SY1046轻型货车驱动桥设计

上海工程技术大学毕业设计（论文） SY1046轻型货车驱动桥设计SY1046轻型货车驱动桥设计杜 宇 061510128摘 要: 驱动桥位于传动系末端，基本功用是增大由传动轴或直接由变速器传来的转矩，再将转矩分配给左、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，是汽车行驶系的重要组成部分。所以驱动桥设计质量直接关系到整车性能的好坏。 本设计采用单级主减速器，应用双曲面齿轮啮合传动，尽量简化结构，缩减尺寸，有效利用空间，减少材料浪费，以及减轻整体质量；在设计计算与强度校核部分，对主减速器主从动齿轮、差速器齿、车轮传动装置和驱动桥壳等重要部件的参数作了计算，同时也进行了必要的强度校核计算，证明其满足设计要求。关键词：驱动桥 ，轻型货车，差速器，主减速器14 目前，轻型货车在我国商用车中占有较大市场，据中国汽车工业协会统计，2012全年，国内轻型货车（1.8吨总质量6吨）销售大约184.27万辆。，可见轻型汽车在商用车生产中占有很大的比重。驱动桥作为汽车的关键零部件，也得到了相应的发展。在研发生产领域，各汽车生产厂家形成了系列化、批量化、专业化的现状。驱动桥作为汽车的重要总成之一，传递着传动系统中的最大转矩并承受着反作用力矩，承载着汽车车架和承载式车身经悬架给予的横向力、纵向力、铅垂力及其力矩。驱动桥结构设计对汽车可靠性、耐久性非常重要，而且还直接影响到汽车的行驶性能，如动力性、通过性、机动性、平顺性以及操作稳定性等。驱动桥设计所涉及的机械部件和元件十分广泛，而这些零部件以及总成的制造要涉及所有的现代机械制造工艺。为能大大降低整车生产成本，设计出造价低廉、结构简单、工作可靠的驱动桥，通过进行本次驱动桥的学习和设计，可更好的掌握机械设计知识和技能，对于设计出结构优良的轻型货车驱动桥具有一定意义。1 驱动桥总成的结构形式及布置 一般汽车结构中，驱动桥主要由主减速器、差速器、车轮传动装置和驱动桥壳等部件组成。 驱动桥的结构形式与驱动车轮悬架形式密切相关。当车轮采用非独立悬架，驱动桥为非断开式，即驱动桥壳是一根连接左右驱动车轮的刚性空心梁，主减速器、差速器及车轮传动装置装在里面。当采用独立悬架，为保证运动协调，驱动桥为断开式，这种驱动桥无钢性的整体外壳，主减速器及其壳体装在车架或车身上，两侧驱动车轮与车架或车身作弹性联系，并可独立地分别相对于车架或车身做上下摆动，车轮传动装置采用万向节传动。 具有桥壳的非断开式驱动桥结构比较简单，制造工艺性好，成本低，工作较可靠，维修调整容易，广泛应用于各种载货汽车、客车及多数的越野汽车以及部分小轿车上。但整个驱动桥均属簧下质量，不利于汽车平顺性和降低动载荷。断开式驱动桥结构则较复杂，成本较高，但它大大增加了离地间隙，簧下质量比较小，改善了行驶平顺性，提高了汽车平均车速;减小了汽车在行驶时作用于车轮和车桥上的动载荷，提高零部件的使用寿命；由于驱动车轮与地面的接触情况以及对各种地形的适应性较高，大大提高了车轮的抗侧滑能力。 由于轻型货车主要在城市中短途行驶，路面状况较好，所以本设计使用成本低廉结构简单的整体式驱动桥。结构图如下： 图1.1整体式驱动桥示意图2 主减速器2.1 主减速器的结构形式选择 主减速器功用：将输入转矩增大并相应降低转速，当发动机纵置时还具有改变转矩旋转方向的作用。 主减速器的结构形式主要因齿轮类型、主动齿轮和从动齿轮的安置方式和减速形式的类型而异。按传动齿轮副数目，有单级式主减速器和双级式主减速器。除了一些传动比要求大的大中型车采用双级主减速器外，微、轻、中型车一般采用单级主减速器。由于本设计题目为轻型货车驱动桥设计，采用单级主减速器已经足够了。再者为保证有足够的离地间隙，减小从动齿轮的尺寸，所以选择了双曲面齿轮。2.2 主减速器主从动锥齿轮的支承形式及安装方法现在汽车主减速器主动锥齿轮的支承形式有如下两种：2.2.1悬臂式悬臂式支承结构如图2.1所示，特点是在锥齿轮大端一侧采用较长轴径，其上安装两个圆锥滚子轴承。为减小悬臂长度a和增加两端的距离b来改善支承刚度，应使两轴承圆锥滚子向外。悬臂式支承结构简单，但支承刚度较差，多用于传递转矩较小的轿车、轻型货车的单级主减速器及许多双级主减速器中。图2.1锥齿轮悬臂式支承2.2.2 骑马式 骑马式支承结构如图2.2所示，为了可以增加支承刚度，在锥齿轮的两端均有轴承支承，又可以使轴承负荷减小，改善齿轮啮合条件，在传递较大转矩情况下，应尽量采用骑马式支承。图2.2 主动锥齿轮骑马式支承采用骑马式（跨置式）支承时，齿轮前、后两端轴颈均以轴承支承，故又称两端支承式。跨置式支承使支承刚度大大增加，齿轮在载荷作用下的变形减小，减小到悬臂式支承的130以下而主动锥齿轮后轴承的径向负荷比悬臂式的要减小至1/51/7。齿轮承载能力较悬臂式可提高10%左右。跟据实际情况，本设计为轻型货车所以主动齿轮轴采用悬臂式支撑。当主动锥齿轮轴安装在圆锥滚子轴承上时，为减小悬臂长度增加支撑间距离，应使两轴承小端朝内相向，大端朝外，也便于结构的布置、轴承预紧度的调整和轴承的润滑。2.2.3 主减速器从动锥齿轮支承形式及安装方式的选择 从动锥齿轮采用跨置式这种支撑形式，如图2.3所示，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螺钉以精度较高的紧配固定在差速器壳的凸缘上，从动齿轮节圆直径较大时采用螺栓和差速器壳固定在一起。图2.3 从动齿轮支撑形式本次设计主动锥齿轮采用悬臂式支撑（圆锥滚子轴承），从动锥齿轮采用骑马式支撑（圆锥滚子轴承）。2.2 主减速器计算载荷的确定2.2.1主减速比的选择1) 预选 （1）为了得到足够的储备功率，一般应加大10%25%，取大10%，则：=4.957*1.1=5.45272) 较小（3.55）时，取712 ，为减小重量尺寸，取，则：，所以取， 因此最终选。2.2.2 从动齿轮计算载荷的确定1) 按发动机最大转矩计算 （2）2) 按驱动轮打滑 （3）3) 按汽车日常行驶平均转矩确定的从动轮的计算转矩： （4） 2.2.3 主动齿轮的计算转矩 （5）按发动机最大扭矩和传动系最低档速比确定主动锥齿轮的计算转矩按驱动轮打滑转矩确定主动锥齿轮的计算转矩按行驶平均转矩确定主动锥齿轮的计算转矩2.3 主减速器锥齿轮主要参数的选择以下各项的计算中，。2.3.1 主动锥齿轮齿数选择选取原则：1) 不小于；2) 避免有公约数；3) 不小于。所以选符合这些要求。2.3.2 从动轮分度圆直径和断面模数 （6）选定后，可按式算出从动齿轮大端模数，并用下式校核： （7）符合要求，所以。2.3.3 齿面宽度齿面宽过大和过小都会降低齿轮强度及寿命。一般使双曲面齿轮小齿轮齿面宽大于大齿轮。根据经验公式估算: （8）取为。2.3.4 双曲面齿轮偏移距E的确定E过大会使齿轮纵向滑移过大，引起齿面早期磨损；E过小又不能发挥双曲面齿轮的优点；E应给接近0.2且。 ，(根据节锥距计算结果)。所以，取下偏移，即由从动齿轮的锥顶向其齿面看去使主动齿轮处于右侧，主动齿轮在从动齿轮中心线的下方。2.3.5 中点螺旋角越大，重合度越大，轮齿强度越大，啮合齿数越多，传动平稳。越小，齿轮上受轴向力越大，轴承载荷越大，轴承寿命缩短。 （9）2.3.6 螺旋方向的确定选用原则：挂前进挡时，齿轮轴向力为离开锥顶的方向，使主从动齿轮有分离的趋势，防止齿轮卡死。选取主动齿轮左旋（即从锥顶看，齿形从中心线上半部分向右倾斜）。2.3.7 法向压力角的选择法向压力角大些可增加齿轮强度，减少不发生根切的最小齿数。过大会使齿顶变尖，端面重合度降低。选取。2.3.8 铣刀的刀盘半径选择根据汽车车桥设计129页的表3-14预选刀盘半径。2.3.9 主从动锥齿轮几何计算计算结果如表2.3：表2.3主减速器双曲面齿轮几何尺寸表序号项 目计 算 公 式计 算 结 果1主动齿轮齿数72从动齿轮齿数383模数6.4384齿面宽=41.7mm=37.9mm5工作齿高10.4268mm6全齿高=11.7608mm7法向压力角=22.58轴交角=909节圆直径=45.067mm=244.65mm10节锥角=90-=11.5907=77.578011节锥距A=A=125.3573mm12齿顶高=1.3557mm13齿根高=10.4051mm14径向间隙c=c=1.3340mm15刀盘名义直径=95.250mm16螺旋角2.4 主减速器双曲面齿轮校核程序计算得主动轮螺旋角，而预选的，两者差值,符合要求，平均螺旋角:，符合要求。 双曲面齿轮齿的损坏形式主要有：弯曲疲劳折断，过载折断，齿面点蚀及剥落，齿面胶合，齿面磨损等。2.4.1 单位齿长圆周力主动轮大端分度圆直径 （10）主减速器锥齿轮的表面耐磨性常用齿轮上的单位齿长圆周力来估算。表2.4许用单位齿长上的圆周力(Nmm)类别档位一档二档直接档轿车893536321载货汽车1429250公共汽车982214牵引汽车536250按发动机最大转矩和变速器一档速比计算： （11）按发动机最大转矩和变速器一档速比计算按发动机最大转矩和变速器直接档速比计算按最大附着力矩计算时： （12）满足要求。2.4.2 轮齿弯曲强度锥齿轮轮齿的齿根弯曲应力公式 （13）1)主动锥齿轮强度校核以发动机最大扭矩和传动系最低当速比所确定的主动锥齿轮的转矩为计算扭矩来校核:以汽车日常行驶平均转矩所确定的主动锥齿轮转矩为计算扭矩来校核:2) 从动锥齿轮强度校核以发动机最大扭矩和传动系最低当速比所确定的从动锥齿轮的转矩为计算扭矩以汽车日常行驶平均转矩所确定的从动锥齿轮转矩为计算扭矩来校核：2.4.3 轮齿接触强度锥齿轮轮齿的齿面接触应力公式： （14）由于接触应力主从动齿轮相等，所以以下只计算主动轮。1) 按主动轮计算载荷计算2) 按日常行驶转矩计算2.5 锥齿轮的材料汽车驱动桥主减速器锥齿轮目前常用渗碳合金钢来制造，主要有20CrMnTi,20MnVB,20MnTiB,22CrNiMo等 。本设计采用较常用的20CrMnTi。其优点是表面得到含碳量较高的硬化层，有比较高的耐磨性和抗压性，心部较软，所以具有很好的韧性，因而它的弯曲强度，表面接触强度以及承受冲击的能力都很好。由于含碳量较低，锻造性能和切削加工性能较好。主要缺点是热处理费用比较高，表面硬化层以下基底较软，在承受很大压力时可能会产生塑性变形，如果渗透层与心部的含碳量相差太多，就可能会引起表面硬化层剥落。2.6 主减速器锥齿轮轴承载荷计算2.6.1 锥齿轮齿面上的作用力锥齿轮的受力示意图如下： 图2.4锥齿轮的受力示意图根据汽车车桥设计（刘惟信编）中，主动轮的当量转矩为： （15）表2.5及的参考值档位变速器车型轿车公共汽车载货汽车II挡IV挡IV挡IV挡带超速档IV挡IV挡带超速档V挡80I IIIIIIVV19901420750.82.51680.72627651415501311850.53.57590.5251577.5Q1 y,IIIIIIIVV60 60507065606065605050707060607070606050607060506070705060707060主从动锥齿轮的中点分度圆直径如下： （16） （17） （18） （19）则由此可计算出主从动轮上的轴向力和颈向力,取主动轮左旋，从动轮右旋，顺时针方向。主动轮的轴向力为：径向力从动轮轴向力径向力可推出轴满足的最小直径 （20）C取80，由于需要考虑轴上的键槽放大,=22.80mm，所以取。2.6.2 轴承受力计算轴承的轴向载荷就是上述的齿轮的轴向力。但如果采用圆锥滚子轴承作支承时，还应考虑径向力所应起的派生轴向力的影响。而轴承的径向载荷则是上述齿轮的径向力，圆周力及轴向力这三者所引起的轴承径向支承反力的向量和。当主减速器的齿轮尺寸，支承形式和轴承位置已初步确定，计算出齿轮的轴向力、径向力圆周力后，则可计算出轴承的径向载荷。对于采用悬臂式的主动锥齿轮和跨置式的从动锥齿轮的轴承径向载荷，如图2.5所示。图2.5主减速器轴承的布置尺寸轴承A，B的径向载荷分别为预选,所以，轴承A的径向力； 轴承B的径向力。轴承的寿命为： s （21）此外对于无轮边减速器的驱动桥来说，主减速器的从动锥齿轮轴承的计算转速为r/min （22）所以上式可得,所以轴承能工作的额定轴承寿命为：h （23）若大修里程S定为100000公里，可计算出预期寿命即= h （24）所以=对于轴承A和轴承B，根据尺寸，选用30306型圆锥滚子轴承，,，。对于轴承A，在此径向力，轴向力， 所以=0e，,当量动载荷=所以轴承B要使用强度要求更高的30305。对于从动齿轮的轴承C，D的径向力已知：，：所以，轴承C的径向力：=；轴承D的径向力：=对于轴承C，轴向力，径向力=；对于轴承D，轴向力，径向力=，均有e， 所以，根据尺寸，轴承C，D预选32210，其额定动载荷为82.8kN,，。对于轴承C，=所以轴承C满足使用要求。对于轴承D，= 所以轴承D满足使用要求。3 差速器设计3.1 差速器形式的选择汽车行驶过程中，左右车轮同一时间内所滚过的路程往往不相等。如转弯时内侧车轮行程比外侧车轮少;左右两轮胎的气压也不相等，轮胎面的磨损不均匀，两车轮上的负荷不均匀引起的车轮滚动半径也不相等；左右车轮的路面条件不相同，阻力不相等差速器按结构特征可分为：齿轮式，凸轮使，涡轮式等。在汽车上广泛采用的是对称锥齿轮式差速器，具有结构简单，质量小，维修较容易，成本低等优点。差速器的性能一般用以锁紧系数来表征，普通锥齿轮式差速器锁紧系数一般是0.050.15, 两半轴转矩之比为1.111.35。这样的分配比例对于良好路面上行驶的汽车来说是合适的。但是当汽车越野或在泥泞、冰雪路面上行驶时，一侧驱动车轮与地面附着系数很小，尽管另一侧车轮与地面附着很好，驱动桥力矩也不得不随着附着系数小的一侧同样的减小，无法发挥其潜在牵引力，以致汽车停驶。由于本设计题目是轻型货车驱动桥设计，道路条件良好，为简化结构和降低成本，所以使用一般的行星齿轮式差速器。3.2 差速器齿轮的设计3.2.1 差速器齿轮主要参数的选择1) 行星齿轮数取n=4，即用四个行星齿轮。2) 行星齿轮的球面半径行星齿轮球面半径反映了差速器锥齿轮节锥矩大小和承载能力，根据经验公式来确定：3) 行星齿轮的节锥矩行星齿轮和半轴齿轮的齿数为使两个行星齿轮同时与两个半轴齿轮啮合，两个半轴齿轮齿数必须被行星齿轮数整除，否则差速器不能装配。故选行星齿轮齿数为10，半轴齿轮齿数为16。5) 压力角根据经验,选择的压力角大多数采用3.3 差速器齿轮的强度校核差速器齿轮尺寸受结构限制，而且承受载荷较大，不像主减速器齿轮那样经常处于啮合传动状态，只有汽车转弯后左右车轮行驶在不同的路面时，差速器齿轮才有啮合相对运动。因此差速器齿轮主要进行弯曲强度校核。公式如下 （26）1）以发动机最大扭矩和传动系最低当速比所确定转矩来校核此处2）以汽车日常行驶平均转矩所确定转矩为计算扭矩来校核此处所以轮齿强度合格。4 车轮传动装置车轮传动装置位于传动系末端，基本功用是接受由差速器传来的扭矩并传给车轮。对于非断开式驱动桥，车轮传动装置主要是半轴；对于断开式驱动桥和转向驱动桥，车轮传动装置为万向节。半轴根据其车轮端的支撑方式，可分为半浮式、3/4浮式和全浮式三种。全浮式半轴结构特点是半轴外端凸缘用螺钉与轮毂相连，轮毂又用两个圆锥滚子轴承支撑在驱动桥壳的半轴套管上，理论上说，半轴只承受转矩，作用在驱动桥上的其他反力以及弯矩全部由桥壳来承受。图4.1全浮式半轴示意图4.1 半轴计算4.1.1 全浮式半轴计算载荷的确定 全浮式半轴只承受转矩，计算转矩按下式进行： （27）全浮式半轴杆部直径初步选取可按下式进行： 根据上式带入，得：，取：。4.1.2 强度校核1）半轴的扭转切应力为 （28）2）半轴的扭转角 （29）。根据汽车设计的推荐，半轴的单位长度扭转角在615合适。4.1.3 花键设计1）结构形式及参数的选择花键主要是矩形花键和渐开线花键，矩形花键应用较广泛，加工容易，但应力集中比较严重，因此传递较大扭矩时，一般尺寸较大。渐开线花键应力集中较小，定位准确，用于精密连接，所以适合于小尺寸轴和薄壁零件。选用30平齿渐开线花键。根据渐开线花键标准应用手册以及机械设计P109计算参数如下：模数，分度圆，齿数，半轴花键长。4.1.4 花键校核渐开线花键主要失效形式是静连接工作表面被压溃，动连接时工作表面过度磨损。因此静连接时通常按工作表面上的压应力进行强度校核。校核时，假定载荷在花键工作表面均匀分布，各齿面压力的合力作用在分度圆直径上，引入系数来考虑载荷在各花键齿上分配不均匀的影响。半轴花键校核所以花键的设计是合格的。5 驱动桥壳设计驱动桥壳主要功用是支撑汽车质量，承受车轮传来的路面反力和反力矩，经悬架传给车架。是主减速器、差速器和半轴的装配基体。5.1 驱动桥壳结构方案分析驱动桥壳大致可分为可分式、整体式和组合式三种。整体式桥壳按照制