某型轿车驱动桥结构设计与与校核说明书.docx
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某型轿车驱动桥结构设计与与校核说明书
某型轿车驱动桥结构设计与校核
摘要
21世纪以来，像汽油之类的不可再生资源消耗迅猛，世界油气价格居高不下，相对应的人们在燃料上的投入也愈来愈大。
为了提高其燃油经济性，设计一款功能优秀的驱动桥便成了有效方法之一。
驱动桥研究的目的：
熟悉驱动桥的结构，结构类型，材料及热处理，设计方法，校核，熟练运用相关分析制图软件，提升学生对结构设计与校核的能力。
研究的意义：
驱动桥分析设计的科学决定轿车载荷与行驶性能的稳定，是轿车传动系统的核心，轿车驱动桥的设计要求轿车在实际行驶中能够展现经济性和动力性。
根据给定的参数，首先对轿车驱动桥进行结构设计,确定驱动桥各部件并计算关键零部件，本次设计驱动桥主要结构为：
（1）主减速器的设计：
中央单级主减速器，主减速器的齿轮形式为螺旋锥齿轮，主减速器主动齿轮的支持形式为悬臂式支撑，轴承为圆锥滚子轴承
（2）差速器的设计：
普通对称式圆锥行星齿轮差速器（3）半轴的设计：
半浮式半轴（4）驱动桥桥壳的设计：
钢板冲压焊接整体式桥壳。
其次对各部件进行强度分析和校核；选择各部件材料。
最后通过CATIA建立驱动桥零部件三维模型，投影绘制二维工程图。
关键词：
轿车驱动桥、主减速器、差速器、半轴
StructuralDesignandCheckingofaCertainTypeofCarDrive
ABSTRACT
Sincethe21stcentury,oilastherepresentativeoftherapidconsumptionofnon-renewableresources,theworld'soilandgaspricesremainhigh,correspondingtopeople'sinvestmentinfuelisalsogrowing.Inordertoimproveitsfueleconomyandreducefuelconsumption,theuseofexcellentperformanceandhighmatchingenginewiththeaxlehasbecomeaneffectivefuelsavingmeasures.
Thepurposeofthestudy:
familiarwiththestructureofthebridge,structure,materialsandheattreatment,designmethods,check,skilleduseofrelatedanalysisandmappingsoftwaretoenhancestudents'abilitytodesignandcheckthestructure.Thesignificanceofthestudy:
thescientificanalysisofthedrivingaxleanalysisofthedesignofthecarloadanddrivingperformanceisstable,isthecoreofthecardrivesystem,cardriveaxleanalysisanddesigntoensurethattheactualdrivingconditionsintheperformanceofeconomicfuelefficiencyandefficientpower。
Accordingtothegivenparameters,thestructureofthecardriveaxleisfirstdesignedtodeterminethecomponentsoftheaxleandcalculatethekeydimensions:
（1）thedesignofthemainreducer:
singlemainreducer,themainreducergeartypeisthespiralbevelgear,Themainreducerdrivegearsupportforthecantileveredsupport，Bearingsaretaperedrollerbearings
（2）differentialdesign:
ordinarysymmetricalconeplanetarygeardifferential（3）axledesign:
semi-floatingaxle（4）drivebridgeShelldesign:
steelplatestampingweldedmonolithicaxlehousing。
Followedbythestrengthofthecomponentsoftheanalysisandverification;selectacomponentmaterial。
Finally,three-dimensionalmodeloftheaxlecomponentsoftheaxleisestablishedbyCATIA,andthetwo-dimensionaldrawingisdrawn。
Keywords:
Cardriveaxle,Mainreducer,Differential,Axle
1绪论
1绪论
1.1驱动桥设计现状及发展情况
为了占据更多的市场比例，不违背国家机动车相关的法律规定，驱动桥技术最近几年来发展的技术有：
提高轿车驱动桥附属零件的新技术比例，提高汽车安全性，增加车轴电子技术的应用，减少人工疲劳，降低轴的制造成本，提高驱动桥的竞争力等方面的发展，尽可能得满足高速车，重载，智能化发展需要生产的特点，从而生产出满足市场需求的驱动桥。
国内大多数公司还滞留在加工阶段,另外设备较国外也有不小的差距,所以导致国内车桥厂生产规模不大，工艺水平、生产效益相对国外也是比较落后。
计算机技术迅猛发展的今天，汽车设计也普遍使用计算机技术，比如构有限元分析技术，计算机技术对工程机械产品的设计起到了愈来愈重要的作用。
它已经成为CAD，CAE，有限元分析（FEM）技术的有效集成手段，能够分析目标的性能，发现设计漏洞，减少产品研发时间，节约试制费用，改善驱动轴的运行平稳性能和经济性。
与国内相比，有限元法已经应用于车辆，结果丰富。
参数化设计指的是研发目标模型的尺寸与变化以及规律，没必要计算详细值。
利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，能够让设计人员节省许多不必要的制图流程，从而提高制图效率，减少设计时间。
现代轿车驱动桥设计最重要的是考虑如何提高转动系的传动效率，减少不必要的传动损耗，其次降低噪声，改善稳定性。
（1）减速器：
现代减速器要求有较高传动效率、产品制造简单。
中国的减速器开发设计既在技术，制造过程中，还是在成本控制方面与国外先进水平都有差距，比如在齿轮制造技术方面国外已经实现计算机编程，电脑化，但国内目前技术落后。
现在比较严重的缺陷是，产业全体新型技术研究和使用比较少，前沿高科技技术研发档次较低，很大比例的减速器目前处于模仿阶段，在国际上知名度高的公司比较少。
因此需要我们提高科技研发的进程，尽快与世界前沿科技缩短差距，研发符合本国市场情况高档较轿车减速器，先从模仿国外技术和理念开始，集合自身国内情况发展自己，追逐世界最高端水平。
目前，国内各大汽车集团也正展开积极合作，渴望追逐世界顶尖水平，尽全力研究创新的新科技。
（2）差速器：
最近10年来防滑差速器的研发使用愈来愈受到市场欢迎。
国内的差速器技术研发相比于国外难以望其项背。
近年来研制的防滑差速器主要是有转矩敏感抗差速器，速度敏感防滑差速器和主动控制防滑差速器。
在防滑差速器上研发新型技术从而改善用户体验，这一情况在全世界轿车领域中的体现已经愈来愈明显了。
现阶段电子防滑差速器可以改善轿车的运行平稳，相比于普通的差速器也更加可靠，减少颠簸从而是驾驶员更好操作掌控轿车，所以国外普遍应用的电子防滑差速器。
与之国外比较，国内差速器新技术研发工作开始的晚，进程也比较慢，现阶段没有高新科技的发表。
（3）半轴：
分量小，加工成本低，半浮式半轴的结构更加简单，多用于轿车驱动桥上。
（4）桥壳：
计算机有限元分析法检测。
汽车设计也普遍使用计算机技术，比如构有限元分析的技术。
有限元法不需要对所分析的结构进行严格的简化，既可以考虑各种计算要求和条件，也可以计算各种工况，而且精度高。
目前，有限元法为驱动桥壳设计提供了强有力的工具。
驱动桥材料、热处理工艺发展现状：
（1）轻量化设计、减轻自重、节省材料。
（2）驱动桥的拆卸、校核、试验技术愈来愈受到大众关注。
螺纹连接普遍使用定扭矩扳手及拧紧机，装配间隙或予紧负荷的调正。
应用计算机及数控测量技术，动态模拟精选精调。
（3）此外在设计产品上使用最前沿的密封技术、降噪技术和最新研制的摩擦材料改善旋转件的运动稳定性。
由此可见，现代汽车驱动桥设计已不再是单一的机械设计，它需要基础理论和现代计算机计算想配合，逐渐成为一门交叉的车辆设计。
1.2设计驱动桥时应满足的基本要求
在设计轿车驱动桥时能够符合下列的基础情况：
a）挑选适宜的主减速比，保障轿车在使用情况下具有最好的的动力性和经济性。
b）轮廓尺寸尽量设计的小，确保轿车有足够的离地间隙，以满足轿车的通过性。
c）各个齿轮及其它传动装置行驶时能够稳定运行，保证齿轮磨合和传动装置发出的噪音要低。
d）可以在不同转速工况、载荷冲击下能有相对较低械功率损耗。
e）要求具有一定的刚度和强度，保证能够接受和传达来源于地面和车架或车身间的各种力和力矩，并且在此情况下，应该力求减少质量，尤其是簧下质量应尽量小，以减轻不平路面在很短的时间内（作用时间小于受力机构的基波自由振动周期的一半）的冲击载荷，从而提高汽车在一定行驶速度范围内的驾驶平顺性。
f）悬架导向机构与驱动桥的运动要能够运行协调，不发生冲突。
g）轿车驱动桥的组成要简易，其加工性能要好，能够加工简易，便捷拆卸、检修。
1—轮毂2—桥壳3—半轴4—差速器5—主减速器
图1.1驱动桥的组成
2驱动桥结构方案分析与选择
在大体上驱动桥有断开式和非断开式两种。
如果在整车设计时，悬架使用非独立悬架，那么应使用非断开式驱动桥。
相对的悬架使用了独立悬架，那么在设计驱动桥时使用断开式驱动桥。
非断开式驱动桥具有以下特点：
制造工艺更好，结构相对简单，制造成本低，运行平稳，拆装调试方便。
由于非断开驱动桥的各种特点，普遍使用于各种商用车和部分乘用车上。
断开式驱动桥两端的驱动轮经独立悬架与车架或车身做弹性连接，因此可以彼此独立地相对于车架或车身上下摆动。
断开式驱动桥构造特点：
断开式驱动桥降低了簧下的质量，提高了乘坐舒适性，降低了轿车的动载荷，改善了轿车动力性；但其制造加工成本相对不菲，结构更加复杂。
根据驱动桥结构特点，本次轿车驱动桥结构设计与校核选择非断开式驱动桥。
1—主减速器2—主减速器壳3—差速器4—半轴5—桥壳6—轮边减速器
图2.1非断开式驱动桥
1—主减速器2—半轴3—弹性元件4—减振器5—驱动车轮6—摆臂7—摆臂轴
图2.2断开式驱动桥
3主减速器的设计
3.1主减速器的结构形式
主减速器可依据齿轮形式、减速类型以及主从动齿轮的支承情况来分类。
3.1.1主减速器的齿轮类型
目前轿车单级主减速器中多选用螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮两种。
螺旋锥齿轮能接受较大的载荷，运行情况稳定，即便在高速运行情况下，噪声和振动也很小。
双曲面锥齿轮可以获得相对大的传动比，当驱动桥的主减速比i0≥4.5时，其运行情况相比于其他锥齿轮更好；能够得到相对大的离地间隙；传递效率较高，约为96%。
但双曲面齿轮齿面间的压力和摩擦功较大，有几率造成油膜损害和齿面烧伤咬死，需要专门的双曲面齿轮油来改善齿轮咬合情况。
还有一种涡轮传递，涡轮传递的特点：
外轮尺寸以及质量小，可以得到更大的减速比（通常i0=8-13）；运行情况稳定，噪声极小；方便轿车的总体设计以及贯通式多驱动桥安放。
但制造加工费用不菲，传动效率较低。
在设计时，当i0≥4.5而驱动桥尺寸一定时，选用双曲面齿轮传动；当i0≤2.0时，采用螺旋锥齿轮，能够有相对较大的差速器可利用空间；对于中间传动，两者都可采用。
通过比较各个齿轮传动情况，本次驱动桥结构设计与校核采用螺旋锥齿轮传动。
（a）螺旋锥齿轮（b）准双曲面齿轮
图3.1主减速器齿轮类型
3.1.2主减速器的减速形式
单级减速器的特点：
尺寸紧凑，制造价格低廉，结构相对简单，质量较小，在轿车整车整备质量相对不高的时候，应当使用单级主减速器。
双级减速器的特点：
在确保离地间隙一样的情况下能够得到相对大的传动比，主传动比普遍为7到12；相对的大小、质量较大，构造复杂，制作加工成本不菲，因而常常使用在总质量相对高的商用车上。
双速主减速器的特点：
用齿轮的不同使用情况可以组合成不同的传动比，在轿车整车整备质量相对较大的情况下，应当使用双速主减速器。
贯通式主减速器根据主减速器级数不同分为两大类：
单级贯通式和双极贯通式。
单级贯通式主减速器特点为：
构造简易、质量不高、大小分配合理，在轿车整车整备质量相对较大的情况下能够选用单机贯通式主减速器。
双极贯通式主减速器由于主传动比较大，常在轿车整车整备质量相对较大的情况下使用。
对比各个减速器特性，本次设计采用单级减速。
3.1.3主减速器主、从动锥齿轮的支承方案
主动锥齿轮根据轴承不同的支承情况可以分为两类：
悬臂式和骑马式。
悬臂式的特点：
主动锥齿轮的小轴上有且只有一对轴承，该轴承在轴较长的一段上，悬臂式支承因为只有一对轴承所以比较简单，拆装也容易。
骑马式的特点：
主动锥齿轮的两端轴上有一对轴承，可以承受较大的载荷和转矩。
从动锥齿轮轴承的选择与减速器锥齿轮的受力和转矩有关，根据不同的情况选择不同的轴承，在轿车设计中从动锥齿轮一般选用圆锥滚子轴承。
对比各种支承方案，本次轿车驱动桥结构设计与校核主动锥齿轮的支承方式采用悬臂式，相对的动锥齿轮选择使用圆锥滚子轴承支承。
（a）悬臂式支承（b）跨置式支承
图3.2主动齿轮的支承方式
图3.3从动锥齿轮的支承方式
3.2主减速器基本参数选择与计算载荷的确定
表3.1原始数据
参数
数值
参数
数值
汽车最大总质量
2.07T
轮胎直径
600mm
一档传动比
8.3
汽车最高车速
120km/h
发动机最大功率
60kw
发动机最大转矩
120Nm
最大转矩发动机转速
2500r/min
3.2.1轮胎滚动半径以及主减速比的确定
轮胎的滚动半径：
（3.1）
式中：
rr—滚动半径，m；
F—轮胎计算系数，子午线轮胎为3.05，斜交轮胎为2.99，取3.05；
d—轮胎的自由直径，0.6m；
确定轮胎滚动半径rr=0.2913m。
主减速比的确定：
（3.2）
式中：
np—最大功率时发动机的转速，2500r/min；
Vamax—轿车的最高车速，120km/h；
igh—变速器的最高转动比，通常取1；
rr—滚动半径，0.2913m；
确定主减速比i0=2.2813。
3.2.2主减速器齿轮计算载荷的确定
从动齿轮的计算转矩Tc：
按发动机最大转矩和最低档传动比确定
（3.3）
式中：
kd—猛接离合器时所产生的动载系数
式中：
ma—汽车满载质量，2070㎏；
当fj=0时，kd=1；当fj>0时，kd=2；
算得：
kd=1；
i1—变速器一档传动比，8.3；
i0—主减速器传动比，2.2813；
k—液力变矩器变矩系数，1；
if—分动器传动比，1；
η—发动机到传动轴之间的传动效率，0.9；
n—计算的驱动桥数，取1；
确定：
Tce=2050.87N·m；
按驱动轮打滑转矩确定从动锥齿轮的计算转矩:
（3.4）
式中：
G2—满载状态下一个驱动桥上的静载荷,G2=2.07×1000×9.8N=20286N；
m2’—轿车最大加速度时后轴负荷转移系数，乘用车1.2到1.4，取1.3；
φ—轮胎与路面的附着系数，0.85；
im—主减速器从动齿轮到车轮之间的传动比，取1；
rr—滚动半径，0.2913m；
ηm—主减速器主动齿轮到车轮之间的效率，一般为0.98，这里取0.98；
确定Tcs=6663.05N·m;
按汽车日常行驶平均转矩确定从动锥齿轮的计算转矩：
式中，Ga—汽车满载总重量；
GT—为挂车总质量，0N；
fR—道路滚动阻力系数，取0.01；
fH—汽车正常使用时的平均爬坡能力系数，一般设计时轿车取0.08,这里取0.08；
im—主减速器从动齿轮到车轮之间的传动比，1；
ηm—主减速器主动齿轮到车轮之间的效率，0.98；
n—计算驱动桥数，1；
确定Tcf=542.69N·m。
当计算锥齿轮最大应力时TC=min[Tce,Tcs]=2050.87N·m；
当计算锥齿轮疲劳寿命时Tc=Tcf=542.69N·m；
主动锥齿轮的计算转矩为：
（3.5）
式中：
ηG_-主从动锥齿轮的传动效率，螺旋锥齿轮副为95%，双曲面齿轮副为90%；
确定TZ=996.0N·m。
3.2.3锥齿轮主要参数的选择
挑选主、从动斜齿圆柱齿轮齿数时需要思考下列要素：
a）能够使主、从动斜齿圆柱齿轮磨合平稳，z1、z2之间最好相互质数；
b）能够获得符合条件的齿面重叠系数和较高的齿轮弯曲强度，主从动齿轮齿数和应因当高于50；
c）能够使主、从动斜齿圆柱齿轮结合平稳、降低齿轮结合时发出的噪声和具有较高的疲劳强度，轿车的z1普遍高于9；
d）当传动比相对大时，z1可能选择的小，从而得到满意的离地间隙。
表3.1 驱动桥主减速器锥齿轮齿数（用于轿车）
传动比（z2/z1）
主动齿轮齿数（z1）
主从动齿轮齿数和（z1+z2）
2.00～2.11
17～21
50～56
2.12～2.31
16～20
50～56
2.32～2.55
15～19
50～56
2.56～2.83
14～18
50～56
2.84～4.50
13～16
50～56
根据要素与上表，初选z1=16；z2=37。
D2可以根据经验公式初选：
（3.6）
式中：
D2—从动齿轮大端分度圆直径，mm；
KD2—直径系数，取值范围为为13.0～15.3；
D2的取值范围：
165.165～194.3865mm；
齿轮端面模数：
（3.7）
式中：
ms—齿轮端面模数；
确定ms的取值范围为：
4.464～5.254；
同时ms还应该满足：
（3.8）
式中km—模数系数，一般为0.3～0.4；
ms的取值范围为：
3.8115～5.082；
确定ms=5。
表3.2 螺旋锥齿轮几何尺寸设计计算表
参数
公式
主动齿轮
从动齿轮
齿数Z
z
z1=16
z2=37
螺旋角β
β
35°
端面模数
m
5
节圆直径
d=mz
d1=80
d2=185
齿面宽
b1=1.1b2
b2=0.155d2
b1=31.543
b2=28.675
齿工作高
hg=H1m
8.5
齿全高
h=H2m
9.44
法相压力角
α
16°
端面压力角
19.3°
轴交角
Σ
90°
节锥角
r1=23.39°
r2=66.61°
节锥距
A0=100.76
周节
t=3.1416m
t=15.708
齿顶高
h1’=hg-h2’
h2’=kamKa
4.25
4.25
齿根高
h1’’=h-h1’
h2’’=h-h2’
5.19
5.19
径向间隙
c=h-hg
0.94
齿根角
2.949°
2.949°
面锥角
r01=r1+δ2
r02=r2+δ1
26.039°
69.559°
根锥角
rR1=r1-δ2
rR2=r2-δ1
20.441°
63.661°
外圆直径
d01=d1+2h1’cosr1
d02=d2+2h2’cosr2
87.8
188.37
节锥顶点到齿轮外缘距离
90.81
36.10
齿侧间隙
B（0.151～0.330）
0.2
螺旋方向
一般情况下，主动齿轮左旋，从动齿轮右旋
驱动齿轮
小齿轮
螺旋方向
向齿轮背看去，通常主动齿轮为顺时针，从动齿轮为逆时针
注：
（1）表中齿工作高系数H1=1.7000，齿全高系数H2=1.888，从动齿轮齿顶高系数Ka=0.4756。
（2）表中长度单位为mm。
图3.4从动齿轮Catia实例
图3.5主动齿轮Catia实例
3.3主减速器锥齿轮强度计算
3.3.1计算单位齿长圆周力p：
按发动机最大转矩计算：
（3.9）
式中：
D1—主动锥齿轮分度圆直径，80mm；
b2—从动齿轮齿面宽，28.675mm；
if—分动器传动比，1；
n—计算驱动桥数，1；
其余参数参考之前公式；
确定p=781.48N/mm≤[p]=893N/mm，满足表面耐磨性要求。
按驱动轮打滑计算：
（3.10）
式中：
D2—从动锥齿轮分度圆直径，185mm；
b2—从动齿轮齿面宽，28.675mm；
G2—满载状态下一个驱动桥上的静,20286N；
rr—滚动半径，0.2913m；
其余参数参考前面公式；
确定p=376.94N/mm≤[p]=893N/mm，满足表面耐磨性要求。
3.3.2齿轮弯曲强度
螺旋锥齿轮的弯曲应力为
（3.11）
式中：
Tc—该齿轮的计算转矩，N·m；对于从动轮按min[Tce，Tcs]和Tcf计算；
KS—尺寸系数，当端面模数m≥1.6mm时，
；
KV—质量系数，对于轿车驱动桥可以取1；
Km—载荷分配系数，取1；
J—计算弯曲应力用的综合系数，小齿轮取0.21，大齿轮取0.265；
其余参数参考之前公式；
主动锥齿轮：
δw1=162.42N/mm2≤700N/mm2，当Tc=min[Tce,Tcs]时；
δ’w2=42N/mm2≤210.9N/mm2，当Tc=Tcf时；
从动锥齿轮：
δw1=97.50N/mm2≤700N/mm2，当Tc=min[Tce,Tcs]时；
δ’w2=25.80N/mm2≤210.9N/mm2，当Tc=Tcf时；
齿轮
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