最新05汽车设计讲稿第五章.docx
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最新05汽车设计讲稿第五章
05汽车设计讲稿-第五章
第五章驱动桥
§5-1概述
一、功用:
增扭降速、变方向传动力,承受力
二、组成:
主减速器、差速器、车轮传动装置和桥壳
三、设计要求:
1、i0应保证良好的动力性,经济性
2、外形尺寸小→足够的最小离地间隙hmin,满足通过性
3、工作平稳、噪声小
4、η高
5、强度、刚度足够,质轻→非簧载质量小(平顺性好,降低动载)
6、与悬架导向机构运动协调,转向驱动桥,还应与转向机构运动协调
7、结构简单,工艺性好,制造容易,维修调整方便
§5-2结构方案分析
型式选择:
断开式:
独立悬架
取决于悬架
非断开式:
非独立悬架
1、断开式:
左右驱动轮无刚性连接
提问:
独立悬架和非独立悬架有何优缺点?
优:
↓簧下质量,提高平顺性
↓车桥动载,↑寿命
↑最小离地间隙,↑通过性
使车轮与路面接触良好,↑抗侧滑
缺:
结构复杂,成本高
用:
越野车或乘用车
2、非断开式:
左右驱动轮刚性连接
优:
结构简单、成本低
可靠性较好
缺:
非簧载质量大,平顺性差、hmin低
用:
商用车和部分乘用车
§5-3主减速器设计
一、结构型式
按齿轮类型,减速形式和支承分类
(一)齿轮类型
1、弧齿锥齿轮传动:
(图5-4a)
特:
两齿轮轴线交于一点
优:
同时啮合的齿数多,
工作平稳,振动和噪声小
缺:
对啮合精度很敏感,锥顶稍有不吻合,就使工作条件急剧变坏,磨损和噪声↑
2、双曲面齿轮传动:
(图5-4b)
1)特点:
A、两齿轮轴线交错,永不相交
B、有偏移距E
C、螺旋角
a)螺旋角定义:
锥齿轮节锥表面展开图上的齿形线任一点A的切线与该点和节锥顶点连线之间的夹角。
(图5-4b)将螺旋角画在一张图上。
b)中点螺旋角:
齿面宽中点处的螺旋角。
通常螺旋角即指中点螺旋角。
c)螺旋角β1≠β2,且β1>β2,β1-β2=ε为偏移角
D、主、从动齿轮圆周力F1、F2之比
∵啮合面上法向力相等«SkipRecordIf...»
∴«SkipRecordIf...»«SkipRecordIf...»圆周力比等于螺旋角余弦之比
E、传动比
«SkipRecordIf...»(5-2)
式中:
r1、r2分别为主、从动齿轮的平均分度圆半径
令«SkipRecordIf...»,则«SkipRecordIf...»由于β1>β2,∴K>1,一般为1.25~1.50
弧齿锥齿轮传动比«SkipRecordIf...»«SkipRecordIf...»
2)优点:
与弧齿锥齿轮比
A、尺寸相同时,双曲面齿轮传动比更大。
B、如传动比一定,从动齿轮尺寸相同,双曲主动齿轮直径大,齿轮强度高,齿轮轴和轴承的刚度大
C、如«SkipRecordIf...»,主动齿轮尺寸相同,双曲从动齿轮直径小→↑离地间隙。
Δ其他优点:
D、有沿齿长的纵向滑动,改善磨合,↑运转平稳性
E、啮合齿数多,重合度大,↑传动平稳,↑«SkipRecordIf...»约30%
F、双曲主动齿轮直径及螺旋角大,相啮合齿的当量曲率半径大,↓«SkipRecordIf...»
G、双曲主动齿轮β1大,不产生根切的最小可少
H、主动齿轮大,加工刀具寿命长
I、布置:
主动轴在从动齿轮中心水平面下方:
↓万向节传动高度,↓车身高度,↓地板高。
主动轴在从动齿轮中心水平面上方:
↑离地高度(贯通式驱动桥)
3)缺点
A、纵向滑动使损失↑,η↓
B、抗胶合能力低,要特种润滑油
4)应用:
广泛,i>4.5且尺寸限制时,双曲
i<2,弧齿锥齿轮
2
3、圆柱齿轮传动(图5-4c):
斜齿
用:
前置前驱动,且发动机横置
双级主减速器驱动桥
轮边减速器
4、蜗轮蜗杆:
(图5-4d)
优:
1)«SkipRecordIf...»大,但尺寸和质量不大
2)工作平稳无噪音
3)便于总体布置及贯通式
4)承载大,寿命长
5)结构简单,拆装方便,调整容易
缺:
成本高,效率低
(二)减速型式:
分类:
1)单级
2)双级:
整体式
分开式:
第一级:
中央减速器(驱动桥中部)
第二级,轮边减速器(轮边)
3)双速
4)贯通式:
单级、双级
5)单、双级减速配轮边减速
1、单级主减速器:
(图5-7)
优:
1)结构简单
2)质量小
3)成本低,制造容易
4)拆装维修方便
缺:
只用转矩不大处(转矩↑→模数↑→尺寸↑→↓hmin)
主传动比«SkipRecordIf...»不能太大,«SkipRecordIf...»≤7(否则,如↑从动轮直径→↓离地间隙,↓主动轮直径→根切)
用:
乘,ma较小的商
2、双级主减速器:
(图5-8)
优:
离地间隙一定时,可得到大的传动比
缺:
尺寸、质量、成本大
用:
ma较大的商(中重货,大客,越野)
1)整体式
A、结构方案:
图5-9a第一级:
螺旋锥(或双曲面齿轮);第二级圆柱齿轮
图5-9b第一级:
行星齿轮;第二级:
螺旋锥(或双曲面齿轮)
图5-9c第一级:
圆柱;第二级:
螺旋锥(或双曲面)
B、锥-柱式的布置方案
图5-9d纵向水平布置可降低质心高度,但使驱动桥纵向尺寸加大;用于长轴汽车可稍减传动轴长度,用于短轴汽车会增大万向节的夹角,(∵轴距一定)。
图5-9f垂向布置使驱动桥纵向尺寸减小,可减小传动轴夹角;但∵主减速器壳固定在桥壳上方,∴增大垂向尺寸,且↓桥壳刚度→对齿轮工作不利。
适用于贯通式驱动桥
图5-9e倾斜布置则对传动轴布置和提高桥壳刚度有利
C、锥-柱式的传动比«SkipRecordIf...»分配:
(5-9a):
a)一般,圆柱齿轮副的较大,圆锥齿轮副的较小,(一般为1.7~3.3)
b)目的:
↓轴向力,↓齿轮载荷,↑主动锥齿轮齿数,↑轴颈尺寸,改善支承刚度,
↑啮合平稳度和工作可靠性
2)分开式(主减速器配轮边减速器)
优:
a)驱动桥i0大(大巴、重型车的总传动比大,为了使变速器、分动器、传动轴等总成受载小,常将驱动桥i0取大)
b)驱动桥中央尺寸可↓,hmin大
c)半轴、差速器、主减速器齿轮等零件可↓(∵转速↑,扭矩↓)
缺:
结构复杂,簧下质量↑,成本↑,布置(轮毂、轴承、车轮和制动器)困难
A、园柱行星齿轮:
a)圆柱;b)圆锥
B、外啮合园柱齿轮
a)主动齿轮上置:
hmin大,用于高通过性越野车
b)主动齿轮下置:
地板低,质心高度低,用于城市、长途客车
3、双速主减速器(图5-11)
主减速器有高低档两种减速比,与变速器配合,可得到双倍于变速器的档位。
换档—远距离操纵,停车进行
应用—单桥驱动且ma较大车
4、贯通式主减速器(图)
将一根贯通轴穿过中桥并通向后桥,用于多桥驱动汽车
1)单级:
ma较小
2)双级:
ma较大
(三)主从动锥齿轮的支承方案
主、从动锥齿轮正确啮合条件:
1)加工质量
2)装配调整
3)轴承、壳体刚度
4)支承刚度
1、主动锥齿轮支承:
1)悬臂式(图5-14a)
A、结构特点:
a、圆锥滚子轴承大端向外,(有时用圆柱滚子轴承)
b、为↑支承刚度,两支承间的距离b应>2.5a(a为悬臂长度)
c、轴颈d应≮a
d、左支承轴颈比右大
B、优缺:
结构简单,刚度差
C、用:
传递转矩小的
2)跨置式(图5-14b)
A、结构特点:
a、两端均有支承(三个轴承)→刚度大,齿轮承载能力高
b、两圆锥滚子轴承距离小→主动齿轮轴长度↓,可减少传动轴夹角,有利于总体布置
c、壳体需轴承座→壳体结构复杂,加工成本高
d、空间尺寸紧张→
B、用:
传递转矩大的
2、从动锥齿轮支承(图5-14c)
1)圆锥滚子大端向内,↓跨度«SkipRecordIf...»
2)«SkipRecordIf...»≮70%«SkipRecordIf...»
3)c≥d→载荷平均分配
4)大从动锥齿轮背设辅助支承销,间隙0.25mm(图5-15)
5)齿轮受载变形或位移的许用偏移量(图5-16)
二、主减速器基本参数选择与计算载荷确定
(一)计算载荷的确定
锥齿轮切齿法有格里森和奥利康两种方法,以下仅介绍格里森齿轮计算载荷的三种方法
1、从动锥齿轮的计算转矩Tc
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:
«SkipRecordIf...»(5-4)
2)按驱动轮打滑转矩确定从动锥齿轮的计算转矩Tcs
«SkipRecordIf...»(5-5)
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
«SkipRecordIf...»(5-6)
4)计算转矩取值Tc
计算最大应力:
«SkipRecordIf...»
计算疲劳寿命:
«SkipRecordIf...»
2、主动锥齿轮间的计算转矩«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»(5-7)
式中:
«SkipRecordIf...»—主、从动锥齿轮间的传动效率,对弧齿锥«SkipRecordIf...»=95%,双曲面«SkipRecordIf...»时,«SkipRecordIf...»=85%;«SkipRecordIf...»时,«SkipRecordIf...»=90%
(二)锥齿轮主要参数的选择:
1、主、从动锥齿轮齿数z1,z2:
1)z1与z2不应有公约数(以使主动轮各齿与从动轮各齿都能啮合,磨合均匀)
2)z1+z2≥40,(以得到理想的重合度,高的轮齿弯曲强度)
3)z1不能太小:
乘z1≮9,商z1≮6(以使啮合平稳,噪声小,疲劳强度高)
4)i0较大时,z1尽量取小,以↑离地间隙
5)对不同的i0,z1与z2搭配适宜
2、从动锥齿轮大端分度圆直径D2和端面模数«SkipRecordIf...»:
1)D2:
↑D2,↓离地间隙;
↓D2,影响跨置式主动齿轮前支承座安装空间和差速器安装↓
初选择经验公式:
«SkipRecordIf...»
从动齿轮计算转矩,«SkipRecordIf...»
直径系数,取13.0-15.3
2)«SkipRecordIf...»:
«SkipRecordIf...»(5-9)
«SkipRecordIf...»应使«SkipRecordIf...»(5-10)
3、主、从动锥齿轮齿面宽b1,b2
1)齿宽b过宽的影响:
A、使小端齿槽宽↓→切削刀头顶面宽↓,刀尖圆角↓→↓齿根圆角半径,↑应力集中,↓刀具寿命
B、因安装偏差或制造变形等原因,出现负荷集中于轮齿小端→小端过早损坏和疲劳损伤
C、装配空间↓
2)齿宽b过窄的影响:
→轮齿表面耐磨性↓
3)推荐:
b2≤0。
3A,且b2≤10«SkipRecordIf...»,
或b2=0.155D2
对螺旋锥b1>110%b2
4、双曲面齿轮副偏移距E
1)影响:
E过大→纵向滑动大→引起齿面早期磨损和擦伤
E过小→不能发挥优点
2)推荐:
乘、ma小的商E≤0.2D2,且E≤40%A
ma小的商E≤(0.10~0.12)D2,且E≤20%A
3)上下偏移:
5、中点螺旋角β:
齿面宽中点螺旋角
单个锥齿轮:
大端β大,小端β小
一对锥齿轮:
弧齿锥,«SkipRecordIf...»
双曲面β1>β2,偏移角ε=β1-β2
1)影响:
齿面重合度系数«SkipRecordIf...»↑→传动平稳,噪声低,«SkipRecordIf...»=1.5-2最好
β↑轮齿强度↑
轮向力↑
2)取值:
常取β=35°~40°
乘:
取较大(平稳,噪声)
商:
取较小(防轴向力过大),通常35度
6、螺旋方向
1)左、右旋:
A、从锥顶看,齿形从中心线上半部从小端至大端向右倾斜为右旋
B、主、从动轮的螺旋向相反
2)螺旋方向和主动齿轮转向影响主动齿轮所轴向力方向(加图)
3)旋向选择:
根据轴向力确定,当汽车前进时,应使主动齿轮的轴向力离开锥顶点,即使主从动齿轮有分离趋势,否则使两齿轮靠紧,引起齿轮卡住(图5-17)
4)汽车主减速器小锥齿轮旋向一般为左旋,大齿轮为右旋(∵发动机转向与小锥一致)
7、法向压力角«SkipRecordIf...»
1)«SkipRecordIf...»↑,齿轮强度↑,«SkipRecordIf...»↓
2)对小尺寸齿轮,«SkipRecordIf...»↑→齿顶易变尖,刀尖宽度过小,齿轮端面ε↓
3)对小负荷齿轮,采用小«SkipRecordIf...»,使运动平稳,噪声↓
4)弧齿锥双曲面
乘«SkipRecordIf...»«SkipRecordIf...»
商«SkipRecordIf...»或«SkipRecordIf...»«SkipRecordIf...»
三、锥齿轮的强度计算
四、锥齿轮轴承的载荷计算
1.锥齿轮齿面上的作用力
锥齿轮啮合齿面上作用的法向力可分解为:
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
五、锥齿轮材料
1、驱动轿锥齿轮特点:
载荷大,作用时间长,变化多,有冲击
2、要求:
1)弯曲和接触强度高,表面硬度高
2)蕊部韧
3)锻、切削、热处理性能良好
4)选用含锰、钒、硼、钛、钼、硅的合金钢
3、材料用渗碳合金钢:
20CrMnTi
20MnVB
20MnTiB
22CrNiMo
16SiMn2WmoV
4、渗碳钢特点:
优:
1)表面可为硬化层、耐磨、抗压、蕊软→弯曲和接触强度高,表面硬度高
2)本身含碳量低,易于锻、切
缺:
1)热处理费用高
2)基软、受载大时易产生塑性变形
3)如蕊、面含碳量差别多,易引起表面硬化层剥落。
措施:
为改善新齿轮的磨合,防止出现早期磨损、擦伤、胶合或咬死、锥齿轮常常在热处理及精加工后,作磷化处理或镀铜、镀锡。
喷丸处理可提高寿命25%
滑动速度大的可表面硫化处理,以提高耐磨性
§5-4差速器设计
功用:
两输出轴间分配转矩,可差速转动
型式:
齿轮式(普通锥齿轮,摩擦片、强制锁止式)
凸轮式
蜗轮式
牙嵌式自由轮
一、结构型式选择:
(一)对称锥齿轮式差速器:
普通锥齿轮式,摩擦片式和强制锁止式
1、普通锥齿轮差速器:
结构简单,工作可靠,应用广泛
1)锁紧系数k
图5-20,差速器壳角速度«SkipRecordIf...»,两半轴«SkipRecordIf...»、«SkipRecordIf...»
∴«SkipRecordIf...»
若«SkipRecordIf...»,则«SkipRecordIf...»(一侧半轴不转)
«SkipRecordIf...»,则«SkipRecordIf...»(差速器壳不转,仅当修理时出现,左右半轴等速反向转动)
根据力矩平衡:
T1+T2=T0
(1)
外加转矩
两半轴对差速器的反转矩
T2-T1=Tr内摩擦力矩
(2)
锁紧系数«SkipRecordIf...»
2)慢、快转两半轴的转矩比kb
联立
(1)、
(2)
«SkipRecordIf...»(3)
«SkipRecordIf...»(4)(5-26)
如Tr=0T1=T2
Tr≠0T2>T1(T2为慢转半轴力矩)
慢、快转半轴的转矩比«SkipRecordIf...»
3)普通锥齿轮差速器的k、kb:
锁紧系数k=0.05~0.15
两半轴转矩比kb=1.11~1.35
说明左、右半轴的转矩差别不大,可认为分配给两半轴的转矩大致相等。
应用:
当汽车在/好路上行驶时,这样的分配比例无论对于直线行驶或转弯行驶都是合适的。
但当一侧路面的附着系数很小,另一侧与地面有良好的附着,无法发挥潜在的牵引力以致汽车停驶。
2、摩擦片式差速器
1)构造特点
为增加内摩擦力矩,在半轴齿轮和差速器壳体间加装摩擦片
2)k、kb
k=0.6,kb=4
3)特性:
可明显提高通过性
3、强制锁止式差速器
1)构造特点:
加装差速锁,使差速器不起作用
2)使用:
驶入难行驶路前,操纵差速锁锁止式差速器;
驶出难行驶路,刚进入较好路时,及时将差速器松开
3)优:
A、提高最大牵引力:
4*2汽车,两驱动轮行驶路面附着系数分别为ψ和ψmin,G2为驱动桥上负荷
对普通锥齿轮差速器:
最大牵引力Ft=G2ψmin/2+G2ψmin/2=G2ψmin,
对强制锁止式差速器:
最大牵引力Ft=G2ψ/2+G2ψmin/2=G2(ψ+ψmin)/2
最大牵引力提高(ψ+ψmin)/2ψmin,
B、可利用原差速器结构
C、结构简单,操作方便
4)局限:
如左右车轮均处低附着系数路面,虽锁住差速锁,但牵引力仍超附着力,汽车无法行驶
二、普通锥齿轮差速器齿轮设计
(一)主要参数
1、行星齿轮数n:
承载不大n=2,承载大n=4
2、行星齿轮球面半径Rb:
反映锥齿轮节锥距的大小和承载能力,经验方式:
«SkipRecordIf...»
min[Tce,Tcs],计算转矩
行星齿轮球面半径系数,Kb=2.5-3.0n=4的乘,商取小
n=2的乘,越、矿取大
节锥距A0=0.98~0.99Rb
3、行星齿轮齿数Z1,半轴齿轮齿数Z2
Z1≮10,半轴齿轮齿数Z2=14~25,大多数汽车Z2/Z1=1.5~2
两半轴齿轮齿数和/n=整数,否则不能装配
4、节锥角:
行星齿轮r1=arctg(Z1/Z2)
半轴齿轮r2=arctg(Z2/Z1)
大端端面模数:
«SkipRecordIf...»
5、压力角:
大都22°30′
ma较大的商:
25°
6、行星齿轮轴直径d及支承长度L
«SkipRecordIf...»
式中:
T0–差速器壳传递的转矩;[σc]-行星齿轮支承面允许挤压应力;n-行星齿轮数;
rd–行星齿轮支承面中点到锥顶距离
(二)差速器齿轮强度设计
差速器齿轮不像主减速器齿轮那样一直处于啮合传动状态,齿面的接触疲劳破坏一般不发生,故只进行轮齿弯曲强度计算
§5-5车轮传动装置设计
1、功用:
传转矩给车轮
2、主要零件:
断开式或转向驱动桥:
万向传动装置
非断开式:
半轴
一、结构形式分析:
1、半浮式半轴(图5-31a):
外端直接受轴承约束,承受弯矩大,用于乘、ma较小商
2、3/4浮式半轴(图5-31b):
外端通过套管受轴承约束,受弯矩较小,用于乘、ma较小商
3、全浮式半轴(图5-31c):
外端联轮毂再受轴承约束,理论上只受转矩,用于ma较大商
“浮”表示不受弯矩,只受转矩
二、半轴计算(图5-31)
(一)全浮式半轴:
按车轮«SkipRecordIf...»附着力矩计算扭转切应力«SkipRecordIf...»和半轴转角θ,车轮附着力矩«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»(5-43)
式中:
G2——驱动桥上静负荷
«SkipRecordIf...»——负荷转移系数
rr——车轮滚动半径
«SkipRecordIf...»——附着系数
«SkipRecordIf...»(5-44)
«SkipRecordIf...»(5-45)
式中:
d——半轴直径
l——半轴长度
IP——半轴断面极惯性矩
(二)半浮式半轴:
应考虑三种载荷工况:
1。
纵向力Fx2(牵引力或制动力)最大,侧向力Fy2=0
«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»(5-46)
式中:
«SkipRecordIf...»—轮毂支承轴承到车轮中心平面之间的距离
合成应力«SkipRecordIf...»(第三强度理论)
2、侧向力Fy2最大和Fx2=0(侧滑时)
1)此时外、内车轮上的总侧向力为«SkipRecordIf...»(附着力)
2)外、内车轮上的垂直反力
«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»
式中:
hg—汽车质心高度
B2—后轮距
«SkipRecordIf...»—侧滑附着系数
外、内轮上的侧向力为
«SkipRecordIf...»(5-49)
外、内轮半轴的弯曲应力«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»(5-50)
3)汽车通过不平路面,垂直力«SkipRecordIf...»最大,纵向力«SkipRecordIf...»,侧向力«SkipRecordIf...»
«SkipRecordIf...»(5-51)
式中,k—动载系数,乘1.75,货2.0,越2.5
半轴的弯曲应力:
«SkipRecordIf...»(5-52)
(三)3/4浮式半轴
与半浮式类似,但危险断面位于半轴与轮毂相配表面的内端。
应对花键验算
四、半轴结构设计
§5-6驱动桥壳设计
一、结构方案分析
工艺
主减速器支承刚度
维修
强、刚度
质量
材料
利用
应用
可分式
简单
好
不方便
受限制
较重
差
少
整
体
式
冲压焊接
管扩张
铸造
简单
设备要求高
加工面多
较好
差
差
方便
高
轻
轻
重
好
乘、轻商
乘、轻商
重货
组分式(分块)
加工精度要高
差
不方便
较差
较重
差
乘、轻商
二、强度计算
危险断面在钢板弹簧座附近(全浮式:
桥壳端部的轮毂轴承座根部也应列为危险断面。
)
接合轮5的短齿与固定在主减速器上的接合齿环相接合,太阳轮1就与主减速器壳联成一体,并与行星齿轮架3的内齿环分离,而仅与行星齿轮4啮合。
于是,行星机构的太阳轮成为固定轮,与从动锥齿轮联成一体的齿圈2为主动轮,与差速器左壳联在一起的行星齿轮架3为从动件,行星齿轮起减速作用。
啮合套的接合轮5与固定在主减速器壳上的接合齿环分离,太阳轮1与行星齿轮4及行星齿轮架3的内齿环同时啮合,从而使行星齿轮无法自转,行星齿轮机构不再起减速作用。
图5-18为主动锥齿轮齿面受力图。
其螺旋方向为左旋,从锥顶看旋转方向为逆时针。
FT为作用在节锥面上的齿面宽中点A处的法向力;在A点处的螺旋方向的法平面内,FT分解成两个相互垂直的力FN和Ff。
FN垂直于OA且位于∠OOA所在的平面,Ff位于以OA为切线的节锥切平面内。
Ff在此切平面内又可分解成沿切线方向的圆周力F和沿节锥母线方向的力Fs。
F与Ff之间的夹角为螺旋角β,FT和
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