汽车驱动桥的设计.docx

汽车驱动桥设计汽车驱动桥的设计摘要：汽车作为一种地面交通运输工具，其行驶系统的主要功用是：（1）支承汽车的总质量；（2）接受由发动机经传动系统传来的转矩，并通过驱动轮与地面之间的附着作用，产生驱动力，以保证整车正常行驶；（3）传递并支承路面作用于车轮上的各种反力及其所形成的力矩；（4）尽可能地缓和不平路面对车身造成的冲击和振动，保证汽车平顺行驶。 汽车(轮式汽车)行驶系统一般由车架、车桥、车轮和悬架等部分组成(见下图)。车轮4和5分别支承着车桥3和6，车桥又通过弹性悬架2和7与车架1相连接。 而驱动桥处于动力传动系的末端。将万向传动装置输入的动力经降速增扭后，改变传动方向，然后分配给左右驱动轮，且允许左右驱动轮以不同转速旋转。增大由传动轴或变速器传来的转矩，并将动力合理地分配给左、右驱动轮；承受作用于路面和车架或车身之间的垂直力、纵向力和横向力。如图：一、 绪论1、引言驱动桥处于动力传动系的末端。其功用是将万向传动装置传来的发动机转矩传递给驱动车轮，是汽车传动系中减小转速、增大扭矩的主要部件。汽车正常行驶时，发动机的转速通常在200至3000r/min左右，如果将这么高的转速只靠变速箱来降低下来，那么变速箱内齿轮副的传动比则需要很大，齿轮的半径也相应加大，也就是说变速箱的尺寸会加大。另外，转速下降，扭矩必然增加，也加大了变速箱与变速箱后一级传动机构的传动负荷。而驱动桥的减速器和差速器正是起到了减速和驱动分流的作用。这样可以使主减速器前面的传动部件，如变速箱、分动器、万向传动装置等传递的扭矩减小，同时也减小了变速箱的尺寸和质量，而且操控灵敏省力。同时有保证了车辆的直线和弯道行走。2、国内的驱动桥发展趋势改革开放以来，中国的汽车工业得到了长足发展，尤其是加入WTO以后，我国的汽车市场对外开发，汽车工业逐渐成为世界汽车整体市场的一个重要组成部分。同样，驱动桥也随着整车的发展不断成长和成熟起来。随着高速公路网状况的改善和国家环保法规的完善，环保、舒适、快捷成为客车和货车市场的主旋律。对整车主要总成之一的驱动桥而言，小速比、大扭矩、传动效率高、成本低逐渐成为客车和货车驱动桥技术的发展趋势。随着我国汽车工业的高速发展,作为汽车主要零部件之一的车桥系统也得到相应的发展。各车桥生产厂家为了能在激烈的车桥产品市场中占有一定的份额,纷纷推出承载能力强、技术含量高、质量好的车桥总成。现状：在产品设计开发上，CAD、CAE、C胡等计算机应用技术，以及AUT优AD、UG16、CATIA、PR于E等设计软件先后应用于主减速器的结构设计和齿轮加工中，有限元分析、数模建立、虚拟试验分析等也被采用;齿轮设计也初步实现了计算机编程的电算化。新一代驱动桥设计开发的突出特点是:不仅在产品性能参数上进一步进设计上完全遵从模块化设计原则，产品配套实现车型的平台化，造型和结构更加合理，更宜于组织批量生产，更适应现代工业不断发展，更能应对频繁的车型换代和产品系列化的特点，这些都对基础件产品提出愈来愈高的配套要求，需要在产品设计上不断地进行二次开发和持续改进，以满足快速多变的市场需求。与国外相比，我国的驱动桥开发设计不论在技术上、制造工艺上，还是在成本控制上都存在不小的差距，尤其是齿轮制造技术缺乏独立开发与创新能力，技术手段落后(国外己实现计算机编程化、电算化)。目前比较突出的问题是，行业整体新产品开发能力弱、工艺创新及管理水平低，企业管理方式较为粗放，相当比例的产品仍为中低档次，缺乏有国际影响力的产品品牌，行业整体散乱情况依然严重。这需要我们加快技术创新、技术进步的步伐，提高管理水平，加快与国际先进水平接轨，开发设计适应中国国情的高档车用驱动桥总成，由仿制到创新，早日缩小并消除与世界先进水平的差距。近几年来，国内汽车生产厂家，如重汽集团、福田汽车、江淮汽车等通过与国外卡车巨头，如沃尔沃、通用、五十铃、现代、奔驰、雷诺等进行合资合作，在车桥减速器的开发上取得了显著的进步。目前，上汽集团、东风、一汽、北汽等各大汽车集团也正在开展合作项目，希望早日实与世界先进技术的接轨，争取设计开发的新突破。一汽解放的驱动桥发展方向：（1）驱动桥向重载方向发展 随着我国基础设施建设投资的不断加大以及水电、矿业、油田、公路、城市交通运输和环保工程建设等项目的增加,加大了重型车的需要,为重型车的发展创造了广阔的市场空间。重型汽车近年来生产总量直线上升,2001年全国重型汽车比上年同期增长91.67%,2002年为60.97%,2003年为3.22%,重型汽车的用车环境及其它各项指标发生了很多的变化,标载吨位不断向大的方向发展,多轴车上升明显。我国汽车工业“十五”规划指出,载货车要重点发展适应高速公路需要的(排量9L以上,输出功率220kW以上)重型车,主要为大功率牵引车及其它大型化、长途化、高速化、专用化等重型专用车。各汽车生产厂家为了实现汽车的高吨位,对车辆的行驶系进行了加强,通过采用多轴行驶系或空气悬架结构,满足车辆的轴荷限值和提高行驶平顺性。针对重型车的发展,为了不断满足重型车的需要,车桥也必须向着重载、高速的方向发展。许多车桥专业生产厂也针对重型车发展的趋势,通过加强桥壳、强化传动齿轮等方式,纷纷推出重吨位的前/后桥总成,最大载重量达26吨。（2）驱动桥向多联驱动桥发展 为了规范道路车辆的制造,为治理超限超载提供技术上的准则,由国家发改委、交通部、公安部共同提出的强制性标准GB1589-2004道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值于2004年4月28日发布,该标准对汽车车桥的载荷进行了明确规定:单轴挂车轴荷的最大限值每侧单胎为6000kg,每侧双胎为10000kg,并装双轴挂车轴荷的最大限值为20000kg,并装三轴挂车轴荷的最大限值为24000kg。这样,为了实现车辆多拉快跑又不违反国家法规,各汽车生产厂家在6X4、8X4等多轴车的基础上推出了10X6以上的多轴重型车。但这些多轴车都是在双联驱动桥的基础上增加浮动桥而成,虽然其称10X6,但实际起驱动作用的只有两个驱动桥,这样,由于驱动桥不能对车轮进行合理的扭矩分配,使得增加浮动桥后的整车行驶系没有很好地发挥车桥驱动的作用。为了能合理地分配扭矩,以满足某些独立悬挂多轴驱动车型的使用,一些车桥生产厂家自主研发了三联驱动桥,三联驱动桥的扭矩分配原理是:每一个驱动桥都可以得到从发动机传出的扭矩的1/3。这样就可以在很大限度上满足多轴车的需要,合理分配从发动机传到车轮上的扭矩,提高这类车型的可靠性和安全性,并为以后的四联、五联驱动桥打下科学基础。（3）增加驱动桥附件的技术含量 据分析,不管重型车的技术含量提升得多快,在未来1015年内大多数重型车的车桥和悬架结构不会有明显的改变,传统的结构和型式仍处于主导地位。那怎样在相同结构的基础上推出各自车桥的亮点呢?这是每一个专业厂必须不断研究的问题。以前,各厂家主要是在载重吨位上进行竞争,但在国家法规的限定下,车桥的载重能力不可能有太多的增加,现在各专业厂采用最多的方法是:不断增加车桥及其附件的技术含量,从桥壳的制造工艺、车桥的减速形式、车轮的制动方式等方面入手,通过吸收国外一些先进的技术,推出具有本企业特色、结构先进、承载能力强的车桥,不断提升产品的制造质量及服务质量。二、 驱动桥结构分析1、驱动桥组成驱动桥壳是主减速器、差速器等传动装置的安装基础。 主减速器降低转速、增加扭矩、改变扭矩的传递方向。 差速器使两侧车轮不等速旋转，以适应不同路面。 半轴将扭矩从差速器传给车轮。驱动桥的组成2、驱动桥分类：（1）非断开式驱动桥(或称为整体式)，即驱动桥壳是一根连接左右驱动车轮的刚性空心梁(见下图)，而主减速器、差速器及车轮传动装置(由左右半轴组成)都装在它里面。特点及应用：结构简单、制造工艺好、成本低、工作可靠、维修调整容易，但整个驱动桥均属于簧下质量，对汽车平顺性和降低动载荷不利。广泛应用于各种载货汽车、客车及多数的越野汽车和部分小轿车上。（2）断开式驱动桥无刚性的整体外壳，主减速器及其壳体装在车架或车身上，两侧驱动车轮装置采用万向节传动。为了防止运动干涉，应采用滑动花键轴或一种允许两轴能有适量轴向移动的万向传动机构。特点及应用：结构复杂，成本较高，但它大大增加了离地间隙；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；汽车在行驶时作用于车轮和车桥上的动载荷小，提高了零部件的使用寿命；驱动车轮与地面的接触情况及对各种地形的适应性较好，大大增加了车轮的抗侧滑能力；合理设计的独立悬架导向机构，可增加汽车的不足转向效应，提高汽车的操纵稳定性。 在轿车和高通过性的越野汽车上应用相当广泛。3、主减速器结构：（1）功用：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。 （2）分类： 按参加减速的齿轮数目：单级主减速器、双级主减速器 按主减速器主传动比档数分：单速式、双速式按齿轮副结构形式分:有圆柱齿轮式、圆锥齿轮式和准双曲面齿轮式。主减速器单级主减速器（3）主动锥齿轮的支承型式 跨置式： 主动锥齿轮前后方均有轴承支承，支承刚度较大。 悬臂式： 主动锥齿轮只在前方有支承，后方没有，支承刚度较差。（4）主减速器的调整装置 轴承预紧度的调整 调整目的：提高支承刚度 调整装置：调整垫片、波形套（主动锥齿轮） 调整螺母、调整垫片（从动锥齿轮）（5）锥齿轮的齿形分类：螺旋锥齿轮、等高齿锥齿轮、双曲面锥齿轮 （6）双曲面锥齿轮 特点： 主从动锥齿轮轴线不相交，主动锥齿轮轴线低于或高于从动锥齿轮。 优点： 同时啮合齿数多，传动平稳，强度大。 缺点： 啮合齿面的相对滑动速度大， 齿面压力大，齿面油膜易被破坏。应采用专用含防刮伤添加剂的双曲面齿轮油。（7）轴线偏移的作用 在驱动桥离地间隙h不变的情况下，可以降低主动锥齿轮的轴线位置，从而使整车车身及重心降低。二级减速器4、差速器结构（1）作用：在两输出轴间分配转矩，并保证两输出轴有可能以不同角速度转动。使左右车轮可以不同的车速进行纯滚动或直线行驶。 （2）分类：按结构特征可分为：齿轮式、凸轮式、蜗轮式和牙嵌自由轮式等。行星锥齿轮差速器滑块凸轮式差速器蜗轮式差速器牙嵌式自由轮差速器5、半轴装在驱动桥壳中的实心圆轴。 （1）全浮式半轴支承 ：受扭矩，不受弯矩。 （2）半浮式半轴支承 ：受扭矩，外端受弯矩。5、桥壳（1）功用：用来安装主减速器、差速器、半轴、轮毂等部件的基础体（2）类型：整体式桥壳、分段式桥壳三、 驱动桥结构设计1、驱动桥设计基本要求（1）所选择的主减速比应能保证汽车具有最佳的动力性和燃料经济性。（2）外形尺寸要小，保证有必要的离地间隙。（3）齿轮及其它传动件工作平稳，噪声小。（4）在各种转速和载荷下具有高的传动效率。（5）在保证足够的强度、刚度条件下，应力求质量小，尤其是簧下质量应尽量小，以改善汽车平顺性。（6）与悬架导向机构运动协调，对于转向驱动桥，还应与转向机构运动相协调。（7）结构简单，加工工艺好，制造容易，拆装、调整方便。2、驱动桥的结构方案的确定根据汽车类型、载重、运行环境，结合驱动桥结构的优缺点确定所要选择驱动桥的类型：非断开式驱动桥或是断开式驱动桥3、主减速器设计（1）主减速器结构方案分析主减速器的结构形式主要是根据齿轮类型、减速形式的不同而不同。 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。减速形式可分为单级减速、双级减速、双速减速、单双级贯通、单双级减速配以轮边减速等。1）螺旋锥齿轮传动螺旋锥齿轮传动的主、从动齿轮轴线垂直相交于一点，齿轮并不同时在全长上啮合，而是逐渐从一端连接平稳地转向另一端。另外，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，所以它工作平稳、能承受较大的负荷、制造也简单。 但是,工作中噪声大，对啮合精度很敏感，齿轮副锥顶稍有不吻合便会使工作条件急剧变坏，并伴随磨损增大和噪声增大。为保证齿轮副的正确啮合，必须将支承轴承预紧，提高支承刚度，增大壳体刚度。2）双曲面齿轮传动双曲面齿轮传动的主、从动齿轮的轴线相互垂直而不相交，主动齿轮轴线相对从动齿轮轴线在空间偏移一距离E,此距离称为偏移距。由于偏移距E的存在，使主动齿轮螺旋角1大于从动齿轮螺旋角2。螺旋角是指在锥齿轮节锥表面展开图上的任意一点A的切线TT与该点和节锥顶点连线之间的夹角。在齿面宽中点处的螺旋角称为中点螺旋角。通常不特殊说明，则螺旋角系指中点螺旋角。双曲面齿轮传动优点：在工作过程中，双曲面齿轮副不仅存在沿齿高方向的侧向滑动，而且还有沿齿长方向的纵向滑动。纵向滑动可改善齿轮的磨合过程，使其具有更高的运转平稳性。由于存在偏移距，双曲面齿轮副使其主动齿轮的1大于从动齿轮的2，这样同时啮合的齿数较多，重合度较大，不仅提高了传动平稳性，而且使齿轮的弯曲强度提高约30%。双曲面齿轮传动的主动齿轮直径及螺旋角都较大，所以相啮合轮齿的当量曲率半径较相应的螺旋锥齿轮为大，使齿面的接触强度提高。双曲面主动齿轮的1变大，则不产生根切的最小齿数可减少，故可选用较少的齿数，有利于增加传动比。 双曲面齿轮传动的主动齿轮较大，加工时所需刀盘刀顶距较大，因而切削刃寿命较长。 双曲面主动齿轮轴布置从动齿轮中心上方，便于实现多轴驱动桥的贯通，增大传动轴的离地高度。布置在从动齿轮中心下方可降低万向传动轴的高度，有利于降低轿车车身高度，并可减小车身地板中部凸起通道的高度。双曲面齿轮传动缺点：沿齿长的纵向滑动会使摩擦损失增加，降低传动效率。双曲面齿轮副传动效率约为96%，螺旋锥齿轮副的传动效率约为99%。齿面间大的压力和摩擦功，可能导致油膜破坏和齿面烧结咬死，即抗胶合能力较低。双曲面主动齿轮具有较大的轴向力，使其轴承负荷增大。双曲面齿轮传动必须采用可改善油膜强度和防刮添加剂的特种润滑油，螺旋锥齿轮传动用普通润滑油即可。3）圆柱齿轮传动 圆柱齿轮传动一般采用斜齿轮，广泛应用于发动机横置且前置前驱动的轿车驱动桥（见下图）和双级主减速器贯通式驱动桥。4）蜗杆传动优点：在轮廓尺寸和结构质量较小的情况下，可得到较大的传动比（可大于7）。在任何转速下使用均能工作得非常平稳且无噪声。便于汽车的总布置及贯通式多桥驱动的布置。能传递大的载荷，使用寿命长。结构简单，拆装方便，调整容易。缺点：蜗轮齿圈要求用高质量的锡青铜制作，故成本较高；传动效率较低。蜗杆传动主要用于生产批量不大的个别重型多桥驱动汽车和具有高转速发动机的大客车上。5）方案选择：当要求传动比大于4.5而轮廓尺寸又有限时，采用双曲面齿轮传动更合理。因为如果保持主动齿轮轴径不变，则双曲面从动齿轮直径比螺旋齿轮小。当传动比小于2时，双曲面主动齿轮相对螺旋锥齿轮主动齿轮显得过大，占据了过多空间，这时可选用螺旋锥齿轮传动，因为螺旋锥齿轮传动具有较大的差速器可利用空间。对于中等传动比，两种齿轮传动均可采用。（2）主减速器减速形式1）单级主减速器由一对圆锥齿轮、一对圆柱齿轮或由蜗轮杆组成，具有结构简单、质量小、成本低、使用简单等优点。但是其主传动比i0不能太大，一般i07，进一步提高i0将增大从动齿轮直径，从而减小离地间隙，且使从动齿轮热处理困难。单级主减速器广泛应用于轿车和轻、中型货车的驱动桥中。1）双级主减速器与单级主减速器相比，在保证离地间隙相同时可得到大的传动比，i0=712但是尺寸、质量均较大，成本较高。主要应用于中、重型货车、越野车和大客车上。整体式双级主减速器结构方案：第一级为锥齿轮，第二级为圆柱齿轮；第一级为锥齿轮，第二级为行星齿轮；第一级为行星齿轮，第二级为锥齿轮；第一级为圆柱齿轮，第二级为锥齿轮。对于第二级为锥齿轮、第二级为圆柱齿轮的双级主减速器，纵向水平、斜向和垂向三种布置方案。总成的垂直方向轮廓尺寸减小，从而降低汽车的质心高度，但使纵向尺寸增加，用在长轴距汽车上可适当减小传动轴长度，但不利于短轴距汽车的总布置，会使传动轴过短，导致万向传动轴夹角加大。垂直布置使驱动桥纵向尺寸减小，可减小万向传动轴夹角，但由于主减速器壳固定在桥壳的上方，不仅使垂向轮廓尺寸增大，而且降低了桥壳刚度，不利于齿轮工作。这种布置可便于贯通式驱动桥的布置。斜向布置对传动轴布置和提高桥壳刚度有利。3、主减速器主、从动锥齿轮的支承方案主动锥齿轮的支承: 悬臂式支承 跨置式支承（1） 悬臂式：支承距离b应大于2.5倍的悬臂长度a，且应比齿轮节圆直径的70%还大。靠近齿轮的轴径应不小于尺寸a。 结构简单，支承刚度较差，用于传递转矩较小的轿车、轻型货车的单级主减速器及许多双级主减速器中。（2） 跨置式：优点：增加支承刚度，减小轴承负荷，改善齿轮啮合条件，增加承载能力，布置紧凑。缺点：主减速器壳体结构复杂，加工成本提高。 应用：在需要传递较大转矩情况下，最好采用跨置式支承。 从动锥齿轮的支承：支承刚度与轴承的形式、支承间的距离及轴承之间的分布比例有关。为了增加支承刚度，减小尺 寸cd；为了增强支承稳定性，cd应不小于从动锥齿轮大端分度圆直径的70%；为了使载荷均匀分配，应尽量使尺寸c等于或大于尺寸d。辅助支承：限制从动锥齿轮因受轴向力作用而产生偏移。4、主减速器锥齿轮主要参数的选择主要参数：主、从动锥齿轮齿数z1和z2、从动锥齿轮大端分度圆直径D2和端面模数ms、主、从动锥齿轮齿面宽b1和b2、双曲面齿轮副的偏移距E、中点螺旋、法向压力角等。5、主减速器锥齿轮强度计算（1）计算载荷的确定格里森齿制锥齿轮计算载荷（从动锥齿轮）（2）主减速器锥齿轮的强度计算轮齿损坏形式主要有:弯曲疲劳折断、过载折断、齿面点蚀及剥落、齿面胶合、齿面磨损等。 须计算：单位齿长圆周力、轮齿弯曲强度、轮齿接触强度。6、主减速器锥齿轮轴承的载荷计算（1）锥齿轮齿面上的作用力锥齿轮啮合齿面上作用的法向力可分解为：沿齿轮切线方向的圆周力、 沿齿轮轴线方向的轴向力、垂直于齿轮轴线的径向力。7、锥齿轮的材料要求： （1）具有高的弯曲疲劳强度和表面接触疲劳强度，齿面具有高的硬度以保证有高的耐磨性。（2）轮齿芯部应有适当的韧性以适应冲击载荷，避免在冲击载荷下齿根折断。（3）锻造性能、切削加工性能及热处理性能良好，热处理后变形小或变形规律易控制。（4）选择合金材料时，尽量少用含镍、铬元素的材料，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目前常用渗碳合金钢制造，主要有20CrMnTi、20MnVB、20MnTiB、22CrNiMo和16SiMn2WmoV等。8、差速器设计作用：在两输出轴间分配转矩，并保证两输出轴有可能以不同角速度转动。按结构特征可分为：齿轮式、凸轮式、蜗轮式和牙嵌自由轮式等。（1）差速器结构形式选择对称锥齿轮式差速器：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。滑块凸轮式差速器凸轮式差速器的半轴转矩比kb可达2.3.33.00， 锁紧系数k达0.40.5。蜗轮式差速器半轴转矩比kb可高达5.679.00，锁紧系数k达0.70.8。 kb降到2.6543.00，k降到0.450.50时，可提高该差速器的使用寿命。 嵌式自由轮差速器半轴转矩比kb是可变的，最大可为无穷大。（2）普通锥齿轮式差速器齿轮设计1）差速器齿轮主要参数选择行星齿轮数n 根据承载情况来选择。通常情况下， 轿车：n=2； 货车或越野车：n=4。行星齿轮球面半径Rb行星齿轮和半轴齿轮数z1、z2行星齿轮和半轴齿轮节锥角1、2及模数m 压力角行星齿轮轴直径d及支承长度L2）差速器齿轮强度计算（3）粘性联轴器结构及在汽车上的布置1）粘性联轴器结构和工作原理依靠硅油的粘性阻力来传递动力,所能传递的转矩与联轴器的结构、硅油粘度及输入轴、输出轴的转速差有关。2）粘性联轴器在车上的布置作为轴间差速器限动装置的简图9、车轮传动装置设计基本功用：接受从差速器传来的转矩并将其传给车轮。（1）结构形式分析根据其车轮端的支承方式分为：半浮式、3/4浮式和全浮式。半浮式半轴：除传递转矩外，其外端还承受由路面对车轮的反力所引起的全部力和力矩。 结构简单，所受载荷较大，只适用于轿车和轻型货车及轻型客车。3/4浮式半轴：半轴外端仅有一个轴承，装于驱动桥壳半轴套管的端部和轮毂上，直接支撑着车轮轮毂，半轴端部凸缘与轮毂用螺栓连接。半轴承受的载荷和半浮式相似，但有所减轻。一般仅用于轿车和轻型货车上。全浮式半轴： 半轴端部凸缘与轮毂用螺栓连接，轮毂用两个圆锥滚子轴承支承在驱动桥壳半轴套管。半轴只承受转矩，作用于驱动轮上的其它反力和弯矩全由桥壳来承受。主要用于中、重型货车上。（2）半轴计算（3）半轴可靠性设计（4）半轴的结构设计1）初选 2）半轴的杆部直径应小于或等于半轴花键的底径。3）半轴在结构设计时应尽量增大各过渡部分的圆角半径，以减小应力集中。4）对于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它传力零件的强度储备，使半轴起一个“熔丝”的作用。半浮式半轴直接安装车轮，应视为保安件。10、驱动桥壳设计计设计要求：1）应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。 2）在保证强度和刚度的前提下，尽量减小质量以提高汽车行驶平顺性。 3）保证足够的离地间隙。 4）结构工艺性好，成本低。 5）保护装于其上的传动系部件和防止泥水浸入。 6）拆装、调整、维修方便。 （1）驱动桥壳结构