第5章 车桥设计（动画1个）

5.1概述5.2驱动桥结构方案分析5.3主减速器设计5.4差速器设计5.5车轮传动装置设计5.6驱动桥壳设计5.7从动桥设计习题第5章车桥设计[主要内容]本章介绍汽车车桥的分类和组成以及驱动桥的设计要求。重点分析了驱动桥总成及其主要零部件(主减速器、差速器、车轮传动装置、驱动桥壳等)的结构型式、布置方法和设计计算方法，最后介绍从动桥的结构方案分析以及设计计算方法。本章要求:1.了解驱动桥结构方案分析；2.掌握主减速器设计、差速器设计；3.掌握车轮传动装置设计；4.了解驱动桥壳设计、从动桥设计。第5章车桥设计5.1概述车桥(也称车轴)通过悬架与车架(或承载式车身)相连，其两端安装车轮。其功用是传递车架(或承载式车身)与车轮之间各方向的作用力及其力矩。按悬架结构的不同，车桥可分为整体式和断开时两种。5.1.1汽车车桥分类和组成根据车桥上车轮的作用，车桥又可分为转向桥、驱动桥、转向驱动桥和支持桥四种类型。转向桥主要由前梁、转向节及主销组成。驱动桥由主减速器、差速器、车轮传动装置(半轴或万向节)、驱动桥壳(或变速器壳体)和驱动车轮等零部件组成。转向驱动桥主要由主减速器、差速器、万向节、转向节、主销等组成。5.1.2驱动桥的设计要求(１)主减速比的选择应适当。确保汽车获得最佳的动力性和燃油经济性。(２)差速器除保证左、右驱动车轮差速滚动外，还能将转矩连续平稳地传递给驱动轮。(３)当左、右驱动车轮与路面的附着条件不一致时，能充分地利用汽车的驱动力。(４)驱动桥应具有足够的强度和刚度，以承受和传递作用于路面和车架或车身间的各种力和力矩，(５)尽可能减小外廓尺寸。(６)驱动桥的齿轮及其他传动件工作平稳，噪声小。(７)在各种载荷和转速工况下有高的传动效率。(８)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。(９)结构简单，加工工艺性好，制造容易，维修、调整方便。5.2驱动桥结构方案分析整体式驱动桥驱动桥的结构形式断开式驱动桥5.3主减速器设计１.主减速器齿轮的类型5.3.1主减速器的结构形式１)弧齿锥齿轮传动２)双曲面齿轮传动３)圆柱齿轮传动４)蜗杆传动主减速器齿轮传动形式２.主减速器的减速形式１)单级主减速器２)双级主减速器单级主减速器双级主减速器３)双速主减速器４)单级贯通式主减速器单级贯通式主减速器双速主减速器５)双级贯通式主减速器６)单双级减速配轮边减速器轮边减速器与主减速器的结构图锥齿轮—圆柱齿轮双级贯通式主减速器圆柱齿轮—锥齿轮双级贯通式主减速器3.主减速器主、从动锥齿轮的支撑方式及调整１)主动锥齿轮支撑２)从动锥齿轮的支撑３)锥齿轮轴承的预紧与调整主减速器锥齿轮的支撑型式从动锥齿轮辅助支撑销波形套管的安装及特性5.3.2主减速器计算载荷的确定

汽车主减速器锥齿轮有格里森和奥利康两种切齿方法，这里仅介绍格里森齿制锥齿轮计算载荷的三种确定方法。(１)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TGe，即:(5-5)(２)按驱动轮打滑转矩确定从动锥齿轮的计算转矩TGs，即:(5-6)(３)按汽车日常行驶平均(当量)转矩确定从动锥齿轮的计算转矩TGF，即:(5-7)主动锥齿轮的计算转矩为:(5-8)5.3.3主减速器锥齿轮主要参数的选择１.主、从动锥齿轮齿数z1和z2选择主、从动锥齿轮齿数时应考虑如下因素:(１)为了磨合均匀,z1、z2之间应避免有公约数。(２)为了得到理想的齿面重合系数和高的轮齿弯曲强度，主、从动齿轮齿数和应不少于40。(３)为了啮合平稳、噪声小和具有高的疲劳强度，对于乘用车，z1一般不少于9，对于商用车，z1一般不少于6。(４)当主减速比i0较大时，尽量使z1取得小些，以便得到满意的离地间隙。(５)对于不同的主减速比，z1、z2

应有适宜的搭配。２.从动锥齿轮大端分度圆直径D2和端面模数ms从动锥齿轮大端分度圆直径D2,可根据经验公式初选,即:(5-9)端面模数ms由下式计算:同时,ms还应满足:(5-10)(5-11)３.主、从动锥齿轮齿面宽b1和b2从动锥齿轮齿面宽b2推荐不大于其节锥距A2的30％，即b2≤0.3A2,而b2应满足b2≤10ms,一般也推荐b2=0.155D2,对于螺旋锥齿轮,b1一般比b2大10％。齿面宽度应适当，齿面过宽不仅不能增大齿轮的强度和寿命，而且还会引起装配空间的减小。4.双曲面齿轮副偏移距ＥＥ值过大将使齿面纵向滑动过大，从而引起齿面早期磨损和擦伤。Ｅ值过小，则不能发挥双曲面齿轮传动的特点。一般对于乘用车和总质量不大的商用车，取Ｅ≤0.2Ｄ2且Ｅ≤0.4Ａ2，对于总质量较大的商用车，Ｅ≤(0.1~0.12)Ｄ2，且Ｅ≤0.2Ａ2。５.中点螺旋角β螺旋角β沿齿宽是变化的，轮齿大端的螺旋角最大，轮齿小端的螺旋角最小。双曲面齿轮的偏移６.螺旋方向螺旋方向有左旋、右旋之分。7.法向压力角α锥齿轮轮齿上凸面与凹面的平均压力角称为法向压力角α。增大压力角可以增加轮齿强度，并使齿轮不产生根切的最小齿数减少，但对尺寸小的齿轮，大压力角易使齿顶变尖，并使齿轮端面重合系数下降。弧齿锥齿轮的旋转方向和轴向力5.3.4主减速器锥齿轮强度计算１.单位齿长圆周力主减速器锥齿轮的表面耐磨性常用轮齿上的单位齿长圆周力来估算，即:圆周力Ｆ有两种计算方法。(１)按发动机最大转矩计算时:(5-12)(5-13)(２)按驱动轮打滑转矩计算时:(5-14)２.轮齿弯曲强度锥齿轮轮齿的齿根弯曲应力为:３.轮齿接触强度(5-15)锥齿轮轮齿的齿面接触应力为:(5-16)5.3.5锥齿轮材料汽车驱动桥锥齿轮的工作条件相当恶劣，具有载荷大、作用时间长、变化多、有冲击等特点。主减速器与差速器齿轮基本上都采用渗碳合金钢制造，渗碳合金钢的优点是表面是含碳量很高的硬化层，有相当高的耐磨性和抗压性，而心部较软，有好的韧性。5.3.6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齿面宽中点处的圆周力Ｆ为:从动齿轮齿面宽中点处的分度圆直径:(5-18)(5-17)２.锥齿轮的轴向力和径向力主动小齿轮齿面上的作用力力Ｆ与力Ｆｓ之间的夹角为螺旋β，ＦＴ与Ｆｆ之间的夹角为法向压力角α，由几何关系可以得出:(5-20)(5-19)作用在主动锥齿轮齿面上的轴向力Ｆap和径向力Ｆrp分别为:(5-21)(5-22)根据主动小齿轮的螺旋方向以及旋转方向的不同，主、从动齿轮齿面上所受到的轴向力和径向力的计算公式见下表。3.主减速器轴承的载荷利用计算得到的锥齿轮齿面上的受力状况，并根据主减速器齿轮轴承的布置尺寸，就可以确定轴承上的载荷。5.4差速器设计１.对称锥齿轮式差速器5.4.1差速器结构形式选择１)普通锥齿轮式差速器(5-23)(5-24)(5-25)(5-26)(5-27)(5-28)普通锥齿轮式差速器示意图２)摩擦片式差速器(5-29)摩擦片式差速器汽车两根半轴无差速时,两半轴上转矩平均分配。当传递转矩时。差速器壳通过斜面对行星齿轮轴两端压紧，轴向力推动行星齿轮使压盘将摩擦片压紧。当左、右半轴转速不等时，主、从动摩擦片间产生相对滑转，从而产生摩擦力矩。这个摩擦力矩Ｔr与差速器所传递的转矩Ｔ0成正比，即:３)强制锁止式差速器当一侧驱动轮处于附着系数较小的路面,而另一侧驱动轮处于附着系数较大的路面时,可通过液压或气动操纵机构,使内、外接合器(即差速锁)啮合,把差速器壳与半轴锁紧在一起,使差速器不起作用。两侧车轮以相同速度转动，这样可充分利用地面的附着系数，锁紧系数Ｋ可达1.0,即可以把转矩Ｔ0都传到一根半轴上,从而提高通过性。强制锁止式差速器２.滑块凸轮式差速器滑块凸轮式差速器的半轴转矩比Ｋb可达2.33~3,差速器锁紧系数Ｋ达0.4~0.5。在设计该差速器时，滑块与凸轮的接触应力不应超过2500Mpa。双排径向滑块凸轮式差速器３.蜗轮式差速器蜗轮式差速器差速器半轴的转矩比为:(5-30)蜗轮式差速器的半轴转矩比Ｋｂ高达5.67~9锁紧系数Ｋ达0.7~0.8,但在如此高的内摩擦情况下,差速器磨损快、寿命短。当把Ｋｂ降到2.65~3，Ｋ降到0.45~0.5时，可提高该差速器的使用寿命。４.牙嵌式自由轮差速器牙嵌式自由轮差速器是自锁式差速器的一种。装有这种差速器的汽车在直线行驶时，主动环可将由主减速器传来的转矩按左、右轮阻力的大小分配给左、右从动环(即左、右半轴)。当一侧车轮悬空或进入泥泞、冰雪等路面时，主动环的转矩可全部或大部分分配给另一侧车轮。当转弯行驶时，外侧车轮有快转的趋势，使外侧从动环与主动环脱开，即中断对外轮的转矩传递，内侧车轮有慢转的趋势，使内侧从动环与主动环压得更紧，即主动环转矩全部传给内轮。牙嵌式自由轮差速器5.4.2普通锥齿轮差速器齿轮设计１.差速器齿轮主要参数选择１)行星齿轮数ｎ２)行星齿轮球面半径Ｒｂ(5-31)行星齿轮数ｎ需根据承载情况来选择。通常情况下，承载不大的轿车ｎ=2，商用车或越野车ｎ=4。行星齿轮节锥距Ａ0为:(5-32)３)行星齿轮和半轴齿轮齿数ｚ1、ｚ2z1一般不少于10,半轴齿轮齿数z2在14~25选用。大多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比z2/z1在1.5~2的范围内。４)行星齿轮和半轴齿轮节锥角γ1、γ2及模数ｍ(5-34)(5-33)５)压力角α汽车差速齿轮大都采用压力角为22°30′、齿高系数为0.8的齿形。某些重型货车和矿用车采用25°压力角，以提高齿轮强度。６)行星齿轮轴直径ｄ及支撑长度Ｌ(5-36)(5-35)２.差速器齿轮强度计算轮齿弯曲应力σw(MPa)为:(5-37)３.差速器齿轮的材料目前用于制造差速器锥齿轮的材料基本都是渗碳合金钢。5.4.3多轴驱动汽车的轴间差速器多轴驱动汽车在行驶过程中，各驱动桥上的车轮转速会因车轮行程或滚动半径的差异而不等，如果前、后桥间刚性连接，则前、后驱动车轮将以相同的角速度旋转，从而产生前、后驱动车轮运动学上的不协调。从而导致发动机功率的无益消耗，加速轮胎磨损，损坏传动系统，降低汽车的动力性、经济性和通过性。轴间差速器5.5车轮传动装置设计半轴根据其车轮端的支撑方式不同，可分为半浮式、３/４浮式和全浮式三种形式。所谓“浮”，是指半轴不承受弯曲载荷，仅承受扭转载荷而言。5.5.1半轴的结构形式不同型式的半轴及其受力状况5.5.2半轴的载荷计算及材料１.全浮式半轴全浮式半轴除传递转矩之外，其他的力和力矩均由桥壳承受，所以半轴的计算载荷可以按车轮的最大附着力矩计算，即:(5-38)半轴的扭转切应力为:(5-40)(5-39)半轴的扭转角为:２.半浮式半轴(１)纵向力Ｆx2(牵引力或制动力)最大,侧向力Ｆy2为0。半轴弯曲应力σ和扭转切应力τ为:(5-41)(２)侧向力Ｆy2最大ꎬ纵向力Ｆx2=0外轮上侧向力Ｆy2o和内轮上侧向力Ｆy2i分别为:合成应力为:(5-42)(5-43)(5-45)(5-44)(３)汽车通过不平路面ꎬ垂向力Ｆz2最大，纵向力Ｆx2=0，侧向力Ｆy2=0。此时垂直力最大值Ｆz2为:(5-46)半轴弯曲应力σ为:(5-47)３.3/4浮式半轴3/4浮式半轴与半浮式半轴相似，也是根据三种可能产生的弯矩进行计算，只是要注意危险断面与半浮式有不同。４.半轴材料国产汽车半轴多采用40Cr和40MnB制造,但在不少的中、小型汽车上已采用40钢或45钢制造半轴。5.5.3半轴的结构设计(１)全浮式半轴杆部直径ｄ(mm)可按下式初步选取:(5-48)(２)半轴花键的底径为dh且dh≥d这样可使半轴各部分基本达到等强度。(３)半轴的破坏形式多为扭转疲劳损坏，在结构设计时应尽量增大各过渡部分的圆角半径，尤其是凸缘与杆部、花键与杆部的过渡部分，以减小应力集中。(４)当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他传力零件的强度储备，使半轴起“熔断片”的作用。半浮式半轴直接安装车轮，应视为保安件。5.6驱动桥壳设计驱动桥壳的主要功用是支撑汽车质量，并承受由车轮传来的路面反力和反力矩，并经悬架传给车架(或承载式车身)，它又是主减速器、差速器、半轴的装配基体ꎬ制动器底板或制动钳也固定在它的上面，所以驱动桥壳还受到牵引或制动时产生的反作用转矩。5.6.1驱动桥壳的功用和设计要求5.6.2驱动桥壳结构方案分析驱动桥壳大体可分为可分式、整体式和组合式三种形式。可分式桥壳冲压焊接式整体桥壳组合式桥壳5.6.3驱动桥壳强度计算１.牵引力或制动力最大(5-49)桥壳钢板弹簧座处危险断面的弯曲应力σ和扭转切应力τ分别为:桥壳受力简图２.侧向力最大桥壳内、外板簧座处断面的弯曲应力σi、σ0分别为:(5-50)３.当汽车通过不平路面动载系数为ｋｄ，危险断面的弯曲应力σ为:(5-51)5.7从动桥设计１.从动桥的功用与分类5.7.1概述从动桥又称非驱动桥和从动车轴。根据从动轮能否转向，从动桥分为转向桥和非转向桥。由于悬架结构的不同，从动桥有整体式和断开式两种。整体式转向从动桥断开式转向从动桥２.从动桥设计要求(１)从动桥应有足够的强度，以保证可靠地承受车轮与车架(或承载式车身)之间的作用力。(２)保证有正确的车轮定位，使转向轮运动稳定，操纵轻便并减轻轮胎的磨损，从动桥要有足够刚度，以使车轮定位参数保持不变。(３)转向节与主销、转向节与前梁之间的摩擦力应尽可能小，以保证转向的轻便性，并有足够的耐磨性。(４)转向轮的摆振应尽可能小，以保证汽车的正常、稳定行驶。(５)从动桥的质量应尽可能小，以减小簧下质量，提高汽车行驶平顺性。5.7.2从动桥结构设计１.从动桥结构分析１)转向从动桥转向从动桥(前桥)，它主要由前梁、转向节、主销和轮毂等几部分组成。主销的结构型式２)支持桥(１)载货汽车的非断开式支持桥。(２)乘用车常用支持桥。扭转梁式从动后支撑桥具有倒Ｕ形断面横梁的后支持桥２.车轮定位

车轮定位的作用是保持汽车直线行驶的稳定性、转向轻便性及汽车转向后使转向轮具有自动回正的作用。车轮定位１)主销后倾角γ２)主销内倾角β３)车轮外倾角α４)前束5.7.3从动桥设计计算１.从动桥主要零件尺寸确定前梁工字形断面尺寸的推荐值如图所示，图中虚线绘出的是其当量断面。该断面的弯曲截面系数为:(5-52)在设计中为了预选在板簧座处的弯曲截面系数Ｗv(单位为cm3),可采用经验公式计算:(5-53)前梁工字形断面尺寸关系的推荐值２.前梁的强度计算１)垂直载荷工况下的应力计算垂直载荷工况下前梁的弯矩分布垂直载荷工况下的前梁弯矩分布如图,此时作用在前梁上的最大静弯矩为:(5-54)在静载荷的作用下,前梁的最大弯曲应力σbs发生在两板弹座之间,其值为:(5-55)前梁动载荷后的最大应力为:(5-56)２)制动工况下前梁的应力计算制动时,车轮在路面滑行时汽车前梁所受的载荷Ｇ′f为:(5-57)在这个制动力Ｆ的作用下,前梁会产生水平弯矩Ｍ′b,即:制动时汽车受力简图制动时作用在前梁上的力(5-58)水平弯矩应力σ′b为:(5-59)汽车制动时前梁还要承受转矩,这个转矩Ｍn作用在两钢板弹簧座之间,其大小为:(5-60)前梁所受的扭转应力τ为:(5-61)在水平弯曲应力σ′b和扭转应力τ的作用下,前梁的合成应力σ为:(5-62)与前梁有关的尺寸３)侧滑工况下前梁的应力计算汽车转向行驶时，车轮还要承受由此产生的侧向力，当发生侧滑时ꎬ侧向力达到最大值。最大侧向力发生在外前轮上，由于附加载荷是施加在外前轮上的，这时的外前轮上的载荷为:(5-63)侧滑工况下作用在前轮上的力３.主销强度计算载荷对转向主销上、下衬套所产生的力分别为Ｓ1、Ｓ2

。这两个力分别作用在两个衬套的中点