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充值购买 费领取图纸 九吨级驱动桥桥壳设计研究 摘要 ： 汽车的驱动桥处于传动系的尾端，是汽车的特别重要的一个部件，它的基本功用是增大由传动轴或直接由变速器传来的转矩，将转矩分配给左、右驱动车轮，并使两个车轮具备汽车行驶运动学所要求的差速功效。而本文则重点介绍 9吨级加强型驱动桥设计的全过程。这对于我们以后从事设计工作是非常有用的。 关键词 ： 主减速器；桥壳；差速器；后桥 of at It is a by or be to nd of by At to of or of In of as of to of an is on as a is us in ey 目 录 1 绪论 . 1 2 驱动桥的结构组成、功能、工作特点及设计要求 . 2 3 主减速器 . 3 减速器的功能和结构形式 . 3 减速器的齿轮类型 . 3 减速器的减速形式 . 3 减速器齿轮的主要参数和强度计算 . 3 速器齿轮载荷的确定 . 3 减速器准双曲面齿轮参数 . 4 减速器齿轮的强度设计计算 . 5 减速器锥齿轮轴承的载荷计算 . 7 4 差速器 . 13 速器齿轮参数的选择和计算 . 11 速器的作用及型式的选择 . 11 星齿轮球面半径 . 12 星齿轮和半轴齿轮齿数1Z、2Z. 12 速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定 . 13 力角和轴交角 . 13 轴齿轮齿面宽 . 13 侧间隙的选择 . 14 速器齿轮强度的计算 . 14 算部位 . 14 荷条件 . 14 速齿轮的强度计算 . 15 5 驱动桥壳 . 16 次设计的驱动桥壳的有关参数 . 16 动桥 壳的结构选择 . 17 壳的受力分析及强度计算 . 18 险断面距车轮中心的距 . 18 险断面系数的计算 . 19 种工况下桥壳载荷的计算 . 21 6 驱动桥螺旋锥齿轮的优化设计 . 27 立优化数学模型 . 27 标函数 . 27 束条件 . 28 学模型 . 28 用 计算 . 29 7 总结与展望 . 30 致谢 . 31 参考文献 ： . 32 1 1 绪论 由于汽车平均车速的提高，载重量的加大，这也成为当今汽车的发展趋势，从而引起发动机功率的增加，使得汽车传动系，其中包括驱动桥，提出了更高的要求。 与小轿车相比，卡车经常需要在更为复杂的路面上长时间的行驶 ,所以卡车不仅仅要满足驾驶 过程中的稳定性、安全性以外 ,他还需要有良好的舒适性。在具备了良好的舒适性的时候 ,驾驶员的才能够经得起长时间驾驶。为了可以直观的衡量汽车的舒适性 ,我们选取了汽车的车身固有振动特性作为他的一个重要的指标参数来评判 ,而为了可以得到汽车的车身固有振动特性我们需要通过汽车的驱动桥特性的衡量 ,因此汽车的驱动桥特性 ,用来评判汽车舒适性。汽车驱动桥可以保障汽车在行驶过程中的完全性、稳定性和舒适性 ,同时 ,又对车架和车轴起到了链接的作用。在衡量一辆轻型卡车好坏的时候驱动桥作为了一个重要的指标 ,被编译在了轻型卡车的技术规格里了。 驱动桥机构已经是汽车上一个不可或缺的机构。驱动桥机构可以承受来自车轮的垂直力矩 ,可以缓冲来自车轮的冲击力 ,从而使试车可以更加平稳的行驶 ,同时驱动桥机构也是是车轴和车身链接在一起的弹性机构。 可以承受来自车轴的许多振动 ,用以缓解汽车的振动。随着有限元软件的开发和不断的完善 ,而驱动桥机构的要求也不断地提高 ,人们可以使用软件对驱动桥机构进行更加深入的分析 ,得到了许多人的关注。一个优秀的驱动桥机构的设计 ,他在之前一定要阅读与大量的文献资料 ,通过整理学习 ,才能很好的了解驱动桥机构的组成和各个部件的功能作用 ,首先经过计算 ,根据计算的结果画出三维模型 ,运用有限元分析软件对其进行分析验证 ,不断的改进模型 ,使其在达到目标的强度、刚度和耐磨性的同时。还可以尽可能的去减轻自身的自重 ,优化结构。 汽车工业一直以来是 衡量一个国家工业水准的指标之一 ,我国的汽车工业是从上世纪 50,60年代才开始发展 ,进过了近半了世纪的发展 ,已经有了很多的突破与进展 ,但是相比于国外的汽车工业 ,他们已经有了上百年的发展 ,我们之间任然存在着巨大的差距。面对这个能源短缺 ,环保意识不断加强的今天 ,我们应该更加努力发展汽车工业技术 ,开发我属于我们的自主知识产权。而驱动桥机构的设计和开发是这其中重要的一个环节。 我国汽车行业起步较完 ,各种汽车技术的研究也发展缓慢 ,也别是驱动桥的技术研究 ,驱动桥的研究一定程度上受到了我国钢铁行业发展的限制 ,随着后来 ,人们对驱动桥的研究也进一步的加深、 加快。杨宗孟提出了一种驱动桥的计算模型有效的改善了驱动桥的刚度要求和疲劳强度。郭孔辉院士在之后将刚度和应力统一计算的方式 ,有效的改善了共同曲率的一些问题。刘广宽 ,郑贤中等在之后也推出了一系类的关于驱动桥的模 2 型 ,分别从集中载荷和三维动态计算分析的方法来对之前的模型改进 ,取得了显著的成效。但是总有一些误差的存在。后来 ,有了非线性有限元分析方法 ,进一步改善了人们对驱动桥的分析。 邹北京航空航天大学、武汉理工大学、吉林大学的许多教授和老师通过有限元分析软件对驱动桥进行了大量的模拟分析。通过从不同的研究角度、不同的参数之间的关系。都取得了一定得进展。 国家对大型基建项目的大量投入，国内市场对重型商用车吨位提高的要求不断增大，因此我们必须不断研发新的重型车驱动桥来迎合市场需求，通过广泛深入的市场调研，我们发现，市场对价位低、 动力强、经济性好而且载重能力大的重型车需求非常迫切。针对目前的情况，东风汽车公司本着系列化、通用化、标准化的原则，开发设计了 驱动桥设计基本要求： （ 1） 驱动桥各零部件在高强度、工作可靠及使用寿命长的条件下，应尽力做到重量轻，尤其是簧下质量应尽量减小，以减小不平路面带给驱动桥的冲击载荷，从而改善汽车的平顺性。 （ 2） 汽车总体布置并与驱动桥离地间隔相适应。 （ 3） 齿轮及其它传动零件工作平稳、无噪音。 （ 4） 在不同的负载和速度条件下的高传输效率。 （ 5） 布局简易、修理保养便利、部件工艺性能好、生产容易 2 驱动桥的结构组成、功能、工作特点及设计要求 驱动桥包括主减速器、差速器、驱动车轮的传动装置及桥壳部件。驱动桥的构造形式与驱动轮的悬挂型式紧密相关。断开式驱动桥用于装有独立悬架的汽车上，用于安装主减速器和差速器的桥壳固定在车架或车身上，车轮通过悬架摆臂和车轮万向传动轴与桥壳相连， 独立悬架导向机构设计合理，可提高转向效果，提高车辆操纵稳定性。 关于载重卡车和越野汽车，驱动桥，特别是中部安装主减速器处的轮廓尺寸要小，有足够的离地间隙，满足汽车通过性的要求。 一般情况下非断开式驱动桥的一个明显特点是汽车的簧下质量 相对比较大。 3 3 主减速器 减速器的功能和结构形式 主减速器的结构形式大部分根据齿轮类型、减速形式以及主从动齿轮的安装及支承方式的不同来分类。 减速器的齿轮类型 包括弧齿锥齿轮、双曲面齿轮、圆柱齿轮和涡轮涡杆等 。 减速器的减速形式 根据减速形式特点不同，主减速器分为： 图 （ 3 减速器齿轮载荷的确定 1、确定从动齿轮的计算转矩 m a x 0 /G e e d i k i n (3式中： 计算转矩 0i 主减速器 传动比 发动机最大转矩 从发动机到主减速器从动轮之间的传动效率 1i 变速器一档传动比 由于猛接离合器产生的动载系数 主减速器 双极主减速器 单极主减速器 双速主减速器 单、双级减速配轮边减速 贯通式主减速器 集体式 单极贯通式 分开式 双极贯通式 4 分动器传动比 n 计算驱动桥数 2、确定从动锥齿轮计算转矩 22 /G s r m m r i (3式中： 转矩 2G 满载状态下一个驱动桥上的静负荷 r 车轮滚动半径 2m 汽车最大加速度时的后轴负荷转移系数 轮胎与路面的附着系数 m 主减速器传动效率， 3、确定从动锥齿轮计算转矩 /G F j r m r i n （ 3 式中： 计算转矩 减速器准双曲面齿轮参数 如下： 速比 数： 小齿轮 6 大齿轮 41 从动轮节圆直径 从动轮齿面宽 63 主动轮偏置距 35 （下偏） 齿两侧压力角 45o 主动齿螺旋角 45 主动轮螺旋方向 左旋 轴交角 90o 齿侧间隙（ 刀盘半径（ 6 刀尖圆角半 径（ 动轮） 从动轮齿形：非滚切 5 轮齿收缩：中点倾根锥母线收缩齿 减速器齿轮的强度设计计算 1、计算部位： 弯曲应力、接触应力 2、负荷条件： 发动机最大扭矩 56速器头档速比 减速传动比 传动系效率按 虑 则 56 566 5703、齿轮强度系数的计算 对于主动轮 p p （ 3 式中： 主动轮强度系数 主动轮输入扭矩 p 主动轮齿根弯曲应力（ 2/kg 对于从动轮 (3式中： G 从动轮齿根弯曲应力（ 2/kg 从动轮强度系数 主减速比 耐久性系数即 (3式中 ： P 齿面接触应力（ 2/kg T （ （ Z 主动轮或从动轮的寿命系数 强度系数 Q（公制）由英制到公制的单位换算系数为 命系数 Z（公制 ）由英制到公制的单位换算系数为 6 4、最大输出扭矩时的齿根弯曲应力和齿面接触应力的计算 最大输入扭矩时主动齿轮上的输出扭矩 F i (3式中： 为主减速器传动效率 取 570/396大 输出扭矩时的齿根弯曲应力和齿面接触应力 T 396 396 8.6 kg/ =1003 41.7 kg/中 表（ 1）最大输入扭矩时齿根 的弯曲应力及接触应力见 11下表 项 目 轮齿的弯曲应力 面压 小轮 kg/轮 kg/kg/利森推荐最大值 70 70 280 日产柴推荐最大值 次设计驱动桥的计算参数值 、 7%爬坡时齿根弯曲应力和齿面接触应力的计算 (1)计算条件以最大总重为条件 (2)7%爬坡时的主动轮输入扭矩 输入扭矩i )(m a x (3式中： 最大总重 9850 轮胎滚动半径 i 坡度 u 路面滚动阻力系数 7 传动效率 (3)7%爬坡时齿根弯曲应力和齿面接触应力 p G 0.2 = 2/ 10 0 6 5 0 3 g f 表（ 2） 7%爬坡时齿根弯曲应力和齿面接触应力 项目 轮齿的弯曲应力 面压 小轮kg/轮 kg/kg/利森推荐值 21 21 175 日产柴推荐值 5 次设计驱动桥所采用的参数值 主减速器锥齿轮轴承的载荷计算 表（ 3）锥齿轮主要参数选择 齿轮参数 主动锥齿轮 从动锥齿轮 偏置距 38(下 ) 38(下 ) 齿数 6 38 模数 度圆直径 376 8 齿顶高 全高 均压力角 22 30 22 30 螺旋角 50 36 58 58 螺旋方向 左旋 右旋 刀盘直径 12 ） 12 ） 齿侧间隙 音检验 按标准 确定主减速器锥齿轮轴承的载荷是该轴承计算的基础。首先知道锥齿轮在啮合中齿面上的作用力才能确定轴承载荷。 1、锥齿轮齿面上的作用力 (1) 齿面宽中点处的圆周力 ； 22 (3式中： T 从动齿轮上的转矩 = 2 2 2s i b =3765178 = 分度圆直径 =D 从动齿轮分度圆直径 =376b 齿面宽； 46 从动齿轮节锥 角。 F=22 =12 2 即： 5936501 co F 1F =2)锥齿轮上的轴向力和径向力 下图是主动小齿轮齿面的受力图。图中 作用在齿面宽中点 A（该点位于节锥面 9 上）的法向力。该法向力 A 点出的螺旋方向的法平面内，可以分解成两个互相垂直的力 f. 所在的平面且垂直于 圆周力 图（ 3动小齿轮齿面受力图 显然： ,因而： T ss （ 3 s s（ 3 N N 用在小齿轮轮齿面上的轴向力 + s o s (3公式中的 算小齿轮时用面锥角代替 ,算大齿轮时用根锥角代替 . 综合（ 3, （ 3, (3 (3。因此得作用在主动齿轮上的轴向力和径向力为： )c o ss in(c o s 0 = )o i i 0c o s 指向锥顶 ) )s o s(c o s p= )i i o 0c o s 开配齿 ) 从动齿轮上的轴向力和径向力为： )c o ss in(c o s )o i i 0c o s s o s(c o s G= )i i o 0c o s 、齿面圆周力、轴向力和径向力得出之后，确定轴承上的载荷得： 图（ 3减速器轴承的布置尺寸 轴承 C、 )( 221 = ) 7 0 2 5 4 7 7() 9 7 2 6(22120 1 =11 )( 221 = ) 7 0 2 5 4 7 7() 9 7 2 6(22120 1 =( 221 = )2300 1 =( 221 = ) 3 0 8 3 1 0() 8 2 0 6(22300 1 = 差速器 速器的作用及型式的选择 汽车在行驶过程中两车轮在同一时间内所走过的行程常常是不一样的。所以在驱动桥上都设有差速器，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，造成传动系零件损坏、轮胎磨损和增加燃料消耗等。 能够满足改姓汽车在给定使用条件下的使用性能要求。差速器的构造型式有很多种，其主要的结构型式如下图 ： 12 图（ 4差速器的结构型式 本次采用的是对称式圆锥行星齿轮差速器。 星齿轮球面半径 3计球球 （毫米） ( 4驱动桥低计发计 按 0m a x 2计附最小者计算 由公式计算得： 计附计发则 计M=25659N 式中： 轮胎对地面附着系数 取 13 低发动机到所计算的主减速从动轮之间的最低档速比 0 取 、 为主减速器从动齿轮到驱动轮之间的传动效率和减速比 计算可得 球R= 计算值是作为参考值，实际选取要根据结构布置来确定。根据结构布置最后确定球面直径为 157 行星齿轮和半轴齿轮齿数1Z、2轴齿轮与行星齿轮的齿数比在 范围之内。且 右左 (4式中： 左Z 左半轴齿轮的齿数 . 右Z 右半轴齿轮的齿数通常情况下 左Z、右n 行星齿轮数 I 任意整数 定差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直 径 首先要确定行星齿轮与半轴齿轮的节锥角1r、2r； 112a rc ta n zr z221a rc ta z (4式中 ：1 分别为行星齿轮和半轴齿轮齿数 然后按下式初步求得圆锥齿轮的大端端面模数 m: 22 011 0 s (4 14 0 球 节圆直径 d=锥齿轮模数为 轴齿轮节圆直径为 压力角 和轴交角 汽车差速器齿轮过去一般都选用 20时齿高系数为 1，2的压力角，齿高系数为 数最少可 减少到 10，并且在小齿轮齿顶不变的条件下，还可以由切向修正加大半轴齿轮的齿厚，于是使行星齿轮与半轴齿轮趋向于恰等强度。在这里设计用的交轴角是 90o【 5】 轴齿轮齿面宽 齿宽取为 27 （取外锥距的 33%以下） 外锥距 = 1 12( ) z0(4式中 ： 半轴齿轮节圆直径 1 分别为行星齿轮和半轴齿轮齿数 侧间隙的选择 啮合轮齿的非工作面间具有的一定的间隙。即借所谓原始齿廓位移的方法达到获得侧隙的目的。在这里我们齿侧取 速器齿轮强度的计算 算部位 齿根应力计算 荷条件 减速器输入扭矩 2570大总重 985015 速齿轮的强度计算 1、齿轮强度系数计算 强度系数 Q 的定义：强度系数 Q 是用于计算齿根弯曲应力的系数，齿根弯曲应力由下式（强度系数是英制单位，需换算成公制，换算系数为 定 行星齿轮 18(4式中： 行星齿轮强度系数 差速器壳的输入扭矩（ 数（见附页中尺寸长） C 英制转化为公制单位换算系数 半轴齿轮 (4式中 ： 半轴齿轮齿根弯曲应力（ kg/ 半轴齿轮强度系数 强度系数的值见附页 2 中 2、最大输入扭矩时齿根弯曲应力的计算 570=2570 10 8 16)=G=2570 8 （ 4）最大输入扭矩时齿轮的弯曲应力值 11 16 项 目 轮齿的弯曲应力 小轮 kg/轮 kg/利森推荐值 98 98 日产柴推荐值 73 73 本次设计的驱动桥所采用的计算参数值 、 7%爬坡时齿根弯曲应力的计算 7%爬坡时齿根弯曲应力是在齿根最大总重爬坡的条件下 7%爬坡时差速器壳输入的扭矩 )(m a x =9850 (%爬坡时齿根弯曲应力 10 8 16)=8 （ 5） 7%爬坡时的轮齿弯曲应力值 【 11】 项 目 轮齿的弯曲应力 小轮 kg/轮 kg/利森推荐值 21 21 日产柴推荐值 30 30 本次设计的驱动桥所采用的计算 参数值 驱动桥壳 17 表（ 6） 驱动桥壳的有关参数 11 汽车的额定许可总重 850轴轴荷 2G 9000车前后轴的距离 4200桥轮距 t 1860桥钢板弹簧座中心距 b 1030轮动力半径钢板冲压焊接式桥壳同另外两种整体式桥壳（钢管扩张和铸造桥壳） 相比较，钢管扩张式桥壳适用于小轿车和轻型载荷汽车，并且需要专用设备和工艺。冲焊桥壳同铸造桥壳相比较，冲焊桥壳的断面形状简单，壁厚一定，应力分布不理想，但其钢板的许用应力高，因此，冲焊桥壳的重量分布较铸造桥壳的重量还要轻，这是冲焊桥壳的一个十分重要的优点，从生产的角度看，铸造桥壳形状复杂，加工面多，并且铸件的质量较冲压件的质量不易控制，容易出现废品，制造工艺比较复杂，适用于多品种的小量生产。钢板冲压、焊接整体式桥壳生产率高及制造成本低，适用于大批量生产。 不带三角镶块的桥壳 上下两半桥的对缝是平直的 ，易于实现焊接自动化，也可消除前一种方案中三角镶块中间顶角尖部与桥壳对应处可能出现过大的缝隙，而给焊接造成困难。桥壳的焊缝倒角也容易（因为消除了带三角块时的弯曲部分），但带来了上料方面的麻烦、板料的利用率低、冲压工艺也比较复杂。 为了提高钢板弹簧座附近危险断面处的垂向抗弯强度，而将其设计成深槽断面较合理，上下桥壳焊接起来就成为矩形断面。为了提高两半壳焊接处的强度以及桥壳的刚度，在桥壳中央的前端面焊接上一块加强圈，后端面焊有一个半球形后盖 18 通常由于车轮总成、轮毂总成和制 动器总成的总重 2的一半很小很小，并且设计时不易准确预计，在计算时可以不考虑这时： M 静弯2 )(2 2 (5=2 =式中： m m 图（ 5壳静载荷及静弯曲应力 而静弯曲应力为： 310M 静 弯静 弯弯 = 险断面距车轮中心的距 桥壳断面 A A 距车轮中心（同侧车轮）的距离 1L 的计算公式： 1L =(2 (5 19 轮轴轴承座台肩处断面 B B 距车轮中心的距离 2L 的计算公式： 2L =(2 (5式中： B 汽车后轮轮距 b 汽车后悬架钢板弹簧座中心的距离 a 后桥左右两轮轴轴承座台肩之间的距 离 代入上式得 1L 415 2L =115 危险断面系数的计算 钢板弹簧座处桥壳断面 A A 近似为矩形，端面绕轴和轴的抗弯断面系数按下列公式计算 图（ 5A A 断面 )(2 21 (22433 )2 234()9164(6 )2(12 )2( x (式中： 1 ; 2由上式计算的： 1107 1107 2107 210720 则 105I =105- A 断面的抗扭断面系数的计算 图（ 5 111111111212112)2)(2()4(2)(22 (5式中 ： 17 2 135 15512 带入得 : 1A= 17485 105（ 5壳的另一危险断面形状如图所示 21 )(116)(1324343(5尺寸 D=114 d=71 代入得： 105 105 种工况下桥壳载荷的计算 1、 当车轮承受最大垂直力时 图（ 5 汽车驱动桥桥壳所承受的垂直力，等于车轮地面支反力减去车轮、制动器的重量，但载货汽车驱动桥桥壳所受的铅垂负荷要比车轮及制动器的重量大得多，并且桥壳的安全系数要考虑路面不平引起的冲击，安全系数要求比较大，也就是说，考虑或不考虑车轮及制动器的重量对最后判断桥壳是否满足要求没有多大的影响，所以我们忽略车轮和制动器的质量。 汽车后轴轴荷 2G = 900012G=4500壳断面 A A 弯矩 11415=186750022 最大弯曲应力 M1867500/105=桥壳材料为 16屈服极限应力为 s35kg/屈服安全系数 /35/头轮毂内侧轴承 台肩处的断面 B B 弯矩 21115=517500大弯曲应力 M517500/105=4.2 kg/头材料为 40 钢调质处理，其屈服极限应力为 s56kg/ （参照日产柴数据） 则屈服安全系数5n /56/（ 5车承受最大垂直力时 2、当汽车倒车紧急制动时 F 23 为路面附着系数，取 (21 22 式中： 汽车重心高度 H=1020 前后轴距 L=4200车额定许可总重850 2（ 5车制动时汽车受力图 12 415=2165304值为 M2165304/105=轮制动力产生的弯矩 1131 415=1299365M1299365/105=24 图（ 5面简图 车轮制动力产生的扭矩 =31 485=1518535 剪应力在断面的外廓中点处为最大值 T / 1518535/105=曲应力在 D、 E 两点达最大弯曲应力，其值为 合成应力最大值在 F、 G，根据第四强度理论可得 2222 合 = 合，说明最大应力点在 E、 D， 只要此点能够满足要求，则该工况也能满足要求 / 35/轴内侧轴承座台肩处的断面 B B 垂直力产生的弯矩 22 115=600024平力产生的弯矩 22 115=360065合成弯矩 2222 360 0 65600 0 24 5 =105M105/105=全系数 /56/（ 5当汽车倒车紧急制动 3、当汽车受最大侧向力时 (5式中： 用于后轴上的侧向惯性力 左右车轮的轮荷转移数值 汽车重心高度 H=1020后桥轮距 B=1860223 21 (5 为车轮与路面间的侧向加速度，取 26 图（ 5 计算得 ； 3 20323
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