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整体式驱动车桥的轻量化设计与试验研究 摘要 汽车的轻量化优化设计作为目前世界汽车产业的关键技术之一，已经越来越被各大 汽车厂商所重视。轻量化的实施，不但能降低能源的消耗，减少汽车尾气的排放，而且 还能提高车型的综合竞争能力。作为簧下质量部分的后桥总成，其轻量化优化设计能提 升整车的加速性、稳定性以及操控性，相对整车其他部分的轻量化，其意义更加重大， 而效果也更加明显。 论文从后桥总成的结构出发，结合减速器总成、桥壳总成、半轴总成等部件的功能， 提出了对应的轻量化思路和方法：主减总成主要是对齿轮副进行重新设计而达到减小的 目标，同时还将减速器壳进行了优化替代；桥壳总成则采用了高强度材料的轴管和上下 片，并结合外形尺寸进行了变更设计；半轴同样也采取了外形尺寸的优化和材料提升相 结合的思路。文中还对关键重要件进行了优化设计理论校核和计算，主要包括齿轮副、 桥壳总成、半轴等轻量化件。 基于设计结果，论文进行了轻量化件的总成静扭、半轴静扭、减速器总成齿轮疲劳、 桥壳垂直弯曲疲劳、桥壳垂直弯曲刚性和垂直弯曲静强度等台架试验并对试验结果进行 了分析研究。 结果表明，后桥总成经轻量化优化设计后，相较原后桥总成减重约1 0 4 9 k g 。理论 校核和台架试验验证表明，轻量化后桥各方面性能要求满足国家标准评判指标，可替代 原后桥使用。 关键词：后桥轻量化；优化设计；理论校核；台架试验 l i 工程硕士学位论文- a b s t r a c t a tp r e s e m ，m el i g h tw e i g h to p t i m a ld e s i g no fa u t o m o b i l ei so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s i nt h ew o r l da u t o m o b i l ei n d u s t r y , w h i c hh a s a l r e a d yb e e np a i da t t e n t i o nt om o r ea n dm o r eb y a l lc a r m a k e r s 西ei m p l e m e n t a t i o no fl i g h tw e i g h tn o to n l yr e d u c et h ec o n s u m p t i o no fe n e r g y s o u r c ea n dt h ee m i s s i o no fa u t o m o t i v ee x h a u s t ，b u ta l s o i m p r o v et h ec o m p r e h e n s i v e c o m p e t i t i v ec a p a c i t yo ft h et y p e so ft h ev e h i c l e r e a ra x l ei sap a r to fw e i g h tw h i c hu n d e rt h e s p r i n g s i t sl i g h t e n i n gd e s i g nc a ni m p r o v ea c c e l e r a t i o n ，s t a b i l i t ya n dm a n e u v e r a b i l i t yo f a u t o m o b i l e ，w h i c hh a sg r e a t e rs i g n i f i c a n c ea n db e t t e re f f e c t t h t ea r t i c l eb a s e do nt h es t r u c t u r eo ft h e r e a ra x l e ，c o m b i n e dt h ef u n c t i o no fr e d u c e r a s s e m b l y , a x l eh o u s i n ga s s e m b l y , a x l es h a f ta s s e m b l ye t c ，p o s e st h et h i n k i n ga n dm e t h o d so f l i g h tw e i g h t t h eg e a ro fm a i nd r i v i n gg e a ri st ob er e d e s i g n e ds oa st or e d u c ed i m e n s i o n ，i n t h em e a n t i m e ，t h er e d u c e rs h e l li sa l s ot ob eo p t i m i z e dt h ea u t h o ra d v i s e dt oa d o p tt h et u b ea n d u p p e ra n dl o w e rw i t l lh i g h s t r e n g t hm a t e r i a lf o ra x l eh o u s i n ga s s e m b l y , c h a n g i n gt h ed e s i g n w i t ht h e o v e r a l ld i m e n s i o n a b o u tt h ea x l es h a f t ，w ea d o p tt h eo p t i m i z a t i o no fo v e r a l l d i m e n s i o na n dt h ei m p r o v e m e n to fm a t e r i a l t h ek e yp a r t sa r ec h e c k e da n dc a l c u l a t e di n t h e o r yt o o ，i n c l u d i n gg e a r s ，a x l eh o u s i n ga s s e m b l y , a x l es h a f ta n ds oo n b a s e do nt h ed e s i g nr e s u l t s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e ds o m ep r a c t i c a lt e s t ，s u c ha st h es t a t i c t o r s i o nt e s tf o ra s s e m b l y , s t a t i ct o r s i o nt e s tf o ra x l es h a f t , f a t i g u et e s tf o rg e a ro nr e d u c e r a s s e m b l y ，v e r t i c a la n db e n d i n gf a t i g u et e s tf o ra x l eh o u s i n g , v e r t i c a la n db e n d i n gs t i f f n e s st e s t f o ra x l eh o u s i n g ，v e r t i c a la n db e n d i n gs t a t i cs t r e n g t ht e s tf o ra x l eh o u s i n ga n ds oo n ，a n dt h e p a p e r a l s oa n a l y s e d ，a n dr e s e a r c h e dt h er e s u l t so ft h ep r a c t i c a lt e s t t h er e s u l t ss h o wt h a t , t h ew e i g h to ft h er e a ra x l ew h i c hh a v eo p t i m a ld e s i g n e di s d e c r e a s e da b o u t10 4 9 k gt ot h ef o r m e rr e a ra x l e a n dt h e e s u l t so ft h e o r e t i c a lc h e c k i n ga n d p r a c t i c a lt e s ts h o wt h a t ，t h ev a r i o u sp e r f o r m a n c e so fl i g h t e n i n gr e a ra x l ec a n , m e e tt h e r e q u i r e m e n t so f n a t i o n a ls t a n d a r dj u d g e m e n ti n d e x ，w h i c hb e c o m ea na l t e r n a t i v et of o r m e r r e a ra x l e k e yw o r d s ：l i g h tw e i g h to ft h er e a ra x l e ；o p t i m a ld e s i g n ；t h e o r e t i c a lc h e c k i n g ；p r a c t i c a l r e s t i i i 一 工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 轻量化设计研究的背景 随着我国经济全球化进程的不断加快，我国对国际能源及原材料市场的依赖程度 不断加深，当前国际原油及工业原材料价格的不断攀升，对我国的经济发展造成的影响。 而汽车作为耗油大户，其节能与否已影响到我国整体的能源消耗水平，汽车轻量化对节 能增效具有十分巨大的意义，汽车的轻量化设计技术已经成为目前汽车研究领域的研究 热点之一。 ( 1 ) 全球石油储量的不断减少 众所周知，石油和煤炭一样，也属于化石能源之一，其属于不可再生能源，消耗一 点也就意味着消失一点，而全球石油总量随着人类的生产和发展不断减少，最终直至枯 竭。 根据b p 世界能源统计2 0 1 1 的数据，2 0 1 0 年，全球石油消费量达到创纪录的8 7 3 8 2 万桶e l ( 4 0 2 8 亿吨) ，比2 0 0 9 年增长了3 1 ( 2 6 6 8 万桶e 1 ) 【。这一增长是过去1 0 年间平均水平的两倍，也是2 0 0 4 年以来最大的增幅。美国能源信息署( e i a ) 透露，从 2 0 0 7 年至2 0 3 5 年，由于受发展中国家经济增长的驱动，全球能源消耗将增长4 9 。因 此，随着世界经济的增长，全球化石能源消耗将会更进一步的加剧，而石油作为目前全 球主要能源之一，势必也会加剧其枯竭的速度。而目前全世界汽车每年所消耗的石油占 全部石油消耗的2 0 以上，因此降低汽车的石油消耗，实旋汽车轻量化以减轻汽车重量， 延长全球石油能源的使用年限具有十分积极的意义。 ( 2 ) 全球环境的负面变化 随着人类发展的进程，文明程度不断提高，而相应的地球环境也受到了人类活动的 较大影响。人类在进步，而我们赖以生存的地球环境却越来越脆弱，保护人类共同的生 存环境已经到了刻不容缓的地步。 特别进入上世纪8 0 年代以来，随着经济的发展，具有全球性影响的环境问题日益 突出。不仅发生了区域性的环境污染和大规模的生态破坏，而且出现了温室效应、臭氧 层破坏、全球气候变化、酸雨、越境污染等等等大范围的和全球性的环境危机，严重威 胁着全人类的生存和发展。 人类文明的产品汽车，在消耗大量石油的同时，也向大气排放大量的尾气。科 学分析表明，汽车尾气中含有上百种不同的化合物，其中的污染物有固体悬浮微粒、一 整体式驱动车桥的轻量化设计与试验研究 氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等。一辆轿车一年所排 出的有害废气比自身重量大3 倍。如按这个数据计算全球的汽车尾气排放，这一数字将 庞大到让人惊讶。群轻折轴，积羽沉舟，综合全球的汽车排放就能影响到全球的环境。 ( 3 ) 汽车产业可持续发展的客观要求 作为最直接和最有效的成本节约手段和能源节约手段，汽车轻量化技术已经成为汽 车工业发展的重要研究和实施课题之一。 现今不论世界其他国家还是中国，节能减排战略都已经成为各个国家工业发展道路 上不可忽视的课题，某种意义上来讲，节能减排的成功与否，关系到国家未来的生存和 发展。因此，作为世界能源消耗的大头产业气车，节能减排要求则会更显得重要和 急迫。汽车产业想在未来的工业世界仍旧占据一席之位，并且不断发展和壮大，节能减 排要求将成为车企和全行业提高核心竞争力的现实需求，而最直接和最有效的节能减排 方案，就是实施汽车轻量化。而且，轻量化技术，不论是对传统汽车还是目前快速发展 的新能源汽车，都是一项基础的、共性的技术。 ( 4 ) 整车轻量化的必然要求 为了现实节能减排目标，汽车行业不断投入大量资金进行科研发展轻量化技术。经 过这些年的探索和试验，整车轻量化也已经取得了一定的成绩，如在主参数尺寸保留的 前提下，提升整车结构强度，降低耗材用量；采用铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳 纤维复合材料等轻质材料；采用有限元分析、局部加强设计等进行结构设计；采用承载 式车身，减薄车身板料厚度等。 而上述这些改变的最终目标只有一个，就是实现整车的轻量化。而汽车后桥作为某 些车型的固有部件，其轻量化也同时被提上日程。而且后驱动桥作为簧下质量部分，对 其进行轻量化，对整车的综合轻量化效果能作出更大的贡献。在簧上质量不变的情况下， 减轻簧下质量可以在一定程度提升汽车的加速性、稳定性及操控性。根据行业经验，减 轻l k g 的簧下质量的效能可以等同于减轻1 5 埏的簧上质量1 2 , 3 】。当然，其中数据不一定 那么精确，但其效果及影响由此可见一斑。 因此，后桥总成的轻量化是整车轻量化的必然要求和不可或缺的重要组成部分。 1 2 汽车轻量化的意义和主要途径 汽车轻量化和安全性一样，都是提高竞争力的关键技术。而轻量化和平时我们所熟 悉的“偷工减料”完完全全是两码事，为提高产业竞争力，汽车零部件正在朝着轻量化的 方向发展。 研究表明，汽车质量的减少，不但其燃油经济性可提高，而且同时汽车的排放也会 工程硕士学位论文 降低。那么，到底什么是轻量化? 实现轻量化的途径又有哪些? 下面我们从概念、意义、 实现途径去初步了解汽车轻量化技术。 1 2 1 汽车轻量化的意义 ( 1 ) 汽车轻量化的概念 汽车轻量化，英文名称为l i g h t w e i g h to fa u t o m o b i l e t 4 - 7 1 。主要指导思想是在确保稳 定提升性能的基础上，节能化设计各总成零部件，持续优化车型谱。 汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的 整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，若汽车 整车重量降低1 0 ，燃油效率可提高6 一8 ；汽车整备质量每减少1 0 0 k g ，百公里油耗 可降低0 3 o 6 升；汽车重量降低1 ，油耗可降低0 7 f 引。当前，由于环保和节能的需 要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。 汽车的轻量化效果不能以简单的减重多少来衡量，必须与该款车的设计尺寸和性能 相结合来综合评判1 9 1 。对于已有的性能可满足要求的汽车，轻量化设计的目的是为了降 低原有的重量而保持该项性能不变，其轻量化的效果是直接的减重。而现有功能尚不能 满足或需要提升的汽车，轻量化是完善其功能而保持其质量不变。还有一种情况就是既 要提高和改进汽车的性能，同时还要降低汽车的重量。 因此，汽车轻量化设计实际上是功能性能改进，重量降低，结构优化和合理价格的 结合o o , l q 。 ( 2 ) 汽车轻量化的意义 汽车轻量化是实现节能减排的最有效手段。随着“节能环保”越来越成为了广泛关注 的话题，轻量化在提高操控性的同时还能有出色的节油表现。汽车的油耗主要取决于发 动机的排量和汽车的总质量，在保持汽车整体品质、性能和造价不变甚至优化的前提下， 降低汽车自身重量可以提高输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性，提高车速、降 低油耗、减少废气排放量、提升安全性。 汽车行驶时，汽车运动阻力所消耗的功率有滚动阻力功率、爬坡阻力功率、空气阻 力功率和加速阻力功率。而滚动阻力、爬坡阻力和加速阻力均与整车的总质量成正比。 所以减轻自身质量，就减轻了整车总质量，从而就正比例地减少了上述3 种阻力，也降 低了能量消耗。世界铝业协会的报告指出，轿车质量每减少1 0 ，燃油消耗可降低6 8 。对自质量1 6 , - - 2 0t 的载货汽车，每减重1 0 0 0k g ，则可降低油耗6 7 。油耗的 降低，同时也意味着汽车排放的温室气体和其他有害气体的降低。因此，减轻汽车自重， 一一兰堡塑堡型型坠型鱼丝丝一 对于电动汽车而言，是节能的最有效措施之一；而对于燃油汽车，是节能环保的最有效 措施之一。 汽车轻量化减少了汽车用材，降低了制造成本。近年来，铁矿石价格上涨，钢铁也 随之涨价。原材料价格的不断上涨，给汽车制造业带来了压力。在汽车制造过程中，钢板 的使用达5 0 ，各类铸铁件的使用占2 0 3 0 ，钢铁总消耗占所使用原材料的7 0 。 因此，轻量化能最直接的降低汽车的制造成本。 汽车轻量化还减少了收费公路的货车通行费。原来货运车辆的收费方式是根据车辆 核定装载质量和车型分类来收取车辆通行费的，2 0 0 4 年交通部出台收费公路试行计重 收费指导意见，到2 0 0 8 年国内绝大部分省份都将实行计重收费。该政策以实地测量 的车货总质量为依据，计重收取车辆通行费。在同样总重情况下，自重小的车能够装载 更多的货物。 汽车轻量化是提高竞争力的关键。汽车轻量化技术应用，将对自主品牌汽车 在节能、安全、环保等方面带来重要影响，轻量化技术的应用是提高自主品牌汽 车企业竞争力的基础和希望。 1 2 2 汽车轻量化的主要途径 纵观国内外汽车行业的发展，汽车轻量化的途径主要有如下几种： ( 1 ) 通过对汽车主流规格车型进行持续优化，规格主参数尺寸保留的前提下，提 升整车结构强度 1 2 , 1 3 1 ，降低耗材用量。再有就是选取轻量的汽车形式和总成部件结构形 式。 如轿车采取发动机前置前轮驱动或发动机后置后轮驱动的布置形式，取代发动机前 置后轮驱动的布置形式，减少中间传动轴以减重；卡车离合器用膜片弹簧取代螺旋弹簧， 可减重一半以上；另还可采用超轻悬架结构等等。 ( 2 ) 采用轻质材料 1 4 , 1 5 1 ，如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等。 铝的密度只有钢铁的1 3 ，具有良好的机械性能，耐腐蚀性、导热性好，其合金还 具有高强度、易回收、吸能性好等特点；镁合金性能与铝合金相似，是当前最理想、重 量最轻的金属结构材料。 ( 3 ) 采用高强度材料 1 6 - 1 8 j ，如高强度钢。 高强度钢与铝合金、塑料相比，具有价格低、弹性模量高、刚性好、耐冲击性好、 抗疲劳强度高等特点，缺点是耐腐蚀性差。 目前汽车使用的高强度钢主要为板材与管材，它可取代普钢、铸铁用于车身零件和 其它结构件。 4 工程硕士学位论文 ( 4 ) 采用计算机进行车身结构、车架优化设计 1 9 - 2 6 1 。 减少汽车的车身、车架重量就能减少汽车总重量，是汽车轻量化的重要途径。在方 法上，可以采用有限元法、优化方法和拓扑方法。在保证客车骨架和底架的刚度、强度、 舒适性、安全性及工艺构造等因素的条件下，对车身结构进行尺寸优化、形状优化及拓 扑优化，减轻车身骨架、车身钢板的重量。 ( 5 ) 采用承载式车身【2 7 1 ，减薄车身板料厚度等。 采用承载式车身结构形式取代半承载式或非承载式车身结构形式。承载式车身结构 是整个车身都参与承载，因此，这样可以发挥车身材料性能的最大潜力。 ( 6 ) 通过整车或零部件小型化【2 引，以达到实现汽车轻量化的目的。 但目前根据有关资料统计，当前汽车轻量化的措施主要还是是采用轻质材料。因此， 轻量化技术在未来还有很大的发展空间。另一方面，目前轻量化运用和实旋最多的部件 还是车身，因此，本论文的研究对象后驱动桥总成的轻量化优化设计就更显得具有 研究的必要和意义了。 1 3 驱动车桥轻量化的意义及国内外研究现状 1 3 1 驱动车桥轻量化的意义 首先，车桥是属于整车的一个部件，其重量的大小直接关系到整车的重量。在对整 车进行轻量化的时候，也不可能跳过这个部件，它必须顺应整车的要求，实施同步轻量 化工作。前面也已经提到，整车轻量化是实现节能、环保的重要措施，随着世界汽车产 量和保有量的不断攀升，其对推动全球经济的发展起到了积极作用，但是同时也对日益 短缺的能源状况和日益恶化的环境状况产生了巨大的影响和压力。因此，车桥作为一个 非常重要的功能部件，其有为整车轻量化分担压力的必要和义务。 然后，车桥属于簧下质量，对其进行轻量化，对整车的综合轻量化效果能作出更大 的贡献。在车辆动态行驶理论中，有一个簧上质量与簧下质量之比的数据。对于一辆车 来说，在不考虑其悬挂设定的因素下，单纯从簧上质量与簧下质量之比的角度出发，这 个比值越大，也就意味着该车拥有更好的乘坐舒适性，而更小的簧下质量同时意味着悬 挂系统拥有更好的动态响应能力以及车辆的操控性。 车辆在路面行驶时，悬挂系统会不断接受来自路面的冲击，乘员在车内最理想的舒 适状态，则是车体始终相对路面保持静止，车轮随着路面情况不断起伏，不过想通过机 械的结构做到这一点几乎是不可能的，但是通过增大簧上与簧下质量之比，车辆可以更 接近这种行驶状态。 整体式驱动车桥的轻量化设计与试验研究 如果车体( 簧上质量) 在车的整备质量中占有较大的比重，那么这个较大的质量自 然会增加车轮对地面的压力，使车轮紧密的贴合路面。当车轮遇到来自路面的凸起或凹 陷时，如果簧下质量较大，那么它自然也会有更大的运动惯性，在随着路面起伏时也需 要相对更长的时间。如果在车速一定的情况下，还来不及改变运动轨迹的悬挂系统会将 这种路面的起伏直接传递给车身，而悬挂系统并没有完成自身应该过滤震动、吸收冲击 的工作。车速越快，对车身造成的冲击也就越明显，这也就很好的解释了当遇到一个较 大的障碍物时，慢速通行和快速通行对乘坐舒适性所产生的不同影响，较低速度通过是 给悬挂系统留有更多的起伏运动时间以减小对乘员舒适性的影响。在实际驾驶中，人们 通常会感觉到一辆满载的车辆会比空载时拥有更好的行驶平稳性，这种在其它参数不 变，只增加簧上质量或者说减小簧下质量所占比重的情况确实可以使车辆更加舒适。 从上面可以得出如下结论：在簧上质量不变的情况下，减轻簧下质量可以在一定程 度提升汽车的加速性、稳定性以及操控性。而且，根据行业经验，减轻l k g 的簧下质量 的效能可以等同于减轻1 5 埏的簧上质量。因此，后整体式驱动车桥轻量化具有十分重 要的意义。 1 3 2 驱动车桥轻量化研究的现状 据研究资料显示，若汽车整车重量降低1 0 ，燃油效率可提高6 8 ；汽车整备 质量，每减少l o o k g ，百公里油耗可降低o 3 0 6 l ，汽车重量降低l ，油耗可降低o 7 。 因此，世界各国都在积极实施轻量化工作，其中驱动桥也是轻量化研究和实施的重要部 件之一。 ( 1 ) 国外现状 由于国外汽车工业起步早，汽车技术和汽车人才相对更加成熟和丰富，特别如美国、 德国、日本等汽车工业强国，依靠其长期的技术积淀和强大的科研、试验能力，其轻量 化技术引领着世界汽车轻量化的发展方向。 在后桥轻量化技术中，其主要措施是轻量化的结构设计和分析，以及轻质材料、高 强度材料的应用。欧美、日本的汽车企业都拥有自己的技术专长和大量的经验积累，特 别每个汽车品牌都拥有着大量成熟的系列化底盘技术，因此，其更容易对后桥的结构进 行分析和优化设计，轻量化的要求也更容易实现。而且依靠其强大的试验和测评系统， 轻量化成果更容易运用并产生实际效益。 另一方面，随着材料科学的发展和细化，轻质材料、高强度材料的性能越来越高， 运用也越来越广泛，国外轻量化推进者们自然也不会错过对它们的运用。因此，近年来， 国外对后驱动桥上的很多零部件都采用了材料替换，例如用高强度铝合金材料替代传统 6 工程硕士学位论文 的球墨铸铁，减速器壳体可减重近5 0 。还有就是用高强度钢替代原用的普通钢材，不 但能提升零件强度，还可明显减少材料的用量，直接减低重量。 ( 2 ) 国内现状 相对应的，我国汽车工业起步较晚，虽然经过最近几十年的发展和追赶，现今已经 是世界汽车生产和消费的大国。但是，我们也要看到自己与欧美、日本汽车的差距，离 汽车强国还有很大一步路要走。 在轻量化技术方面，我国近年来也取得了很大的成就，但是与国外相比还有一定的 距离。由于我国汽车技术很大一部分是通过引进、消化以及再创新而来的，会受到各方 面因素的限制和局限，在对底盘件进行优化设计时并不能如国外一样灵活自如。而且， 在材料运用方面，国产材料与国外材料也有一定的差距，有时候国产化后不但不能进行 轻量化改进，反而要通过加大加重加强才能达到原零部件的性能要求。有关统计数据显 示，我国现有的轻型车驱动桥比世界先进水平重约1 0 到2 0 t 2 9 1 。 另外一方面，国产车品牌与国外同类车在高强度钢比例和碰撞安全性方面也存在着 较大的差距。因此，中国目前的实际状况要求我们不能满目追求轻量化而降低汽车的安 全性，必须在可控范围内逐步实施轻量化工作。 再有，我国整车企业众多，实力良莠不齐。同样车桥厂也多，但集中度却不够，大 多数车桥企业的自主开发能力和优化设计能力比较低，这也成为制约我国车桥轻量化的 一个瓶颈。而目前国内在车桥上面运用最多的方法则是采用高强度材料对普通材料的替 换，从而达到轻量化的效果。在设计优化和结构优化上，因涉及到可匹配性和合理性， 并与底盘的整体技术平台关系紧密，所以该方面所做的轻量化工作相对较少。因此，国 内车桥的轻量化在某种意义上来说还处于摸索阶段，目前并不完全成熟。 1 4 本论文研究的主要内容 前面已经提到过汽车轻量化是节能减排的重要举措，而作为底盘部件的后桥总成， 轻量化后不但能达到节能降耗的目的，更能提升汽车的加速性、稳定性以及操控性，对 乘员的舒适性也能大大改善和提高。本课题研究的主要内容如下： ( 1 ) 后桥总成的轻量化优化设计 本文将以现有产品的结构形式和技术状态为基础，对其性能进行分析和研究，根据 其原有的输入参数进行分析和计算，计算出产品的关键性能参数后，初步拟定轻量化实 施的办法和方向，即对总成件的部分零件材料进行高强度材料替换，将部分零件的结构 与同类产品进行借用替换，结构更变和材料变更相结合等方式，在不降低原部件整体性 能要求的前提下，达到轻量化的目的。 7 兰竺茎墅垫兰堑墼塞茎丝丝兰皇兰丝堡茎| _ ：，。，。= = 一 ( 2 ) 轻量化后桥总成的试验研究 轻量化后桥总成的试验研究主要包含了静扭试验，减速器总成的齿轮疲劳试验，桥 壳垂直弯曲疲劳试验，桥壳垂直弯曲刚性和垂直弯曲静强度试验等项目。通芦实物的试 验与结果研究，最终判断轻量化后桥是否达到了国家相关标准的要求，从而确定其能否 替代原产品进行使用。 工程硕士学位论文 第2 章后桥总成轻量化设计方法 2 1 整体式驱动后桥总成的构成 2 1 1 后桥总成的分类 按照后桥总成的结构，轻型越野汽车后桥主要可分为两种，即断开式后桥和整体式 后桥【3 0 3 1 1 ，分别如图2 1 和图2 2 所示。断开式后桥通常与独立悬架结构结合使用，而整 体式后桥则通常通过弹簧和连杆的形式与车架等相关部件固定和安装。 图2 1 断开式后桥总成示意 图2 2 整体式后桥总成示意 而根据弹簧形式的不同，整体式后桥又可分为2 种：钢板弹簧式，如上图2 2 所示； 螺旋弹簧式，如图2 3 所示。故名思意，钢板簧式整体后桥使用的是钢板弹簧，螺旋簧 式整体后桥使用的是螺旋弹簧。 因采用不同的弹簧减震形式，相应后桥总成上面的附件结构有较大差别，最明显的 就是螺旋弹簧后桥通常支架和附件较多、较大，而且根据螺旋弹簧的位置和受力情况， 有必要的时候还需要对后桥壳进行加强，因此，其总质量也会比钢板弹簧后桥更大。总 体说来，螺旋弹簧后桥和钢板弹簧后桥主要区别在于桥壳总成上附件的多少和大小，而 其他结构没有本质差异。因本次轻量化研究工作主要在桥总成本体上进行，所以，本次 9 一：丝壁塑墅丝鬟塑丝型塑堕二字。一 选取钢板弹簧后桥作为研究对象。 图2 - 3 整体式螺旋弹簧后桥总成示意 2 1 2 钢板弹簧后桥总成的构成 如图2 4 ，钢板弹簧整体式后桥主要由如下几个总成部件构成：1 减速器总成，2 后 桥壳总成，3 半轴总成，4 制动器总成，其中驻车制动拉索总成包含在制动器总成中， 图2 4 中未示意出来。 1 图2 4 后桥构成 另外，根据几个主要构成部件的不同，还可进一步细分，如其中主减速器总成根据 减速级数可分为单级主减速器和双级主减速器；半轴也有全浮式、半浮式和3 4 浮式等； 制动器总成又可分为盘式制动器、鼓式制动器、盘鼓结合式制动器等形式。下面，将结 合本课题的研究对象，主要对钢板弹簧整体式后桥( 后文中都简称为后桥) 四个总成部 件的结构进行初步介绍。 ( 1 ) 减速器总成 减速器总成主要由减速器壳体、主从动齿轮副、凸缘法兰、差速器总成、轴承、油 封、紧固连接件等组成，具体见图2 5 所示。其中主从动齿轮副和差速器总成是减速器 总成的核心总成件。 l o 图2 5 减透器总成 因为差速器总成担当差速这个单独的重要功能，在某些资料中，会将差速器总成单 独分开来进行研究。轻型越野汽车( s u v ) 的普通差速器总成如图2 6 所示，主要由差 速器壳体、行星齿轮、半轴齿轮、行星齿轮轴及调整垫片几个零部 件组成。而在归属习惯上，由于差速器总成装配在减速器总成之中，因此本课题将其列 为减速器总成的一个部件进行研究。 图2 6 普通差速器总成 ( 2 ) 后桥壳总成 在重型卡车上，桥壳多采用铸造的形式，而轻型越野汽车( s u v ) 桥壳主要采取钢 板和钢管焊接的形式结构。如图2 7 所示，后桥壳主要由轴管法兰盘、轴管、桥壳附件、 桥壳上片和下片、桥壳盖、加强环等件构成，其中后面三个零件焊接完成后的部件可通 称为桥壳中段总成。 l 图2 7 组焊式整体后桥壳总成 l l 整体式驱动车桥的轻量化设计与试验研究 ( 3 ) 半轴总成 半轴总成最主要的零件自然是半轴，而根据装配关系，很多资料上也将制动器总成 列入半轴总成之中，本文为了区分功能，不将制动器总成列入半轴总成范围。如图2 8 所示，半轴总成主要由半轴、轮毂轴承、轴承护圈、轴承座、轮胎螺栓、油封、防尘罩 等零部件组成。下图中的半轴为半浮式半轴，在承受发动机传递过来的扭矩的同时，还 要承受整车重量所产生的弯矩。 广捕、 t 一u耳j 、 馒7 _ 7 哆 、 量购溉 1 0 ff j i ，琶熊刚 夕匕乙。专毳貂； 。 一 图2 8 半浮式半轴总成 ( 4 ) 制动器总成 制动器总成的构成零件较多，核心零件是制动盘、摩擦蹄片总成、制动分泵总成、 固定底板等几个件。如果是盘鼓式制动器，还有卡钳总成和带卡钳支架的轴承壳两个重 要件，如图2 9 所示。另外，作为驻车制动的操作机构手刹拉索总成也可划入制动器总 成之，中。 图2 9 盘鼓式制动器总成 根据前面的介绍，本课题所研究后桥的大概结构可作如下定义和归纳： a 单级主减速器结构 b 半浮式半轴形式 c 盘鼓结合式制动器 d 钢板弹簧式整体后桥 1 2 工程硕士学位论文 2 2 整体式驱动后桥总成的功能 根据驱动方式的不同，车桥可分成转向桥、驱动桥、转向驱动桥和支持桥四种，其 中转向桥和支持桥都属于从动桥【3 2 1 。大多数汽车采用前置后驱动( f r ) ，因此前桥作为转 向桥，后桥作为驱动桥；而前置前驱动( f f ) 汽车则前桥成为转向驱动桥，后桥充当支持 桥。 本次课题研究的对象为后驱动车桥，其主要功下面一一介绍。 ( 1 ) 传递发动机扭矩 将万向传动装置传递过来的发动机扭矩，通过减速器、差速器、半轴等传递到驱动 车轮。 图2 1 0 扭矩传递路线 ( 2 ) 实现减速增扭 通过减速器总成的齿轮副，将发动机传递过来的高转速小扭矩转变成低转速的大扭 矩。 ( 3 ) 改变扭矩的传递方向 通过减速器总成中的双曲面锥齿轮副，将扭矩从前后传递改变9 0 。向左右轮两边传 递，如图2 1 1 所示。 图2 1 1 改变扭矩传递方向 整体式驱动车桥的轻量化设计与试验研究 ( 4 ) 驱动整车的前后运行 通过传递轴的顺时针和逆时针运动，带动主从动齿轮的正转和反转，驱动轮胎不同 方向的运动，从而实现整车的前进和倒退，如图2 1 2 所示。 图2 1 2 后桥前后运行示意图 ( 5 ) 实现左右车轮差速，保证整车的转弯运行 通过差速器总成( 如图2 1 3 ) 中行星齿轮、半轴齿轮的差速原理，保证在整车转弯 运行时，内侧车轮和外侧车轮在不同位移量的情况下能正常行驶，不使轮胎因位移的不 同而产生打滑、拖行、跳动等现象，如图2 1 4 所示。 图2 1 3 差速器模型图 ( 6 ) 连接左右车轮，支撑整车重量 通过桥壳和半轴将左右车轮连接，通过轮胎和悬架、弹簧、连杆等件实现对整车的 支持。 ( 7 ) 实现整车的部分行车制动和驻车制动 因制动器总成装配在后桥总成之中，因此制动器的行车和驻车制动功能也归属为后 桥的重要功能之一。 1 4 工程硕士学位论文 图2 1 4 转弯过程中内外车轮位移差示意图 2 3 后桥轻量化优化设计的基本方法 2 3 1 轻量化设计的一般步骤 图2 1 5 轻量化设计的一般步骤 轻量化设计过程中，需要对对象目标进行分析，然后再对其零部件进行结构优化或 是材料优化，并且进行相关理论校核，如果校核满足要求，最后再进行实物的试验验证。 最终根据理论校核和试验结果判定设计是否达到了最终的预期目标。 2 3 2 后桥轻量化设计的具体方法 根据目前国内轻型越野车市场的调查和了解，底盘部件的整体式驱动后桥总成主要 整体式驱动车桥的轻量化设计与试验研究 有如下几个技术平台：日本三菱v 3 1 v 3 3 后桥平台，日本丰田海拉克斯皮卡平台( 此平 台国内一般统称为1 0 2 0 型皮卡桥) ，还有最近几年被少数主机厂热捧的丰田海拉克斯升 级版的多款车桥平台等。而在这几个技术平台中，三菱的v 3 1 v 3 3 平台应该是应运最广、 研究最成熟、质量也最可靠的一个平台；国内现在比较正宗的轻型s u v 车前后桥( 典 型代表长丰猎豹6 4 7 0 系列s u v 车) 基本都是采用的此技术平台，而国外如现代等多款 s u v 的后驱动桥，也是由v 3 1 v 3 3 平台改进而来。而本次轻量化课题研究的对象也正 是这个技术平台的产品。 根据前面对后桥总成四个部件的介绍和初步分析，下面介绍一下本课题研究对象一 一后桥的轻量化思路和方法： ( 1 ) 减速器总成 减速器总成的最主要功能是减速，其在动力传递过程中齿轮副是最主要的工作部 件，因此齿轮的寿命和强度关系到整个减速器总成的好坏。 另一方面，减速器总成的重量也很大程度上受到齿轮的影响，一旦齿轮增大，为容 纳大齿轮，减速器壳体也要相应增大，其他件为承受对应的强度和扭矩要求，也要变更 尺寸，从而减速器的重量就会受到影响。因此，对齿轮减重，是实现减速器总成轻量化 的关键所在。 根据多年的市场经验和台架试验经验，在固定扭矩和受力状态下，减速器总成中除 了最容易破坏的易损件如油封、薄垫片等件外，其他件在正常情况下基本不会比齿轮副 更早出现强度上或者疲劳上的问题。换句话说，减速器总成中最先出现破坏几率的件是 主从动齿轮副，主减速器总成的寿命取决于齿轮的疲劳寿命。 因此，我们可以假定如果提高齿轮强度和寿命设计，而将齿轮的大小变小，相应的 其他相关件也进行优化设计并在一定范围内减小尺寸，该减速器总成仍能满足原车型的 性能要求。那么，在此情况下我们可以考虑参考和借鉴相同技术平台的小号减速器来对 轻量化的主减速器进行优化设计，或者是将小减速器的大小设定为一个参考的预定目标 值，从而指导实现主减速器总成的轻量化。 ( 2 ) 桥壳总成 桥壳主要是承受车身的重量，会受到较大的弯矩。在车辆行驶过程中由于车轮的跳 动和车身的上下运动，弯矩会反复出现，从而造成桥壳的疲劳破坏。 从力学理论中可知，如果增大空心管材的截面积，可一定程度地提升管材的抗弯和 抗剪切能力【3 3 1 。那么桥壳轴管也可从这一理论出发，将原来的桥壳轴管增大截面积，以 提升强度。另外，还可采用机械性能更高的高强度材料做轴管，可在直接减少材料厚度 的同时同样满足原受力要求。 1 6 工程硕士学位论文 另一方面，如果主减使用小号的，桥壳中段的接口处也可对应使用小号桥壳的中段， 但因中段减小，与增大截面积提升强度的做法相反，因此，中段的材料必须使用高强度 材料才能满足要求。如此，桥壳中段部分较小的尺寸使用较少的材料，轻量化得以实现。 ( 3 ) 半轴总成 半轴部分的零件相对较少，重量最大的就是半轴。如想实现该部分的轻量化，可行 的办法只能是在半轴的重量上下工夫，而降低半轴的重量说白了就是将半轴变细，因此 只能通过半轴材料的提升来实现。 ( 4 ) 制动器总成 制动器总成是安全件，而且一般都是由专业制动器厂家生产，因此单纯的减重轻量 化难以实现，唯一可行的办法是采用其他高制动效能的较轻的制动器来进行替代，从而 实现总成件的重量的减少。因其与平时所讨论的轻量化有一定的区别，因此在本论文中 对制动器部分不做单独研究。 根据上面的介绍可知，本次后桥总成轻量化实施的重点是减速器总成、桥壳总成和 半轴这三个部分，其轻量化优化设计的空间相对较大，获得预期效果的可能性也会较大。 2 4 本章小结 本章为论文的第二个章节，主要对轻型越野汽车整体式驱动后桥总成的构成和功能 进行了介绍，并对课题研究对象进行了初步归纳，提出了后桥轻量化优化设计的大概思 路和方法等问题。 1 7 整体式驱动车桥的轻量化设计与试验研究 第3 章后桥总成轻量化的优化设计 3 1 后桥总成的重要设计参数 根据前面对整体式驱动后桥总成的功能介绍，我们可知后桥最重要的功能是传递发 动机力矩和承载车身，而其他诸如差速、连接相关件等功能都不太好用具体数据来量化。 因此，后桥总成设计过程中的性能参数主要是指减速器总成速比、减速器最大输入扭矩、 后桥总成的轴荷大小等几个方面。 另外，在对后桥总成进行设计时，还有整车一些其他的相关参数也十分重要，很多 计算和校核都会要用到，诸如发动机的最大扭矩值、变速器第1 档的速比值、轮胎的滚 动半径、后桥总成的重量等。此外，还有一些常数值等等取值参数也不可或缺。下面主 要对后桥总成设计计算过程中最为重要的几个参数进行大概的介绍和输入。 ( 1 ) 后桥总成的轴荷g ， 轴荷分空载轴荷和满载轴荷两种，一般以满载状态下的轴荷大小来评判后桥性能。 后桥满载轴荷的大小直接反映其承载重量的多少，一般用g ，或者尸表示。 经查询本研究对象后桥的整车参数，得知后桥满载轴荷( 也称计算轴荷) ： g ，= 1 5 6 8 k g ( 2 ) 发动机的最大扭矩值m 。一 扭矩是发动机性能的一个重要参数，是指发动机运转时从曲轴端输出的平均力矩， 而发动机最大扭矩是在某个转速时或某个转速区间内才会出现。因此，发动机在该状态 下对传动的各个部件的要求最高，从而传动零部件的设计大都会参考发动机最大扭矩值 这一重要参数进行强度设计。一般用m 。一或者疋。表示。 经查询本研究对象后桥对应的发动机参数，得知4 g 6 9 发动机的最大扭矩值： m 。一= 1 8 6 n m ( 3 ) 变速器第1 档的速比值， 发动机动力经离合器传递到变速箱之后，会进行第一次减速。变速箱第1 档的速比 最高，因此减速最大。根据减速增扭原理可知，变速箱第1 档速比的大小会影响到后面 主减速器输入扭矩的大小，因此该参数对后桥设计十分重要。 经查询本研究对象后桥对应的整车变速器参数，得知变速器第1 档的速比值： 1 12 3 9 6 7 ( 4 ) 轮胎的滚动半径r 。 轮胎的滚动半径决定轮胎的周长，是整车车速计算的一个参数。同时，轮胎半径的 工程硕士学位论文 大小也是轮胎面受力力臂的长短，在半轴传递一定大小的扭矩时，半径的大小，决定其 克服轮胎摩擦力的能力，对进行整车的打滑校核有决定作用。 经查询本研究对象后桥对应车型的轮胎，得知滚动半径： r d = 0 3 7 8 m ( 5 ) 后桥总成的质量m ， 后桥总成是整车的一个部件，其重量的大小直接影响整车重量，而且后桥作为簧下 质量部分，作用和影响效果更加明显。本次轻量化研究的目的就是减轻后桥总成的重量， 因此后桥重量的变化是轻量化效果的一个最直观的反应。 经称重，轻量化前不含手刹拉索总成的后桥重量为： m ，= 9 9 3 5 堙 ( 6 ) 减速器总成齿轮速比f 。 减速器总成齿轮速比一般简称为主减速比，通常用f 。表示，它由主动齿轮z 。和从动 齿轮的齿数z ：决定。本课题研究的后桥主动齿轮齿数z ，= 8 个，从动齿轮齿数z ：= 3 9 个， 因此齿轮速比： f 。3 2 2 z l2 4 8 7 5 ( 7 ) 减速器总成最大输入扭矩m ，一 减速器总成最大输入扭矩，是指减速器齿轮副在工作过程中所传递的最大扭矩值， 一般用m ，一表示。 其取值方法为： a 计算发动机最大扭矩与变速箱第1 档速比之积，即： m “= m 。一。1 1 2 7 3 8 n m b 计算轮胎的最大摩擦力，按公式m 卿= f ，g ，g 妒r d 屯计算，带入参数值： m p p = ( g r g ( p r d ) i o = 9 5 3 2n m c 根据上面计算的结果取二者的小值，即： m t 一= m i n ( m i m p p ) = 7 3 8 n m ( 8 ) 总成静扭试验最小计算扭矩值m ， m p = 1 3 8 6 n m ( 9 ) 半轴静扭试验计算扭矩值 缸半轴 m p 、羊瓶2 2 1 5 8n m ( 1 0 ) 常数值 本次设计计算过程中，要用到的常数值主要有轮胎与地面的摩擦系数妒，地球重力 加速度g 等。 1 9 整体式驱动车桥的轻量化设计与