（机械制造及其自动化专业论文）汽车驱动桥总成疲劳寿命试验关键技术的研究.pdf

汽车驱动桥总成疲劳寿命试验关键技术的研究 摘要 汽车的驱动桥位于传动系的末端，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，驱动汽车行驶。驱动桥总成 质量的好坏直接影响到汽车总体质量，而汽车试验是保证产品性能、提高产品 质量和市场竞争力的重要手段。本文将对汽车驱动桥总成疲劳寿命试验的关键 技术进行分析与研究。 论文首先介绍了汽车测试技术的概念、发展汽车试验检测技术的重要意义、 汽车驱动桥疲劳寿命的主要检测方法。接着对驱动桥总成的结构与性能以及驱 动桥锥齿轮的工况进行了分析，这是进行驱动桥试验的基础。然后研究了汽车 驱动桥常见的疲劳失效形式与原因，对主减速器齿轮失效机理进行了阐述，并 应用迈纳疲劳损伤累积理论，提出了对驱动桥的疲劳寿命的估算方法。基于驱 动桥的结构和机械零件的疲劳理论，结合汽车行业国家标准与国内外一些汽车 主机厂、零部件厂的企业标准，对驱动桥总成的试验规范进行探讨，并初步确 定了本试验台的试验规范。通过对驱动桥总成试验的开放式和电封闭式两大基 本方案的比较，确定采用交流变频回馈加载的试验系统方案。最后，研究了驱 动桥总成试验台的总体布局和结构原理，并对试验台的驱动与加载系统设计方 法进行了阐述，并对其控制软件进行了简单的介绍，最后介绍试验台工作流程 及设计方案的实现。 关键词：驱动桥总成；疲劳寿命；试验台：试验规范；电封闭 r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e so fr e a ra x l e f a t i g u el i f et e s t i n g a b s t r a c t r e a ra x l ei sl o c a t e da tt h ee n do fa u t o m o b i l et r a n s m i s s i o ns y s t e m i t sm a i n f u n c t i o ni st oi n c r e a s et h ei n p u tt o r q u ef r o mt h ed r i v es h a f to rt r a n s m i s s i o n i t d i s t r i b u t e st h et o r q u et ot h el e f ta n dr i g h tw h e e l sa n dd r i v e st h ea u t o m o b i l e t h e q u a l i t yo fr e a ra x l ei n f l u e n c e sd i r e c t l yt h eq u a l i t yo fa u t o m o b i l e a u t o m o b i l e t e s ti s a ni m p o r t a n tm e t h o dt oe n s u r ea u t oc a p a b i l i t y ，i m p r o v ea u t oq u a l i t ya n de n h a n c e t h ec o m p e t i t i v ec a p a c i t yo fm a r k e t t h ep a p e rw i l lr e s e a r c ha n da n a l y z et h ek e y t e c h n o l o g i e so fr e a ra x l ef a t i g u el i f et e s t i n g f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o na n dt h es i g n i f i c a n c eo fa u t o m o b i l e t e s t i n gt e c h n o l o g y , a n dt h em a i nt e s t i n gm e t h o d so f r e a ra x l ef a t i g u el i f e t h e nt h e a u t h o ra n a l y z e st h ec a p a b i l i t ya n ds t r u c t u r eo ft h er e a ra x l ea n dt h ew o r k i n g c o n d i t i o n so ft h eh y p o i db e v e lg e a r t h ef o l l o w i n go ft h ep a p e rr e s e a r c h e sr e a ra x l e f a t i g u ef a i l u r ef o r m sa n dt h er e a s o n s ，a n di n t r o d u c et h ef a i l u r em e c h a n i s mo ft h e h y p o i db e v e lg e a r t h ef a t i g u el i f eo fr e a ra x l ei se s t i m a t e db ym i n e rt h e o r y b a s e d o nt h es t r u c t u r ea n df a t i g u et h e o r y ，a n dc o m b i n e dt h en a t i o n a ls t a n d a r da n ds o m e e n t e r p r i s es t a n d a r d s ，t h ep a p e re s t a b l i s ht h et e s tc r i t e r i o no ft h er e a r a x l et ob e t e s t e d a c c o r d i n gt oc o m p a r i n gt h et w or e a ra x l et e s tp r o j e c t so fo p e np a t t e r na n d e l e c t r i c i t y c l o s e dp a t t e r n ，t h ep a p e rd e c i d e sf i n a l l yt ou s et h ea l t e r n a t i n gc u r r e n t f r e q u e n c yc o n v e r s i o nc l o s e dl o a d i n gp r o j e c ti n t h ea x l ef a t i g u el i f et e s t i n gr i g t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h eo v e r a l la r r a n g e m e n ta n dt h ef r a m e w o r kp r i n c i p l eo f t h ea x l ef a t i g u el i f et e s t i n gr i g ，a n da n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ed e s i g n m e t h o do ft h ed r i v i n gs y s t e ma n dl o a d i n gs y s t e m t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h e c o n t r o ls o f t w a r eo ft h et e s t e rb r i e f l y t h et e s t i n gr i gw o r k i n gp r o c e s sa n dt h e p r o je c ta c h i e v e m e n t sa r ei n t r o d u c e da tt h ee n do ft h i sp a p e r k e yw o r d s ：r e a ra x l e ；f a t i g u el i f e ；t e s t i n gr i g ；t e s tc r i t e r i o n ；e l e c t r i cc l o s u r e 插图清单 图1 1 汽车测试框图1 图1 2 试验分类4 图2 1汽车传动系统示意图7 图2 2典型传动轴9 图2 3非断开式驱动桥示意图1 0 图2 4断开式驱动桥1 0 图2 。5汽车驱动桥分解图1 1 图2 - 6汽车单级式主减速器总成分解图1 2 图2 7螺旋锥齿轮传动1 2 图2 8双曲面齿轮传动1 2 图2 - 9从动锥齿轮正确的啮合印迹位置1 3 图2 1 0主动锥齿轮总成1 4 图2 1 1驱动桥锥齿轮的四种传动工况1 4 图2 1 2试验驱动桥结构图1 5 图3 1驱动桥常见故障1 8 图3 2齿根疲劳裂纹2 0 图3 3半脆性断裂。2 0 图3 4轮齿断裂a 。2 0 图3 5轮齿断裂b 一2 0 图3 6齿面点蚀i 一2 1 图3 7齿面剥落2 1 图3 8轻度磨料磨损2 1 图3 - 9磨料磨损2 1 图3 1 0齿面胶合2 2 图3 1 1作用力与疲劳破坏循环次数关系曲线2 4 图3 1 2载荷累积频次分布图2 5 图3 1 3阶梯载荷分布直方图2 5 图3 1 4损伤累积理论示意图2 6 图4 1汽车上坡阻力3 0 图4 2疲劳寿命与低载强化循环次数的关系3 2 图4 3驱动桥总成齿轮刚性试验量表测量位置示意图3 4 图5 1开放式试验台主要结构原理示意图3 9 图5 2直流电力封闭式试验台主要结构原理示意图4 0 图5 3交流电力封闭式试验台主要结构原理示意图4 0 图5 4机械结构布置图4 1 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 10 图5 11 图5 1 2 图5 13 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 17 试验台驱动系统结构图4 2 汽油发动机外特性中的功率与转矩曲线4 2 驱动电机扭矩、功率特性曲线图4 5 应变传感器测量原理图4 6 试验台加载系统结构图4 6 负载电机扭矩、功率特性曲线图4 7 试验台能量回馈系统- 4 7 试验参数设定界面4 8 试验系统监控界面4 8 试验曲线记录界面4 9 试验台工作流程4 9 试验台控制方式简图5 0 驱动桥总成疲劳寿命试验台整体实物照片5 1 表格清单 表2 1试验驱动桥参数1 5 表3 1故障模式分类1 9 表4 1俄罗斯3 h j i 厂驱动桥磨合试验规范3 2 表4 2驱动桥锥齿轮支承刚性试验评价指标3 5 表4 3试验规范参照标准3 7 表5 1开放式与封闭式试验台比较4 0 表5 2交流异步电动机容量选择的基本原则4 3 表5 3电动机额定转速的选用原则4 4 表5 4驱动电机的基本参数4 4 表5 5负载电机的基本参数4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金目曼王些太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝储签字：撤签字日期：呵年年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金月巴王些太堂 有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权金g 曼王些态堂可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 枷1 鸭欠 导师签名： 签字日期：f 月l f 日签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 母辨 y 1 兰弋 g 7 年气舭日 致谢 两年多紧张而充实的研究生生活即将结束。在此毕业论文成稿之际，谨以 只言片语向两年来在各个方面支持、帮助、关心过我的人们表示真挚的谢意。 本文是在导师李旗号教授的悉心指导下完成的。在两年多的学习生涯中， 导师在学习、生活等方面均给予了我无私的帮助与支持。在我学位课程的拟定、 论文撰写等方面给予了悉心指导和热情关怀，可以说本文得以完成，倾注了导 师大量的心血和汗水。在此谨向我的导师李旗号教授致以崇高的敬意和衷心的 感谢! 两年多的硕士学习生活中，得到了谢峰教授的指导和帮助，他渊博的知识、 清晰的思路和丰富的经验对我完成学位论文提供了莫大的帮助。同时感谢师兄 刘波对我的论文写作提供的支持。 感谢合肥工业大学汽车装备工程技术研究所林巨广教授给予我学习和锻炼 的平台，感谢刘军部长、丁苏赤老师、任永强老师、夏永胜老师、杨韶明老师、 吴焱明老师对我学习与工作上的指导和教诲。 感谢同学及好友古佳楠、纪王芳、康家乐、路广、楼赣菲、杨洪彬、魏义、 盛军、韩江波、蔡高坡、汪洋、俞晓晟，感谢师弟赵刚、瞿文平、朱财龙、苏 晓峰、郑大维，感谢我的室友刘舒瑶、杨雯，因为他们的陪伴而使我研究生阶 段的生活丰富多彩。 感谢我的父母、哥哥、弟弟和所有亲人长期以来对我的关心和爱护，感谢 他们对我的无私奉献! 特别感谢刘浩先生对我学习与生活的支持与帮助! 最后，感谢评阅论文和出席硕士论文答辩委员会的诸位专家、教授在百忙 中给予的悉心指导! 同时也对曾给予我帮助和关心我的老师、同学和朋友们表 示衷心的感谢! 作者：杨丽英 2 0 0 9 年0 4 月 第一章绪论 汽车已经成为现代社会发展不可或缺的交通工具，在人们的日常生活中扮 演着重要的角色。另一方面汽车工业以其强有力的产业拉动作用，己经成为我 国国民经济发展的支柱性行业。自2 0 0 8 年下半年起，受全球性的金融危机影响， 世界汽车工业面临着严峻的考验，我国汽车零部件行业受到影响，但一些零部 件企业也趁机加大自主研发力度，提高创新能力。在危机中，我国汽车零部件 企业面临发展新机遇【l 】。 1 1 汽车测试技术概述 1 1 1 汽车测试技术的概念 一科学技术的发展是和测试技术的发展是密切联系在一起的，近代自然科学 是从有了试验科学之后才真正形成的，许多重大科学成果是靠新的试验手段获 得的，因此，拥有先进的科学试验手段是科学技术现代化的一个重要标志，汽 车工业同样如此。 汽车测试是通过某种人为的方法，把被测系统中存在的许多参数中的某些 待定的参数用专门的装置，人为地把它激发出来，利用一些通用或专用的仪器 进行测试和数据处理的过程【2 1 。在该过程中，利用先进的传感和测试技术，采 集汽车的各种动态特征信息，并对这些信息加以分析、处理、区分、识别并确 认其所代表的汽车性能指标，从而查明故障产生的原因、发生部位、严重程度 以及预测其发展趋势。 汽车测试系统是由若干相互联系、相互作用的传感器、仪器设备及辅助设 备等元件和装置，为实现一定测试目的而组成的有机整体。复杂的测试系统是 由一些基本的测试小系统组成。 非电量的电测系统是最常用的测试系统。一个完整的测试系统应包括：传感 器、信号调节器、显示和记录器以及数据处理器及外围设备。另外还有定度和 校准系统等附加设备，如图卜1 所示。 剿传感器h 蒸h 记录器 定度设备l l 一 校准设备 数据处理 器及其外 围设备 图1 1汽车测试框图 1 1 2 发展汽车试验检测技术的重要意义 汽车如今已经成为人们不可缺少的一种交通工具，人们强烈地意识到汽车 在为人类造福的同时，也带来了大气污染、噪声和交通安全等一系列问题。当 今汽车工业面临的安全、环保、节能三大挑战中，安全问题首当其冲，并已成 为国际性的社会问题。要使汽车工业能够真正成为一国经济的支柱，汽车首先 必须是安全的、可靠的。 鉴于严峻的汽车安全性问题，世界各国对汽车性能的技术要求越来越严格， 且日趋制度化。例如在制动测试领域，日本、美国及欧盟各国经过1 0 余年的协 调，共同制定了国际通用的e c e 汽车制动技术标准；国际标准化组织i s 0 在汽 车制动标准方面也做了许多工作，i s o t c 2 2 ( 道路技术委员会) 至今已公布了约 5 0 余项有关汽车制动的国际标准。在我国则有主导性的国家强制性标准 g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 汽车制动系统结构、性能和试验方法和g b 7 2 5 8 1 9 9 7 机动 车运行安全技术条件等，这些标准都对汽车相关性能作了严格规定。有关制 定的法规和标准都将随着经济全球化的进展和汽车技术的不断进步而得以完善 和更新。 与此同时，随着汽车设计制造技术的发展和汽车运行条件的改善，汽车结 构越来越复杂，电子化程度也越来越高。要使汽车为人类的工作、生活提供便 利，为人类造福，使其真正成为一种安全、舒适的交通工具，各种汽车测试技 术及其装备的出现和发展将成为必然。 实际上，在工程技术中，任何一个成功的产品都是设计和试验密切结合的 产物。设计过程就是试验过程，试验贯穿在整个设计工作的始终。在许多复杂 的实际问题中，试验又常是解决问题的仅有方法，因此必须十分重视科学试验 工作。国外汽车专家一致认为汽车试验是汽车的先驱，这是因为汽车试验能验 证汽车的设计是否合理。也就是说。首先经过严格的道路试验或模拟试验，对暴 露出的问题进行研究和改进，在试验合格后，才能定型为新的基型汽车。 国外汽车工业的发展历史可以证明，汽车试验作为汽车工业的基础工程之 一，在其整体发展过程中发挥了极为重要作用。可以说，汽车技术的发展离不 开汽车试验工程的支撑，没有汽车试验就没有汽车工业的发展。同样，汽车工 业在中国快速发展的今天，汽车试验技术也得到了很大的发展，同时也受到了 国内各汽车企业极大关注。 尽管汽车测试技术发展很快，但目前的测试诊断设备都还只能测试汽车的 部分性能和故障，对某些总成如驱动桥、离合器、变速器、差速器等的性能测 试和故障诊断还缺乏方便、实用的测试仪器设备。与发达国家相比，我国在汽 车测试诊断技术领域还有相当大的差距，测试诊断设备还不能满足生产需要， 有些产品性能不够稳定，可靠性差，自动化水平低，技术含量低。同时，基础 理论研究跟不上，许多问题亟待解决。 1 1 3 汽车测试方法分类 纵观汽车测试技术的发展历程，其主要测试方法有以下几类： ( 1 ) 人工测试方法 2 初期的汽车测试技术主要是有一定技术经验的人员依靠“眼看、手摸、耳 听、鼻嗅、脚蹬 等原始手段和一些简单工具对汽车的技术状况进行检查。这 种方法仅能对一些直观的、明显的、简单的故障进行定性的判断，而且它主要 依赖于现场测试人员的经验。很显然，这种方法的特点是它不需要专用仪器设 备、投资少，但较为原始、诊断速度慢、准确性、可靠性差，容易将测试人员 主观的非技术因素混入测试结果而造成误判断：将合格的产品认为是不合格的， 而将不合格的产品误判为合格的。这是一种费时、费力、工作效率非常低下的 检查方法，主要适用于小型维修站。 ( 2 ) 仪器设备测试法 这种方法是在人工凭经验诊断法基础上发展起来的现代测试方法。它可在 汽车不解体的情况下，借助一些建立在机械、电子、流体、振动、声光学等学 科理论基础之上的工具或仪器仪表( 如制动踏板测力计，五轮仪、气体分析仪 等) 获取汽车性能和故障的参数、曲线以及相关波形，从而判断汽车的技术状况。 该方法相对于人工测试法而言，极大地提高了测试的准确性和可信度，但它需 要的仪器和设备较多，需占用很大的厂房空间，前期投入较大。这种测试方法 适用于中、大型汽车企业和汽车测试站。 ( 3 ) 系统测试法 这是在计算机测试基础之上发展而来的多功能自动化测试方法。在汽车工 业高速发展的过程中，人们对汽车性能，如人工气候环境、车导航系统等方面 的要求在不断提高。电子学、光学、超声学、计算机i 传感器等高新技术的广 泛应用，进一步提高了汽车测试设备的制造工艺和新产品质量水平。现在，一 些测试技术和设备( 如全电脑发动机综合诊断系统、电脑四轮定位测试系统) 的 研制、开发与应用，使得汽车己具备相当强的故障自动诊断能力。这些高新技 术在汽车上的应用，有力地促进了汽车测试设备向数字化、智能化、自动化方 向发展。 汽车测试也可按其试验对象和试验方法等进行分类，如图卜2 所示。 1 1 4 我国汽车检测技术的未来发展方向j 我国汽车检测技术经历了从无到有、从简到繁的发展，从引进技术、设备 到自主研制开发再进一步推广应用；从单一性能检测到汽车安全性能检测，再 到汽车综合性能检测。尤其是检测设备的研制开发和生产得到了快速发展，缩 小了与工业发达国家的差距。目前，汽车检测设备中通用的滚筒式试验台、侧 滑试验台、轴( 轮) 重仪、车速表试验台和普通底盘测功机等，国内已自用有余， 款型多样，企业竞争较为激烈，但与世界先进水平相比，还有一定的差距。 我国汽车检测技术要赶超世界先进水平，应从以下方面研究和发展。 1 ) 应用高新技术，加速汽车检测技术的进步与设备智能化，如应用光电技 术和计算机图像处理技术、应用高精度传感器、发展显示技术； 2 ) 汽车检测设备向综合化、检测线向浓缩化方向发展； 3 ) 研制开发新的检测设备与仪器； 4 ) 汽车检测诊断技术向人工智能专家系统发展： 5 ) 汽车检测技术规范化； 6 ) 汽车检测管理网络化； 7 ) 汽车检测制度化、标准化。 汽车及其总成与机构的 试验 按任务分ll 按试验对象分 篱引l 酱ij 鬻l 匝垂圈臣堕囹l 鬻j 雠j 憾 摊 非 粼 非 掣旧 雏 图1 2 试验分类 1 2 汽车驱动桥寿命测试方法 1 2 1 汽车驱动桥疲劳寿命试验的必要性和意义 在汽车行驶过程中，驱动桥承受着繁重而复杂的载荷，它的传动件( 齿轮 及半轴等) 要传递传动系中的最大转矩；它的承载件( 桥壳) 支承着汽车满载 荷重，承受着作用于路面与车架或车厢之间的垂向、纵向和横向静、动( 冲击) 载荷，以及反作用力矩和制动力矩等。在这些载荷的作用下，驱动桥必须保持 有足够的强度、刚度和寿命，以及满意的其他性能( 例如无噪声) 等。为此， 驱动桥总成及其主要零、部件必须经受严格的试验阻儿州。 一般在汽车生产厂商生产汽车时，都会对其零部件进行静强度设计，这样 最终设计出来的零部件一般都会较好的满足静强度要求。然而，在汽车行驶过 程中，各零部件要受到各种交变载荷，这种交变载荷一般低于拉伸强度极限， 在这种交变载荷反复作用下，会发生裂纹萌生和扩展并导致突然断裂，这种现 象称为疲劳破坏h 1 。驱动桥作为汽车底盘的重要部件，无论是在产品开发阶段 还是生产检验阶段，都必须对驱动桥的疲劳性能进行检验。 在汽车生产制造过程中，驱动桥总成通常作为一个部件由桥总成制造厂提 供给汽车主机厂，一般在总成制造厂并没有对桥总成疲劳寿命性能进行检测的 环节和手段，无法衡量桥总成装配后的疲劳性能的好坏。现在，越来越多的桥 4 工离合器 理修的单及利管及理简性便目 舒适性 一 靠与磨 一 稚屿船性一 总成制造厂意识到这些问题并逐步重视起来，对新开发产品进行疲劳寿命试验 并对批量产品进行抽样检测，使其缺陷和薄弱环节得到充分暴露，以期获得具 有针对性的检测数据来研究和改进桥总成在设计、制造及装配工艺中存在的问 题，进一步研究并提出修改意见，以提高桥总成的整车装配使用性能。 1 2 2 汽车驱动桥寿命的主要检测方法 驱动桥疲劳寿命一般的检测方法是把驱动桥装在整车上，通过各种道路试 验测试桥的疲劳可靠性。汽车在实际使用的道路条件下进行试验，整车试验能 比较真实地反映驱动桥的工作状态，其试验结果比较符合实际使用情况，可全 面考核其技术性能，应用非常普遍，但是试验过程所受影响因素很多，如环境 条件不易控制，受车上空间条件限制，使得传感器的安装及测试参数的记录、 处理相对比较困难。 汽车试验场是按照预先制定的试验项目、规范，在规定的行驶条件下进行。 试验场可以设置比实际道路更恶劣的行驶条件和各种典型道路与环境，在这种 条件下进行可靠性试验、寿命试验及环境试验，也可以进行强化试验，相对道 路试验可以缩短试验周期，提高试验结果的可比性。 整车道路试验或试验场试验可以得到比较可靠的试验数据，但由于整车试 验周期长，所需的人力、物力成本都比较高，所以提出采用室内台架试验，广 泛利用计算机控制技术、负荷加载以及自动分析记录的数据采集系统，使用各 种模拟手段重现驱动桥的工作情况，建立起室内台架试验系统，提高了试验精 度，而且大大缩短了试验周期p j 。 1 3 本课题的来源及其目的 本课题来源于合肥工业大学汽车装备工程技术研究所与合肥车桥有限公司 合作研发的项目。该项目主要任务是完成多个系列的汽车驱动桥总成的齿轮疲 劳寿命检测试验。 驱动桥位于汽车传动系统的末端，主要由主减速器、差速器、半轴和驱动 桥壳等组成。驱动桥的主减速器齿轮、轴承、差速器壳、半轴及桥壳等在工作 中承受交变应力，都有疲劳寿命的问题。拟采用室内台架试验的方法对驱动桥 总成进行疲劳寿命试验，在室内再现实际行驶中所遇到的各种复杂工况，主要 考验主减速器齿轮的疲劳寿命，以期提前检测汽车驱动桥疲劳性能，更早发现 问题。 本课题就是要针对上述需求，参考整车可靠性道路试验方法和汽车驱动桥 台架试验方法及试验评价指标的检测内容，确定针对驱动桥总成疲劳寿命的评 价指标，并以该评价指标为基础，分析驱动桥总成疲劳寿命检测设备的主要设 计原理和实现方法，解决驱动桥总成齿轮疲劳寿命检测的问题。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题所研制的汽车驱动桥总成疲劳寿命试验台主要用于检测驱动桥齿轮 疲劳寿命，该台架可以完成以下试验与功能：车桥总成的回转疲劳试验、差速 器疲劳试验、反拖疲劳试验、正反转试验功能、转速的无级变速功能、传动效 率检测功能、试验结果评价功能，以及其他辅助功能。 该试验台系统可对合肥车桥2 4 0 0 0 0 0 - 各系列后桥总成进行上述试验，要求 该台架具有极高的柔性和自动化，故此对本系统的设计进行了较为深入的研究， 主要研究的内容如下： 1 、汽车驱动桥总成结构与性能的分析 对汽车传动系结构进行了概述，对驱动桥总成的结构和性能做出了详细说 明，并对驱动桥锥齿轮工况进行了分析。 2 、驱动桥疲劳失效分析研究 介绍了汽车驱动桥常见的疲劳失效形式与原因，对主减速器齿轮失效机理 进行了研究，并应用迈纳疲劳损伤累积理论，对驱动桥的疲劳寿命进行了分析。 3 、汽车驱动桥总成试验规范的研究 通过对驱动桥总成常用的国内外试验规范进行初步探究，并结合被试驱动 桥总成的结构性能特点及其工作状况，制定出被试件的试验规范。 4 、驱动桥试验台架方案设计与控制软件 通过对驱动桥总成试验的开放式和电封闭式两大基本方案的比较，最终确 定采用交流变频回馈加载的方案。介绍了驱动桥总成试验台的总体布局和结构 原理，并对试验台的驱动与加载系统设计方法进行了分析，并对其控制软件进 行探讨，最后介绍其工作流程及设计方案的实现。 6 第二章驱动桥总成结构与性能分析 汽车的驱动桥位于传动系的末端，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 承载车身之间的铅垂力、纵向力和横向力及其力矩“1 。在一般的汽车结构中， 驱动桥主要包括主减速器、差速器、驱动车轮的传动装置及桥壳等部件。本章 将对汽车传动系进行概述，研究驱动桥总成在整个汽车传动系的位置及其重要 性，然后分析其基本结构及性能，并对本文试验驱动桥结构进行分析。 2 1 汽车传动系概述 汽车传动系是位于发动机和驱动车轮之问的动力传动装置，其基本功能是 将发动机发出的动力传给驱动轮。传动系统的首要任务是与发动机协同工作， 保证汽车在各种行驶条件下正常行驶所必需的驱动力与车速，并使汽车具有良 好的动力性和燃油经济性。为此，任何彤式的传动系统都必须具有以下功能。 1 ) 实现减速增扭只有当汽车在驱动轮上的驱动力足以克服外界对汽车的 阻力时，汽车方能起步并正常行驶。 2 1 实现汽车变速汽车的使用条件在很大范围内不断变化，这就要求汽车 驱动力和速度也有相当大的变化范围。 3 ) 实现汽车倒驶汽车在某些情况下( 如进入停车场或车库，在狭窄路面 上调头时) ，需要倒向行驶。由于发动机不能实现反转，则通过变速器可以达到 此功能。 4 ) 必要时中断传动系统的动力传递内燃机只能在无负荷情况下起动，而 且起动后的转速必须保持在最低稳定转速之上，否则可能会熄火- 图2 1汽车传动系统示意图 5 1 使两侧驱动车轮具有差速作用当汽车转弯行驶时，左右两侧车轮在相 同的时间内滚过的距离是不同的，如果两侧驱动轮用刚性轴驱动，则两者角速 度必然相同，因而在汽车转弯时必然产生车轮相对于地面的滑行现象。 孽z 西 如图2 - 1 所示，汽车传动系主要由离合器，变速器，万向传动装置( 传动轴、 万向节) ，后桥总成和驱动桥( 主减速器、差速器和半轴) 等组成。发动机发出 的动力依次经过离合器、变速器、由万向节和传动轴组成的万向传动装置以及 安装在驱动桥中的主减速器、差速器和半轴，最后传到驱动车轮。 2 1 1 发动机 。 发动机本身是一个系统，其输出被认为是传动系统的一个部分。发动机产 生的旋转运动或转矩，推动汽车在各种条件下运动，其转矩通过变速器齿轮增 大。发动机将其燃烧室内燃油与空气的混气进行燃烧，在气缸中产生高压，迫 使活塞向下运动，此时连杆将活塞向下的运动传至曲轴，并将动力作用在传动 系上。 在试验台中设计的驱动电动机，其作用相当于传动系中发动机。 2 1 2 离合器 在汽车传动系中，作为离合器的驱动件即一大质量的圆盘( 飞轮) ，连于曲 轴的后端。飞轮的后端面为很光滑的机加工平面。当离合器接合时，发动机曲 轴的旋转运动从飞轮通过离合器传至变速器。此旋转运动接着通过变速器传至 主减速器，然后通过半轴传至轮胎，使汽车运行。 离合器总成固定在发动机后部，并通过飞轮直接连于发动机曲轴。离合器 的作用是：1 、使发动机与传动系逐渐结合，保证汽车平稳起步；2 、暂时切断 发动机与传动系的联系，便于发动机的起动和变速器的换档；3 、限制所传递的 扭矩，防止传动系过载。其中飞轮的作用是用来减小曲轴的振动，对曲轴转动 施加惯性力，以及作为起动电动机传动的大齿轮。 2 1 3 变速器 变速器通过离合器与发动机相连，改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的 变化范围，以适应经常变化的行使条件( 如起步、加速、上坡等) ，同时使发动 机在有利的工况下( 功率较高而耗油率较低) 工作。在发动机曲轴旋转方向不 变的前提下，使汽车能倒退行使。利用空档中断动力传递，以使发动机能够起 动、怠速，并便于变速器换挡或者进行动力输出。 2 1 4 万向传动装置 万向传动装置的主要功能是在轴间夹角及轴的相互位置经常发生变化的转 轴之间继续传递动力。汽车的传动轴及其万向节常称为万向传动装置，其作用 是将转矩从变速器传至驱动车轮。后轮驱动( r w d - r e a rw h e e ld r i v e ) 汽车除 发动机外传动系均固定在车身底下，发动机固定在底盘前部，相关的动力系部 件延伸至后驱动车轮。后轮驱动车型采用长传动轴，连接变速器与后桥。 后轮驱动车型的万向传动装置的传动轴通常为由两万向节和一滑套联接组 成的钢管，如图2 2 。传动轴将动力从变速器输出轴传至后驱动桥。经过桥壳中 的差速器将动力传至后驱动车轮，然后使车向前或向后运动。 1 套筒叉( 滑动叉) ；2 - 传动轴；3 - 联接凸缘 图2 - 2典型传动轴 2 1 5 后桥总成 后桥壳内安装了整个后车轮驱动桥总成。后桥壳除容纳零件外，也作为固 定车辆后悬架和制动系统的部位。后桥总成还有三种其他主要功能：使驱动车 轮在转弯时能分别以不同转速转动；作为主减速器齿轮减速装置将输入的转矩 增大并相应降低转速，以及当发动机纵置时还具有改变转矩旋转方向的作用。 在后轮驱动车型上，半轴位于后桥壳的空心水平管内，半轴的作用是将转 矩从差速器半轴齿轮传至驱动车轮。半轴由高强度钢材制成，其内端开有键槽， 与差速器中半轴齿轮孔相啮合。驱动车轮通过螺栓连于半轴外端的车轮凸缘上。 车轮随轴转动，从而驱动车行驶。 2 2 驱动桥总成的结构与性能分析 2 2 1 驱动桥总成概述 驱动桥是汽车传动系中最末端的总成件，由主减速器、差速器、主轴和驱 动桥壳等组成，其功用是口1 ：将万向传动装置传来的发动机转矩通过主减速 器、差速器、半轴等传递到驱动车轮，实现降速、增大转矩；通过主减速器 圆锥齿轮副或双曲面齿轮副改变转矩的传递方向；通过差速器实现两侧车轮 差速作用，保证内、外侧车轮以不同转速转向：通过桥壳体和车轮实现承载 及传力作用。 驱动桥的类型有断开式驱动桥和非断开式驱动桥两种。 非断开式驱动桥也称为整体式驱动桥，它由驱动桥壳，主减速器，差速器 和半轴组成。如图2 3 所示，驱动桥壳由中间的主减速器壳和两边与之刚性连接 的半轴套管组成，通过悬架与车身或车架相连。两侧车轮安装在此刚性桥壳上， 半轴与车轮不可能在横向平面内作相对运动。从变速器或分动器经万向传动装 置输入驱动桥的转矩首先传到主减速器5 ，经差速器4 分配给左、右两半轴3 ，最 后通过半轴两端的凸缘盘传至驱动车轮的轮毂1 。驱动桥壳由主减速器壳和半轴 套管组成。 9 【喘替 峥 1 密封垫2 半轴油封3 车轮轴承4 车轮轴承盖5 半轴6 密封垫 7 车轮轴承止推垫8 、2 1 、2 9 轴承9 主动锥齿轮隔套垫片1 0 一主动锥 齿轮和从动齿圈1 1 差速器壳1 2 密封垫1 3 盖1 4 行星齿轮轴定位 销1 5 差速器行星齿轮轴1 6 差速器半轴齿轮1 7 止推垫1 8 差速器 壳盖1 9 轴承调整螺母2 0 轴承外圈2 2 齿圈紧固螺栓2 3 调整螺母 2 4 轴承盖2 5 通气孔2 6 半轴壳2 7 加油口塞2 8 轴承外套3 0 凸缘 3 1 导向街3 2 油封3 3 轴承隔套 图2 5 汽车驱动桥分解图 2 2 2 驱动桥主减速器总成的结构分析 。 主减速器总成是汽车驱动桥的关键部件，它的主要功用是将输入的转矩增 大并相应降低转速，并可根据需要改变转矩的方向。主减速器总成由主从动锥 齿轮总成、差速器总成、减速器壳体等部分组成，是驱动桥的核心部件，驱动 桥所实现的作用全部是由主减速器总成实现的，因此要求主减速器总成要有好 的性能和质量。 为了不同的使用要求，主减速器的结构形式也是不同的。主减速器的结构 形式按照齿轮类型、减速器形式不同而不同。主减速器的齿轮主要有螺旋锥齿 轮、双曲面齿轮、圆柱齿轮和蜗轮蜗杆等形式。按照参加减速传动的齿轮副数 目分，有单级式主减速器、双级式主减速器、双速式主减速器、单双级贯通式 主减速器、单双级式主减速器配以轮边主减速器等。 目前，轿车和一般轻、中型货车采用的单级式主减速器，可由一对圆锥齿 轮、一对圆柱齿轮或由蜗轮蜗杆组成，具有结构简单、体积小、重量轻和传动 效率高等优点旧1 。图2 6 是一种典型的单级式主减速器总成零部件的分解图。 1 - 凸绦螺母2 一垫片3 - 垫陆4 - 凸缘5 - 螺栓6 - 垫圈7 隔套8 - 轴承座 端盖9 一垫圈1 0 - 轴承1 1 轴承座1 2 一轴承1 3 - 垫圈1 4 挡圈1 5 - 套筒 1 6 - 调整螺母1 7 - 轴承1 8 - 螺栓1 9 - 开口销2 0 一螺母2 1 一左壳2 2 一衬齿 2 3 一螺柱2 4 - 垫片2 5 十字轴2 6 行星齿轮2 7 上盖2 8 垫圈2 9 螺栓 3 0 - 螺栓3 1 - 螺钉3 2 - 垫圈3 3 - 止动片3 4 螺母3 5 开口销3 6 一右壳 3 7 - 垫圈3 8 - 半轴齿轮3 9 减壳4 0 - 轴用挡圈4 i - 轴承4 2 主齿4 3 一垫 圈4 4 一螺栓 图2 - 6 汽车单级式主减速器总成分解图 应用最广泛的主减速齿轮型式是“格里森”( g l e a s o n ) 制或“奥利康” ( o e r l i k o n ) 制螺旋锥齿轮和双曲面齿轮【6 l 。螺旋锥齿轮传动如图2 7 所示，其 主、从动齿轮轴线相交于一点，交角可以是任意的，但在绝大多数汽车驱动桥 上- 主减速器齿轮副都是采用9 0 。交角的布置方案。由于轮齿端面重叠的影响， 至少有两对以上的轮齿同时啮合，因此螺旋锥齿轮能承受较大的负荷。加之轮 齿不是在齿的全长上同时啮合，而是逐渐地由齿的一端连续而平稳地转向另一 端，因此其工作平稳，即使在高速运转时，噪声和振动也很小。 曲曲 图2 - 7 螺旋锥齿轮传动图2 8双曲面齿轮传动 双曲面齿轮传动如图2 8 所示，其特点是主、从动齿轮的轴线不相交而呈 空间交叉。其空间夹角采用9 0 。夹角，主动齿轮轴相对于从动齿轮轴有向上或 向下的偏移，当偏移距大到一定程度时，可使个齿轮轴从另一个齿轮轴的上 面或下面通过。这样就能在每个齿轮的两侧布置尺寸紧凑的支承，这对于增强 支承刚度，保证齿轮正确啮合，从而提高齿轮寿命太有益处。 另外，偏移距还给汽车的总体布置带来方便，例如，当采用下偏置( 这时 主动齿轮为左旋，从动齿轮为右旋) 的双曲面齿轮时，可降低车辆传动轴的安 装高度，从而降低车身地板的高度或减小因设置传动轴通道而引起的地板凸起 高度，有利于车辆外形高度的减小。由于双陆面传动主动齿轮螺旋角较大，其 进入啮合的平均齿数要比螺旋锥齿轮相应的齿数多，因而双曲面齿轮传动比螺 旋锥齿轮传动工作得更加平稳、无噪声，强度也高。 223 驱动桥主减速器总成的性能分析 从图26 中可以看出动力传递给主减速器的主动锥齿轮后，通过主动和从动 齿轮啮合t 实现输入转矩的增大，转速的降低，并改变了输入转矩的传递旋转 方向。同时带动差速器旋转，并通过差速器的行星齿轮实现差速。 因此，主减速器的主动和从动锥齿轮之间必须有正确的相对位置，方能使 两齿轮啮合传动时冲击噪音较小，且轮齿沿其长度方向磨损均匀。为此，主减 速器的结构不仅要使得主动和从动锥齿轮具有足够的支撑剐度，使其在传动过 程中不至于发生较大变形而影响正常啮合，而且应有必要的啮合调整装置。 在结构上为保证主动锥齿轮有足够的支承刚度，主动锥齿轮4 2 与轴制成一 体( 后面称之为主动齿轮轴或主动锥齿轮轴) ，前端支承在互相贴近而小端相向 的两个圆锥滚子轴承4 l 上，如图2 6 ”。 锥齿轮啮合的调整是指齿面啮合印迹和齿侧间隙的调整。先在主动锥齿轮 上涂以红色颜料( 红丹粉与机油的混和物) 然后使主动锥齿轮往复运动，于 是从动锥齿轮轮齿的两工作面上便出现红色印迹。若从动齿轮轮齿正转和逆转 工作面上的印迹均位于齿高的中问偏于小端井占齿面宽度的6 0 以上，则为正 确啮合，如图2 - 9 。正确啮合的印迹位置可通过增减主减速器壳与主动锥齿轮轴 承座之间的调整垫片而获得”。 i 番 ；：；g 器g ：；器器 国2 - 9从动锥齿轮正确的啮合印迹位置 汽车驱动桥主减速器的装配质量是影响整个汽车驱动桥性能的一个重要因 素，主动锥齿轮总成是主减速器的关键部件，结构如图2 1 0 所示。装配主减速 器时，为了减小在锥齿轮传动过程中产生的轴向力所引起的齿轮轴的轴向位移 提高轴的支承刚度保证锥齿轮副的正常啮台，圆锥滚子轴承应有一定的装配 预紧度，即在消除轴承间隙的基础上再给予一定的压紧力。轴承的轴向间隙不 应超过0 1 m m ，可通过更换不同厚度的隔套4 ，或者在两轴承内座圈间装入一组 厚度不同的调整垫片3 ，通过调整垫片的厚度来实现调整轴承预紧度的目的。