第7章驱动桥设计(罗永革)

第一节概述第二节驱动桥的选型第三节主减速器设计第四节差速器设计第五节半轴设计第7章驱动桥设计第一节概述1)所选择的主减速器传动比应使汽车具有最佳的动力性和燃油经济性。2)保证车辆有必要的离地间隙，提高汽车通过性。3)工作平稳，性能可靠，噪声较小。4)应能充分利用汽车的驱动力，传动效率较高。5)在强度和刚度条件满足的情况下，应尽可能使质量较小，以改善汽车平顺性。6)结构简单，与悬架等系统协调较好，制造容易，维修方便。第二节驱动桥的选型图7-1驱动桥的结构形式a)普通的非断开驱动桥b)带有摆动半轴的非断开式驱动桥c)断开式驱动桥第二节驱动桥的选型图7-2非断开式驱动桥1—锁紧螺母2—键3—轮毂4—桥壳5—差速装置6—半轴7—轴承第二节驱动桥的选型图7-3非断开式驱动桥与悬架的安装关系a)弹性元件为前轴带卷耳的纵置钢板弹簧b)弹性元件为前端组合式铰接的纵置钢板弹簧c)弹性元件为两端采用橡胶支撑的纵置钢板弹簧d)弹性元件为螺旋弹簧1—驱动桥2—车架3—纵置钢板弹簧4—钢板弹簧卷耳5—螺旋弹簧6—上推力杆7—纵向推力杆8—弹性铰链第二节驱动桥的选型图7-4断开式驱动桥1—减振器2—悬架弹簧3—车轮传动万向轴4—主减速器5—摆臂轴6—悬架摆臂7—车轮第二节驱动桥的选型图7-5断开式驱动桥常用布置形式a)双横臂式导向装置与断开式驱动桥b)、c)单纵臂式导向装置与断开式驱动桥d)单斜臂式导向装置与断开式驱动桥1—橡胶垫2—车厢地板3—纵向推力杆4—螺旋弹簧5—右段驱动桥壳(与主减速器壳铰接)6—主减速器7—弹性铰链8—制动底板9—悬架摆臂第二节驱动桥的选型图7-6非贯通式多桥驱动示意图1—发动机2、4、5—驱动桥3—变速器6—分动器第二节驱动桥的选型图7-7贯通式多桥驱动示意图1—发动机2、4、6、7—驱动桥3—变速器5—分动器第三节主减速器设计一、主减速器结构形式的选择二、主减速器主、从动锥齿轮的支撑方案三、主减速器齿轮主要参数的选择一、主减速器结构形式的选择1.主减速器的结构形式2.主减速器的齿轮形式3.主减速器的减速形式1.主减速器的结构形式图7-8弧齿锥齿轮传动2.主减速器的齿轮形式(1)弧齿锥齿轮传动如图7-8所示，弧齿锥齿轮传动的主、从动齿轮轴线垂直相交于一点，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。(2)双曲面齿轮传动双曲面齿轮传动的主、从动齿轮的轴线相互垂直而不相交，主动齿轮轴线相对从动齿轮轴线在空间偏移一个距离e，此距离称为偏移距，如图7-9所示。(3)圆柱齿轮传动圆柱齿轮传动(见图7-10)一般采用斜齿轮，广泛应用于发动机横向前置且前驱动的乘用车驱动桥和双级主减速器贯通式驱动桥以及轮边减速器中。(4)蜗杆传动蜗杆传动(见图7-11)与锥齿轮传动相比有如下优点：在轮廓尺寸和结构质量较小的情况下，可得到较大的传动比(可大于7)；在任何转速下使用均能工作得非常平稳且无噪声；便于汽车的总布置及贯通式多桥驱动的布置；能传递大的载荷，使用寿命长；结构简单，拆装方便，调整容易。图7-9双曲面齿轮偏移2.主减速器的齿轮形式图7-10圆柱齿轮传动2.主减速器的齿轮形式3.主减速器的减速形式(1)单级主减速器单级主减速器(见图7-12)具有结构简单、质量小、尺寸紧凑、制造成本低等优点，因而广泛应用于主传动比i0≤7的汽车上。(2)双级主减速器双级主减速器主要有四种结构方案：第一级为锥齿轮，第二级圆柱齿轮；第一级为锥齿轮，第二级行星齿轮；第一级为行星齿轮，第二级锥齿轮；第一级为圆柱齿轮，第二级锥齿轮。(3)双速主减速器为充分提高汽车的动力性和经济性，有些汽车装用具有两挡传动比的主减速器，即双速主减速器。(4)贯通式主减速器有些多轴汽车，为使结构简化、部件通用性好以及便于形成系列产品，常采用贯通式驱动桥。(5)单双级主减速器附轮边减速器对于某些重型汽车、越野车或大型客车，为了得到更大的牵引力，势必要增加驱动桥主减速器的主传动比，但这造成主减速器外形尺寸的增大和汽车离地间隙的减小。图7-12单级主减速器3.主减速器的减速形式图7-13双级主减速器3.主减速器的减速形式图7-14锥齿轮-行星齿轮式双速主减速器1—从动锥齿轮2—齿圈3—行星齿轮4—行星齿轮轴5—换挡用接合齿轮6—挂低挡用接合齿3.主减速器的减速形式图7-15锥齿轮-圆柱齿轮式双速主减速器3.主减速器的减速形式图7-16双曲面齿轮式单级贯通式主减速器3.主减速器的减速形式图7-17蜗杆式单级贯通式主减速器3.主减速器的减速形式图7-18锥齿轮-圆柱齿轮式双级贯通式主减速器3.主减速器的减速形式图7-19圆柱齿轮-锥齿轮式双级贯通式主减速器a)带轴间差速器的结构b)不带轴间差速器的结构3.主减速器的减速形式图7-20行星齿轮式轮边减速器1—行星齿轮2—齿圈3—太阳轮4—轮毂3.主减速器的减速形式图7-21主、从动齿轮的布置a)主动齿轮在从动齿轮垂直上方b)主动齿轮在从动齿轮垂直下方3.主减速器的减速形式二、主减速器主、从动锥齿轮的支撑方案1.主动锥齿轮的支撑2.从动锥齿轮的支撑1.主动锥齿轮的支撑图7-22主动锥齿轮悬臂式支撑形式1.主动锥齿轮的支撑图7-23主动锥齿轮跨置式支撑形式2.从动锥齿轮的支撑图7-24从动锥齿轮支撑2.从动锥齿轮的支撑图7-26有辐式从动锥齿轮支撑三、主减速器齿轮主要参数的选择1.主减速比i0的确定2.驱动桥的离地间隙3.主减速器齿轮计算载荷的确定4.锥齿轮主要参数的选择5.主减速器弧齿锥齿轮强度计算6.锥齿轮的材料及热处理4.锥齿轮主要参数的选择(1)主、从动锥齿轮齿数z1和z2(2)从动锥齿轮大端分度圆直径D2和端面模数ms对于单级主减速器，D2对驱动桥壳尺寸有影响，D2大将影响桥壳的离地间隙，D2小则影响跨置式主动齿轮的前支撑座的安装空间和差速器的安装。(3)主、从动锥齿轮齿面宽度b1和b2锥齿轮齿面过宽并不能增大齿轮的强度和寿命，反而会导致因锥齿轮轮齿小端齿沟变窄引起的切削刀头顶面宽过窄及刀尖圆角过小。(4)双曲面齿轮副偏移距e双曲面齿轮副偏移距e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。(5)中点螺旋角β螺旋角沿齿宽是变化的，轮齿大端的螺旋角最大，轮齿小端的螺旋角最小。(6)螺旋方向从锥齿轮锥顶看，齿形从中心线上半部向左倾斜为左旋，向右倾斜为右旋。(7)法向压力角α法向压力角α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。(1)主、从动锥齿轮齿数z1和z21)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度和高的轮齿抗弯强度，主、从动齿轮齿数和应不小于40。3)为了啮合平稳、噪声小和具有高的抗疲劳强度，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)当主传动比i0较大时，应尽量使z1取得小些，以便得到满意的离地间隙。5)对于不同的主传动比，z1和z2应有适宜的搭配。5.主减速器弧齿锥齿轮强度计算(1)单位齿长上的圆周力(2)轮齿的强度计算(3)轮齿的接触疲劳强度(2)轮齿的强度计算图7-28弯曲度计算用综合系数J(用于平均压力角为22°30′的双曲面齿轮)(3)轮齿的接触疲劳强度图7-29接触强度计算用综合系数J(用于平均压力角为22°30′的双曲面齿轮)6.锥齿轮的材料及热处理1)具有高的弯曲疲劳强度和表面接触疲劳强度，齿面具有高的硬度以保证有高的耐磨性。2)轮齿心部应有适当的韧性以适应冲击载荷，避免在冲击载荷作用下齿根折断。3)铸造性能、切削加工性能及热处理性能良好，热处理后变形小或变形规律容易控制。4)选择合金材料时，尽量少用含镍(Ni)、铬(Cr)元素的材料，而选用含锰(Mn)、钒(V)、硼(B)、钛(Ti)、钼(Mo)、硅(Si)等元素的合金钢。第四节差速器设计一、差速器结构形式的选择二、普通锥齿轮差速器齿轮设计一、差速器结构形式的选择1.对称式圆锥行星齿轮差速器2.摩擦片式差速器3.强制锁止式差速器1.对称式圆锥行星齿轮差速器图7-30对称式圆锥行星齿轮差速器图7-31摩擦片式差速器2.摩擦片式差速器3.强制锁止式差速器图7-32啮合套式强制锁止式差速器1—啮合套2—接合套3—操纵机构4—差速器左壳二、普通锥齿轮差速器齿轮设计1.差速器齿轮主要参数的选择2.差速器齿轮的强度计算1.差速器齿轮主要参数的选择(1)行星齿轮数目的选择乘用车常用2个行星齿轮，载货汽车和越野车多用4个行星齿轮，少数汽车采用3个行星齿轮。(2)行星齿轮球面半径的选择圆锥行星齿轮差速器的尺寸通常取决于行星齿轮背面的球面半径RB(mm)，它就是行星齿轮的安装尺寸，实际上代表了差速器圆锥齿轮的节锥距，在一定程度上表征了差速器的强度。(3)行星齿轮与半轴齿轮齿数的选择为了得到较大的模数从而使齿轮有较高的强度，应使行星齿轮的齿数尽量少，但一般不应少于10。(4)差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定(5)压力角过去汽车差速器齿轮都选用20°压力角，这时齿高系数为1，而最少齿数是13。(6)行星齿轮安装孔直径及其深度的确定行星齿轮安装孔直径ϕ与行星齿轮轴名义直径相同，而行星齿轮安装孔的深度L就是行星齿轮在其轴上的支承长度，如图7-33所示。图7-33差速器行星齿轮安装孔直径ϕ及其深度L1.差速器齿轮主要参数的选择2.差速器齿轮的强度计算图7-34弯曲计算用综合系数J(用于平均压力角为22°30′，齿面为局部接触的汽车差速器用之锥齿轮)第五节半轴设计1.半轴的结构形式2.半轴的设计计算3.半轴的结构设计4.半轴的材料及热处理第五节半轴设计图7-35半轴的组成1—花键2—杆部3—垫圈4—凸缘5—半轴起拔螺栓6—半轴紧固螺栓1.半轴的结构形式图7-36半轴的结构形式a)半浮式b)3/4浮式c)全浮式3.半轴的结构设计1)全浮式半轴的杆部直径可按下式初步选取2)半轴的杆部直径应小于或等于半轴花键的底部直径，以便使半轴各部分达到基本等强度；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(乘用车半轴)至18齿(普通货车半轴)，在设计中渐开线花键齿数取16齿。3)半轴的破坏形式大多是扭转疲劳损坏，因此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。3.半轴的结构设计4)为了使半轴杆部和凸缘间的过渡圆角有较大的半径而又不致引起与其他零件的干涉，常常将半轴凸缘用平锻机锻成。5)载货汽车半轴的杆部较粗，外端凸缘也较大，当无较大锻造设备时，可采用两端用花键联接的结构，且取相同花键参数以简化工艺。6)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，使半轴起一个“熔丝”的作用。第六节驱动桥桥壳设计一、桥壳结构形式的选择二、驱动后桥壳的强度计算三、驱动后桥桥壳强度的有限元分析一、桥壳结构形式的选择1.可分式桥壳2.整体式桥壳3.组合式桥壳一、桥壳结构形式的选择图7-37驱动桥桥壳的结构形式a)可分式驱动桥桥壳b)钢板冲压焊接整体式桥壳c)铸造整体式桥壳d)组合式桥壳2.整体式桥壳图7-38钢管扩张成形整体式桥壳扩张、滚压成形过程三、驱动后桥桥壳强度的有限元分析1.桥壳结构特点2.桥壳有限元模型的建立3.有限元分析结果1.桥壳结构特点图7-39桥壳的三维结构图2.桥壳有限元模型的建立(1)有限元模型利用HyperMesh进行有限元分析的流程：导入模型文件→几何清创建硬点→创建材料和几何属性→二维网格剖分→二维网格检查→三维网格剖分→三维网格检查→施加边界条件→求解计算→后处理。(2)边界条件根据车辆的工作状况，计算时将桥壳复杂的受力状况简化成四种典型的计算工况(静载、加速、制动和侧滑)。3.有限元分析结果图7-41最大垂向力下桥壳变形图(局部)3.有限元分析结果图7-42最大垂向力下应力分布图(局部)