汽车设计课程设计

汽车设计课程设计目录一、课程设计目的············································1二、课程设计内容············································1三、驱动桥设计基本要求······································1四、驱动桥设计步骤··········································1五、驱动桥设计方案分析······································1（一）驱动桥结构方案的选定······························1（二）主减速器结构形式的选择····························2差速器形式选择····································2车轮传动装置形式选择······························3（五）驱动桥壳设计······································3六、驱动桥设计数据及结果分析································3（一）主减速器的设计分析及计算··························3（二）差速器的设计分析及计算····························9（三）车轮传动装置分析及计算···························12七、驱动桥设计数据校核·····································15（一）校核主减速器校核齿面的接触强度···················15（二）差速器齿轮弯曲应力校核···························16八、总结及心得体会·········································16九、主要参考书·············································17一、课程设计目的《汽车设计》课程设计是车辆工程专业的实践性教学环节，其目的是使学生在对汽车性能和基本结构知识有较系统了解的基础上，学习运用现代汽车设计方法，掌握先进汽车设计技术，从而达到基本具备分析和解决该领域问题的能力，并能系统的掌握汽车零部件设计的方法和步骤。通过本次课程设计（驱动桥的设计）了解驱动桥的组成，熟练掌握驱动桥设计过程中各种方案的选择标准，将理论与实际相结合，在实践中检验理论，并理解驱动桥的设计方法。二、课程设计内容驱动桥位于传动系末端，其基本功用首先是增扭、降速，改变转矩的传递方向，即增大由传动轴或直接从变速器传来的转矩，并将转矩合理地分配给左、右驱动车轮；其次，驱动桥还要承受作用于路面和车架或车身之间的垂直力、纵向力和横向力，以及制动力矩和反作用力矩等，驱动桥一般由主减速器、差速器、车轮传动装置和桥壳等组成，转向驱动桥还有等速万向节。驱动桥设计内容包括：驱动桥结构方案的选定、主减速器、差速器、传动装置、驱动桥壳分析及计算、万向节设计、转向结设计。三、驱动桥设计基本要求（一）选择适当的主减速比，以保证汽车在给定条件下具有最佳的动力性和燃油经济性。（二）轮廓尺寸小，保证汽车具有足够的离地间隙，以满足通过性要求。（三）齿轮及其他传动件工作平稳，噪声小。（四）在各种载荷和转速工况下有高的传动效率。（五）具有足够的强度和刚度，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；在此条件下，尽可能降低质量，尤其是簧下质量，以减小不平路面的冲击载荷，提高汽车行驶平顺性。（六）与悬架导向机构运动协调；对于转向驱动桥，还应与转向机构运动协调。（七）结构简单，加工工艺性好，制造容易，维修，调整方便。四、驱动桥设计步骤（一）初步确定设计目标，如驱动桥的类型、主减速器形式、差速器形式、车轮传动装置形式等的选择；（二）主减速器的设计分析及计算；（三）差速器的设计分析及计算；（四）车轮传动装置分析及计算；五、驱动桥设计方案分析（一）驱动桥结构方案的选定根据已知数据分析，该驱动桥为乘用车驱动桥。根据发动机位置和驱动形式，该驱动桥为转向驱动桥。首先转向驱动桥在轿车中是指具有转向功能的驱动桥。其主要功能有：一是把变速器n——该汽车的驱动桥数目；——汽车满载时一个驱动桥给水平地面的最大负荷（对于驱动桥来说，应考虑到汽车最大加速时的负荷增大量），N；——轮胎对地面的附着系数，对于安装一般轮胎的公路用汽车，取；对于越野汽车，取；对于安装专门的防滑宽轮胎的高级轿车，计算时可取；——车轮的滚动半径，m；——分别为由所计算的主减速器从动齿轮到驱动桥之间的传动效率和传动比（例如轮边减速等）查资料得：N·m由后面式（3-5）计算得，故：由于该轿车只有一个驱动桥则：由后面计算得：汽车满载有总重量为，查参考文献[1]汽车轴荷分配中乘用车发动机前置前驱满载时前轴分配为。本设计中取58%，由于该轿车是安装一般轮胎的公路用汽车，则：由上面计算可得：m由经验得：由于该轿车无轮边减速器，则：将上述参数值代入公式（6—2）、（6—3）中计算得：N·mN·mN·m汽车的类型很多，行驶工况又非常复杂，轿车一般在高速轻载条件下工作，而矿用汽车和越野汽车则在高负荷低车速条件下工作，没有简单的公式可算出汽车的正常持续使用转矩。但对于公路车辆来说，使用条件较非公路车辆稳定，其正常持续转矩根据所谓平均比牵引力的值来确定，即主减速器从动齿轮的平均计算转矩为N·m（6—4）式中：——汽车满载总重量，N；——所牵引的挂车的满载总重量，N，但仅用于牵引车的计算；——车轮的滚动半径，m；——道路滚动阻力系数，计算时对于轿车可取=0.010～0.015；对于载货汽车可取0.015～0.020；对城越野汽车可取0.020～0.035；——汽车正常使用时的平均爬坡能力系数，通常对轿车取0.08；对载货汽车和城市公共汽车取0.05～0.09；对长途公共汽车取0.06～0.10；对越野汽车取0.09～0.30；——汽车或汽车列车的性能系数：(6—5)当时，取由参考文献[1]得查得汽车总质量的计算方法：乘用车的总质量是指装备齐全，并按规定装满客、货时的整车质量。乘用车的总质量由整备质量、乘员和驾驶员质量以及乘员的行李质量三部分组成。其中，乘员和驾驶员每人质量按每人质量按65kg计，于是：该式中，n为包括驾驶员在内的载客数；a为行李系数，可按参考文献[1]表1-5提供的数据取用。已知数据：整车整备质量为1020Kg；故；即；由于是轿车，所以；由上得：；轿车选用，取；汽车正常使用时的平均爬坡能力系数，通常对轿车取；经计算则按计算得：把各参数代入式（3-4）中得到：N·m3.主减速器齿轮基本参数的选择对一单级主减速器，首先根据的大小选择主减速器主、从动齿轮的齿数。为了使磨合均匀，之间应避免有公约数；为了得到理想的齿面重叠系数，其齿数之和对于载货汽车应不小于40，对于轿车应不小于50。（1）斜齿轮设计计算由于齿轮转速比较高，选用硬齿面。先按轮齿弯曲疲劳强度设计，再较核齿面接触强度，其设计步骤如下：先选择齿轮材料，确定许用应力：均选用20CrMnTi钢渗碳淬火，硬度56～62HRC。由参考文献[4]图5-32C查得弯曲疲劳极限应力；由参考文献[4]图5-33C查得接触疲劳极限应力；（2）按轮齿弯曲疲劳强度设计由式参考文献[4]中式（5-45b）知:（6—6）1）确定轮齿的许用弯曲应力按参考文献[4]（5-26）计算两齿轮的许用弯曲应力，（）分别按下式确定（6—7）式中：——试验齿轮齿根的弯曲疲劳极限，查参考文献[4]图5-32；——试验齿轮的应力修正系数，本书采用国家标准给定的值计算时，；——弯曲疲劳强度计算的寿命系数，一般取。当考虑齿轮工作在有限寿命时，弯曲疲劳许用应力可以提高的系数，查参考文献[4]图5-34；——弯曲强度的最小安全系数。一般传动取=1.3～1.5；重要传动取=1.6～3.0；由上得：取，，把各参数代入式（3-7）中得：2)计算小齿轮的名义转矩N·m3）选取载荷系数K因为是斜齿轮传动，且加工精度为了7级，故K可选小些，取K=1.44）初步选定齿轮参数取,.取，5）齿宽系数的选择：选大值时，可减小直径，从而减小传动的中心距，并在一定程度上减轻包括箱体在内的整个传动装置的重量，但是却增大了齿宽和轴向尺寸，增加了载荷分布的不均匀性。的推荐值为：当为软齿面时，齿轮相对于轴承对称布置时，=0.8～1.4；非对称布置时，=0.6～1.2；悬臂布置或开式传动时，=0.3～0.4。当为硬齿面时，上述值相应减小50%。取=0.5，并取；得到u=84/23=3.652。6）确定复合系数因两轮所选材料及热处理相同，则相同，故设计时按小齿轮的复合齿形系数代入即可。而由参考文献[4]图5-38查得=4.18将上述参数代入式（3-6），得按参考文献[4]表5-1取标准模数，取mm则中心距为了便于加工和校验，取中心距a=166.1618mm故得到7）计算其它几何尺寸取取mm（二）差速器的设计分析及计算1.差速器齿轮的基本参数的计算（1）行星齿轮球面半径的确定圆锥行星齿轮差速器的结构尺寸，通常取决于行星齿轮背面的球面半径，它就是行星齿轮的安装尺寸，实际上也代表了差速器圆锥齿轮的节锥距，因此在一定程度上也表征了差速器的强度。球面半径可按如下的经验公式确定：（6—8）式中：——行星齿轮球面半径系数，=2.52~2.99，对于有4个行星齿轮的轿车和公路载货汽车取小值；对于有2个行星齿轮的轿车以及所有的越野汽车和矿用汽车取大值；取=2.52；——计算转矩，取式（3-2），式（3-3）计算值的较小值，N·m；取N·m；；差速器行星齿轮球面半径确定以后，可根据下式预选其节距：取为36.4mm（2）行星齿轮与半轴齿轮齿数的选择为了获得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。半轴齿轮的齿数采用14～25。大多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比在1.5～2的范围内。差速器的各个行星齿轮与2个半轴齿轮是同时啮合的，因此在确定这两种齿轮的齿数时，应考虑它们之间的装配关系。在任何圆锥行星齿轮式差速器中，左、右两半轴齿轮的齿数之和，必须能被行星齿轮的数目所整除，以便行星齿轮能均匀地分布于半轴齿轮的轴线周围，否则差速器将无法安装。即应满足的安装条件为（6—9）式（6—9）中：——左、右半轴齿轮的齿数，对于对称式圆锥行星齿轮差速器来说，；——行星齿轮的数目；I——任意整数；由于本设计选用的差速器为对称式圆锥行星齿轮差速器，选定半轴齿轮齿数为，行星齿轮数目，行星齿轮齿数为10。（3）差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定首先初步求出行星齿轮与半轴齿轮的节锥角：；式中：，——分别为行星齿轮和半轴齿轮齿数。再按下式初步求出圆锥齿轮的大端端面模数m:考虑到差速齿轮弯曲应力的校核，取求出模数m后，节圆直径d即可根据齿数z及模数m由下式求得：（4）压力角汽车差速器齿轮过去都选用20°压力角，这时齿高系数为1，而最少齿数为13。目前大都选用22°30′的压力角，齿高系数为0.8，最少齿数可减少到10，并且小齿轮（行星齿轮）齿顶不变尖的条件下，还可由切向修正加大半轴齿轮的齿厚，从而使行星齿轮与半轴齿轮趋于等强度。由于这种齿形的最少齿数比压力角为20°的少，故可用较大的模数以提高轮齿的强度。某些重型汽车和矿用汽车的差速器也可采用20°压力角。本设计中选用压力角为22°30′。（5）行星齿轮安装孔直径及其深度L行星齿轮安装孔的直径与行星齿轮轴的名义直径相同，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。通常取（6—10）（6—11）（6—12）式中：——差速器传递的转矩，N·m；——行星齿轮数目；——如图4-6所示，为行星齿轮支承面中点至锥顶的距离，mm;,为半轴齿轮齿面宽中点处的直径，而（如参考文献[3]图4-6）；；——支承面的许用挤压应力，取为98MPa。差速器传递的转矩为N·m；取。差速器齿轮的几何尺寸计算与强度计算汽车差速器齿轮的弯曲应力为：（6—14）式中：T——差速器一个行星齿轮给予一个半轴齿轮的转矩，N·m；其计算式为：（6—15）式中：——计算转矩，按、（见式（6-2）、式（6-3））两者中的较小者和（式（6-4））计算，N·m；——差速器行星齿轮数目；——半轴齿轮齿数；——计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数。，，，，F，m——见参考文献[3]式（3-44）下说明；按上式并以计算所得的汽车差速器齿轮轮齿的弯曲应力，不应大于210.9MPa；按，两种计算转矩中的较小值进行计算时，弯曲应力不应大于980MPa。查参考文献[3]：——超载系数，见参考文献[3]式（3-11）下的说明；——质量系数，对于汽车驱动桥齿轮，当轮齿接触良好、调节及径向跳动精度高时，可取=1；——尺寸系数，反映材料性质的不均匀性，与齿轮尺寸与热处理等有关。当端面模数时，；——载荷分配系数，当两个齿轮均用骑马式支承式时，=1.00～1.10；当一个齿轮用骑马式支承时，=1.10～1.25.支承刚度大时取小值。——计算齿轮的齿面宽,mm；；——端面模数，mm；参数的选取与计算：N·mN·m（三）车轮传动装置分析及计算1.半轴设计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。已知数据驱动型式为，查参考文献[3]表5-1可得：半轴的计算转矩：（6—16）式中：——发动机最大转矩；——差速器的转矩分配系数，对于圆锥行星齿轮差速器可取：；——变速器I挡传动比；——主减速比；N·m由参考文献[3]式（5-16）得（6—17）取许用应力代入计算得：出于对安全系数以及半轴强度的较核的考虑，取d=36mm。2.三种可能工况计算时首先应合理地确定作用在半轴上的载荷，应考虑到以下三种可能的载荷工况：（1)纵向力（驱动力或制动力）最大时，附着系数在计算时取0.8，没有侧向力作用；（2)侧向力最大时即汽车发生侧滑时，侧滑时轮胎与地面的侧向附着系数在计算时取站1.0，没有纵向力作用；（3)垂向力最大时（发生在汽车以可能的高速通过不平路面时）这时不考虑纵向力和侧向力的作用。故纵向力最大时不会有侧向力作用，而侧向力最大时也不会有纵向力作用。3.半浮式半轴计算载荷的确定（1）纵向力最大和侧向力为0：此时垂向力，纵向力最大值，计算时可取1.2，取为0.8。半轴弯曲应力和扭转切应力为：（6—18)（6—19）式(6—19),(6—20)中，a为轮毂支承轴承到车轮中心平面之间的距离，合成应力为：（6—20）计算得：，（2）侧向力最大和纵向力=0,此时意味着汽车发生侧滑。外轮上的垂直反力和内轮上的垂直反力分别为:（6—21）（6—22）式中，为汽车质心高度，根据经验取为0.35；为轮距，查资料得；为侧滑附着系数，计算时可取为1.0；外轮上的侧向力和内轮上的侧向力分别为（6—23）（6—24）内外车轮上的总侧向力为。这样，外轮半轴的弯曲应力为和内轮半轴的弯曲应力分别为：（6—25）（6—26）计算得：（3）汽车通过不平路面，垂向力最大，纵向力=0，侧向力=0此时垂直力最大值为(6—27)式中，k为运载系数。乘用车：k=1.75;货车：k=2.0;越野车：k=2.5.半轴弯曲应力为(6—28)由于已知数据为乘用车，故K=1.75，综上述计算得，均未超过半轴的许用应力500MPa，故半轴强度校核满足要求。驱动桥设计数据校核（一）校核主减速器校核齿面的接触强度由参考文献[4]式（5-47）可知为弹性系数，