江淮帅铃货车驱动桥设计

目 录摘 要1关键词11 前言 11.1 课题背景及目的 11.2 研究现状及发展趋势21.3 课题研究方法21.4 论文研究内容32 驱动桥总体设计 32.1 设计目标32.2 驱动桥的结构方案43 主减速器的设计 53.1 主减速器的结构形式的选择53.1.1 主减速器的减速形式53.1.2主减速器的齿轮类型63.1.3 主减速器锥齿轮的支撑形式及安置方法63.2 主减速器的基本参数选择与设计计算73.2.1 主减速齿轮计算载荷的确定73.2.2 主减速器齿轮基本参数的选择93.3 螺旋锥齿轮的几何尺寸计算103.4 主减速器螺旋锥齿轮的强度计算123.4.1 单位齿长上的圆周力123.4.2 轮齿的弯曲强度计算133.4.3 轮齿的接触强度计算143.5 主减速器锥齿轮轴承的载荷计算153.5.1 锥齿轮齿面上的作用力153.5.2 锥齿轮的轴向力和径向力163.5.3 锥齿轮轴承的载荷173.6 主减速器齿轮的材料及热处理203.7 主减速器的润滑214 差速器设计与计算224.1 差速器类型的选择224.2 差速器齿轮的基本参素数选择234.2.1 行星齿轮数目的选择234.2.2 行星齿轮球面半径的确定234.2.3 行星齿轮与半轴齿轮齿数的选择234.2.4 差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定244.2.5 压力角244.2.6 行星齿轮安装孔直径及其深度的确定254.3 差速器齿轮的几何参数计算254.4 差速器齿轮与强度计算275 半轴的设计275.1 半轴的形式275.2 半轴的设计与计算275.2.1 全浮式半轴计算载荷的确定275.2.2 全浮式半轴杆部直径的初选和确定275.3 半轴的强度验算285.3.1 全浮式半轴扭转应力285.3.2 半轴花键的剪切应力285.3.3 半轴花键的挤压应力296 驱动桥壳设计297 结论29参考文献30致谢31江淮帅铃货车驱动桥的设计 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；同时驱动桥还要承受作用于路面和车架或承载式车身之间的力和力矩。汽车车桥的结构型式和设计参数除对汽车的可靠性与耐久性有重要影响外，也对汽车的行驶性能如动力性、经济性、平顺性、通过性、机动性和操作稳定性等有直接影响。本文按照给定的车型参数要求进行了货车驱动桥的设计。驱动桥主要由以下四部分组成：主减速器、差速器、驱动车轮的传动装置和桥壳。本文首先确定了主要部件的结构型式和主要设计参数，然后参考类似驱动桥的结构，确定出总体设计方案并对驱动桥各个部分进行了设计计算和强度校核。关键词：货车驱动桥，单级主减速器，差速器 Design of Driving Axle for Jianghuai Shuailing Freight CarAbstractThe driving axle of a vehicle is located at the end of the transmission system. Its basic function is to increase the torque transmitted by the transmission shaft or directly by the transmission, and distribute the torque to the left and right driving wheels. At the same time, the driving axle also bears the force and moment acting on the road surface and the frame or the load-bearing body. The structural type and design parameters of automobile axle not only have an important impact on the reliability and durability of automobile, but also have a direct impact on the driving performance of automobile, such as power, economy, ride comfort, trafficability, maneuverability and operation stability.This paper designs the driving axle of freight car according to the given parameters. The driving axle is mainly composed of the following four parts: the main reducer, the differential, the driving device for driving wheels and the axle housing. Firstly, the structure type and main design parameters of the main components are determined. Then, referring to the structure of similar driving axle, the overall design scheme is determined, and the design calculation and strength check of each part of the driving axle are carried out.Key words: Truck drive axle, single stage main reducer, differential1 前言1.1 课题背景及目的现在中国汽车工业已成为世界汽车工业的重要组成部分。改革开放20年来，与国际上各大汽车及零部件制造商相继建立了600余家中外合资企业，积累了资本200多亿美元；引进了1000多项汽车技术，绝大部分都与国外处于同等水平；2002年，汽车进出口贸易总额达100亿美元，占世界汽车市场的1/20的份额。2010年我国汽车产量的目标是600万辆，占世界汽车市场的1/10；若按5%的增长率计算，2020年我国的汽车产量将达到1000万辆，将占世界汽车市场的1/5，中国的汽车工业将由生产大国走向强国。同时，不可否认的是，国内汽车产业的现状离产业政策的目标还有相当的距离。自1994年汽车工业产业政策颁布并执行以来，国内汽车产业结构有了显著变化，企业规模效益有了明显改善，产业集中度有了一定程度提高。但是，长期以来困扰中国汽车产业发展的散、乱和低水平重复建设问题，还没有从根本上得到解决。多数企业家预计，在新的汽车产业政策的鼓励下，将会有越来越多的汽车生产企业按照市场规律组成企业联盟，实现优势互补和资源共享。中国要发展自己的汽车工业，成为世界汽车制造强国，不仅要引进发达国家的产品和设备等先进技术还要加强技术引进后的消化吸收和二次开发，通过不断地学习和积累，尽快掌握汽车设计开发技术和工艺装备制造技术，以及先进的管理经验，从而形成自主的技术开发能力，实现我国汽车工业持续、稳定地自主发展。1.2 研究现状和发展趋势汽车驱动桥是汽车的重要总成，驱动桥设计是汽车设计的重要组成部分之一。目前国内外驱动桥设计出现了一下一些变化：1、主要部件和功能向驱动桥的中部集中有些厂家开始把主减速器, 制动器和行星减速机构等集合在桥的中部, 但其优点尚待考证。2、桥壳采用球墨铸铁, 以提高整桥外观质量 桥壳采用球墨铸铁, 加工成本低, 其铸造及加工后的外观质量均比现在大多采用的铸钢桥有了很大的提高。3、适应特种要求的多功能驱动桥为适应主机产品的特殊要求, 驱动桥产品供应厂家设法在桥上增加引进了一些特殊功能：自动充气功能、超载报警功能、增添转向油缸功能等, 增加了驱动桥产品的适应性。1.3 课题研究方法 本设计的驱动桥在结构上比较特殊，所以首先我会通过到汽修厂或者4S店找到自己想要设计的驱动桥结构，其次我会通过上网查阅资料和利用图书馆的图书资源来进行一些数据的计算，在设计过程中有不懂的也会请教指导老师，在老师的指导下完成本次的设计。1.4 论文研究内容研究内容：国内外载货汽车驱动桥的研究资料论述、驱动桥结构方案选择、主减速器设计计算、差速器设计计算、半轴设计计算、驱动桥壳的选择。本设计帅铃车型参数如下：整车整备质量(kg) 2.8t额定载重量(kg) 1.5t发动机型号 江淮动力HFC4DE1-1D排量（L） 2.75功率(kw/rpm) 112/2800扭矩(N.m/rpm) 355/1600-2800轮胎型号 7.50R162 驱动桥总体设计2.1 设计目标驱动桥是汽车传动系的主要组成部分。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的铅垂力、纵向力和横向力。它要保证当变速器处于最高挡时，在良好的路面上有足够的牵引力以克服行驶阻力和获得汽车最大的速度，这主要取决于驱动桥的传动比。虽然在汽车的整体设计时，从整车性能出发决定驱动桥的传动比，但是用什么形式的驱动桥、什么结构的主减速器和差速器等在驱动桥设计中要具体考虑。决大多数的发动机在汽车上是纵置的，为了使扭矩传给车轮，驱动桥必须改变扭矩的方向，同时根据车辆的具体要求解决左右扭矩的分配。整体式驱动桥一方面需要承担汽车的载荷；另一方面车轮上的作用力以及传递扭矩所产生的作用力矩都要由驱动桥承担，所以驱动桥的零件必须具有足够的强度和刚度，以保证机件的可靠工作。驱动桥还必须满足通过性和平顺性的要求。在一般的汽车结构中，驱动桥包括主减速器、差速器、驱动车轮的传动装置和桥壳等组成。它们应具有足够的强度和寿命、良好的工艺、合适的材料和热处理等。对零件应进行良好的润滑并减少系统的振动和噪音等1。 驱动桥的结构型式虽然可以各不相同，但在使用中对它们的基本要求却是一致的，其基本要求可以归纳为：（1） 所选择的主减速比能满足车在给定使用条件下有最佳动力性和燃油经济性。（2） 差速器在保证左、右驱动车轮能以汽车运动学所要求的差速滚动外并能将转矩平稳而连续不断（无脉动）地传递给左、右驱动车轮。（3） 当左右驱动车轮与地面的附着系数不同时，应能充分利用汽车的牵引力。（4） 能承受和传递路面和车架式车厢的铅垂力、纵向力和横向力以及驱动时的反作用力矩和制动时的制动力矩。（5） 驱动桥各零部件在保证其强度、刚度、可靠性及寿命的前提下应力求减小簧下质量，以减小不平路面对驱动桥的冲击载荷，从而改善汽车的平顺性。（6） 轮廓尺寸不大以便于汽车的总体布并与所要求的驱动桥离地间隙相适应。（7） 齿轮与其他传动机件工作平稳，无噪声。（8） 驱动桥总成及零部件的设计应能满足零件的标准化，部件的通用化和产品的系列化及汽车变型的要求。2.2 驱动桥的结构方案 驱动桥分为非断开式和断开式两种。本文重点讨论的是采用非独立悬架的非断开式驱动桥。这种驱动桥的示意图见图2.2。图2.2 非断开式驱动桥示意图非断开式驱动桥按总体布置型式又可分为以下两种：1 普通非断开式驱动桥普通非断开式驱动桥，由于结构简单、造价低廉、工作可靠，广泛应用在各种载货汽车、客车和公共汽车上，在多数的越野汽车和部分货车上也采用这种结构。它们的具体结构、特别是桥壳结构虽然各不相同，但是有一个共同特点，即桥壳是一根支承在左右驱动车轮上的刚性空心梁，主减速器、差速器及半轴等传动部件均安装在其中。这时整个驱动桥均属于簧下质量，桥壳经纵置钢板弹簧与车架或车厢相联。图2.3 普通非断开式驱动桥2 带有摆动半轴的非断开式驱动桥又称de Dion桥，其特点是主减速器与差速器总成悬置于车架横梁或车箱底梁上，使驱动桥的簧下质量显著减少；摆动半轴各由一对万向节和带有滚柱或钢球的伸缩花键幅组成，以适应车轮上、下跳动；而左、右轮毂则由一管式横梁联成一体，虽仍为非独立悬架驱动桥，但其结构特点使汽车的行使平顺性显著提高，车轮的接地性、汽车的行使稳定性也得到改善。但其结构复杂、造价高，还有主减速器装在车体上引起的隔音、振动问题。故这种结构只用于赛车及部分高级货车上16。图2.4 带有摆动半轴的非断开式驱动桥（de Dion式驱动桥）1-主减速器及差速器总成；2-管式横梁；3-摆动式半轴；4-花键式滑动联轴节及其护套；5-支架驱动桥壳内装有润滑油, 以润滑主传动齿轮、差速器齿轮和轴承。润滑型式是飞溅润滑。当主动齿轮支撑在一对圆锥滚柱轴承上时, 由于润滑油必须从轴承滚柱小头流入大头, 因此在壳体上应有通入两轴承之间的油道。3 主减速器的设计3.1 主减速器的结构形式的选择3.1.1 主减速器的减速形式单级主减速器：由于单级主减速器具有结构简单、质量小、尺寸紧凑及制造成本低廉的优点，广泛用在主减速比i040符合要求。 （2）节圆直径和端面模数的选择。可根据文献1推荐的从动锥齿轮的计算转矩中取较小值按经验公式选出： （6） =（13.016.0）=（239.09294.27）式中：d2从动锥齿轮的节圆直径，mm；Kd2直径系数，Kd2=13.016.0；Tc计算转矩，Nm; 6221 Nm初选=260 则齿轮端面模数=/=260/35=7.43=357.43=260.05 （3）齿面宽的选择。汽车主减速器螺旋锥齿轮的从动齿轮齿面宽B(mm)推荐为10：B=0.155d2 （7） =0.155260.538.09mm 式中：d2从动齿轮节圆直径，260.05mm。 小锥齿轮的齿面宽一般要比大锥齿轮的大10%,故取41.90mm。 该车取下偏移主动齿轮为左旋，从动齿轮为右旋。 （3）齿轮法向压力角的选择。格里森制规定货车主减速器螺旋锥齿轮选用1430，或16的法向压力角；载货汽车和重型汽车则应分别选用20、2230的法向压力角。该货车取齿轮法向压力角为203.3 螺旋锥齿轮的几何尺寸计算表1 主减速器螺旋锥齿轮的几何尺寸参数表5Table1 Geometric dimensions for double gear final drive parameter table序 号项 目符号数值1主动齿轮齿数82从动齿轮齿数353端面模数7.43 mm4主动齿轮齿面宽41.90 mm5从动齿轮齿面宽38.09 mm6主动齿轮节圆直径59.43 mm7从动齿轮节圆直径260.05mm续表1序 号项 目符号数值8主动齿轮节锥角12.889从动齿轮节锥角77.1210节锥距 133.31mm11 偏移距30mm12主动齿轮中点螺旋角 45.8413从动齿轮中点螺旋角34.2314平均螺旋角40.0415刀盘名义半径114.30mm16从动齿轮齿顶角1.1217从动齿轮齿根角6.3418主动齿轮齿顶高7.26mm19从动齿轮齿顶高1.77 mm20主动齿轮齿根高5.75mm21从动齿轮齿根高 11.84mm22螺旋角3523径向间隙 1.51mm24从动齿轮的齿工作高11.5mm25主动齿轮的面锥角18.81 26从动齿轮的面锥角78.2427主动齿轮的根锥角11.523.4 主减速器螺旋锥齿轮的强度计算3.4.1 单位齿长上的圆周力 （8）式中：p单位齿长上的圆角力，Nmm；P作用在齿轮上的圆周力，N，按发动机最大转矩Teamx和最大附着力矩两种载荷工况进行计算；F从动齿轮的齿面宽，mm。按发动机最大转矩计算时： （9）第一挡：135 N/ 210 N/直接档：=479 N/ 700 N/式中：Temax发动机最大转矩，Nm；ig变速器传动比，常取1档及直接档进行计算；档为4.3；直接档为d1主动齿轮节圆直径，59.43mm。F一从动齿轮的齿面宽，38.09mmn该车的驱动桥数目；该客车采用发动机后置后驱为分动器的转动比;按驱动轮打滑的转矩计算： (10)式中：则1150MPa1429MPa许用单位齿长上的圆周力如下表2 表2 许用单位齿长上的圆周 Table 2 Allwable gear units on long circular按发动机最大转矩计算按最大附着力矩计算档位1档2档直接档附着系数轿车8935363218930.85货车142925014290.85公共汽车9822140.85牵引汽车5362500.65目前，由于技术的进步，可在上述许用值的基础上增加10%25%，从上可知设计的齿轮符合要求。3.4.2 轮齿的弯曲强度计算汽车主减速器螺旋锥齿轮与螺旋锥齿轮轮齿的计算弯曲应力 (Nmm2)为： (11)按(Tje、Tjh)较小值校核主动齿轮的弯曲强度：=2027 2800N/从动齿轮的弯曲强度校核：=1109 1750N/式中：Tj齿轮的计算转矩，Nm，对于主动齿轮还需将上述计算转矩换算到主动齿轮上；K0一超载系数；取1Ks尺寸系数，反映材料性质的不均匀性，与齿轮尺寸及热处理等有关。当端面模数m1.6mm时，Ks=0.829；Km载荷分配系数，当两个齿轮均用骑马式支承型式时，Km1.001.10；当一个齿轮用骑马式支承时，Km1.101.25。支承刚度大时取小值；Km取1.1Kv质量系数，对于汽车驱动桥齿轮，当轮齿接触良好、周节及径向跳动精度高时，可取Kv1；F计算齿轮的齿面宽38.09mm；Z计算齿轮的齿数是8；m端面模数7.43mm；J计算弯曲应力的综合系数（或几何系数），它综合考虑了齿形系数、载荷作用点的位置、载荷在齿间的分布、有效齿面宽、应力集中系数及惯性系数等对弯曲应力计算的影响。参照图5=0.28图5 计算用弯曲综合系数Fig.5 Calculation of bending coefficient3.4.3 轮齿的接触强度计算圆锥齿轮与螺旋锥齿轮齿面的计算接触应力 (MPa)为： (12)按(Tje、Tjh)较小值校核轮齿的接触强度：=2027 MPa8时为HRC2945，当m58时，为1.01.4mm；m8时，为1.21.6mm。所以此设计中的渗碳层深度为1.0mm由于新齿轮润滑不良，为了防止齿轮在运行初期产生胶合、咬死或擦伤，防止早期磨损，圆锥齿轮与螺旋锥齿轮副(或仅大齿轮)在热处理及精加工(如磨齿或配对研磨)后均予以厚度为0.0050.0100.020mm的磷化处理或镀铜、镀锡。这种表面镀层不应用于补偿零件的公差尺寸，也不能代替润滑。对齿面进行喷丸处理有可能提高寿命达25%。对于滑动速度高的齿轮，为了提高其耐磨性可进行渗硫处理。渗硫处理时的温度低，故不会引起齿轮变形。渗硫后摩擦系数可显著降低，故即使润滑条件较差，也会防止齿轮咬死、胶合和擦伤等现象产生11。3.7 主减速器的润滑主减速器及差速器的齿轮、轴承以及其他摩擦表面均需润滑，其中尤其应注意主减速器主动锥齿轮的前轴承的润滑，因为其润堵不能靠润滑油的飞溅来实现。为此，通常是在从动齿轮的前端近主动齿轮处的主减速壳的内壁上设一专门的集油槽，将飞溅到壳体内壁上的部分润滑油收集起来再经过进油孔引至前轴承圆锥滚子的小端处，由于圆锥滚子在旋转时的泵油作用，使润滑油由圆锥浪子的小端通向大端，并经前轴承前端的回油孔流回驱动桥壳中间的油盆中，使润滑油得到循环。这样不但可使轴承得到良好的润滑、散热和清洗，而且可以保护前端的油封不被损坏。为了保证有足够的润滑油能流进差速器，有的采用专门的导油匙。为了防止因温度升高而使主减速器壳和桥壳内部压力增高所引起的谓油，应在主减速器壳上或桥壳上装置通气塞，后者应避开油溅所及之处。加油孔应设置在加油方便处，抽孔位置也决定了油面位置低处，但应考虑到汽车在通过障碍时放油塞不易被撞掉。4 差速器设计与计算根据汽车行驶运动学的要求和实际的车轮、道路以及它们之间的相互关系表明：汽车在行驶过程中左右车轮在同一时间内所滚过的行程往往是有差别的。例如，转弯时外侧车轮的行程总要比内侧的长。另外，即使汽车作直线行驶，也会由于左右车轮在同一时间内所滚过的路面垂向波形的不同，或由于左右车轮轮胎气压、轮胎负荷、胎面磨损程度的不同以及制造误差等因素引起左右车轮外径不同或滚动半径不相等而要求车轮行程不等。在左右车轮行程不等的情况下，如果采用一根整体的驱动车轮轴将动力传给左右车轮，则会由于左右驱动车轮的转速虽相等而行程却又不同的这一运动学上的矛盾，引起某一驱动车轮产生滑转或滑移。这不仅会使轮胎过早磨损、无益地消耗功率和燃料及使驱动车轮轴超载等，还会因为不能按所要求的瞬时中心转向而使操纵性变坏。此外，由于车轮与路面间尤其在转弯时有大的滑转或滑移，易使汽车在转向时失去抗侧滑能力而使稳定性变坏。为了消除由于左右车轮在运动学上的不协调而产生的这些弊病，汽车左右驱动轮间都装有差速器，后者保证了汽车驱动桥两侧车轮在行程不等时具有以不同速度旋转的特性，从而满足了汽车行驶运动学要求2。4.1 差速器类型的选择 1轴承; 2调整螺母; 3,7差速器壳; 4半轴齿轮垫片; 5半轴齿轮; 6行星齿轮; 8轴架; 9长轴; 10行星齿轮止推片; 11短轴图6 差速器零件图 Fig. 6 Differential gear parts本设计采用普通的对称式圆锥行星齿轮差速器。此种差速器由于其结构简单、工作平稳、制造方便、用在公路汽车上也很可靠等优点，最广泛地用在货车、客车和各种公路用载货汽车上有些越野汽车也采用了这种结构普通的对称式圆锥行星齿轮差速器由差速器左、右壳，2个半轴齿轮，4个行星齿轮(少数汽车采用3个行星齿轮，小型、微型汽车多采用2个行星齿轮)，行星齿轮轴(不少装4个行星齿轮的差逮器采用十字轴结构)，半轴齿轮及行星齿轮垫片等组成。如上图6所示。4.2 差速器齿轮的基本参数选择4.2.1 行星齿轮数目的选择货车常用2个行星齿轮，载货汽车和越野汽车多用4个行星齿轮，少数汽车采用3个行星齿轮。此设计采用4个行星齿轮。4.2.2 行星齿轮球面半径RB(mm)的确定 圆锥行星齿轮差速器的尺寸通常决定于行星齿轮背