驱动桥桥壳设计.docx

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驱动桥桥壳设计

摘要

Abstract

1绪论1

2桥壳设计1

2.1桥壳的设计要求2

2.2桥壳的结构型式2

2.3桥壳的三维参数化设计2

2.4桥壳强度计算3

2.4.1桥壳的静弯曲应力计算3

2.4.2在不平路面冲击载荷作用下桥壳的强度计算5

2.4.3汽车以最大牵引力行驶时桥壳的强度计算5

2.4.4汽车紧急制动时桥壳的强度计算7

2.4.5汽车受最大侧向力时桥壳的强度计算9

3半轴的设计14

3.1半轴形式14

3.2三维建模14

3.3实心半轴强度校核计算：

14

3.3.2断面B-B处的强度计算：

14

3.3.3断面B-B处的强度计算（四档时）16

3.3.4断面C-C处强度计算17

3.4空心半轴强度校核17

3.4.2断面B-B处的强度计算（四档时）18

3.4.3断面C-C处的强度计算18

结论19

参考文献

致谢

微型汽车后驱动桥半轴和桥壳设计

1绪论

驱动桥壳是汽车的主要部件之一，它既是传动系的主要组件，又是行驶系的主要组件。

在传动系中驱动桥壳主要作用是支承并保护主减速器，差速器和半轴等；在行驶系中，驱动桥壳的主要作用是使左右驱动车轮的轴向相对位置固定，与从动桥一起支承车架及其上的各总成质量，同时，在汽车行驶时，承受有车轮传来的路面反作用力和力矩，并经悬架传给车架。

因此，驱动桥壳应有足够的强度和刚度，质量小，以便主减速器的拆装和调整。

半轴是差速器与驱动轮之间传递动力的实心轴，其首要任务是传递扭矩。

本桥采用非断开式驱动桥，普通非断开式驱动桥由于其结构简单、造价低廉、工作可靠，最广泛地用在各种汽车上。

采用钢板冲压-焊接的整体式桥壳可显着地减轻驱动桥的质量。

采用半浮式半轴，它具有结构简单、质量小、尺寸紧凑、造价低廉等优点，质量较小、使用条件较好、承载负荷也不大。

本设计过程中采用UG软件进行三维参数化设计。

UG致力于CAD/CAM/CAE一体化即从概念设计到制造到工程分析的整个产品开发过程。

通过应用主模型方法，使得从设计到制造的所有应用相关联。

通过使用主模型，支持扩展企业范围的并行协作，可进行无图加工。

考虑到目前实际设计要求，利用UG3D-2D转换功能将其输出为AutoCAD格式文件，并在AutoCAD环境下进行修改编辑。

本文拟通过桥壳和半轴强度校核计算的设计方法，实现UG三维模型到二维图纸转化的目标。

2桥壳设计

2.1桥壳的设计要求

驱动桥壳应满足如下设计要求：

（1）应具有足够的强度和刚度，以保证主减速器齿轮啮合正常并不使半轴产生附加弯曲应力。

（2）在保证强度和刚度的前提下，尽量减少质量以提高行驶平顺性。

（3）保证足够的离地间隙。

（4）结构工艺性好，成本低。

（5）保护装于其上的传动系部件和防止泥水侵入。

（6）拆装、调整和维修方便[1]。

2.2桥壳的结构型式

驱动桥壳大致可分为可分式，整体式和组合式三种形式。

本桥采用整体式桥壳，它的特点是整个桥壳是一根空心梁，桥壳和主减速器壳为两体。

它具有强度和刚度较大，主减速器拆装，调整方便等优点。

按制造工艺不同，整体式桥壳可分为铸造式，钢板冲压焊接式和扩张成形式三种。

迄今为止，国内微型车驱动桥壳一直采用钢板冲压焊接式驱动桥壳。

它具有很多优点：

（1）冲焊桥壳自重轻，材料利用率高。

据国外统计，冲焊桥壳比铸钢桥壳的自重减小37%左右，其单轴负荷也大为增加，达169～125%。

（2）质量高，尤其是疲劳强度。

电子束焊接的钢板冲压桥壳疲劳值达150～200万次；采用CO2气体保护焊焊接钢板冲压桥壳的疲劳值也可达100万次左右，均超过JB3804－84规定桥壳疲劳值不低于80万次的要求，从而使用更安全可靠。

（3）成本低，生产率高，易实现大批量机械化生产。

据国外资料介绍，批量生产16000根以上，成本可降低30～50％。

冲焊桥壳工艺性好，便于实现机械化，自动化生产，也利于多品种专业化生产。

因此，国外大中小型车桥基本上都采用冲焊桥壳，铸造桥壳极少。

在汽车行驶过程中，桥壳承受繁重的负荷，设计时必须考虑在动载荷下桥壳有足够的强度和刚度。

为了减小汽车的簧下质量以利于降低动载荷、提高汽车的行驶平顺性，在保证强度和刚度的前提下应力求减小桥壳的质量。

桥壳还应结构简单、制造方便以利于降低成本。

其结构还应保证主减速器的拆装、调整、维修和保养方便。

在选择桥壳的结构型式时，还应考虑汽车的类型、使用要求、制造条件、材料供应等。

桥壳是为驱动各种零部件提供定位连接和支承包容的基础件。

桥壳焊接总成的成本，约占驱动桥总成的1/5～1/6。

因此桥壳的合理设计和经济制造，对确保驱动桥性能和降低生产成本，具有十分重要的意义[1]。

2.3桥壳的三维参数化设计

在UG三维环境下，运用草图、拉伸、旋转、镜像、布尔运算等功能建立了桥壳的三维参数化模型，如图2-1所示。

图2-1微型车桥结构示意图

该桥壳结构主要由中间琵琶包、两侧轴管、两端轴头和一些焊接件（如加强环、后盖、板簧座、减振器支架、缓冲垫和油管支架）等组成，轴管占整个桥壳长度一半以上，琵琶包是桥壳形成最复杂部分。

除去焊上的加强环和后盖外，桥壳本体（即焊前桥壳）中间的上下两部分的材料配置，相当于轴管部分沿轴向一分为二。

上下半体，桥壳凸缘，后盖，半轴套管，内衬套，板簧支座的轴头等零件焊接而成，属冲压焊接式桥壳，是分开式结构，上下半体采用厚3mm的20钢板，半轴套管采用无缝钢管，桥壳凸缘采用厚7mm钢板制成。

其主要制造工艺：

首先组焊上下半体，机加工（车两端，车中间直径145mm孔），其次焊桥壳凸缘及后盖。

然后将半轴套管扩孔后车端面，倒角后加内衬套与上述组件焊合[2]。

2.4桥壳强度计算

驱动桥的桥壳是汽车上的主要承载构件之一，其形状复杂，汽车的行驶条件又多变，因此要精计算汽车行驶时桥壳上各处的应力大小较困难。

在通常的情况下，在设计桥壳时多采用常规设计方法，这时将桥壳看成是一简支梁并校核某些特定断面的最大应力值。

例如日本有的公司对驱动桥壳的设计要求是在2.5倍满载时轴负荷的作用下，各断面（弹簧座处、桥壳与半轴套管焊接处、轮毂内轴承根部圆角处）的应力不应超过屈服极限[3]。

我国通常推荐：

计算时将桥壳复杂的受力状况简化成三种典型的计算工况，只要在这三种载荷计算工况下桥壳的强度的到保证，就认为该桥壳在汽车的各种行驶条件下是可靠的。

在上述三种载荷工况下桥壳的受力分析前，需对汽车在满载静止于水平路段时桥壳的最简单的受力情况进行分析[4]。

2.4.1桥壳的静弯曲应力计算

桥壳静弯曲应力计算简图如图2-2所示。

桥壳可视为一空心横梁，两端经轮毂轴承支承于车轮上，在钢板弹簧座处桥壳承受簧上载荷，而沿两侧轮胎中心线，地面给轮胎以反力/2（双胎时则沿双胎之中线），桥壳则承受此力与车轮重力之差值，即（）。

因此桥壳按静载荷计算时，在其两钢板弹簧之间的弯矩为：

　　　　　　　　　　=（）（N）（2-1）

式中—汽车满载静止于水平路面时的驱动桥给地面的载荷，7650N；

—车轮（包括轮毂,制动器等）的重力，N；

—驱动车轮轮距，1.2m；

—驱动桥壳上两钢板弹簧座中心间的距离，0.8m。

图2-2桥壳静弯曲应力的计算简图

由弯矩图可见，桥壳的危险断面通常在钢板弹簧座附近。

由于大大地小于G2/2，且设计时不宜准确预计，当无数据时可以忽略去[5]。

因此由式（2-1）==765（N）

而静弯曲应力则为

（MPa）（2-2）

式中—危险断面处（钢板弹簧座附近）桥壳的垂向弯曲截面系数（见表2-1）

—见式（2-1）

表2-1桥壳垂向弯曲截面系数

断面形状

垂向及水平弯曲截面系数WvWh

扭转截面系数Wt

其中半轴套管管径=60.5mm，=52.5mm

因此===9.41

=4.71

=84.61（MPa）

2.4.2在不平路面冲击载荷作用下桥壳的强度计算

当汽车高速行驶于不平路面上时，桥壳除承受在静载状态下的那部分载荷外，还承受附加的冲击载荷。

这时桥壳在动载荷下的弯曲应力为

（MPa）（2-3）

式中—动载荷系数，对轿车，客车取1.75；

—桥壳在静载荷下的弯曲应力，MPa，见式（2-2）。

因此由式（2-3）=1.7584.61=148.07（MPa）[6][7]

2.4.3汽车以最大牵引力行驶时桥壳的强度计算

这时不考虑侧向力。

图2-3为汽车以最大牵引力行驶时桥壳的受力分析简图。

此时作用在左右驱动车轮上除有垂向应力外，尚有切向应力。

地面对左右驱动车轮的最大切向反力共为

P=（2-4）

式中—发动机最大转矩,72N；

—传动系的最低档传动比3.65；

—传动系的传动效率0.95；

—轮胎的滚动半径，0.27m。

故P=

==726.89（N）

图2-3汽车以最大牵引力行驶时桥壳的受力分析简图

后驱动桥壳在两钢板弹簧座之间的垂向弯矩Mv（N）为

=（）（2-5）

式中，，，—见式下（2-1）的说明；

—汽车加速行驶时的质量转移系数，对微型载货汽车后驱动桥取1.2～1.4

所以由式（2-5）=（）=1.4=1071（N）

由于驱动车轮的最大切向反力Pmax使桥壳也承受水平方向的弯矩，对于装用普通圆锥齿轮差速器的驱动桥，在两弹簧座之间桥壳所受的水平方向的弯矩

==76.29（2-6）

桥壳还承受因驱动桥传递驱动转矩而引起的反作用力矩。

这时在两板弹簧座间桥壳承受的转矩T（N）为

==249.66（N）（2-7）

式中—同式（2-4）

当桥壳在钢板弹簧座附近的危险截面为圆管断面时，则在该断面处的合成弯矩M为

===1078（2-8）

该危险断面处的合成应力为

===114.56（MPa）（2-9）

式中W—危险断面处的弯曲截面系数，见表2-1。

桥壳在钢板弹簧座附近的危险断面处的弯曲应力和扭转应力分别为

==122（MPa）　（2-10）

==53（MPa）

式中—分别为桥壳在两板弹簧座之间的垂向弯矩和水平弯矩，见式（2-5）及式（2-6）；

—分别为桥壳在危险截面处的垂向弯曲截面系数、水平弯曲截面系数和弯曲截面系数，见表2-1。

桥壳的许用弯曲应力为300～500Mpa,许用扭转应力为150～400Mpa，可铸锻铁桥壳

取较小值，钢板冲压焊接桥壳取最大值。

计算结果弯曲应力和扭转应力均小于许用值，满足强度要求，故安全[8]。

2.4.4汽车紧急制动时桥壳的强度计算

这时不考虑侧向力。

图2-4为汽车紧急制动时桥壳的受力分析简图。

此时作用在左右驱动车轮上除有垂向应力外，尚有切向反力，即地面对驱动车轮的制动力。

因此可求得：

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的弯矩分别为

（2-11）

（2-12）

式中—同式（2-1）

—汽车制动时的质量转移系数；

=（1+）；=（1-）

上式中的=用于前驱动轮，=用于后驱动轮。

当未知时，对载货汽车的后驱动桥亦可取=0.75～0.95，取0.9；

—汽车的质心高度，m；

—汽车质心离前轴中心的距离，m；

—驱动车轮与路面的附着系数，计算时取0.8。

图2-4汽车紧急制动时桥壳的受力分析简图

所以==688.5（N）

==550.8（N）

桥壳在两钢板弹簧座的外侧部分同时还承受制动力所引起的转矩

=（2-13）

==732.56（）

所以合成应力为

==147.3（MPa）（2-9）

在该断面处的弯曲应力和扭转应力分别为

=（2-10）

=

经计算=131.7MPa，=155.5MPa，满足强度