第五章驱动桥设计

第五章驱动桥设计 第一节概述

一功能 • 增扭、降速，改变转矩的传递方向，即增大由传动轴或变速器传来的转矩动力合理地分配给左、右驱动轮 • 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一般由主减速器、差速器、车轮传动装置和驱动桥壳等组成

三基本要求 1. 所选择的主减速比应能保证汽车具有最佳的动力性和燃料经济性。 2. 外形尺寸要小，保证有必要的离地间隙。 3. 齿轮及其它传动件工作平稳，噪声小。 4. 在各种转速和载荷下具有高的传动效率。 5. 在保证足够的强度、刚度条件下，应力求质量小，尤其是簧下质量应尽量小，以改善汽车平顺性

第五章驱动桥设计 第二节驱动桥的结构方案分析

驱动桥的结构方案分析 • 非断开式驱动桥结构简单、制造工艺性好、成本低、工作可靠、维修调整容易，广泛应用于各种载货汽车、客车及多数的越野汽车和部分小轿车上。但整个驱动桥均属于簧下质量，对汽车平顺性和降低动载荷不利。

驱动桥的结构方案分析 • 断开式驱动桥结构较复杂，成本较高，但它大大地增加了离地间隙；减小了簧下质量，从而改善了行驶平顺性，提高了汽车的平均车速；减小了汽车在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；

驱动桥的结构方案分析 • 断开式驱动桥由于驱动车轮与地面的接触情况及对各种地形的适应性较好，大大增强了车轮的抗侧滑能力；与之相配合的独立悬架导向机构设计得合理，可增加汽车的不足转向效应，提高汽车的操纵稳定性。这种驱动桥在轿车和高通过性的越野汽车上应用相当广泛。

图5-2 非断开式驱动桥 1-主减速器 2- 套筒 3-差速器 4、7-半轴 5-调整螺栓 6-调整垫片 8-桥壳

第五章驱动桥设计 第三节主减速器设计

分类（一）减速形式：单级双级双速整体（二）齿轮类型： • 螺旋锥齿轮 io < 2 • 双曲面齿轮 io＞4. • 圆柱齿轮 io 发动机前横置前驱动 • 蜗杆传动 io ＞7

一主减速器结构方案分析

一主减速器结构方案分析 1 .螺旋锥齿轮传动 2 .双曲面齿轮传动优点 • 当双曲面齿轮与螺旋锥齿轮尺寸相同时，双曲面齿轮传动有更大的传动比 • 当传动比一定，从动齿轮尺寸相同时，双曲面主动齿轮比相应的螺旋锥齿轮有较大的直径，较高的轮齿强度以及较大的主动齿轮轴和轴承刚度 • 当传动比一定，主动齿轮尺寸相同时，双曲面从动齿轮直径比相应的螺旋锥齿轮为小，因而有较大的离地间隙

双曲面齿轮传动比螺旋锥齿轮传动还具有如下优点：双曲面齿轮传动比螺旋锥齿轮传动还具有如下优点： • 在工作过程中，双曲面齿轮副不仅存在沿齿高方向的侧向滑动，而且还有沿齿长方向的纵向滑动。纵向滑动可改善齿轮的磨合过程，使其具有更高的运转平稳性。 • 由于存在偏移距，双曲面传动的主动齿轮的螺旋角较大，同时啮合的齿数较多，重合度较大，不仅提高了传动平稳性，而且使齿轮的弯曲强度提高约30％。 • 双曲面齿轮传动的主动齿轮直径及螺旋角都较大，所以相啮合轮齿的当量曲率半径较相应的螺旋锥齿轮为大，其结果使齿面的接触强度提高。

双曲面齿轮传动比螺旋锥齿轮传动还具有如下优点：双曲面齿轮传动比螺旋锥齿轮传动还具有如下优点： • 双曲面主动齿轮的螺旋角较大，则不产生根切的最小齿数可减少，故可选用较少的齿数，有利于增加传动比。 • 双曲面齿轮传动的主动齿轮较大，加工时所需刀盘刀顶距较大，因而切削刃寿命较长。 • 双曲面主动齿轮轴布置在从动齿轮中心上方，便于实现多轴驱动桥的贯通，增大传动轴的离地高度。布置在从动齿轮中心下方可降低万向传动轴的高度，有利于降低轿车车身高度，并可减小车身地板中部凸起通道的高度。

双曲面齿轮传动也存在如下缺点： • 沿齿长的纵向滑动会使摩擦损失增加，降低传动效率。双曲面齿轮副传动效率约为96％，螺旋锥齿轮副的传动效率约为99％。 • 齿面间大的压力和摩擦功，可能导致油膜破坏和齿面烧结咬死，即抗胶合能力较低。 • 双曲面主动齿轮具有较大的轴向力，使其轴承负荷增大。 • 双曲面齿轮传动必须采用可改善油膜强度和防刮伤添加剂的特种润滑油，螺旋锥齿轮传动用普通润滑油即可。

一主减速器结构方案分析 3．圆柱齿轮传动一般采用斜齿轮，广泛应用于发动机横置且前置前驱动的轿车驱动桥和双级主减速器贯通式驱动桥。 4．蜗杆传动蜗杆传动与锥齿轮传动相比有如下优点： 1)在轮廓尺寸和结构质量较小的情况下，可得到较大的传动比(可大于7)。 2)在任何转速下使用均能工作得非常平稳且无噪声。 3)便于汽车的总布置及贯通式多桥驱动的布置。 4)能传递大的载荷，使用寿命长。 5)结构简单，拆装方便，调整容易。

一主减速器结构方案分析 • 但是由于蜗轮齿圈要求用高质量的锡青铜制作，故成本较高；另外，传动效率较低。 • 蜗杆传动主要用于生产批量不大的个别重型多桥驱动汽车和具有高转速发动机的大客车上。

主减速器形式 1．单级主减速器 io≤7，进一步提高io将增大从动齿轮直径，从而减小离地间隙，且使从动齿轮热处理困难。轿车和轻、中型货车的驱动桥中

主减速器形式 2.双级主减速器主要结构特点是由两级齿轮减速组成的主减速器。 io一般为7-12

双级主减速器布置方式： 纵向水平布置：可以使总成的垂向轮廓尺寸减小，从而降低汽车的质心高度，但使纵向尺寸增加，用在长轴距汽车上可适当减小传动轴长度，但不利于短轴距汽车的总布置，会使传动轴过短，导致万向传动轴夹角加大。

双级主减速器布置方式： 垂向布置：使驱动桥纵向尺寸减小，可减小万向传动轴夹角，但由于主减速器壳固定在桥壳的上方，不仅使垂向轮廓尺寸增大，而且降低了桥壳刚度，不利于齿轮工作。这种布置可便于贯通式驱动桥的布置。斜向布置：对传动轴布置和提高桥壳刚度有利。

主减速器形式： 3. 双速主减速器大、小的主减速比 4. 贯通式主减速器多桥驱动汽车 5. 单双级减速配轮边减速器 io＞12 某些重型汽车、矿山自卸车、越野车和大型公共汽车的驱动桥

二主减速器主、从动锥齿轮的支承方案 1．主动锥齿轮的支承 2．从动锥齿轮的支承

三主减速器锥齿轮主要参数选择 1 .主、从动锥齿轮齿数z1和z2 2 .从动锥齿轮大端分度圆直径D2和端面模数ms 3 .主、从动锥齿轮齿面宽b1和b2 4 .双曲面齿轮副偏移距E 5 .中点螺旋角β 6 .螺旋方向 7 .法向压力角

四主减速器锥齿轮强度计算 1）按发动机最大转矩和最低档传动比确定从动锥齿轮的计算转矩Tce 2）按驱动轮打滑转矩确定从动锥齿轮的计算转矩Tcs 3）按汽车日常行驶平均转矩确定从动锥齿轮的计算转矩Tcf

四主减速器锥齿轮强度计算 当计算锥齿轮最大应力时，计算转矩Tg取前面两种的较小值，即Tg=min[Tce, Tcs]；当计算锥齿轮的疲劳寿命时，Tc取Tcf。

四主减速器锥齿轮强度计算 主动锥齿轮的计算转矩为 TZ=TC/ io ηg 式中，Tz为主动锥齿轮的计算转矩（N.m） io为主传动比； ηg为主、从动锥齿轮间的传动效率。计算时，对于弧齿锥齿轮福，ηg取95%；对于双曲面齿轮副，当io>6时，ηg取85%，当io<=6时，ηg取90%.

（二）主减速器锥齿轮的强度计算 1.单位齿长圆周力 2.轮齿弯曲强度 3.轮齿接触强度

1) 单位齿长圆周力 • 主减速器锥齿轮的表面耐磨性长用轮齿上的单位齿长圆周力来估算式中，F为作用在轮齿上的圆周力；b2为从动齿轮的齿面宽。

1) 单位齿长圆周力 • 按发动机最大转矩计算时式中，ig为变速器传动比；D1为主动锥齿轮中点分度圆直径（mm）。 • 按驱动轮打滑转矩计算时

2）轮齿弯曲强度 锥齿轮轮齿的齿根弯曲应力为 ko --为过载系数，一般取1； ks --为尺寸系数，它反映了材料性质的不均匀性，与齿轮尺寸及热处理等因素有关，当m.>=1.6mm时，，当m<1．6mm时，ks=＝0．5；

2）轮齿弯曲强度 km --为齿面载荷分配系数，跨置式结构：km＝1．0-1.1，悬臂式结构：km＝1．10-1.25； kv --为质量系数，当轮齿接触良好，齿距及径向跳动精度高时，kv ＝1.0 b--为所计算的齿轮齿面宽(mm)； D--为所讨论齿轮大端分度圆直径(mm)； Jw --为所计算齿轮的轮齿弯曲应力综合系数，取法见参考文献[10]。

3）轮齿接触强度 锥齿轮轮齿的齿面接触应力为： σJ --为锥齿轮轮齿的齿面接触应力(MPa)； D1 --为主动锥齿轮大端分度圆直径(mm)； b --取b1和b2的较小值(mm)；

3）轮齿接触强度 ks --为尺寸系数，它考虑了齿轮尺寸对淬透性的影响，通常取1．0； kf --为齿面品质系数，它取决于齿面的表面粗糙度及表面覆盖层的性质(如镀铜、磷化处理等)，对于制造精确的齿轮，ks取1．0； Cp --为综合弹性系数，钢对钢齿轮，Cp取232．6N1/2mm； --为齿面接触强度的综合系数，取法见参考文献[11]； ko、km、kv见式(5—14)的说明。

五、主减速器锥齿轮轴承的载荷计算 1．锥齿轮齿面上的作用力

五、主减速器锥齿轮轴承的载荷计算 锥齿轮在工作过程中，相互啮合的齿面上作用有一法向力。该法向力可分解为沿齿轮切线方向的圆周力、沿齿轮轴线方向的轴向力及垂直于齿轮轴线的径向力。 (1)齿宽中点处的圆周力齿宽中点处的圆周力F为F=2T/Dm2 Dm2=D2-b2sinγ2

五、主减速器锥齿轮轴承的载荷计算 (2) 锥齿轮的轴向力和径向力 F=FTcosαcosβ (5-18) FN=FTsina=Ftana／cosβ (5-19) Fs=FTcosαsinβ=Ftanβ (5-20) 于是作用在主动锥齿轮齿面上的轴向力Faz和径向力Frz分别为 Faz=FNsinγ+Fscosγ (5-21) Frz=FNcosγFssinγ (5-22)

六、锥齿轮的材料 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)轮齿芯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。

六、锥齿轮的材料 3)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。 4)选择合金材料时，尽量少用含镍、铬元素的材料，而选用含锰、钒、硼、钛、钼、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。

六、锥齿轮的材料 渗碳合金钢的优点: 是表面可得到含碳量较高的硬化层(一般碳的质量分数为0.8％～1．2％)，具有相当高的耐磨性和抗压性，而芯部较软，具有良好的韧性，故这类材料的弯曲强度、表面接触强度和承受冲击的能力均较好。由于较低的含碳量，使锻造性能和切削加工性能较好。其主要缺点是热处理费用高，表面硬化层以下的基底较软，在承受很大压力时可能产生塑性变形，如果渗透层与芯部的含碳量相差过多，便会引起表面硬化层剥落。

六、锥齿轮的材料 渗碳合金钢的优点为改善新齿轮的磨合，防止其在运行初期出现早期的磨损、擦伤、胶合或咬死，锥齿轮在热处理及精加工后，作厚度为0.005～0.02mm的磷化处理或镀铜、镀锡处理。对齿面进行应力喷丸处理，可提高25％的齿轮寿命。对于滑动速度高的齿轮，可进行渗硫处理以提高耐磨性。渗硫后摩擦因数可显著降低，即使润滑条件较差，也能防止齿面擦伤、咬死和胶合。

第五章驱动桥设计 第四节差速器设计

差速器设计 功用：在两输出轴间分配转矩，并保证两输出轴有可能以不同角速度转动。分类：齿轮式、凸轮式、蜗轮式和牙嵌自由轮式

一、差速器结构形式选择 1．普通锥齿轮式差速器 K=0.05-0.15， Kb=1.11-1.35 2 ．摩擦片式差速器 K=0.6， Kb=4 3．强制锁止式差速器提高通过性

二、普通锥齿轮差速器齿轮设计 根据分析可得

(一)差速器齿轮主要参数选择 1．行星齿轮数n 轿车：n=2；货车或越野车：n=4。 2．行星齿轮球面半径Rb 3．行星齿轮和半轴齿轮齿数z1、z2 4．行星齿轮和半轴齿轮节锥角γ1、γ2及模数m 5．压力角 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 n--行星齿轮数； J--综合系数，取法见参考文献[10]； b2、d2--半轴齿轮齿宽及其大端分度圆直径(mm)； T--半轴齿轮计算转矩(N·m).

第五章 驱动桥设计