05驱动桥设计

南京农业大学工学院机械工程系,1,第5章 驱动桥设计,南京农业大学工学院机械工程系,2,本章 重点,驱动桥的结构方案 驱动桥的工作原理 主减速器的设计计算 差速器的设计计算 驱动桥壳的设计计算 车轮传动装置的设计计算,南京农业大学工学院机械工程系,3,5.1 概述,汽车的驱动桥处于传动系的末端，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、右驱动车轮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垂直力、纵向力和横向力。在一般的汽车结构中，驱动桥由主减速器、差速器、车轮传动装置和驱动桥壳（或梁）等组成。,南京农业大学工学院机械工程系,4,5.2 驱动桥的结构形式,汽车驱动桥结构形式与其悬架密切相关。当采用非独立悬架时，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 。,普通非断开式驱动桥 带有摆动半轴的非断开式驱动桥 断开式驱动桥,南京农业大学工学院机械工程系,5,5.3 主减速器设计,5.3.1 主减速器的结构形式 主减速器根据齿轮类型、减速形式以及主、从动齿轮的安装及支承形式的不同分类。按照主减速器的齿轮副的数目分类，有单级主减速器(一对齿轮副)、双级主减速器(两对齿轮副)，而双级主减速器又可分成整体式和分开式两种。 1. 单级主减速器 单级主减速器常由一对圆锥齿轮组成 (1) 弧齿锥齿轮传动 弧齿锥齿轮传动的特点是主、从动齿轮的轴线垂直相交于一点。比直齿锥齿轮能承受更大的载荷，工作平稳，噪声和振动小，但弧齿锥齿轮对啮合精度很敏感，齿轮副锥顶的啮合稍有偏差就会加剧齿轮磨损，使噪声增大。,南京农业大学工学院机械工程系,6,5.3 主减速器设计,5.3.1 主减速器的结构形式,(a) 弧齿锥齿轮传动 (b) 双曲面齿轮传动 (c) 圆柱齿轮传动 (d) 蜗杆传动,南京农业大学工学院机械工程系,7,5.3 主减速器设计,5.3.1 主减速器的结构形式 (2) 双曲面齿轮传动 主、从动齿轮的轴线相互垂直而不相交，且主动齿轮轴线相对从动齿轮齿轮轴线向上或向下偏移一个距离，称为偏移距 。 使主动齿轮螺旋角 大于从动齿 轮螺旋角 ，并将 、 之差称 为偏移角 。,南京农业大学工学院机械工程系,8,5.3 主减速器设计,5.3.1 主减速器的结构形式 (3) 圆柱齿轮传动 圆柱齿轮传动结构在发动机横置，且前置前驱动的乘用车驱动桥和双级主减速器驱动桥以及轮边减速器得到了广泛应用，此时，齿轮均应采用斜齿轮。 (4) 蜗杆蜗轮传动 蜗杆蜗轮传动结构的特点是可以在轮廓尺寸较小、结构质量较小的情况下得到较大的传动比(传动比可以大于7),但是，蜗杆蜗轮传动效率较低，成本较高。 2. 双级主减速器 与单级主减速器相比，采用双级主减速器可以在保证离地间隙相同的情况下得到更大的传动比( )；但是尺寸较大，质量较大，结构复杂，制造成本高，传动效率低。,南京农业大学工学院机械工程系,9,5.3 主减速器设计,5.3.1 主减速器的结构形式 (1) 整体式双级主减速器,南京农业大学工学院机械工程系,10,5.3 主减速器设计,5.3.1 主减速器的结构形式 贯通式驱动桥的结构如图所示，它们都采用整体式双级主减速器，有两种结构方案。,南京农业大学工学院机械工程系,11,5.3 主减速器设计,5.3.1 主减速器的结构形式 (2) 分开式双级主减速器 分开式双级主减速器由中央主减速器和轮边减速器组成。采用这种主减速器可以在保证具有较大传动比条件下，驱动桥中央部分(中央主减速器部分)尺寸较小，离地间隙较大。但由于要加装轮边减速器导致结构复杂。 轮边减速器有以下两种方案： A、行星齿轮轮边减速器，其特点是可以在较小的轮廓尺寸条件下获得较大的传动比，而且布置在轮毂之内。 B、外啮合圆柱齿轮轮边减速器 可使桥壳离地高度降低。,南京农业大学工学院机械工程系,12,5.3 主减速器设计,5.3.1 主减速器的结构形式 3. 双速主减速器 双速主减速器有两个挡位，即有两个传动比，它与普通变速器相配可成倍增加挡位，而不需要采用副变速器。 (1) 圆柱齿轮组式双级主减速器 这种结构的尺寸和质量较大，可获得的主传动比较大。 (2) 行星齿轮式双速主减速器 行星齿轮式双速主减速器的结构尺寸较小，质量也较小。行星齿轮系的基本方程为：,南京农业大学工学院机械工程系,13,5.3 主减速器设计,5.3.2 主减速器结构设计的若干考虑 主减速器锥齿轮的许用偏移量如图所示，只要各偏移量在图示许用偏移量范围内，就可以保证正常工作。,南京农业大学工学院机械工程系,14,5.3 主减速器设计,5.3.2 主减速器结构设计的若干考虑 1. 主减速器齿轮的支承 (1) 主动锥齿轮的支承形式,悬臂式支 承跨置式支承,南京农业大学工学院机械工程系,15,5.3 主减速器设计,5.3.2 主减速器结构设计的若干考虑 (2)从动锥齿轮的支承形式,南京农业大学工学院机械工程系,16,5.3 主减速器设计,5.3.2 主减速器结构设计的若干考虑 (3) 主减速器支承轴承的预紧及预紧力的调整 对主减速器锥齿轮圆锥滚子轴承进行预紧，可以增加支承刚度，提高齿轮啮合的平稳性。但是预紧力也不能过大 ,为克服这个矛盾，出现了波形套筒。,南京农业大学工学院机械工程系,17,5.3 主减速器设计,5.3.2 主减速器结构设计的若干考虑 2. 锥齿轮啮合调整 在轴承预紧度调整以后，必须进行锥齿轮啮合调整，以保证齿轮副啮合印迹正常，并使齿轮大端处齿侧间隙在适当的范围内(一般为0.1-0.35mm)。 3. 润滑 对于弧齿锥齿轮主减速器，可加注普通齿轮油。但对于双曲面齿轮主减速器，则必须加注双曲面齿轮油。差速器壳上应开孔使润滑油能进入，以保证差速齿轮和滑动表面的润滑。,南京农业大学工学院机械工程系,18,5.3 主减速器设计,5.3.3 汽车主减速器锥齿轮设计 汽车主减速器锥齿轮的切齿法主要有“格里森”(Gleason)切齿法和奥利康(Oerlikon)切齿法。,南京农业大学工学院机械工程系,19,5.3 主减速器设计,5.3.3 汽车主减速器锥齿轮设计 格里森制锥齿轮主要参数的选择和设计计算方法。 主减速器齿轮计算载荷的确定 主减速器锥齿轮的计算载荷是转矩，有三种确定方法。 (1) 按发动机最大转矩 和最低挡传动比确定从动锥齿轮计算转矩,南京农业大学工学院机械工程系,20,5.3 主减速器设计,5.3.3 汽车主减速器锥齿轮设计 (2) 按驱动轮打滑扭矩确定从动锥齿轮计算转矩 (3) 按汽车日常行驶平均(当量)转矩确定从动锥齿轮计算转矩 2. 主减速器齿轮主要参数的选择 (1) 主动和从动锥齿轮齿数 和,南京农业大学工学院机械工程系,21,5.3 主减速器设计,5.3.3 汽车主减速器锥齿轮设计 (2) 从动锥齿轮大端分度圆直径 和端面模数 (3) 主、从动锥齿轮齿面宽 和 (4) 双曲面齿轮副的偏移距,南京农业大学工学院机械工程系,22,5.3 主减速器设计,5.3.3 汽车主减速器锥齿轮设计 (5) 中点螺旋角,南京农业大学工学院机械工程系,23,5.3 主减速器设计,5.3.3 汽车主减速器锥齿轮设计 (6) 螺旋方向 (7) 法向压力角 大的压力角可以增加轮齿强度，减少避免根切的最小齿数。但是，对小尺寸的齿轮，大的压力角易使齿顶变尖和刀尖宽度过小，并使齿轮端面重合系数下降。,南京农业大学工学院机械工程系,24,5.3 主减速器设计,5.3.3 汽车主减速器锥齿轮设计 3. 主减速器锥齿轮强度计算 进行强度验算，以保证锥齿轮具有足够的强度和寿命，安全可靠地工作。 轮齿的损坏形式有多种，常见的有轮齿折断(主要为弯曲疲劳折断和过载折断)、齿面点蚀和剥落、齿面胶合、齿面磨损。 介绍三种格里森制锥齿轮的强度计算方法。 (1) 单位齿长上的圆周力 主减速器齿轮的表面耐磨性常用下式计算,南京农业大学工学院机械工程系,25,5.3 主减速器设计,5.3.3 汽车主减速器锥齿轮设计 圆周力有两种计算方法： A、按发动机最大转矩 (Nm)计算。 B、按轮胎最大附着力矩计算。,南京农业大学工学院机械工程系,26,5.3 主减速器设计,5.3.3 汽车主减速器锥齿轮设计 (2) 轮齿弯曲强度计算 弧齿锥齿轮与双曲面齿轮轮齿(包括主动和从动齿轮)的弯曲应力的统一表达式为 (3) 轮齿接触强度计算 锥齿轮与双曲面齿轮轮齿的齿面接触应力,南京农业大学工学院机械工程系,27,5.3 主减速器设计,5.3.3 汽车主减速器锥齿轮设计 4. 齿轮材料 与传动系其他齿轮比较，主减速器锥齿轮的载荷大且作用时间长、变化多、冲击较大，它们的工作条件更加恶劣。因此，驱动桥齿轮材料应满足如下要求： (1) 具有较高的弯曲疲劳强度和表面接触疲劳强度，齿面具有较高硬度(保证耐磨性)。 (2) 在轮齿芯部应有适当的韧性以适应冲击载荷；避免在冲击载荷下发生齿根折断。 (3) 钢材锻造性能、切削性能及热处理性能好；热处理变形要小或变形规律要容易控制。 (4) 选择齿轮材料要适合我国情况。,南京农业大学工学院机械工程系,28,5.3 主减速器设计,5.3.4 主减速器锥齿轮轴承的载荷 为了确定轴承上的载荷，首先要分析锥齿轮在啮合中的齿面作用力。 1. 锥齿轮齿面上的作用力 (1) 齿面宽中点处的圆周力 面齿轮副来说，它们的圆 周力有如下关系,南京农业大学工学院机械工程系,29,5.3 主减速器设计,5.3.4 主减速器锥齿轮轴承的载荷 (2) 锥齿轮上的轴向力和径向力,南京农业大学工学院机械工程系,30,5.3 主减速器设计,5.3.4 主减速器锥齿轮轴承的载荷 2. 锥齿轮轴承的载荷,南京农业大学工学院机械工程系,31,5.4 差速器设计,5.4.1 差速器结构形式 在汽车驱动桥的左右车轮之间都装有差速器，以向左、右车轮分配转矩并允许它们以不同的速度转动，避免车轮在地面上的滑移，改善轮胎磨损和操纵性，减少功率消耗。 对称锥齿轮式差速器 (1) 普通（对称）锥齿轮差速器 设差速器壳角速度为 ，两半轴 角速度分别为 、 ，则有,南京农业大学工学院机械工程系,32,5.4 差速器设计,5.4.1 差速器结构形式 (2) 摩擦片式差速器 在差速器壳带动差速锥 齿轮轴时，给轴一个推力 ， 这是由其结构V形面所决定的， 推压压盘，使摩擦片相互压 紧。下面推导 ：,南京农业大学工学院机械工程系,33,5.4 差速器设计,5.4.1 差速器结构形式 (3) 强制锁止式差速器 强制锁止式差速器就是在原来普通锥齿轮差速器的基础上加一个差速锁,南京农业大学工学院机械工程系,34,5.4 差速器设计,5.4.2 普通锥齿轮差速器齿轮设计 1. 差速器齿轮主要参数选择 (1) 差速器行星齿轮的个数 行星齿轮的个数需根据承载情况选择。在承载不大的情况下可取2，反之应取4。一般乘用车取2；商用车和越野车应取4。 (2) 行星齿轮背面的球面半径 行星齿轮背面的球面半径反映了 锥齿轮节锥距的大小和承载能力,南京农业大学工学院机械工程系,35,5.4 差速器设计,5.4.2 普通锥齿轮差速器齿轮设计 (3) 锥齿轮节锥距 (4) 锥齿轮节锥角 、 及锥齿轮大端端面模数 (5) 压力角 目前大都采用压力角为2230、齿高系数为0.8的齿形。某些重型商用车和矿用车采用25压力角，以提高齿轮强度。,南京农业大学工学院机械工程系,36,5.4 差速器设计,5.4.2 普通锥齿轮差速器齿轮设计 (6) 行星齿轮轴直径 及支承长度 行星齿轮在轴上的支承长度一般为孔径的1.1倍。 2. 差速器齿轮强度计算 在汽车设计中只进行轮齿弯曲强度计算。其弯曲应力为,南京农业大学工学院机械工程系,37,5.4 差速器设计,5.4.3 多桥驱动汽车的轴间差速器 多桥驱动汽车在行驶过程中，各驱动桥上的车轮会因车轮行程或滚动半径的差异而不等，而前、后驱动车轮将以相同的角速度旋转，从而产生前、后驱动车轮运动学上的不协调。,南京农业大学工学院机械工程系,38,5.4 差速器设计,5.4.4 粘性联轴器 1. 粘性联轴器结构和工作原理 2. 粘性联轴器在车上的布置,南京农业大学工学院机械工程系,39,5.5 车轮传动装置设计,5.5.1 半轴结构形式 半轴按其轮端的受力情况，可以分为三种，即半浮式、3/4浮式和全浮式 1. 半浮式半轴 特点是承受路面对车轮的反力所引起的全部力和力矩。这种半轴结构较简单，但半轴受载较大。,(a) 半浮式半轴 (b) 3/4浮式半轴 (c) 全浮式半轴,南京农业大学工学院机械工程系,40,5.5 车轮传动装置设计,5.5.1 半轴结构形式 2. 3/4浮式半轴 半轴通过轴承座支承在半轴套管上的轴承上，这种半轴受载情况与半浮式相似，但有所减轻。 3. 全浮式半轴 轮毂通过一对滚锥轴承支承在半轴套筒上。从理论上说，此时半轴仅受到转矩，而不承受其他的路面反力。 5.5.2 半轴强度计算 1. 全浮式半轴的扭转应力 和转角,南京农业大学工学院机械工程系,41,5.5 车轮传动装置设计,5.5.2 半轴强度计算 2. 半浮式半轴的强度计算 (1) 纵向力(牵引力或制动力)最大，侧向力 ，此时地面对车轮的垂直反力 半轴弯曲应力 和扭转应力 分别为 (2) 侧向力 最大，纵向力 ，此工况意味着发生侧滑。此时内、外车轮上的总侧向力为 。外轮上的垂直反力 和内轮上的垂直反力 分别为,南京农业大学工学院机械工程系,42,5.5 车轮传动装置设计,5.5.2 半轴强度计算 内、外轮上的侧向力为 内、外轮半轴的弯曲应力为 (3) 汽车通过不平路面，垂直力最大，纵向力，侧向力，此时有,南京农业大学工学院机械工程系,43,5.5 车轮传动装置设计,5.5.2 半轴强度计算 半轴弯曲应力为 3. 3/4浮式半轴的强度计算 3/4浮式半轴计算与半浮式类似，只是半轴的危险断面不同，危险断面位于半轴与轮毂相配表面的内端。 5.5.3 半轴结构设计 (1) 全浮式半轴杆部直径可按下式初步选取,南京农业大学工学院机械工程系,44,5.5 车轮传动装置设计,5.5.3 半轴结构设计 (2) 半轴的杆部直径应小于或等于半轴花键的底径，以便使半轴各部分基本得到等强度。 (3) 半轴的破坏形式大多是扭转疲劳破坏，在结构设计时应尽量增大各过渡部分的圆角半径，尤其是凸缘与杆部、花键与杆部的过渡部分，可以减小应力集中。 (4) 当杆部较粗且外端凸缘也较大时，可采用两端用花键连接的结构。 (5) 设计全浮式半轴杆部的强度储备应低于驱动桥其他传力零件的强度储备。,南京农业大学工学院机械工程系,45,5.6 驱动桥壳设计,5.6.1 驱动桥壳的作用 5.6.2 驱动桥壳的形式 1. 可分式桥壳 这种桥壳一般由两部分组 成，两部分通过螺栓连接成一 体。优点是：制造工艺简单、 主减速器轴承支承刚度好。缺 点是：拆装、调整、维修不便。,南京农业大学工学院机械工程系,46,5.6 驱动桥壳设计,5.6.2 驱动桥壳的形式 2. 整体式桥壳 这种桥壳强度和刚度较大，主减速器拆装调整方便。按照制造工艺的不同，整体式桥壳又可分为三种：(1) 冲压焊接式(2) 扩张成形式(3) 铸造式 3. 组合式桥壳 中间是一个铸造主减速器壳， 在主减速器壳的两边各压入一根无 缝钢管作为半轴套管，再用塞焊的 方法焊成一体。,南京农业大学工学院机械工程系,47,5.6 驱动桥壳设计,5.6.3 驱动桥壳强度计算 (1) 纵向力 最大，侧向力 时，板簧座处弯曲应力 和扭转应力 (危险断面为矩形断面),南京农业大学工学院机械工程系,48,5.6 驱动桥壳设计,5.6.3 驱动桥壳强度计算 若桥壳为圆管断面，抗弯截面系数为 ，合成应力为 (2) 侧向力 最大， 时，桥壳内、外板簧座处断面的弯曲应力分别为 (3) 当汽车通过不平路面时，弯曲应力为,南京农业大学工学院机械工程系,50,南京农业大学工学院机械工程系,51,南京农业大学工学院机械工程系,52,选定桥壳的结构型式以后，应对其进行受力分析，选择其断面尺寸，进行强度计算。 1.传统的做法 对桥壳样品进行台架试验和整车行驶试验来考核其强度及刚度，有时还采用在桥壳上贴应变片的电测方法，使汽车在选定的典型路段上满载行驶，以测定桥壳的应力。这些方法都是在有桥壳样品的情况下才能采用，而且都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限制。 2。现代设计方法： 有限单元法是一种现代化的结构计算方法，在一定前提条件下，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。在国外， 20 世纪 70 年代前后，这种方法就逐渐为汽车零件的强度分析所采用。,桥壳的受力分析与强度计算,南京农业大学工学院机械工程系,53,3.桥壳的载荷工况,在通常的情况下，在设计桥壳时多采用常规设计方法，这时将桥完看成是一简支梁 并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 倍满载时轴负荷的作用下，各断面(弹簧座处、桥壳与半袖套管焊接处、轮毂内轴承根部圆 角处)的应力不应超过屈服极限。我国通常推荐：计算时将桥壳复杂的受力状况简化成三 种典型的计算工况(与前述半袖强度计算的三种载荷工况相同)。只要在这三种载荷计算 工况下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 。 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簧上载荷，而沿两侧轮胎中心线，地面给轮胎以反力(双胎时则 沿双胎之中线)，桥壳则承受此力与车轮重之差值。因此桥壳技静载 估计算时，在两钢板弹簧座之间的弯矩为；,南京农业大学工学院机械工程系,54,桥壳静弯曲应力计算简图,南京农业大学工学院机械工程系,55,南京农业大学工学院机械工程系,56,2)在不平路面冲击载荷作用下桥壳的强度计算 当汽车高速行驶于不平路面上时，桥壳除承受在静载状态下的那部分载荷外，还承受附加的冲击载荷。这时桥壳在动载荷下的弯曲应力为,3)汽车以最大牵引力行驶时桥壳的强度计算 这时不考虑侧向力。此时作用在左右驱动车轮上除合垂向反力外，尚有切向反力。地面对左右驱动车轮的最大切向反力共为,左右车轮的垂向反作用力相等则：,南京农业大学工学院机械工程系,57,如果忽略传动效率，经整理得,m2为汽车加速行驶时的质量转移系数 后驱动桥壳在两钢板弹簧座之间的垂向弯矩Mv(Nm)为,南京农业大学工学院机械工程系,58,在两簧座之间桥壳所受的水平方向的弯矩Mh为,桥壳还承受因驱动桥传递驱动转矩而引起的反作用力矩。这时在两板簧座问桥壳求受的转矩T(Nm)为,南京农业大学工学院机械工程系,59,危险截面的弯曲应力和扭转应力分别为,南京农业大学工学院机械工程系,60,4)汽车紧急制动时的桥壳强度计算 这时不考虑侧向力，,设地面对后驱动桥左、右车轮的垂向反作用力 Z2L ; Z2R 相等，则,因， 故制动减速度为,后驱动桥计算用的汽车紧急制动时的质量转移系数。,南京农业大学工学院机械工程系,61,在计算轿车等的前驱动桥时，不难求出此时用的汽车紧急制动时的质量转移系数应为,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 Mv 及水平方向的弯矩Mh分别为,桥壳在两钢板弹簧座