汽车设计：第五章 驱动桥设计

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1、汽车设计教案 马天飞第五章第五章 驱动桥设计驱动桥设计第一节 概述第二节 驱动桥结构方案分析第三节 主减速器设计第四节 差速器设计第五节 车轮传动装置设计第六节 驱动桥壳设计第七节 驱动桥的结构元件1汽车设计教案 马天飞 第一节 概 述 n功用增扭、降速；改变转矩传递方向；将转矩合理地分配给左、右驱动车轮；承受作用于路面和车架或车身之间的力和力矩。一、 驱动桥的功用和组成2汽车设计教案 马天飞n组成主减速器差速器车轮传动装置 半轴 等速驱动轴桥壳一、 驱动桥的功用和组成3汽车设计教案 马天飞保证汽车具有最佳的动力性和燃油经济性；保证足够的离地间隙，满足通过性要求；齿轮及其它传动件工作平稳，噪声

2、小；各种工况下都具有高的传动效率；具有足够的强度和刚度；降低质量，减少冲击载荷，提高汽车行驶平顺性；与悬架导向机构和转向传动机构运动协调。二、 驱动桥的设计要求4汽车设计教案 马天飞第二节 驱动桥结构方案分析驱动桥结构方案分析非断开式驱动桥（与非独立悬架相配合）整体式桥壳内装主减速器、差速器和半轴等传动件；驱动桥属簧下质量。断开式驱动桥（与独立悬架相配合）没有整体式桥壳，主减速器、差速器及其壳体安装在车架上；通过万向传动装置驱动车轮；主减速器、差速器和部分车轮传动装置均为簧上质量。一、分类 5汽车设计教案 马天飞二、驱动桥结构方案分析二、驱动桥结构方案分析* 行驶时车轮与路面保持良好接触时，抗

3、侧滑能力增强。 6汽车设计教案 马天飞第三节 主减速器设计主减速器设计 （一）主减速器的齿轮类型一、主减速器的结构形式 螺旋锥齿轮传动 双曲面齿轮传动 圆柱齿轮传动 蜗轮蜗杆传动 7汽车设计教案 马天飞1、主减速器的齿轮形式比较8汽车设计教案 马天飞偏移距E 主、从动齿轮的轴线相互垂直而不相交，两轴线之间偏移的距离称为偏移距。偏移角 偏移距使主动齿轮的螺旋角大于从动齿轮的螺旋角，其差值称为偏移角。 2、双曲面齿轮传动9汽车设计教案 马天飞2、双曲面齿轮传动螺旋角 在锥齿轮节锥表面展开图上的齿形线任意一点A的切线TT与该点和节锥顶点连线之间的夹角。中点螺旋角 在齿面宽中点处的螺旋角称为中点螺旋角

4、。10汽车设计教案 马天飞2、双曲面齿轮传动根据啮合面上法向力相等，可求得主、从动齿轮圆周力之比双曲面齿轮的传动比螺旋锥齿轮的传动比 11汽车设计教案 马天飞n 传动比公式变化产生的优点当尺寸相同时， 双曲面齿轮比螺旋锥齿轮传动具有更大的传动比；当传动比一定，从动齿轮尺寸相同时， 双曲面主动齿轮直径更大，强度和刚度更大；当传动比一定和主动齿轮尺寸相同时， 双曲面从动齿轮尺寸要小，可以获得更大的离地间隙。2、双曲面齿轮传动12汽车设计教案 马天飞n 优点主动齿轮的螺旋角较大，则重合度大，传动平稳性好；弯曲强度提高约30%；不产生根切的最小齿数减少，有利于增加传动比；主动齿轮直径较大，则可以降低齿

5、面接触应力（曲率半径大）；加工时所需的刀盘刀顶距较大，刀刃寿命较长；（未完）2、双曲面齿轮传动13汽车设计教案 马天飞n 优点偏移距有利于实现汽车的总体布置主动齿轮轴线向下偏移，可以降低传动系的高度，降低车身高度；主动齿轮轴线向上偏移，便于实现贯通式驱动桥布置。 齿轮存在沿齿长方向的纵向滑动，从而可以改善齿轮的磨合过程。 2、双曲面齿轮传动14汽车设计教案 马天飞n 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；双曲面齿轮的传动效率约为96%，而螺旋锥齿轮可达99%；齿面间压力和摩擦功较大，可能导致油膜破坏和齿面烧结咬死，抗胶合能力较低；需要选用可改善油膜强度和带有防刮伤添加剂的双曲

6、面齿轮油润滑，成本增加。2、双曲面齿轮传动15汽车设计教案 马天飞n 应用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；当传动比小于2.0时，应选用螺旋锥齿轮传动，具有较大的差速器可利用空间；双曲面齿轮传动较螺旋锥齿轮应用更为广泛。 2、双曲面齿轮传动16汽车设计教案 马天飞广泛用于发动机横置的前置前驱动乘用车驱动桥双级主减速器驱动桥轮边减速器此时齿轮皆应采用斜齿轮。3、圆柱齿轮传动 17汽车设计教案 马天飞轮廓尺寸及质量小；可获得较大的传动比（814）；工作平稳，无噪声；便于汽车的总体布置及贯通式多桥驱动布置；可以传递大的载荷，使用寿命长；结构简单，拆装方便，调整容易。p蜗

7、轮齿圈要求使用昂贵的青铜制造，材料成本高；p传动效率较低。 主要用于生产批量不大的个别总质量较大的多桥驱动汽车和具有高转速发动机的客车上。 4、蜗轮蜗杆传动 18汽车设计教案 马天飞单级主减速器结构简单、质量小、尺寸紧凑、制造成本低，用于主减速比i07的汽车；双级主减速器在保证离地间隙时可得到大的传动比， i0一般为712；轮边减速器用于主减速比i0大于12的汽车。（二）主减速器的减速形式 19汽车设计教案 马天飞 齿轮的支承刚度对齿轮的正确啮合有很大影响。1、主动锥齿轮的支承（三）主减速器主、从动锥齿轮的支承方案 悬臂式支承 跨置式支承 20汽车设计教案 马天飞n 悬臂式支承为了增加支承刚度

8、，支承距离b应大于2.5倍的悬臂长度a支承距离b应比齿轮节圆直径的70%还大靠近齿轮的轴径应不小于尺寸a21汽车设计教案 马天飞n 跨置式支承 锥齿轮两端均有轴承，可增加支承刚度，且轴承负荷减小，齿轮的承载能力高于悬臂式；圆锥滚子轴承之间的距离很小，可以缩短主动齿轮轴的长度，使布置更紧凑，并可减小传动轴夹角；在主减速器壳体上需设置支承导向轴承的轴承座，使壳体结构复杂，成本提高；导向轴承都为圆柱滚子轴承，仅承受径向力，是易损坏的一个轴承。 22汽车设计教案 马天飞2、从动锥齿轮的支承 为了增加支承刚度，两轴承的圆锥滚子大端应向内，以减小尺寸（c+d）；为了使从动锥齿轮背面的差速器壳体处有足够的位

9、置设置加强筋以增强支承稳定性，（c+d）应不小于从动锥齿轮大端分度圆直径的70%；为了使载荷能尽量均匀分配在两轴承上，应尽量使尺寸c等于或大于尺寸d。23汽车设计教案 马天飞2、从动锥齿轮的支承 为了限制从动锥齿轮因受轴向力作用而产生偏移，在从动锥齿轮的外缘背面加设辅助支承；主、从动齿轮在载荷作用下的偏移量许用极限值24汽车设计教案 马天飞二、主减速器基本参数选择与计算载荷的确定（一）主减速器齿轮计算载荷的确定1、按Temax和i1确定从动锥齿轮的计算转矩2、按驱动轮打滑转矩确定从动锥齿轮的计算转矩当计算锥齿轮最大应力时，计算转矩Tc应取两者之中较小值，即Tc=minTce，Tcs 25汽车设

10、计教案 马天飞（一）主减速器齿轮计算载荷的确定3、按汽车日常行驶平均转矩确定从动锥齿轮的计算转矩 当计算锥齿轮疲劳寿命时，Tc取TcF。4、主动锥齿轮的计算转矩 26汽车设计教案 马天飞（二）锥齿轮主要参数的选择1、主、从动锥齿轮齿数Z1和Z2 n应考虑如下因素为了磨合均匀，二者之间应避免有公约数；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；主传动比i0较大时，尽量使Z1取得少些，以得到足够的离地间隙；为了啮合平稳、噪声小和具有高的疲劳强度， Z1不能太小。对于乘用车， Z1一般不少于9；对于商用车， Z1一般不少于6。27汽车设计教案 马天飞（二）锥齿轮主要参

11、数的选择2、从动锥齿轮大端分度圆直径D2和端面模数ms 增加D2会加大驱动桥壳高度尺寸并减小离地间隙；减少D2会减少跨置式主动齿轮的前支承座安装空间并影响差速器的安装。根据经验公式初选 Tc为从动锥齿轮的计算转矩，Tc= minTce，Tcs； 直径系数KD2一般为13.015.3。 28汽车设计教案 马天飞（二）锥齿轮主要参数的选择2、从动锥齿轮大端分度圆直径D2和端面模数ms ms 的计算模数系数Km 取0.30.4。 29汽车设计教案 马天飞（二）锥齿轮主要参数的选择3、主、从动锥齿轮齿面宽b1和b2 齿面过宽，则装配空间减小；锥齿轮轮齿小端齿沟变窄，加大了应力集中，还降低了刀具的使用寿

12、命；由于制造、装配、热处理变形等原因，齿轮工作载荷通常集中于轮齿小端，会引起轮齿小端过早损坏和疲劳损伤。齿面过窄，则轮齿表面的耐磨性会降低。 30汽车设计教案 马天飞（二）锥齿轮主要参数的选择3、主、从动锥齿轮齿面宽b1和b2 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而且应满足b210ms一般b2=0.155D2主动锥齿轮齿面宽b1 b1一般比b2大10%31汽车设计教案 马天飞（二）锥齿轮主要参数的选择4、双曲面齿轮副偏移距EE值过大，则齿面纵向滑动过大，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传动的特点。乘用车和轻型商用车E0.2D2 且 E4

13、0%A2重型商用车E(0.100.12)D2 且 E20%A2主传动比愈大，则E也应愈大。32汽车设计教案 马天飞（二）锥齿轮主要参数的选择5、中点螺旋角螺旋角沿齿宽是变化的，大端螺旋角最大，小端最小。愈大，则重合度大，传动平稳、噪声低，轮齿强度高；一般重合度为1.52.0时效果最好过大，会导致轴向力增大。汽车主减速器的平均螺旋角一般为3540。乘用车： 较大，以保证运转平稳、噪声低；商用车：选用较小值以防止轴向力过大，通常取下限。 33汽车设计教案 马天飞（二）锥齿轮主要参数的选择6、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

14、。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，应使主动主动齿轮的轴向力离开锥顶方向，这样可使主、从动齿轮有分离趋势，防止轮齿卡死而损坏。34汽车设计教案 马天飞（二）锥齿轮主要参数的选择7、法向压力角 aa大，可以增加轮齿强度，但重合度下降；对于小的齿轮，a大会使齿顶变尖、刀尖宽度过小。轻负荷齿轮一般采用小压力角，齿轮运转平稳、噪声低螺旋锥齿轮：乘用车：1430或16；商用车：20或2230双曲面齿轮：乘用车：19或20；商用车：20或223035汽车设计教案 马天飞三、主减速器锥齿轮强度计算三、主减速器锥齿轮强度计算n轮齿的破坏形式 弯曲疲劳，过载折断，齿面点蚀、剥

15、落，胶合，磨损1、单位齿长圆周力（用于评价齿轮表面耐磨性）p=F/b2按发动机最大转矩计算式中，D1为主动锥齿轮大端分度圆直径。按驱动轮打滑转矩计算许用值见书上表5-1。36汽车设计教案 马天飞2、轮齿弯曲强度齿根弯曲应力计算转矩T、齿面宽b、大端分度圆直径D、轮齿弯曲应力综合系数Jw等为所计算齿轮的参数。过载系数k0=1；质量系数kv一般取1.0。尺寸系数ks反映了材料的不均匀性，ms1.6mm时为0.5。齿面载荷分配系数km，跨置式：1.01.1，悬臂式：1.01.25。最大弯曲应力应小于700MPa；疲劳弯曲应力应小于210MPa。37汽车设计教案 马天飞3、轮齿接触强度齿面接触应力D1

16、为主动锥齿轮大端分度圆直径；TZ为主动齿轮计算转矩；齿宽b=minb1,b2；其他系数的定义和取值见教材。按minTce、Tcs计算出的最大接触应力应小于2800MPa；按Tcf计算出的疲劳接触应力应小于1750MPa。38汽车设计教案 马天飞四、锥齿轮轴承的载荷计算四、锥齿轮轴承的载荷计算1、锥齿轮齿面上的作用力锥齿轮齿面上作用的法向力可分解为圆周力、轴向力和径向力。齿宽中点处的圆周力F，可以由从动齿轮的计算转矩得到式中，Dm2为从动齿轮齿宽中点处的分度圆直径Dm2 = D2 - b2 sin 2对于弧齿锥齿轮副，主、从动齿轮上的圆周力是相等的；对于双曲面齿轮副，二者的圆周力不相等，F1/F

17、2=cos1/cos239汽车设计教案 马天飞n 锥齿轮齿面上力的分解主动锥齿轮左旋、顺时针（从锥背面看）转动。FT是作用在节锥面上齿宽中点A处的法向力；在A点螺旋线的法平面内， FT分解为相互垂直的FN和Ff ；Ff位于以OA为切线的节锥切平面内；FN在平面OOA上且垂直于OA；Ff在切平面内分解成沿节锥母线 方向的Fs和圆周力F；F与Ff夹角为螺旋角，FT与Ff夹 角为法向压力角。40汽车设计教案 马天飞n 锥齿轮齿面上力的分解于是，齿面啮合点A上的法向力FT分解为三个在空间相互垂直的力由于锥齿轮的母线与轴线之间存在节锥角，因此将力FN和FS向齿轮的轴向和径向分解，得到轴向力FAZ和径向力

18、FRZ41汽车设计教案 马天飞n 锥齿轮齿面上的轴向力和径向力齿轮的螺旋方向和旋转方向改变时，主、从动齿轮齿面上所受的轴向力和径向力会改变。42汽车设计教案 马天飞2、锥齿轮轴承的载荷根据齿轮齿面受力以及齿轮、轴承的布置尺寸确定轴承所受的载荷根据轴承型号计算寿命或者根据寿命要求选择轴承。43汽车设计教案 马天飞五、锥齿轮的材料1、锥齿轮的工作特点载荷大、作用时间长、变化多、有冲击。它是传动系中的薄弱环节。2、对材料的要求具有高的弯曲和接触疲劳强度，齿面硬度高以保证耐磨性。轮齿芯部应有适当的韧性以适应冲击载荷，避免冲击折断。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。

19、选择合金材料时尽量少用含镍、铬元素，选用含锰、钒、硼、钛、钼、硅等元素的合金钢。44汽车设计教案 马天飞3、锥齿轮常用渗碳合金钢制造主要有20CrMnTi、20MnVB、20MnTiB等。表面含碳量高，具有高的耐磨性和抗压性；而芯部较软，具有良好的韧性；由于含碳量较低，锻造性能和切削加工性能较好；但热处理费用高，容易引起表面硬化层剥落。4、工艺和热处理表面磷化处理或镀铜、镀锡处理，可改善齿轮磨合性能；齿面应力喷丸处理，可提高齿轮寿命25%；表面渗硫处理可使摩擦因素显著降低，防止齿面擦伤、咬死和胶合。45汽车设计教案 马天飞第四节第四节 差速器设计差速器设计一、差速器的结构形式选择1、分类轮间差

20、速器当两侧驱动轮滚过的路程不同时，转速可以不同，保证轮胎与路面之间纯滚动，减少轮胎磨损、能量消耗。轴间差速器普通齿轮式差速器防滑差速器摩擦片式差速器，牙嵌自由轮式差速器，托森差速器 等46汽车设计教案 马天飞2、普通锥齿轮式差速器运动学关系式：1+2 = 20 力矩平衡关系式：T1+T2 = T0 T2 -T1= Tr差速器的性能指标锁紧系数k = Tr / T0 慢转半轴与快转半轴的转矩比 kb = T2 / T1 一般 k=0.050.15， kb =1.111.35。结构简单，工作平稳可靠，应用广泛。47汽车设计教案 马天飞二、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（一）差

21、速器齿轮主要参数选择1、行星齿轮数 n根据承载情况选择， n=2或4。2、行星齿轮球面半径RbRb反映了差速器锥齿轮节锥距的大小和承载能力。式中，Kb为半径系数，Kb=2.53.0； Td为差速器计算转矩，Td= minTce,Tcs行星齿轮节锥距 A0=（0.980.99）Rb48汽车设计教案 马天飞3、行星齿轮和半轴齿轮齿数Z1、 Z2为了保证齿轮强度，希望模数大一些，齿数少一些；Z1不要小于10，Z2=1425，一般Z2/ Z1=1.52.0为了保证行星齿轮能同时与两个半轴齿轮啮合，两个半轴齿轮的齿数和必须能被行星齿轮数整除，否不能装配。4、行星齿轮和半轴齿轮节锥角 1、2和大端模数m4

22、9汽车设计教案 马天飞5、压力角一般情况下，差速齿轮=22.5，齿高系数0.8；重型车为提高齿轮强度，常采用25压力角。6、行星齿轮轴支承长度L和直径d为了保证行星齿轮与轴之间的挤压强度，须满足式中，rd为行星齿轮支承面中点到锥顶的距离；一般取L=1.1d，则有50汽车设计教案 马天飞（二）差速器齿轮强度计算1、差速齿轮不需校核接触强度；2、齿轮尺寸小，载荷大，需校核弯曲强度。式中，T为半轴齿轮计算转矩，T=0.6Td；b2、d2分别为半轴齿轮齿宽和大端分度圆直径。计算静强度时，许用值为980MPa；计算疲劳强度时，许用值为210MPa。3、差速器齿轮的材料一般为渗碳合金钢：20CrMnTi

23、等因为较少传动，所以轮齿要求精度低，广泛采用精锻工艺。51汽车设计教案 马天飞第五节 车轮传动装置设计位于传动系统末端，用于传递转矩。非断开式驱动桥采用半轴；断开式驱动桥采用万向传动装置。一、半轴结构形式分析1、半浮式半轴车轮半轴轴承半轴套管半轴除了传递转矩外，外端还承受 路面与车轮之间的全部力和力矩。结构简单，但所受载荷大，只用于轿车和轻型车。52汽车设计教案 马天飞一、半轴结构形式分析2、全浮式半轴车轮两个圆锥滚子轴承半轴套管；车轮半轴路面对车轮的反力全部经轮毂、轴承传至桥壳，半轴只承受转矩。主要用于中、重型货车。53汽车设计教案 马天飞一、半轴结构形式分析3、3/4浮式半轴车轮一个轴承半

24、轴套管；车轮半轴由于车轮平面到支承平面有间距a，因此半轴外端将承受弯矩作用。用于轿车和轻型货车。54汽车设计教案 马天飞二、半轴计算（一）全浮式半轴全浮式半轴的计算载荷可按车轮附着力矩M计算式中，负荷转移系数可取1.2，附着系数取0.8。半轴的扭转切应力半轴的扭转角式中，G为材料剪切模量，Ip为断面极惯性矩。55汽车设计教案 马天飞（二）半浮式半轴由于半浮式半轴外端需传递路面与车轮之间的力和力矩，因此设计时应考虑以下三种载荷工况。1、纵向力Fx2最大，此时侧向力Fy2为0。式中，a为轮毂支承轴承到车轮中心平面之间的距离。半轴的许用合成应力为600750MPa。56汽车设计教案 马天飞（二）半浮

25、式半轴2、侧向力Fy2最大，此时纵向力Fx2为0。由于存在侧向加速度，因此内、外轮的垂直反力是不同的。式中，hg为汽车质心高度，B2为轮距，1为侧滑附着系数。半轴的弯曲应力57汽车设计教案 马天飞（二）半浮式半轴3、垂向力Fz2最大，而纵向力Fx2和侧向力Fy2为0。式中，动荷系数k=1.75（轿车），2.0（货车），2.5（越野车）。半轴的弯曲应力（三）3/4浮式半轴强度计算与半浮式相似，但危险断面位于半轴与轮毂相配合表面的内端。58汽车设计教案 马天飞三、半轴的结构设计全浮式半轴杆部直径，利用经验公式初选式中，半轴计算转矩的单位是N.mm；直径系数k=0.2050.218。半轴杆部直径应不

26、大于半轴花键的底径，以保证强度基本相等；半轴破坏方式主要是疲劳损坏，因此要加大各过渡部分的圆角直径，以减少应力集中。全浮式半轴杆部的强度储备应低于驱动桥其他零件；而半浮式半轴因为直接连接车轮，所以必须保证安全。59汽车设计教案 马天飞第六节 驱动桥壳设计功用：支承整车并传递车轮与路面间的力和力矩。一、设计要求1、因为是装配基体，所以应有足够的刚度，以保证主减速器齿轮正确啮合，降低半轴附加弯曲应力；2、在保证刚度、强度的前提下，尽量减少质量，以提高行驶平顺性；3、保证足够的离地间隙；4、工艺性好，成本低，拆装、调整、维修方便。60汽车设计教案 马天飞二、桥壳结构方案分析1、可分式桥壳分为左右两半

27、结构简单工艺性好支承刚度好维修不便，较少采用61汽车设计教案 马天飞二、桥壳结构方案分析2、整体式桥壳整体铸造式、钢板冲压焊接式 等空心梁、主减速器壳、后盖强度刚度大，拆装维修方便，应用广泛。3、组合式桥壳62汽车设计教案 马天飞三、驱动桥壳强度计算1、桥壳的危险断面桥壳的危险断面在钢板弹簧座内侧附近。桥壳端部的轮毂轴承座根部也应进行强度验算。63汽车设计教案 马天飞2、当驱动力或制动力最大时式中，Mv、Mh分别为危险断面处在垂直、水平面内的弯矩；Wv、Wh、WT分别为抗弯截面系数和抗扭截面系数；b为轮胎中心平面到板簧座之间的距离。64汽车设计教案 马天飞3、当侧向力最大时式中，Fz2o等的含义和计算方法与半轴计算中相同。4、当通过不平路面时5、桥壳许用弯曲应力为300500MPa； 许用扭转切应力为150400MPa。65