汽车设计课件--5驱动桥

1、第五章 驱动桥设计 第五章第五章 驱动桥设计驱动桥设计 5-1 概述概述 5-2 驱动桥的结构方案分析驱动桥的结构方案分析 5-3 主减速器设计主减速器设计 5-4 差速器设计差速器设计 5-5 车轮传动装置设计车轮传动装置设计 5-6 驱动桥壳设计驱动桥壳设计 第一节第一节 概述概述 一、驱动桥的功用一、驱动桥的功用 降速增矩 实现差速 改变动力传递方向 将驱动轮与地面的相互作用力通过悬架传给车架或车身 二、驱动桥的组成二、驱动桥的组成 v主减速器 v差速器 v半轴 v桥壳 三、驱动桥设计要求三、驱动桥设计要求 1、减速比要求：动力性、经济性 2、离地间隙 3、传动平稳性 4、传动效率 5、

2、舒适性：非簧载质量 6、与其他机构的干涉问题 7、结构、制造、安装、调整问题 第二节第二节 驱动桥结构方案驱动桥结构方案 优缺点分析： 簧上质量 簧下质量 离地间隙 与地面的接触能力 非断开式驱动桥 断开式驱动桥 第三节第三节 主减速器设计主减速器设计 一、主减速器的结构形式一、主减速器的结构形式 根据齿轮类型、减速形式、从动齿轮支承形式分类 1.1.按齿轮副结构型式分类按齿轮副结构型式分类 螺旋锥齿轮式、双曲面齿轮式、圆柱齿轮式 、蜗杆传动式。 2.2.按减速形式分类按减速形式分类 单级式、双级式、单速式、双速式、贯通式、轮边减速式。 3.3.按从动齿轮支承形式分类按从动齿轮支承形式分类 跨

3、置式、悬臂式 （一）主减速器的齿轮类型（一）主减速器的齿轮类型 1.1.螺旋锥齿轮传动（弧齿锥齿轮）螺旋锥齿轮传动（弧齿锥齿轮） 螺旋锥齿轮传动的主、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。 由于轮齿端面重叠的影响，至少 有两对以上的轮齿同时啮合，所以 它工作平稳、能承受较大的负荷、 制造也简单。 在工作中噪声大，对啮合精度很 敏感，齿轮副锥顶稍有不吻合便会 使工作条件急剧变坏，并伴随磨损 增大和噪声增大。 偏移距: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 移一距离E，此距离称为偏移距。

4、 由于偏移距E的存在，使主动齿轮螺 旋角大于从动齿轮螺旋角。 根据啮合面上法向力相等，可求出 主、从动齿轮圆周力之比 2.双曲面齿轮传动 2 1 2 1 cos cos F F 螺旋角:指在锥齿轮节锥表面展开图 上的齿线任意一点A的切线TT与该点 和节锥顶点连线之间的夹角。在齿面 宽中点处的螺旋角称为中点螺旋角。 传动比比较 双曲面齿轮 螺旋锥齿轮 双曲面齿轮与螺旋锥齿轮的比较双曲面齿轮与螺旋锥齿轮的比较 1 1 2 2 11 22 0 cos cos r r rF rF is 15 . 125. 1cos/cos 12 K Ls Kii 00 r r iL 1 2 0 1)当双曲面齿轮与螺旋

5、锥齿轮尺寸相同时，双曲面齿轮传动有 更大的传动比。 2)当传动比一定，从动齿轮尺寸相同时，双曲面主动齿轮比相 应的螺旋锥齿轮有较大的直径，较高的轮齿强度以及较大的 主动齿轮轴和轴承刚度。 3)当传动比一定，主动齿轮尺寸相同时，双曲面从动齿轮直径 比相应的螺旋锥齿轮为小，因而有较大的离地间隙。 双曲面齿轮传动比螺旋锥齿轮传动的优点双曲面齿轮传动比螺旋锥齿轮传动的优点 1)双曲面齿轮副：沿齿高方向侧向滑动，沿齿长方向纵向滑动。纵向滑 动可改善齿轮的磨合过程，使其具有更高的运转平稳性。 2)双曲面齿轮副主动齿轮的螺旋角大于从动齿轮的螺旋角，这样同时啮 合的齿数较多，重合度较大，提高了传动平稳性，而且

6、使齿轮的弯曲强 度提高约30。 3)双曲面齿轮传动的主动齿轮直径及螺旋角都较大，所以相啮合轮齿的 当量曲率半径较相应的螺旋锥齿轮为大，使齿面的接触强度提高。 4)主动齿轮轴布置方式灵活： 布置在从动齿轮中心上方，便于实现多轴驱动桥的贯通， 增大传动轴的离地高度。 布置在从动齿轮中心下方，可降低万向传动轴的高度，有 利于降低轿车车身高度，并可减小车身地板中部凸起通道 的高度。 双曲面齿轮传动的缺点双曲面齿轮传动的缺点 1)沿齿长的纵向滑动会使摩擦损失增加，降低传动效率。 双曲面齿轮副传动效率为96，螺旋锥齿轮副为99。 2)齿面间大的压力和摩擦功，可能导致油膜破坏和齿面烧结 咬死，即抗胶合能力较

7、低。 3)双曲面主动齿轮具有较大的轴向力，使其轴承负荷增大。 4)双曲面齿轮传动必须采用可改善油膜强度和防刮伤添加剂 的特种润滑油，螺旋锥齿轮传动用普通润滑油即可。 螺旋锥齿轮与双曲面锥齿轮的选择螺旋锥齿轮与双曲面锥齿轮的选择 当要求传动比大于45而轮廓尺寸又有限时，采用双 曲面齿轮传动更合理。这是因为如果保持主动齿轮轴径 不变，则双曲面从动齿轮直径比螺旋锥齿轮小。 当传动比小于2时，双曲面主动齿轮相对螺旋锥齿轮主 动齿轮显得过大，占据了过多空间，这时可选用螺旋锥 齿轮传动，因为后者具有较大的差速器可利用空间。 对于中等传动比，两种齿轮传动均可采用。 3 3圆柱齿轮传动圆柱齿轮传动 v圆柱齿轮

8、传动一般采用斜齿轮， 广泛应用于发动机横置且前置 前驱动的轿车驱动桥和双级主 减速器贯通式驱动桥。 4 4蜗杆传动蜗杆传动 优点： 1)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)。 2)在任何转速下使用均能工作得非常平稳 且无噪声。 3)便于汽车的总布置及贯通式多桥驱动的 布置。 4)能传递大的载荷，使用寿命长。 5)结构简单，拆装方便，调整容易。 缺点： 蜗轮齿圈要求用高质量的锡青铜制作，成 本较高； 传动效率较低。 （二）主减速器的减速形式（二）主减速器的减速形式 影响减速形式选择的因素： 汽车类型 使用条件 驱动桥处的离地间隙 驱动桥数 布置形式以及主传动比i。

9、1 1单级主减速器单级主减速器 v由一对圆锥齿轮、一 对圆柱齿轮或由蜗轮 蜗杆组成，具有结构 简单、质量小、成本 低、使用简单等优点。 v主传动比不能太大， 一般i07，进一步提 高i0将增大从动齿轮 直径，从而减小离地 间隙，且使从动齿轮 热处理困难。 2.2.双级主减速器双级主减速器 v双级主减速器与单级相 比，在保证离地间隙相 同时可得到大的传动比， i0一般为712。 v尺寸、质量均较大，成 本较高。它主要应用于 中、重型货车、越野车 和大客车上。 v分类： 整体式和分开式。 分开式由中央减速器和轮边 减速器组成。 （1）整体式双级主减速器的结构方案）整体式双级主减速器的结构方案 （2

10、 2）第一级为锥齿轮、第二级为圆柱齿轮的双级主减速器的布置）第一级为锥齿轮、第二级为圆柱齿轮的双级主减速器的布置 v纵向水平布置、垂向布置、斜向布置 v纵向水平布置可以使总成的垂向轮廓尺寸减小，从而降低汽车的质 心高度，但使纵向尺寸增加，用在长轴距汽车上可适当减小传动轴 长度，但不利于短轴距汽车的总布置，会使传动轴过短，导致万向 传动轴夹角加大。 v垂向布置使驱动桥纵向尺寸减小，可减小万向传动轴夹角，但由于 主减速器壳固定在桥壳的上方，不仅使垂向轮廓尺寸增大，而且降 低了桥壳刚度，不利于齿轮工作。这种布置可便于贯通式驱动桥的 布置。 v斜向布置介于两者之间，对传动轴布置和提高桥壳刚度有利。 圆

11、柱行星齿轮式轮边减速器：可布置在轮毂内。 圆锥行星齿轮式轮边减速器，具有两个轮边减速比：布置在轮毂外。 普通外啮合圆柱齿轮式轮边减速器：主动齿轮上置和下置两种形式。 上置式:主要用于高通过性的越野汽车上，可提高桥壳的离地间隙; 下置式:主要用于城市公共汽车和大客车上，可降低车身地板高度和汽车 质心高度，提高了行驶稳定性。 （3 3）轮边减速器（）轮边减速器（3 3种布置）种布置） 3.3.双速主减速器双速主减速器 双速主减速器内由齿轮的不同组合可获得两种传动比。它与普通变速 器相配合，可得到双倍于变速器的挡位。 双速主减速器的高低挡减速比是根据汽车的使用条件、发动机功率及 变速器各挡速比的大小

12、来选定的。 太阳轮1是长齿，左移时 可以与行星齿轮4及行星 齿轮架3的内齿环同时啮 合，行星齿轮无法自转 而不起减速作用，为高 挡位。 4.4.贯通式主减速器贯通式主减速器 v贯通式主减速器根据其减速形式可分成单级和双级两种 v单级：双曲面齿轮式及蜗轮蜗杆式 双级贯通式主减速双级贯通式主减速 锥齿轮圆柱齿轮式 圆柱齿轮锥齿轮式 锥齿轮圆柱齿轮式双级 贯通式主减速器可得到较大 的主减速比，但是结构高度 尺寸大，主动锥齿轮工艺性 差，从动锥齿轮采用悬臂式 支承，支承刚度差，拆装也 不方便。 圆柱齿轮锥齿轮式双级 贯通式主减速器的第一级圆 柱齿轮副具有减速和贯通的 作用，有时仅用作贯通用， 将其速比

13、设计为1。 （三）主减速器锥齿轮的支承（三）主减速器锥齿轮的支承 v主动锥齿轮的支承 跨置式和悬臂式 v从动锥齿轮的支承 跨置式 从动锥齿轮的辅助支承 二、主减速器计算载荷的确定与参数的选择二、主减速器计算载荷的确定与参数的选择 n iikiTk T fed ce 01max 2、按驱动轮打滑转矩确定 mm r cs i rmG T 22 3、按汽车日常行驶平均转矩确定 ni rF T mm rt cf 主减速器主动锥齿轮计算载荷 c c z i T T 0 c T z T （一）主减速器（一）主减速器从动锥齿轮计算载荷从动锥齿轮计算载荷的确定的确定 1、按发动机最大转矩和最低挡传动比确定 （

14、二）锥齿轮主要参数的选择（二）锥齿轮主要参数的选择 v主要参数： 主、从动锥齿轮齿数z1和z2 ; 从动锥齿轮大端分度圆直径D2和端面模数ms ; 主、从动锥齿轮齿面宽b1和b2 ; 双曲面齿轮副的偏移距E、中点螺旋角、法向压力角. 1 1主、从动锥齿轮齿数主、从动锥齿轮齿数z z1 1和和z z2 2 考虑因素： 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度和高的轮齿弯曲强度，主、 从动齿轮齿数和应不小于40。 3)为了啮合平稳、噪声小和具有高的疲劳强度，对于乘 用车z1不小9商用车，商用车z1一般不少于6。 4)当主传动比i0较大时，尽量使z1取得小些，以

15、便得到满 意的离地间隙。 2.2.从动锥齿轮大端分度圆直径从动锥齿轮大端分度圆直径D D2 2和端面模数和端面模数m ms s 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 前支承座的安装空间和差速器的安装。 D2的初选 3 2 2 TKDc D ms的计算 Tc=minTce, Tcs zDms22 / 3 TKmcms ms还需满足强度要求： 3.3.主、从动锥齿轮齿面宽主、从动锥齿轮齿面宽b b1 1和和b b2 2 齿面宽度对齿轮的影响 锥齿轮齿面过宽会加大应力集中，还降低了刀具的使用 寿命。引起轮齿小端过早损坏和疲劳损伤。另外

16、，齿面 过宽也会引起装配空间的减小。但是齿面过窄，轮齿表 面的耐磨性会降低。 从动锥齿轮齿面宽b2推荐不大于其节锥距A2的0.3倍， 即b20.3A2，而且b2应满足b2Kcms， Kc=10 。 汽车上一般也推荐b2=o.155D2。 对于螺旋锥齿轮，b1一般比b2大10%。 4双曲面小齿轮偏移距双曲面小齿轮偏移距E 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 齿轮的特点。 双曲面小齿轮的双曲面小齿轮的 上偏移与下偏移上偏移与下偏移 5.5.中点螺旋角中点螺旋角 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。 弧齿锥

17、齿轮副的中点螺旋角是相等的， 双曲面齿轮副的中点螺旋角是不相等的， 12。 选择时，应考虑它对齿面重合度F、轮齿 强度和轴向力大小的影响。 越大，则F也越大，同时啮合的齿数越多， 传动就越平稳，噪声越低，而且轮齿的强度 越高。 但过大，齿轮上所受的轴向力也会过大。 6.6.螺旋方向螺旋方向 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，这样可轮的轴向力离开锥顶方向，这样可 使主、从动齿轮有分离

18、趋势，防止使主、从动齿轮有分离趋势，防止 轮齿卡死而损坏。轮齿卡死而损坏。 轴向力方向的判断：根据主动齿轮的旋向， 左旋用左手定则，右旋用右手定则，四指指 向旋向，大拇指的指向即为轴向力方向。 三、主减速器锥齿轮强度计算三、主减速器锥齿轮强度计算 1.1.单位齿长圆周力单位齿长圆周力 主减速器锥齿轮的表面耐磨性长用轮齿 上的单位齿长圆周力来估算 b F p 2 10 2 3 21 max bDn iikTk p fged 10 2 3 22 22 m m r ibD rmG p 按发动机最大转矩计算 按驱动轮打滑转矩计算 许用的单位齿长圆周力许用的单位齿长圆周力p p 2.2.轮齿弯曲强度轮齿

19、弯曲强度 锥齿轮轮齿的齿根弯曲应力 10 230 JbD m k kkkT W s msc W v 3.3.轮齿接触强度轮齿接触强度 10 230 1 bJk kkkkT D C JV fmszp J 上述按minTce,Tcs计算的最大弯曲应力不超过700MPa；按Tcf计算的疲 劳弯曲应力不应超过210MPa，破坏的循环次数为6x106。 上述按minTce,Tcs计算的最大接触应力不应超过2800MPa，按Tcf计算 的疲劳接触应力不应超过1750MPa。主、从动齿轮的齿面接触应力是 相同的。 四、主减速器锥齿轮轴承的载荷计算四、主减速器锥齿轮轴承的载荷计算 1.1.锥齿轮齿面上的作用力

20、锥齿轮齿面上的作用力 齿面上的法向力分解：沿齿轮切线方向的圆周力、沿齿 轮轴线方向的轴向力及垂直于齿轮轴线的径向力 (1) 齿宽中点处的圆周力齿宽中点处的圆周力 由F1F2=cos1cos2可知，对于 弧齿锥齿轮副，作用在主、从动齿轮 上的圆周力是相等的；对于双曲面齿 轮副，它们的圆周力是不等的。 (2) 锥齿轮的轴向力和径向力锥齿轮的轴向力和径向力 FT为作用在节锥面上的齿 面宽中点A处的法向力。 在A点处的螺旋方向的法平 面内，FT分解成两个相互垂 直的力FN和Ff 。 FN垂直于OA且位于OOA 所在的平面，Ff位于以OA为 切线的节锥切平面内。 Ff在此切平面内又可分解成 沿切线方向的

21、圆周力F和沿节 锥母线方向的力Fs。 F与Ff之间的夹角为螺旋角 ，FT与Ff之间的夹角为法向 压力角 。 轴向力Faz : Faz=FNsin+Fscos 径向力Frx: Frz=FNcos-Fssin 圆周力： F=FTcoscos FN=FTsina=Ftanacos Fs=FTcossin=Ftan 齿面上的轴向力和径向力齿面上的轴向力和径向力 2 2锥齿轮轴承的载荷锥齿轮轴承的载荷 当锥齿轮齿面上所受的圆周力、轴向力 和径向力计算确定后，根据主减速器齿 轮轴承的布置尺寸，即可求出轴承所受 的载荷。 五、锥齿轮的材料五、锥齿轮的材料 驱动桥锥齿轮的工作条件具有载荷大、作用时间长、变化多

22、、有 冲击等特点。是传动系中的薄弱环节。 锥齿轮材料应满足如下要求： 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)轮齿芯部应有适当的韧性以适应冲击载荷，避免在冲击载荷下齿 根折断。 3)锻造性能、切削加工性能及热处理性能良好，热处理后变形小或 变形规律易控制。 4)选择合金材料时，尽量少用含镍、铬元素的材料，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目前常用渗碳合金钢制造，主要有20CrMnTi、 20MnVB、20MnTiB、22CrNiMo和16SiMn2WMoV等。 第四节第四节 差速器设计差速器设计 差速器的功能：

23、用来在两输出轴间分配转矩，并保证两输出轴有可能以 不同角速度转动。 差速器的分类： 按其结构特征可分为齿轮式、凸轮式、蜗轮式和牙嵌自由 轮式等多种形式。 普通差速器驱动运行演示带锁止差速器驱动运行演示 一、差速器结构形式选择一、差速器结构形式选择 (一) 齿轮式差速器 汽车上广泛采用对称锥齿轮式差速器，具有结构简单、 质量较小等优点，应用广泛。 可分为普通锥齿轮式差速器、摩擦片式差速器和强制 锁止式差速器等 1 1普通锥齿轮式差速器普通锥齿轮式差速器 021 2 差速器性能： 以锁紧系数k来表征 021 r12 TTT TT-T k) -(10.5TT k)(10.5TT 01 02 0 T

24、T k r k k 1 1 kb b k k 1 1kb 1 2 T T kb 普通锥齿轮差速器的锁紧系数是一般为0.050.15，两半轴转矩比 kb=1.111.35，左、右半轴的转矩差别不大，分配给两半轴的转矩大致 相等，对在良好路面上行驶的汽车是合适的。 越野行驶或在泥泞、冰雪路面上行驶时，一侧驱动车轮与地面的附着系 数很小，尽管另一侧车轮与地面有良好的附着，其驱动转矩也不得不随 附着系数小的一侧同样地减小，无法发挥潜在牵引力，以致汽车停驶。 半轴的转矩比kb 2.2.摩擦片式差速器摩擦片式差速器 当传递转矩时，差速器壳通过 孔上的V型斜面对与之配合的 行星齿轮轴产生沿行星齿轮轴 线方向

25、的轴向力，该轴向力推 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。 此摩擦力矩Tr，与差速器所传 递的转矩成正比。 tanfz T Tr 0 d f r r 摩擦片式差速器的锁紧系数k可达0.6，kb可达4。 3 3强制锁止式差速器强制锁止式差速器 当一个驱动轮处于附着 系数较小的路面时，可通 过液压或气动操纵，使内、 外接合器(即差速锁)啮合， 将差速器壳与半轴锁紧在 一起，使差速器不起作用， 这样可充分利用地面的附 着系数，使牵引力达到最 大值。 带有电控气动式差速锁的差速器 普通锥齿轮差速器的汽车 锁止式差速器的汽车 min

26、2min 2 min 2 22 G GG Ft )( 222 min 2 min 22 GGG Ft ( (二二) ) 滑块凸轮式差速器滑块凸轮式差速器 当差速器传递动力时， 差速器壳体上的主动套 带动滑块并通过滑块带 动内、外凸轮旋转，同 时允许内、外凸轮转速 不等。 )sin()2cos(r )sin()2-cos(r 121 212 b k ( (三三) ) 蜗轮式差速器蜗轮式差速器 蜗轮式差速器中由蜗 轮蜗杆代替锥齿轮传 动，是一种高摩擦自 锁差速器。蜗杆2、4 同时与行星蜗轮3与 半轴蜗轮1、5啮合， 从而组成一行星齿轮 系统。 )an( )an( t t kb ( (四四) )牙嵌

27、式自由轮差速器牙嵌式自由轮差速器 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。 二、普通锥齿轮差速器齿轮设计二、普通锥齿轮差速器齿轮设计 1行星齿轮数n 2行星齿轮球面半径 Rb及行星齿 轮节锥距A0 3行星齿轮和半轴齿轮齿数Z1、 Z2 4行星齿轮和

28、半轴齿轮节锥角1、 2及模数m 5压力角 6行星齿轮轴直径d及支承长度L ( (一一) )差速器齿轮主要参数差速器齿轮主要参数 ( (二二) )差速器齿轮强度计算差速器齿轮强度计算 主要进行弯曲强度计算主要进行弯曲强度计算 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传动状态，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进行弯曲强度计 算。 第五节第五节 车轮传动装置设计车轮传动装置设计 一、结构形式分析一、结构形式分析 v半浮式、34浮式和全浮式三种形式 二、半轴计算二、半轴计算 1 1全浮式半轴全浮式半轴 p GI lM180 r rGm 22 2 1 M 3 16 d M 加速、制动工况加速、制动工况侧滑工况侧滑工况