第五节车轮传动装置设计

第五节 车轮传动装置设计

车轮传动装置位于传动系的末端，其基本功用是接受从差速器传来的转矩并将其传给车 轮。对于非断开式驱动桥，车轮传动装置的主要零件为半轴；对于断开式驱动桥和转向驱动 桥(图5—27)，车轮传动装置为万向传动装置。万向传动装置的设计见第四章，以下仅讲 述半轴的设计。

一、结构形式分析

半轴根据其车轮端的支承方式不同，可分为半浮式、3／4浮式和全浮式三种形式。 半浮式半轴(图5—28a)的结构特点是半轴外端支承轴承位于半轴套管外端的内孔， 车轮装在半轴上。半浮式半轴除传递转矩外，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。半浮式半轴结构简单，所受载荷较大，只用于轿车和轻型货车及轻型客车上。 3／4浮式半轴(图5—28b)的结构特点是半轴外端仅有一个轴承并装在驱动桥壳半轴套 管的端部，直接支承着车轮轮毂，而半轴则以其端部凸缘与轮毂用螺钉联接。该形式半轴受 载情况与半浮式相似，只是载荷有所减轻，一般仅用在轿车和轻型货车上。

二、半轴计算

1.全浮式半轴

全浮式半轴的计算载荷可按车轮附着力矩ϕM 计算

(5-43) 式中，2G 为驱动桥的最大静载荷；r r 为车轮滚动半径；2

m '为负荷转移系数；ϕ为附着系数，计算时ϕ取0.8。

半轴的扭转切应力为

316d M πτϕ

= (5-44)

式中，τ为半轴扭转切应力；d 为半轴直径。

半轴的扭转角为

πθϕp GI l M 180

= (5-45)

式中，θ为扭转角；l 为半轴长度；G 为材料剪切弹性模量；p I 为半轴断面极惯性矩，

32

4d I p π=。 半轴的扭转切应力宜为500～700MPa ，转角宜为每米长度6°～15°。

2。.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2x F 最大，侧向力2y F 为0：此时垂向力2z F 222G m =，纵向力最大值

ϕϕ22

22G m F F z x '==/2，计算时2m '可取1.2，ϕ取0.8。 半轴弯曲应力σ和扭转切应力τ为

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨⎧=+=32322221632d r F d F F a r x z x πτπσ (5-46)

式中，a 为轮毂支承轴承到车轮中心平面之间的距离，如图5-28所示。 合成应力224τσσ+=h (5-47)

(2)侧向力2y F 最大，纵向力2x F =0，此时意味着发生侧滑：外轮上的垂直反力20z F 和 内轮上的垂直反力i z F 2分别为

o z i z g o z F G F B h G F 2221222)5.0(-=+

=ϕ (5-48)

式中，g h 为汽车质心高度；2B 为轮距；1ϕ为侧滑附着系数，计算时1ϕ可取1.0。

外轮上侧向力o y F 2和内轮上侧向力i y F 2分别为

⎪⎩⎪⎨⎧==1

22122ϕϕi z i y o z o y F F F F （5-49） 内、外车轮上的总侧向力2y F 为12ϕG 。

这样，外轮半轴的弯曲应力O σ和内轮半轴的弯曲应力i σ分别为

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨⎧+=-=3223

22)(32)(32d a F F d a F F i z r i y i o z r o y o πγσπγσ (5-50) (3)汽车通过不平路面，垂向力2z F 最大，纵向力02=x F ，侧向力02=y F ：此时垂直 力最大值2z F 为：

222

1kG F z =

(5-51) 式中，k 为动载系数，轿车：k =1.75，货车：k =2.0，越野车：k =2.5。

半轴弯曲应力σ为 3

2321632d a kG d a F z ππσ== (5-51)

半浮式半轴的许用合成应力为600～750MPa o

3.3/4浮式半轴

3／4浮式半轴计算与半浮式类似，只是半轴的危险断面不同，危险断面位于半轴与轮毂相配表面的内端。

半轴和半轴齿轮一般采用渐开线花键连接，对花键应进行挤压应力和键齿切应力验算。 挤压应力不大于200MPa ，切应力不大于73MPa 。

三、半轴可靠性设计

在汽车设计中，可靠性已成为比较重要的技术指标之一。对于产品设计，须考虑各参量 的统计分散性，进行随机不确定分析，真实正确地反映产品的强度与受载等情况。

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

316d

T πτ= (5-53) 式中，T 为半轴所传递的转矩；d 为半轴的直径。

根据二阶矩技术，以应力极限状态表示的状态方程为

()316d

T r X g π-= (5-54) 式中，r 为半轴材料的扭转强度；X 为基本随机变量矢量，X=)(T d T r ,,。

设基本随机变量矢量

x 的均值E(x)=)(T d T r μμμ,,，方差D(x)=)(T d T r 222,0,0,0,,0,0,0,σσσ。且认为这些随机变量是服从正态分布的相互独立的随机变量。g(x)是反映半轴状态和性能的状态函数，可表示半轴的两种状态：

()X g ≤0 失败状态

()X g ＞0 安全状态

将g(X)在均值E(X)=X 处展开成二阶泰勒级数，可得到g(X)的二阶近似均值g μ 和一阶近似方差g 2σ

()()()()

()()()()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∂∂==∂∂+==X D X X g X g D X D X X g X g X g E T g T g 22221σμ (5-55) 不论g(X)服从什么分布，可靠性指标定义为

g g σμβ=

(5-56)

可靠度的一阶估计量为 ()βφ=R (5-57)