HKD-5吨洒水车驱动桥设计【含4张CAD图纸】
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河南科技大学本科生毕业设计摘 要现如今，对于特种装备汽车生产制造来说，洒水车的制造是至关重要的，而且驱动桥更是汽车制造过程中必不可少的一部分。洒水车驱动桥的设计对于整车设计来说是尤其关键的一部分。为满足洒水车不同作业情况下减速增扭、防止侧滑、实现转弯行驶或在不同路面上两侧车轮以不同转速转动的条件，其中的关键尺寸和材料选取等一些需要自行设计的零件将会影响很强。现如今，驱动桥的设计已经趋于成熟，需要我们更进一步去研究的便是在降低驱动桥设计的成本、提高驱动桥工作效率、简化其结构的同时，想出更多新东西，突破极限，突破现有的格局。大家想必都知道，现在是互联网的时代，一切产品离开了互联网，势必将会被时代所淘汰。先进的中国人民在这一世纪应紧紧抓住机会，将汽车和互联网结合起来，将驱动桥和互联网结合起来，从而推动我们汽车行业，向更广阔的平台进军，用科技的力量从后面推着制造业行进。为了能够加深对现代汽车设计和机械设计的印象以及增强我们的理论知识，本次通过毕业设计对洒水车驱动桥的设计具有很强的实际意义。在这篇论文里，首先经过细心的调研，查阅相关资料，在了解了国外先进的制造技术之后，确定了基本的设计思路。在老师的帮助下，通过课本上设计方法对半轴和半轴套管以及其它相关零件的尺寸完成所设计并进行了相关校核。最后将所计算的有关数据通过CAD形成了完美的装配图和一些零件图配。关键词：洒水车，驱动桥，单级主减速器，差速器，半轴，桥壳ABSTRACTNowadays, for the production and manufacture of special equipment, the manufacture of the sprinkler is of great importance, and the drive axle is an essential part of the automobile manufacturing process. The design of the sprinkler drive axle is a particularly critical part of the whole vehicle design. In ord to meet that condition of speed reduction and torsion in different operation conditions of the sprinkler, the condition that the side slip is prevented, the turning travel is realized or the wheels are rotated at different rotation speeds on the two sides of the different road surface, the key size and the material selection and the like are required to be self-designed and the part which needs to be self-designed will have strong influence. Now, the design of the drive axle has become mature, and we need to go further to the study, which is to reduce the drive The cost of moving bridge design, improve the efficiency of driving bridge, simplify its structure, at the same time, come up with more new things, break through the limit, break through the existing pattern. We must all know that now is the era of the Internet, all products left the Internet, will be eliminated by the times. In this century, the advanced Chinese people should seize the opportunity to combine cars and the Internet, drive bridges and the Internet, so as to promote our automobile industry and march into a broader platform. Push manufacturing from behind with the power of technology. In order to deepen the impression of modern automobile design and mechanical design and enhance our theory On the basis of knowledge, this project is of great practical significance to the design of the sprinkler driving bridge through the graduation project.In this paper, first of all, after careful investigation, consulting the relevant materials, after understanding the advanced manufacturing technology abroad, the basic design ideas are determined. With the help of the teacher, the dimensions of half-shaft and half-shaft casing and other related parts are designed and checked by textbook design method. Finally, the calculated data are formed by CAD to form a perfect assembly drawing and some part drawings.Key words: sprinkler， drive axle， single stage main reducer，differential， half axle， axle housing目录第1章 绪 论11.1设计（或研究）的依据与意义11.2国内外驱动桥研究状况11.3设计主要内容2第2章 驱动桥设计32.1任务书主要技术指标32.2初步实施计划32.3发动机的选型32.4汽车轮胎的选取42.5汽车车桥的种类42.6驱动桥结构组成42.7驱动桥设计要求52.8设计车型主要参数52.9主减速器结构方案的确定62.9.1主减速器的齿轮类型选取62.9.2主减速器的减速形式62.9.3主减速比的计算62.9.4主减速器主从动锥齿轮的支承形式及安装方法62.10差速器结构方案的确定72.11半轴形式的确定82.12桥壳形式的确定82.13本章小结8第三章 主减速器设计103.1概述103.2主减速器齿轮参数的选择与强度计算103.2.1主减速器齿轮计算载荷的确定103.2.2 主减速器齿轮参数的选择113.2.3螺旋锥齿轮的强度计算143.2.4主减速器的轴承计算183.3主减速器齿轮材料及热处理243.4本章小结24第4章 差速器设计264.1概述264.2对称式圆锥行星齿轮差速器的结构264.3对称式锥齿轮差速器的设计264.3.1差速器齿轮的基本参数选择264.3.2差速器齿轮的几何尺寸计算284.2.3差速器齿轮的强度计算304.2.4差速器齿轮的材料314.4本章小结31第5章 半轴设计325.1概述325.2半轴的设计与计算325.2.1全浮式半轴的计算载荷的确定325.2.3全浮半轴强度计算335.2.4全浮式半轴花键强度计算345.2.5半轴材料与热处理355.3本章小结35第6章 驱动桥桥壳的设计366.1概述366.2桥壳的受力分析及强度计算366.2.1桥壳的静弯曲应力计算366.2.2在不平路面冲击载荷作用下桥壳的强度计算376.2.3汽车以最大牵引力行驶时的桥壳的强度计算386.2.4汽车紧急制动时的桥壳强度计算396.2.5汽车受最大侧向力时桥壳的强度计算41结 论44参考文献45致 谢47附 录A48附 录B562第1章 绪 论1.1设计（或研究）的依据与意义机械行业作为一国支柱性产业，其发展势必会受到国家重点推崇，而我国对于特种作业汽车的发展也是提出来更进一步的要求，生产厂家现如今在研发和生产上已经形成了相对成熟的产业链和生产方法。因为洒水车驱动桥设计包括很多机械零件，而零件数目越多，其中的机械磨损、能量消耗就会越严重，整个总成的机械效率就相应的会降低很多，制造成本必然也会相应增加很多。因此为了提高效率、降低油耗、减小成本损失，驱动桥的设计毋庸置疑是极其关键的。老百姓的生活水平越来越高，对城市环境要求也是提出来了新的要求，相应的，洒水车作为清洁城市环境的工具，其桥的设计将会影响其城市作业的效率。因此本次设计的意义就是要设计出低成本、性能优良、工作平稳的洒水车，掌握相关的设计方法，总结设计中可能出现的一系列问题，并在老师的帮助下解决这些问题，这不仅对于自己是一种能力上的提升，也能将来为祖国的机械行业作出自己力所能及的贡献。1.2国内外驱动桥研究状况一、国外研究现状我们都知道，世界上第一辆汽车是由欧洲在19世纪90年代生产制造，之后的几十年里，欧洲汽车行业一步步向世界展现出了前所未有的奇迹。之后美国汽于1901年也向世界展现出了他们的繁荣与先进，开启了美国汽车行业的新纪元。在上个世纪90年代，美国街道上已经被汽车堵得车水马龙、水泄不通。从中可以看出，国外的汽车行业发展早于中国汽车行业几十年，他们的各种类型汽车都借助本国汽车底蕴，有很深的发展基础，他们发展过程中遇到的种种问题都已经为他们提供了丰富的经验，100多年的发展历程，为他们储备了充足的专业人才。当然，国外洒水车的发展水平也已经处于非常发达的水平。目前国外驱动桥设计的新方法给驱动桥的设计展现出了新的可能性，其主要新技术包括：1、 并行工程开发模式 2、 模态分析 3、 4、 高性能制动器技术 5、 二、国内研究现状我国自主生产的汽车在上个世纪三十年代问世，其中的一些关键零件也是从国外进口，之后由于战争问题，我国汽车行业停止了前进，甚至向后倒退。我国驱动桥的开发模式相较于国外来说，总体相差较远，这也是我国如今机械制造行业的现状。现如今，我国汽车公司，例如东风汽车、上海汽车、和广州汽车都是国内外合资企业，我们能够接触到的核心技术很少，国外为了保持竞争力，只是把他们已经用剩下的东西传到中国，而先进的技术藏起来，技术含量低。其中发展较好的企业，并且是本国土生土长的企业，例如红旗汽车、比亚迪汽车和奇瑞汽车，也是依靠引进国外先进的桥，虽然自身拥有相对较好的开发体系和研发人员，通过提高薪资水平来吸引高科技人才，但是总的来说，若和国外相比，相当于他们零几年的水平。1.3设计主要内容一、确定设计方案；二、完成相关计算；三、进行校核，修改设计尺寸；四、将计算所得数据整理，完成CAD图。第2章 驱动桥设计2.1任务书主要技术指标一、驱动型式：4X2（后双胎）；二、驾驶室:平头，单排；三、罐体容积：5m3；四、最大总质量：约7500Kg；五、轴距:3360mm;六、长宽高界限：6X2X2.5m；七、最小离地间隙：180mm；八、最高车速：90Km/h；九、最小转向圆直径：12m；十、制动距离（空载）：9m；十一、最大爬坡度：25%；十二、驻车坡度：20%；2.2初步实施计划本次毕业设计开始于2019年3月16日，在老师的组织下，我们首先进行了分组，4人一组，每个人被分配了不同的任务，完成5吨洒水车的总体设计。首先，我们召开了小组会议，商讨实施计划，初步确定每个人的工作与彼此之间的联系。之后，我们按照任务书要求，合理的分配了我们每个人的工作计划，严格按照任务书进度进行工作。2.3发动机的选型选择发动机机时，要考虑的问题有：一、成本问题，也就是经济性问题；二、尺寸大小问题，因为要考虑到其在汽车上的安装与放置位置；三、功率问题。如下为简单的功率平衡公式:也可通过比功率进行选取：PPUM=选取时要考虑以下几点：一、洒水车行动迟缓，它跑的最快时也就90Km/h,而洒水车经常工作的速度不是最高车速，而是中低车速，车速变化范围小；二、比功率主要与uamax有关；三、比功率还与CDA/m有关。然后是最小传动比的选择，也就是最高档位传动比，最小传动比为直接档，取为1。其次是最大传动比的选择，最大传动比与洒水车最大爬坡度密切相关，因为设计汽车是任务书没有给出所设计车的作业地区，故按照正常城市行驶路面设计。最后档位数我们选取为五个档位，各档按等比级数分配的优点：动机工作范围相同，加速时便于操纵；各档工作时单位时间内消耗的能量很大，有利于汽车的行动能力；通过查阅相关车型的数据，我们初步选定了潍柴动力的一款发动机，冷却形式为水冷，其型号为。汽车传动比:一档-5.63，二挡-3.66，三挡-2.37，四挡-1.54，五档-1。2.4汽车轮胎的选取汽车轮胎按照不同的分类方法有不同形式，在这里只介绍两种轮胎形式：子午线和斜胶轮胎，并通过比较选取合适的轮胎。子午线轮胎，从它的名字我们就能理解，它的表面犹如地球的子午线一样。斜胶轮胎也可由它的名字得知其表面形式。目前国内外汽车多采用子午线轮胎，普通斜胶轮胎用处很少，与有被逐渐忽略的趋势。最后，经查阅相关标准，选取型号为 的轮胎。2.5汽车车桥的种类洒水车车桥，之所以称其为桥，我们可从桥的功能联想到汽车车桥的功能。汽车车桥功能是从车辆内外承受各种反力和反扭矩，并通过悬架传递给车身。根据悬挂的结构或车轮在桥上的作用，桥可分为不同的类型。现代轿车为提高其牵引力，多采用前置前驱的转向驱动桥，而货车多采用后置后驱的驱动桥。2.6驱动桥结构组成驱动桥包括不仅下图中的2、3、4、5、6，还包括其上的部件和零件。图1.1 驱动桥2.7驱动桥设计要求一、二、三、2.8设计车型主要参数表2.1 设计车型参数轮胎 7.5-16发动机最大功率96/3000Pemax kW/np （r/min）发动机最大转矩350/3000Temax Nm/nr （r/min）装载质量3000kg汽车满载总质量7500kg满载时轴荷分布前轴35% 后轴65%最大车速90km/h轮距（双胎中心线）1458mm钢板弹簧座中心距离865mm2.9主减速器结构方案的确定2.9.1主减速器的齿轮类型选取尽管准双曲面齿轮有诸多优点但是其也有很多缺点，例如：轴向负荷较大；传动效率略逊一筹，并且有螺旋锥齿轮制造相较于双曲面齿轮简单、维修保养方便、工作时噪声小等优点，故本次设计，螺旋锥齿轮是不二之选。2.9.2主减速器的减速形式选用单级主减速器。主要原因是一方面双级主减速器适用于主减速比较大的汽车，一般主减速比应大于7.6，而本次设计主减速比只有6.15；另一方面是因为双级主减速器由于需要两对齿轮副进行啮合，摩擦损失较大、机械效率较低、外形尺寸较大的缺点；同时由于尺寸的增大和零件数目的增加提高了主减速器的生产成本，故采用双级主减速器不适合本次驱动桥的设计。2.9.3主减速比的计算主减速比io的大小是本次设计中极为重要的一个数据，它不仅会影响变速器的相关设计尺寸，而且对驱动桥的外廓尺寸、形状大小以及驱动桥的结构形式都会产生巨大的影响。而本次设计未给出发动机的型号，故需要自己查找有关资料去确定发动机型号，从而确定主减速比和各档传动比。考虑到发动机的最大功率和速度，选定的数值应确保这些车辆具有尽可能高的最大速度： （2.1）式中：车轮的滚动半径，=0.405m 变速器一档传动比。 最大功率转速3000 r/min 车速的最大值90km/h对于货车来说一般按照下式计算，从而保证货车足够的功率：=（0.3770.472） （2.2）算得=6.15。2.9.4主减速器主从动锥齿轮的支承形式及安装方法一般情况下在布置齿轮应以全齿宽啮合，齿传动时会“打架”，“打架”时必然会产生双向效果，产生的力会导致二者之间的方位变化，产生打击力，最后会两败俱伤，为保护二者，使二者产生良性的关系，保证齿轮完美啮合，齿轮的支撑形式的选取至关重要。 下面是主动锥齿轮的两种支承形式 图1.2 悬臂式与跨置式有如下不同：（1）结构复杂程度：悬臂式简单，跨置式复杂。（2）承载能力方面：无疑式跨置要好一点；（3）成本方面：悬臂式造价低。综合价格、吨位、复杂程度等方面考虑，主动齿轮选用上图（a）方案。从动锥齿轮支撑形式只有跨置式支承方法，如下图所示。辅助支架通常安装在从动锥齿轮的外边缘的后部，这限制了垂直于齿轮背面的力引起的锥齿轮沿垂直于齿轮背面的行动。从动齿轮支撑形式 图1.3 2.10差速器结构方案的确定汽车行驶过程中，当其在乡间行驶或在山路行驶时，因为乡间道路多有不平、上路崎岖，如果汽车左右两侧的车轮仍然以相同的角速度行驶，而旋转半径不同，因而其瞬时速度并不相同，显然，内轮和外轮之间的距离在单位时间上必定不同，外轮之间的距离大于内轮。其结果就是使汽车边滚动边滑移，显然这对汽车行驶是不利的，严重时甚至可能导致汽车甩尾或者侧翻等危险情况。差速器的出现，有效的防止了上述情况的发生。差速器类型很多，对于不同类型、不同吨位、不同行驶条件以及不同使用要求的汽车，差速器的选择必须满足其该规定下的使用要求。这次选择普通锥齿轮差速器。2.11半轴形式的确定半轴功能是传递扭矩。半轴可以分为下图（1）、（2）、（3）三种。（1）半浮式 （2）3/4浮式 （3）全浮式全浮式半轴会受到沿其切向时的力时产生的矩，沿垂直于其轴线的力产生的矩全部传给桥壳，应用广泛。半浮式半轴，不仅承受扭矩，还承受转矩，结构紧凑、重量轻、拆装不方便，多用于微、轻型汽车。根据询问老师并查阅有关资料，本次设计选用上图（3）形式。2.12桥壳形式的确定桥壳的作用如果用现实作比喻，就像庇护所一样，因此所具有的强度要高，硬度大。除此之外，同时并保证其质量不能过重，保证其应易于拆装。桥壳形式有以下几种：（1）整体式；（2）断开式；（3）组合式。整体式桥壳一般用于货车后桥，其里面没有东西，只有为了装差速器等都放进去。钢板冲压焊接整体式桥壳由于具有制造成本低、制造简单、节省材料等一系类优点，因此，国内外现在都采用这种结构。综合分析，选钢板冲压焊接整体式桥壳。2.13本章小结一、本章完成的任务：二、明确此次设计的任务及要求；三、确定了设计计划；四、根据任务书确定了发动机型号、各档传动比，并将发动机数据进行了表格处理；五、选取了轮胎型号；六、确定了主减速比；七、确定了主从轮的类型、咋减速、齿轮咋支承；八、初步选定了差速器形式、半轴结构形式和驱动桥壳的形式。第三章 主减速器设计3.1概述主减速器由主动锥齿轮和从动锥齿轮组成，依靠二者之间的啮合从而达到减速增扭和改变转矩传递方向的作用。主减速器齿轮在传动过程中，不仅要承受来自万向传动装置所带来的各种转矩，同时也会由于啮合过程中因摩擦、冲击等原因造成的齿轮的各种损坏，因此主减速器的各种强度计算校核是极其重要的。3.2主减速器齿轮参数的选择与强度计算3.2.1主减速器齿轮计算载荷的确定一、按发动机最大转矩和最低挡传动比确定从动锥齿轮的计算转矩/n （3.1）式中：最大扭矩，350；=6.155.63=34.624一档传动比=5.63； 传动效率，=0.9； 超载系数，取=1.0； n驱动桥数目1。=350 34.6245 1 0.9/1=10906.72二、按驱动轮在良好路面上打滑转矩确定从动锥齿轮的计算转矩 （3.2） 式中： 满载时，后桥给地面的垂反力：=9.8=75009.8x65%=47775N； 附着系数，取=0.85；滚动半径，0.405m；分别取0.96、1。=17131.82 最大转矩只能用来汽车在最大负荷条件下进行校核，而对于洒水车来说，由于其工作条件总是城市作业，相对来说，在最大负荷功率下工作的情况很少。要检验其是否发生疲劳损坏，必须依靠日常平均转矩进行校核，而洒水车在城市作业时，道路上行驶情况变化频繁，故其平均计算转矩在汽车设计中只能依靠平均牵引力来近似表示。三、按汽车日常行驶平均转矩确定从动锥齿轮的计算转矩= （3.3）式中：汽车装上全部货物时的重量, =75009.8=73500N；取=0； 取 =0.015； 平均爬坡能力系数。初取=0.05； 汽车性能系数 （3.4）当 =40.9516时，取=0。=1857.493.2.2 主减速器齿轮参数的选择一、 主、从动齿数的选择 选择齿数时应考虑如下:不能有公约数；;不能小于6。主减速器的传动比：6.15，初定。二、从动锥齿轮节圆直径及端面模数的选择 节圆直径一般由经验公式计算得来： （3.5） 式中：直径系数（1316）；计算转矩，取，=10906.72。由（3.5）得，=288.21339.20mm，假设=300mm。再由公式计算从动齿轮模数，并进行校核： （3.6） 式中：取0.30.4；计算转矩，。 =6.658.87仔细斟酌课本要求，取=7mm，满足。最后得到：。三、螺旋锥齿轮齿面宽 汽车制造生产中，主动齿轮齿宽常用下式求出：b2=0.155D2，假设=50mm。设计中，取，故取=55。四、螺旋锥齿轮螺旋方向 综合分析，确定方案：主动轮左旋，从动轮右旋。五、 旋角的选择 螺旋角的大小会影响齿面的一致性、轮齿的强度和轴力的大小。越大，传动稳，噪声低，但是所受轴力上升，通常选取35。六、法向压力角a的选择法向压力角不能太大，也不能太小，不同工作条件下的齿轮所要求的的压力角也不相同，不同类型汽车也有不同要求，货车一般选取20。综合考虑，选取压力角=20。七、主从动锥齿轮几何计算计算结果如表3.1 序号项 目计 算 公 式计 算 结 果1主动齿轮齿数72从动齿轮齿数433模数74齿面宽B=55mm=50mm5工作齿高10.91mm6全齿高=12.132mm7法向压力角=208轴交角=909节圆直径10节锥角11节锥距mm12周节t=3.1416 mt=21.98mm13齿顶高14齿根高15径向间隙c=1.212mm16齿根角17面锥角；18根锥角19外圆直径=68.825mm=301.607mm20节锥顶点止齿轮外缘距离21理论弧齿厚22齿侧间隙B=0.1780.2280.2mm23螺旋角3.2.3螺旋锥齿轮的强度计算一、损坏形式及寿命通过以上的计算，我们已经得到了主减速器的相关尺寸，而齿轮在长期的工作过程中，齿面发生各种磨损，各种磨蚀，各种点蚀的情况层出不穷，影响齿轮的寿命。二、主减速器螺旋锥齿轮的强度计算单位齿长上的圆周力 （3.7）式中：N/mm； F圆周力，N，按下面两种情况计算。按发动机最大转矩计算时： （3.8）式中：同（3.1）； 变速器的传动比； 同（3.6）；一档时： =1757.14Nmm直接档时：=285.71 Nm。 (Nmm)类别档位一档二档直接档轿车893536321载货汽车1429250公共汽车982214牵引汽车536250注：现代汽车设计中，由于材质和加工工艺的提高，p一般高出表中数值20%-25%按最大附着力矩计算时： （3.9）式中：同（3.2）； 同（3.2） 滚动半径；由（3.9）得，=2185.59 Nmm。由于发动机最大扭矩的限制，不可能产生这么大的附着力矩，故校核成功。三、轮齿的弯曲强度计算 汽车主减速器螺旋锥齿轮轮齿的计算弯曲应力为 （3.10）式中：同（3.5），即，；对主动齿轮，应将从动齿轮计算转矩与传动效率和传动比相除，=2394.98，=407.88；超载系数，1.0； 尺寸系数， ； 载荷分配系数，取=1； 质量系数，取1；J综合系数，如图3.1，=0.241，=0.182。按计算： 主动锥齿轮弯曲应力=564.34 Nmm700 Nmm从动锥齿轮弯曲应力=628.80mm700 Nmm按计算：主动锥齿轮弯曲应力=88.72 Nmm210.9 Nmm从动锥齿轮弯曲应力=128.82 Nmm210.9Nmm经计算，校核成功。图3.1 弯曲计算用综合系数J四、轮齿的接触强度计算 锥齿轮齿面的接触应力： （3.11）式中：用于设计计算的主动齿轮扭矩，=2394.98，=407.88；材料的弹性系数，查阅取；同(3.6)；，同3.10；尺寸系数，=1； 表面质量系数，可取1； B齿面宽，取小齿面，50mm； J综合系数，J =0.135（由下图得出）图3.2 接触强度计算综合系数J按计算，=2381.282800 Nmm 按计算，=1138.851750 Nmm经上述分析，满足校核。六、主动齿轮轴的弯矩 下图为简化的主动齿轮受力图、弯矩图。 危险截面综合弯曲应力公式 ： （3.12）式中： 弯曲截面系数,；主动齿轮计算转矩为407.88危险截面弯矩。经计算，=74.11MPa=230MPa所以主动齿轮轴满足要求。图3.3 主动齿轮轴弯矩图3.2.4主减速器的轴承计算一、作用在主减速器主动轮上的力齿轮工作时，其上的受力情况如下图所示，其上当量转矩由下计算：(3.13)式中：同（3.1）；，变速器在各挡的使用率，查表得；，一档到五档的传动比：5.63，3.66，2.37，1.54，1；，一档到五档，发动机利用率，取。表3.4及的参考值变速器档位车型轿车公共汽车载货汽车III挡IV挡IV挡IV挡带超速档IV挡IV挡带超速档V挡80I IIIIIIVV19901420750.82.51680.72627651415501311850.53.57590.5251577.5IIIIIIIVV60 60507065606065605050707060607070606050607060506070705060707060注：表中汽车装满货物时总重，经计算=227.71 Nm齿面宽中点的圆周力F为：=11118.65N （3.14）式中：T即，同（3.13） 从动轮齿宽中点的节圆直径。 所以：40.96mm =251.64mm； 大齿轮（从动）节锥角，80.45。计算螺旋锥齿轮的轴向力与径向力式主动齿轮轴向力径向力螺旋方向旋转方向右左顺时针反时针右左反时针顺时针主动轮计算结果：=8429.71N （3.15）=3616.52N （3.16）从动轮计算结果： =3616.52（N） （3.17） =8429.71（N） （3.18）式中：法向压力角20； ，见表3.1。二、主减速器轴承载荷的计算如图所示为主从动齿轮轴承所受径向载荷位置示意图，其中主动齿轮采用悬臂式，从动齿轮采用跨置式。轴承A，B的径向载荷分别为= （3.19） （3.20）式中：已知=11118.65N，=3616.52N，=8429.71N , , 所以，轴承A的径向力=6967.04 N 轴承B的径向力=17930.96 N轴承的寿命为 s （3.21）式中： 温度系数，1.0；载荷系数，1.2；Cr额定动载荷，N。本次设计所选用的洒水车为轻型洒水车，其驱动桥主减速器不采用轮边减速器，其从动主齿轮计算转速为 r/min （3.22）式中：同（3.9）； 平均车速，km/h;取32.5 km/h。所以有上式可得=213.45 r/min主动锥齿轮的计算转速=213.456.15=1312.72 r/min。得出轴承能的额定轴承寿命： h （3.23）若S定为100000公里，可计算出预期寿命即 = h （3.24）所以=3076.9 h轴承A、B，选用型号为30207，查表得其尺寸参数为：对于轴承A，所受径向力=6967.04N，轴向力A=8429.71N，=0.83eX=0.4，Y=1.6 Q= （3.25）式中：冲击载荷系数，取1.2；得到 Q=1.2（0.46967.04 +1.68429.71）=19529.22N。轴承的使用寿命为：= 6416.5h3076.9 h=所以轴承A符合使用要求。对于轴承B，其所受径向力=17930.96N，轴向力A=8429.71，=0.47eX=0.4,Y=1.6 Q= （3.26）得到 Q=1.2（0.417930.96+1.68429.71）=24791.90N=3531.02 h3076.9 h=所以轴承B符合使用要求。 轴承C、D径向载荷:R= （3.27） （3.28）已知：P=11118.65N，=3616.52N，=8429.71N，a=240mm，b=124mm.c=116mm得到，轴承C的径向力：=6914.70N；轴承D的径向力：=8032.56N根据相关计算及查阅，轴承C，D均采用轴承型号为32103的轴承，其基本设计参数为 Cr=82.8KN,D=100mm，d=65mm ，T=23mm，e=0.35轴承C所受轴向力A=3616.52N，径向力=6914.70N，所以Q=1.2(0.43616.521.78032.56)=18122.35N =12357.75所以轴承C满足使用要求。轴承D，所受轴向力，径向力。所以Q=8032.56N=186126.40 h 所以轴承D满足使用要求。3.3主减速器齿轮材料及热处理在传动系统中，锥齿轮周围的环境与传动系统中的齿轮及其它齿轮周围的环境不同。相较于这些齿轮的工作条件，驱动桥锥齿轮（包括主减速器主从动齿轮和差速器齿轮）所受的载荷更加大、所受冲击更大、工作环境更恶劣，故其所受的磨蚀磨损、疲劳点蚀、根部弯曲疲劳折断的可能性更加严重，因此，材料和热处理必须如下：一、齿轮齿面的硬度要足够的高，降低发生疲劳折断、根部折断等现象的可能性，提高齿轮的工作寿命。二、钢材的材料要保证齿轮易于加工，易于进行热处理，以提高齿轮加工质量，减少加工成本。经查阅资料了解，选取。3.4本章小结本章主要进行了如下工作:一、确定减速器相关尺寸；二、尺寸校核；三、选取轴承；三、选取齿轮材料，热处理方式；第4章 差速器设计4.1概述因为当一辆汽车在路上行驶时，它的工作环境是千变万化的，时常会遇到例如转弯、路面不平等一系类路况，同时也可能由于车辆长期不进行保养等自身问题，使左右汽车轮胎承载强度长时间差别过大，导致一个胎内气多，一个少，汽车轮胎磨损的程度也有可能不同，诸如此类情况均会导致汽车发生滑移等，特别是当汽车在山区或更加恶劣的环境下，其路面条件恶劣，弯路多，转弯时可能会使汽车落入山下。因此必须在汽车左右车轮间装差速器。有了差速器，两侧车轮单位时间内的行驶里程不同，这样就可以避免汽车发生滑移、滑转等危险情况。4.2对称式圆锥行星齿轮差速器的结构其基本结构如图所示。差速器主要是由下图中的2、4、6、7、8、9等主要部件组成。图4.14.3对称式锥齿轮差速器的设计4.3.1差速器齿轮的基本参数选择一、 行星齿轮数目的选择 n可取2或4，经查阅资料，在此取。二、行星齿轮球面半径（mm）的确定行星齿轮球面半径通常由经验公式得出： （mm） （4.3）式中：行星齿轮球面半径系数，2.522.99； 取，较小，即=10906.72。经计算=53.8757.28mm，取=55mm得到后，节锥距选取公式： =（0.980.99）=53.954.5mm 取54mm （4.4）三、行星齿轮与半轴齿轮齿数 在选取行星齿轮的齿数时，应选取较小的齿数，但也不应小于10。考虑到安装问题，应保证满足如下公式。即： = I （4.5）式中： ，齿数（左，右半轴），=； n行星齿轮数，n=4； I任意整数。取=10，=18，符合上式和相关要求。四、差速器锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径 （4.6）式中：，见表4.1；如4.5所示。圆锥齿轮的大端模数 =5.24 （4.7）取=5mm； 故直径d，即可得： 五、压力角 机械设计中，差速器齿轮常用的压力角，齿高系数经查阅资料选0.8，大质量的汽车压力角可采用25，由于洒水车只有5吨，故选。六、行星齿轮安装孔直径及其深度L的确定相关计算公式： 图4.2安装孔直径及其深度L =2（mm） =26 mm （4.9）式中：同(4.3)，10906.72； n行星齿轮数4； 见表4.1，； ，； 许用挤压应力，69MPa.。4.3.2差速器齿轮的几何尺寸计算（）序号项目计算公式计算结果1行星齿轮齿数102半轴齿轮齿数=1425，且需满足式（4.5）3模数4齿面宽B=(0.250.30)A0;b10m18mm5工作齿高6全齿高8.9517压力角22.58轴交角909节圆直径； 10节锥角11节锥距12周节13齿顶高;14齿根高;15径向间隙=0.188m+0.05116齿根角; 17面锥角；18根锥角；19外圆直径；20节圆顶点至齿轮外缘距离21理论弧齿厚 22齿侧间隙=0.1270.178 mm4.2.3差速器齿轮的强度计算差速器齿轮与变速器齿轮不同，差速器啮合时间短，只有在转弯、道路不平等一些特殊情况导致的左右两侧车轮以不同速度滚动情况下才会起作用，因此，差速器弯曲强度的计算是关键，而不是疲劳强度。汽车差速器齿轮的弯曲应力为 （4.10）式中：T见下式； （4.11） =1626.01； =278.62；n差速器行星齿轮数目4；半轴齿轮齿数18；超载系数1.0；质量系数1.0；尺寸系数=0.6661；载荷分配系数1.1；B齿面宽18mm；m模数5mm；J取0.225，见图4.5。图4.3 弯曲计算用综合系数J以计算得：=818.57 MPa=980 MPa以计算得：=203.66MPa=210.9Mpa经本章计算，所得强度没有超过许用值，满足。4.2.4差速器齿轮的材料同样选取20CrMnTi。4.4本章小结本章进行了差速器相关尺寸的设计与校核，并进行了弯曲强度的校核，并将相关尺寸进行了表格整理，选取了齿轮材料。第5章 半轴设计5.1概述此次设计所选用的半轴为全浮式半轴，设计时应首先查阅相关类型汽车的半轴资料，综合分析、比较之后确定半轴直径，并对其进行强度校核。5.2半轴的设计与计算5.2.1全浮式半轴的计算载荷的确定在进行计算时，首先要明白，半轴选用的是何种半轴，前面已经给出，是全浮式的。清楚了半轴类型，需要明白此种半轴类型，受力特点是什么，经查阅汽车构造，查得这种形式只承受转矩，故只需计算纵向力最大时的情况即可。如下图，转矩，的数值，又可分为两种情况计算。若按最大附着力计算，即 （5.1）式中： 附着系数，0.8； 质量转移系数，取1.3。得出 =24843 N若按发动机最大转矩计算，即 （5.2）式中： 差速器的转矩分配系数，取0.6； 最大扭矩，227.71Nm； 传动效率，取0.9； 一挡传动比=6.155.63=34.6245； 滚动半径，0.405m。根据上式10512.46 N取10512.46N 应按发动机最大转矩计算则： =4257.55Nm5.2.2全浮半轴杆部直径的初选常由下列公式选取： （5.3）式中：d半轴直径mm； T用于设计半轴时，计算所用转矩，4257.55； 半轴转矩许用应力，MPa。=490588MPa。 取d=35mm 。 5.2.3全浮半轴强度计算通过下面这一公式：= （5.4）式中：半轴扭转应力，MPa； T如（5.3） d半轴直径35mm； 如（5.3）得，=505.74，未超过许用值。半轴的最大扭转角为 （5.5）式中：T同（5.3） 半轴长度800mm； G材料的剪切弹性模量，8.410N/mm； J极惯性矩，=147248.83mm。经计算，=14.78，合适的扭转角范围为615，合适。5.2.4全浮式半轴花键强度计算选取花键时，应该增加花键的齿数，这样才能更好的实现花键端部加粗，减小花键键槽深度的效果，通常选取花键齿数为10-18齿。本次设计选渐开线花键。经过细心选取，花键的相关参数为：z=15，m=2.5，d=37.5mm，=30。半轴花键的剪切应力为： MPa （5.6）半轴花键的挤压应力为： MPa （5.7）式中：同（5.3）；半轴花键外径，40mm；花键孔内径，35mm；花键齿数15；花键的工作长度70mm；齿宽，4mm；载荷分布不均匀系数，0.75。根据据上式计算：=70.09 MPa=115.34MPa经计算，满足要求，校核成功。5.2.5半轴材料与热处理材料的选取要从各方面进行考虑，首先它必须经济实惠，容易得到；其次要考虑所采用的材料的强度和硬度是否符合本次设计要求；再而要广泛参考国内外制造经验，紧跟时代潮流。经过深入查找，了解到国外现如今采用多为中碳钢，国内也有此趋势，但考虑到如今国内采用这种材料的多为重型货车，而本次设计为轻型洒水车，故不选用此种材料。最终选用40Cr。经查阅书籍，大致了解到热处理主要作用就是为了增加零件表面硬度，经过多番思考，热处理方式选用感应淬火。5.3本章小结本章完成内容：（1）介绍半轴作用；（2）初选半轴直径：（3）对轴进行相关强度计算，并检验了强度；（4）完成花键的选取和强度校核；（5）根据老师建议和参考资料，确定了半轴的材料和热处理方式。第6章 驱动桥桥壳的设计6.1概述驱动桥壳要与其内部零件保持合理的装配关系，它不仅重，而且大，因此，设计时需要保证当发生撞击或其他碰撞情况时，驱动桥壳能够保持完好的状态，不能轻易损坏，这样才能很好的保护其内部零件。另外，其横向长度基本与汽车宽度相差无几，垂向高度受差速器等其内部零件的制约，往往也不能很小，当其通过不平路面时，不能让其最低处碰撞地面，提高其越障碍能力。另外，设计时要考虑经济性和工艺性，保证桥壳拆装方便，利于维修。6.2桥壳的受力分析及强度计算对于壳来说，要精确的计算出各处应力在实际中很难实现，道路有很多种，不同道路下其各处受力不同，且桥壳外形比较复杂，故只需计算出其特定部位处的载荷（应力集中处），若这些部位强度校核满足，则其它部位自然满足校核。6.2.1桥壳的静弯曲应力计算 桥壳按静载荷计算时，在其两钢板弹簧座之间的弯矩为 Nm （6.1）式中：同（3.5）； 车轮重力，N； 轮距，取1.485m； 如图所示，取0.865m.。通常由于很小，计算时不予考虑，所以： =7405.13Nm而静弯曲应力则为 MPa （6.2）式中：见式（5.1）； 危险断面处，桥壳的垂向弯曲截面系数经查阅汽车车桥设计，危险断面形状多如下图所示，其中D=100mm，d=88mm.。垂向及水平弯曲截面系数: =39279.9 m （6.3）扭转截面系数: =78559.8 mm （6.4）所以，=158.549MPa 。 6.2.2在不平路面冲击载荷作用下桥壳的强度计算按如下公式计算：MPa （6.5） 式中：动载荷系数，取2.5； 同（6.4） 故，。6.2.3汽车以最大牵引力行驶时的桥壳的强度计算地面对驱动轮最大切向反作用力： （6.6）经计算，=26930.17N。后驱动桥壳在两钢板弹簧座之间的垂向弯矩、水平方向弯矩、因驱动桥传递驱动转矩而引起的反作用力矩、合成弯矩以及合成应力为： =5924.1 （6.7） =4739.28 （6.8） （6.9） =9913.50 （6.10）=252.38 （6.11）式中：取1.1；，同(6.1)、（6.3）式。图6.3 图6.4 6.2.4汽车紧急制动时的桥壳强度计算图6.5 如图6.6所示，紧急制动时桥壳在两钢板弹簧座之间的垂向弯矩及水平方向弯矩分别为 （6.12）= （6.13）式中：同（6.1）； 汽车制动时的质量转移系数，取0.8； 附着系数，0.8。图6.6 经计算，=5924.1,=4739.28。桥壳在两钢板弹簧的外侧部分同时还承受制动力所引起的转矩 =619164 （6.14）所以， （6.15） （6.16） 6.2.5汽车受最大侧向力时桥壳的强度计算当汽车满载、围绕某一旋转中心进行类似旋转运动时，我们往往会感到身体往外倾斜，此时汽车正处于离心运动，在汽车质心出将作用有一离心力，当这一离心力达到足够大（侧向附着力达到最大）时，汽车将会发生侧滑，由附着椭圆曲线可以看出，此时汽车所受纵向力为零。我们从中可以得出汽车侧滑时应满足如下公式：式中：驱动桥所受的侧向力； 车轮所受的侧向反作用力； 同（6.1）； 侧向附着系数，取1。汽车侧滑时，左右车轮的垂直反力： （6.18） （6.19）式中： 满载质心高度，0.65m； 轮距，1.485m；同上式。 驱动桥为全浮式时，侧滑时轴承与轮毂之间的相互作用力如图所示： 图6.7汽车向右侧滑时左、右车轮轮毂内外轴承的径向支承力: （6.20） （6.21） （6.22） （6.23）式中：同（6.4）； 取a=b=65mm。地面给左右驱动车轮的侧向反作用力Y2L、Y2R： （6.24） （6.25）货车发生侧滑时，轮毂处的内外轴承所受侧向力最大，同时半轴套管所受侧向力也达到最大，半轴套管危险界面所受力矩如下：式中：如图所示，。图6.8 弯曲应力 （6.27） 剪切应力 （6.28） 合成应力 （6.29）经过计算，桥壳校核成功。桥壳材料选用，半轴套管材料。结 论我国汽车行业发展比较晚，并且由于发展过程中的重重艰难，发展更加的迟缓。虽然已经有几十年的发展时间，但总的来说，发展走走停停，一直难以追上国外的步伐。本次设计花费了几个月的时间，从无到有，从一张小小的任务书，到一篇论文和一套CAD图纸，其中包括的不只是所设计的内容，还有自己所有的想法。此次我的设计是5吨洒水车驱动桥设计，论文包括了13000多字，分为6章，每章叙述了不同的内容。先后介绍了驱动桥的国内外发展情况、发动机的选择、主减速器的设计、离合器的设计、差速器的设计、半轴的设计和驱动桥壳的设计。其中遇到了很多问题，刚开始是一头雾水，任务书只是一张任务书，连发动机的选型就花费了我们两星期。在第一次选择了发动机之后，我们小组其他成员分别通过所选发动机进行了相关的计算与校核，在即将计算结束的时候，我发现我的很多设计都不满足要求，经过小组内讨论，我们明白了是发动机选择错误，其转矩太大。因此，众议之下，决定换发动机。之后的一星期里，我们又开始各自计算自己的东西，最后当我们小组所有人都计算完毕之后，所有人都基本没有问题，开始了各自的图纸绘画。通过本次设计，使我更加深刻的理解了驱动桥的总体构造，也让我掌握了设计经验，在我的大脑里形成了驱动桥设计的脑回路，设计方法深深印入我的脑海。参考文献1 莫思剑.浅析我国商用汽车车桥的发展现状及趋势J.制造技术,2008(12).2 王聪兴，冯茂林.现代设计方法在驱动桥设计中的应用J公路与汽运, 2004(8).3 李梦群，武文革,孙厚芳.21世纪机械制造业J.机械设计与制造，2003(5)4 陈家瑞. 汽车构造M. 北京：机械工业出版社，2003.5 余志生. 汽车理论M. 北京：机械工业出版社, 2008.6 尹国臣.浅析汽车驱动桥主减速器的装配与调整J.科学教育家，2007，（10）.7 陈珂,殷国富,汪永超.汽车后桥差速器齿轮结构设计优化研究J. 机械传动,2008(4).8 刘惟信.汽车车桥设计M.北京：清华大学出版社，2004.9 安晓娟，郝春光.主减速器齿轮的失效分析J.拖拉机与农用运输车，2007（8）.10 汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册M：设计篇.北京：人民交通出版社，2001.11 机械设计手册编委会.齿轮传动（单行本）M. 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International Journal of Plant Engineering and Management,2007， (1).致 谢三个月来，我们的指导老师彭巧励老师无怨无悔，每时每刻都在关心着我们小组的毕业设计，周一到周五每天都在办公室等待着我们去找她答疑。当我们有不懂的问题时，不管是当面去找她，还是在微信群里询问，她总会第一时间放下手中的事情，细心地为我们解答问题，甚至当同学们中午有问题时，她不顾吃饭就来到办公室。她教导我们的不仅是学习上面的问题，更是身体力行的精神层面的东西，所以在此，我要感谢彭巧励老师，在此对您说一声“您辛苦了”，同时也要感谢5吨洒水车设计的全部组员，感谢各位3个月来的彼此照应。最后，感谢毕设答辩组的全体老师。附 录A Drive axle/differentialAll vehicles have some type of drive axle/differential assembly incorporated into the driveline. Whether it is front, rear or four wheel drive, differentials are necessary for the smooth application of engine power to the road.Powerflow The drive axle must transmit power through a 90 angle. The flow of power in conventional front engine/rear wheel drive vehicles moves from the engine to the drive axle in approximately a straight line. However, at the drive axle, the power must be turned at right angles (from the line of the driveshaft) and directed to the drive wheels.This is accomplished by a pinion drive gear, which turns a circular ring gear. The ring gear is attached to a differential housing, containing a set of smaller gears that are splined to the inner end of each axle shaft. As the housing is rotated, the internal differential gears turn the axle shafts, which are also attached to the drive wheels.Fig 1 Drive axle Rear-wheel driveRear-wheel-drive vehicles are mostly trucks, very large sedans and many sports car and coupe models. The typical rear wheel drive vehicle uses a front mounted engine and transmission assemblies with a driveshaft coupling the transmission to the rear drive axle. Drive in through the layout of the bridge, the bridge drive shaft arranged vertically in the same vertical plane, and not the drive axle shaft, respectively, in their own sub-actuator with a direct connection, but the actuator is located at the front or the back of the adjacent shaft of the two bridges is arranged in series. Vehicle before and after the two ends of the driving force of the drive axle, is the sub-actuator and the transmission through the middle of the bridge. The advantage is not only a reduction of the number of drive shaft, and raise the driving axle of the common parts of each other, and to simplify the structure, reduces the volume and quality.Fig 2 Rear-wheel-drive axleSome vehicles do not follow this typical example. Such as the older Porsche or Volkswagen vehicles which were rear engine, rear drive. These vehicles use a rear mounted transaxle with halfshafts connected to the drive wheels. Also, some vehicles were produced with a front engine, rear transaxle setup with a driveshaft connecting the engine to the transaxle, and halfshafts linking the transaxle to the drive wheels.Differential operationIn order to remove the wheel around in the kinematics due to the lack of co-ordination about the wheel diameter arising from a different or the same rolling radius of wheel travel required, inter-wheel motor vehicles are equipped with about differential, the latter to ensure that the car driver Bridge on both sides of the wheel when in range with a trip to the characteristics of rotating at different speeds to meet the requirements of the vehicle kinematics.Fig 3 Principle of differentialThe accompanying illustration has been provided to help understand how this occurs. 1.The drive pinion, which is turned by the driveshaft, turns the ring gear.2.The ring gear, which is attached to the differential case, turns the case.3.The pinion shaft, located in a bore in the differential case, is at right angles to the axle shafts and turns with the case.4.The differential pinion (drive) gears are mounted on the pinion shaft and rotate with the shaft .5.Differential side gears (driven gears) are meshed with the pinion gears and turn with the differential housing and ring gear as a unit.6.The side gears are splined to the inner ends of the axle shafts and rotate the shafts as the housing turns.7.When both wheels have equal traction, the pinion gears do not rotate on the pinion shaft, since the input force of the pinion gears is divided equally between the two side gears.8.When it is necessary to turn a corner, the differential gearing becomes effective and allows the axle shafts to rotate at different speeds .Open-wheel differential on each general use the same amount of torque. To determine the size of the wheel torque to bear two factors: equipment and friction. In dry conditions, when a lot of friction, the wheel bearing torque by engine size and gear restrictions are hours in the friction (such as driving on ice), is restricted to a maximum torque, so that vehicles will not spin round. So even if the car can produce more torque, but also need to have sufficient traction to transfer torque to the ground. If you increase the throttle after the wheels slip, it will only make the wheels spin faster.Fig 4 Conventional differentialLimited-slip and locking differential operation Fig 5 Limited-slip differentialDifferential settlement of a car in the uneven road surface and steering wheel-driven speed at about the different requirements; but is followed by the existence of differential in the side car wheel skid can not be effective when the power transmission, that is, the wheel slip can not produce the driving force, rather than spin the wheel and does not have enough torque. Good non-slip differential settlement of the car wheels skid on the side of the power transmission when the issue, that is, locking differential, so that no longer serve a useful differential right and left sides of the wheel can be the same torque.Limited-slip and locking differential operation can be divided into two major categories：(1) mandatory locking type in ordinary differential locking enforcement agencies to increase, when the side of the wheel skid occurs, the driver can be electric, pneumatic or mechanical means to manipulate the locking body meshing sets of DIP Shell will be with the axle differential lock into one, thus the temporary loss of differential role. Relatively simple structure in this way, but it must be operated by the driver, and good roads to stop locking and restore the role of differential. (2) self-locking differential installed in the oil viscosity or friction clutch coupling, when the side of the wheel skid occurs when both sides of the axle speed difference there, coupling or clutch friction resistance on the automatic, to make certain the other side of the wheel drive torque and the car continued to travel. When there is no speed difference on both sides of the wheel, the frictional resistance disappeared, the role of automatic restoration of differentials. More complicated structure in this way, but do not require drivers to operate. Has been increasingly applied in the car. About non-slip differential, not only used for the differential between the wheels, but also for all-wheel drive vehicle inter-axle differential/.Gear ratio The drive axle of a vehicle is said to have a certain axle ratio. This number (usually a whole number and a decimal fraction) is actually a comparison of the number of gear teeth on the ring gear and
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