SAE C2009C120独立悬架门式转向驱动桥及后驱动桥设计分析精

1、 摇2009中国汽车工程学会年会论文集 SAE鄄C2009C120 1331 独立悬架、门式转向驱动桥及后驱动桥设计分析 曲琦摇尚兴武摇孙国晖摇李庆臣 中国第一汽车集团公司技术中心 摇摇揖摘要铱摇本文以某独立悬架、轮边外啮合圆柱齿轮传动转向驱动桥与后驱动桥为例,对单十字轴万向节式轮边输入轴、轮边斜齿圆柱齿轮、螺旋锥齿轮、轮间差速器、轴承等进行简易动力学分析,利用简易载荷普及软件,求解所受载荷、安全验证设计。 摇摇揖关键词铱摇断开式转向驱动桥摇齿轮摇轴承摇全浮式半轴摇轮边输入轴摇限滑差速器 系数及使用寿命;量化分析了十字轴万向节轮边输入轴传动的不等速性,并将传动部件强度计算结果与试验结果做以对比

2、, IndependentSuspension,ThePortalTypeChangeFrontSteeringDriveAxleAnalysis QuQi,ShangXingwu,SunGuohui,LiQingchen Chinafawgroupcorporationr&dcenter thecalculatingsoftware.Apreliminarynumeralanalysisonthenon鄄uniformvelocitytransmissionismade.Thestrengthoftransmission摇摇Keywords:independentsuspensionstee

3、ringdriveaxle摇gear摇bearing摇full鄄fioatingaxieshaft摇round鄄inputshaft摇LSD 齿轮式轮边减速的转向驱动桥及后驱动桥总成(以下简称断 componentsiscalculatedandcomparedwiththetestresultstoverifythedesign. set,inter鄄wheeldifferentialandthebearingareconducted.Theduty,safetyfactorandlifetimearecalculatedwiththedutycycleand wheeldrivingsys

4、temasanexample,Abriefkineticsanalysisontheround鄄inputshaft,wheelobliquespurgearset,spiralbevelgear 摇摇Abstract:Inthispaper,takenthefrontsteeringdriveaxleandthereardriveaxlewithanindependentsuspensionandspurgeared 引摇摇言 摇摇门式桥较广泛地用于整车对离地间隙较为苛刻的环境,如越野车、低地板客车、无轨电车等。随着越野车市场的不断扩大,为追求更佳的通过性、舒适性,独立悬架、门式驱动桥越来越

5、受到石油、勘探行业的关注。本文通过与传统的行星 轮系轮边减速驱动桥(简称轮减桥)的对比,介绍了全新设计开发的、具有较高离地间隙的独立悬架、外啮合圆柱 德摇摇国ZF低地板客车全浮式 UNIMOG非断开中型越野车半浮式 越野车、客车 全浮式匈摇牙摇利RABA 开式门式驱动桥)。 1摇断开式、门式转向驱动桥总成技术方案 分析摇 1郾1摇门式桥特点及使用状况 驱动桥各式万向节结构特点、资源及使用见表2。 奥摇地摇利STR断开 平次高尔断开脊骨微型、中型越野车半浮式 全浮式布拉格 非断开 无轨电车半浮式 捷摇摇克 斯可达 摇摇部分国外门式桥制造厂家及使用特点汇总见表1,转向 表1摇部分国外门式桥制造厂家

6、及使用特点汇总 门摇式摇桥 桥壳使用车型半轴 表2摇转向驱动桥各式万向节结构特点、资源及使用 项目资源使用 球笼式万向节 摇博亚、纳铁夫摇轿车、轻微型车 摇等角速运行,振动及噪声低。 双联万向节定心结构(独立悬架) 纳铁夫低转矩美国MTV2 中重型车 双联万向节无定心机构(非独立悬架)十字轴 偏心十字轴河南南阳奔驰、铁马十字轴中心距较小 单十字轴万向节 摇资源丰富 摇美驰FMTV刚性桥 摇非等角速,振动噪声大, 十字轴中心距较大 特点回转直径大,润滑苛刻,成本高,可靠性及转矩小 摇近似等角速,振动及噪声低,轴、径向尺寸大,部件多,结构复杂,成本高,承担转矩大,适恶劣环境 回转直径小,成本低 1

7、332SAE鄄C2009C1202009中国汽车工程学会年会论文集摇摇摇图1为目前越野车用轮边减速转向驱动桥的主流技术结构,其中包括了桥壳独立悬架与非独立悬架形式;三种轮边减 速形式:外啮合圆柱齿轮式、行星圆柱齿轮系、行星直齿锥齿轮系;轮边输入形式:单十字轴万向节,双联万向节、球笼万向节形式;差速器:直齿锥齿轮或限滑差速器。本文主要针对断开式门式转向驱动桥及单十字轴万向节轮边输入轴进行论述。 图1摇各类轮边减速转向驱动桥结构对比图 1轮胎摇2轮边减速器摇3转向节摇4轮边输入轴摇5主减速器摇6差速器7单十字轴万向节(或球笼万向节)摇8双联万向节(或球笼万向节) 1郾2摇门式桥结构说明 摇摇断开式

8、门式驱动桥结构示意图如图2所示。一对外啮合圆柱齿轮布置在驱动桥轮边一侧,转向节即为轮边齿轮 壳端盖,主、从动圆柱齿轮通过两对轴承支承在圆柱齿轮 壳内,主动轮通过锁紧螺母实现轴向锁紧,并固定在轮边输入轴上;圆柱齿轮壳与半轴套管、转向节用螺钉连接;轮毂依靠轮毂轴承安装在半轴套管上,通过锁紧螺母轴向锁紧、定位;全浮式外半轴通过花键与从动圆柱齿轮联接,并用螺栓固定在轮毂上。轮边减速器为单对外啮合圆柱齿轮。摇摇门式驱动桥关键部件的技术方案说明见表3。 图2摇断开式门式驱动桥结构示意图 1轮胎摇2外半轴摇3主动圆柱齿轮摇4从动圆柱齿轮摇5输入轴叉摇6花键轴叉摇7焊接套管轴8突缘摇9主减铰链点摇10轮边铰链

9、点摇11主减速器摇12从动轮轴承摇13转向节14齿轮壳摇15轮毂轴承摇16轮毂摇17半轴套管摇18主动轮轴承 表3摇门式驱动桥关键部件的技术方案说明门式桥特点 断开式桥壳 轮边减速器外啮合圆柱齿轮结构摇适应独立悬架结构,提高整车行驶平顺性柱齿轮,重合度及抗弯强度高摇主减速器高度离地间隙达490mm,提高整车通过性;结构简单,部件少,效率高;特殊设计的斜齿圆说摇摇明 摇2009中国汽车工程学会年会论文集 SAE鄄C2009C120 1333 (续) 门式桥特点轮边输入轴全浮式外半轴等高齿螺旋锥齿轮差速器 限滑差速器直齿锥齿轮差速器内置机械差速锁气控盘式制动盒式转向节ABS齿圈及传感器中央充放气系

10、统 摇运转呈水平状态,转速低,受力好,免维护 说摇摇明 摇半轴仅承受转矩而不承受弯矩,提高承载能力,适于中型车桥摇工艺性好,提高了承载能力 摇两种选装,限滑式结构先进,简单紧凑,提高整车通过性及越野性摇内突式直齿锥齿轮式差速器,结构简单、紧凑,降重好,通用化强 摇气动拨叉,滑套式结构简单、紧凑,成本低;内置防刮碰,可靠性高,易装配维修摇结构简单、制动灵敏摇结构紧凑,强度高 摇特殊工艺加工制造的齿圈,结构简单可靠;固定式传感器,安装维修方便摇半轴直通式,结构简单,工艺性好,油气封唇口线速度低,密封效果好 2摇门式桥传动系关键部件强度计算 2郾1摇门式桥载荷谱的确定 摇摇门式桥载荷谱的确定见表4。

11、 工摇摇况爬坡60%垂直越障600mm 摇明确 表4摇按整车性能指标确定门式驱动桥简易载荷谱 驱动桥传动系统简易载荷谱 选取单桥最大转矩值确定 额定转矩(Nm) 转矩最大桥型 选取单桥最大转矩值确定 极限转矩(Nm)确定当量性能转矩(Nm) 运行时间(h)输入转速(r/min)运行时间(h)输入转速(r/min)运行时间(h)输入转速(r/min) 图3摇限滑差速器MASTA软件模型图 平直公路50万km 2郾2摇门式桥齿轮与轴类部件强度计算 摇摇按ISO6336标准及GLEASON规定,确定齿轮材质接触与弯曲许用应力值,见表5。 摇摇门式桥可选装外啮合圆柱齿轮限滑差速器,其软件模型如图3所示

12、。限滑转矩比见图4,限滑差速比限定在2郾5以内,确保整车的越野性与转向操纵性。作用力分布如图5所示。 摇摇门式桥齿轮及其他部件强度计算见表6、表7,轴承外 表5摇齿轮材料强度限值 轮边圆柱齿轮 项摇摇目 额定/当量转矩1650MPa1050MPa 主减螺旋锥齿轮额定转矩3328MPa957MPa 当量转矩1724MPa207MPa 差速器锥齿轮极限转矩980MPa210MPa 限滑差速器齿轮 极限转矩 行星轮间3530MPa 半轴行星轮间1650MPa 2900MPa 图4摇限滑差速器限滑转矩比图 齿轮接触齿轮弯曲 极限许用应力 表6摇门式驱动桥齿轮强度计算安全系数 项摇摇目弯曲安全系数 接触

13、安全系数 主动轮从动轮 额定转矩 1郾210郾9641郾2 当量转矩 1郾951郾951郾4 备摇摇注 摇安全系数基本符合GLEASON制弧齿锥齿轮设计要求 主、从动螺旋锥齿轮 1334 SAE鄄C2009C120 2009中国汽车工程学会年会论文集摇 (续) 项摇摇目弯曲安全系数 接触安全系数 轮间差速器直齿锥齿轮 弯曲安全系数 行星轮与 限滑差速器齿轮 弯曲半轴轮啮合安全 行星轮系数 之间啮合 行星齿轮半轴齿轮行星轮半轴轮行星轮行星轮主动轮从动轮 额定转矩 3郾00郾621郾481郾543郾994郾553郾63郾5662郾4 当量转矩 1郾451郾451郾1 备摇摇注 摇符合MASTA软件

14、设计要求 轮边外啮合圆柱齿轮 摇安全系数符合GLEASON制锥齿轮设计要求 摇按啮合点计算,符合设计要求 表7摇门式驱动桥其他部件强度计算结果 项 摇摇次 外下半轴外上半轴内半轴主动锥齿轮输入轴叉花键轴叉 轮边输入轴 万向节叉十字轴轴管 扭转应力/MPa434516346232505505126114 花键剪切应力花键挤压应力 /MPa8093郾484464323 /MPa126149135727037 18575弯曲应力/MPa 轴承接触应力/MPa3500 花键挤压50;花键剪切70叉口弯曲臆80;叉口扭转臆160轴根部弯曲臆450;轴承与轴径接触臆3700 轴管扭转臆150杆部许用扭转应

15、力:580;花键许用挤压应力195;花键许用剪切应力轴承D轴承B轴承G轴承C轴承H轴承E 额定转矩 1郾6伊1071郾7伊10513郾8 当量转矩 24253147023741180240 21郾3212郾4431552 1709 轴承F轴承A,薄弱轴承理论上为A、F、E、H 3摇轮边输入轴总成计算分析 摇摇由于门式转向驱动桥采用单十字轴万向节轮边输入结构在0毅45毅范围内。 (图6、图7),因此本文将万向节叉轴交角琢取值范围限定 图7摇轮边输入轴结构示意图 3郾1摇非独立悬架转向驱动桥上单十字轴万向节运 动分析 图6摇单十字轴万向节图 摇摇图8所示输入轴和输出轴转矩之间的关系为(不计万向 1

16、336 SAE鄄C2009C120 2009中国汽车工程学会年会论文集摇 图8摇转向驱动桥输入、输出轴转矩差值变化曲线 节的摩擦损失摇摇鬃)T1鬃1=T2鬃2。 1为输入轴夹角;鬃2为输出轴夹角;琢为输入、输出轴夹角摇。和输出轴转矩的作用下是不能平衡的摇具有夹角为转角差驻琢鬃(不为=鬃2-0)鬃1。 的十字轴万向节。由此产生十字轴上的,在输入轴转矩 力偶距(附加弯矩)是在以180毅为周期的0最大值之间变化,在轴的支承处造成径向反作用力,弯矩同时引起与万向节相连件弯曲振动,并在输入、输出轴支撑上引起周期性变化的径向载荷,从而引起轴的振动。琢Z为主视图夹角;琢F为俯视图夹角。 摇摇摇摇单十字轴万向

17、节传动当量夹角:tana= z(不考F 虑万向节传动的摩擦损失及假定支承为刚性):M2=M1棕棕1 2 =M1 1-sin摇cos2acosa 2鬃1 。摇摇矩变化曲线摇图8上、。下段曲线分别为非独立悬架门式桥表明非独立悬架转向驱动桥(单十字轴万向、轮减桥转 节)的轮边半轴,在输入转矩固定时其输出转矩随轴交角变化而呈正弦波变化。十字轴万向节用于非独立悬架转向驱动桥会引起较大的转矩变化摇向节式半轴摇美国FMTV,高速时易于引起振动。 (轮边为直齿锥齿轮行星机构中型越野车的非独立悬架桥采用单十字轴万 ),整车在转向、速度稍高时,易形成万向节的不等速性,产生振动与噪声,但其较低的半轴转速、角加速度,

18、良好的可靠性,环境的适应性及低成本依然被美驰采用。 3郾2摇独立悬架、转向驱动桥上单十字轴万向节式 轮边输入轴总成运动学分析 摇总成支承和悬架部件的振动摇多万向节传动的输入、输出轴的转角差,造成齿轮的冲击和噪声,会引起传动系,轮边输入轴总成(结构见图7)转角差可近似推算为:驻鬃=a2e (2摇鬃4 sin 最为理想摇1)。 从图。9中可看到在当量夹角输入轴转角琢e臆3毅鬃鬃时输出轴转角相对输入 ,驻鬃值为2毅左右,轴超前,即:鬃1从0毅90毅,21,两角差值在45毅时最大,随后减小, 图9摇轮边半轴输入、输出转角差变化曲线 即:此区间输出轴先快后慢,90毅180毅输出轴滞后,也就是输出轴运行时

19、快时慢。每一转中转角差、角速度乃至角加速度等都会周期性地变化2次。两轴交角越大,则转角差越大,即十字轴万向节的不等速性越严重。 3郾3摇断开式门式桥与轮减桥轮边输入轴(单十字结 构)运动学对比分析 摇图摇10断开式门和图11。 式桥与轮减桥轮边输入轴跳动校核对比见图10摇门式桥满载轮边输入轴随轮胎跳动校核图 图11摇轮减桥满载轮边输入轴随轮胎跳动校核图 摇表摇12轮边输入轴总成不等速运转量化分析对比计算见表和图12。 11、表11摇十字轴式轮边输入轴不等速传动的评价指标 符摇号 说摇摇明单摇摇位评 着 角加速度 rad/s2 价k琢方法驻U 摇e与轮边输入轴转速乘积 驻U=sin茁2茁rad(

20、r/min)tan1tan茁2茁1-sin摇仅考虑直线行驶空满载状况 为单纯的角度变量值,可 摇2009中国汽车工程学会年会论文集 SAE鄄C2009C120 1337 表12摇门式桥与轮减桥典型工况的轮边输入轴不等速运转量化分析值汇总 前驱动桥各类典型工况 直线行驶极限转角 上跳极限位置 满载 上跳极限位置 1/2极限转角极限转角下跳极限位置 下跳极限位置 1/2极限转角极限转角 直线行驶极限转角 上跳极限位置 空载 上跳极限位置 1/2极限转角极限转角下跳极限位置 下跳极限位置 1/2极限转角极限转角 门摇式摇桥 着9郾5128郾5281郾8711郾31001176郾691510162郾8

21、131郾4253郾1820郾3868郾3168郾7879郾3879郾7 k17016204915314499173007241165241745089162708667156331610070791620016250 驻U0郾0010郾4810郾0250郾1420郾3920郾0170郾160郾4236E鄄050郾480郾0270郾1450郾40郾0210郾1540郾414 着136597郾8329郾55426500784754964565163郾6592郾8234郾85584郾5509475738813942 轮摇减摇桥 k29郾67108郾2159郾7252郾9301郾8126郾3288郾3

22、304郾415郾54109郾4151郾2272郾7280郾9123郾5282郾6283郾5 驻U0郾00420郾4720郾01030郾1760郾4470郾0290郾1880郾430郾0050郾470郾00730郾180郾4540郾0250郾1350郾376 摇摇根据表12得到门式桥与轮减桥各极限工况三项评价指 标的具体数值,门式桥输入轴各项数值均符合经验要求,而轮减桥值远高出门式桥,对整桥乃至整车产生的振动与噪声也会远高于门式桥。因此单十字轴万向节式轮边输入轴总成更适于独立悬架门式转向驱动桥。摇摇 3郾4摇断开式门式桥轮边输入轴总成动力学简要分 析(仅针对满载情况) 摇摇整车直线行驶,轮边输入轴总成受力分析如图13所示。轮边输入轴在运行过程中,始终呈Z字形(仅在茁11015 符合判定 符合符合符合符合符合符合符合符合 2郾55,基本等效于理论计算值2郾4摇满足整车爬坡与下坡能力 摇静扭后备系数2郾65基本等效于理论安全系数 摇静扭按最大额定转矩的后备系数 备摇摇注 表15摇试验内容及试验结果说明 部件总成整车实验 试验项目整车可靠性试验/km静扭试验/Nm润滑试验静扭试验/Nm 主减速器总成 差速锁