毕业设计（论文）-汽车驱动系统主要部件(驱动桥壳和半轴)设计及振动分析.doc

毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 设计设计(论文论文)题目：题目：汽车驱动系统主要部件（驱动桥壳和半轴）设计 及振动分析 学生姓名： 蔡 俊 指导教师： 李鸿秋 二级学院：机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机械设计制造及其自动化（车辆工程 1） 学 号： 0904102036 提交日期： 2013 年 5 月 10 日 答辩日期： 2013 年 5 月 18 日 金陵科技学院学士学位论文 目录 I 目 录 摘 要.II ABSTRACT.1 1 绪论.1 2 桥壳设计.2 2.1 桥壳的设计要求 .2 2.2 桥壳的结构型式选择 .2 2.3 桥壳的设计参数选择 .3 2.4 桥壳的三维参数化设计 .5 2.4 桥壳强度计算 .6 3 半轴设计.14 3.1 半轴形式的选择 .14 3.2 半轴的设计参数选择 .14 3.4 三维建模 .18 3.5 实心半轴强度校核计算： .18 3.6 空心半轴强度校核计算 .21 4 半轴的振动分析 .24 4.1 机械振动基础 .24 4.2 半轴的振动分析 .26 5 结论 .31 参考文献.32 致谢.33 金陵科技学院学士学位论文 摘要 II 汽车驱动系统主要部件（驱动桥壳和半轴）设计及振动分 析 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，在现在中国私 家车数量增多的情况下，对于微型汽车显得尤为重要。本文主要研究的是汽车驱动系统 主要部件的设计及其振动分析。首先先确定设计部件尺寸，然后根据汽车行驶的过程中 所遇到的不同的情况对汽车的桥壳和半轴进行强度分析，从而确定设计出来的部件能使 行车过程中安全可靠。最后用 PROE 对半轴和桥壳进行三维建模，然后运用 Pro/E 中的 模态分析对半轴的固有频率进行仿真分析。 关键词：驱动桥壳；半轴；Pro/E;振动分析 金陵科技学院学士学位论文 Abstract 1 The design and vibration analysis of the main component of the automobile driving system (the driving axle housing and the semi-axis) Abstract Drive axle is one of the four major car assembly,The vehicle performance was been dire ctly impacted by its performance.In the case that more and more cars were needed in China an d it will become more and more important.This paper mainly studies the design and analyses of the main parts of automobile driving system. First, according to the different conditions of automobile , we can do the stress analysis of the driving axle housing and the semi- axis. Then we count and check the information. At last we use Pro/E to modeling the parts an d do vibration analysis with the Modal analysis module. Key words: Driving axle housing ; Semi-axis ;Pro/E; Vibration Analysis 金陵科技学院学士学位论文 第 1 章 绪 论 1 1 绪论 汽车驱动系统中的驱动桥壳是汽车的主要部件之一，它不仅是传动系的主要组件， 也是行驶系的主要组件。驱动桥壳在传动系统中的作用主要是支承并保护主减速器、 差速器和半轴等；驱动桥壳在行驶系统中的作用主要是使左右驱动车轮的轴向相对位 置固定并且与从动桥一起支承车架和上面的各总成质量，同时，在汽车行驶过程中， 承受路面传给车轮的反作用力和力矩，反作用力和力矩通过悬架传给车架。所以这就 要求驱动桥壳需要有足够的强度和刚度并且质量小，从而便于主减速器的拆装和调整。 驱动轮与差速器之间传递动力的实心轴是半轴，其主要作用是传递扭矩。以前车桥的 设计多为根据经验制定尺寸，然后进行强度校核，改设计方法改善的发展方向为研究 出更多的车行驶条件；从新材料上面发展车桥材料可行性以达到成本上的降低。现在 的这种设计方法简单实用，并且经验丰富数据资料齐全一般不会出错且步骤清晰，其 缺陷是不能最大程度的降低成本以及预测所有可能遇到的情况。 上述桥壳强度的传统计算方法，只能算出桥壳某一断面的应力平均值，而不能完 全反映桥壳上应力及其分布的真实情况。它仅用于对桥壳强度的验算或用作与其他车 型的桥壳强度进行比较。而不能用于计算桥壳上某点（例如应力集中点）的真实应力 值。所以建立其简化三维模型并采用有限元分析方法是桥壳强度计算的发展方向。 本设计中的驱动桥采用非断开式驱动桥，普通非断开式驱动桥其优势为结构简单、 造价成本低廉、工作可靠，所以此类驱动桥被最广泛地用在各种汽车上。采用钢板冲 压-焊接工艺的整体式桥壳能够显著地减轻驱动桥的质量。半浮式半轴的优势为结构简 单、质量小、尺寸紧凑、造价低廉等，它的质量小、使用条件好、承载负荷也不大。 本设计过程中采用 Pro/E 软件进行三维建模和参数设计。Pre/Engineer 和 WildFire 是 PTC 官方使用的软件名称，但是在中国用户使用的过程中存在多个说法， 比如 ProE、Pro/E、破衣、野火等等都是指这个软件，他的软件包括 Proe2001、2.0、3.0、4.0、5.0/creo1.0、2.0 等。Pro/Engineer 操作软件是美国参 数技术公司（PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一体化的三维软件。Pro/Engineer 软件以参数 化著称，是参数化技术的首个应用者，在三维造型软件领域中占有着不可替代的重要 位置，Pro/Engineer 作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界的广泛 认可与推广。是现今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一，特别是在国内产品设计领域一直 占据重要位置。 本文拟通过对桥壳和半轴进行强度校核计算并且对其主要零部件进行振动分析。 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 桥壳设 计 2 2 桥壳设计 2.1 桥壳的设计要求 驱动桥壳的设计应满足如下要求： (1)应具有足够的强度和刚度，从而保证主减速器齿轮啮合正常的情况使半轴不产 生附加弯曲应力。 (2)在保证驱动桥壳的强度和刚度的前提下，尽量减少其质量从而提高行驶平顺性。 (3)保证车桥壳与地面有足够的间隙。 (4)选用的结构工艺性好，造价成本低。 (5)对传动系部件起到保护作用并能防止泥水侵入。 (6)自身的拆装、调整、维修要方便进行。 2.2 桥壳的结构型式选择 驱动桥壳大致可分为三种形式，即可分式、整体式和组合式。 本驱动桥采用整体式桥壳，其特点为整个桥壳是一根空心梁，它的桥壳和主减速 器壳分为两体。它的优点为强度和刚度较大，主减速器的拆装，调整方便等。 按制造工艺的不同，可以把整体式桥壳可分三种，分别为铸造式，钢板冲压焊接 式和扩张成形式。到目前为止，国内生产的微型车驱动桥壳一直是采用钢板冲压焊接 式驱动桥壳。它具有如下优点： （1）冲焊桥壳自身质量轻，材料的利用率高。根据国外的实验数据来看，冲焊桥 壳比铸钢桥壳的自身质量减小 37%左右，它的单轴负荷也大大增加，达 169125%。 （2）质量高，尤其是它的疲劳强度。电子束焊接的钢板冲压桥壳的疲劳值达 150200 万次；采用 CO2 气体保护焊焊接钢板冲压桥壳的疲劳值也可达 100 万次左右， 它们都超过 JB380484 规定桥壳疲劳值不低于 80 万次的要求，所以使用更为安全可 靠。 （3）成本低，生产率高，能够实现大批量机械化生产。根据国外的生产情况资料 来看，批量生产达到 16000 根以上，成本可降低 3050。冲焊桥壳工艺性好，便于 实现自动化生产，机械化，也利于多品种专业化生产。因此，在国外大中小型车桥的 生产中基本上都采用冲焊桥壳，铸造桥壳极少。 在汽车行驶过程中，桥壳往往会承受繁重的负荷，所以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做到减小桥壳的质量。桥壳的结构 金陵科技学院学士学位论文 第 1 章 绪 论 3 应该简 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 桥壳设 计 4 单、制造起来方便从而在生产时利于降低成本。它的结构还必须满足主减速器的拆装、 调整、维修和保养方便。我们在选择桥壳的结构型式时，还应该要考虑汽车的类型、 制造条件、材料供应、使用要求等。 桥壳是为驱动各种零部件提供定位连接和支承包容的基础件。桥壳焊接总成的成 本，约占驱动桥总成的 1/51/6。因此桥壳的合理设计和经济制造，对确保驱动桥性 能和降低生产成本，具有十分重要的意义。 2.3 桥壳的设计参数选择 2.3.1 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。 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 桥壳设 计 5 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。 本设计中采用钢板冲压铸造式桥壳。原因是钢板冲压铸造式桥壳结构简单，拆装 方便，工艺简单，成本低。 2.3.2 桥壳材料选择： 桥壳的弯曲应力不超过 300N/mm2。中碳合金钢半轴套管和轮轴上午弯曲应力不应 超过 500N/mm2，剪切应力不应超过 250N/mm2 对于钢板冲压焊接整体式桥壳，多采用 16Mn，0.9SiBV、35 或 40 号中碳钢板(化学 成分控制为 0.37%0.42%的碳和不大于 0.03%的硫)。半轴套管多采用 40MnB， 40Cr 等中碳合金钢或 45 号中碳钢的无缝钢管或锻件，上下半体和桥壳凸缘采用 20 钢板半 轴套管采用无缝钢管。 2.3.3 桥壳参数选择确定： 桥壳的上下半体和桥壳凸缘我们采用 20 号钢板，20 号强度比 15 号钢稍高，很少 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 桥壳设 计 6 淬火，无回火脆性。冷变形塑性高、一般供弯曲、压延、弯边和锤拱等加工，电弧焊 和接触焊的焊接性能好，气焊时厚度小，外形要求严格或形状复杂的制件上易发生裂 纹。切削加工性冷拔或正火状态较退火状态好、一般用于制造受力不大而韧性要求高 的。它的抗拉强度 b (MPa)：410(42)，屈服强度 s (MPa)：245(25)，伸长 率 5 (%)：25，断面收缩率 (%)：55，硬度 ：未热处理,156HB，因为车 桥壳上下半体不需要支撑车架及总成质量，所以只要对起到封闭效果就行，所以根据 机械设计手册上我们可以确定上下半体采用厚 3mm 的 20 钢板，桥壳凸缘采用厚 7mm 钢板。 车桥壳中间直径由斜齿轮尺寸确定，微型小车车桥内斜齿轮在尺寸在 100mm120mm,四 周留间隙，所以车桥壳中间直径需要大于 140mm,为了能达到车的紧凑性我们选车桥壳 直径为 145mm。 一般半轴选用 40Cr 做材料，为了能达到使用要求，其半径在 33mm38mm，安全系 数为 1.5，所以半轴半径应该在 49.5mm57mm，所以车桥壳内控应该大于 50mm 根据 机械设计手册我们选车桥壳半轴套管管径为 52.5mm。 2.4 桥壳的三维参数化设计 在 Pro/E 三维环境下，运用草绘、拉伸、旋转、镜像、合并、阵列等功能建立了 桥壳的三维参数化模型，如图 2-1 所示。 图 2-1 微型车桥结构示意图 该桥壳的结构组成主要包括中间琵琶包、两侧轴管、两端轴头和一些焊接件（如 后盖、加强环、减振器支架、板簧座、油管支架和缓冲垫）等组成，占整个桥壳长度 一半以上的是轴管，桥壳形成最复杂部分是琵琶包。除去焊上的后盖和加强环外，桥 壳本体（即焊前桥壳）中间的上下两部分的材料配置，相当于将轴管部分沿轴向一分 为二。上下半体，桥壳凸缘，半轴套管，后盖，板簧支座的轴头，内衬套等零件焊接 而成，属冲压焊接式桥壳，是分开式结构，上下半体采用厚 3mm 的 20 钢板，桥壳凸缘 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 桥壳设 计 7 采用厚 7mm 钢板制成，半轴套管采用无缝钢管。其主要制造工艺：首先要组焊上下半 体，机加工（车两端，车中间直径 145mm 孔） ，其将桥壳凸缘及后盖焊接。然后将半轴 套管扩孔接着车端面，倒角后加内衬套与上述组件焊合。 2.4 桥壳强度计算 驱动桥的桥壳是汽车上的主要承载构件之一，它的形状结构复杂，加上汽车的行 外界及自身条件又多变，因此想要计算车在行驶时车桥壳上各处的应力相对困难。在 一般情况下我们在设计车桥壳时常使用一般方法，这时将桥壳看成是一简单的支梁同 时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（桥壳与半轴套管焊接处、弹簧座处、轮毂内轴承 根部圆角处）的应力不能超过屈服极限(也称为流动极限，即材料受到外力达到一定的 限度时，即使不增加负荷它仍然发生明显的塑性形变，这种现象被称为屈服极限)。我 国通常推荐：在计算时，我们只需把车桥壳复杂的受力状况简化成三种简单的载况， 只要在这三种载荷计算工况下桥壳的强度的到保证的情况下，我们就认为使用该桥壳 的汽车在各种条件下的行驶情况都是可靠安全的。 在上述三种载荷工况下桥壳的受力分析前，需要对汽车在满载时停在静止路面时 车桥壳的受力情况进行分析。 2.4.1 桥壳的静弯曲应力计算 对桥壳静弯曲应力的受力分析时。可以把桥壳看成一空心横梁，两端通过轮毂轴 承支承在车轮上，桥壳在钢板弹簧座处承受簧上载荷，沿两侧轮胎中心线，地面给轮 胎以反力/2（双胎的时候则是沿着双胎的中线） ，桥壳则承受该力与车轮重力的 2 G w g 差值，即（ ） 。所以当桥壳按静载荷计算的时候，在其两钢板弹簧之间的弯矩 w g G 2 2 为： =（ ） (N) （2-M 2 sB w g G 2 2 m 1） 式中 汽车满载时在水平路面上驱动桥给地面的载荷，7650N； 2 G 车轮（包括轮毂,制动器等）的重力，N； w g 驱动车轮轮距，1.2m；B 驱动桥壳上两钢板弹簧座中心间的距离，0.8m。s 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 桥壳设 计 8 对弯矩的分析可得知，钢板弹簧座附近往往是车桥的危险断面。由于远远地小 w g 于 G2/2 ，且在设计的时候不宜准确预计，当无数据时可以忽略去。 因此由式（2-1） =765（N） （2-M 2 7650 2 8 . 02 . 1 m 2） 而静弯曲应力则为MPa wj （MPa） （2- v wj W M 3 10 3） 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（见表 2-1） v W 见式（2-1）M 表 2-1 桥壳垂向弯曲截面系数 断面形状垂向及水平弯曲截面系数 Wv Wh扭转截面系数 Wt D d )1 ( 32 4 43 D dD )1 ( 16 4 4 3 D d D 其中半轴套管管径=60.5mm ，d =52.5mmD 因此 =9.41 （2- V W)1 ( 32 4 43 D dD ) 5 . 60 5 . 52 1 ( 32 5 . 60 4 43 4） =4.71 （2-)1 ( 16 4 43 D dD Wt 5） =84.61（MPa） （2- v wj W M 3 10 3 3 109041 765 10 6） 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 桥壳设 计 9 2.4.2 在不平路面冲击载荷作用下桥壳的强度计算 当汽车在不平路面上高速行驶时，桥壳在承受静载状态下的那部分载荷的同时还 承受附加的冲击载荷。这时侯桥壳的弯曲应力在动载荷下为 （MPa） （2- wjdwd k 7） 式中 动载荷系数，对轿车，客车取 1.75； d k 桥壳在静载荷下的弯曲应力，MPa。 wj 因此由式（2-3） =1.7584.61=148.07（MPa） （2- wjdwd k 8） 2.4.3 汽车以最大牵引力行驶时桥壳的强度计算 此时不考虑侧向力。分析汽车以最大牵引力行驶时桥壳的受力。此时作用在左右驱 动车轮上有垂向应力并且尚有切向应力。地面对左右驱动车轮的最大切向反力共为 P= （2- maxrTTLe riT/ max 9） 式中 发动机最大转矩,72 N； maxe Tm 传动系的传动效率 0.95； T 传动系的最低档传动比 3.65； TL i 轮胎的滚动半径，0.27m。 r r 故 P= maxrTTLe riT/ max =726.89 （N） 27 . 0 95 . 0 65 . 3 6 . 56 m 后驱动桥壳在两钢板弹簧座之间的垂向弯矩 Mv（N）为m = （） （2- V M 2 sB w gm G 2 2 2 10） 式中 ， ， 见式下(2-1)的说明； 2 G w gBs 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 桥壳设 计 10 汽车加速行驶时的质量转移系数，对微型载货汽车后驱动桥取 1.21.4 2 m 所以由式（2-7）=（）=1.4=1071（N） V M w gm G 2 2 22 sB 2 7650 2 8 . 02 . 1 m 由于驱动车轮的最大切向反力 Pmax 使桥壳也承受水平方向的弯矩，对于装用普通 圆锥齿轮差速器的驱动桥，在两弹簧座之间桥壳所受的水平方向的弯矩 h M = =76.29（Kg.f.mm） (2-11) 22 max sBp Mh 2 8 . 02 . 1 2 89.726 桥壳还承受因驱动桥传递驱动转矩而引起的反作用力矩。这时在两板弹簧座间桥 壳承受的转矩 T（N）为m =249.66 （N） （2-T 2 TTLenaxi T 2 95 . 0 65 . 3 72 m 12） 式中 同式(2-4) TTLe iT, max 当桥壳在钢板弹簧座附近的危险截面为圆管断面时，则在该断面处的合成弯矩 M 为 =1078（Kg.f.mm） （2-M 2 22 TMM hv 222 13.9829.761071 13） 该危险断面处的合成应力为 = =114.56 （MPa） （2- W TMM W M hv 2 22 3 1041 . 9 1078 14） 式中 W危险断面处的弯曲截面系数，见表 2-1。 桥壳在钢板弹簧座附近的危险断面处的弯曲应力 和扭转应力 分别为 w =122 （MPa） （2- w h h v v W M W M 15） =53 （MPa） （2- t W T 16） 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 桥壳设 计 11 式中 分别为桥壳在两板弹簧座之间的垂向弯矩和水平弯矩，见式(2-10)及 hv MM , 式(2-11)； 分别为桥壳在危险截面处的垂向弯曲截面系数、水平弯曲截面系 thv WWW, 数和弯曲截面系数，见表 2-1。 桥壳的许用弯曲应力为 300500Mpa,许用扭转应力为 150400Mpa，可铸锻铁桥 壳 取较小值，钢板冲压焊接桥壳取最大值。 计算结果弯曲应力和扭转应力均小于许用值，满足强度要求，故安全。 w 2.4.4 汽车紧急制动时桥壳的强度计算 此时不考虑侧向力。分析汽车紧急制动时桥壳的受力。此时作用在左右驱动车轮 上除有垂向应力外，还有切向反力，即地面对驱动车轮的制动力。因此可得：2/ 22m G 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 V M h M （2- 2 ) 2 ( 2 sB gm G M wV 17） （2- 22 2 sB m G Mh 18） 式中 同式(2-8)sBgG w , 2 汽车制动时的质量转移系数； m =（1+） ； =（1-） 1 m 1 L hg 2 m 1 L hg 上式中的=用于前驱动轮，= 用于后驱动轮。当未知时，对载货 m 1 m m 2 m 1 ,Lhg 汽车的后驱动桥亦可取=0.750.95，取 0.9； 2 m 汽车的质心高度，m； g h 汽车质心离前轴中心的距离，m； 1 L 驱动车轮与路面的附着系数，计算时取 0.8。 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 桥壳设 计 12 所以 =688.5 （N） （2- 2 ) 2 ( 2 sB gm G M wv 2 8 . 02 . 1 9 . 0 2 7650 m 19） =550.8（N） 22 2 sB m G Mh 2 8 . 02 . 1 8 . 09 . 0 2 7650 m 桥壳在两钢板弹簧座的外侧部分的同时还承受制动力所引起的转矩 = （2-T r rm G 2 2 2 20） =732.56（） 266 . 0 8 . 09 . 0 2 7650 mN 所以合成应力为 = =147.3 （MPa） （2- W TMM W M hv 2 22 21） 在该断面处的弯曲应力 和扭转应力 分别为 w = （2- w h h v v W M W M 22） = t W T 经计算=131.7MPa，=155.5MPa，满足强度要求所以是安全的。 w 2.4.5 汽车受最大侧向力时桥壳的强度计算 当汽车满载并且高速急转弯时，则会产生作用于汽车质心处的一相当大的离心力。 汽车也会由于内部或外部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，此时的汽车处于侧滑的临界状态并且 没有纵向力作用。侧向力一旦超过侧向附着力，汽车则会发生侧滑。因此汽车驱动桥 的侧滑条件是 （2- 12222 GYYP RL 23） 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 桥壳设 计 13 式中驱动桥所承受的侧向力； 2 P 地面给左、右驱动轮的侧向反作用力； RL YY 22 , 汽车满载静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷； 2 G 轮胎与地面的侧向附着系数，计算时取 1.0。 1 故 =76501.0=7650（N） 即7650N 12 G 2 P 由于汽车单纯产生侧滑，因此计算时可以认为地面给轮胎的切向反作用力为零。 分析汽车向右侧滑时的受力，可求出驱动桥侧滑时左右驱动车轮的支承反力为 （2- B h GZ g L 1 22 2 1 24） （2- B h GZ g R 1 22 2 1 25） =7650=11475（N）5 . 1 式中 左右轴驱动车轮的支承反力，N； RL ZZ 22 , 汽车满载时的质心高度，1.2m； g h 同式（2-19） ； 12, G 驱动车轮的轮矩,1.2m；B 由上式可知，当时，即驱动桥的全部荷重由侧滑5 . 0/ 1 Bhg 222 , 0GZZ RL 方向一侧的驱动车轮承担，这种极端情况对驱动桥十分不利，对驱动桥的强度要求很 高，因此为避免这种情况产生，应尽量降低汽车的质心高度。 分析汽车驱动桥上面的车厢受力，可以求出汽车侧滑时钢板弹簧对桥壳的垂向作 用力及水平作用力。 RL TT 22 , RL qq 22 , 钢板弹簧对驱动桥壳的垂向作用力（N）为 （2-srhGGT rgL /5 . 0 1222 26） srhGGT rgR /5 . 0 1222 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 桥壳设 计 14 式中 汽车满载时车厢通过钢板弹簧作用在驱动桥上的垂向总载荷，N； 2 G 板簧座上表面离地面高度，m； r r 见式（2-20）下的说明； g hG, 12 两板簧座中心间的距离，m。s 对于半轴为全浮式的驱动桥，在桥壳两端的半轴套管上，各装着一对轮毂轴承， 它们布置在车轮垂向反作用力的作用线的两侧,通常内轴承比外轴承离车轮中心线更近 些。侧滑时内外轮毂轴承对轮毂的径向支承力 S1，S2可根据一个车轮的受力平衡求出。 汽车向右侧滑时左右车轮轮毂内外轴承的径向支承力分别为： （2- LL r L Z ba b Y ba r S 221 27） （2- LL r L Z ba b Y ba r S 222 28） + （2- R S1 R r Y ba r 2 R Z ba b 2 29） = （2- R S2 R r Y ba r 2 R Z ba b 2 30） 式中 轮胎的滚动半径； r r ，。其中ab RLRL ZZYY 2222 , =40mm =70mm ab （2- LLLL ZZZY 22122 0 . 1 31） （2- RRRR ZZZY 22122 0 . 1 32） 将式（2-25） ，式（2-30） ， （2-32）求得的值代入式（2- RLRL ZZYY 2222 , 27）（2-30） ，即可求出轴承对轮毂的径向支承力，这样也就求出轮毂轴承对半轴套 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 桥壳设 计 15 管的径向支承力， （与上述大小相等方向相反） 。 21,S S 所以 = 281659 （N） R S2 R r Y ba r 2 R Z ba b 2 根据这些力及桥壳在板簧座处的垂向力，可算出桥壳在汽车侧滑时的垂向 RL TT 22 , 受力弯矩。 由式（2-27）（2-30）可知，轮毂内外轴承支承中心之间的距离（+）越大，ab 则由侧滑所引起的轴承径向力越小。另外如果（+）足够大，也会增加车轮的支承ab 刚度。否则，如果将两轴承的距离缩至使两轴承相碰，则车轮的支承刚度会变差而接 近与 3/4 浮式半轴的情况。 （+）的数值过大也会引起轮毂的宽度及质量的加大而难ab 布置。在小型载货汽车的设计中，常取（+）/4。汽车侧滑时轮毂轴承受力最ab r r 大，所以半轴套管也是在汽车满载侧滑时承受最大的弯矩及应力。由式 9-113 可知， 半轴套管的危险断面位于轮毂内轴承的里端，该处弯矩为 （2-lSlbaSM RRAA12 )( 33） 式中 l 为轮毂内轴承支承中心至该轴承内端支承面间的距离。如果忽略 l 不计，并将 （2-30） 、式（2-25） 、 （2-32）代入上式经整理后得 =3098（Kg.f.mm） （2-)(5 . 0()( 11 1 22 ar B h GbaSM g RAA 34） 式中,同式（2-25） ； g hG, 12 B ,同式（2-30） 。 r ra 弯曲应力： = = 155.52 （MPa） （2- 3 4 43 10 )1 ( 32 D dD M AA AwA 19919 3098 3 10 35） 剪切应力： =137.79 （MPa） （2- )( 4 22 2 dD S R AA 14.2044 281659 36） 金陵科技学院学士学位论文 第 2 章 桥壳设 计 16 合成应力： =284.86（MPa） （2-AAAwA AA 22 3 37） 半轴套管处的应力不应超过 490MP，满足强度要求，所以是安全的。 金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 半轴设 计 17 3 半轴设计 3.1 半轴形式的选择 根据其外端的支承形式或受力情况的不同我们可以把普通非断开式半轴分为半浮 式，3/4 浮式和全浮式三种。 设计中本桥采用半浮式半轴。半浮式半轴以靠近外端的轴颈直接支承在置于桥壳 外端内孔中的轴承上，而端部则用具有锥面的轴颈及键与车轮轮毂相固定，或以凸缘 直接与车轮轮盘及制动鼓相联接。因此，半浮式半轴不仅需要传递转矩，还要承受车 轮传来的弯矩。由此可见，虽然半浮式半轴承受的载荷复杂，但是它具有结构简单、 质量小、尺寸紧凑、造价低廉的优点。适合质量较小、使用条件较好、承受载荷也不 大的轿车和轻型载货汽车。 3.2 半轴的设计参数选择 3.2.1 半轴材料的选择： 半轴的材料首先要有足够的强度，对应力集中敏感性低；还需能满足刚度、耐磨 性、耐腐蚀性的要求；并具有良好的加工性能，且价格低廉，易于获得。 表 3-1 轴的常用材料及其主要性能 金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 半轴设 计 18 碳钢有足够高的强度，对应力集中敏感性低，便于进行各种热处理及机械加工， 价格低廉，应用最广。因为半轴需要传递发动机的转矩带动车轮，所以半轴属于大功 率零件，材料需要有足够的强度，故选用 40Cr 作为半轴的材料，查表 3-1 得知 40Cr 的强度极限为 736MPa,许用弯曲应力为 344MPa. 3.2.1 半轴尺寸的确定： 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： a）纵向力 X2最大时(X2Z2)附着系数尹取 0.8，没有侧向力作用； b）侧向力 Y2最大时，其最大值发生于侧滑时，为 Z2中， ，侧滑时轮胎与地面侧1 向附着系数，在计算中取 1.0，没有纵向力作用； 1 c）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: 22 222 Z= X +Y 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。 a)半轴计算载荷的确定 半轴承受转矩，其计算转矩按下式进行： T=Temaxig1i0 （3-1） 式中：差速器的转矩分配系数，对圆锥行星齿轮差速器可取0.6； ig1变速器 1 挡传动比； i0主减速比。 已知：Temax430Nm；ig17.48； i06.33 ； =0.6 计算结果： T=0.64307.486.33 =12215N.m 在设计时，半轴杆部直径的初步选取可按下式进行： （3-2） 3 3 3 10 (2.05 2.18) 0.196 T dT 式中 d半轴杆部直径，mm； T半轴的计算转矩，Nrn； 半轴扭转许用应力，MPa。 金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 半轴设 计 19 根据上式带入 T12215 Nm，得： 32.50mmd33.85mm 取：d=33mm 给定一个安全系数 k=1.5 d=kd =1.533 =50mm 半轴支承转矩，其计算转矩为： （3-3） 22LrRr TXrXr 三种半轴的扭转应力由下式计算： （3-4） 3 3 16 10 T d 式中半轴的扭转应力，MPa； T一半轴的计算转矩，T=12215Nm； d半轴杆部直径，d=50mm。 将数据带入式（3-3） 、 （3-4）得： =528MPa 半轴花键的剪切应力为 （3-5） 3 10 ()/4 b pBA T zLbjDd 半轴花键的挤压应力为 （5-6） 2/ )(4/ )( 103 ABABp c dDdDLz T 式中 T半轴承受的最大转矩，T=12215Nm； DB半轴花键(轴)外径，DB=54mm； dA相配的花键孔内径，dA=50mm； z花键齿数； Lp花键工作长度，Lp=70mm； B花键齿宽，B=9mm； 载荷分布的不均匀系数，取 0.75。 金陵科技学院学士学位论文 第 3 章 半轴设 计 20 将数据带入式（3-5） 、 （3-6）得： =68Mpa b =169MPa c 半轴的最大扭转角为 （3-7） 3 10 180 GJ Tl 式中 T半轴承受的最大转矩，T=12215Nm； l半轴长度，l=900mm； G材料的剪切弹性模量，MPa； J半轴横截面的极惯性矩， mm4。 将数据带入式（3-7）得： = 8 半轴计算时的许用应力与所选用的材料、加工方法、热处理工艺及汽车的使用 条件有关。当采用 40Cr，40MnB，40MnVB，40CrMnMo，40 号及 45 号钢等作为全浮式半 轴的材料时，其扭转屈服极限达到 784MPa 左右。在保证安全系数在 1.31.6 范围时， 半轴扭转许用应力可取为490588MPa。 对于越野汽车、矿用汽车等使用条件差的汽车，应该取较大的安全系数，这时许 用应力应取小值；对于使用条件较好的公路汽车则可取较大的许用应力。 当传递最大转矩时，半轴花键的剪切应力不应超过 71.05MPa；挤压应力不应该超过 196MPa，半轴单位长度的最大转角不应大于 8/m。 3.3 半轴的结构设计与热处理： 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