BJ1090汽车驱动桥设计【说明书+CAD】
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bj1090
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1 中文译文 混合动力驱动 车辆安装高空作业平台 的控制策略 a, a, b, b, a , 05b , 02要 本文提出的发展过程 即假设，建造，模拟和分析 混合动力驱动 车辆 安装高空作业平台 的控制策略 。特别注意的是 支付 控制系统策略 的发展 ，确保适当的能源 再生，通过 电化学形式储存 能量 。 控制策略是围绕上下分层控制系统的概念建立起来的。高空作业平台的高程 控制被假定 为 控制系统的主要目标。控制系统 的第二个目标是制定明确 的跟踪和保持在预定义的范围内的可再充电的电化学蓄电池的充电水平。在 境下开发 控制系统的仿真模型。控制系统仿真的示范性成果 被 一个液压动力结构驱动 安装在 特殊车辆空作业平台 例子 所显示 。 关键字：控制策略，混合动力驱动，能量恢复，环境的保护，模糊逻辑 从这篇文章中的图和表： 如图 1所示 减少车辆 的 废气排放一直是 多年 的 研究 目标 ，部分是迫于日益严格的环保立法。在 1997年 12月 的 第三届缔约方会议通过的 “京都议定书 ”， 旨 在减少 相比于 1990年的 温室气体排放量（ 平均 水平的 5 。 2005年 2月 16日 由俄罗斯批准后 生效 。 作为一个用于减少温室气体排放，提高燃油经济性和能源效率 的 装置 ， 混合动力系统正在受到关注 。 2 混合驱动汽车市场 动态 的增长 已经 多年。 现 代， 有 11 个大型汽车制造商 用于 交付或 深入 发展混合动力驱动 型 的车辆。即使这 些车商 主要 是 专供 乘用车 部分 ，应当强调的是 他们 进行了显着的努力， 从而 实现了 混合动力驱动 卡 车，送货车和公交车 1,2。 ， 一个 先进的运输技术财团，在 美国陆军国家汽车中心 （ 支持下 ，组织 一部分混合动力卡车用户论坛（ 计划试点项目， 以加快和协助混合商业化。根据制定的 合驱动车的市场份额 在 2010年 将达到约 9的增长 ， 2020年将达到近 的增长 。 还有重型机器和特殊用途车辆 ，都是 实现混合动力驱动的解决方案 可能出现的对象 。 但也有一些疑惑， 该应用程序在经济上 是否 是可行的。考虑到乘用车， 在 有关环保法规 的制定下 ， 需要 重要的角色扮演 “规模 的影响 ”。在重负荷 机器 的情况下 ，高空作业平台 的 挑选和携带移动式起重机 专用车辆的 升降设备 ， 应考虑其 在 混合动力解决方案中的应用驱动与操作制约和应用。 在许多情况下，该类机械的工作条件强烈限制或 甚至消 除燃烧的应用 引擎 。特别是封闭的空间领域，如工厂 商店，仓库，本质安全区 等。当前 实现柴油 - 电力驱动，可大大 推广使用该种设备 。 另一方面， 和其他 用于加工的市政服务 工程在人口高度密集的区域在夜间（街道喷雾器人士，垃圾车，电车的牵引网络服务车辆等） 的 公共服务领域 相比， 是 非常独特的 。经常 由 市民报道 ， 有关于服务项目问题的解决 是 关乎于 柴油发动机产生的噪声的水平。 一个 由瓦拉公司 4 设计 电池供电的起重机 路 线 的 例子 ， 就如何满足不断增加的法规控制室内起重作业时的环境条件 ， 最近对混合解决方案将报盘延期 。另一例子是 由伊顿公司5,6研究的，用于 高空作业平台设备的中型卡车 的混合动力系统 。伊顿公司 从 2007 年 8 月开始 使 中型混合动力系统的各种应用 商业化 ，例如一个：电信 和 直辖市，城市配送， 拒绝 ，城市公交大巴，挑选和携带等。 一种混合动力车辆，被定义为 一个具有一个以上的源功率。 虽然 几种不同类型的混合解决方案虽已在过去被 考虑， 但 目前仍在接受进一步的广泛 研究， 如混合动力电动汽车（ 1，它使用的电动机 /发电机和电池组（或其他电存储设备）和机械混合动力汽车用飞轮来储存能量。混合液压的车辆（ 2， 车辆加速时的 制动过程中 它存储捕获的动能 ，并将其存储在液压气动蓄能器并返回能量传动系统 。各个不同结构的混合驱动器（串行和并行 ）开发 7,8。 混合电力系统维护传统的传动系体系结构 ,当 添加 一个 能够提高发动机功率的电气 时 。 该系统的一个特点是它通常能够 恢复 在制动和储存时 丢失的能量，并存储在电池中 。存储的能量被用于改善燃油经济性和车辆性 ，只 能为给定 速度或用于操作车辆的电力系统 。 混合动力传动系 的控制 比 控制的 复杂得多。首先，需要 在五种可能的模式（只有电动机，仅发动机，动力辅助，充电和再生）中确定最佳的操作模式。此外，当动力 辅助模式或再充电模式被选择，则 发动机功率和电机功率需要进行选择， 以达到最佳燃油经济性，电池充电的平衡性 和可操作性。随着增加的动力传动系 的复杂性和需要实现多个 的 目标，最常用的 是采用两级控制体系结构 5。 以下分析功率控制系统的优化 :功率效率因素 ，燃油消耗和排放量已给出 3,9,10。调查主3 要集中在车辆制动阶段的动能再生 。 在本文中 ，设计一个动力管理控制系统，被描述成是一个配有 液压高空作业平台（ 备 的专用汽车的驱动系统。 该类型的车辆（ 被迫停止的占空比） 处理应认真考虑负载 势能的 可回收 性 11,12。 混合驱动相比 其他 被提议的 解决方案 的主要优点是 它是 一个简单的驱动架构。它不同于已知的解决方案， 那些广泛适用于 私家车 。 经典方法（私家车） 是 需要完全重新设计动力传动系统。创新的方法对于特殊用途的车辆 ，只需要扩展经典的 动和 扩 展单元。扩展单元组成的电动机加上 液压泵 /马达。该解决方案允许区分 热和电的 功率流 路径借助 于 液压子系统。然而，即使该解决方案不是 简单的从 功率 流的角度出发，它 任需 求先进的控制系统策略。 两层分层控制系统结构 在 本文中被提到。较低的控制水平是被 本地经典 的 比例 - 积分 - 微分（ 制器 所应用建造的 。 一个更高的控制水平是周围形成了一个模糊逻辑控制器 ( 目的是对低水平本地控制器动态设置控制规则。 点： 一个专 业 的汽 车 1）打 算 利用市政通信服务维修和保养电车 、有轨电 车 架空 导 线的 系统， 以及 组装和拆卸的轨道部。 图 2结构的混合动力驱动单元理念： X - 活塞杆的位移， V - 活塞杆速度， 塞式压力，R 1 - 阀（ 8）的开关信号， - 供应压力， 切换阀（ 7） 的信号 - U - 电池电压， I - 电池电流， 4 通常，这种类型的车辆 在 设计的 基础上，为 定期卡车的底盘配备了相应的工作配件。 该设备是建立在架空工作嵌入式平台（ 1）驱动的动臂（ 2）的端部的两个液压缸和液压回转马达（ 3）的集合。除了标准的道路上运行的轮胎，这些车辆的主要特征是可能在轨道上继续运行。具有低速液压马达驱动的额外的（ 4）轨道轮组实现了这一目标。 常常，牵引网络的维护和修理要耗时整晚，大都消耗在操作上。对于在维修工作的时间期间进行的，该车辆被停放 ;代替发动机连续不断地运行，并且驱动液压泵供应油给液压设备。在这个执行阶 段周期，工作设备的功率需求很低 - 值不超过 3，由于柴油发动机的额定功率 2 接近它的低效率和重大排放量操作点的区域。同时，柴油机还产生特别恼人的噪音。 上述缺点可以消除，例如通过引入额外的由一个电化学电池组成的电动机（ 在这种情况下， 车时车辆的动力向 而保持车辆平衡。 讨论的混合动力驱动系统的结构示意图 2。 用于电机的能源供给的是一组电化学蓄能器（ 5）。驱动设备单元的主要动力源是 动机牵引参数由脉冲宽度调制器（ 6）控制。它可能扭转电动机运行到发电机模式。 3）供应液压传动系统。 选择适当的工作点进行试转，成为第二液压泵（ 2）。液压油流量（ 2）和（ 3）在公共电源线上被添加在一起。液压切换阀（ 7）和（ 8）重定向油流量在干线电源上通过，要么储罐溢流到油箱阀或液压缸下活塞的腔室（ 9）。活塞缸（ 9）控制仰角臂（ 10）和间接高空作业平台部（ 11）的位置。很明显，气缸（ 9）控制负载的势能 5 图 3 结构的控制系统，概 念 :sp 定位点的位置。光伏 实际值的位置； e 用位置控制误差； sp 定位点取消或降低速度的实际工作压力；光伏 实际价值 ,用速度； 定位点的电池 阳能光伏电池 实际价值的电池 pv 实际价值的压力 伏 实际价值的压力 6 图 4 用隶属函数的位置控 制误差 以下几个阶段是 加以区别的 占空比混合动力驱动单元： - 提升的 - 较低的 - 停车 的 在 于 气缸（ 9） 的活塞式运转以及适当的吊杆上升运转 ， 油流的 添加或分化从泵（ 2）和（ 3）发生。万一流动减少，一个泵流量的一部分会 被引导到主 电源线，所述提供 一部分 驱动 流量 的泵（ 3）切换到电动机模式。在 的流动 方向在主油压供给线上发生 变化，油运行 泵（ 3） 和机械耦合的电动马达（ 4）。在这两个阶段中它 可能供给汽缸 （ 9）通过油供给泵 （ 3）由 电动马达（ 4） 驱动 。 电池 充电 （ 5）发生在 段 。在此阶段中， 泵（ 3） 是由石油供给给 泵（ 2） 所驱动的 。 在一 般情况下，功率控制策略的主要目标是操作混合动力驱动时尽可能达到高的能源效率和低的排放量，同时保持 指定车 的 辆性能 13。 控制系统的主要任务是最大限度地利用电力的混合动力驱动 。 这可以通过 应用被建议的功率控制战略 来实现 。这一战略是基于通过控制一组电池的电荷（ 状态从而操作 因为它是唯一可能的， 应使用电力驱动。 t = 表示为： 001( ) 1 ( )() C T i t d ; 7 其中： Q（ = Q = 1， i(t)的电池充电或充电电流。 同时， 一个电池组的 控制在最小的 最大的 间 ， 从而有效的 得到能源 的再生制动 ，使能量最少的 丢失 和对电池组的压力最小 。 最低和最高的 标准是根据 电池吸收再生能量的能力，并重新启动 交通工具系统所确定的 。在一般情况下， 最小的准和最大 准之间的差异，在于电池更多的可再生能源 能有效地吸收。然而，对于 在 准 内大跨度地操作可能会降低电池的使用寿命，同时受 放电深度 的影响 。因此， 最佳的最小和最大之间的水平 。考虑到电池的充电和放电效率，本文的 设置为 发动机和电动机之间的流量分布可以通过驱动反应的程度 （ 来确定 ： ; ( 0 , 1 )m o E m o H D O 其中： 发动机的功率， 电机功率。 合并后的电源管理 /设计优化问题可写为如下： ( ) ( )m i n ( ) m i n s p t p v te t X Xm i n m a C S O C S O C在 段出现最大值 中： T）所需的 t） 实际 的 为这个目的所设计出 的控制系统的结构在图 3。 图 3示出的控制系统的结构。该控制系统由两个循环： - - 控制电池组的 每个回路可以控制电动机控制器。控制信号是受 逻辑单元 管理 。它的目标是 适当的时刻供应平稳切换的控制信号 。 制系统 用一个级联结构来定位和控制速度 。模 糊控制器处理 是从实际的和需求 的平台位移 来计算的 。辅助控制器 被美联储以经典的 制器作为参考，把 它与实际速度的平台 比。第二控制回路 电池 的 这个循环是由 成的 。 池的充电 水平 。 制器的开发是基于已经开发的经典的级联控制器 控制器 经被选中， 因为其适合 控制 的非线性，多 领域的控制，并随时间 变化 有多种不确定因素 3的 工厂 。该控制器有两个输入：一个 控制 位置误差 ，和一个 测当前速度 。 算 速度 。 4由三个基本的 的块 组成 ： 模糊 化 ，推断 和 非 模糊化 。控制器的输入是在 模糊 块 被统一标准模糊化。事实上，模糊化把清晰的空间映射到模糊的空间。在这个过程中 ，对于适当的模糊值（模糊集） ， 把 每个鲜明的 输入信号的 每个样品 被转变为一组数字信号理解为 这个样本的隶属度 。 同 一的模糊化标准 输入 被供应 到一个推理机。 推理机是在模糊输入，模糊逻辑规则和知识 嵌入在规则库中（图 6） 进行模糊输出。该规则是根据相应的知识或通过依靠资料学习或从真实的后天获得或模拟实验建立起来的。模糊输出从推理机 被 转化 成鲜明值通过依靠非模糊化程序。模糊化的过程中，专门三角形和梯形隶属函数已被使用。每个 模糊 是依靠同一模糊化标准的 7个隶属函数的装置来实现的 （参见图 4和 5）。 推理过程中应用 的规则库 描绘在图 6。规则库 被设定 定量的知识 集 。总共有 49个 规则已经 被 对于清晰 度 ，规则库 以 彩色矩阵的形式显示。每个条目的矩阵对应于适当的模糊的输出（ ;呈现在 图 6的右侧垂直条的形式 。图 6 速度规则基于 使用概念是表 1中给出 传统的重力中心 14的方法已被应用于 模糊输出的 非模糊化。先进 的 中。 正如上面提到的，从 续的控制系统，通过控制 油压泵（图 2）旋转 的速度。速度控制器 的设置经过精心调校，以确保非周期性过渡（不过冲），即使在分步激发 的情况下（参见图 10和 11）。 9 线性 池的 3）。 （ 1） 使用电池电流 测量。一个额外的控制单元允许用于驱动电动液压 阀 的线圈阀 2。电动液压阀的控制信号，用于获得 供应压力 据活塞压力 以及电池的 电流和电压（ I， U）。 在提升 阶段的 述 的控制单元提供了 的电动液压阀（ 7）和（ 8）的 一个适当的激发。结果，根据气缸的滑阀腔 的 与 主油压供给线 连接 。后一个 到时，阀（ 8）朝着它的中间位置 驱动，这将完成的平台的移 动。在这里， 内燃机 燃烧 的能量 可用于电池充电。在电池充电阶段，充电控制器还在控制压合 液压缸的 滑阀 腔室。这防止不愉快情况， 电动液压阀（ 7）将切换到位置，引导油从泵（ 2）到油箱在 达到所要求的电池充电水平 之后 。 从 低级阶段 的平台 开始，控制单元 再次切换阀（ 7），均衡的供应和根据 活塞油 的压力。紧随其后 ，阀（ 8）将被切换 成上下移动的平台。势能平台在这一运动期间被转换成电的形式，并用于电池充电。 图 7 控制表面的 无冲击切换系统 模拟 实验显示，在 控制单元的操作模式 切换期间会出现 控制信号的逐步 变化 。这种现象应该被消除 ，因为 它可能降低 混合动力驱动 的可靠性数据。例如，一个逐步 改变的的控制信号，强制电动马达 动态变化的旋转速度 ，导致压力在供油线摆动。 一个特别小组已经开发，以避免突然变化的混合动力驱动控制信号的潜在影响 。 “ 本单元 的概念已被示于图 8。 块 比例的 加 加 分 。控制器的主要10 部分是配有设置控制器输出初始值的输入配置 。切换单元跟踪各自的输出：控制器 控制器输出 切换的时刻 ，跟踪系统的设置输出的积分动作 2的值满足下列条件： 一） 二） 换到 控制误差值 t = 0时）补偿辅助值 e k，由校正单元生成。校正值 e 0= 预定义的时间间隔 意味着， 控制值时对于直流电动机控制器的不会改变切换时刻。此操作可确保的切换电动机控制装置设定值时无冲击。后来 0时，输入的 er=e 。 混合动力驱动在 11中给出。模型的调整参数部分是从专用汽车 12所得的。开发的仿真模型具有的一般框图被示于图 9。 图 8 交换单元的方块图 11 图 9 以下组的主要参数已被用于模拟调查： 电解铅蓄电池标称容量 Q 00定电压 U 8 V， 定功率 P 5千瓦，标称转速速度 n 2300 柴油 机 额定功率 N = 120千瓦 液压泵 提供的标称单位 0-6 m3/液压缸活塞直径 D = 10毫米，最大行程 S = M= 680千克 V 秒速度的提升 /降低 ： 电池 充电的初级水平 = 模拟调查被作为 循环周期为 T =18秒 假设的职务执行 的， 以下 是 几个阶段： - 解除平台 H= - 停车平台， 秒， - 降低 平台 H= 提升和下降 10和 11。 12 图 10. 速度在 段 . 图 11. 速度在 段 如 度设定值由 在早期开始的平台提升阶段（图 10） 和更低的阶段 （图 11），当控制误差最大， 在实际系统中，这可能造成阻尼以 低振幅的速度振荡（参照图 10）。 平台 速度 的设定值和实际值 在平台运行的结束阶段 会无效 。这 个合理的方法，保证了所要 平台 的 位置。 一个 较低的 平台改变电池的充电水平 。 在 12。轻微 电池放电过程被 观察到 在 是由于由电动马达 装载电池运行液压泵 所造成的 。在 ， 可观察到 能量回收比率（在 能源 的 份额比上 约 36为例被考虑 。 13 图 12 电池 建议配置电池放电的 每一个责任周期是 连续循环的模拟得出结论， 920循环周期之 后。这是相当于 14.6 图 13。 间 占整个工作周期时间 74并 达 到 12。从而 可以得出 结论，即 有在电池不过度放电时才 能够供给的电动机 。 如下 所述 ，为整个 车辆的 工作 时间估计平均燃油消耗量可以降低约 24。 图 13 电池 一个用于混合动力驱动，由 已经研制成功。该系统 允许转移系统的工作点使其 运动轨迹 能达到 最佳的节能效果区域。模拟混合动力驱动的调查 结果 ，实验验证 表明 了 所开发的控制系14 统的正确性。 取得的模拟结果已经制定了一个固定 的基础 ，发展用于发展 原型 实验室控系统的调查 。本文提出的控制系统结构可以考虑 用 在混合动力驱动器的应用程序 中，其在占空比之后致动元件改变它的潜在能量 。例如：叉车，高空作业平台， 安装转盘的拖车 ，移动式起重机等。 有的 高空作业平台 驱动器 的投资，估计占车辆总 成本 的2。为进一步推广应用的技术经济可行性，研究报告应详细到每个个案。 致谢 作者答谢在波兰教育 部 和高等教育部 的资金支持下获得 5 192： 为市政工程发展建设环保的 专用车和机器 的 电动机械动力传送单元。 参考文献 1 2003 2 F. A. of a a 52, 2002, 425430. 3 B. B. G. of on 55(1), 2000, 2. 4 5 C. H. J. M. 003003. 6 R. J. S. p 0032003. 7 C. of of 0 (2) (2002)247275. 8 M. Y. A. 2004. 9 a 001 0012001. 10 D. M. H. An of a of J. 217 (9) (2003) 801807. 11 J. A. of of in on of of (9 (2005) 1519. 12 A. J. M. of of 5 in 2007, 269271, ( 13 A a CE 2, 0995, 11691175. 14 3 (1995) 345377. 英文原文 of a, a, b, b, a , 05b , 02he of a of is in to of by of in is up of of is as of of is in of of in A is of on of a on 1. he of an of it is by at 997, is to by an % 990 It 6, 2005 as a HG by is up to or to is on it be is to in 1,2. 3, an as of ) to up to to % 010 020. of if is in of of . In of or of is of or of In is of as of of of on of is to be in . It is by to be is of by An on to is 4,is a 5,6007 in a of a: so A is as of of in 1. 1, a or to 2, it in to of 7,8 to of is to in is to a or to of is CE to or is to be to to a is 5. 2. of x v of 8), of 7), EM U I of 3. of of WP of WP of or of of WP of of of of ID of ,9,10. on of in of In of a a of of of WP be as 11,12. of is a It in of of CE is of to of is of of it is in A is by of A is a of . of 1) is of of is by of on of is up (1) at of 2) by of 3)a on of is to on is of 4) as of of is is of is is to to In of a is % of 2, to of be by an by an In CE to s be M of is 2 is a of 5). of is M. by 6). It is to s M 3) in 2)2) 3) in 7) 8) in to or to of 9)9) of 10) 11). It is of 9) of is or to be in of of of of PL as a of of s (9) or of 2) 3) In of of of 2) is to of 3) PD of in 3), 4). In it is to 9) by by 3) by 4). a 5) in PP In WP is 3) is by by 2). 4. of WP 3. n of is to 13of is of be by of is on WP to of by of of a As it is be PL PD of is of of a to be in in be 001( ) 1 ( )() C T i t d ; (of 1,i(t) or OC of a be a OC a OC to on OC to of a to to In OC OC a of OC s is by of OC be OC is in be of of ; ( 0 , 1 )m o E m o H D O be as ( ) ( )m i n ( ) m i n s p t p v te t X Xm i n m a C S O C S O Ct) 2 WP PV(t) 2 WP A of is 3. 3 of of of WP of OC of by It is to of WP a of It is is as to ID it is of OC of in ID of of 5. of WP of WP on of ID LC of of 3. a of WP of LC of WP ID of 14 of of in In of of In of is of as of to to an in 6). is on or by of or is or is by of in of In WP by of 4 ). is 6. is as of A 9 is in of to is in of in 6. of 14 of A of LC 7. As LC is to WP ID of WP is in by of 2). of to in of 10 1). he ID of s 3). OC is (1) of of An of 1 2. of I, U) of 6. of WP is . 7. of In of an 7) 8). In of is a of WP is 8) be of of be In I 摘 要 本次设计的题目是 动桥设计。驱动桥一般由主减速器、差速器、半轴及桥壳四部分组成，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、右车轮，并使左、右驱动车轮具有汽车行驶运动学所要求的差速功能；此外，还要承受作用于路面和车架或车厢之间的铅垂力、纵向力和横向力。 保证足够的离地间隙，满足汽车的通过性，同时需要满足较大的传动比， 本文首先 确定 驱动桥的总体结构，在分析驱动桥各部分结构型式，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双级减速器，主减速器齿轮采用螺旋锥齿轮，差速器采用普通对称式圆锥行星齿轮差速器，半轴型式采用全浮式， 桥壳采用 铸造整体式桥壳。 在本次设计中， 主要完成了 双级减速器、圆锥行星齿轮差速器、全浮式半轴、 桥壳的设计工作。 关键词 ： 驱动桥；主减速器；全浮式半轴；桥壳； he of is is to or it to is on or to by at to of is in at On of of s s In we i 目 录 摘 要 . I . 错误 !未定义书签。 第 1 章 绪 论 . 1 计题目主要参数 . 1 动桥的结构及其种类 . 1 车车桥的种类 . 1 动桥的种类及其结构组成 . 1 动桥结构组成 . 2 计主要内容 . 6 第 2 章 设计方案的确定 . 8 减速比的计算 . 8 减速器结构方案的确定 . 8 速器的选择 . 9 轴型式的确定 . 9 壳型式的确定 . 10 章小结 . 10 第 3 章 主减速器的基本参数选择与设计 . 11 减速齿轮计算载荷的计算 . 11 减速器齿轮参数的选择 . 12 减速器螺旋锥齿轮的几何尺寸计算与强度计算 . 12 减速器螺旋锥齿轮的几何尺寸计算 . 12 减速器螺旋锥齿轮的强度计算 . 14 减速器齿轮的材料及热处理 . 17 减速器轴承的计算 . 18 减速器的润滑 . 21 章小结 . 21 第 4 章 差速器设计 . 22 言 . 22 速器的作用 . 22 称式圆锥行星齿轮差速器 . 22 速器齿轮的基本参数选择 . 23 速器齿轮的几何尺寸计算与强度计算 . 24 章小结 . 27 第 5 章 半轴设计 . 28 言 . 28 轴的设计与计算 . 28 浮式半轴的设计计算 . 28 轴的结构设计及材料与热处理 . 30 章小结 . 31 第 6 章 驱动桥桥壳设计 . 31 言 . 31 壳的受力分析及强度计算 . 31 壳的静弯曲应力计算 . 31 不平路面冲击载荷作用下桥壳的强度计算 . 32 车以最大牵引力行驶时的桥壳的强度计算 . 32 车紧急制动时的桥壳强度计算 . 34 章小结 . 38 结 论 . 39 参考文献 . 40 致 谢 . 40 附 录 . 42 1 第 1 章 绪 论 计题目主要参数 本次设计 任务 是 车 驱动桥的设计。 技术参数： 最高车速： km/h 90 前轮距 1830 后轮距 1720 发动机最大功率 kW/r/ 118/2500 发动机最大转矩 m/n r (r/ 560/1600 装载质量 5500 汽车总质量 9000 最小离地间隙 180 轮胎 (轮辋宽度 英寸 20 主减速器形式：双级 主减速比较大 变速器最低档传动比： 大爬坡度： 28% 汽车传动系传动效率： 90% 动桥的结构及其种类 车车桥的种类 车桥 (也称车轴 )通过悬架与车架 (或承载式车身 )相连，它的两端安装车轮，其功用是传递车架 (或承载式车身 )于车轮之间各方向的作用力及其力矩。 根据悬架结构的不同，车桥分为整体式和断开式两种。当采用非独立悬架时，车桥中部是刚性的实心或空心梁，这种车桥即为整体式 车桥；断开式车桥为活动关节式结构，与独立悬架配用。 根据车桥上车轮的作用，车桥又可分为转向桥、驱动桥、转向驱动桥和支持桥四种类型。其中，转向桥和支持桥都属于从动桥，一般货车多以前桥为转向桥，而后桥或中后两桥为驱动桥。 动桥的种类及其结构组成 驱动桥作为汽车的重要的组成部分处于传动系的末端，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、石驱动车轮 2 具有汽车行驶运动学所要求的差速功能；同时，驱动桥还要承受作用于路面和车架或车厢之间的铅垂力、纵向力和横向力。 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如图 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1半轴 2圆锥滚子轴承 3支承螺栓 4主减速器从动锥齿轮 5油封 6主减速器主动锥齿轮 7弹簧座 8垫圈 9轮毂 10调整螺母 图 动桥 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，乃是设计者必须先解决的问题。 驱动桥的结构型式与驱动车轮的悬挂型式密切相关。当驱动车轮采用非独立悬挂时，例如在绝大多数的载货汽车和部分小轿车上，都是采用非断开式驱动桥；当驱动车轮采用独立悬挂时，则配以断开式驱动桥。 本次设计采用非独立悬架，整体式驱动桥。这种类型的车一般的设计多采用 单 级减速器，它与 双 级减速器相比，在保证离地间隙的同时可以增大主传动比。 动桥结构组成 1） 主减速器型式及其现状 主减速器 的结构形式，主要是根据其齿轮类型、主动齿轮和从动齿轮的安装 (1)主减速器齿轮的类型 在现代汽车驱动桥中，主减速器采用得最广泛的是螺旋锥齿轮和双曲面齿轮。 螺旋锥齿轮如图 1.2(a)所示主、从动齿轮轴线交于一点，交角都采用 90 度。螺旋锥齿轮的重合度大，啮合过程是由点到线，因此，螺旋锥齿轮能承受大的载荷，而且工作平稳，即使在高速运转时其噪声和振动也是很小的。 双曲面齿轮如图 1.2(b)所示主、从动齿轮轴线不相交而呈空间交叉。和螺旋锥齿轮相比，双曲面齿轮的优点有： 3 尺寸相同时，双曲面齿轮有更大的传动比。 传动比一定时，如果主动齿轮尺寸相同，双曲面齿轮比螺旋锥齿轮有较大轴径，较高的轮齿强度以及较大的主动齿轮轴和轴承刚度。 图 旋锥齿轮与双曲面齿轮 当传动比一定，主动齿轮尺寸相同时，双曲面从动齿轮的直径较小，有较大的离地间隙。 工作过程中，双曲面齿轮副既存在沿齿高方向的侧向滑动，又有沿齿长方向的纵向滑动，这可以改善齿轮的磨合过程，使其具有更高的运转平稳性。 双曲面齿轮传动有如下缺点： 长方向的纵向滑动使摩擦损失增加，降低了传动效率。 齿面间有大的压力和摩擦功，使齿轮抗啮合能力降低。 双曲面 主动齿轮具有较大的轴向力，使其轴承负荷增大。 双曲面齿轮必须采用可改善油膜强度和防刮伤添加剂的特种润滑油。 (2)主减速器主动锥齿轮的支承形式及安装方式的选择 现在汽车主减速器主动锥齿轮的支承形式有如下两种： 悬臂式 悬臂式支承结构如图 示，其特点是在锥齿轮大端一侧采用较长的轴径，其上安装两个圆锥滚子轴承。为了减小悬臂长度 a 和增加两端的距离 b，以改善支承刚度，应使两轴承圆锥滚子向外。悬臂式支承结构简单，支承刚度较差，多用于传递转钜较小的轿车、轻型货车的单级主减速器及许多双级主减速器中。 图 齿轮悬臂式支承 4 骑马式 骑马式支承结构如图 示，其特点是在锥齿轮的两端均有轴承支承，这样可大大增加支承刚度，又使轴承负荷减小，齿轮啮合条件改善，在需要传递较大转矩情况下，最好采用骑马式支承 。 图 动锥齿轮骑马式支承 (3)从动锥齿轮的支承方式和安装方式的选择 从动锥齿轮的两端支承多采用圆锥滚子轴承，安装时应使它们的圆锥滚子大端相向朝内，而小端相向朝外。为了防止从动锥齿轮在轴向载荷作用下的偏移，圆锥滚子轴承应用两端的调整螺母调整。主减速器从动锥齿轮采用无辐式结构并用细牙螺钉 以精度较高的紧配固定在差速器壳的凸缘上 5。 (4)主减速器的轴承预紧及齿轮啮合调整 支承主减速器的圆锥滚子轴承需预紧以消除安装的原始间隙、磨合期间该间隙的增大及增强支承刚度。分析可知，当轴向力于弹簧变形呈线性关系时，预紧使轴向位移减小至原来的 1/2。预紧力虽然可以增大支承刚度，改善齿轮的啮合和轴承工作条件，但当预紧力超过某一理想值时，轴承寿命会急剧下降。主减速器轴承的预紧值可取为以发动机最大转矩时换算所得轴向力的 30。 主动锥齿轮轴承预紧度的调整采用套筒与垫片，从动锥齿轮轴承预紧度的调整采用调整螺母 。 (5)主减速器的减速形式 主减速器的减速形式分为单级减速、双级减速 (单级贯通、双级贯通、主减速及轮边减速等。减速形式的选择与汽车的类型及使用条件有关，有时也与制造厂的产品系列及制造条件有关，但它主要取决于由动力性、经济性等整车性能所要求的主减速比 动桥的数目及布置形式等。通常单极减速器用于主减速比 各种中小型汽车上。 2） 根据汽车行驶运动学的要求和实际的车轮、道路以及它们之间的相互联系表明：汽车在行驶过程中左右车轮在同 一时间内所滚过的行程往往是有差别的。例如，拐弯时外侧车轮行驶总要比内侧长。另外，即使汽车作直线行驶，也会由于左右车轮在同 5 一时间内所滚过的路面垂向波形的不同，或由于左右车轮轮胎气压、轮胎负荷、胎面磨损程度的不同以及制造误差等因素引起左右车轮外径不同或滚动半径不相等而要求 (a) 单级主减速器 (b) 双级主减速器 图 减速器 车轮行程不等。在左右车轮行程不等的情况下，如果采用一根整体的驱动车轮轴将动力 传给左右车轮，则会由于左右车轮的转速虽然相等而行程却又不同的这一运动学上的矛盾，引起某一驱动车轮产生滑转或滑移。这不仅会是轮胎过早磨、无益地消耗功率和燃料及使驱动车轮轴超载等，还会因为不能按所要求的瞬时中心转向而使操纵性变坏。此外，由于车轮与路面间尤其在转弯时有大的滑转或滑移，易使汽车在转向时失去抗侧滑能力而使稳定性变坏。为了消除由于左右车轮在运动学上的不协调而产生的这些弊病，汽车左右驱动轮间都有差速器，后者保证了汽车驱动桥两侧车轮在行程不等时具有以下不同速度旋转的特性，从而满足了汽车行驶运动学的要求。 差速器的结构型式选择，应从所设计汽车的类型及其使用条件出发，以满足该型汽车在给定的使用条件下的使用性能要求。 差速器的结构型式有多种，大多数汽车都属于公路运输车辆，对于在公路上和市区行驶的汽车来说，由于路面较好，各驱动车轮与路面的附着系数变化很小，因此几乎都采用了结构简单、工作平稳、制造方便、用于公路汽车也很可靠的普通对称式圆锥行星齿轮差速器，作为安装在左、右驱动车轮间的所谓轮间差速器使用；对于经常行驶在泥泞、松软土路或无路地区的越野汽车来说，为了防止因某一侧驱动车轮滑转而陷车，则可采用防滑差速器。后者又 分为强制锁止式和自然锁止式两类。自锁式差速器又有多种结构式的高摩擦式和自由轮式的以及变传动比式的。 6 3） 驱动车轮的传动装置置位于汽车传动系的末端，其功用是将转矩由差速器半轴齿轮传给驱动车轮。在断开式驱动桥和转向驱动桥中驱动车轮的传动装置包括半轴和万向接传动装置且多采用等速万向节。在一般非断开式驱动桥上，驱动车轮的传动装置就是半轴，这时半轴将差速器半铀齿轮与轮 毂 连接起来。在装有轮边减速器的驱动桥上，半轴将半轴齿轮与轮边减速器的主动齿轮连接起来。 半浮式半轴具有结构简单、质量小、尺寸紧凑、 造价低廉等优点。主要用于质量较小，使用条件好，承载负荷也不大的轿车和轻型载货汽车。 3/4 浮式半轴，因其侧向力引起弯矩使轴承有歪斜的趋势，这将急剧降低轴承的寿命，故未得到推广。 全浮式半轴广泛应用于轻型以上的各类汽车上 ,本设计采用此种半轴。 4） 驱动桥桥壳是汽车上的主要零件之一，非断开式驱动桥的桥壳起着支承汽车荷重的作用，并将载荷传给车轮。作用在驱动车轮上的牵引力、制动力、侧向力和垂向力也是经过桥壳传到悬挂及车架或车厢上。因此桥完既是承载件又是传力件，同时它又是主减速器、差速器及驱动车轮 传动装置 (如半轴 )的外壳。 在汽车行驶过程中，桥壳承受繁重的载荷，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。 结构形式分类：可分式、整体式、组合式。 按制造工艺不同分类： 铸造式 强度、刚度较大，但质量大，加工面多，制造工艺复 杂，用于中重型货车，本设计采用铸造桥壳。 钢板焊接冲压式 质量小，材料利用率高，制造成本低，适于大量生产，轿车和中小型货车，部分重型货车。 计主要内容 (1) 完成驱动桥 的 主减速器、差速器、半轴、驱动桥桥壳的结构形式选择 (2) 完成主减速器的基本参数选择与设计计算 (3) 完成差速器的设计与计算 (4) 完成半轴的设计与计算 7 (5) 完成驱动桥桥壳的受力分析及强度计算 (6) 绘制装配图及零件图 7 第 2 章 设计方案的确定 减速比的计算 主减速比对主减速器的结构形式、轮廓尺寸、质量大小以及当变速器处于最高档位时汽车的动力性和燃料经济性都有直接影响。0利用在不同的下的功率平衡图来计算对汽车动力性的影响。通过优化设计，对发动机与传动系参数作最佳匹配的方法来选择0是汽车获得最佳的动力性和燃料经济性。 为了得到足够的功率而使最高车速稍有下降，一般选得比最小值大 10% 25%，即按下式 选择： a iv （ 式中： r 车轮的滚动半径 ， r =d+(1- )b=m) ， 轮辋直径 d=20 英寸轮辋宽度 b=11 英寸， = 变速器最高档传动比 直接档 )。 减速器结构方案的确定 (1)主减速器齿轮的类型 螺旋锥齿轮能承受大的载荷，而且工作平稳，即使在高速运转时其噪声和振动也是很小的。本次设计采用螺旋锥齿轮。 (2)主减速器主动锥齿轮的支承形式及安装方式的选择 本次设计选用： 主动锥齿轮：悬臂式支撑 (圆锥滚子轴承 ) 从动锥齿轮：骑马式支撑 (圆锥滚子轴承 ) (3)从动锥齿轮的支承方式和安装方式的选择 从动锥齿轮的两端支承多采用圆锥滚子轴承，安装时应使它们的圆锥滚子大端相向朝内，而小端相向朝外。为了 防止从动锥齿轮在轴向载荷作用下的偏移，圆锥滚子轴承应用两端的调整螺母调整。主减速器从动锥齿轮采用无辐式结构并用细牙螺钉以精度较高的紧配固定在差速器壳的凸缘上。 (4)主减速器的轴承预紧及齿轮啮合调整 支承主减速器的圆锥滚子轴承需预紧以消除安装的原始间隙、磨合期间该间隙的增大及增强支承刚度。分析可知，当轴向力于弹簧变形呈线性关系时，预紧使轴向位移减小至原来的 1/2。预紧力虽然可以增大支承刚度，改善齿轮的啮合和轴承工作条 8 件，但当预紧力超过某一理想值时，轴承寿命会急剧下降。主减速器轴承的预紧值可取为以发动机最大转 矩时换算所得轴向力的 30。 主动锥齿轮轴承预紧度的调整采用波形套筒，从动锥齿轮轴承预紧度的调整采用调整螺母。 (5)主减速器的减速形式 主减速器的减速形式分为单级减速、双级减速、单级贯通、双级贯通、主减速及轮边减速等。减速形式的选择与汽车的类型及使用条件有关，有时也与制造厂的产品系列及制造条件有关，但它主要取决于由动力性、经济性等整车性能所要求的主减速比的大小及驱动桥下的离地间隙、驱动桥的数目及布置形式等。 本次设计采用双级减速，主要从传动比及它是载重量超过 6 速器的选择 差速器的结构型式选择，应从所设计汽车的类型及其使用条件出发，以满足该型汽车在给定的使用条件下的使用性能要求。 差速器的结构型式有多种，大多数汽车都属于公路运输车辆，对于在公路上和市区行驶的汽车来说，由于路面较好，各驱动车轮与路面的附着系数变化很小，因此几乎都采用了结构简单、工作平稳、制造方便、用于公路汽车也很可靠的普通对称式圆锥行星齿轮差速器，作为安装在左、右驱动车轮间的所谓轮间差速器使用；对于经常行驶在泥泞、松软土路或无路地区的越野汽车来说，为了防止因某一侧驱动车轮滑转而陷车，则可采用防滑差 速器。后者又分为强制锁止式和自然锁止式两类。自锁式差速器又有多种结构式的高摩擦式和自由轮式的以及变传动比式的。但对于本设计的车型来说只选用普通的对称式圆锥行星齿轮差速器即可。 本次设计选用：普通锥齿轮式差速器，因为它结构简单，工作平稳可靠，适用于本次设计的汽车驱动桥。 轴型式的确定 3/4 浮式半轴，因其侧向力引起弯矩使轴承有歪斜的趋势，这将急剧降低轴承的寿命，故未得到推广。全浮式半轴广泛应用于轻型以上的各类汽车上。本次设计选择全浮式半轴。 壳型式的确定 整体式桥壳的特点是将整个桥壳制成一 个整体，桥壳犹如一个整体的空心梁，其强度及刚度都比较好。且桥壳与主减速器壳分作两体，主减速器齿轮及差速器均装在 9 独立的主减速壳里，构成单独的总成，调整好后再由桥壳中部前面装入桥壳内，并与桥壳用螺栓固定在一起。使主减速器和差速器的拆装、调整、维修、保养等都十分方便。其主要缺点是桥壳不能做成复杂而理想的断面，壁厚一定，故难于调整应力分布。 铸造式桥壳 强度、刚度较大 多 用于重型货车。 本次设计驱动桥壳就选用 铸 造 式 整体式桥壳。 章小结 本章 首先确定了主减速比，以方便确定其它参数。对主减速器型式确定中主要从主减 速器齿轮的类型 、 主减速器主动锥齿轮的支承形式及安装方式的选择 、 从动锥齿轮的支承方式和安装方式的选择 、 主减速器的轴承预紧及齿轮啮合调整 及 主减速器的减速形式 上得以确定从而逐步给出 驱动桥 各个总成 的基本 结构 ， 分析了驱动桥各总成结构组成 。 11 第 3 章 主减速器的基本参数选择与设计计算 减速齿轮计算载荷的计算 通常是将发动机最大转矩配以传动系最低档传动比时和驱动车轮打滑时这两种情况下作用于主减速器从动齿轮上的转矩 (T ,)的较小者，作为载货汽车计算中用以验算主减速器从 动齿轮最大应力的计算载荷。即 0m a x/n=24942 ( ) (i 2=44236( ) (式中： 发动机最大转矩 700 ； 由发动机到所计算的主加速器从动齿轮之间的传动系最低档传动比； 0i 1i =m a x m a a x 0( c o s s i n )rt g TG f 根据同类型车型的变速器传动比选取 1i = 式中： T 上述传动部分的效率，取 T = 0K 超载系数，取0K= n 驱动桥数目 1； 2G 汽车满载时驱动桥给水平地面的最大负荷， N；但后桥来说还应考虑到 汽车加速时负荷增大量，可初取： 2G =满G0%= i, 分别为由所计算的主减速器从动齿轮到驱动轮之间的传动效率和减速比 ,分别取 。 由式 (式 (得的计算载荷，是最大转矩而不是正常持续转矩，不能用它作为疲劳损坏依据。对于公路车辆来说，使用条件较非公路用车辆稳定，其正常持续转矩是根据所谓平均牵引力的值来确定的，即主加速器的平均计算转矩为 )()(=) (式中： 汽车满载总重 15060 所牵引的挂车满载总重 ,N, 仅用于牵引车取 0； 道路滚动阻力系数，货车通常取 初取 = 汽车正常使用时的平均爬坡能力系数。货车通常取 初取 12 汽车性能系数 )(1 9 0 01m a (当 m G =6 时，取 0 减速器齿轮参数的选择 (1)齿数的选择 对于普通双级主减速器，由于第一级的减速比 通常 这时，第一级主动锥齿轮的齿数 选的较大，约在 915 范围内。第二级圆柱齿轮传动的齿数和，可选在 6810 的范围内。 (2)节圆直径地选择 根据从动锥齿轮的计算转矩 (见式 式 取两者中较小的一个为计算依据 )按经验公式选出： 32 2 = (式中：2 直径系数，取23 16； 计算转 矩， ， 取jT， 计算得， 2d =取 2d =250 (3)齿轮端面模数的选择 2d 选定后，可按式 22 / 算出从动齿轮大端模数，并用下式校核 3t T = (4) 齿 面 宽 的 选 择 汽 车 主 减 速 器 螺 旋 锥 齿 轮 齿 面 宽 度 推 荐 为 ：F=d =可初取 40 (5)螺旋锥齿轮螺旋方向 一般情况下主动齿轮为左旋，从动齿轮为右旋，以使二齿轮的轴向力有互相斥离的趋势。 (6)螺旋角的选择 螺旋角应足够大以使 大传动就愈平稳噪声就愈低。螺旋角过大时会引起轴向力亦过大，因此应有一个适当的范围。在一般机械制造用的标准制中，螺旋角推荐用 35 。 减速器螺旋锥齿轮的几何尺寸计算与强度计算 减速器螺旋锥齿轮的几何尺寸计算 主减速器圆弧齿螺旋锥 齿轮的几何尺寸计算 双重收缩齿的优点在于能提高小齿 13 轮粗切工序。双重收缩齿的齿轮参数，其大、小齿轮根锥角的选定是考虑到用一把实用上最大的刀顶距的粗切刀，切出沿齿面宽方向正确的齿厚收缩来。当大齿轮直径大于刀盘半径时采用这种方法是最好的。 主减速器锥齿轮的几何尺寸计算见表 表 主减速器锥齿轮的几何尺寸计算用表 序号 项 目 计 算 公 式 计 算 结 果 1 主动齿轮齿数 1z 13 2 从动齿轮齿数 2z 25 3 模数 m 10 4 齿面宽 b 2b =40 5 工作齿高 7 6 全齿高 h = 7 法向压力角 =8 轴交角 =90 9 节圆直径 d =m z 1d 130 2d =250 10 节锥角 1 12 =90- 1 1 =2 =11 节锥距 11d =22d 12 周节 t=m t
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