中型载货汽车驱动桥设计及有限元分析
中型载货汽车驱动桥设计及有限元分析[20191208103308]
摘 要
驱动桥的性能对整车性能有很大影响，而对于中型载货汽车更为重要。为了满足目前中型载货汽车快速、重载的高效率的需求，必须搭配一个更大转矩的驱动桥。所以当代的第一需求就是设计一个更好的双级减速驱动桥。
本设计参照了传统驱动桥的设计方法。首先确定出总体设计方案；然后确定主要设计参数和主要部件的结构型式；最后对全部零件的强度进行校核以及对轴承进行寿命计算。该主减速器采用传统的双曲面锥齿轮作为内部传动机构。
关键字:载货汽车差速器全浮式半轴主减速器
Keywords: truck; differential mechanism; fully floating axle ; main retarder?目录
1 绪 论 1
1.1设计背景及要求 1
1.2驱动桥概述 1
1.2.1 非断开式驱动桥 1
1.2.2 断开式驱动桥 1
2 驱动桥总体方案设计 2
2.1设计参数要求 2
2.2总体方案选定 3
2.2.2主减速器结构方案确定 3
2.2.3 差速器的选择 4
2.2.4 半轴型式的确定 4
2.2.5桥壳型式的确定 4
3 主减速器设计 5
3.1 主减速齿轮计算载荷的计算 5
3.2主减速器一级螺旋锥齿轮传动的设计 5
3.2.1参数的选定 5
3.2.2螺旋锥齿轮的几何尺寸计算 6
3.2.3主减速器螺旋锥齿轮的强度计算 7
3.3 主减速器二级圆柱齿轮的设计 9
3.3.1参数选定及校核 9
3.3.2圆柱齿轮的几何尺寸计算 10
3.4主减速器齿轮的材料及热处理 11
3.5 主减速器的润滑 12
3.6 传动轴的设计及校核 12
3.6.1一级主动齿轮轴的结构设计 12
3.6.2 中间轴的结构设计 13
3.6.3主动锥齿轮轴的校核 13
3.6.4中间轴的校核 14
4 差速器设计 17
4.1差速器的作用 17
4.2 对称式圆锥行星齿轮差速器设计 17
4.2.1差速器齿轮的基本参数选择 18
4.2.2 差速器齿轮的几何尺寸计算 19
4.2.3 差速器齿轮的强度计算 20
5 驱动半轴设计 23
5.1 全浮式半轴的杆部直径的初选 23
5.2 全浮式半轴的强度计算 23
5.3 半轴花键的强度计算 23
6 驱动桥桥壳 25
6.1 桥壳的结构型式 25
6.1.1 整体式桥壳 25
结 论 26
致 谢 27
参考文献 28
1 绪 论
1.1设计背景及要求
驱动桥有增扭、降速以及改变转矩的传递方向的几个作用；其次，驱动桥还受垂直力，横、纵向力等力矩影响。驱动桥主要由主减速器，差速器，半轴和桥壳构成。驱动桥的设计应满足以下基本条件：
(1)，为了保证汽车达到最佳的动力性和燃油经济性，应当选择选择适当的主减速比。
(2) 驱动桥的外形设计非常重要，主要关系到汽车的通过性。
(3) 齿轮和其他传动件必须工作平稳，没有噪声。
(4)传动效率在任何情况下，都应有保持着高效率。
(5) 驱动桥应有足够的强度和刚度，对路面和车架或车身间的各种力和力矩有着较好的抗性，减少汽车的颠簸。
(6) 与悬架导向机构保持运动协调与平稳。
1.2驱动桥概述
目前有非断开式和断开式驱动桥。选用的悬架不同，对应的驱动桥也不同。非独立悬架对应非断开式驱动桥。
1.2.1 非断开式驱动桥
驱动桥的轮廓尺寸是由主减速器的型式决定的。如果确定了汽车驱动桥最小离地间隙，主减速器从动齿轮直径的大小也就确定了。在定速比一定的情况下，最小离地间隙如果较小，采用双级主减速器比较合适。两级减速器齿轮通过齿轮连接放在同一个主减速器壳体内。
1.2.2 断开式驱动桥
断开式驱动桥与非断开式驱动桥的区别在于，断开式驱动桥桥壳是分开的，独立的，彼此之间是可以运动的。主减速器和差速器是连接在一起的一个整体与车架相连。主减速器、差速器与传动轴都是作用在弹簧上。两侧的驱动车轮由于都是分开，独立的与悬架相连，车轮都可以独立的上下运动，这也就要求驱动桥的传动装置同样也可以做独立的相应摆动。
2 驱动桥总体方案设计
2.1设计参数要求
主要技术参数：
整车整备质量 4900 kg 装载质量 5000 kg
前轮距 1810 mm 后轮距 1800 mm
轴距 3950 mm 空载（前/后）2250/2650 kg
满载（前/后）2600/7300 kg 最小离地间隙 260 mm
发动机额定功率 115KW/3000rpm
最大扭矩 420/1600~2000（N.m/r.min）
主减速器采用双级减速
2.2总体方案选定
设计这样的驱动桥，一般用非断开式结构，以适应非独立悬挂，而且成本低，可靠，安全，参照国内驱动桥设计，非断开式驱动桥是最终选择。通常是铸造或钢板冲压而成。
2.2.1主减速比的确定
在发动机最大功率P 及其转速 确定的情况下，选择适当的 使汽车最高车速达到最大。这时 值应按下式来确定：
（2.2）
其他汽车都是下降最高车速来得到足够的功率储备， 一般都比上式大10%～25%，即按下式选择：
=（0.377～0.472） （2.3）
因为没有分动器和加力器，所以 =1；轮边减速器也没有，所以 =1。由式（2.2）得，取功率储备系数为0.472，即：
=（0.377～0.472） （2.4）
把上述计算数据代入式（2.4）中，算的 =7.8。因为 大于了7.6，所以得采用双级主减速器。
2.2.2主减速器结构方案确定
（1）螺旋锥齿轮具有以下优点：承载能力大、工作平稳、噪声小、振动频率小，所以本设计优先选择螺旋锥齿轮。
（2）本设计选取悬臂式支撑主动锥齿轮作为主减速器主动锥齿轮的安装方式；
从动锥齿轮支承形式我选择骑马式支撑。
（3）圆锥滚子轴承支撑从动锥齿轮的两端，把圆锥滚子大端安装在相向朝内，小端安装在外面。圆锥滚子轴承可以用调整螺母调整，主要是为了避免在轴向载荷作用下圆锥滚子轴承发生偏移的现象。
（4）主减速器的轴承预紧，为了避免安装的原来间隙和磨损期间间隙变大并增强支承刚度，圆锥滚子轴承需要先预紧。分析可知，当轴向力作用于弹簧变形是一定线性关系时，轴承预紧缩小轴向位移，减小至原来的1/2。
（5）根据车型的不同，决定不同的主减速器减速形式 ，再考虑到传动比以及它是超过6t的中型载货汽车，而且要保证一定的离地间隙，所以本次设计采用双级减速。
(a) 单级主减速器 (b) 双级主减速器
图2.1主减速器
2.2.3 差速器的选择
根据设计汽车的类型、使用条件的角度选择出发选择相应的差速器，普通锥齿轮式差速器具有结构简单、工作平稳、性能可靠等优点，本设计选用普通 锥齿轮式差速器。
2.2.4 半轴型式的确定
3/4浮式半轴，因为受到侧向力的作用使轴承有歪斜的趋势，轴承的寿命会降低，故未得到推广。全浮式半轴应用更加广泛。所以本次设计选择全浮式半轴做设计。
2.2.5桥壳型式的确定
整体式桥壳在外形上，与一个整体的空心梁形状大致相同，桥壳拥有良好的强度以及较强的刚性。在桥壳结构上，桥壳与主减速器壳是分开的，主减速器齿轮及差速器是连在一起，两者组成了一个总成，此时在桥壳里安装这个总成，通过螺栓连接，将总成桥壳固定在一起，这种装置具有方便拆装，修理、调整、保养等优点，可以更好地发挥作用，但是另一方面，整体式桥壳也存在缺点，就是桥壳的断面简单，不符合理想情况，而且桥壳断面壁非常粗厚，导致了在应力分布上很难做出及时合理地调整。本次设计驱动桥壳就选用铸造式整体式桥壳。
3 主减速器设计
3.1 主减速齿轮计算载荷的计算
主减速器从动齿轮最大应力的计算，一般取以下两种情况的较小者，第一种是传动比最低而发动机转矩最大时的转矩，第二种是驱动轮打滑时的转矩，即
/n=15331.7 ( ) (3.1)
=38005.6( ) (3.2)
= =7.8×5.2=40.56
根据同类型车型的变速器传动比选取 =5.2
由式(3.1)和式(3.2)求得的计算载荷，由于是最大转矩而非正常状态下转矩，所以不能用它作为疲劳损坏依据。对于公路用车来说，它的使用条件较稳定，正常转矩值的确定需要依靠平均牵引力其正常持续转矩是根据所谓平均牵引，也就是说主加速器的平均计算转矩为
= =5942.5( ) (3.3)
(3.4)
当 =45.05>16时，取 =0
3.2主减速器一级螺旋锥齿轮传动的设计
3.2.1参数的选定
（1）齿数的选择
对于普通双级主减速器，因为第二级减速比i02，要比第一级的减速比i01稍微大些，因此，第一级主动锥齿轮齿数z1，可在8~16范围内选择，第二级在58±10的范围内选择。
初步选定传动比：
初步选定齿数如下：
第一级锥齿轮传动的齿数：
第二级圆柱齿轮传动的齿数：
（2）节圆直径地选择
根据上文转矩计算，有
(3.5)
= =4717.4（ ）
计算得， =218～268.3mm ,初取 =230mm。
（3）螺旋角的选择
为了使传动平稳，噪声小，螺旋角必须有一定大小，要求能够使 1.25。但是不能太大，如果太大，轴向力也会很大，所以在实际制造中螺旋角用35°
3.2.2螺旋锥齿轮的几何尺寸计算
主减速器锥齿轮的几何尺寸计算见表3.1。
表3.1主减速器锥齿轮的几何尺寸计算用表
3.2.3主减速器螺旋锥齿轮的强度计算
完成主减速器齿轮的几何计算之后，需要验算强度，这样汽车才能正常工作。在计算之前，先了解影响齿轮工作的因素。
螺旋锥齿轮的强度计算：
(1)主减速器螺旋锥齿轮的强度计算
①单位齿长上的圆周力
(3.6)
按发动机最大转矩计算时：
=1019N/mm (3.7)
按最大附着力矩计算时:
=771 (3.8)
虽然p很大，但是规定了发动机转矩的最大值，不能大于1019 N/mm，771 <1019 N/mm ,符合要求。
②汽车主减速器螺旋锥齿轮轮齿的弯曲应力计算 为
(3.9)
J表示计算弯曲应力用的综合系数，见图3.1， 。
图3.1 弯曲计算用综合系数J
作用下： 从动齿轮上的应力 =455.37MPa<700MPa；
作用下： 从动齿轮上的应力 =125.36MPa<210.9MPa；
当计算主动齿轮时， /Z与从动相当，而 ，故 < , <
综上，所计算的齿轮弯曲强度能够达到设计要求。
(2)轮齿的接触强度计算 螺旋锥齿轮齿面的计算接触应力 (MPa)为：
(3.10)
——材料的弹性系数，对于钢制齿轮副取232.6 ；
注： =1, =1, =1.11, =1
——表面质量系数，对于制造精确的齿轮可取1；
J—— 计算应力的综合系数， =0.1875，见图3.2所示；
=666.7MPa< =1750MPa
=2373.45MPa< =2800MPa，故符合要求、校核合理。
图3.2 接触强度计算综合系数J
3.3 主减速器二级圆柱齿轮的设计
3.3.1参数选定及校核
（1）材料的选择和应力的确定
齿轮采用20CrMnTi渗碳淬火等表面处理，使齿轮的表面硬度达到56～62HRC， ， 。齿轮停留在倒挡的时间比较少，而且齿轮处于一档时候的转矩比倒挡时候的要大，所以我们认为齿轮只沿一个方向工作。斜齿圆柱齿轮的螺旋角 一般在16°～20°，本设计选取16°，法向压力角 为 。
由 =3.25， =68 =58～78 取 =68得 =16， =52其二级从动齿轮所受的转矩T2=15331.7N.m
摘 要
驱动桥的性能对整车性能有很大影响，而对于中型载货汽车更为重要。为了满足目前中型载货汽车快速、重载的高效率的需求，必须搭配一个更大转矩的驱动桥。所以当代的第一需求就是设计一个更好的双级减速驱动桥。
本设计参照了传统驱动桥的设计方法。首先确定出总体设计方案；然后确定主要设计参数和主要部件的结构型式；最后对全部零件的强度进行校核以及对轴承进行寿命计算。该主减速器采用传统的双曲面锥齿轮作为内部传动机构。
关键字:载货汽车差速器全浮式半轴主减速器
Keywords: truck; differential mechanism; fully floating axle ; main retarder?目录
1 绪 论 1
1.1设计背景及要求 1
1.2驱动桥概述 1
1.2.1 非断开式驱动桥 1
1.2.2 断开式驱动桥 1
2 驱动桥总体方案设计 2
2.1设计参数要求 2
2.2总体方案选定 3
2.2.2主减速器结构方案确定 3
2.2.3 差速器的选择 4
2.2.4 半轴型式的确定 4
2.2.5桥壳型式的确定 4
3 主减速器设计 5
3.1 主减速齿轮计算载荷的计算 5
3.2主减速器一级螺旋锥齿轮传动的设计 5
3.2.1参数的选定 5
3.2.2螺旋锥齿轮的几何尺寸计算 6
3.2.3主减速器螺旋锥齿轮的强度计算 7
3.3 主减速器二级圆柱齿轮的设计 9
3.3.1参数选定及校核 9
3.3.2圆柱齿轮的几何尺寸计算 10
3.4主减速器齿轮的材料及热处理 11
3.5 主减速器的润滑 12
3.6 传动轴的设计及校核 12
3.6.1一级主动齿轮轴的结构设计 12
3.6.2 中间轴的结构设计 13
3.6.3主动锥齿轮轴的校核 13
3.6.4中间轴的校核 14
4 差速器设计 17
4.1差速器的作用 17
4.2 对称式圆锥行星齿轮差速器设计 17
4.2.1差速器齿轮的基本参数选择 18
4.2.2 差速器齿轮的几何尺寸计算 19
4.2.3 差速器齿轮的强度计算 20
5 驱动半轴设计 23
5.1 全浮式半轴的杆部直径的初选 23
5.2 全浮式半轴的强度计算 23
5.3 半轴花键的强度计算 23
6 驱动桥桥壳 25
6.1 桥壳的结构型式 25
6.1.1 整体式桥壳 25
结 论 26
致 谢 27
参考文献 28
1 绪 论
1.1设计背景及要求
驱动桥有增扭、降速以及改变转矩的传递方向的几个作用；其次，驱动桥还受垂直力，横、纵向力等力矩影响。驱动桥主要由主减速器，差速器，半轴和桥壳构成。驱动桥的设计应满足以下基本条件：
(1)，为了保证汽车达到最佳的动力性和燃油经济性，应当选择选择适当的主减速比。
(2) 驱动桥的外形设计非常重要，主要关系到汽车的通过性。
(3) 齿轮和其他传动件必须工作平稳，没有噪声。
(4)传动效率在任何情况下，都应有保持着高效率。
(5) 驱动桥应有足够的强度和刚度，对路面和车架或车身间的各种力和力矩有着较好的抗性，减少汽车的颠簸。
(6) 与悬架导向机构保持运动协调与平稳。
1.2驱动桥概述
目前有非断开式和断开式驱动桥。选用的悬架不同，对应的驱动桥也不同。非独立悬架对应非断开式驱动桥。
1.2.1 非断开式驱动桥
驱动桥的轮廓尺寸是由主减速器的型式决定的。如果确定了汽车驱动桥最小离地间隙，主减速器从动齿轮直径的大小也就确定了。在定速比一定的情况下，最小离地间隙如果较小，采用双级主减速器比较合适。两级减速器齿轮通过齿轮连接放在同一个主减速器壳体内。
1.2.2 断开式驱动桥
断开式驱动桥与非断开式驱动桥的区别在于，断开式驱动桥桥壳是分开的，独立的，彼此之间是可以运动的。主减速器和差速器是连接在一起的一个整体与车架相连。主减速器、差速器与传动轴都是作用在弹簧上。两侧的驱动车轮由于都是分开，独立的与悬架相连，车轮都可以独立的上下运动，这也就要求驱动桥的传动装置同样也可以做独立的相应摆动。
2 驱动桥总体方案设计
2.1设计参数要求
主要技术参数：
整车整备质量 4900 kg 装载质量 5000 kg
前轮距 1810 mm 后轮距 1800 mm
轴距 3950 mm 空载（前/后）2250/2650 kg
满载（前/后）2600/7300 kg 最小离地间隙 260 mm
发动机额定功率 115KW/3000rpm
最大扭矩 420/1600~2000（N.m/r.min）
主减速器采用双级减速
2.2总体方案选定
设计这样的驱动桥，一般用非断开式结构，以适应非独立悬挂，而且成本低，可靠，安全，参照国内驱动桥设计，非断开式驱动桥是最终选择。通常是铸造或钢板冲压而成。
2.2.1主减速比的确定
在发动机最大功率P 及其转速 确定的情况下，选择适当的 使汽车最高车速达到最大。这时 值应按下式来确定：
（2.2）
其他汽车都是下降最高车速来得到足够的功率储备， 一般都比上式大10%～25%，即按下式选择：
=（0.377～0.472） （2.3）
因为没有分动器和加力器，所以 =1；轮边减速器也没有，所以 =1。由式（2.2）得，取功率储备系数为0.472，即：
=（0.377～0.472） （2.4）
把上述计算数据代入式（2.4）中，算的 =7.8。因为 大于了7.6，所以得采用双级主减速器。
2.2.2主减速器结构方案确定
（1）螺旋锥齿轮具有以下优点：承载能力大、工作平稳、噪声小、振动频率小，所以本设计优先选择螺旋锥齿轮。
（2）本设计选取悬臂式支撑主动锥齿轮作为主减速器主动锥齿轮的安装方式；
从动锥齿轮支承形式我选择骑马式支撑。
（3）圆锥滚子轴承支撑从动锥齿轮的两端，把圆锥滚子大端安装在相向朝内，小端安装在外面。圆锥滚子轴承可以用调整螺母调整，主要是为了避免在轴向载荷作用下圆锥滚子轴承发生偏移的现象。
（4）主减速器的轴承预紧，为了避免安装的原来间隙和磨损期间间隙变大并增强支承刚度，圆锥滚子轴承需要先预紧。分析可知，当轴向力作用于弹簧变形是一定线性关系时，轴承预紧缩小轴向位移，减小至原来的1/2。
（5）根据车型的不同，决定不同的主减速器减速形式 ，再考虑到传动比以及它是超过6t的中型载货汽车，而且要保证一定的离地间隙，所以本次设计采用双级减速。
(a) 单级主减速器 (b) 双级主减速器
图2.1主减速器
2.2.3 差速器的选择
根据设计汽车的类型、使用条件的角度选择出发选择相应的差速器，普通锥齿轮式差速器具有结构简单、工作平稳、性能可靠等优点，本设计选用普通 锥齿轮式差速器。
2.2.4 半轴型式的确定
3/4浮式半轴，因为受到侧向力的作用使轴承有歪斜的趋势，轴承的寿命会降低，故未得到推广。全浮式半轴应用更加广泛。所以本次设计选择全浮式半轴做设计。
2.2.5桥壳型式的确定
整体式桥壳在外形上，与一个整体的空心梁形状大致相同，桥壳拥有良好的强度以及较强的刚性。在桥壳结构上，桥壳与主减速器壳是分开的，主减速器齿轮及差速器是连在一起，两者组成了一个总成，此时在桥壳里安装这个总成，通过螺栓连接，将总成桥壳固定在一起，这种装置具有方便拆装，修理、调整、保养等优点，可以更好地发挥作用，但是另一方面，整体式桥壳也存在缺点，就是桥壳的断面简单，不符合理想情况，而且桥壳断面壁非常粗厚，导致了在应力分布上很难做出及时合理地调整。本次设计驱动桥壳就选用铸造式整体式桥壳。
3 主减速器设计
3.1 主减速齿轮计算载荷的计算
主减速器从动齿轮最大应力的计算，一般取以下两种情况的较小者，第一种是传动比最低而发动机转矩最大时的转矩，第二种是驱动轮打滑时的转矩，即
/n=15331.7 ( ) (3.1)
=38005.6( ) (3.2)
= =7.8×5.2=40.56
根据同类型车型的变速器传动比选取 =5.2
由式(3.1)和式(3.2)求得的计算载荷，由于是最大转矩而非正常状态下转矩，所以不能用它作为疲劳损坏依据。对于公路用车来说，它的使用条件较稳定，正常转矩值的确定需要依靠平均牵引力其正常持续转矩是根据所谓平均牵引，也就是说主加速器的平均计算转矩为
= =5942.5( ) (3.3)
(3.4)
当 =45.05>16时，取 =0
3.2主减速器一级螺旋锥齿轮传动的设计
3.2.1参数的选定
（1）齿数的选择
对于普通双级主减速器，因为第二级减速比i02，要比第一级的减速比i01稍微大些，因此，第一级主动锥齿轮齿数z1，可在8~16范围内选择，第二级在58±10的范围内选择。
初步选定传动比：
初步选定齿数如下：
第一级锥齿轮传动的齿数：
第二级圆柱齿轮传动的齿数：
（2）节圆直径地选择
根据上文转矩计算，有
(3.5)
= =4717.4（ ）
计算得， =218～268.3mm ,初取 =230mm。
（3）螺旋角的选择
为了使传动平稳，噪声小，螺旋角必须有一定大小，要求能够使 1.25。但是不能太大，如果太大，轴向力也会很大，所以在实际制造中螺旋角用35°
3.2.2螺旋锥齿轮的几何尺寸计算
主减速器锥齿轮的几何尺寸计算见表3.1。
表3.1主减速器锥齿轮的几何尺寸计算用表
3.2.3主减速器螺旋锥齿轮的强度计算
完成主减速器齿轮的几何计算之后，需要验算强度，这样汽车才能正常工作。在计算之前，先了解影响齿轮工作的因素。
螺旋锥齿轮的强度计算：
(1)主减速器螺旋锥齿轮的强度计算
①单位齿长上的圆周力
(3.6)
按发动机最大转矩计算时：
=1019N/mm (3.7)
按最大附着力矩计算时:
=771 (3.8)
虽然p很大，但是规定了发动机转矩的最大值，不能大于1019 N/mm，771 <1019 N/mm ,符合要求。
②汽车主减速器螺旋锥齿轮轮齿的弯曲应力计算 为
(3.9)
J表示计算弯曲应力用的综合系数，见图3.1， 。
图3.1 弯曲计算用综合系数J
作用下： 从动齿轮上的应力 =455.37MPa<700MPa；
作用下： 从动齿轮上的应力 =125.36MPa<210.9MPa；
当计算主动齿轮时， /Z与从动相当，而 ，故 < , <
综上，所计算的齿轮弯曲强度能够达到设计要求。
(2)轮齿的接触强度计算 螺旋锥齿轮齿面的计算接触应力 (MPa)为：
(3.10)
——材料的弹性系数，对于钢制齿轮副取232.6 ；
注： =1, =1, =1.11, =1
——表面质量系数，对于制造精确的齿轮可取1；
J—— 计算应力的综合系数， =0.1875，见图3.2所示；
=666.7MPa< =1750MPa
=2373.45MPa< =2800MPa，故符合要求、校核合理。
图3.2 接触强度计算综合系数J
3.3 主减速器二级圆柱齿轮的设计
3.3.1参数选定及校核
（1）材料的选择和应力的确定
齿轮采用20CrMnTi渗碳淬火等表面处理，使齿轮的表面硬度达到56～62HRC， ， 。齿轮停留在倒挡的时间比较少，而且齿轮处于一档时候的转矩比倒挡时候的要大，所以我们认为齿轮只沿一个方向工作。斜齿圆柱齿轮的螺旋角 一般在16°～20°，本设计选取16°，法向压力角 为 。
由 =3.25， =68 =58～78 取 =68得 =16， =52其二级从动齿轮所受的转矩T2=15331.7N.m
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