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家用微型车驱动桥设计说明书 燕山大学里仁学院燕山大学里仁学院 题目 题目 家家用用微微型型车车驱驱动动桥桥的的设设计计 学学 院 机械工程学院院 机械工程学院 专专 业 交通运输业 交通运输 学生姓名 张江超学生姓名 张江超 学学 号 号 081113011030081113011030 指导教师 夏怀成指导教师 夏怀成 20122012 年年 0505 月月 0404 日日 家用微型车驱动桥设计说明书 1 目目 录录 1 1 前言前言 2 2 总体方案的布置总体方案的布置 3 3 主减速器设计主减速器设计 4 4 差速器设计差速器设计 5 5 驱动半轴的设计驱动半轴的设计 6 6 万向节设计万向节设计 7 7 结论结论 参考文献参考文献 家用微型车驱动桥设计说明书 2 1 1 前言前言 本设计课题是家用微型车驱动桥的设计 故本说明书将以 驱动桥设计 内容 对驱动桥及其主要零部件的结构型式及设计计算进行介绍 汽车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从变速器传 来的转矩 将转矩合理的分配给左 右驱动车轮具有汽车行驶运动学所要求的差速 功能 驱动桥的设计 由驱动桥的结构组成 功用 工作特点及设计要求讲起 详 细地分析了驱动桥总成的结构型式及布置方法 全面介绍了驱动桥车轮的传动装置 和桥壳的各种结构型式和设计计算方法 汽车驱动桥是汽车的重大总成 承载着汽车的满载簧荷重及地面经车轮 车架 及承载式车身经悬架给予的铅垂力 纵向力 横向力及其力矩 以及冲击载荷 驱 动桥还传递着传动系中的最大转矩 桥壳还承受着反作用力矩 汽车驱动桥结构型 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 机动性和操动稳定性等有直接影响 另外 汽车 驱动桥在汽车的各种总成中也是涵盖机械零件 部件 分总成等的品种最多的大总 成 例如 驱动桥包含主减速器 差速器 半轴 桥壳和各种齿轮 由上述可见 汽车驱动桥设计涉及的机械零部件及元件的品种极为广泛 对这些零部件 元件及 总成的制造也几乎要设计到所有的现代机械制造工艺 因此 通过对汽车驱动桥的 学习和设计实践 可以更好的学习并掌握现代汽车设计与机械设计的全面知识和技 能 但是有以下两大难题 一是将发动机输出扭矩通过变速箱将动力传递到差速器 上 达到更好的车轮牵引力与转向力的有效发挥 从而提高汽车的行驶能力 二是 差速器向两边半轴传递动力的同时 允许两边半轴以不同的转速旋转 满足两边车 轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶 减少轮胎与地面的摩擦 本课题的设计思路可分为以下几点 首先选择初始方案 家用微型车采用发动 机横置前轮驱动 所以设计的驱动桥结构需要符合乘用车的结构要求 接着选择各 部件的结构形式 最后选择各部件的具体参数 设计出各主要尺寸 目前我国正在大力发展汽车产业 采用前轮驱动汽车的平衡性和操作性都将会有 家用微型车驱动桥设计说明书 3 很大的提高 对于乘用汽车来说 要改善其动力性与燃油经济性 这便对传动系统 有较高的要求 而驱动桥在传动系统中起着举足轻重的作用 随着目前国际上石油 价格的上涨 汽车的经济性日益成为人们关心的话题 这不仅仅只对载货汽车 对 于乘用车 提高其燃油经济性也是各商用车生产商来提高其产品市场竞争力的一个 法宝 为了降低油耗 不仅要在发动机的环节上节油 而且也需要从传动系中减少 能量的损失 这就必须在发动机的动力输出之后 在从发动机 传动轴 驱动桥这 一动力输送环节中寻找减少能量在传递的过程中的损失 在这一环节中 发动机是 动力的输出者 也是整个机器的心脏 而驱动桥则是将动力转化为能量的最终执行 者 因此 在发动机相同的情况下 采用性能优良且与发动机匹配性比较高的驱动 桥便成了有效节油的措施之一 所以设计新型的驱动桥成为新的课题 所以前轮驱 动必然会使得乘车更加安全 舒适 由于前驱传动效率比后驱要高 所以还会带来 可观的经济效益 2 2 总体方案总体方案的布置的布置 驱动桥处于动力传动系的末端 其基本功能是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 另外还承受作用于路面和车架或车身之间 的垂直力和横向力 驱动桥一般由主减速器 差速器 半轴和驱动桥壳四大部分组 成 驱动桥设计应当满足如下基本要求 a 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 b 外形尺寸要小 保证有必要的离地间隙 c 齿轮及其它传动件工作平稳 噪声小 d 在各种转速和载荷下具有高的传动效率 e 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 f 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协调 g 结构简单 加工工艺性好 制造容易 拆装 调整方便 驱动桥的结构型式按工作特性分 可以归并为两大类 即非断开式驱动桥和断 开式驱动桥 当驱动车轮采用非独立悬架时 应该选用非断开式驱动桥 当驱动车 家用微型车驱动桥设计说明书 4 轮采用独立悬架时 则应该选用断开式驱动桥 因此 前者又称为非独立悬架驱动 桥 后者称为独立悬架驱动桥 断开式驱动桥的簧下质量较小 又与独立悬挂相配 合 致使驱动车轮与地面的接触情况及对各种地形的适应性比较好 独立悬架驱动 桥结构虽然叫复杂 但可以大大提高汽车在不平路面上的行驶平顺性 减小车轮和 车桥上的动载荷及零件的损坏 提高其可靠性及使用寿命 故这种结构主要见于对 行驶平顺性要求较高的一部分轿车及一些越野汽车上 且后者多属于轻型以下的越 野汽车或多桥驱动的重型越野汽车 由于断开式驱动桥工作可靠 平稳性好 查阅资料 参照国内相关轿车的设计 最后本课题选用断开式驱动桥 其结构如图所示 3 3 驱动桥各零部件的设计驱动桥各零部件的设计 3 13 1 主减速器设计主减速器设计 主减速器是汽车传动系中减小转速 增大扭矩的主要部件 它是依靠齿数少的 锥齿轮或斜齿圆柱齿轮带动齿数多的锥齿轮或斜齿圆柱齿轮 对发动机纵置的汽车 其主减速器还利用锥齿轮传动以改变动力方向 对发动机横置的汽车 其主减速器 就采用直齿轮传动而不必改变动力方向 由于汽车在各种道路上行使时 其驱动轮 家用微型车驱动桥设计说明书 5 上要求必须具有一定的驱动力矩和转速 在动力向左右驱动轮分流的差速器之前设 置一个主减速器后 便可使主减速器前面的传动部件如变速器 万向传动装置等所 传递的扭矩减小 从而可使其尺寸及质量减小 操纵省力 驱动桥中主减速器 差速器设计应满足如下基本要求 a 所选择的主减速比应能保证汽车既有最佳的动力性和燃料经济性 b 外型尺寸要小 保证有必要的离地间隙 齿轮其它传动件工作平稳 噪音小 c 在各种转速和载荷下具有高的传动效率 与悬架导向机构与动协调 d 在保证足够的强度 刚度条件下 应力求质量小 以改善汽车平顺性 e 结构简单 加工工艺性好 制造容易 拆装 调整方便 3 1 13 1 1 主减速器结构方案分析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 1 斜齿圆柱齿轮传动 图 3 1 斜齿圆柱齿轮传动 按齿轮副结构型式分 主减速器的齿轮传动主要有螺旋锥齿轮式传动 双曲面 齿轮式传动 圆柱齿轮式传动 又可分为轴线固定式齿轮传动和轴线旋转式齿轮传 动即行星齿轮式传动 和蜗杆蜗轮式传动等形式 在发动机横置的汽车驱动桥上 主减速器往往采用简单的斜齿圆柱齿轮 在发 动机纵置的汽车驱动桥上 主减速器往往采用圆锥齿轮式传动或准双曲面齿轮式传 动 为了尽可能抵消主动轴上轴承的轴向力 主减速器中基本不用直齿圆柱齿轮而 家用微型车驱动桥设计说明书 6 采用斜齿圆柱齿轮 此外 斜齿圆柱齿轮还具有运转平稳 噪声小等优点 汽车上 获得广泛应用 查阅文献 1 2 经方案论证 主减速器的齿轮选用斜齿圆柱齿轮形式 如 图 3 1 示 斜齿圆柱齿轮传动的主 从动齿轮轴线相互平行 齿轮并不同时在全长 上啮合 而是逐渐从一端连续平稳地转向另一端 它工作平稳 能承受较大的负荷 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 结构形式 为了满足不同的使用要求 主减速器的结构形式也是不同的 按参加减速传动的齿轮副数目分 有单级式主减速器和双级式主减速器 双速 主减速器 双级减速配以轮边减速器等 双级式主减速器应用于大传动比的中 重 型汽车上 若其第二级减速器齿轮有两副 并分置于两侧车轮附近 实际上成为独 立部件 则称轮边减速器 单级式主减速器应用于轿车和一般轻 中型载货汽车 单级主减速器由一对圆柱齿轮 或者一对圆锥齿轮 组成 具有结构简单 质量小 成本低 使用简单等优点 查阅文献 1 2 经方案论证 本设计主减速器采用单级主减速器 其传动 比 i0一般小于等于 7 3 1 23 1 2 主减速器主 从动斜齿圆柱齿轮的支承方案主减速器主 从动斜齿圆柱齿轮的支承方案 主减速器中心必须保证主从动齿轮具有良好的啮合状况 才能使它们很好地工 作 齿轮的正确啮合 除了与齿轮的加工质量装配调整及轴承主减速器壳体的刚度 有关以外 还与齿轮的支承刚度密切相关 1 主动斜齿圆柱齿轮的支承 图 3 2 主动齿轮跨置式 主动斜齿圆柱齿轮的支承形式可分为悬臂式支承和跨置式支承两种 查阅资料 文献 经方案论证 采用跨置式支承结构 如图 3 2 示 齿轮前 后两端的轴颈均 以轴承支承 故又称两端支承式 跨置式支承使支承刚度大为增加 使齿轮在载荷 家用微型车驱动桥设计说明书 7 作用下的变形大为减小 约减小到悬臂式支承的 1 30 以下 而主动斜齿圆柱齿轮 后轴承的径向负荷比悬臂式的要减小至 1 5 1 7 齿轮承载能力较悬臂式可提高 10 左 右 本课题所设计的乘用车最大总质量为 0 6t 所以选用跨置式可以提高齿轮的承 载能力 2 从动斜齿圆柱齿轮的支承 图 3 3 从动齿轮支撑形式 从动斜齿圆柱齿轮采用圆锥滚子轴承支承 如图 3 3 示 为了增加支承刚度 两轴承的圆锥滚子大端应向内 以减小尺寸 c d 为了使从动斜齿圆柱齿轮背面的 差速器壳体处有足够的位置设置加强肋以增强支承稳定性 c d 应不小于从动斜齿 圆柱齿轮大端分度圆直径的 70 为了使载荷能均匀分配在两轴承上 应是 c 等于 或大于 d 3 1 33 1 3 主减速器斜齿圆柱齿轮设计主减速器斜齿圆柱齿轮设计 主减速比 i 驱动桥的离地间隙和计算载荷 是主减速器设计的原始数据 0 应在汽车总体设计时就确定 1 主减速比 i 的确定 0 主减速比对主减速器的结构型式 轮廓尺寸 质量大小以及当变速器处于最高 档位时汽车的动力性和燃料经济性都有直接影响 i 的选择应在汽车总体设计时和 0 传动系的总传动比 i 一起由整车动力计算来确定 可利用在不同 i 下的功率平衡田 0 来研究 i 对汽车动力性的影响 通过优化设计 对发动机与传动系参数作最佳匹配 0 的方法来选择 i 值 可使汽车获得最佳的动力性和燃料经济性 0 对于具有很大功率储备的轿车 长途公共汽车尤其是竞赛车来说 在给定发动 家用微型车驱动桥设计说明书 8 机最大功率及其转速的情况下 所选择的 i 值应能保证这些汽车有尽可能高 amax P p n 0 的最高车速 这时 i 值应按下式来确定 amax v 0 3 1 rp 0 amax gh r n i 0 377 vi 式中 车轮的滚动半径 给定轮胎型号为 175 65R13 所以可知 0 279m r r r r igh 变速器量高档传动比 igh 1 根据所选定的主减速比 i0值 就可基本上确定主减速器的减速型式 单级 双 级等以及是否需要轮边减速器 并使之与汽车总布置所要求的离地间隙相适应 把 4500r n 110km h r 0 279m igh 1 代入 3 1 p n amax v r 计算出 i 4 303 0 按发动机最大转矩配以传动系最低档传动比计算载荷 Tce 3 2 niTT K TLece T 0 max 式中 Tce 计算转矩 Nm Temax 发动机最大转矩 Temax 50 Nm n 计算驱动桥数 1 变速器传动效率 0 9 t 液力变矩器变矩系数 为 1 0 K 由发动机至所计算的主减速器从动齿轮之间的传动系最低档传动比为 TL i 17 882 传动系上述部分的传动效率取 0 9 T 代入式 3 2 有 Tce 8044 55 Nm 按驱动轮打滑转矩确定从动斜齿圆柱齿轮的计算转矩 3 3 LBLB r c i rG T 2 式中 家用微型车驱动桥设计说明书 9 计算转矩 Nm cs T 满载情况下一个驱动桥作用于地面上的最大负荷 为 2 G 600 0 6 9 8N 3528N 轮胎与路面间的附着系数 在安装一般轮胎的汽车在良好的混凝土或沥青 路上 取 0 85 车轮的滚动半径 取 0 279m r r 分别为由所计算的主减速器从动齿轮到驱动轮之间的传动效率和传动比 LBLBi 前者取 1 后者取 0 98 代入式 3 3 有 853 74 Nm c T 主动斜齿圆柱齿轮的计算转矩为 3 4 G C Z i T T 0 式中 cceC TTT min 为主动斜齿圆柱齿轮的计算转矩 Nm z T 为主传动比 取 4 23 o i 为主 从动斜齿圆柱齿轮间的传动效率 计算时 对于弧齿斜齿圆柱齿轮 G 副 取 95 对于双曲面齿轮副 当 6 时 取 85 当 6 时 取 G o i G o i G 90 代入式 3 4 有 196 815 Nm Z T 2 主减速器斜齿圆柱齿轮的主要参数选择 a 主 从动斜齿圆柱齿轮齿数 z1和 z2 选择主 从动斜齿圆柱齿轮齿数时应考虑如下因素 为了啮合平稳 噪音小和具有高的疲劳强度 大小齿轮的齿数和不少于 40 在轿 车主减速器中 小齿轮齿数不小于 9 家用微型车驱动桥设计说明书 10 查阅资料 经方案论证 主减速器的传动比为 5 11 初定主动齿轮齿数 z1 9 从动齿轮齿数 z2 45 b 主 从动斜齿圆柱齿轮齿形参数计算 按照文献 3 中的设计计算方法进行设计和计算 结果见表 3 1 表 3 1 主 从动锥齿轮参数 参 数符 号主动斜齿圆柱齿 轮 从动斜齿圆柱齿 轮 螺旋角 17 法面模数 n m 4 5 端面模数 cos nt mm 4 71 法面压力角 n 20 端面压力角 cos tantan nt src 20 84 节锥角 1 arctanZ1 Z2 2 90 1 1 13 3 2 76 7 分度圆直径 cos nt zmzmd 61 18258 82 基圆直径 tb dd cos 57 18241 89 齿顶高 ha h2 1 0 1 n m 4 954 05 齿根高hf1 hf2 1 0 25 0 1 n m 5 1756 08 齿顶圆直径 aa hdd2 71 08266 92 齿根圆直径 f hdd2 50 84246 66 当量齿数 3 cos zzv 14 8762 90 C 法向压力角 家用微型车驱动桥设计说明书 11 法向压力角大一些可以增加轮齿强度 减少齿轮不发生根切的最少齿数 也可 以使齿轮运转平稳 噪音低 对于货车弧齿锥齿轮 一般选用 20 d 螺旋方向 从斜齿圆柱齿轮齿顶上看 齿形从中心线上半部向左倾斜为左旋 向右倾斜为 右旋 主 从动斜齿圆柱齿轮的螺旋方向是相反的 螺旋方向与斜齿圆柱齿轮的旋 转方向影响其所受轴向力的方向 当变速器挂前进挡时 应使主动齿轮的轴向力离 开齿顶方向 这样可以使主 从动齿轮有分离趋势 防止轮齿卡死而损坏 3 43 4 主减速器斜齿圆柱齿轮的材料主减速器斜齿圆柱齿轮的材料 驱动桥斜齿圆柱齿轮的工作条件是相当恶劣的 与传动系其它齿轮相比 具有 载荷大 作用时间长 变化多 有冲击等特点 因此 传动系中的主减速器齿轮是 个薄弱环节 主减速器斜齿圆柱齿轮的材料应满足如下的要求 a 具有高的弯曲疲劳强度和表面接触疲劳强度 齿面高的硬度以保证有高的耐 磨性 b 齿轮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 c 锻造性能 切削加工性能以及热处理性能良好 热处理后变形小或变形规律 易控制 d 选择合金材料是 尽量少用含镍 铬的材料 而选用含锰 钒 硼 钛 钼 硅等元素的合金钢 汽车主减速器斜齿圆柱齿轮与差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 渗碳合金钢的优点是表面 可得到含碳量较高的硬化层 一般碳的质量分数为 0 8 1 2 具有相当高的耐 磨性和抗压性 而芯部较软 具有良好的韧性 因此 这类材料的弯曲强度 表面 接触强度和承受冲击的能力均较好 由于钢本身有较低的含碳量 使锻造性能和切 削加工性能较好 其主要缺点是热处理费用较高 表面硬化层以下的基底较软 在 承受很大压力时可能产生塑性变形 如果渗碳层与芯部的含碳量相差过多 便会引 起表面硬化层的剥落 为改善新齿轮的磨合 防止其在余兴初期出现早期的磨损 擦伤 胶合或咬死 斜齿圆柱齿轮在热处理以及精加工后 作厚度为 0 005 0 020mm 的磷化处理或镀铜 家用微型车驱动桥设计说明书 12 镀锡处理 对齿面进行应力喷丸处理 可提高 25 的齿轮寿命 对于滑动速度高的 齿轮 可进行渗硫处理以提高耐磨性 3 53 5 主减速器斜齿圆柱齿轮的强度计算主减速器斜齿圆柱齿轮的强度计算 3 5 13 5 1 单位齿长圆周力单位齿长圆周力 1 1 按发动机最大转矩计算 3 7 2 10 1 3 max Fd iT p ge 2 按最大附着力矩计算 3 7 2 2 10 2 3 2 Fd rG p r ig 变速器传动比 常取一挡传动比 ig 4 155 Temax 发动机最大转矩 Temax 50 Nm 分别为大小齿轮的分度园直径 21 d d F 计算齿轮的齿面宽 取 44mm 轮胎与路面间的附着系数 在安装一般轮胎的汽车在良好的混凝土或沥青 路上 取 0 85 将各参数代入式 3 7 有 P 135 8 N mm 将各参数代入式 3 7 2 有 P 129 3 N mm 按照文献 1 P P 893 N mm 斜齿圆柱齿轮的表面耐磨性满足要求 3 5 23 5 2 齿轮弯曲强度齿轮弯曲强度 斜齿圆柱齿轮轮齿的齿根弯曲应力为 3 8 w Y2 dbm YTKY SaFa 式中 斜齿圆柱齿轮轮齿的齿根弯曲应力 MPa w T 主动齿轮传递的转矩 Nm K 载荷系数 K KKK VA K 家用微型车驱动桥设计说明书 13 使用系数 按照文献 2 表 10 2 取 1 0 A K 动载系数 按照文献 2 表 10 8 取 1 1 V K 齿面载荷分配系数 按照文献 2 表 10 3 取 1 6 k 齿向载荷分布系数 按照文献 2 表 10 4 取 1 12 k 斜齿轮的齿形系数 按照文献 2 可近似地按当量齿数由表 Fa Y cos z Z 3 v 10 5 查取 为 2 89 Ysa 斜齿轮的应力校正系数 按照文献 2 可近似地按当量齿数由 3 v cos z Z 表 10 5 查取 为 1 55 Y 螺旋角影响系数 按照文献 2 数值查图 10 28 可得 0 87 b 所计算的齿轮齿面宽 b 44mm d1 所讨论齿轮分度圆直径 主动齿轮为 61 18mm 从动齿轮为 258 82mm 斜齿轮的纵合重合度 0 9 n m sinb 对于主动斜齿圆柱齿轮 T 191Nm 从动斜齿圆柱齿轮 T 783 Nm 将各参数代入式 3 8 有 主动斜齿圆柱齿轮 243MPa w 从动斜齿圆柱齿轮 213MPa w 按照文献 2 主从动斜齿圆柱齿轮的 487MPa 轮齿弯曲强度满足w w 要求 3 5 33 5 3 轮齿接触强度轮齿接触强度 斜齿圆柱齿轮轮齿的齿面接触应力为 H 3 9 Z EH 2 1 ZZ u 1u bd 2TK 式中 H 斜齿圆柱齿轮轮齿的齿面接触应力 MPa d1 主动斜齿圆柱齿轮分度圆直径 mm d1 61 18mm b 主 从动斜齿圆柱齿轮齿面宽较小值 b 44mm K 载荷系数 取值同上为 1 97 u 齿数比 取 4 23 区域系数 按照文献 2 中图 10 30 取值为 2 4 H Z 弹性影响系数 MPa 按照文献 2 表 10 6 取值为 189 80 E Z 2 1 家用微型车驱动桥设计说明书 14 重合度系数 取 0 83 Z T 主动斜齿圆柱齿轮计算转矩 Tz 191N m 将各参数代入式 3 9 有 H 1044MPa 按照文献 2 H H 1124MPa 轮齿接触强度满足要求 3 63 6 主减速器斜齿圆柱齿轮轴承的设计计算主减速器斜齿圆柱齿轮轴承的设计计算 3 6 13 6 1 斜齿圆柱齿轮齿面上的作用力斜齿圆柱齿轮齿面上的作用力 斜齿圆柱齿轮在工作过程中 相互啮合的齿面上作用有一法向力 该法向力 Fn 可分解为沿齿轮切线方向的圆周力 Ft 沿齿轮轴线方向的轴向力 Fa 以及垂直于齿 轮轴线的径向力 Fr 由主动斜齿圆柱齿轮齿面受力简图 图 3 5 所示 得出齿轮上所受各力 图 3 5 主动斜齿圆柱齿轮齿面受力简图 a 齿面中点处的圆周力 Ft Ft 3 10 2 1 d T2 式中 作用在从动齿轮上的转矩 T1 782 53Nm 1 t 从动斜齿圆柱齿轮的分度圆直径 d1 258 82mm 2 d 将各参数代入式 3 10 有 Ft 6046 91 N 对于弧齿斜齿圆柱齿轮副 作用在主 从动齿轮上的圆周力是相等的 b 斜齿圆柱齿轮的轴向力 Fa和径向力 Fr 作用在主动斜齿圆柱齿轮齿面上的轴向力 Fa和径向力 Fr分别为 家用微型车驱动桥设计说明书 15 Fr 3 11 cos tanF nt Fa 3 12 tanFt 将各参数分别代入式 3 11 与式 3 12 中 有 Fr 2301 49N Fa 2200 93N c 作用于齿面上的法向载荷 Fn 3 cos cos F F n t n 13 将各参数代入式 3 13 中 有 lhuj Fn 6729 11N 3 6 23 6 2 斜齿圆柱齿轮轴承的载荷斜齿圆柱齿轮轴承的载荷 当斜齿圆柱齿轮齿面上所受的圆周力 轴向力和径向力计算确定后 根据主减 速器齿轮轴承的布置尺寸 即可求出轴承所受的载荷 图 3 4 为单级主减速器的跨 置式支承的尺寸布置图 图 3 4 单级主减速器轴承布置尺寸 图 3 4 中各参数尺寸 a 44mm b 30mm c 50mm d 122mm a 主动齿轮轴向 家用微型车驱动桥设计说明书 16 1269 71N sin tan cos P A cossin 主动齿轮径向力 2665 07 cos tan cos P R sinsin 轴承 A 径向力 RA 3 212 2 a Ad a baR a aFt 14 轴向力 Fa A 1269 71N 3 15 将各参数代入式 3 14 与 3 15 有 RA 9241 2N Fa 1251 66N 轴承 B 径向力 RB 3 16 212 2 a Ad a baR a baF 轴向力 Fa 0 3 17 将各参数代入式 3 16 与 3 17 有 RB 10789 13N Fa 0N b 从动齿轮轴向力 6683 16N sin tan cos P A cossin 从动齿轮径向力 家用微型车驱动桥设计说明书 17 1814 46N cos tan cos P R sinsin 轴承 C 径向力 RC 3 222 2 dc Ad dc Rd dc Fd 18 轴向力 Fa Faz 3 19 将各参数代入式 3 18 与 3 19 有 Fr 7634 12N Fa 6683 16N 轴承 D 径向力 RD 3 222 2 dc Ad dc Rc dc Fc 20 轴向力 Fa 0 3 21 将各参数代入式 3 20 与 3 21 有 Fr 4832N Fa 0N 4 4 差速器设计差速器设计 汽车在行使过程中 左右车轮在同一时间内所滚过的路程往往是不相等的 左 右两轮胎内的气压不等 胎面磨损不均匀 两车轮上的负荷不均匀而引起车轮滚动 半径不相等 左右两轮接触的路面条件不同 行使阻力不等等 这样 如果驱动桥 的左 右车轮刚性连接 则不论转弯行使或直线行使 均会引起车轮在路面上的滑 家用微型车驱动桥设计说明书 18 移或滑转 一方面会加剧轮胎磨损 功率和燃料消耗 另一方面会使转向沉重 通 过性和操纵稳定性变坏 为此 在驱动桥的左右车轮间都装有轮间差速器 差速器是个差速传动机构 用来在两输出轴间分配转矩 并保证两输出轴有可 能以不同的角速度转动 用来保证各驱动轮在各种运动条件下的动力传递 避免轮 胎与地面间打滑 差速器按其结构特征可分为齿轮式 凸轮式 蜗轮式和牙嵌自由 轮式等多种形式 4 14 1 差速器结构形式选择差速器结构形式选择 汽车上广泛采用的差速器为对称锥齿轮式差速器 具有结构简单 质量较小等 优点 应用广泛 它可分为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 普通齿轮式差速器的传动机构为齿轮式 齿轮差速器要圆锥齿轮式和圆柱齿轮 式两种 强制锁止式差速器就是在对称式锥齿轮差速器上设置差速锁 当一侧驱动轮滑 转时 可利用差速锁使差速器不起差速作用 差速锁在军用汽车上应用较广 查阅文献 5 经方案论证 差速器结构形式选择对称式圆锥行星齿轮差速器 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 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 最广泛地用在轿车 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 但用到越野汽车上需要采取防滑措施 例如加进摩擦元件以增大其内摩擦 提 高其锁紧系数 或加装可操纵的 能强制锁住差速器的装置 差速锁等 4 24 2 普通锥齿轮式差速器齿轮设计普通锥齿轮式差速器齿轮设计 a 行星齿轮数 n 该车为小型轿车 行星轮数应该为 2 b 行星齿轮球面半径 B R 行星齿轮球面半径 RS反映了差速器锥齿轮节锥矩的大小和承载能力 4 1 B R CB TK 3 式中 行星齿轮球面半径系数 KS 2 52 2 92 对于有两个行星齿轮的轿车取 B K 最大值 差速器计算转矩 Nm 取式 3 2 和 3 3 中较小值 804 55Nm C T 将各参数代入式 4 1 有 28 mm B R c 行星齿轮和半轴齿轮齿数 z1和 z2 为了使轮齿有较高的强度 z1一般不少于 10 半轴齿轮齿数 z2在 14 25 选用 家用微型车驱动桥设计说明书 19 大多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比在 1 5 2 0 的范围内 且半轴齿轮 2 1 z z 齿数和必须能被行星齿轮齿数整除 查阅资料 经方案论证 初定半轴齿轮与行星齿轮的齿数比 2 半轴齿轮齿 2 1 z z 数 z2 24 行星齿轮的齿数 z1 12 d 行星齿轮和半轴齿轮节锥角 1 2直齿锥齿轮节锥距半径 A0 及模数 m 行星齿轮和半轴齿轮节锥角 1 2分别为 1 4 2 1 2 z arctan z 2 4 3 2 1 z arctan z 将各参数分别代入式 4 2 与式 4 3 有 1 27 2 63 直齿锥齿轮节锥距半径 A0 为 A0 0 98 0 99 RS 锥齿轮大端模数 m 为 m 4 4 01 1 2A sin z 将各参数代入式 4 4 有 m 4 537 4 584 查阅文献 3 取模数 m 4 5 e 半轴齿轮与行星齿轮齿形参数 按照文献 3 中的设计计算方法进行设计和计算 结果见表 4 1 f 压力角 汽车差速齿轮大都采用压力角 22 30 齿高系数为 0 8 的齿形 表 4 1 半轴齿轮与行星齿轮参数 参 数符 号半轴齿轮行星齿轮 分度圆直径 d10854 齿顶高 ha 2 354 85 家用微型车驱动桥设计说明书 20 齿根高 hf5 703 20 齿根角 f11 42 6 48 节锥角 63 27 根锥角 f51 58 20 52 外圆直径 d0110 1362 64 节锥顶点至齿轮外 缘距离 X024 9051 80 齿面宽 F8 4 g 行星齿轮轴用直径 d 行星齿轮轴用直径 d mm 为 d 4 5 dC nr 11 10T 3 0 式中 T0 差速器传递的转矩 Nm 783Nm n 行星齿轮数 2 rd 行星齿轮支承面中点到锥顶的距离 mm 20 2mm c 支承面许用挤压应力 取 69 MPa 将各参数代入式 4 5 中 有 d 16mm 4 34 3 差速器齿轮的材料差速器齿轮的材料 差速器齿轮和主减速器齿轮一样 基本上都是用渗碳合金钢制造 目前用于制 造差速器锥齿轮的材料为 20CrMoTi 22CrMnMo 和 20CrMo 等 由于差速器齿轮轮齿 要求的精度较低 所以精锻差速器齿轮工艺已被广泛应用 初选差速器齿轮材料为 20CrMoTi 4 44 4 普通锥齿轮式差速器齿轮强度计算普通锥齿轮式差速器齿轮强度计算 差速器齿轮的尺寸受结构限制 而且承受的载荷较大 它不像主减速器齿轮那 样经常处于啮合传动状态 只有当汽车转弯或左 右轮行使不同的路程时 或一侧 车轮打滑而滑转时 差速器齿轮才能有啮合传动的相对运动 因此 对于差速器齿 轮主要应进行弯曲强度计算 轮齿弯曲应力 w MPa 为 MPa 4 JmFzK KKTK v mso w 2 2 3 102 6 家用微型车驱动桥设计说明书 21 式中 T 差速器一个行星齿轮给予一个半周齿轮的转矩 Nm 其计算公式为 T n Tj6 0 计算转矩 取 783Nm j T 半轴齿轮数目 24 2 z n 行星齿轮数 2 J 综合系数 取 0 223 F 计算齿轮的齿面宽 mm 8 4mm m 端面模数 4 5mm ks km kv按照主减速器齿轮强度计算的有关转矩选取 分别为 0 648 1 1 将各参数代入式 4 6 中 有 w 334MPa 因为 差速器齿轮的 w w 375 MPa 所以齿轮弯曲强度满足要求 5 5 驱动半轴的设计驱动半轴的设计 驱动车轮的传动装置位于汽车传动系的末端 其功用是将转矩由差速器半轴齿 轮传给驱动车轮 在断开式驱动桥和转向驱动桥中 驱动车轮的传动装置包括半轴 和万向节传动装置且多采用等速万向节 在一般非断开式驱动桥上 驱动车轮的传 动装置就是半轴 这时半轴将差速器半轴齿轮与轮毂连接起来 在装有轮边减速器 的驱动桥上 半轴将半轴齿轮与轮边减速器的主动齿轮连接起来 5 15 1 半轴的型式半轴的型式 普通非断开式驱动桥的半轴 根据其外端的支承型式或受力状况的不同而分为 半浮式 3 4 浮式和全浮式三种 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 部则以具有锥面的轴颈及键与车轮轮毂相固定 或以突缘直接与车轮轮盘及制动鼓 相联接 因此 半浮式半轴除传递转矩外 还要承受车轮传来的弯矩 由此可见 半浮式半轴承受的载荷复杂 但它具有结构简单 质量小 尺寸紧凑 造价低廉等 优点 用于质量较小 使用条件较好 承载负荷也不大的轿车和轻型载货汽车 3 4 浮式半轴的结构特点是半轴外端仅有一个轴承并装在驱动桥壳半轴套管的 端部 直接支承着车轮轮毂 而半轴则以其端部与轮毂相固定 由于一个轴承的支 承刚度较差 因此这种半轴除承受全部转矩外 弯矩得由半轴及半轴套管共同承受 即 3 4 浮式半轴还得承受部分弯矩 后者的比例大小依轴承的结构型式及其支承刚 度 半轴的刚度等因素决定 侧向力引起的弯矩使轴承有歪斜的趋势 这将急剧降 低轴承的寿命 可用于轿车和轻型载货汽车 但未得到推广 全浮式半轴的外端与轮毂相联 而轮毂又由一对轴承支承于桥壳的半轴套管上 家用微型车驱动桥设计说明书 22 多采用一对圆锥滚子轴承支承轮毂 且两轴承的圆锥滚子小端应相向安装并有一定 的预紧 调好后由锁紧螺母予以锁紧 很少采用球轴承的结构方案 由于车轮所承受的垂向力 纵向力和侧向力以及由它们引起的弯矩都经过轮毂 轮毂轴承传给桥壳 故全浮式半轴在理论上只承受转矩而不承受弯矩 但在实际工 作中由于加工和装配精度的影响及桥壳与轴承支承刚度的不足等原因 仍可能使全 浮式半轴在实际使用条件下承受一定的弯矩 弯曲应力约为 5 70MPa 具有全浮式 半轴的驱动桥的外端结构较复杂 需采用形状复杂且质量及尺寸都较大的轮毂 制 造成本较高 故轿车及其他小型汽车不采用这种结构 但由于其工作可靠 故广泛 用于轻型以上的各类汽车上 5 25 2 半轴的设计与计算半轴的设计与计算 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 X2 Z2 附着系数取 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1 侧向附着系数 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 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 22 222 Z X Y 有纵向力作用 5 2 15 2 1 全浮式半轴的设计计算全浮式半轴的设计计算 本题采用带有凸缘的全浮式半轴 其详细的计算校核如下 全浮式半轴计算载荷的确定 全浮式半轴只承受转矩 其计算转矩按下式进行 T Temaxig1i0 5 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 Temax 156 8Nm ig1 3 54 i0 5 11 0 6 计算结果 T 0 6 156 8 3 54 5 11 1701 85N m 在设计时 全浮式半轴杆部直径的初步选取可按下式进行 5 3 3 3 10 2 05 2 18 0 196 T dT 2 家用微型车驱动桥设计说明书 23 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 根据上式带入 T 1701 85 Nm 得 24 48mm d 26 03mm 取 d 25mm 给定一个安全系数 k 1 6 d k d 1 6 25 40mm 全浮式半轴支承转矩 其计算转矩为 5 22LrRr TXrXr 3 三种半轴的扭转应力由下式计算 5 3 3 16 10 T d 4 式中 半轴的扭转应力 MPa T 一半轴的计算转矩 T 1701 85Nm d 半轴杆部直径 d 40mm 将数据带入式 5 3 5 4 得 231MPa 半轴花键的剪切应力为 5 3 10 4 b pBA T zLbjDd 5 半轴花键的挤压应力为 5 6 2 4 10 3 ABABp c dDdDzjL T 式中 T 半轴承受的最大转矩 T 527 27Nm DB 半轴花键 轴 外径 DB 33mm dA 相配的花键孔内径 dA 30mm z 花键齿数 13 Lp 花键工作长度 Lp 50mm 家用微型车驱动桥设计说明书 24 B 花键齿宽 B 5mm j 载荷分布的不均匀系数 取 0 75 将数据带入式 5 5 5 6 得 13 73 Mpa b 45 78MPa c 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 3 1 6 范 围时 半轴扭转许用应力可取为 490 588MPa 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 5 35 3 半轴的结构设计及材料半轴的结构设计及材料 khgkhg 与热处理与热处理 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减小应力集中 重型车半轴的杆部较粗 外 端突缘也很大 当无较大锻造设备时可采用两端均为花键联接的结构 且取相同花 键参数以简化工艺 在现代汽车半轴上 渐开线花键用得较广 但也有采用矩形或 梯形花键的 半轴多采用含铬的中碳合金钢制造 如 40Cr 40CrMnMo 40CrMnSi 40CrMoA 35CrMnSi 35CrMnTi 等 40MnB 是我国研制 出的新钢种 作为半轴材料效果很好 半轴的热处理过去都采用调质处理的方法 调质后要求杆部硬度为 HB388 444 突缘部分可降至 HB248 近年来采用高频 中 频感应淬火的口益增多 这种处理方法使半轴表面淬硬达 HRC52 63 硬化层深约 为其半径的 1 3 心部硬度可定为 HRC30 35 不淬火区 突缘等 的硬度可定在 HB248 277 范围内 由于硬化层本身的强度较高 加之在半轴表面形成大的残余压 应力 以及采用喷丸处理 滚压半轴突缘根部过渡圆角等工艺 使半轴的静强度和 疲劳强度大为提高 尤其是疲劳强度提高得十分显著 由于这些先进工艺的采用 不用合金钢而采用中碳 40 号 45 号 钢的半轴也日益增多 6 6 万向节设计万向节设计 球笼式万向节广泛应用于轿车前驱动桥 制造较复杂 但结构紧凑 安装简单 传动效率高 其失效形式主要是钢球与接触滚道表面的疲劳点蚀 在特殊情况下 因热处理不妥 润滑不良或温度过高等 也会造成磨损而损坏 由于星形套滚道接 触点的纵向曲率半径小于外半轴滚道的纵向曲率半径 所以前者上的接触椭圆比后 者上的要小 即前者的接触应力大于后者 因此 应控制钢球与星形套滚道表面的 家用微型车驱动桥设计说明书 25 接触应力 并以此来确定万向节的承载能力 不过 由于影响接触应力的因素较多 计算较复杂 目前还没有统一的计算方法 假定球笼式万向节在传递转矩时六个传力钢球均匀