汽車設計課件5

第五章

驅(qū)動橋設計

第五章驅(qū)動橋設計§5-1概述§5-2驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)方案分析§5-3主減速器設計§5-4差速器設計§5-5車輪傳動裝置設計§5-6驅(qū)動橋殼設計§5-7驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)元件§5-1概述

驅(qū)動橋處于動力傳動系的末端?；竟δ埽涸龃笥蓚鲃虞S或變速器傳來的轉(zhuǎn)矩，并將動力合理地分配給左、右驅(qū)動輪；承受作用于路面和車架或車身之間的垂直力、縱向力和橫向力。組成：驅(qū)動橋一般由主減速器、差速器、車輪傳動裝置和驅(qū)動橋殼等組成。

驅(qū)動橋設計應當滿足如下基本要求：1）所選擇的主減速比應能保證汽車具有最佳的動力性和燃料經(jīng)濟性。2）外形尺寸要小，保證有必要的離地間隙。3）齒輪及其它傳動件工作平穩(wěn)，噪聲小。4）在各種轉(zhuǎn)速和載荷下具有高的傳動效率。5）在保證足夠的強度、剛度條件下，應力求質(zhì)量小，尤其是簧下質(zhì)量應盡量小，以改善汽車平順性。6）與懸架導向機構(gòu)運動協(xié)調(diào)，對于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋，還應與轉(zhuǎn)向機構(gòu)運動相協(xié)調(diào)。7）結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝好，制造容易，拆裝、調(diào)整方便?！?-2驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)方案分析

驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)形式與驅(qū)動車輪的懸架形式密切相關。

非斷開式驅(qū)動橋(或稱為整體式)，即驅(qū)動橋殼是一根連接左右驅(qū)動車輪的剛性空心梁(見右圖)，而主減整器、差速器及車輪傳動裝置(由左右半軸組成)都裝在它里面。非獨立懸架

斷開式驅(qū)動橋無剛性的整體外殼，主減速器及其殼體裝在車架或車身上，兩側(cè)驅(qū)動車輪裝置采用萬向節(jié)傳動（見右圖）。為了防止運動干涉，應采用滑動花鍵軸或一種允許兩軸能有適量軸向移動的萬向傳動機構(gòu)。

獨立懸架

特點及應用

非斷開式驅(qū)動橋：結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝好、成本低、工作可靠、維修調(diào)整容易，廣泛應用于各種載貨汽車、客車及多數(shù)的越野汽車和部分小轎車上。但整個驅(qū)動橋均屬于簧下質(zhì)量，對汽車平順性和降低動載荷不利。

斷開式驅(qū)動橋：結(jié)構(gòu)復雜，成本較高，但它大大增加了離地間隙；減小了簧下質(zhì)量，從而改善了行駛平順性，提高了汽車的平均車速；減小了汽車在行駛時作用于車輪和車橋上的動載荷，提高了零部件的使用壽命；由于驅(qū)動車輪與地面的接觸情況及對各種地形的適應性較好，大大增加了車輪的抗側(cè)滑能力；與之相配合的獨立懸架導向機構(gòu)設計得合理，可增中汽車的不足轉(zhuǎn)向效應，提高汽車的操縱穩(wěn)定性。這種驅(qū)動橋在轎車和高通過性的越野汽車上應用相當廣泛?！?-3主減速器設計

一、主減速器結(jié)構(gòu)方案分析

結(jié)構(gòu)形式主要是根據(jù)齒輪類型、減速形式的不同而不同。齒輪主要有螺旋錐齒輪、雙曲面齒輪、圓柱齒輪和蝸輪蝸桿等形式。減速形式可分為單級減速、雙級減速、雙速減速、單雙級貫通、單雙級減速配以輪邊減速等。螺旋錐齒輪傳動螺旋錐齒輪傳動（圖5-3a）的主、從動齒輪軸線垂直相交于一點，齒輪并不同時在全長上嚙合，而是逐漸從一端連接平穩(wěn)地轉(zhuǎn)向另一端。另外，由于輪齒端面重疊的影響，至少有兩對以上的輪齒同時嚙合，所以它工作平穩(wěn)、能承受較大的負荷、制造也簡單。但是,工作中噪聲大，對嚙合精度很敏感，齒輪副錐頂稍有不吻合便會使工作條件急劇變壞，并伴隨磨損增大和噪聲增大。為保證齒輪副的正確嚙合，必須將支承軸承預緊，提高支承剛度，增大殼體剛度。2．雙曲面齒輪傳動雙曲面齒輪傳動（圖5-3b）的主、從動齒輪的軸線相互垂直而不相交，主動齒輪軸線相對從動齒輪軸線在空間偏移一距離E,此距離稱為偏移距。由于偏移距E的存在，使主動齒輪螺旋角β1大于從動齒輪螺旋角β2（見右圖）。螺旋角是指在錐齒輪節(jié)錐表面展開圖上的任意一點A的切線TT與該點和節(jié)錐頂點連線之間的夾角。在齒面寬中點處的螺旋角稱為中點螺旋角。通常不特殊說明，則螺旋角系指中點螺旋角。根據(jù)嚙合面上法向力相等，

F1、F2分別為主、從動齒輪的圓周力

齒輪傳動比r1、r2分別為主、從動齒輪平均分度圓半徑

令K=cosβ2/cosβ1。由于β1＞β2，所以系數(shù)K＞1，一般為1.25～1.50。這說明（1）當雙曲面齒輪與螺旋錐齒輪尺寸相同時，雙曲面齒輪傳動有更大的傳動比。（2）當傳動比一定，從動齒輪尺寸相同時，雙曲面主動齒輪比相應的螺旋錐齒輪有較大的直徑，較高的輪齒強度以及較大的主動齒輪軸和軸承剛度。（3）當傳動比一定，主動齒輪尺寸相同時，雙曲面從動齒輪直徑比相應的螺旋錐齒輪為小，因而有較大的離地間隙。與螺旋錐齒輪傳動相比，雙曲面齒輪傳動具有如下優(yōu)點：（1）在工作過程中，雙曲面齒輪副不僅存在沿齒高方向的側(cè)向滑動，而且還有沿齒長方向的縱向滑動?？v向滑動可改善齒輪的磨合過程，使其具有更高的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。（2）由于存在偏移距，雙曲面齒輪副使其主動齒輪的β1大于從動齒輪的β2，這樣同時嚙合的齒數(shù)較多，重合度較大，不僅提高了傳動平穩(wěn)性，而且使齒輪的彎曲強度提高約30%。（3）雙曲面齒輪傳動的主動齒輪直徑及螺旋角都較大，所以相嚙合輪齒的當量曲率半徑較相應的螺旋錐齒輪為大，其結(jié)果使齒面的接觸強度提高。（4）雙曲面主動齒輪的β1變大，則不產(chǎn)生根切的最小齒數(shù)可減少，故可選用較少的齒數(shù)，有利于增加傳動比。（5）雙曲面齒輪傳動的主動齒輪較大，加工時所需刀盤刀頂距較大，因而切削刃壽命較長。（6）雙曲面主動齒輪軸布置從動齒輪中心上方，便于實現(xiàn)多軸驅(qū)動橋的貫通，增大傳動軸的離地高度。布置在從動齒輪中心下方可降低萬向傳動軸的高度，有利于降低轎車車身高度，并可減小車身地板中部凸起通道的高度。雙曲面齒輪傳動也存在如下缺點：（1）沿齒長的縱向滑動會使摩擦損失增加，降低傳動效率。雙曲面齒輪副傳動效率約為96%，螺旋錐齒輪副的傳動效率約為99%。（2）齒面間大的壓力和摩擦功，可能導致油膜破壞和齒面燒結(jié)咬死，即抗膠合能力較低。（3）雙曲面主動齒輪具有較大的軸向力，使其軸承負荷增大。（4）雙曲面齒輪傳動必須采用可改善油膜強度和防刮添加劑的特種潤滑油，螺旋錐齒輪傳動用普通潤滑油即可。一般情況下，當要求傳動比大于4.5而輪廓尺寸又有限時，采用雙曲面齒輪傳動更合理。這是因為如果保持主動齒輪軸徑不變，則雙曲面從動齒輪直徑比螺旋齒輪小。當傳動比小于2時，雙曲面主動齒輪相對螺旋錐齒輪主動齒輪顯得過大，占據(jù)了過多空間，這時可選用螺旋錐齒輪傳動，因為螺旋錐齒輪傳動具有較大的差速器可利用空間。對于中等傳動比，兩種齒輪傳動均可采用。3．圓柱齒輪傳動圓柱齒輪傳動（圖5-3c）一般采用斜齒輪，廣泛應用于發(fā)動機橫置且前置前驅(qū)動的轎車驅(qū)動橋（見右圖）和雙級主減速器貫通式驅(qū)動橋。4．蝸桿傳動與錐齒傳動相比，蝸桿（圖5–3d）傳動有如下優(yōu)點：（1）在輪廓尺寸和結(jié)構(gòu)質(zhì)量較小的情況下，可得到較大的傳動比（可大于7）。（2）在任何轉(zhuǎn)速下使用均能工作得非常平穩(wěn)且無噪聲。（3）便于汽車的總布置及貫通式多橋驅(qū)動的布置。（4）能傳遞大的載荷，使用壽命長。（5）結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，調(diào)整容易。但是由于蝸輪齒圈要求用高質(zhì)量的錫青銅制作，故成本較高；另外，傳動效率較低。蝸桿傳動主要用于生產(chǎn)批量不大的個別重型多橋驅(qū)動汽車和具有高轉(zhuǎn)速發(fā)動機的大客車上。減速形式1.單級主減速器單級主減速器（見右圖）可由一對圓錐齒輪、一對圓柱齒輪或由蝸輪桿組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、成本低、使用簡單等優(yōu)點。但是其主傳動比i0不能太大，一般i0≤7，進一步提高i0將增大從動齒輪直徑，從而減小離地間隙，且使從動齒輪熱處理困難。單級主減速器廣泛應用于轎車和輕、中型貨車的驅(qū)動橋中。2．雙級主減速器與單級主減速器相比，在保證離地間隙相同時可得到大的傳動比，i0一般為7～12。但是尺寸、質(zhì)量均較大，成本較高。它主要應用于中、重型貨車、越野車和大客車上。整體式雙級主減速器有多種結(jié)構(gòu)方案：第一級為錐齒輪，第二級為圓柱齒輪（圖5-8a）；第一級為錐齒輪，第二級為行星齒輪；第一級為行星齒輪，第二級為錐齒輪（圖5-8b）；第一級為圓柱齒輪，第二級為錐齒輪（圖5-8c）。對于第二級為錐齒輪、第二級為圓柱齒輪的雙級主減速器，可有縱向水平（圖5-8d）、斜向（圖5-8e）和垂向（圖5-8f）三種布置方案?？v向水平布置可以使總成的垂向輪廓尺寸減小，從而降低汽車的質(zhì)心高度，但使縱向尺寸增加，用在長軸距汽車上可適當減小傳動軸長度，但不利于短軸距汽車的總布置，會使傳動軸過短，導致萬向傳動軸夾角加大。垂直布置使驅(qū)動橋縱向尺寸減小，可減小萬向傳動軸夾角，但由于主減速器殼固定在橋殼的上方，不僅使垂向輪廓尺寸增大，而且降低了橋殼剛度，不利于齒輪工作。這種布置可便于貫通式驅(qū)動橋的布置。斜向布置對傳動軸布置和提高橋殼剛度有利。

3．雙速主減速器

雙速主減速器的換擋是由遠距離操縱機構(gòu)實現(xiàn)的，一般有電磁式、氣壓式和電—氣壓綜合式操縱機構(gòu)。

4．貫通式主減速器

單級

雙曲面齒輪式：蝸輪蝸桿式：在結(jié)構(gòu)質(zhì)量較小的情況下可得到較大的速比。它使用于各種噸位多橋驅(qū)動汽車的貫通式驅(qū)動橋的布置。另外，它還具有工作平滑無聲、便于汽車總布置的優(yōu)點。

受主動齒輪最少齒數(shù)和偏移距大小的限制，而且主動齒輪工藝性差，多用于輕型汽車的貫通式驅(qū)動橋上。

錐齒輪一圓柱齒輪式：

雙級

圓柱齒輪—錐齒輪式：

可得到較大的主減速比，但是結(jié)構(gòu)高度尺寸大，主動錐齒輪工藝性差，從動錐齒輪采用懸臂式支承，支承剛度差，拆裝也不方便。

結(jié)構(gòu)緊湊，高度尺寸減小，有利于降低車廂地板及整車質(zhì)心高度

5．單雙級減速配輪邊減速器不僅使驅(qū)動橋的中間尺寸減小，保證了足夠的離地間隙，而且可得到較大的驅(qū)動橋總傳動比。另外，半軸、差速器及主減速器從動齒輪等零件由于所受載荷大為減小，使它們的尺寸可以減小

二、主減速器主、從動錐齒輪的支承方案

正確嚙合

加工質(zhì)量裝配調(diào)整軸承、主減速器殼體剛度齒輪的支承剛度

1.主動錐齒輪的支承:分懸臂式支承和跨置式支承兩種。懸臂式：支承距離b應大于2.5倍的懸臂長度a，且應比齒輪節(jié)圓直徑的70%還大，另外靠近齒輪的軸徑應不小于尺寸a。

支承剛度除了與軸承開式、軸徑大小、支承間距離和懸臂長度有關以外，還與軸承與軸及軸承與座孔之間的配合緊度有關。結(jié)構(gòu)簡單，支承剛度較差，用于傳遞轉(zhuǎn)矩較小的轎車、輕型貨車的單級主減速器及許多雙級主減速器中?？缰檬剑涸黾又С袆偠?，減小軸承負荷，改善齒輪嚙合條件，增加承載能力，布置緊湊，但是主減速器殼體結(jié)構(gòu)復雜，加工成本提高。在需要傳遞較大轉(zhuǎn)矩情況下，最好采用跨置式支承。2.從動錐齒輪的支承

支承剛度與軸承的形式、支承間的距離及軸承之間的分布比例有關。為了增加支承剛度，減小尺寸c＋d；為了增強支承穩(wěn)定性，c＋d應不小于從動錐齒輪大端分度圓直徑的70%；為了使載荷均勻分配，應盡量使尺寸c等于或大于尺寸d。輔助支承限制從動錐齒輪因受軸向力作用而產(chǎn)生偏移。許用偏移量

三、主減速器錐齒輪主要參數(shù)的選擇

主要參數(shù)：主、從動錐齒輪齒數(shù)z1和z2、從動錐齒輪大端分度圓直徑D2和端面模數(shù)ms、主、從動錐齒輪齒面寬b1和b2、雙曲面齒輪副的偏移距E、中點螺旋β、法向壓力角α等。

1.主、從動錐齒輪齒數(shù)z1和z2

1）為了磨合均勻，z1、z2之間應避免有公約數(shù)。2）為了得到理想的齒面重合度和高的輪變曲強度，主、從動齒輪齒數(shù)和應不少于40。3）為了嚙合平穩(wěn)、噪聲小和具有高的疲勞強度，對于轎車，z1一般不少于9；對于貨車，z1一般不汪于6。4）當主傳動比i0較大時，盡量使z1取得少些，以便得到滿意的離地間隙。5）對于不同的主傳動比，z1和z2應適宜搭配。2.從動錐齒輪大端分度圓直徑

根據(jù)經(jīng)驗公式初選

而ms

3.主、從動錐齒輪齒面寬b1和b2從動錐齒輪面寬b2推薦不大于其節(jié)錐距A2的0.3倍，即b2≤0.3A2，而且b2應滿足b2≤10ms，一般也推薦b2=0.155D2。對于螺旋錐齒輪，b1一般比b2大10%4.雙曲面齒輪副偏移距E分為上偏移和下偏移兩種。

下偏移上偏移5.中點螺旋角β

偏移角ε：β1與β2之差考慮：齒面重合度εF、輪齒強度和軸向力大小。β越大，則εF也越大，同時嚙合的齒數(shù)越多，傳動就越平穩(wěn)，噪聲越低，而且輪齒的強度越高。一般εF應不小于1.25，在1.5~2.0時效果最好。汽車主減速器弧齒錐齒輪螺旋角或雙曲面齒輪副的平均螺旋角一般為35°~40°。轎車選用較大的β值以保證較大的εF，使運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低；貨車選用較小β值以防止軸向力過大，通常取35°。6.螺旋方向當變速器掛前進擋時，應使主動齒輪的軸向力離開錐頂方向，這樣可使主、從動齒輪有分離趨勢，防止輪齒卡死而損壞。7.法向壓力角α對于弧齒錐齒輪，轎車：α一般選用14°30′或16°；貨車：α為20°；重型貨車：α為22°30′。對于雙曲面齒輪，大齒輪輪齒兩側(cè)壓力角是相同的，但小齒輪輪齒兩側(cè)的壓力角是不等的，選取平均壓力角時，轎車為19°或20°，貨車為20°或22°30′。

四、主減速器錐齒輪強度計算

（一）計算載荷的確定

格里森齒制錐齒輪計算載荷

（1）按發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩和最低擋傳動比確定從動錐齒輪的計算轉(zhuǎn)距Tce

（2）按驅(qū)動輪打滑轉(zhuǎn)矩確定從動錐齒輪的計算轉(zhuǎn)矩Tcs

（3）按汽車日常行駛平均轉(zhuǎn)矩確定從動錐齒輪的計算轉(zhuǎn)矩TcF當計算錐齒輪最大應力時，

Tc=min[Tce，Tcs]；當計算錐齒輪的疲勞壽命時，Tc取TcF。主動錐齒輪的計算轉(zhuǎn)矩:

對于弧齒錐輪副，ηG取95%；對于雙曲面齒輪副，當i0＞6時，ηG取85%，當i0≤6時，ηG取90%。

（二）主減速器錐齒輪的強度計算輪齒損壞形式主要有:彎曲疲勞折斷、過載折斷、齒面點蝕及剝落、齒面膠合、齒面磨損等。

1.單位齒長圓周力按發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩計算時

按驅(qū)動輪打滑轉(zhuǎn)矩計算時

單位齒長圓周力許用值[p]2.輪齒彎曲強度

齒根彎曲應力:

從動齒輪:按T=min[Tce，Tcs]計算的最大彎曲應力不超過700MPa；按TcF計算的疲勞彎曲應力不應超過210MPa，破壞的循環(huán)次數(shù)為6×106。

3.輪齒接觸強度

齒面接觸應力

按min[Tce，Tcs]計算的最大接觸應力不應超過2800MPa，按TcF計算的疲勞接觸應力不應超過1750MPa。主、從動齒輪的齒面接觸應力是相同的。五、主減速器錐齒輪軸承的載荷計算1.錐齒輪齒面上的作用力

錐齒輪嚙合齒面上作用的法向力可分解為：沿齒輪切線方向的圓周力、沿齒輪軸線方向的軸向力及垂直于齒輪軸線的徑向力。（1）齒寬中點處的圓周力

（2）錐齒輪的軸向力和徑向力

軸向力Faz和徑向力Frz

齒面上的軸向力和徑向力

2.錐齒輪軸承的載荷軸承上的載荷

4）選擇合金材料時，盡量少用含鎳、鉻元素的材料，而選用含錳、釩、硼、鈦、鉬、硅等元素的合金鋼。汽車主減速器錐齒輪目前常用滲碳合金鋼制造，主要有20CrMnTi、20MnVB、20MnTiB、22CrNiMo和16SiMn2WmoV等。六、錐齒輪的材料

要求：

1）具有高的彎曲疲勞強度和表面接觸疲勞強度，齒面具有高的硬度以保證有高的耐磨性。2）輪齒芯部應有適當?shù)捻g性以適應沖擊載荷，避免在沖擊載荷下齒根折斷。3）鍛造性能、切削加工性能及熱處理性能良好，熱處理后變形小或變形規(guī)律易控制。§5-4差速器設計作用：在兩輸出軸間分配轉(zhuǎn)矩，并保證兩輸出軸有可能以不同角速度轉(zhuǎn)動。按結(jié)構(gòu)特征可分為：齒輪式、凸輪式、蝸輪式和牙嵌自由輪式等。

一、差速器結(jié)構(gòu)形式選擇（一）對稱錐齒輪式差速器

鎖緊系數(shù)k:差速器的內(nèi)摩擦力矩與差速器殼接受的轉(zhuǎn)矩之比

鎖緊系數(shù)k一般為0.05~!0.15，兩半軸轉(zhuǎn)矩比kb為1.11~1.35，

1.普通錐齒輪式差速器

2.摩擦片式差速器鎖緊系數(shù)k可達0.6，kb可達4。這種差速器結(jié)構(gòu)簡單，工作平穩(wěn)，可明顯提高汽車通過性。3.強制鎖止式差速器

假設4×2型汽車一驅(qū)動輪行駛在低附著系數(shù)φmin的路面上，另一驅(qū)動輪行駛在高附著系數(shù)φ的路面上。裝有普通錐齒輪差速器的汽車所能發(fā)揮的最大牽引力Ft為：

裝有強制鎖止式差速器的汽車所能發(fā)揮的最大牽引力Ft為：采用差速鎖將普通錐齒輪差速器鎖住，可使汽車的牽引力提高(φ