汉德HD425型货车驱动桥结构设计与动力学仿真

齐齐哈尔工程学院本科毕业设计（论 文）汉德 HD425 型货车驱动桥结构设计与动力学仿真学 院： （系）专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 庄文博 学 号： 指 导 教 师： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 齐齐哈尔工程学院汉德 HD425 型货车驱动桥结构设计与动力学仿真摘 要轻型汽车在商用汽车生产中占有很大的比重，而且驱动桥在整车中十分重要。驱动桥作为汽车四大总成之一，它的性能的好坏直接影响整车性能，而对于载货汽车显得尤为重要。为满足目前当前载货汽车的快速、高效率、高效益需要的同时时，必须要搭配一个高效、可靠的驱动桥 。 设计出结构简单、工作可靠、造价低廉的驱动桥，能大大降低整车生产的总成本的轻型货车驱动桥具有一定的实际意义。本设计首先论述了驱动桥的总体结构，在分析驱动桥各部分结构型式、发展过程及其以往形式的优缺点的基础上，确定了总体设计方案：采用整体式驱动桥，主减速器的减速型式采用单级减速器，主减速器齿轮采用螺旋锥齿轮，差速器采用圆锥行星齿轮差速器，半轴采用全浮式型式，桥壳采用铸造整体式桥壳。在本次设计中，主要完成了单级减速器、圆锥行星齿轮差速器、全浮式半轴的设计和桥壳的校核及材料选取等工作。最后运用AUTOCAD 完成装配图和主要零件图的绘制。汉德 HD425 型货车驱动桥结构设计与动力学仿真IAbstractPickup trucks take a large proportion of commercial vehicles production, and the drive axle is one of the most important structure. Drive axle is the one of automobile four important assemblies, Its performance directly influence on the entire automobile, especially for the truck. Because using the big power engine with the big driving torque satisfied the need of high speed, heavy-loaded, high efficiency, high benefit today truck, must exploiting the high driven efficiency single reduction final drive axle is becoming the trucks developing tendency. Design a simple, reliable, low cost of the drive axle, can greatly reduce the total cost of vehicle production, so the title of the fine structure of the design of a pickup vehicle drive axle has a certain practical significance. The configuration of the Driving Axle is introduced in the thesis at first. On the basis of the analysis of the structure and the developing process of Driving Axle, the design adopted the Integral Driving Axle, Single Reduction Gear for Main Decelerators deceleration form, Spiral Bevel Gear for Main Decelerators gear, Full Floating for Axle and Casting Integral Axle Housing for Axle Housing. Keywords: Pickup truck; Drive axle; Single reduction final drive; Differential; Axle; Drive Axle housing 齐齐哈尔工程学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计II目 录摘 要 .IAbstract.II目 录 .11 绪论 .11.1 概述 .11.2 国内外发展情况 .51.3 研究/设计的目标 .62.驱动桥总成的结构型式及布置 .83 主减速器的设计 .103.1 主减速器的结构型式 .103.1.1 主减速器的齿轮类型 .103.1.2 主减速器的减速形式 .133.1.3 主减速器主、从动锥齿轮的支承方案 .153.2 主减速器基本参数选择与计算载荷的计算 .173.2.1 主减速器齿轮计算载荷的确定 .173.2.2 锥齿轮主要参数的选择 .193.2.4 主减速器锥齿轮强度校核 .223.2.6 锥齿轮材料 .253.2.7 主减速器的润滑 .264 差速器 .274.1 差速器的结构形式 .274.2 对称式圆锥行星齿轮差速器的差速原理 .274.2.1 对称式圆锥行星齿轮差速器的运动学和动力学及差速器的内摩擦 .274.3 对称式圆锥行星齿轮差速器的结构 .294.4 对称式圆锥行星齿轮差速器的设计 .294.4.1 差速器齿轮的基本参数的选择 .304.4.2 差速器齿轮的强度计算 .335 驱动半轴的设计 .355.1 半轴形式分析 .35齐齐哈尔工程学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计III5.2 全浮式半轴计算载荷的确定 .355.2.1 全浮式半轴杆部直径计算 .355.2.2 全浮式半轴的强度校核 .355.3 半轴花键的选择和强度计算 .365.3.1 半轴花键的选择 .365.3.2 半轴花键的强度计算 .365.4 轴的结构设计及材料与热处理 .366 驱动桥壳设计 .386.1 驱动桥壳结构方案分析 .386.2 桥壳的受力分析与强度计算 .397 PID 于汽车行驶速度控制 .407.1 汽车行驶控制模型 .407.2 汽车行驶控制系统动力学模型 .40结 论 .42参考文献 .44致 谢 .45齐齐哈尔工程学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计01 绪论1.1 概述汽车驱动桥位于传动系的末端，其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，并使左，右驱动车轮具有汽车行驶运动学的差速功能；同时，驱动桥还要承受作用于路面和车架或承载式车身之间的铅垂力，纵向力和横向力及其力矩。在一般的汽车结构中，驱动桥包括主减速器(又称主传动器）、差速器、驱动车轮的传动装置及桥壳等部件。对于各种不同类型和用途的汽车，正确地确定上述机件的结构型式并成功地将它们组合成一个整体-驱动桥，乃是设计者必须首先解决的问题。驱动桥的结构型式与驱动车轮的悬架结构型式密切相关。当车轮采用非独立悬架时，例如在绝大多数的载货汽车和少数的轿车上，采用的是非断开式（或整体式）驱动桥。如图 1-2，普通的非断开式驱动桥的桥壳相当于一根联接左，右驱动车轮的刚性空心梁，而主减速器，差速器及半轴（属驱动车轮的传动装置）都装在其中。非断开式驱动桥桥壳多采用整体式，也有些采用分式的，但是由于后者在维修、调整主减速器时拆装很不方便，因此很少采用。汽车传动系的总任务是传递发动机动力，并使之适应于汽车行驶的需要。在一般汽车的机械式传动中，有了变速器（有时还有副变速器或分动器）还不能完全解决发动机特性与汽车行驶要求间的矛盾和结构布置上的问题。首先是因为绝大多数的发动机在汽车上是纵向安置的，为使其转矩能传给左，右驱动车轮的差速器来改变转矩的传递方向，同时还得有驱动桥的差速器来解决左，右驱动车轮的差速要求及转矩分配问题。其次是因为变速器的主要任务仅在于通过选择适当的排挡数目及各挡传动比，以使内燃机的转矩-转速性能适应汽车在各种阻力下对动力性与燃料经济性的要求，而驱动桥主减速器（有时还有轮边减速器）的功用则在于当减速器处于最高档位（通常为直接挡，有时还有超速档）时，使汽车有足够的牵引力，适当的最高速度和良好的燃料经济性。为此，需将经过变速器，传动轴传来的动力，通过驱动桥的主减速器，作进一步增大转矩、降低转速的变化。汽车在行驶过程中所遇到的道路情况是千变万化的。此外，汽车本身在空、满载时，尤其是单车空载与汽车列车满载之间的载荷变化是非常大的。为了扩大汽车对这些不同使用条件的适应范围，除了常见的具有唯一固定的主减速比的单速主减速器外，在某些重型汽车上有时将减速器坐成双速的，如图 3，双速主减速器具有两个固定主减齐齐哈尔工程学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计1速比，并可根据汽车行驶条件来选择档位。它既可得到大的主减速比，同时与变速器配合又可得到所谓多挡变速，以便提高汽车在不同使用条件下的动力性和燃料经济性。随着大型汽车列车向着长途运输方向的发展，采用双速主减速器的汽车愈来愈多。最简单最常见的是由一对螺旋锥齿轮或双曲面齿轮组成的单级主减速器。在大型汽车上，为了得到大的主减速比同时又不减小离地间隙，常采用另加一对斜齿（或人字齿形）圆柱齿轮或行星轮系的双极主减速器的方法。不少重型汽车为了进一步增大驱动桥的减速比，甚至增设轮边减速器。在英国有不少的公共汽车采用了涡轮式单级主减速器。当汽车转弯或在不平路面上行驶时，左，右车轮在同一时间内所滚过的行程是不相等的，因此其转速也应不同。另外，即使汽车在平坦路面上直线行驶使左，右车轮行程相同，有时也会由于轮胎外径的制造误差、胎面磨损程度、轮胎气压或轮胎负荷等的不同，而引起它们的滚动半径不相等，导致转速也不相同。因此，要求驱动桥在传递转矩给左、右驱动车轮的同时，能使它们以适应上述运动学要求的不同角速度旋转。这一要求是由差速器来实现的。简单对称式圆锥行星齿轮差速器，由于其结构简单、工作平稳可靠，在各种汽车上都得到了广泛的应用。如果不计其不大的内摩擦，则这种差速器是将转矩平均的分配到左、右半轴上。因此，装用这种简单的对称式圆锥行星齿轮差速器的汽车当左、右驱动车轮与道路的附着系数不同且一个驱动车轮滑转而失去牵引力时，另一个附着好的驱动车轮也将丧失牵引功能。在这种情况下，为了提高越野汽车的通过能力，可采用差速锁将左右半轴锁在一起；或采用具有高摩擦副的凸轮式、涡轮式和带有摩擦片的齿轮式以及自由轮式等自锁式差速器，以便使驱动桥的转矩尽可能多地传给不滑转的驱动车轮，以充分利用这一驱动车轮的附着力，来产生足够的牵引力，使汽车能够继续行驶。驱动车轮传动装置的功用在于将转矩由差速器传到驱动车轮。其结构特点是根据驱动桥的结构型式和是否为转向驱动桥而定。如果是转向驱动桥则必须在驱动车轮传动装置中安装等速万向节。驱动桥不仅是汽车的动力传递结构，而且也是汽车的行走机构，还起着支撑汽车荷重的作用。车架或车厢以及它们所承受的载荷等汽车簧载质量（悬挂质量），是通过悬架总成的弹性元件传给由车轮支撑的各个车桥的。驱动桥不仅承受着作用于路面和车架或车厢之间的铅垂里，而且承受着它们之间的纵向力及横向力。除铅垂力由悬架的弹性元件来传递外，纵向力及横向力也能由悬架的某些类型的弹性元件来传递，例如一端由卷耳及卷耳销式铰链结构或组合式铰链结构与车架或车厢相联的纵置钢板弹簧或两端采用橡胶支撑的纵置钢板弹簧，都能传递纵向力和横向力。对于载货汽车和越野汽车来说，由于它们常常会遇到坎坷不平的坏路面，特别是越野汽车有时还要通过无路地区，为了避免驱动桥与地面或其上的凸起物相碰撞齐齐哈尔工程学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计2而使零件损坏或使汽车受阻，驱动桥，尤其是其中部安装减速器处的轮廓尺寸不应太大，使之有足够的离地间隙，以满足汽车在通过性方面的要求。为了防止功率循环现象的产生，在现代多桥驱动的汽车上往往装有轴间差速器。后者也可以显著地减少多桥驱动汽车主减速器过载的情况。随着发动机转速及汽车行驶速度的提高，降低汽车的噪声已成为汽车设计中的一个重要课题。驱动桥的噪声主要来自齿轮及其他传动机件。提高齿轮及其他传动零件的加工精度、装配精度，增强齿轮的支撑刚度，采用运转平稳、无噪声的双曲面齿轮左主减速器齿轮，当高通过性汽车选用牙嵌式自由轮差速器时采用小声环结构，增强桥壳及主减速器壳的刚度以避免其受载变形后破坏齿轮的正确啮合，等等，都是降低驱动桥工作噪声的有效措施。随着汽车工业的发展及汽车技术的提高，驱动桥设计，制造工艺都在日益完善。驱动桥也和其他汽车总成一样，除了广泛采用新技术外，在结构设计日益朝着“零件标准化、部件通用化、产品系列化”的方向发展及生产组织的专业化目标前进。应采用能以几种典型的零部件、以不同方案组合的设计方法和生产方式达到驱动桥产品的系列化或变型的目的，或力求做到将某一基型的驱动桥以更换或增减不多的零件，用到不同性能、不同吨位、不同用途并由单桥驱动到多桥驱动的许多变型汽车上。例如，驱动桥主减速器齿轮以几种典型的主减速比形成系列，就能达到以不同动力性要求为目的的汽车变型。驱动桥的传动效率，主要取决于其齿轮啮合及轴承运转时的摩擦损失和润滑油扰动、飞溅引起的功率损失。除齿轮精度及支撑刚度外，正确选择润滑油可减小齿面的摩擦损失，改善啮合；除转速影响外，正确选择轴承的尺寸及型号、间隙或预紧度，改善润滑等是减小轴承摩擦损失的有效措施；除主减速从动齿轮轮缘的宽度、切线速度及润滑油粘度的影响外，选择合理的油面高度，可控制润滑油的扰动、飞溅引起的功率损失，这些都是减小驱动桥的功率损失、提高其传动效率的主要因素。桥壳的刚度对主减速器齿轮的啮合状况及其他传动机件尤其是半轴的工作状况有很大影响。驱动桥应有足够的强度和刚度，以保证汽车在大修里程内除允许更换油封外，驱动桥的其他零件能可靠地工作。驱动桥桥壳及其他基本零件应能无更换且有效地工作到汽车报废为止。上面介绍了驱动桥的结构组成及功用，分析了其工作特点及设计要求，也论述了发展趋势。这里应指出，对不同用途的汽车来说，驱动桥的结构型式虽然可以不相同，但在使用中对它们的基本要求却是一致的。综上所述，对驱动桥的基本要求可归纳为以下几点：齐齐哈尔工程学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计31）所选择的主减速比应能满足汽车在给定使用条件下具有最佳的动力性和经济性；2）当两驱动车轮以不同角速度转动时，应能将转矩平稳且连续不断（无脉动）地传递到两个驱动车轮上；3）当左、右两驱动车轮的附着系数不同时，应能充分利用汽车的牵引力；4）能承受和传递路面与车架或车厢之间的铅垂力、纵向力和横向力及其力矩；5）驱动桥各零部件在强度高、刚性好、工作可靠及使用寿命长的条件下，应力求做到质量小，特别是非悬挂质量应尽量减小，以减小不平路面给驱动桥的冲击载荷，从而改善汽车的平顺性；6）轮廓尺寸不大，以便于