日本有的公司对驱动桥壳的设计要求是在2.5倍满载时轴负荷的作用下，各断面（弹簧座处、桥壳与半轴套管焊接处、轮毂内轴承根部圆角处）的应力不应超过屈服极限3。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，只要在这三种载荷计算工况下桥壳的强度的到保证，就认为该桥壳在汽车的各种行驶条件下是可靠的。在上述三种载荷工况下桥壳的受力分析前，需对汽车在满载静止于水平路段时桥壳的最简单的受力情况进行分析4。2.4.1 桥壳的静弯曲应力计算桥壳静弯曲应力计算简图如图2-2所示。桥壳可视为一空心横梁，两端经轮毂轴承支承于车轮上，在钢板弹簧座处桥壳承受簧上载荷，而沿两侧轮胎中心线，地面给轮胎以反力/2（双胎时则沿双胎之中线），桥壳则承受此力与车轮重力之差值，即（ ）。因此桥壳按静载荷计算时，在其两钢板弹簧之间的弯矩为：=（ ） (N) （2-1）式中 汽车满载静止于水平路面时的驱动桥给地面的载荷，7650N；车轮（包括轮毂,制动器等）的重力，N； 驱动车轮轮距，1.2m；驱动桥壳上两钢板弹簧座中心间的距离，0.8m。 图2-2 桥壳静弯曲应力的计算简图由弯矩图可见，桥壳的危险断面通常在钢板弹簧座附近。由于大大地小于G2/2 ，且设计时不宜准确预计，当无数据时可以忽略去5。因此由式（2-1） =765（N）而静弯曲应力则为 （MPa） （2-2）式中 危险断面处（钢板弹簧座附近）桥壳的垂向弯曲截面系数（见表2-1） 见式（2-1）表2-1 桥壳垂向弯曲截面系数断面形状垂向及水平弯曲截面系数Wv Wh扭转截面系数WtDd其中半轴套管管径=60.5mm ，=52.5mm因此 =9.41=4.71=84.61（MPa）2.4.2 在不平路面冲击载荷作用下桥壳的强度计算当汽车高速行驶于不平路面上时，桥壳除承受在静载状态下的那部分载荷外，还承受附加的冲击载荷。这时桥壳在动载荷下的弯曲应力为（MPa） （2-3）式中 动载荷系数，对轿车，客车取1.75； 桥壳在静载荷下的弯曲应力，MPa，见式（2-2）。因此由式（2-3） =1.7584.61=148.07（MPa）6 72.4.3 汽车以最大牵引力行驶时桥壳的强度计算这时不考虑侧向力。图2-3为汽车以最大牵引力行驶时桥壳的受力分析简图。此时作用在左右驱动车轮上除有垂向应力外，尚有切向应力。地面对左右驱动车轮的最大切向反力共为 P= （2-4）式中 发动机最大转矩,72 N； 传动系的最低档传动比3.65； 传动系的传动效率0.95； 轮胎的滚动半径，0.27m。故P=726.89 （N） 图2-3 汽车以最大牵引力行驶时桥壳的受力分析简图后驱动桥壳在两钢板弹簧座之间的垂向弯矩Mv（N）为 =（） （2-5）式中 ， ， 见式下(2-1)的说明； 汽车加速行驶时的质量转移系数，对微型载货汽车后驱动桥取1.21.4所以由式（2-5）=（）=1.4=1071（N） 由于驱动车轮的最大切向反力Pmax使桥壳也承受水平方向的弯矩，对于装用普通圆锥齿轮差速器的驱动桥，在两弹簧座之间桥壳所受的水平方向的弯矩 = =76.29(2-6) 桥壳还承受因驱动桥传递驱动转矩而引起的反作用力矩。这时在两板弹簧座间桥壳承受的转矩T（N）为=249.66 （N） （2-7）式中 同式(2-4) 当桥壳在钢板弹簧座附近的危险截面为圆管断面时，则在该断面处的合成弯矩M为 =1078 （2-8）该危险断面处的合成应力为 = =114.56 （MPa） （2-9）式中W危险断面处的弯曲截面系数，见表2-1。桥壳在钢板弹簧座附近的危险断面处的弯曲应力 和扭转应力 分别为 =122 （MPa） （2-10）=53 （MPa）式中 分别为桥壳在两板弹簧座之间的垂向弯矩和水平弯矩，见式(2-5)及式(2-6)； 分别为桥壳在危险截面处的垂向弯曲截面系数、水平弯曲截面系数和弯曲截面系数，见表2-1。桥壳的许用弯曲应力为300500Mpa,许用扭转应力为150400Mpa，可铸锻铁桥壳取较小值，钢板冲压焊接桥壳取最大值。 计算结果弯曲应力和扭转应力均小于许用值，满足强度要求，故安全8。2.4.4 汽车紧急制动时桥壳的强度计算 这时不考虑侧向力。图2-4为汽车紧急制动时桥壳的受力分析简图。此时作用在左右驱动车轮上除有垂向应力外，尚有切向反力，即地面对驱动车轮的制动力。因此可求得：紧急制动时桥壳在两钢板弹簧座之间的垂向弯矩及水平方向的弯矩分别为 （2-11） （2-12）式中 同式(2-1)汽车制动时的质量转移系数；=（1+）； =（1-）上式中的=用于前驱动轮，= 用于后驱动轮。当未知时，对载货汽车的后驱动桥亦可取=0.750.95，取0.9；汽车的质心高度，m；汽车质心离前轴中心的距离，m；驱动车轮与路面的附着系数，计算时取 0.8。图2-4 汽车紧急制动时桥壳的受力分析简图所以 =688.5 （N） =550.8（N）桥壳在两钢板弹簧座的外侧部分同时还承受制动力所引起的转矩 = （2-13） =732.56（） 所以合成应力为 = =147.3 （MPa） （2-9）在该断面处的弯曲应力 和扭转应力 分别为 = （2-10）=经计算=131.7MPa，=155.5MPa，满足强度要求，故安全9。2.4.5 汽车受最大侧向力时桥壳的强度计算当汽车满载、高速急转弯时，则会产生一相当大的且作用于汽车质心处的离心力。汽车也会由于其他原因而承受侧向力。当汽车所承受的侧向力达到地面给轮胎的侧向反作用力的最大值即侧向附着力时，则汽车处于侧滑的临界状态，此时没有纵向力作用。侧向力一旦超过侧向附着力，汽车则侧滑。因此汽车驱动桥的侧滑条件是 （2-14）式中驱动桥所承受的侧向力；地面给左、右驱动轮的侧向反作用力； 汽车满载静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷；轮胎与地面的侧向附着系数，计算时取1.0。故 =76501.0=7650（N） 即7650N由于汽车产生纯粹的侧滑，因此计算时可以认为地面给轮胎的切向反作用力（例如驱动力、制动力）为零。图2-5为汽车向右侧滑时的受力简图。根据该图可求出驱动桥侧滑时左右驱动车轮的支承反力为 图2-5 汽车向右侧滑时驱动桥的受力简图 （2-15） =7650=11475（N）式中 左右轴驱动车轮的支承反力，N；汽车满载时的质心高度，1.2m；同式（2-14）；驱动车轮的轮矩,1.2m；由上式可知，当时，即驱动桥的全部荷重由侧滑方向一侧的驱动车轮承担，这种极端情况对驱动桥的强度极为不利，因此为避免这种情况产生，应尽量降低汽车的质心高度。图2-6为汽车驱动桥上面的车厢受力平衡图，根据该图可以求出汽车侧滑时钢板弹簧对桥壳的垂向作用力及水平作用力。图2-6 汽车向右侧滑时驱动桥上面的车厢受力平衡图钢板弹簧对驱动桥壳的垂向作用力（N）为 （2-16）式中 汽车满载时车厢通过钢板弹簧作用在驱动桥上的垂向总载荷，N； 板簧座上表面离地面高度，m； 见式（2-15）下的说明； 两板簧座中心间的距离，m10。对于半轴为全浮式的驱动桥，在桥壳两端的半轴套管上，各装着一对轮毂轴承，它们布置在车轮垂向反作用力的作用线的两侧,通常内轴承比外轴承离车轮中心线更近。侧滑时内外轮毂轴承对轮毂的径向支承力S1，S2如图2-7所示，可根据一个车轮的受力平衡求出。 图2-7 汽车向右侧滑时轮毂的径向支承力分析用图（a）轮毂轴承的受力分析用图；（b）桥壳的受力分析用图汽车向右侧滑时左右车轮轮毂内外轴承的径向支承力分别为： （2-17） （2-18）+ （2-19） = （2-20）式中 轮胎的滚动半径；， 见图2-7。其中 =40mm =70mm （2-21） （2-22）将式（2-15），式（2-21），（2-22）求得的值代入式（2-17）（2-20），即可求出轴承对轮毂的径向支承力，这样也就求出轮毂轴承对半轴套管的径向支承力，（与上述大小相等方向相反）。所以 = （N）根据这些力及桥壳在板簧座处的垂向力，可绘出桥壳在汽车侧滑时的垂向受力弯矩图，如图2-8所示。图2-8 汽车向右侧滑时驱动桥壳所受的垂向力及垂向弯矩(a)当(b)，与侧滑方向相反一侧车轮的支承反力为零时由式（2-17）（2-20）可知，轮毂内外轴承支承中心之间的距离（+）愈大，则由侧滑所引起的轴承径向力愈小。另外如果（+）足够大，也会增加车轮的支承刚度。否则，如果将两轴承的距离缩至使两轴承相碰，则车轮的支承刚度会变差而接近与3/4浮式半轴的情况。（+）的数值过大也会引起轮毂的宽度及质量的加大而造成布置上的困难。在小型载货汽车的设计中，常取（+）/4。轮毂轴承受力最大的情况是发生在汽车侧滑时，所以半轴套管也是在汽车满载侧滑时承受最大的弯矩及应力。由式9-113可知，半轴套管的危险断面位于轮毂内轴承的里端A-A见图（2-7），该处弯矩为 （2-23）式中l如图2-7所示，为轮毂内轴承支承中心至该轴承内端支承面间的距离。如果忽略l不计，并将（2-20）、式（2-15）、（2-22）代入上式经整理后得 =3098（2-24）式中,同式（2-15）； ,同式（2-20）。弯曲应力： = = 155.52 （MPa） （2-25）剪切应力： =137.79 （MPa） （2-26）合成应力： =284.86（MPa） （2-27）半轴套管处的应力不应超过490MP，满足强度要求，故安全11 12 13。对于钢板冲压焊接整体式桥壳，多采用16Mn，0.9SiBV、35或40号中碳钢板(化学成分控制为0.37%0.42%的碳和不大于0.03%的硫)。半轴套管多采用40Cr，40MnB等中碳合金钢或45号中碳钢的无缝钢管或锻件。上述桥壳强度的传统计算方法，只能算出桥壳某一断面的应力平均值，而不能完全反映桥壳上应力及其分布的真实情况。它仅用于对桥壳强度的验算或用作与其他车型的桥壳强度进行比较。而不能用于计算桥壳上某点（例如应力集中点）的真实应力值。因此建立其简化三维模型并采用有限元分析方法是桥壳强度计算的发展方向14。3 半轴的设计3.1 半轴形式普通非断开式驱动桥的半轴，根据其外端的支承形式或受力情况的不同分为半浮式，3/4浮式和全浮式三种。本桥采用半浮式半轴。半浮式半轴以靠近外端的轴颈直接支承在置于桥壳外端内孔中的轴承上，而端部则以具有锥面的轴颈及键与车轮轮毂相固定，或以凸缘直接与车轮轮盘及制动鼓相联接。因此，半浮式半轴除传递转矩外，还要承受车轮传来的弯矩。可见，半浮式半轴承受的载荷复杂，但它具有结构简单、质量小、尺寸紧凑、造价低廉的优点。适合质量较小、使用条件较好、承受载荷也不大的轿车和轻型载货汽车15。3.2 三维建模图3-1 半轴结构3.3 实心半轴强度校核计算：3.3.1 半轴材料的性能指标：材料牌号40Cr；抗拉强度：110kg.f/mm2；屈服点：85Kg.f/mm2；疲劳强度极限：55kg.f/mm2。3.3.2 断面B-B处的强度计算：半轴参数： =574.25; = 152.5; =21; =600; =266;抗弯截面模量：=3.86抗扭截面模量：=7.72载荷计算： =956.2521=20081（）最大扭矩： m= =6.9=56.6（） 式中：发动机最大扭矩； 一档速比； 主减速比； 变速器效率； 主减速器效率； 主减速器及轴承的机械损失16；弯曲应力：=剪切应力：=弯扭组合应力： =安全系数：=3.3.3 断面B-B处的强度计算 (四档时) 载荷： （382.5459）21=8032.59639（）弯曲应力：3.75+4.49剪应力：=3.754.49（Kg.f/mm2）合成应力： =+= 6.262.77（Kg.f/mm2）平均应力：6.26Kg.f/mm2应力幅： =2.77 Kg.f/mm2疲劳安全系数：（）=10.15 3.3.4 断面C-C处强度计算传递的最大扭矩：60.29（）扭转应力：=17.47 （Kg.f/mm2）安全系数：=2.2通过以上计算可知：B-B断面处和C-C断面处的强度无问题17。3.4 空心半轴强度校核3.4.1 断面B-B处的强度校核（1）空心式半轴应采用全浮式，故不承受弯矩，只承受转矩，故18（2）抗扭截面模量：= (D=69.3mm , d=63.5mm)（3）载荷计算： M=956.2521=20081（4）最大扭矩：（5）不承受弯曲应力（6）剪切应力： （Kg.f/mm2）（7）安全系数：=3.4.2 断面B-B处的强度计算 (四档时)（1）载荷： （2）不承受弯曲应力，故（3）剪应力：6.00（Kg.f/mm2）（4）合成应力： =6.00（Kg.f/mm2）（5）疲劳安全系数： 21.67 ，193.4.3 断面C-C处的强度计算（1）传递的最大扭矩：56.6（）（2）扭转应力： =30.31 （Kg.f/mm2）（3）安全系数： =1.96经以上校核计算，满足强度要求，故安全。3.5 实心半轴与空心半轴的比较分析：半轴将差速器的半轴齿轮和车轮的轮毂连接起来，是驱动车轮的传动装置。半轴本身的结构形状，以端部锻成凸缘的最为常见。实心半轴采用半浮式，半轴以凸缘直接与车轮轮盘及制动鼓相联接。半浮式半轴除传递转矩外，还要承受弯矩；空心半轴采用全浮式，半轴的外端和以两个圆锥滚子轴承支承与桥壳的半轴套管上的轮毂相联接。 经实心半轴和空心半轴的强度计算可得知，如果令全浮空心式半轴满足安全系数，则须半轴的直径较大，半轴较粗，不适用于微型车的使用。但对于大型的载货汽车，采用空心式半轴不但可以减轻整车质量，并且节约成本,有一定的经济价值20。结论a.本文采用钢板冲压焊接整体式桥壳，这种形式的桥壳制造工艺简单，材料利用率高、废品率低、生产率高、制造成本低，并且有足够的强度和刚度，特别是质量小，（仅为铸造整体式的质量的75%左右），而且安全可靠，具有一定的经济性和可靠性，节省了生产成本。b.运用UG软件对桥壳和半轴进行三维建模，完成三维模型图转化为二维图纸，并用Auto CAD进行对桥壳受力分析图的绘制和对UG的输出图进行修改。c.桥壳计算方法，只能算出桥壳某一断面的应力平均值，不能完全反映桥壳上应力及其分布情况。它仅用于对桥壳强度的验算，而不能用于计算桥壳上某点的真实应力值。因此若利用所建三维模型并用UG的CAE功能进行有限元分析，其强度校核将更为准确。参考文献1 刘惟信汽车设计北京：清华大学出版社，2001：3904022 刘惟信汽车车桥设计北京：清华大学出版社，2002：2843003 刘惟信驱动桥（汽车设计丛书）.北京：人民交通出版社，1987：1211244 Lechner G ,Naunheimer H. Automotive Transmissions : Fundamentals,Selection,Design and Application.Berlin:Springer，19995 刘惟信机械最优化设计（第二版）.北京：清华大学出版社，1994：56856 刘惟信机械可靠性设计 北京：清华大学出版社，1996：78907 余志生汽车理论（第三版）北京：机械工业出版社，2000：2342568 郭先鹏，刘惟信汽车传动轴的优化设计北京汽车，1990，（3）：9139 JohnFenton. Handbook of Automotive Powertrain and ChassDesign.London:Professional Engineering Publishing,199810 刘惟信论现代汽车设计及其发展趋势汽车与社会，1996，1（1）：456111 清华大学汽车工程系编写组编汽车构造北京：人民邮电出版社，2000：879012 长春汽车研究所驱动桥设计汽车技术，1972：61213 机械工程手册编辑委员会机械工程手册北京：机械工业出版社，1997：677814 Gleason Company.GLEASON BEVEL AND HUPOID GEAR DESIGN197215 机械设计手册(第四版，第一卷)北京：化学工业出版社，2003：899016 重庆汽车研究所国外汽车驱动桥1996：789017 吴际璋汽车构造（下）人民交通出版社，1996：61218 付本国UG使用指南与实例导航中国水利水电出版社，2004：23625619 朱凯黄业清UG机械设计人民邮电出版社，2004：1023 20 汽车工程手册编写组汽车工程手册北京：人民交通出版社，2001：201231专心-专注-专业