轻型载货汽车驱动桥设计

1、课程设计（论文）题 目YZK1026CAE轻型载货车驱动桥设计学院名称经济技术学院指导教师黎卿职 称教授班级车辆工程（2）学 号 （08558033， 08558034）学生2011年1月6日目录课程设计题目分析主减速器设计（一）减速器的结构形式（二）主速器的基本参数选择与设计计算（三）主减速器锥齿轮的主要参数的选择（四）主减速器锥齿轮的材料（五）主减速器双曲面齿轮强度的计算（六）主减速器轴承计算及选择三、 差速器的设计（一）差速器的结构形式的选择（二）差速器参数的确定（三）差速器直齿锥齿轮的几何尺寸的计算（四）差速器直齿锥齿轮的强度计算四、 半轴的设计（一）半轴型式（二）半轴参数设计计算（三

2、）半轴花键的强度计算（四）半轴其他主要参数的选择（五）半轴的机构设计及材料与热处理五、 桥壳及桥壳附件的设计（一）驱动桥壳结构方案的选择（二）驱动桥壳强度计算（三）材料的选择参考文献1 惟信 .汽车设计 M.: 清华大学 ,2001.2 家瑞 .汽车构造 M. ：机械工业， 2003.3 汽车工程手册编辑委员会 .汽车工程手册 M ：设计篇. ：人民交 通， 2001.4 汽车工程手册编辑委员会 .汽车工程手册 M ：基础篇 .：人民交 通， 2001.5 余志生.汽车理论M.:机械工业，1990.6 朝会，王丰元，马浩 . 基于有限元方法的载货汽车驱动桥壳分析 J. 农业装备与车辆工程 .2

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4、，愈琪，钰 . 矿用自卸驱动桥壳结构分析与改进设计 J. 专用汽车， 2005，（1 ）: 21-23.13 王铁，国忠，周淑文.路面不平度影响下的汽车驱动桥动载荷 J. 东北大学学报 ,2003,（1）:50-53.14 常曙光. 重载汽车驱动桥齿轮用钢的成分设计 J. 现代零部件， 2006，（ 1 ）: 90-95.15 徐灦. 机械设计手册 M. :机械工业， 1991.正文课程设计题目的分析本次课程设计题目为轻型载货汽车驱动桥，车型为YZK1026CA具体参数下:整车型号: YZK1026CAE发动机型号: CA4G22E最大功率/转速：76kw/4800r/min 最大扭矩(N m

5、/r/min ): 175 N m/2800-3200 r/min汽车整车整备质量：1500kg主传动比：4.55变速器一档速比：4.452轮胎：215/75R15 235/75R15驱动形式：后轮驱动(4*2)外形尺寸：长*宽*高mm( 5190*1700*1655)货箱部尺寸：长*宽*高mm( 1500*1470*440)轮距(前 / 后)mm 1430/1426轴距mm 3025最小离地间隙：185mm最小转弯半径直径：三16m乘坐人数：5人装载质量：500kg整车整备质量：1500kg空载前轴790kg后轴710kg满载前轴900kg后轴1425kg最高车速：140km/h 最大爬坡高

6、度：三30%限工况百公里油耗： 8.3L最低稳定车速(直接挡) 25km/h设计之前，阅读汽车设计 、机械设计、机械设计课程设计 、汽车工 程手册等书设计要求：驱动桥处于动力传动系的末端， 其基本功能是增大由传动轴或变速 器传来的转矩， 并将动力合理的分配到左右驱动轮， 另外还承受路面和车架或车 身之间的垂直力、纵向力和横向力。驱动桥一般由主减速器、差速器、车轮传动 装置和驱动桥壳。设计驱动桥时应满足以下基本要求：1) 选取适当的主减速器，以保证汽车在给定的条件下有最佳动力性和燃油经济性2) 满足离地间隙的要求3) 齿轮工作噪声小，传动平稳4) 在各种载荷和工况下有较高的传动效率5) 具有足够

7、的刚度和强度，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，尽可能的降低簧下质量，减少不平路面的冲击载荷，提高汽车的平 顺性6) 与悬架的导向机构运动协调7) 结构简单，加工工艺性好，制造容易，维修，调整方便本课题要求设计的是扬子轻型载货汽车的驱动桥 , 所以参照国轻型货车的设计，选用非断开式驱动桥，这样成本低，制造加工简单，便于维修主减速器设计（一）减速器的结构形式总体来说车用主减速器发展趋势和特点是向着承载能力高、高齿面硬度、 高精度、高速度、高可靠性、高传动效率、低噪声、低成本、标准化、多样化发。 331主减速比內的确定在给定发动机最大功率Pemax及转速时，所选择5应能尽可能保

8、证汽车有最高车 速Vamax这时可以根据以下经典公式确定式中,.切佔）汽车主减速器的主减速比车轮滚动半径mNp为最大功率转速（r/min ）Vamax纯发动机驱动要求汽车达到的最高车速km/hIgh汽车变速器的最高挡传动比代人公式即可得4.55数据是查找预定车型的基本参数，根据整车和发动机对后驱动桥的要求，确定主减速器传动比3.2.2主减速器齿轮计算载荷的确定计算载荷通常将发动机最大转矩配以传动系最低档传动比和驱动车轮打滑时这两种情况下作用下用于主减速器从动齿轮上的转矩Tee, Tee中的较小者,作为载货汽车或者越野汽车在强度计算中用以验算主减速器从动齿轮最大应力 载荷。(1).按照发动机最大

9、转矩和最低挡传动比确定从动锥齿轮的计算转矩Teek讥融母刼 175 * 4452 * 4.55=Tee二“=3544.905式中Tee发动机最大扭矩，本车取175 N m円一档传动比，本车取4.452引分动器传动比，本车没有分动器故取 1上述传动效率，由于采用了双曲面齿轮，故一般取0.96n该车驱动桥的数目，该车取1Kd猛接离合器产生的动载系数，由 力确定L6 0.195f0.】帖 16100erntul(100.195工161 ernojr=0 时，kd 取 1，；时取 kd=2为液力变矩系数，这里没有取1(2).按照驱动轮打滑转矩确定从动锥齿轮的计算转矩cs = = 1425 * 10 *

10、 1.2 * 0JJ5 *0, 356 - 5174. 4G式中：为满载状态一个驱动桥上的静载何(N)为汽车最大加速时的后桥负荷转移系数，这里取1.2235/75R15的滚动半径为 356mrp 215/75R15的滚动半径为341mm为轮胎与路面的附着系数，这里取 0.85为主减速器从动轮到车轮之间的传动比，无轮边减速器，所以此值为从动轮到车轮之间的传动效率，无轮边减速器，所以为 1332主减速器锥齿轮的主要参数选择a）主、从动锥齿轮齿数zi和Z2选择主、从动锥齿轮齿数时应考虑如下因素；为了啮合平稳、噪音小和具有高的疲劳强度，大小齿轮的齿数和不少于40在轿车主减速器中，小齿轮齿数不小于9。查

11、阅资料，经方案论证，主减速器的传动比为6.33，初定主动齿轮齿数zi=6，从动齿轮齿数Z2=38。b）主、从动锥齿轮齿形参数计算按照文献3中的设计计算方法进行设计和计算，结果见表3-1。从动锥齿轮分度圆直径 dm2=l4310190 =303.51mm 取dm2=304mm 齿轮端面模数 m d2/z2 304/388表3-1主、从动锥齿轮参数参数符号主动锥齿轮从动锥齿轮分度圆直径d=mz64304齿顶咼ha=1.56m-h 2；h 2=0.27m6.774.42齿根高hf=1.733m-ha4.336.68齿顶圆直径da=d+2hacos S90376齿根圆直径df=d-2hfcos S60

12、270齿顶角0 a241321 齿根角h20 f=arctan R31241 分锥角乙S =arcta n Z21476顶锥角S a1541 7821根锥角S f1139 749锥距R=2sin S132132分度圆齿厚S=3.14mz99齿宽B=0.155d24747c）中点螺旋角B弧齿锥齿轮副的中点螺旋角是相等的。汽车主减速器弧齿锥齿轮螺旋角的 平均螺旋角一般为3570。货车选用较小的B值以保证较大的& f,使运转 平稳，噪音低。取B =35。d）法向压力角a法向压力角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，也可以使齿轮运转平稳，噪音低。对于货车弧齿锥齿轮，a般选用20。e）

13、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。主、从动锥齿轮的螺旋方向是相反的。螺旋方向与锥齿轮的旋转方向影响 其所受轴向力的方向。当变速器挂前进挡时，应使主动齿轮的轴向力离开锥顶 方向，这样可以使主、从动齿轮有分离趋势，防止轮齿卡死而损坏。3.4主减速器锥齿轮的材料驱动桥锥齿轮的工作条件是相当恶劣的，与传动系其它齿轮相比，具有载 荷大、作用时间长、变化多、有冲击等特点。因此，传动系中的主减速器齿轮 是个薄弱环节。主减速器锥齿轮的材料应满足如下的要求：a）具有高的弯曲疲劳强度和表面接触疲劳强度，齿面高的硬度以保证有高 的耐磨性。b）齿轮芯部应有适当的韧性以适应冲击载

14、荷，避免在冲击载荷下齿根折 断。c）锻造性能、切削加工性能以及热处理性能良好，热处理后变形小或变形 规律易控制。d）选择合金材料是，尽量少用含镍、铬呀的材料，而选用含锰、钒、硼、钛、钼、硅等元素的合金钢。汽车主减速器锥齿轮与差速器锥齿轮目前常用渗碳合金钢制造，主要有20CrMnTi、20MnVB 20MnTiB 22CrNiMo和 16SiMn2WMqV渗碳合金钢的优点是 表面可得到含碳量较高的硬化层（一般碳的质量分数为0.8%1.2%），具有相当高的耐磨性和抗压性，而芯部较软，具有良好的韧性。因此，这类材料的弯 曲强度、表面接触强度和承受冲击的能力均较好。由于钢本身有较低的含碳 量，使锻造性

15、能和切削加工性能较好。其主要缺点是热处理费用较高，表面硬 化层以下的基底较软，在承受很大压力时可能产生塑性变形，如果渗碳层与芯 部的含碳量相差过多，便会引起表面硬化层的剥落。为改善新齿轮的磨合，防止其在余兴初期出现早期的磨损、擦伤、胶合或 咬死，锥齿轮在热处理以及精加工后，作厚度为 0.0050.020mm的磷化处理或 镀铜、镀锡处理。对齿面进行应力喷丸处理，可提高25%勺齿轮寿命。对于滑动速度高的齿轮，可进行渗硫处理以提高耐磨性。3.5主减速器锥齿轮的强度计算3.5.1单位齿长圆周力按发动机最大转矩计算时P=2kdTemaxki gi f nnD1b2X103(3-4)式中:i g变速器传动

16、比，常取一挡传动比，ig=7.31 ;D主动锥齿轮中点分度圆直径 mm D-i =64mm其它符号同前；将各参数代入式（3-4），有：P=856 N/mm按照文献1,P P=1429 N/mm,锥齿轮的表面耐磨性满足要求。3.5.2齿轮弯曲强度锥齿轮轮齿的齿根弯曲应力为:0W2Tkx 10k v m s bDJ(3-5)式中：別一锥齿轮轮齿的齿根弯曲应力，MPat齿轮的计算转矩，Nmk0过载系数，一般取1;ks尺寸系数，0.682 ;km齿面载荷分配系数，悬臂式结构，km=1.25 ;kv质量系数，取1;b所计算的齿轮齿面宽；b=47mmD所讨论齿轮大端分度圆直径；D=304mmJw齿轮的轮齿

17、弯曲应力综合系数，取 0.03 ;对于主动锥齿轮，T=1516.4 Nm ;从动锥齿轮，T=10190Nm将各参数代入式（3-5），有：主动锥齿轮， 刖=478MPa从动锥齿轮，ow =466MPa按照文献1,主从动锥齿轮的ow o=700MPa轮齿弯曲强度满足要求。3.5.3轮齿接触强度锥齿轮轮齿的齿面接触应力为:(T jcp_Di2TzkokskmkfSJjX103(3-6)式中：（T j 锥齿轮轮齿的齿面接触应力，MPaD主动锥齿轮大端分度圆直径，mm Di=64mm b主、从动锥齿轮齿面宽较小值；b=47mm kf齿面品质系数，取1.0 ； cp综合弹性系数，取232Ni/2/mmks

18、尺寸系数，取1.0 ；Jj齿面接触强度的综合系数，取 0.01 ；Tz主动锥齿轮计算转矩；Tz=1516.4N.mk。、km、kv选择同式（3-5） 将各参数代入式 （3-6），有：（T j=2722MPa按照文献1 j e，由此得X=0.4,Y=1.7。另外查得载荷系数fp=1.2P=fpXF+YF(3-21)将各参数代入式（3-21 ）中，有:P=7533N(3-22)轴承应有的基本额定动负荷 CrCr=式中：ft温度系数，查文献4，得ft=1;滚子轴承的寿命系数，查文献4，得& =10/3 ;n轴承转速，r/min ；L h轴承的预期寿命，5000h; 将各参数代入式（3-22 ）中，有

19、；C r=24061N初选轴承型号查文献3，初步选择C =24330N C r的圆锥滚子轴承7206巳 验算7206E圆锥滚子轴承的寿命Lh16667 ftCr(3-23)将各参数代入式（3-21 ）中，有：Lh=4151h99.2=49.6 mm14700.7 103,1.1 69 4 49.631 mmL 1.1 31 34mm差速器齿轮的强度计算差速器齿轮的尺寸受结构限制，而且承受的载荷较大，它不像主减速器齿轮那样经常处于啮合状态，只有当汽车转弯或左右轮行驶不同的路程时， 或一侧车 轮打滑而滑转时，差速器齿轮才能有啮合传动的相对运动。因此对于差速器齿轮主要应进行弯曲强度校核。轮齿弯曲强度

20、w为2Tkskm 103kvmb2d2Jn(1-6)式中：T差速器 一个行星齿轮传 给一个半轴齿轮的转矩，其计算式T。0.6n在此 T 为 2205.10 N ;n差速器的行星齿轮数;Z2 半轴齿轮齿数；Kv、Ks、Km 见式（2-8 ）下的说明；J n 计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数3根据上式 w2205.10 0.829 1.0783.6 MPa 980 MPa1 8 18 144 0.225所以，差速器齿轮满足弯曲强度要求。材料为20CrMnTi、20CrMoTi、22CrMnMo和 20CrMo5驱动车轮的传动装置设计驱动车轮的传动装置位于汽车传动系的末端， 其功用是将转矩由差

21、速器半轴齿轮传给驱动车轮。 在断开式驱动桥和转向驱动桥中， 驱动车轮的传动装置包括 半轴和万向节传动装置且多采用等速万向节。 在一般非断开式驱动桥上， 驱动车 轮的传动装置就是半轴， 这时半轴将差速器半轴齿轮与轮毂连接起来。 在装有轮 边减速器的驱动桥上，半轴将半轴齿轮与轮边减速器的主动齿轮连接起来。5.1 半轴的型式普通非断开式驱动桥的半轴， 根据其外端的支承型式或受力状况的不同而分 为半浮式、 3/4 浮式和全浮式三种。半浮式半轴以靠近外端的轴颈直接支承在置于桥壳外端孔中的轴承上， 而端 部则以具有锥面的轴颈及键与车轮轮毂相固定， 或以突缘直接与车轮轮盘及制动 鼓相联接 ) 。因此，半浮式

22、半轴除传递转矩外，还要承受车轮传来的弯矩。由此 可见，半浮式半轴承受的载荷复杂，但它具有结构简单、质量小、尺寸紧凑、造 价低廉等优点。 用于质量较小、 使用条件较好、 承载负荷也不大的轿车和轻型载 货汽车。3/4 浮式半轴的结构特点是半轴外端仅有一个轴承并装在驱动桥壳半轴套 管的端部， 直接支承着车轮轮毂， 而半轴则以其端部与轮毂相固定。 由于一个轴 承的支承刚度较差， 因此这种半轴除承受全部转矩外， 弯矩得由半轴及半轴套管 共同承受，即 3/4 浮式半轴还得承受部分弯矩， 后者的比例大小依轴承的结构型 式及其支承刚度、 半轴的刚度等因素决定。 侧向力引起的弯矩使轴承有歪斜的趋 势，这将急剧降

23、低轴承的寿命。可用于轿车和轻型载货汽车，但未得到推广。全浮式半轴的外端与轮毂相联， 而轮毂又由一对轴承支承于桥壳的半轴套管 上。多采用一对圆锥滚子轴承支承轮毂， 且两轴承的圆锥滚子小端应相向安装并 有一定的预紧，调好后由锁紧螺母予以锁紧，很少采用球轴承的结构方案。由于车轮所承受的垂向力、 纵向力和侧向力以及由它们引起的弯矩都经过轮 毂、轮毂轴承传给桥壳， 故全浮式半轴在理论上只承受转矩而不承受弯矩。 但在 实际工作中由于加工和装配精度的影响及桥壳与轴承支承刚度的不足等原因， 仍 可能使全浮式半轴在实际使用条件下承受一定的弯矩，弯曲应力约为570MPa具有全浮式半轴的驱动桥的外端结构较复杂， 需

24、采用形状复杂且质量及尺寸都较 大的轮毂， 制造成本较高， 故轿车及其他小型汽车不采用这种结构。 但由于其工 作可靠，故广泛用于轻型以上的各类汽车上。5.2 半轴的设计与计算 半轴的主要尺寸是它的直径，设计与计算时首先应合理地确定其计算载荷。 半轴的计算应考虑到以下三种可能的载荷工况：a) 纵向力X2最大时(X2= Z2 )附着系数取0.8，没有侧向力作用；b) 侧向力丫2最大时，其最大值发生于侧滑时，为 Z2 1中，侧滑时轮胎与地面侧向附着系数1，在计算中取1.0，没有纵向力作用；c) 垂向力Z2最大时，这发生在汽车以可能的高速通过不平路面时，其值为 (Z2-gw)kd, kd是动载荷系数，这

25、时没有纵向力和侧向力的作用。由于车轮承受的纵向力、侧向力值的大小受车轮与地面最大附着力的限制，即：Z 2= Jx厂+丫22故纵向力*最大时不会有侧向力作用，而侧向力丫2最大时也不会有纵向力作用。5.2.1全浮式半轴的设计计算本课题采用带有凸缘的全浮式半轴，其详细的计算校核如下：a)全浮式半轴计算载荷的确定全浮式半轴只承受转矩，其计算转矩按下式进行：T=三 Temaxj g1i 0( 5-1 )式中：E 差速器的转矩分配系数，对圆锥行星齿轮差速器可取=0.6 ;i g1变速器1挡传动比；i 0主减速比。已知：Temax= 430Nm i g匸 7.48 ; i 0= 6.33 ;三=0.6计算结

26、果：T=0.6430X7.48 6.33=12215N.m在设计时,T全浮式半轴杆部直径的初步选取可按下式进行：d 3(2.05 2.18) T 0.196 (5-2)式中d半轴杆部直径，mmT 半轴的计算转矩，Nrn；半轴扭转许用应力，MPa根据上式带入 T= 12215 Nm 得：32.50mmC dd=1.5 33=50mm全浮式半轴支承转矩，其计算转矩为:T X2LrrX2R rr式中 一一半轴的扭转应力，MPaT一半轴的计算转矩，T=12215Nmd半轴杆部直径，d=50mm将数据带入式（5-3）、（5-4）得:=528MPa半轴花键的剪切应力为b z Lp b j （Db dA）/

27、4（5-3）（5-4）（5-5）Z Lp(Db dA)/4 (Db dA)/2(5-6)式中T半轴承受的最大转矩，T=12215NmDB半轴花键（轴）外径，DB=54mmdA 相配的花键孔径，dA=50mmz 花键齿数；Lp花键工作长度，Lp=70mmB花键齿宽，B=9mm载荷分布的不均匀系数，取0.75。将数据带入式（5-5）、（5-6）得：b =68Mpac =169MPa半轴花键的挤压应力为103半轴的最大扭转角为TI180103GJ(5-7)式中T半轴承受的最大转矩，T=12215NmI 半轴长度，l=900mmg材料的剪切弹性模量，MPaJ 半轴横截面的极惯性矩，mn4。将数据带入式

28、（5-7）得：=8 半轴计算时的许用应力与所选用的材料、加工方法、热处理工艺及汽车的 使用条件有关。当采用40Cr，40MnB 40MnVB 40CrMnMo 40号及45号钢等作 为全浮式半轴的材料时，其扭转屈服极限达到 784MPa左右。在保证安全系数在 1.31.6围时，半轴扭转许用应力可取为=490588MPa对于越野汽车、矿用汽车等使用条件差的汽车，应该取较大的安全系数，这 时许用应力应取小值；对于使用条件较好的公路汽车则可取较大的许用应力。当传递最大转矩时，半轴花键的剪切应力不应超过71.05MPa挤压应力不应该超过196MPa半轴单位长度的最大转角不应大于 8/m。5.3半轴的结

29、构设计及材料与热处理为了使半轴的花键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（轿车 半轴）至18齿（载货汽车半轴）。半轴的破坏形式多为扭转疲劳破坏，因此在结构 设计上应尽量增大各过渡部分的圆角半径以减小应力集中。重型车半轴的杆部较 粗，外端突缘也很大，当无较大锻造设备时可采用两端均为花键联接的结构，且取相同花键参数以简化工艺。在现代汽车半轴上，渐开线花键用得较广，但也有 采用矩形或梯形花键的。半轴多采用含铬的中碳合金钢制造，女口 40Cr,40CrMnMo40CrMnSi,40CrMoA 35CrMnSi, 35Cr

30、MnTi等。40MnB是我国研制出的新钢种，作为半轴材料效果很好。 半轴的热处理过去都采用调质处理的方法，调质后要求杆部硬度为HB388-444（突缘部分可降至 HB248）。近年来采用高频、中频感应淬火的口益增多。这 种处理方法使半轴表面淬硬达 HRC563,硬化层深约为其半径的1/3,心部硬 度可定为HRC335;不淬火区（突缘等）的硬度可定在HB24277围。由于硬 化层本身的强度较高，加之在半轴表面形成大的残余压应力，以及采用喷丸处理、 滚压半轴突缘根部过渡圆角等工艺， 使半轴的静强度和疲劳强度大为提高， 尤其 是疲劳强度提高得十分显著。 由于这些先进工艺的采用， 不用合金钢而采用中碳

31、 （40 号、45 号）钢的半轴也日益增多。6 驱动桥壳设计驱动桥桥壳是汽车上的主要零件之一， 非断开式驱动桥的桥壳起着支承汽车 荷重的作用，并将载荷传给车轮作用在驱动车轮上的牵引力，制动力、侧向力 和垂向力也是经过桥壳传到悬挂及车架或车厢上。 因此桥壳既是承载件又是传力 件，同时它又是主减速器、差速器及驱动车轮传动装置 （如半轴 ） 的外壳。在汽车行驶过程中， 桥壳承受繁重的载荷， 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。6.1 桥壳的结构型式桥壳的结构型式大致分为可分式a）可分式桥壳可分式桥壳的整个桥壳由一个垂直接合面分为左右两部分， 每一部分均由一 个铸件壳体和一个压入其外端的半轴套管组成。 半轴套管与壳体用铆钉联接。 在 装配主减速器及差速器后左右两半桥壳是通过在中央接合面处的一圈螺栓联