车辆工程毕业设计（论文）-基于有限元中型货车半轴与桥壳的设计【全套图纸】 .doc

本科学生毕业设计基于有限元中型货车半轴与桥壳的设计 系部名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆工程 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲 师 the graduation design for bachelors degreemedium goods vehicle axle based on finite element design and axle housingcandidate：specialty： vehicleengineeringclass： b07-4supervisor：lecturer. heilongjiang institute of technology 摘 要中型货车在汽车行业中应用较广泛，而半轴与桥壳是中型货车重要的承载件和传力件。驱动桥壳支承汽车重量，并将载荷传给车轮。其设计的成功与否决定着车辆的动力性、平顺性、经济性等多方面的设计要求。因此，驱动桥壳应具有足够的强度、刚度和良好的动态特性，合理地设计驱动桥壳也是提高汽车平顺性的重要措施。本文以有限元静态分析理论为基础，将cad软件pro/e和ansys结合运用主要完成了以下设计内容：（1） 驱动桥的总体方案确定和半轴的设计校核；（2） 驱动桥的设计和多工况校核；（3） 桥壳模型的简化和pro/e建模；（4） 运用ansys软件对桥壳进行多工况分析，验证设计的合理性。将cad软件pro/e和ansys结合运用，完成了从驱动桥壳和半轴三维建模到有限元分析的整个过程，并对其进行了强度和刚度的校核。 全套图纸，加153893706关键词： ansys；驱动桥壳；半轴；静力分析；强度；刚度abstractmedium goods vehicle applications in the automotive industry more widely, and axle and the axle housing is an important medium goods vehicle parts and force the bearing parts. vehicle weight bearing axle, and wheel loads pass.朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典designed to determine the success of vehicle dynamics, ride comfort, economy and other aspects of the design requirements. therefore, the drive axle housing should have sufficient strength, stiffness and good dynamic characteristics, the rational design of drive axle to improve vehicle ride comfort is also an important measure. in this paper, the finite element static analysis based on the theory, ansys and the cad software pro/e combined use of the design was completed for the following elements: (1) the overall scheme for the drive axle and axle design verification; (2) drive axle design and multi-condition check; (3) shell model bridge model simplification and pro/e; (4) the use of ansys software, multi-axle condition analysis, verify the design is reasonable. pro/e cad software and ansys will be combined with the use of complete three-dimensional modeling from the drive axle to the finite element analysis of the entire process, and gain checking the strength and stiffness. key words: ansys; drive axle housing; static analysis; strength; stiffness52目 录摘要iabstractii第1章 绪论11.1选题背景目的及意义11.2国内外研究状况.11.3设计主要内容和拟解决的问题3第2章 驱动桥的总体方案确定42.1设计车型主要参数42.2驱动桥形式的确定62.3半轴形式的确定72.4驱动桥设计要求82.5本章小结9第3章 驱动半轴的设计103.1全浮式半轴计算载荷的确定103.2全浮式半轴的杆部直径的初选113.3全浮式半轴的强度计算.113.4半轴花键的强度计算123.5半轴材料与热处理133.6本章小结.14第4章 驱动桥壳的设计.144.1铸造整体式桥壳的结构.144.2桥壳的受力分析与强度计算.154.2.1桥壳的静弯曲应力计算.154.2.2在不平路面冲击载荷作用下的桥壳强度计算.174.2.3汽车以最大牵引力行驶时的桥壳强度计算.184.2.4汽车紧急制动时的桥壳强度计算.194.2.5汽车受最大侧向力时桥壳的强度计算.224.3本章小结.23第5章 驱动桥壳几何模型的建立.245.1 pro/e的简介245.2几何模型的简化.245.3驱动桥桥壳几何模型的建立.255.4本章小结.27第6章 驱动桥壳的有限元分析.286.1驱动桥壳的静力分析.286.1.1驱动桥桥壳静力分析的典型工况286.1.2载荷与约束的处理306.2各工况的ansys分析过程详述316.3各个工况的ansys分析结果.366.4驱动桥壳的模态分析.386.5驱动桥ansys分析过程详述.386.6驱动桥ansys分析结果.406.7本章小结.43结论.44参考文献.45致谢.46附录.47第1章 绪 论1.1 选题背景目的及意义驱动桥壳是汽车上重要的承载件和传力件。驱动桥壳支承汽车重量, 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、垂向力也是经过桥壳传到悬挂及车架或车厢上。因此, 驱动桥壳的使用寿命直接影响汽车的有效使用寿命。合理地设计驱动桥壳, 使其具有足够的强度、刚度和良好的动态特性, 减少桥壳的质量, 有利于降低动载荷, 提高汽车行驶的平顺性和舒适性。驱动桥壳的常规设计方法是将桥壳看成一个简支梁并校核几种典型计算工况下某些特定断面的最大应力值, 然后考虑一个安全系数来确定工作应力, 这种设计方法有很多局限性。因此近年来, 许多研究人员利用有限元方法对驱动桥壳进行了计算和分析。并利用有限元分析软件ansys对某型货车上使用的整体式驱动桥壳进。1.2国内外研究状况汽车驱动桥壳既是承载零件, 也是传力部件, 同时又是主减速器、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。过去我国主要是通过对桥壳样品进行台架试验和整车行驶试验考核桥壳强度和刚度。有时还采用在桥壳上贴应变片的电测方法，让汽车在典型路段上满载行驶，以测定桥壳的应力。这些方法只有在有桥壳样品的情况下才能使用，而且需要付出相当大的人力、物力和时间。日本五十铃公司曾采用略去桥壳后盖，将桥壳中部安装主减速器处的凸包简化成规则的环形的简化方法，用弹性力学进行应力和变形的计算。弹性力学计算方法本身虽精确，但由于对桥壳的几何形状作了较多的简化，使计算结果受到很大的限制。通常情况下，设计桥壳时多采用常规的设计方法，将桥壳看成是一简支梁，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 倍满载轴荷的作用下，弹簧座处、桥壳与半轴套管焊接处、轮毂内轴承根部圆角处各断面的应力不应超过屈服极限。我国通常推荐将桥壳复杂的受力状况简化为四种典型的计算工况：（1）汽车满载以较高车速在不平路面行驶受到冲击载荷和受最大的垂直载荷工况； （1）汽车满载以较高车速在不平路面行驶受到冲击载荷和受最大的垂直载荷工况；（2）汽车满载传递最大牵引力工况；（3）汽车紧急制动承受最大制动力工况；（4）汽车最大侧向力工况。在这四种典型工况下，只要桥壳的强度得到保证，就认为该桥壳在汽车的各种行驶条件下是可靠的。传统的桥壳强度的计算方法，只能近似计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的真实情况。因此，这种方法仅用于对桥壳强度的验算，或用来与其它车型的桥壳强度进行比较，而不能用于计算桥壳上某点的真实应力值。有限单元法是近三四十年随着计算机的发展而发展起来的用于各种结构分析的数值计算方法，在一定的前提条件下，它可以计算各种机械零件的几乎所有几何部位的应力和应变。由于有限元法能够很好地模拟零部件的实际形状、结构、受力和约束，因此，其计算结果更精确，也更接近实际，可以作为设计、改进零部件的依据。同时，可以利用有限元分析的结果进行多方案的比较，有利于设计方案的优化和产品的改进。有限元法解决了过去对复杂结构作精确计算的困难，改变了传统的经验设计方法，有限元软件已经成为一个广为接受的工程分析工具。目前国外有限元方法在汽车分析中得到了广泛的使用，有限元分析除了汽车结构的强度、刚度计算外，还在车身的结构的摸态分析、操纵稳定性分析、整车振动分析、传热分析（如汽缸、汽缸盖在气室燃烧时的温度分布）、空气动力学分析等各方面发挥着重要的作用。在国外，二十世纪七十年代前后，有限元方法逐渐在汽车桥壳的强度分析中得到应用。例如，美国的机械研究所、万国汽车公司等，都曾经使用有限元法计算过桥壳的强度。我国工程使用有限元分析方法起步较晚，但是发展较快,特别是近十年来,有限元分析方法在工程中特别是在汽车领域的应用也变得越来越广泛，也取得了一些成果。如东南大学的羊扮，孙庆鸿等应用ansys软件对影响驱动桥壳强度和刚度的因素进行了研究，并进行了产品结构优化设计。优化后的桥壳本体厚度由8mm降至7mm，质量减轻了4.2千克。东风汽车公司技术中心的唐述斌，谷莉按经验对eq1090e汽车的后桥桥壳厚度进行减薄，然后通过计算和试验进行校核，取得了减重8kg的效果。从国内的研究现状可以看到，国内对桥壳的有限元分析虽然做了很多工作，但是与国外的研究相比有较大的差距，主要表现在多是按照经验修改主要部件的尺寸参数，往往只校核在静态工况下的强度和刚度；在桥壳的设计过程中使用有限元分析软件指导设计的应用范围较小，往往只是几个大的集团公司采用了这种先进的设计方法，大部分中小企业还未能将其应用于实际生产过程中。1.3 设计主要内容和拟解决的问题1、设计内容依据主要技术指标确定半轴与桥壳的类型，对其结构进行设计，并计算相应参数尺寸，对主要结构尺寸进行校合，有限元技术在ansys中对半轴与桥壳进行强度校核，对其应力分布和变形分布状况进行研究，验证设计的合理性。2、拟解决问题（1）半轴的设计1）半轴计算载荷的确定2）半轴的杆部直径的初选3）半轴的强度计算4）半轴花键的强度计算（2） 桥壳的设计1）桥壳的受力分析2）桥壳的静弯曲应力计算3）各种工况下桥壳强度的校核（3） ansys软件分析验证 （4） 利用cad软件绘制半轴与桥壳图纸。 第2章 驱动桥的总体方案确定本设计要求设计中型载货车的驱动桥桥壳和半轴，要设计这样一个级别的驱动桥，一般选用非断开式结构以与非独立悬架相适应，该种形式的驱动桥的桥壳是一根支撑在左右驱动车轮的刚性空心梁，一般是铸造或钢板冲压而成，主减速器，差速器和半轴等所有传动件都装在其中，车型的选择和总体方案的确定与设计的成败息息相关。2.1设计车型主要参数图2.1 j5k 4x2平头柴油载货汽车图2.2车辆外形尺寸图表2.1车型号：ca1103pgk2l2e质量参数（kg）载质量4870整备质量4830满载总质量9895轴荷空载前轴2090后桥2740轴荷满载前轴2500后桥7395性能参数最高车速（km/h）99最大爬坡度（%）25六工况燃油消耗量（l /100km）16等速油耗（l/100km）80km/h16加速行驶车外最大噪声db（a）83最小转弯半径（m）17制动距离（满载、车速60km/h）36.7m驻车停放坡度(满载、正反两方向)18%续行驶里程(km)780最高档经济车速（km/h ）4781尺寸参数（mm）外廓尺寸长7840宽2476高2750该车的发动机为型号ca4df3-13e3u， 额定功率为 101kw/2500，最大扭矩为 450/1400。变速器型号为一汽解放ca6t123，各档速比为 6.515； 3.916； 2.345； 1.425； 1.000； 0.813； 6.060。驱动桥型号为一汽解放9吨级单级减速器，全浮式半轴直齿锥齿轮式差速器，主减速比i=5.430。车轮型号为8.25r20 ，轮胎的滚动半径为0.462m，轮距1800mm,钢板弹簧中心距1035mm。2.2 驱动桥形式的确定由于要求设计的是9吨级的后驱动桥，要设计这样一个级别的驱动桥，一般选用非断开式结构以与非独立悬架相适应，该种形式的驱动桥的桥壳是一根支撑在左右驱动车轮的刚性空心梁，一般是铸造或钢板冲压而成，主减速器，差速器和半轴等所有传动件都装在其中，此时驱动桥，驱动车轮都属于簧下质量。驱动桥的结构形式有多种，基本形式有三种如下：（1）中央单级减速驱动桥。此是驱动桥结构中最为简单的一种，是驱动桥的基本形式， 在载重汽车中占主导地位。一般在主传动比小于6的情况下，应尽量采用中央单级减速驱动桥。目前的中央单级减速器趋于采用双曲线螺旋伞齿轮，主动小齿轮采用骑马式支承， 有差速锁装置供选用。（2）中央双级驱动桥。在国内目前的市场上，中央双级驱动桥主要有2种类型：一类如伊顿系列产品，事先就在单级减速器中预留好空间，当要求增大牵引力与速比时，可装入圆柱行星齿轮减速机构，将原中央单级改成中央双级驱动桥，这种改制“三化”（即系列化，通用化，标准化）程度高， 桥壳、主减速器等均可通用，锥齿轮直径不变；另一类如洛克威尔系列产品，当要增大牵引力与速比时，需要改制第一级伞齿轮后，再装入第二级圆柱直齿轮或斜齿轮，变成要求的中央双级驱动桥，这时桥壳可通用，主减速器不通用， 锥齿轮有2个规格。由于上述中央双级减速桥均是在中央单级桥的速比超出一定数值或牵引总质量较大时，作为系列产品而派生出来的一种型号，它们很难变型为前驱动桥，使用受到一定限制；因此，综合来说，双级减速桥一般均不作为一种基本型驱动桥来发展，而是作为某一特殊考虑而派生出来的驱动桥存在。（3）中央单级、轮边减速驱动桥。轮边减速驱动桥较为广泛地用于油田、建筑工地、矿山等非公路车与军用车上。当前轮边减速桥可分为2类：一类为圆锥行星齿轮式轮边减速桥；另一类为圆柱行星齿轮式轮边减速驱动桥。1）圆锥行星齿轮式轮边减速桥。由圆锥行星齿轮式传动构成的轮边减速器，轮边减速比为固定值2，它一般均与中央单级桥组成为一系列。在该系列中，中央单级桥仍具有独立性，可单独使用，需要增大桥的输出转矩，使牵引力增大或速比增大时，可不改变中央主减速器而在两轴端加上圆锥行星齿轮式减速器即可变成双级桥。这类桥与中央双级减速桥的区别在于：降低半轴传递的转矩，把增大的转矩直接增加到两轴端的轮边减速器上 ，其“三化”程度较高。但这类桥因轮边减速比为固定值2，因此，中央主减速器的尺寸仍较大，一般用于公路、非公路军用车。2)圆柱行星齿轮式轮边减速桥。单排、齿圈固定式圆柱行星齿轮减速桥，一般减速比在3至4.2之间。由于轮边减速比大，因此，中央主减速器的速比一般均小于3，这样大锥齿轮就可取较小的直径，以保证重型汽车对离地问隙的要求。这类桥比单级减速器的质量大，价格也要贵些，而且轮穀内具有齿轮传动，长时间在公路上行驶会产生大量的热量而引起过热；因此，作为公路车用驱动桥，它不如中央单级减速桥。综上所述，由于设计的驱动桥的传动比为5.430，小于6。况且由于随着我国公路条件的改善和物流业对车辆性能要求的变化，中型汽车驱动桥技术已呈现出向单级化发展的趋势，主要是单级驱动桥还有以下几点优点：（1）单级减速驱动桥是驱动桥中结构最简单的一种，制造工艺简单，成本较低， 是驱动桥的基本类型，在重型汽车上占有重要地位；（2）重型汽车发动机向低速大转矩发展的趋势，使得驱动桥的传动比向小速比发展；（3）随着公路状况的改善，特别是高速公路的迅猛发展，重型汽车使用条件对汽车通过性的要求降低。因此，重型汽车不必像过去一样，采用复杂的结构提高通过性；（4）与带轮边减速器的驱动桥相比，由于产品结构简化，单级减速驱动桥机械传动效率提高，易损件减少，可靠性提高。单级桥产品的优势为单级桥的发展拓展了广阔的前景。从产品设计的角度看， 重型车产品在主减速比小于6的情况下，应尽量选用单级减速驱动桥。2所以此设计采用单级驱动桥再配以铸造整体式桥壳。2.3 半轴形式的确定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。其结够型式与驱动桥的结构型式密切相关，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。如图2.3所示，根据半轴外端支撑形式分为半浮式，3/4浮式，全浮式。（a）半浮式 （b）3/4浮式 （c）全浮式图2.3 半轴支撑形式半浮式半轴以其靠近外端的轴颈直接支撑在置于桥壳外端内孔中的轴承上，而端部则以具有圆锥面的轴颈及键与轮毂相固定。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浮式半轴的结构特点是半轴外端仅有一个轴承并装在驱动桥壳半轴套管的端部，直接支撑着轮毂，而半轴则以其端部与轮毂想固定，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，所以未得到推广。全浮式半轴的外端和以两个轴承支撑于桥壳的半轴套管上的轮毂相联接，由于其工作可靠，广泛应用于轻型及以上的各类汽车上。1根据相关车型及设计要求，本设计采用全浮式半轴。以上2.2和2.3相关图形和资料来自于汽车车桥设计2.4 驱动桥设计要求1、选择适当的主减速比，以保证汽车在给定的条件下具有最佳的动力性和燃油经济性。2、外廓尺寸小，保证汽车具有足够的离地间隙，以满足通过性的要求。3、齿轮及其他传动件工作平稳，噪声小。4、在各种载荷和转速工况下有较高的传动效率。5、具有足够的强度和刚度，以承受和传递作用于路面和车架或车身间的各种力和力矩；在此条件下，尽可能降低质量，尤其是簧下质量，减少不平路面的冲击载荷，提高汽车的平顺性。6、与悬架导向机构运动协调。7、结构简单，加工工艺性好，制造容易，维修，调整方便。2.5本章小结本章首先对各种驱动桥的结构形式做了简单的介绍，综合考虑，此设计采用单级驱动桥再配以铸造整体式桥壳。之后又对半轴的各种支撑形式做了对比分析，根据相关车型及设计要求，决定本设计采用全浮式半轴。最后对选择车型的各项参数作了简要列举。第3章 驱动半轴的设计 驱动车轮的传动装置位于汽车传动系的末端，其功用是将转矩由差速器的半轴齿轮传给驱动车轮。在一般的非断开式驱动桥上，驱动车轮的传动装置就是半轴，半轴将差速器的半轴齿轮与车轮的轮毂联接起来，半轴的形式主要取决半轴的支承形式：普通非断开式驱动桥的半轴，根据其外端支承的形式或受力状况不同可分为半浮式，3/4浮式和全浮式，在此由于是中型载货汽车，采用全浮式结构。2 设计半轴的主要尺寸是其直径，在设计时首先可根据对使用条件和载荷工况相同或相近的同类汽车同形式半轴的分析比较，大致选定从整个驱动桥的布局来看比较合适的半轴半径，然后对它进行强度校核。3.1 全浮式半轴计算载荷的确定计算时首先应合理地确定作用在半轴上的载荷，应考虑到以下三种可能的载荷工况： 1.纵向力（驱动力或制动力）最大时，其最大值为，附着系数在计算时取0.8，没有侧向力作用； 2.侧向力最大时，其最大值为（发生于汽车侧滑时），侧滑时轮胎与地面的侧向附着系数在计算时取1.0，没有纵向力作用； 3.垂向力最大时（发生在汽车以可能的高速通过不平路面时），其值为，车轮对地面的垂直载荷，为动载荷系数，这时不考虑纵向力和侧向力的作用。 由于车轮承受的纵向力，侧向力值的大小受车轮与地面最大附着力的限制，即有 （3.1） 全浮式半轴只承受转矩，其计算转矩可有求得，其中，的计算，可根据以下方法计算，并取两者中的较小者。 若按最大附着力计算，即 （3.2）式中： 轮胎与地面的附着系数取0.8；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腷增大量，可初取：=9.8=73959.8=72471n； 汽车加速或减速时的质量转移系数，可取1.21.4在此取1.3； 左侧半轴所受纵向力；右侧半轴所受纵向力。根据上式=37685 n 若按发动机最大转矩计算，即 （3.3）式中：差速器的转矩分配系数，对于普通圆锥行星齿轮差速器取0.6； 发动机最大转矩，450nm； 汽车传动效率，计算时可取1或取0.9；由发动机到所计算的主减速器从动齿轮之间的传动系最低档传动比=5.436.515=35.37645变速器传动比=6.515； 轮胎的滚动半径，0.462m。根据上式=18607.1 n在此18607.1n =18607.10.462=8596.5nm3.2 全浮式半轴的杆部直径的初选全浮式半轴杆部直径的初选可按下式进行 （3.4）式中：半轴杆部的直径，mm。根据上式=（42.0344.69）mm根据强度要求在此取45.0mm。3.3 全浮式半轴的强度计算 首先是验算其扭转应力： mpa （3.5）式中：半轴的计算转矩，nm在此取8596.5nm；根据上式481 mpa =(490588) mpa半轴的扭转许用应力，取=490588mpa。所以满足强度要求。半轴的最大扭转角为 （3.6）式中：t半轴承受的最大转矩，8596.5； 半轴长度800mm； g材料的剪切弹性模量8.410n/mm； j半轴横截面的极惯性矩，=402373.8mm。经计算最大扭转角=11.7，扭转角宜选为615满足条件。3.4 半轴花键的强度计算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，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。本次设计采用带有凸缘的全浮式半轴，采用渐开线花键。根据杆部直径为45mm，选择的渐开线的花键具体参数为：花键齿数为19，模数2.5，分度圆直径47.5mm分度圆上压力角为30。在计算半轴在承受最大转矩时还应该校核其花键的剪切应力和挤压应力。半轴花键的剪切应力为 mpa (3.7)半轴花键的挤压应力为 mpa （3.8）式中：半轴承受的最大转矩，nm ，在此取8596.5nm; 半轴花键的外径，mm，在此取50mm; 相配花键孔内径，mm，在此取45mm; 花键齿数；在此取19 花键工作长度，95mm， 花键齿宽，mm，=3.925mm; 载荷分布的不均匀系数，计算时取0.75。根据上式可计算得=68.12 mpa =106.96 mpa 根据要求当传递的转矩最大时，半轴花键的切应力不应超过71.05 mpa，挤压应力不应超过196 mpa，以上计算均满足要求。以上有关花键内容查机械设计实用手册 北京 机械工业出版社；789页3.5半轴材料与热处理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hb388444(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hrc5263，硬化层深约为其半径的13，心部硬度可定为hrc3035；花键部分表面硬度5055hrc；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。2本次设计考虑到半轴对传动系需要有一定的保护作用，故采用45号钢作为半轴的材料进行加工。 3.6 本章小结 首先本章对半轴的功用进行了说明，并且在纵向力最大时确定了半轴的计算载荷。对半轴进行了具体的设计计算，确定了半轴的各部分尺寸，并进行了校核。最后对材料和热处理做了说明。 第4章 驱动桥壳的设计驱动桥壳的主要功用是支承汽车质量，并承受有车轮传来的路面反力和反力矩，并经悬架传给车身，它同时又是主减速器，差速器和半轴的装配体。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情况下，尽量减小质量以提高行驶的平顺性；3. 保证足够的离地间隙；4.结构工艺性好，成本低；5. 保护装于其中的传动系统部件和防止泥水浸入；6.拆装，调整，维修方便。考虑的设计的是载货汽车，驱动桥壳的结构形式采用铸造整体式桥壳。4.1 铸造整体式桥壳的结构通常可采用球墨铸铁、可锻铸铁或铸钢铸造。在球铁中加入1.7%的镍，解决了球铁低温（-41c）冲击值急剧降低的问题，得到了与常温相同的冲击值。为了进一步提高其强度和刚度，铸造整体式桥壳的两端压入较长的无缝钢管作为半轴套筒，并用销钉固定。如图4-1所示，每边半轴套管与桥壳的压配表面共四处，由里向外逐渐加大配合面的直径，以得到较好的压配效果。钢板弹簧座与桥壳铸成一体，故在钢板弹簧座附近桥壳的截面可根据强度要求铸成适当的形状，通常多为矩形。安装制动底板的凸缘与桥壳住在一起。桥壳中部前端的平面及孔用于安装主减速器及差速器总成，后端平面及孔可装上后盖，打开后盖可作检视孔用。另外，由于汽车的轮毂轴承是装在半轴套管上，其中轮毂内轴承与桥壳铸件的外端面相靠，而外轴承则与拧在半轴套管外端的螺母相抵，故半轴套管有被拉出的倾向，所以必须将桥壳与半轴套管用销钉固定在一起。图4.1 铸造整体式驱动桥结构铸造整体式桥壳的主要优点在于可制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，其强度及刚度均较好，工作可靠，故要求桥壳承载负荷较大的中、重型汽车，适于采用这种结构。尤其是重型汽车，其驱动桥壳承载很重，在此采用球铁整体式桥壳。除了优点之外，铸造整体式桥壳还有一些不足之处，主要缺点是质量大、加工面多，制造工艺复杂，且需要相当规模的铸造设备，在铸造时质量不宜控制，也容易出现废品，故仅用于载荷大的中重型汽车。4.2 桥壳的受力分析与强度计算选定桥壳的结构形式以后，应对其进行受力分析，选择其端面尺寸，进行强度计算。汽车驱动桥的桥壳是汽车上的主要承载构件之一，其形状复杂，而汽车的行驶条件如道路状况、气候条件及车辆的运动状态又是千变万化的，因此要精确地计算出汽车行驶时作用于桥壳各处的应力大小是相当困难的。在通常的情况下，在设计桥壳时多采用常规设计方法，这时将桥壳看成简支梁并校核某些特定断面的最大应力值。我国通常推荐：计算时将桥壳复杂的受力状况简化成四种典型的计算工况，即当车轮承受最大的铅锤力（当汽车满载并行驶与不平路面，受冲击载荷）时；当车轮承受最大切应力（当汽车满载并以最大牵引力行驶）时；当车轮承受最大切应力（当汽车满载紧急制动）时；最大侧向力时。只要在这四种载荷计算工况下桥壳的强度特征得到保证，就认为该桥壳在汽车各种行驶条件下是可靠的。在进行上述四种载荷工况下桥壳的受力分析之前，应先分析一下汽车满载静止于水平路面时桥壳最简单的受力情况，即进行桥壳的静弯曲应力计算。4.2.1 桥壳的静弯曲应力计算桥壳犹如一空心横梁，两端经轮毂轴承支承于车轮上，在钢板弹簧座处桥壳承受汽车的簧上载荷，而左、右轮胎的中心线，地面给轮胎的反力（双轮胎时则沿双胎中心），桥壳则承受此力与车轮重力之差值，即（），计算简图如4.2所示。 图4.2 桥壳静弯曲应力计算简图桥壳按静载荷计算时，在其两钢板弹簧座之间的弯矩为 nm (4.1) 式中：汽车满载时静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷，在此为72471n； 车轮（包括轮毂、制动器等）重力，n； 驱动车轮轮距，在此为1800mm; 驱动桥壳上两钢板弹簧座中心间的距离，在此为1035mm.桥壳的危险断面通常在钢板弹簧座附近。通常由于远小于，且设计时不易准确预计，当无数据时可以忽略不计所以=13860.07nm而静弯曲应力则为 mpa （4.2）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，具体如下：关于桥壳在钢板弹簧座附近的危险断面的形状，主要由桥壳的结构形式和制造工艺来确定，钢板冲压焊接整体式桥壳在弹簧座附近多为圆管端面，1 截面图如图4.3所示，其中d=90mm，d=126mm图4.3 钢板弹簧座附近桥壳的截面图垂向弯曲截面系数: = =145266.72mm水平弯曲截面系数: = =145266.72mm扭转截面系数: =290533.44mm垂向弯曲截面系数, 水平弯曲截面系数, 扭转截面系数的计算参考材料力学。关于桥壳在钢板弹簧座附近的危险断面的形状，主要由桥壳的结构形式和制造工艺来确定，从桥壳的使用强度来看，圆形管状的比矩形管状（高度方向为长边）的要好。所以在此采用圆形管状。1根据上式桥壳的静弯曲应力=95.4 mpa4.2.2 在不平路面冲击载荷作用下的桥壳强度计算当汽车在不平路面上高速行驶时，桥壳除承受静止状态下那部分载荷外，还承受附加的冲击载荷。在这两种载荷总的作用下，桥壳所产生的弯曲应力为 mpa （4.3）式中：动载荷系数，对于载货汽车取2.5； 桥壳在静载荷下的弯曲应力 ，mpa。根据上式 mpa4.2.3 汽车以最大牵引力行驶时的桥壳强度计算为了使计算简化，不考虑侧向力，仅按汽车作直线行驶的情况进行计算，另从安全系数方面作适当考虑。如图4.4所示为汽车以最大牵引力行驶的受力简图。图4.4 汽车以最大牵引力行驶的受力简图作用在左右驱动车轮的转矩所引起的地面对于左右驱动车轮的最大切向反作用力共为 n发动机的最大转矩450； 传动系一档传动比6.515； 主减速比5.43； 传动系的传动效率0.9； 轮胎的滚动半径0.462m。 （4.4）根据上式可计算得=31011.8n由于设计时某些参数未定而无法计算出汽车加速行驶时的质量转移系数值，而对于载货汽车的后驱动桥可在1.11.3范围内选取，在此取1.2。 此时后驱动桥桥壳在左、右钢板弹簧座之间的垂向弯矩为 nm (4.5) 根据上式=16632 nm由于驱动车轮所承受的地面对其作用的最大切向反作用力，使驱动桥壳也承受着水平方向的弯矩，对于装有普通圆锥齿轮差速器的驱动桥，由于其左、右驱动车轮的驱动转矩相等，故有 nm （4.6）所以根据上式=5931nm图4.5 汽车紧急制动时后驱动桥的受力简图桥壳还承受因驱动桥传递驱动转矩而引起的反作用力矩，这时在两钢板弹簧座间桥壳承受的转矩为 nm (4.7)式中：发动机最大转矩，在此为450nm; 传动系一档传动比6.515； 主减速比5.43； 传动系的传动效率，在此取0.9。根据上式可计算得=7163.7 nm由于桥壳在钢板弹簧座附近的危险断面处为圆管断面，所以在该断面处的合成弯矩为：=19055 mpa (4.8)该危险断面处的合成应力为：=131 mpa (4.9)桥壳需用弯曲应力为300-500，需用扭转应力为150-400。4.2.4 汽车紧急制动时的桥壳强度计算这时不考虑侧向力，图4.6为汽车在紧急制动时的受力简图。图4.6 汽车在紧急制动时的受力简图由于设计时一些参数是未知的，所以后驱动桥计算用的汽车紧急制动时的质量转移系数不可计算，一般对于载货汽车后驱动桥取0.750.95。图4.7为汽车紧急制动时后驱动桥壳的受力分析简图，此时作用在左右驱动车轮上除了有垂向反作用力外，尚有切向反力，即地面对驱动轮的制动力，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 （4.10） = （4.11）式中： 汽车制动时的质量转移系数，计算后驱动桥时0.8； 驱动车轮与路面的附着系数，计算时可取0.750.80，在此取0.8；根据上式可以计算得=11079.8 nm =8863.8 nm 图4.7 汽车紧急制动时后驱动桥的受力简图桥壳在两钢板弹簧座的外侧部分处同时还承受制动力所引起的转矩，对于后驱动桥： nm （4.12）根据上式=10706 nm所以可根据式（4.8），（4.9）计算出在钢板弹簧座附近危险断面的弯曲应力和扭转应力分别为 4.2.5 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，汽车则侧滑如图4.8所示。因此汽车驱动桥的侧滑条件是： （4.13）式中：