汽车设计第四版吉林大学5

本章主要内容: 汽车设计 第四版 本章主要内容: 概述 驱动桥结构分析 主减速器设计 差速器设计 车轮传动装置设计 驱动桥壳设计 驱动桥的结构元件 第一节 概述 一、基本功用 1）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。 2）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。 二、组成 主减速器、差速器、车轮传动装置和桥壳等，转向驱动桥还有等速万向节。 第一节结束！ 第二节 驱动桥结构方案分析 三、非断开式驱动桥的的结构特点 桥壳是一根支承在左右驱动车轮上的刚性空心梁，主减速器、差速器和半轴等所有传动件都装在其中 。 四、优缺点及应用： 断开式驱动桥能显著减少汽车簧下质量，从而改善汽车行驶平顺性，提高了平均行驶速度；减小了汽车行驶时作用于车轮和车桥上的动载荷，提高了零部件的使用寿命；增加了汽车离地间隙；由于驱动车轮与路面的接触情况及对各种地形的适应性较好，增强了车轮的抗侧滑能力；若与之配合的独立悬架导向机构设计合理，可增加汽车的不足转向效应，提高汽车的操纵稳定性。但其结构较复杂，成本较高。断开式驱动桥在乘用车和部分越野汽车上应用广泛。 非断开式驱动桥结构简单，成本低，工作可靠，广泛应用于各种商用车和部分乘用车上。但由于其簧下质量较大，对汽车的行驶平顺性和降低动载荷有不利的影响。 第二节结束！ 一、主减速器的结构形式 （－）主减速器的齿轮类型 主减速器的齿轮有弧齿锥齿轮、双曲面齿轮、圆柱齿轮和蜗轮蜗杆等形式。 1．弧齿锥齿轮传动 特点：主、从动齿轮的轴线垂直相交于一点。 优缺点：可以承受较大的负荷，工作平稳，噪声和振动小，但弧齿锥齿轮对啮合精度很敏感，齿轮副锥顶稍不吻合就会使工作条件急剧变坏，并加剧齿轮的磨损和使噪声增大。 传动比： 偏移距E使主动齿轮的螺旋角β1大于从动齿轮的螺旋角β2，并将β1与β2之差称为偏移角ε。 ε＝β1 －β2 根据啮合面上去向力相等，可求得主、从动齿轮圆周力之比为 缺点： 沿齿长方向的纵向滑动会使摩擦损失增加，降低传动效率。双曲面齿轮齿面间的压力和摩擦功较大，可能导致油膜破坏和齿面烧结咬死，抗胶合能力较低。因此，需要选用可改善油膜强度和带有防刮伤添加剂的双曲面齿轮油来进行润滑。 应用选择： 一般情况下，当主减速器速比大于4.5而轮廓尺寸又有限时，采用双曲面齿轮传动更为合理；而当传动比小于2.0时，双曲面齿轮传动的主动齿轮相对于弧齿锥齿轮传动的主动齿轮就显得过大，此时选用弧齿锥齿轮更合理，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。 整体式双级主减速器有多种结构方案： 3．双速主减速器（两种传动比） 构成：圆柱齿轮组或行星齿轮组。 4、贯通式主减速器 （1）单级贯通式主减速器 优点：结构简单、质量较小、尺寸紧凑；并可使中、后桥的大部分零件，尤其是使桥完、半轴等主要零件具有互换性。 应用：主要用于总质量较小的多桥驱动汽车上。 分类：双曲面齿轮式及蜗杆式。 第三节 主减速器设计 （三）主减速器主、从动锥齿轮的支承方案 ：主减速器必须保证主、从动齿轮有良好的啮合状况，才能使它们很好的工作。 1、主动锥齿轮的支承 主动锥齿轮的支承形式可分为悬臂式支承和跨置式支承两种。 悬臂式支承的结构特点：在锥齿轮大端一侧有较长的轴，并在其上安装一对圆锥滚子轴承。 优缺点：悬臂式支承结构简单，支承刚度较差。 应用：用于传递转矩较小的主减速器上。 （二）锥齿轮主要参数的选择 主减速器锥齿轮的主要参数：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β、法向压力角α等。 1．主、从动锥齿轮齿数z1和z2 选择主、从动锥齿轮齿数时应考虑如下因素： 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少于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，z1一般不少于9；对于商用车，z1一般不少于6。 4）主传动比ί0较大时，z1尽量取得少些，以便得到满意的离地间隙。 5）对于不同的主传动比，z1和z2应有适宜的搭配。 7．法向压力角α 对于小负荷工作的齿轮，一般采用小压力角，可使齿轮运转平稳，噪声低。 对于弧齿锥齿轮，乘用车的α一般选用14°30′或16°，商用车的α为20°或22°30′。 对于双曲面齿轮，从动齿轮轮齿两侧的压力角是相同的，但主动齿轮轮齿两侧的压力角是不等的。选取平均压力角时，乘用车为19°或20°，商用车为20°或22°30＇。 第三节 主减速器设计 三、主减速器锥齿轮强度计算 在选好主减速器锥齿轮的主要参数后，可根据所选择的齿形计算锥齿轮的几何尺寸，而后根据所确定的计算载荷进行强度验算，以保证锥齿轮有足够的强度和寿命。 轮齿损坏形式主要有：弯曲疲劳折断、过载折断、齿面点蚀及剥落、齿面胶合、齿面磨损等。 强度验算是近似的，在实际设计中还要依据台架和道路试验及实际使用情况等来检验。 1．单位齿长圆周力 主减速器锥齿轮的表面耐磨性，常用轮齿上的单位齿长圆周力来估算，即 1）按发动机最大转矩计算时 2．轮齿弯曲强度 锥齿轮轮齿的齿根弯曲应力为 3．轮齿接触强度 锥齿轮轮齿的齿面接触应力为 第三节 主减速器设计 （2）锥齿轮的轴向力和径向力 第三节 主减速器设计 五、锥齿轮材料 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）轮齿心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、可加工性及热处理性能良好，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，而是选用含锰、钒、硼、钛、铝、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。 第三节结束！ 第四节 差速器设计 汽车左、右驱动轮间都装有轮间差速器，从而保证了驱动桥两侧车轮在行程不等时具有不同的旋转角速度，满足了汽车行驶运动学的要求；在多桥驱动汽车上还常装有轴间差速器，以提高通过性，同时避免在驱动桥间产生功率循环及由此引起的附加载荷，使传动系零件损坏、轮胎磨损和增加燃料消耗等。 作用：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的角速度转动。 分类：按其结构特征不同，分为齿轮式、凸轮式、蜗轮式和牙嵌自由轮式等多种形式。 一、差速器结构形式选择 （－）对称锥齿轮式差速器 汽车上广泛采用的差速器：对称锥齿轮式差速器。 优点：结构简单、质量较小。 分类：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、普通锥齿轮式差速器 锁紧系数k：差速器的内摩擦力矩与差速器壳接受的转矩之比。用来表征差速器性能。 2．摩擦片式差速器 为了增加差速器的内摩擦力矩，在半轴齿轮与差速器壳体之间装上了摩擦片。摩擦力矩T r（N．m）与差速器所传递的转矩T0成正比，可表示为 3．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机构使内、外接合器（即差速锁）啮合，此后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，使牵引力达到可能的最大值。 汽车所能发挥的最大牵引力为 （二）滑块凸轮式差速器 左、右半轴受的转矩T1和T2分别为 （三）蜗轮式差速器 （四）牙嵌式自由轮差速器 第四节 差速器设计 二、普通锥齿轮差速器齿轮设计 （—）差速器齿轮主要参数选择 1．行星齿轮数n 行星齿轮数n需根据承载情况来选择，在承载不大的情况下可取n＝ 2，反之应取n＝4。 2 ．行星齿轮球面半径Rb Rb反映了差速器锥齿轮节锥距的大小和承载能力，可根据经验公式来确定 3．行星齿轮和半轴齿轮齿数z1、z2 希望行星齿轮取较大的模数，其齿数z1应取少些（一般不少于10）。 半轴齿轮齿数z2在14～25之间选用。大多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比z2/ z1在1.5～2.0的范围内。 为使两个或四个行星齿轮能同时与两个半轴齿轮啮合，两半轴齿轮的齿数和必须能被行星齿轮数整除，否则差速齿轮不能装配。 4 ．行星齿轮和半轴齿轮节锥角γ1、γ2及模数m 5．压力角α 汽车差速齿轮大都采用压力角为22°30＇、齿高系数为0.8的齿形。某些总质量较大的商用车采用23°压力角，以提高齿轮强度。 6．行星齿轮轴直径d及支承长度L （二）差速器齿轮强度计算 对于差速器齿轮，主要应进行弯曲强度计算。轮齿弯曲应力σ w（MPa）为 第四节 差速器设计 三、多桥驱动汽车的轴间差速器 第四节 差速器设计 四、粘性联轴器结构及在汽车上的布置 1．粘性联轴器结构和工作原理 2．粘性联轴器在汽车上的布置 根据全轮驱动形式的不同，粘性联轴器在汽车上有不同的布置形式。 第四节结束！ 第五节 车轮传动装置设计 1、基本功用： 接受从差速器传来的转矩并将其传给车轮。 2、类型及应用： 对于断开式驱动桥和转向驱动桥，驱动车轮的传动装置为万向传动装置；对于非断开式驱动桥，驱动车轮传动装置的主要零件为半轴。 一、半轴的结构形式分析 半轴的形式：半浮式、3／4浮式和全浮式。 1、半浮式半轴的结构特点：半轴外端的支承轴承位于半轴套管外端的内孔中，车轮装在半轴上。 半轴的受力特点：除传递转矩外，其外端还承受由路面对车轮的反力所引起的全部力和力矩。 优缺点：结构简单，所受载荷较大。 应用：只用于乘用车和总质量较小的商用车上。 2、3／4浮式半轴的结构特点：半轴外端仅有一个轴承并装在驱动桥壳半轴套管的端部，直接支承于车轮轮毂，而半轴则以其端部凸缘与轮毂用螺钉连接。 受力特点：受载情况与半浮式相似，只是载荷有所减轻。 应用：一般仅用在乘用车和总质量较小的商用车上。 3、全浮式半轴的结构特点：半轴外端的凸缘用螺钉与轮毂相连，而轮毂又借用两个圆锥滚子轴承支承在驱动桥壳的半轴套管上。 受力特点：理论上来说，半轴只承受转矩，作用于驱动轮上的其他反力和弯矩全部由桥完来承受。但由于桥壳变形、轮毂与差速器半轴齿轮不同心、半轴法兰平面相对其轴线不垂直等因素，会引起半轴的弯曲变形，由此引起的弯曲应力一般为5～70MPa。 应用：全浮式半轴主要用于总质量较大的商用车上。 （二）半浮式半轴 半浮式半轴设计应考虑如下三种载荷工况 1 、纵向力Fx2最大和侧向力Fy2＝0 （汽车在最大爬坡） 此时 Fz2＝0.5m'2G2，Fx2＝Fz2φ＝0.5m'2G2φ， 计算时m'2＝1.2，φ ＝ 0.8。 半轴弯曲应力σ和扭转切应力τ为 2、侧向力Fy2最大和纵向力Fx2＝0（汽车发生侧滑） 此时，外轮上的垂直反力Fz20和内轮上的垂直反力Fz2i分别为 （三）3／4浮式半轴 三、半轴可靠性设计 1．可靠度计算 对于全浮式半轴来说，所受的扭转切应力τ按下式计算 g（x）的二阶近似均值u g和一阶近似方差σ²g 2．可靠性设计 给定半轴可靠度R，查表得可靠性指标β，由式（5－55）经推导整理得 四、半轴的结构设计 1）全浮式半轴杆部直径可接下式初步选取 第五节结束！ 第六节 驱动桥壳设计 1、主要功用： 支承汽车质量，并承受由车轮传来的路面反力和反力矩，并经悬架传给车架（或车身）；它又是主减速器、差速器、半轴的装配基体。 2、应满足如下设计要求： 1）应具有足够的强度和刚度，以保证主减速器齿轮啮合正常并不使半轴产生附加弯曲应力。 2）在保证强度和刚度的前提下，尽量减小质量以提高行驶平顺性。 3）保证足够的离地间隙。 4）结构工艺性好，成本低。 5）保护装于其上的传动系部件和防止泥水浸入。 6）拆装、调整、维修方便。 一、驱动桥壳结构方案分析 结构形式：可分式、整体式和组合式。 1．可分式桥壳 2．整体式桥壳 3．组合式桥壳 结构特点：将主减速器壳与部分桥壳铸为一体，而后用无缝钢管分别压入壳体两端，两者之间用塞焊或销钉固定。 优缺点：从动齿轮轴承的支承刚度较好，主减速器的装配、调整比可分式桥壳方便；然而要求有较高的加工精度， 应用：常用于乘用车和总质量较小的商用车上。 二、驱动桥壳强度计算 对于具有全浮式半轴的驱动桥，桥壳上强度计算的载荷工况与半轴强度计算的三种载荷工况相同。 桥壳的危险断面通常在钢板弹簧座内侧附近，桥壳端部的轮毂轴承座根部也应列为危险断面进行强度验算。 1）当牵引力或制动力最大时，桥壳钢板弹簧座处危险断面的弯曲应力σ和扭转切应力τ分别为（紧急制动或最大爬坡时） 第六节结束！ 第七节 驱动桥的结构元件 一、支承轴承的预紧 通常轴承预紧度的大小用轴承的摩擦力矩来衡量，预紧后的轴承摩擦力矩合理值应根据试验确定。对于货车，主动锥齿轮圆锥滚子轴承的摩擦力矩一般为1～3N·m。 1、主动锥齿轮轴承预紧力的调整方法 方法一：利用精选两轴承内圈之间的套筒长度来调整轴承预紧度。（不太方便） 方法二：利用调整垫片厚度来调整轴承预紧度。 （不太方便） 方法三：利用具有轴向弹性的波形套筒调整轴承预紧度。 2、从动锥齿轮圆锥滚子轴承预紧力的调整方法 方法一：利用轴承外侧的调整螺母来调整轴承预紧度。 方法二：利用主减速器壳与轴承盖之间的调整垫片来调整轴承预紧度。 当轴承预紧后，波形套选在A点以后的塑性变形区工作。 二、锥齿轮啮合调整 在轴承预紧度调整之后，须进行锥齿轮啮合调整，以保证齿轮副啮合印迹正常，并使齿轮大端处齿侧间隙在适当的范围内（一般为0．1～0．35mm）。主减速器锥齿轮正确的啮合印迹位于齿高中部稍偏小端。当轮齿啮合印迹不正常或齿侧间隙不适宜时，可加、减主减速器壳与轴承之间的调整垫片，再轴向移动主动锥齿轮，将从动锥齿轮轴承外两调整螺母旋进旋出相同的角度，或将主减速器壳一侧的垫片（图5-8）的一部分取出放到另一侧，以便移动从动锥齿轮，实现对锥齿轮的啮合调整。 三、润滑 对于弧齿锥齿轮主减速器，可加注一般的齿轮油；但对于双曲面齿轮主减速器，则必须加注双曲面齿轮油。加油孔应设在加油方便之处，放油孔应设在桥壳最低处。为了防止因主减速器和桥壳中部温度高使壳内气压增大而引起漏油，需装通气塞。 差速器壳上应开孔使润滑油能进入，以保证差速齿轮和滑动表面的润滑。 主动锥齿轮上的后轴承距从动锥齿轮较远，无法采用飞溅润滑。为此，常在主减速器壳上设置油道，齿轮飞溅出来的油进入油杯状的油口，经油道流到后轴承处。主动锥齿轮轴的后轴承滚锥大端向外，有向外泵油的作用，因而在该轴承外侧要有回油道口，使油能流回桥壳，以保护油封不被破坏。 作业： P173：第2、4、5题