HQ1090车用7吨级驱动桥设计

学士学位论文 I 用 7 吨级驱动桥设计 on - 1 - 摘 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、高效益的需要时，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，推动汽车经济的发展。 本文首先确定主要部件的结构型式和主要设计参数，在分析 驱动桥各部分结构形式、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， 采用传统设计方法对驱动桥各部件主减速器、差速器、半轴、桥壳进行设计计算并完成校核。 最后运用 成装配图和主要零件图的绘制。并且通过对汽车驱动桥的学习和设计实践，可以更好的学习并掌握现代汽车设计与机械设计的全面知识和技能，所以本题设计一款结构优良的中型货车驱动桥具有一定的实际意义。 关键词： 驱 动桥；主减速器；差速器；半轴；桥壳 - 2 - is of on of is In of of of of of of of on of of of to by a of of of of to of a so of of of a a - 3 - 目录 摘 要 . - 1 - 目录 . - 3 - 第 1 章 绪 论 . - 5 - 题背景目的与意义 . - 5 - 内外驱动桥研究状况 . - 6 - 外研究现状 . - 6 - 内研究现状 . - 8 - 计主要内容 . - 8 - 第 2 章 驱动桥的总体方案确定 . - 9 - 动桥的结构和种类和设计要求 . - 9 - 动桥的种类 . - 9 - 动桥设计要求 . - 10 - 计车型主要参数 . - 10 - 减速器结构方案的确定 . - 10 - 减速器的齿轮类型 . - 10 - 减速器的减速形式 . - 12 - 减速器速比的计算 . - 13 - 减速器主从动锥齿轮的支承形式及安装方法 . - 14 - 速器结构方案的确定 . - 15 - 轴形式的确定 . - 16 - 壳形式的确定 . - 16 - 章小结 . - 17 - 第 3 章 主减速器设计 . - 18 - 述 . - 18 - 级主减速器第一级螺旋锥齿轮参数选择与强度计算 . - 18 - 减速器螺旋锥齿轮计算载荷的确定 . - 18 - 减速器螺旋锥齿轮基本参数的选择 . - 20 - 减速器螺旋锥齿轮的强度计算 . 错误 !未定义书签。 级主减速器第二级斜齿柱齿轮参数选择与强度计算 错误 !未定义书签。 齿柱齿轮传动的几何参数选择 . 错误 !未定义书签。 齿柱齿轮几何尺寸变位 . 错误 !未定义书签。 齿柱齿轮强度计算 . 错误 !未定义书签。 减速器的轴承计算 . 错误 !未定义书签。 - 4 - 用在主减速器主动齿轮上的力 . 错误 !未定义书签。 减速器齿轮材料及热处理 . 错误 !未定义书签。 减速器的润滑 . 错误 !未定义书签。 章小结 . 错误 !未定义书签。 第 4 章 差速器设计 . 错误 !未定义书签。 述 . 错误 !未定义书签。 称式圆锥行星齿轮差速器原理 . 错误 !未定义书签。 称式圆锥行星齿 轮差速器的结构 . 错误 !未定义书签。 对称式圆锥行星齿轮差速器的设计 . 错误 !未定义书签。 速器齿轮的基本参数选择 . 错误 !未定义书签。 速器齿轮的几何尺寸计算 . 错误 !未定义书签。 速器齿轮的强度计算 . 错误 !未定义书签。 速器齿轮的材料 . 错误 !未定义书签。 章小结 . 错误 !未定义书签。 第 5 章 半轴设计 . 错误 !未定义书签。 述 . 错误 !未定义书签。 轴的设计与计算 . 错误 !未定义书签。 浮式半轴的计算载荷的确定 . 错误 !未定义书签。 浮半轴杆部直径的 初选 . 错误 !未定义书签。 浮半轴强度计算 . 错误 !未定义书 签。 浮式半轴花键强度计算 . 错误 !未定义书签。 材料与热处理 . 错误 !未定义书签。 章小结 . 错误 !未定义书签。 第 6 章 驱动桥桥壳的设计 . 错误 !未定义书签。 述 . 错误 !未定义书签。 壳的受力分析及强度计算 . 错误 !未定义书签。 壳的静弯曲应力计算 . 错误 !未定义书签。 不平路面冲击载荷作用下桥壳的强度计算 错误 !未定义书签。 车以最大牵引力行驶时的桥壳的强度计算 错误 !未定义书签。 车紧急制动时的桥壳强度计算 . 错误 !未定义书签。 车受最大侧向力时桥壳的强度计算 错误 !未定义书签。 章小结 . 错误 !未定义书签。 结 论 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 附录 A 外文文献原文 . 错误 !未定义书签。 附录 B 外文文献中文翻译 . 错误 !未定义书签。 - 5 - 第 1 章 绪 论 题背景目的与意义 伴随着汽车工业的发展，使用范围的不断扩大，对于各部件的研发与制造都提出了更高的要求，汽车车桥是汽车的重要大总成，其结构型式和设计参数对汽车的可靠性和操纵性稳定性等有直接的影响。驱动桥是现代汽车重要的总成之一，它位 于传动系末端，其功用为增扭、降速、改变转矩的传动方向，并将转矩合理分配给左右驱动车轮。此外，还要承担路面与车架或车身间的各种力与力矩。在毕业设计中，完成对驱动桥的设计，是在完成大学学习后进行的一次综合性训练，是对所学的基本知识、基本理论和基本 技能掌握与提高程度的一次总测试。大学生在学习期间，已经按照教学 计划 的规定，学完了公共课、基础课、专业课以及选修课等，每门课程也都经过了考试或考查。学习期间的这种考核是单科进行，主要是考查学生对本门学科所学知识的记忆程度和理解程度。但毕业 设计 则不同，它不是单一地对学生进行某一学科已学知识的考核，而是着重考查学生运用所学知识对某一问题进行探讨和 研究的能力。作一篇好的毕业设计，既要系统地掌握和运用专业知识，还要有较宽的知识面并有一定的逻辑思维能力和 写作 功底。撰写毕业 论文 的过程是训练学生独立进行科学研究的过程。通过撰写毕业 论文 ，可以使学生了解科学研究的过程，掌握如何收集、整理和利用材料；如何观察、如何调查、作样本分 析；如何利用图书馆，检索文献资料；如何操作仪器等方法。撰写毕业 论文 是学习如何进行科学研究的一个极好的机会，因为它不仅有教师的指导与传授，可以减少摸索中的一些失误，少走弯路，而且直接参与和亲身体验了科学研究工作的全过程及其各环节，是一次系统的、全面的实践机会。依照指导教师的的要求和相应规范，完成对所要求题目的材料收集、筛选，并与其他同学进行合作，共同探讨最终完成设计，以此锻炼学生的文献查阅能力和与他人这件的团队协作能力，同时也有助 于为日后的工作打下基础 汽车驱动桥是汽车的重大总成，承载着汽车的满载簧荷重及地面经车轮、车架及承载式车身经悬架给予的铅垂力、纵向力、横向力及其力矩，以及冲击载荷；驱动桥还传递着传动系中的最大转矩，桥壳还承受着反作用力矩。汽车驱动桥结构型式和设计参数除对汽车的可靠性与耐久性有重要影响外，也对汽车的行驶性能如动力性、经济性、平顺性、 - 6 - 通过性、机动性和操动稳定性等有直接影响。另外，汽车驱动桥在汽车的各种总成中也是涵盖机械零件、部件、分总成等的品种最多的大总成。例如， 驱动桥包含主减速器、差速器、驱动车轮的传动装置（半 轴及轮边减速器）、桥壳和各种齿轮。综上所诉， 汽车驱动桥设计涉及的机械零部件及元件的品种极为广泛，对这些零部件、元件及总成的制造也几乎要设计到所有的现代机械制造工艺，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，推动汽车经济的发展，并且通过对汽车驱动桥的学习和设计实践，可以更好的学习并掌握现代汽车设计与机械设计的全面知识和技能，所以本题设计一款结构优良的中型 货车驱动桥具有一定的实际意义 。 内外驱动桥研究状况 外研究现状 现在，世界上货车普遍采用两种驱动桥结构 单 级减速双曲线螺旋锥齿轮副；带轮边减速 (行星齿轮传动 )的双级主减速器。后者更适宜于最大程度地满足用户不同需要。 在西欧，带轮边减速的双级主减速器后驱动桥只占整个产品的40%，且有呈下降趋势，在美国只占 10%。其原因是这些地区的道路较好，采用单级减速双曲线螺旋锥齿轮副成本较低，故大部分均采用这种结构。而亚洲、非洲和南美国家则采用带轮边减速的双级主减速器的驱动桥，用于非道路和恶劣道路使用的车辆 (工程自卸车、运水车等 )。因此可以得出结论：一个国家的道路愈差，则采用带轮边减速双级主减速器驱动桥愈多，反之，则愈少。 国 外汽车驱动桥已普遍采用限滑差速器 N 嵌式或多片摩擦盘式、湿式行车制动器等先进技术。限滑差速器大大减少了轮胎的磨损，而湿式行车制动器则提高了主机的安全性能，简化了维修工作。国内仅一部分车使用 N 嵌式差速器。限滑差速器成本较高，因而在多数国产驱动桥上一直没有得到应用。目前向国内提供限滑差速器的制造商主要是美国 司和德国采埃孚公司。美国 司在苏州的工厂即将建成投产，主要生产 N 嵌式、多片摩擦盘式和户下 O 比例扭矩 (三周节 )差速器 (锁紧系数 国内如徐 工、鼎盛天工等主机制造商等原来自制一部分 N 嵌式差速器，后因质量不过关而放弃。国内有几个制造商生产比例扭矩差速器，但均为单周节，锁紧系数 138，较三周节要小得多。徐州良羽传动机械有限公司在停车制动器 (液压 )上也做了一些工作，主要用于重型卡车产品，但国产此类 - 7 - 产品的可靠性还有待提高。 国外中型货车驱动桥开发技术已经非常的成熟，建立新的驱动桥开发模式成为国内外驱动桥开发团体的新目标。驱动桥设计新方法的应用使得其开发周期缩短，成本降低，可靠性增加。国外的最新开发模式和驱动桥新技术包括： (1) 并行工程开发 模式 并行工程开发模式是对在一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的机械产品进行功能分析的基础上 ,划分并设计出一系列功能模块 ,然后通过模块的选择和组合构成不同产品的一种设计方法，能够缩短新产品的设计时间、降低成本、提升质量、提高市场竞争力 ,以代表的意大利企业多已采用了该类设计方法 , 优点是 : 减少设计及工装制造的投入 , 减少了零件种类 , 提高规模生产程度 , 降低制造费用 , 提高市场响应速度等。 (2) 模态分析 模态分析是对工程结构进行振动分析研究的最先进的现代方法与手段之一。它 可以定义为对结构动态特性的解析分析 (有限元分析 )和实验分析 (实验模态分析 )，其结构动态特性用模态参数来表征。模态分析技术的特点与优点是在对系统做动力学分析时，用模态坐标代替物理学坐标，从而可大大压缩系统分析的自由度数目，分析精度较高。驱动桥的振动特性不但直接影响其本身的强度，而且对整车的舒适性和平顺性有着至关重要的影响。因此，对驱动桥进行模态分析，掌握和改善其振动特性，是设计中的重要方面。 (3) 驱动桥壳的有限元分析方法 有 限元法不需要对所分析的结构进行严格的简化，既可以考虑各种计算要求和条件，也可以计 算各种工况，而且计算精度高。有限元法将具有无限个自由度的连续体离散为有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的问题。只要确定了单元的力学特性，就可以按照结构分析的方法求解，使分析过程大为简化，配以计算机就可以解决许多解析法无法解决的复杂工程问题 2。目前，有限元法己经成为求解数学、物理、力学以及工程问题的一种有效的数值方法，也为驱动桥壳设计提供了强有力的工具。 (4) 电子智能控制技术进入驱动桥产品 电子智能控制技术已经在汽车业得到了快速发展，如，现代汽车上使用的 动防抱死控制 )、 动力控制系统）等系统。 (5) 高性能制动器技术 - 8 - 在发达国家驱动桥产品中 , 已出现了自循环冷却功能的湿式制动器桥、带散热风送的盘式制动器桥、适于 蹄、鼓式和盘式制动器桥、带自动补偿间隙的盘式制动器等配置高性能制动器桥 , 同时制动器的布置位置也出现了从桥臂处分别向桥包总成和轮边端部转移的趋势。前种处理方式易于散热 , 后种处理方式为了降低成本 , 甚至有厂商把制动器的壳体与桥壳铸为一体 , 既易于散热，又利于降低材料成本 , 但这对铸造技术、铸造精度和加工精度都提出了极高的要求。 内研究现状 我国驱动桥制造企业的开发模式主要由测绘、引进、自主开发三种组成。主要存在技术含量低，开发模式落后，技术创新力不够，计算机辅助设计应用少等问题。一些企业技术力量相对要好些的企业，测绘的是从国外引进的原装桥，并且这些企业一般具有较为完善的开发体系和流程，也具有较完善的试验手段，但是开发过程属于对国外的仿制，对其逆向研究后结合自我情况生产。 总之，我国汽车驱动桥的研究设计与世界先进驱动桥设计技术还有一定的差距，我国车桥制造业虽然有一些成果，但都是在引进国外技术、仿制、再加上自己改进的基础上了取得的。个别比较有实力的企业，虽有自己独立的研发机构但都处于发展的初期。在科技迅速发展的推动下，高新技术在汽车领域的应用和推广，各种国外汽车新技术的引进，研究团队自身研发能力的提高，我国的驱动桥设计和制造会逐渐发展起来，并跟上世界先进的汽车零部件设计制造技术水平。 计主要内容 设计的主要内容如下： （ 1）驱动桥结构形式及布置方案的确定。 （ 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； （ 5）完成驱动桥桥壳的受力分析及强度计算。 - 9 - 第 2章 驱动桥的总体方案确定 动桥的结构和种类和设计要求 动桥的种类 驱动桥位于传动系末端，其基本功用首先是增扭、降速，改变转矩的传递方向，即增大由传动轴或直接从变速器传来的转矩，并合理的分配给左、右驱动车轮，其次，驱动桥还要承受作用于路面和车架或车厢之间的垂直力、纵向力和横向力，以及制动力矩和反作用力矩。 驱动桥分为断开式和非断开式两种。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，都是采用非断开式驱动桥，其桥壳是一根支撑在左右驱动车轮上的刚性空心梁，主减速器、差速器和半轴等所有的传动件都装在其中；当驱动车轮采用独立悬挂时，则配以断开式驱动桥。通过比较现有市场同等吨位的中型货车，本设计采用整体式驱动桥。 动桥结构组成 在多数汽车中，驱动桥包括主减速器、差速器、驱动车轮的传动装置（半轴）及桥壳等部件如图 示。 1 2 3 4 5 6 1轮毂 2 半轴 3 钢板弹簧座 4主减速器从动锥齿轮 5主减速器主动锥齿轮 6 差速器总成 图 动桥 的组成 - 10 - 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。 计车型主要参数 本次设计的主要参数如表 示 表 计车型参数 轮胎 20 发动机最大转矩 410 Nm 整车 总质量 9320 载时轴荷分布 前轴 2655 后轴6665 减速 比 i 档传动比 减速器结构方案的确定 减速器的齿轮类型 按齿轮副结构型式分，主减速器的齿轮传动主要有螺旋锥齿轮式传 - 11 - 动、双曲面齿轮式传动、圆柱齿轮式传动（又可分为轴线固定式齿轮传动和轴线旋转式齿轮传动即行星齿轮式传动）和蜗杆蜗轮式传动等形式。 在发动机横置的汽车驱动桥上，主减速器往往采用简单的斜齿圆柱齿轮；在发动 机纵置的汽车驱动桥上，主减速器往往采用圆锥齿轮式传 动或准双曲面齿轮式传动。 在现代货车车驱动桥中，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 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 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： 图 旋锥齿轮与双曲面齿轮 （ 1）尺寸相同时，双曲面齿轮有更大的传动比。 （ 2）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。 （ 3）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。 （ 4）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。 5 由于双曲面齿轮传动的主动齿轮的直径及螺旋角都较大，所以相啮合轮齿的相当曲率半径比相应的螺旋锥齿轮当量曲率半径大，其结果是 - 12 - 齿面建的接触应力降低。随偏移矩的不同，曲面齿