福特1.8轿车驱动桥设计过程以及计算

福特1.8轿车驱动桥设计过程以及计算 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 目录 一、课程设计题目分析、课程设计题目分析-3-3 2、主减速器设计主减速器设计-4-4 （一） 减速器的结构形式-4 （二） 主减速器的基本参数选择与设计计算- -5 （三） 主减速器锥齿轮的主要参数选择- -7 （四） 主减速器锥齿轮的材料- -10 （五） 主减速器圆弧齿螺旋锥齿轮的强度计算- -11 （六） 主减速器轴承计算及选择- -13 3、差速器的设计差速器的设计-18-18 （一） 差速器结构形式选择- -19 （二） 差速器参数确定- -20 （三） 差速器直齿锥齿轮的几何尺寸计算- -22 （四） 差速器直齿锥齿轮的强度计算- -23 4、半轴的设计半轴的设计-24 （一）半轴型式-24 （2）半轴参数设计及计算-25 （3）半轴花键的强度计算-28 （4）半轴其他主要参数的选择-28 （五）半轴的结构设计及材料与热处理-29 五、桥壳及桥壳附件设计、桥壳及桥壳附件设计-29-29 （一）驱动桥壳结构方案选择- -30 （二）驱动桥壳强度计算- 32 （三）材料的选择- -34参考文献参考文献- - -35 -35 发动机最大功率为70kw/3800rpm,最大扭矩 173Nm/2400rpm;变速箱速比为 3.835,2.327,1.397,1.汽车总质量 1850kg，轮胎 P215/80R16;最高车速95KM/h;驱动行式： 4#2； 一、课程设计题目分析： 本次设计题目为轿车驱动器，车型为Focus 1.8 TD Sedan。 具体参数如下： 发动机转速： 4000r/min 最大扭矩： 200N.m 汽车总重量： 1620kg 主传动比： 3.56。 设计开始之前，需准备 汽车设计课程设计指导书 、 汽车工程手册 等书 籍，由于以前做过减速器设计，所以 机械设计 、 机械设计课程设计指导书 也会在此次设计中用到。 设计要求： 驱动桥处于动力传动系的末端，其基本功能是增大由传动轴或变速 器传来的转矩，并将动力合理的分配给左、右驱动轮，另外还承受作用于路 面和车架或车身之间的垂直立、 纵向力和横向力。 驱动桥一般由主减速器、 差 速器、车轮传动装置和驱动桥壳。 设计驱动桥时应 满足如下基本要求： 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。 驱动桥分为断开式和非断开式。 在选择的时候，应当从所设计的汽车类型 及使用、 生产条件出发，还得和所设计的其他部件结合，尤其是悬架，一次保证 整车的预期性能和使用要求。 驱动桥的结构形式与驱动车轮的悬架形式密切相关。当车轮采用非独 立悬架时，驱动桥应为非断开式；当采用独立悬架时，为保证运动协调，驱 动桥应为断开式。 具有桥壳的非断开式驱动桥结构简单、 制造工艺行好、 成本低、 工作可靠、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 和小轿车上。但整个驱动桥均属于簧下质量，对于汽车平顺性和降低动载荷不 利。断开式驱动桥结构复杂，成本较高，但它大大地增加了离地间隙；减小了 簧下质量，从而改善了行驶平顺性，提高了汽车的平均车速；减小了汽车在 行驶时作用于车轮和车桥上的动载荷，提高了零部件的使用寿命；由于驱动 车轮与地面的接触情况及对各种地形的适应性较好，大大增强了车轮的抗侧 滑能力；与之相配合的独立悬架导向机构设计得合理，可增加汽车的不足转 向效应，提高汽车的操纵稳定性。这种驱动桥在轿车和高通过性的越野车上应 用相当广泛。 本课题要求设计福特福特1.81.8家用家用乘用车乘用车的驱动桥，根据结构、 成本和工艺 等特点，所以我们采用非断开式非断开式驱动桥，这样，成本低，制造加工简单，便 于维修。 3、主减速器设计 （一）、减速器的结构形式 主减速器的结构形式主要是根据其齿轮的类型，主动齿轮和从动齿轮的安 置方法以及减速形式的不同而异。 1， 主减速器的齿轮类型 主减速器的齿轮有弧齿锥齿轮，双曲面齿轮，圆柱齿轮和蜗轮蜗杆等形式。 现代汽车驱动桥的主减速器齿轮广泛采用螺旋锥齿轮。 螺旋锥齿轮传动在承受较 高载荷时，工作平稳，噪音小，滑动速度低，作用在齿面上的接触负荷也小。 所 以本题采用单级锥齿轮单级锥齿轮。 2，主减速器主，从动锥齿轮的支承形式 本题为设计轻型轿车，所以采用悬臂式悬臂式安装。采用悬臂式安装时，为保证齿 轮的刚度，主动齿轴颈应尽可能加大，并使二轴承间距离比悬臂距离大2.5倍 以上。 （二） 主减速器的基本参数选择与设计计算 1， 主减速器计算载荷的确定 发动机选择 福特1.8 轻型轿车大多采用CAF488Q1发动机，所以此处也采用此发 动机。其参数最大扭矩为：180N.m/4000rpm。 主减速比i0的确定 对于具有很大功率储备的轿车、 长途公共汽车尤其是竞赛车来说，在给 定发动机最大功率 amax P 及其转速 p n 的情况下，所选择的 i0值应能保证这些汽车 有尽可能高的最高车速 amax v 。这时i0值应按下式来确定： rp 0 amax gh r n i =0.377 vi 式中 r r-车轮的滚动半径，此处给定轮胎型号为 185/65R14，所 以滚动半径为18565%+1425.4/2=298.05mm。 igh-变速器量高档传动比。igh =0.67 把 nn=4000r/n , amax v =184km/h代入上式 计算得i0=3.64 1）、按发动机最大转矩和最低挡传动比确定从动锥齿轮的计算转矩ce Tce= demax1 f 0 k Tki i i n 式中： Tce-计算转矩，Nm； Temax-发动机最大转矩；Temax =180N.m n-计算驱动桥数， n= 1； if-分动器传动比， if= 1； i0-主减速器传动比， i0=3.64； -变速器传动效率， =0.90； k-液力变矩器变矩系数， K=1； Kd-由于猛接离合器而产生的动载系数，Kd=1； i1-变速器最低挡传动比，i1=3.66； 将数据代入上式可得： Tce=2158.23N.m 2）、按驱动轮打滑转矩确定从动锥齿轮的计算转矩 csT mN i rmG m r , 1 22 CST 式中： 2 G-每个驱动轴上的重量，为60%G=60%16200=9720N 2 m-加速时重量转移系数，此处为1.1； -轮胎与路面的附着系数，对于一般轮胎的公路用汽车在良 好的混凝土或沥青路上可取0.85； r r-车轮滚动半径，0.298m； m i-车轮到从动锥齿轮间的传动比，取1； -车轮到从动锥齿轮间的传动效率，一般为0.9； 将数据代入公式可得到Tcs=3009.2 N.m 3）、按汽车日常行驶平均转矩确定从动锥齿轮的计算转矩cfT mNfff i rG ja dm ra ),( Tcf 式中：Ga-汽车总重量，16200N； r r-车轮滚动半径，0.298m； m i-从动锥齿轮到轮边减速比，取1； d -驱动轴传动效率，圆弧锥齿轮取0.90； a f-公路坡度系数，它代表汽车在设计时要 求能够持续爬坡的能力，而不是公路的 坡度系数，取 0.06； j f -性能系数，代表汽车在坡度上的加速能 力，取 0.017； 代入公式可得：cfT=413.03mN 所以， 126.08 n i T T cf zf 。 N.m 最大计算扭矩取1，2计算的较小值，所以 Tc 2158.23N.m 计算转矩： 658.8 n i T T c z 。 N.m （三）、主减速器锥齿轮的主要参数选择 1)主、从动锥齿轮齿数z1和z2 选择主、从动锥齿轮齿数时应考虑如下因素； 为了啮合平稳、噪音小和具有高的疲劳强度，大小齿轮的齿数和不少于40 在轿车主减速器中，小齿轮齿数不小于9。 查阅汽车课程设计指导书资料表6-4，主减速器的传动比为3.64，初定 主动齿轮齿数z1=11，从动齿轮齿数z2=40。 所以计算得i0=3.64， Tc 2158.23N.m， 658.8 Tz N.m。 2）从动锥齿轮大端分度圆直径 2 D和端面模数 t m 对于单级主减速器，增大尺寸 2 D会影响驱动桥壳的离地间隙，减小 2 D又 会影响跨置式主动齿轮的前支承座的安装空间和差速器的安装。 2 D可根据经验公式初选，即 3 22 cDTKD 2DK直径系数，一般取13.016.0 Tc 从动锥齿轮的计算转矩，mN，为Tce和Tcs 中的较小者 所以 2 D=（13.016.0）32158.23=（167.99206.77）mm 初选 2 D=200mm 则 t m= 2 D/2z=200/40=5mm 初选 t m=5mm， 则 2 D=200mm 根据 t m= 3 cmTK来校核 sm=5选取的是否合适，其中 mK=（0.30.4） 此处， t m=（0.30.4）32158.23=（3.885.17），因此满足校核。 主动锥齿轮大端模数mz mz=（0.5980.692）3 zT =5.206.02 取mz=6mm，所以 1 D=66mm 3） 主，从动锥齿轮齿面宽 1 b和 2 b 锥齿轮齿面过宽并不能增大齿轮的强度和寿命，反而会导致因锥齿轮轮齿小 端齿沟变窄引起的切削刀头顶面过窄及刀尖圆角过小，这样不但会减小了齿根 圆角半径，加大了集中应力，还降低了刀具的使用寿命。 此外，安装时有位置偏 差或由于制造、 热处理变形等原因使齿轮工作时载荷集中于轮齿小端，会引起轮 齿小端过早损坏和疲劳损伤。另外，齿面过宽也会引起装配空间减小。但齿面过 窄，轮齿表面的耐磨性和轮齿的强度会降低。 对于从动锥齿轮齿面宽 2 b，推荐不大于节锥的0.3倍，即 ，而且 应满 足 ，对于汽车主减速器圆弧齿轮推荐采用： =0.155 200=31 一般习惯使锥齿轮的小齿轮齿面宽比大齿轮稍大，使其在大齿轮齿面两端都 超出一些，通常小齿轮的齿面加大10%较为合适，在此取 =1.1 =34 4）中点螺旋角 齿锥齿轮副的中点螺旋角是相等的，选 时应考虑它对齿面重合度 ，轮齿强 度和轴向力大小的影响， 越大，则 也越大，同时啮合的齿越多，传动越平 稳，噪声越低，而且轮齿的强度越高， 应不小于1.25，在 1.52.0时效果 最好，但 过大，会导致轴向力增大。 汽车主减速器弧齿锥齿轮的平均螺旋角为3540，而商用车选用较小 的 值以防止轴向力过大，通常取35。 5） 螺旋方向 主、 从动锥齿轮的螺旋方向是相反的。 螺旋方向与锥齿轮的旋转方向影响其所 受的轴向力的方向，当变速器挂前进挡时，应使主动锥齿轮的轴向力离开锥顶 方向，这样可使主、从动齿轮有分离的趋势，防止轮齿因卡死而损坏。所以主动 锥齿轮选择为左旋，从锥顶看为逆时针运动，这样从动锥齿轮为右旋，从锥顶 看为顺时针，驱动汽车前进。 6） 法向压力角 加大压力角可以提高齿轮的强度，减少齿轮不产生根切的最小齿数，但 对于尺寸小的齿轮，大压力角易使齿顶变尖及刀尖宽度过小，并使齿轮的端面 重叠系数下降，一般对于“格里森”制主减速器螺旋锥齿轮来说，在此轻型轿 车选择压力角 7） 具体参数如下表 参数及其计算确定 名 称代 号 计 算 公 式 和 说 明计算结果 轴交角 按需要确定，一般 ，最常用 螺旋角 通常 ，最常用 。 名 称代 号 计 算 公 式 和 说 明计算结果 大端分度圆 直径 按照经验公式初定，得到端面模数，然后 分锥角 ， 外锥距 齿宽系数 齿宽 中点模数 中点法向模数 中点分度圆 直径 中点锥距 顶隙 ，顶隙系数 齿顶高 ，齿顶高系数 ， 齿根高 , 工作齿高 全齿高 齿根角 齿顶高 顶锥角 根锥角 （四） 主减速器锥齿轮的材料 驱动桥锥齿轮的工作条件是相当恶劣的，与传动系其它齿轮相比，具有载 荷大、 作用时间长、 变化多、 有冲击等特点。 因此，传动系中的主减速器齿轮是个 薄弱环节。主减速器锥齿轮的材料应满足如下的要求： a）具有高的弯曲疲劳强度和表面接触疲劳强度，齿面高的硬度以保证 有高的耐磨性。 b）齿轮芯部应有适当的韧性以适应冲击载荷，避免在冲击载荷下齿根 折断。 c）锻造性能、切削加工性能以及热处理性能良好，热处理后变形小或 变形规律易控制。 d）选择合金材料是，尽量少用含镍、 铬呀的材料，而选用含锰、 钒、 硼、 钛、钼、硅等元素的合金钢。 汽车主减速器锥齿轮与差速器锥齿轮目前常用渗碳合金钢制造，主要有 20CrMnTi、 20MnVB、 20MnTiB、 22CrNiMo和 16SiMn2WMoV。 渗碳合金钢的优点是表面 可得到含碳量较高的硬化层（一般碳的质量分数为0.8%1.2%），具有相当高 的耐磨性和抗压性，而芯部较软，具有良好的韧性。 因此，这类材料的弯曲强度 表面接触强度和承受冲击的能力均较好。 由于钢本身有较低的含碳量，使锻造性 能和切削加工性能较好。 其主要缺点是热处理费用较高，表面硬化层以下的基底 较软，在承受很大压力时可能产生塑性变形，如果渗碳层与芯部的含碳量相差 过多，便会引起表面硬化层的剥落。在此选择材料为20CrMnTi。 为改善新齿轮的磨合，防止其在余兴初期出现早期的磨损、擦伤、胶合或咬 死，锥齿轮在热处理以及精加工后，作厚度为 0.0050.020mm的磷化处理或镀 铜、 镀锡处理。 对齿面进行应力喷丸处理，可提高25%的齿轮寿命。 对于滑动速度 高的齿轮，可进行渗硫处理以提高耐磨性。 （五） 主减速器圆弧齿螺旋锥齿轮的强度计算 （1） 单位齿长上的圆周力 在汽车主减速器齿轮的表面耐磨性，常常用其在轮齿上的假定单位压力即 单位齿长圆周力来估算 按发动机最大转矩计算时 Nmm 式中： 发动机输出的最大转矩，在此取180 ； 变速器的传动比；3.66 主动齿轮节圆直径，在此取66mm. 按上式 Nmm （2）轮齿的弯曲强度计算 汽车主减速器锥齿轮的齿根弯曲应力为 N/ 式中： 该齿轮的计算转矩， =2158.23Nm; =413.03Nm. 超载系数；在此取1.0 尺寸系数，反映材料的不均匀性，与齿轮尺寸和热处理有关， 当 时， ，在此 0.67 载荷分配系数，跨置式，取1。 质量系数，对于汽车驱动桥齿轮，当齿轮接触良好，周节及径向 跳动精度高时，可取1.0; 计算齿轮的齿面宽，31mm; 端面模数，5mm; 计算弯曲应力的综合系数（或几何系数），它综合考虑了齿形系数。 载荷作用点的位置、 载荷在齿间的分布、 有效齿面宽、 应力集中系数 及惯性系数等对弯曲应力计算的影响。 计算弯曲应力时本应采用轮 齿中点圆周力与中点端面模数，今用大端模数，而在综合系数中 进行修正。按图 2-1 选取小齿轮的 0.198. 按上式 471.17N/ e，由此得X=0.4,Y=1.7。另外查得 载荷系数fp=1.2。 P=fp（XFr+YFa） 将各参数代入式中，有： P=1761.6N 轴承应有的基本额定动负荷Cr Cr= 式中： ft温度系数，查文献4，得ft=1； 滚子轴承的寿命系数，查文献4，得=10/3； n轴承转速，r/min； Lh轴承的预期寿命，5000h； 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 式中： 轮胎的滚动半径，m 汽车的平均行驶速度，km/h;对于载货汽车和公共汽车可取 3035 km/h，在 此取50 km/h。 所以有上式可得 = =446.3 r/min 而主动锥齿轮的计算转速 =446.33.64=1624.6r/min 将各参数代入式中，有； Cr=11.28kN 初选轴承型号 查机械设计课程设计表15-7，初选圆锥滚子轴承7207E。 =51.5kN11.28kN 验算7205E圆锥滚子轴承的寿命 Lh= 将各参数代入上式中，有： Lh =165030h5000h 所选择 7207E 圆锥滚子轴承的寿命高于预期寿命，故选 7207E 轴承,经检验 能满足。 同样的选择方法，轴承 B 选择 7208E 型圆锥滚子轴承，轴承 C 选择 7210E 型， 轴承 D 选择 7210E型，经以上相同方法验证均满足要求。 另外， 对于轴，需满足： P-轴传递的功率，67kw A。=110，查机械设计表15-3，高等教育出版社 所以，主动齿轮轴， 28.1mm， 从动齿轮轴， 43.3mm，以上轴承也都满足。 三、差速器的设计 汽车在行使过程中，左右车轮在同一时间内所滚过的路程往往是不相等的， 左右两轮胎内的气压不等、胎面磨损不均匀、两车轮上的负荷不均匀而引起车轮 滚动半径不相等；左右两轮接触的路面条件不同，行使阻力不等等。 这样，如果 驱动桥的左、 右车轮刚性连接，则不论转弯行使或直线行使，均会引起车轮在路 面上的滑移或滑转，一方面会加剧轮胎磨损、 功率和燃料消耗，另一方面会使转 向沉重，通过性和操纵稳定性变坏。 为此，在驱动桥的左右车轮间都装有轮间差 速器。 差速器是个差速传动机构，用来在两输出轴间分配转矩，并保证两输出轴 有可能以不同的角速度转动，用来保证各驱动轮在各种运动条件下的动力传递， 避免轮胎与地面间打滑。 差速器按其结构特征可分为齿轮式、 凸轮式、 蜗轮式和牙 嵌自由轮式等多种形式。 （一） 差速器结构形式选择 汽车上广泛采用的差速器为对称锥齿轮式差速器，具有结构简单、 质量较小 等优点，应用广泛。它可分为普通锥齿轮式差速器、摩擦片式差速器和强制锁止 式差速器。 普通齿轮式差速器的传动机构为齿轮式。 齿轮差速器要圆锥齿轮式和圆柱齿 轮式两种。 强制锁止式差速器就是在对称式锥齿轮差速器上设置差速锁。 当一侧驱动轮 滑转时，可利用差速锁使差速器不起差速作用。差速锁在军用汽车上应用较广。 查阅文献5经方案论证，差速器结构形式选择对称式圆锥行星齿轮差速器。 普通的对称式圆锥行星齿轮差速器由差速器左、右壳，2个半轴齿轮，4个 行星齿轮(少数汽车采用3个行星齿轮，小型、微型汽车多采用2个行星齿轮)， 行星齿轮轴(不少装4个行星齿轮的差逮器采用十字轴结构)，半轴齿轮及行星 齿轮垫片等组成。 由于其结构简单、 工作平稳、 制造方便、 用在公路汽车上也很可 靠等优点，最广泛地用在轿车、 客车和各种公路用载货汽车上有些越野汽车也 采用了这种结构，但用到越野汽车上需要采取防滑措施。 例如加进摩擦元件以增 大其内摩擦，提高其锁紧系数；或加装可操纵的、 能强制锁住差速器的装置 差速锁等。 图3-2 普通的对称式圆锥行星齿轮差速器 1，12-轴承；2-螺母；3，14-锁止垫片；4-差速器左壳；5，13-螺栓； 6-半轴齿轮垫片； 7-半轴齿轮；8-行星齿轮轴；9-行星齿轮；10-行星齿轮垫片；11-差速 器右壳 （二）差速器参数确定 1，行星齿轮差速器的确定 1）行星齿轮数目的选择 依照 汽车工程手册 ，轿车及一般乘用车多用2个行星齿轮，货车 汽车和越野汽车多用4个，少数骑车用个行星齿轮。 本车差速器应选行 星齿轮数为2 个（轻载乘用车汽车） 2）行星齿轮球面半径 的确定 差速器的尺寸通常决定于 ，它就是行星齿轮的安装尺寸，可根据 公式 来确定。 =2.99 =45.843mm 式中： 行星齿轮球面半径系数， =2.522.99（有四个行星齿 轮的轿车和公路用货车取小值；有 2 个行星齿轮的轿车，以及越野汽车、 矿用汽车取大值）；在此取 2.95 差速器计算扭矩。在此为2158.23N.m 计算得 38.12mm 取38mm 3）预选其节锥距 mm 4）行星齿轮与半轴齿轮齿数的选择 为了得到较大的模数，以使齿轮有较高的强度，行星齿轮的齿 数应尽量少，但一般不少于 10。半轴齿轮齿数取 1425；半轴齿轮 与行星齿轮的齿数比多在 1.52 范围内；左、右半轴齿轮的齿数和 必须能被行星齿轮的数目所整除，否则将不能安装。根据这些要求 初定半轴齿轮齿数为18；差速器行星轮个数为 2，齿数为10。 5）行星齿轮节锥角 、模数 和节圆直径 的初步确定 行星齿轮和半轴齿轮的节锥角 、 计算如下： 6）大端模数 及节圆直径 的计算 mm 取 4mm 分度圆直径 ， m mm 7）压力角 过去汽车差速器齿轮都选用 压力角，这时齿高系数为 1，而最 少齿数为 13。现在大都选用 的压力角，齿高系数为 0.8，最少齿数 可减少至10。某些重型汽车也可选用 压力角。 所以初定压力角为 8) 行星齿轮安装孔直径 及其深度 的确定 根据汽车工程手册中： mm 式中： 差速器传递的转矩，N.m； 行星齿轮数；2 为行星齿轮支撑面中点到锥顶的距离（ ， 为半轴齿轮 齿面宽中点处的直径，而 ），计算结果为28.8mm； 支撑面的许用挤压应力，取为69N/mm 。 （三）差速器直齿锥齿轮的几何尺寸计算 1.行星齿轮齿数 （应尽量取小值） 取10 2.半轴齿轮齿数 且须满足安装条件 取18 3.模数 4.变位系数 5.齿顶高系数 6.径向间隙系数 7.齿面宽 8.齿工作高 9.齿全高 10.压力角 11.轴交角 12.节圆直径 13.节锥角 14.节锥距 15. 周节 16.齿顶高 17.齿根高 （四）差速器直齿锥齿轮的强度计算 差速器齿轮主要进行弯曲强度计算，对疲劳寿命则不予考虑，这是 因为行星齿轮在工作中经常只起等臂推力杆的作用，仅在左、右驱动车 轮有转速差时行星齿轮与半轴齿轮之间才有相对滚动的缘故。 汽车的差速器齿轮的弯曲应力为： （N/mm ） 式中： 差速器一个行星齿轮给予一个半轴齿轮的转矩， N.m； 主减速从动轮所传递的扭矩； 行星齿轮数目； 半轴齿轮齿数； 超载系数，一般载货汽车、矿用汽车和越野汽车，以及液力传 动的各类汽车均取 ； 质量系数，对驱动桥齿轮可取 ； 尺寸系数，当端面模数 mm时，取 ； 载荷分配系数，当两个齿轮均为骑马式支撑时， 取 ； 、 分别为计算齿轮的齿面宽（mm）、和模数； 汽车差速器齿轮弯曲应力计算用的综合系数；查表为0.258 许用弯曲应力为980N/mm ； 当T。为 2158.23N.m时， N.m 计算得 mpa980 不满足要求，所以将F增大至 25mm 再次计算得 =697.1980，符合要求 当T。为 时， N.m =133.41980Mpa 即满足要求。 四、半轴的设计 （一）、半轴型式 从差速器传出来的扭矩经过半轴，轮毂最后传给车轮，所以半轴是传 动系中传递扭矩的一个重要零件。 半轴由于受力情况不同，它有半浮动式、3/4浮动式和全浮动式三种型式。 半轴传递扭矩是它的首要任务。但由于轮毂的安装结构不同，非全浮动式半 轴除受扭矩以外，还要受到车轮上的作用力，诸如：车轮上受到的垂直力、 侧向力以及牵引力或制动力所形成的纵向力。 1）半浮式半轴 半浮式半轴除传递扭矩外，还要承受垂直力,侧向力 及纵向力 所作用的 弯矩 、 , 。 由此可见，半浮式半轴所受得载荷较大，故它只用于轿车和轻型 客货两用汽车上。 它得最大优点式结构简单。 半浮式半轴可以用结构简单得圆 锥面和键来固定轮毂。 2）3/4浮式半轴 半轴外端承装在后轴壳端上，车轮毂装在此轴承上。在此结构中，如车轮 中心和轴承中心重合，即当 b=0时，纵向力 与垂直力 ，由车轮传至轴壳， 而侧向力 产生的弯矩 作用在半轴上。假如车轮与轴承中心间距离 b不等于 零，虽然纵向力 及垂直力 经轴承传给轴壳，但力 与 所形成的弯矩仍然由 半轴承担，不过 b值要比半浮式的小。由于 3/4 浮式半轴承受载荷情况与半 轴式相似，一般也仅用在轿车和轻型车上 3）全浮式半轴 全浮式半轴除传递扭矩外，其他力和力矩均由轴壳承受。 全浮式半轴要采用比较复杂的轮毂，在它上面安装两个锥顶相 对的圆锥滚子轴承。 图3-5 所示全浮式半轴汽车半轴与轮毂结构，轴承由锁紧螺 母予以锁紧，并有一定的预紧。 半轴端锻成凸缘，用螺栓通过定位锥套固定在轮 毂上。 图3-6 所示全浮式半轴的最大特点是，半轴端固定轮毂的凸缘是与半轴制 成两体的，其间用花键连接。 半轴的锻造工艺性好，因此许多重型货车的半轴大 都采用这种结构。 根据本次设计车型为轻型轿车确定半轴采用半浮式半轴结构，具体结构采用 以突缘直接与车轮轮盘及制动鼓相联接。 （5）半轴参数设计及计算 半轴的主要尺寸是它的直径，设计与计算时首先应合理地确定其计算载荷。 半轴的计算应考虑到以下三种可能的载荷工况： （1）纵向力X2最大时(X2Z2 )，附着系数预取0.8，没有侧向力作用； （2）侧向力 Y2最大时，其最大值发生于侧滑时，为 Z2 中，侧滑时轮胎 与地面的侧向附着系数 ，在计算中取1.0，没有纵向力作用； （3）垂向力 Z2最大时，这发生在汽车以可能的高速通过不平路面时，其值 为(Z2-gw)kd，kd是动载荷系数，这时没有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 故纵向力X2最大时不会有侧向力作用，而侧向力Y2最大时也不会有纵向力作用。 初步确定半轴直径在0.040m。 半浮式半轴设计应考虑如下三种载荷工况： (1)纵向力 最大，侧向力 为 0：此时垂向力 ， 取 9720N 纵向力最大值 ，计算时 可取 12， 取 08。得 =5832N =4665.6N 半轴弯曲应力，和扭转切应力 为 式中，a 为轮毂支承轴承到车轮中心平面之间的距离，a 取 0.06m = 71.32mpa = 110.64mpa 合成应力 = =232.49mpa (2)侧向力 最大，纵向力 =0，此时意味着发生侧滑：外轮上的垂直 反力 。和内轮上的垂直反力 分别为 式中， 为汽车质心高度参考一般计算方法取 738.56mm； 为轮距 =1495mm； 为侧滑附着系数，计算时可取 10。 计算得 外轮上侧向力 和内轮上侧向力 分别为 内、外车轮上的总侧向力 为 =9720N 这样，外轮半轴的弯曲应力 和内轮半轴的弯曲应力 分别为 = 365.98mpa =3.31 mpa (3)汽车通过不平路面，垂向力 最大，纵向力 ，侧向力 ：此时垂 直力最大值 为： 式中，是为动载系数，轿车： ，货车： ，越野车： 。 计算结果为 8505N 半轴弯曲应力，为 =81.22mpa 故校核半径取0.040m满足合成应力在600mpa -750mpa 范围 （三）半轴花键的强度计算 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 （3-1） 半轴花键的挤压应力为 （3-2） 式中 T半轴承受的最大转矩，T=2158.23Nm； DB半轴花键(轴)外径，DB=36mm； dA相配的花键孔内径，dA=32mm； z花键齿数，在此取20； Lp花键工作长度，Lp=67mm； b花键齿宽，b=3.75 mm； 载荷分布的不均匀系数，取0.75。 将数据带入式（3-1）、（3-2）得： =33.68MPa =63.16 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。 上述花键部分主要参考著作机械设计课程设计。 （四） 半轴其他主要参数的选择 花键参数：齿数：20齿， 模数：1.5, 油封外圆直径：60,65 半轴长度：696mm 参考机械设计课程设计 法兰参数：5-16.2B10,分布圆120 十孔位置度0.2 上述参数主要参考网络文献（1）。 （五）半轴的结构设计及材料与热处理 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，因此花键齿数必须相应地增加，通常取 10齿 (轿车半轴)至18 齿(载货汽车半轴)。半轴的破坏形式多为扭转疲劳破坏，因此 在结构设计上应尽量增大各过渡部分的圆角半径以减小应力集中。 重型车半轴的 杆部较粗，外端突缘也很大，当无较大锻造设备时可采用两端均为花键联接的 结构，且取相同花键参数以简化工艺。 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。 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；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。 五 五、桥壳及桥壳附件设计、桥壳及桥壳附件设计 驱动桥壳的主要功用是支承汽车质量，并承受由车轮传来的路面反力和反 力矩，并经悬架传给车架（或车身）；它又是主减速器、差速器、半轴的装配基 体。驱动轴壳是传力件又是载件，因此驱动桥壳应满足如下设计要求： 1） 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。 3） 保证足够的强度和刚度的前提下，尽量减小质量以提高汽车行使平 顺性。 4） 保证足够的离地间隙。 5） 结构工艺性好，成本低。 6） 保护装于其上的传动系部件和防止泥水浸入。 7） 拆装、调整、维修方便。驱动轴壳的形式及选择 （一）（一）. .驱动桥壳结构方案选择驱动桥壳结构方案选择 桥壳大体可分为三种形式：可分式、整体式、组合式。 1、 可分式桥壳 可分式桥壳由两部分组成，每部分均有一个铸件壳体和一个压入其 内部的轴管。轴管与壳体用铆钉连接，两半轴壳通过螺栓连接为一全。 可分式轴壳制造工式简单，主减速器轴承的支承刚性好。 但拆装、 调整、 维 修很不方便，轴壳的强度和刚度受到结构的限制，现已很少采用，应用 的也多在中小型汽车上。 2、 整体式桥壳 整体式桥壳的强度和刚度都比较大，桥壳制成整体结构后，主减速 器和差减速器装配成总成再用螺栓安装到桥壳上，这种结构对主减速器 的拆装、调整都比较方便。按照制造工艺方法，整体式桥壳双可分为铸造 式、冲压焊接式和扩张成形式三种。 1）铸造式桥壳 铸造整体式桥壳，中间是可锻铸铁铸件，为增加轴壳的强度及刚度， 在轴的两端压入用无缝钢管制成的半轴套管，这种结构的轴壳强度和刚 度较大，钢板弹簧座与轴壳壳体铸成一体，轴壳可根据强度要求铸成适 当的形状。壳的前端平面及孔可装主减速器，后端平面及孔可装上后盖， 找开后盖可作检视孔用，它与冲压轴壳相比，主要缸点是重量大、加工 面多、 制造工艺复杂。 亦有采用中央部分用铸件、 两端压入钢管组成三节 整体式轴壳，它与前面那种相比，重量有所减轻、工艺较简单，而中间 轴壳与钢管连接处，同于受力情况复杂，往往在此形成弱点。 许多重型货车采用铸钢的铸造整体式轴壳，常作为检视孔的后端部多用 冲压的钢板焊接成封闭结构，以增加轴壳的强度及刚度。 2） 冲压焊接式桥壳 用钢板冲压焊接成形的整体式轴壳具有重量轻、 工艺简单、 材料利用 率高制造成本低等优点，并适合于大量生产，因此在中小货车上广泛采 用，目前同于冲压设备有了发展，这种轴壳的优点更显突出，因此许多 重型货车的轴壳也采用了这种结构。 3） 扩张成形式桥壳 扩张成形式桥壳是用一根无缝钢管扩张成形的桥壳。这种桥壳结构 无论强度还是刚度都比较大，材料节省重量也轻，唯需要专用扩张轧制 设备。 也可用两根无缝钢管的一端扩张成形后焊接的整体式桥壳，它是作为重 型货车的驱动桥壳，焊缝高在中部垂直面上，其焊缝质量、焊缝始端终 端的焊透深度以及焊缝的接合位置对驱动壳的寿命起着决定性影响，把 弹簧座合制动凸缘的焊缝移至中性面上，从试验结果得到，扩张成形式 桥壳是可以使驱动桥得使用寿命提高两三倍。 3. 组合式桥壳 组合式桥壳是主减速器壳与部分桥壳铸成一体。，而后用无缝钢管压 入壳体两端，两者之间用塞焊方法焊接在一起。它具有比较好的从动齿轮壳 承的支承刚度，主减速器的装配调整也较分开式桥壳方便。然而这种桥壳要 求有较高的加式精度，它的维修、 装配、 调整与整体式桥壳相比仍较复杂。 桥 壳刚度与整体式相比也差，常见用于轿车、轻载货车的驱动桥壳。 本车设计时综合考虑各种因素及经济性，选择了整体式的扩张成形 式桥壳，其设计图如下所示，它由轴管法兰盘，定位圈，钢板弹簧座，后 桥轴管，通气孔，底部通气孔，底盖，桥壳中段，加强环，内衬环，注油 孔，放油孔12部分焊接组成，桥壳中段和轴管都是经过热扩张成形的 （二）驱动桥壳强度计算（二）驱动桥壳强度计算 1.传递最大牵引力或制动力时 桥壳好似一个横梁，它的支点位于轮胎中心，载荷作用于钢板弹簧座 上，一般货车均用双胎以提高整体承载能力，双胎的轴支点间距离按两胎 之间距离进行计算。 驱动桥壳的最大应力通常发生在钢板弹簧座附近。使桥壳产生弯矩的力 有：同于承载重量产生的垂直载荷 G2，牵引力 F 及其反作用力矩 M。还有 汽车转变时在轮胎上产生的侧向力 Y2 外力作用在驱动桥壳上的情况相当于 复杂，为使计算简化起见，仅从不侧滑情况下作直线行驶时进行计算，而 在安全系数方面作适当考虑。 按垂直载荷计算时，驱动桥壳钢板弹簧座之间的弯矩 ： 由牵引力产生的水平面内弯矩为： 其合成弯矩为： 根据全成弯矩计算出钢板弹簧座处弯曲应力。同时桥壳还承受同牵引 力引起的反作用扭矩，由此计算出钢板弹簧处的转应力为 2 紧急制动时 制动力在水平面内产生的弯矩 与垂直重量产生的弯矩 形成合成弯矩 ： 桥壳还受最大制动力引起的反作用扭矩： 由弯矩和