汽车后桥半轴设计(重新设计后论文)

目录
前言 (1)
1 后桥结构方案分析 (2)
2 驱动半轴的设计 (3)
2.1半轴结构形式分析 (3)
2.2驱动半轴结构形式选择 (3)
2.3全浮式半轴计算载荷的确定 (4)
2.3.1按发动机最大转矩与最低档传动比计算转矩 (4)
2.3.2按驱动轮打滑转矩计算转矩 (4)
2.3.3半轴转矩的确定 (5)
2.4全浮式半轴的杆部直径的初选 (5)
2.5全浮式半轴的强度计算 (6)
2.6半轴花键的强度计算 (6)
2.7半轴基于P RO/E的三维设计 (7)
2.8半轴的材料与热处理 (7)
参考文献 (9)
致谢 (10)
前言
汽车后桥（驱动桥）位于传动系的末端。

其基本功用首先是增扭，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，并将转矩合理的分配给左右驱动车轮；其次，驱动桥还要承受作用于路面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。

驱动桥一般由主减速器，差速器，车轮传动装置和桥壳组成。

对于重型载货汽车来说，要传递的转矩较乘用车和客车，以及轻型商用车都要大得多，以便能够以较低的成本运输较多的货物，所以选择功率较大的发动机，这就对传动系统有较高的要求，而驱动桥在传动系统中起着举足轻重的作用。

随着目前国际上石油价格的上涨，汽车的经济性日益成为人们关心的话题，这不仅仅只对乘用车，对于载货汽车，提高其燃油经济性也是各商用车生产商来提高其产品市场竞争力的一个法宝，因为重型载货汽车所采用的发动机都是大功率，大转矩的，装载质量在十吨以上的载货汽车的发动机，最大功率在140KW以上，最大转矩也在700N·m以上，百公里油耗是一般都在34升左右。

为了降低油耗，不仅要在发动机的环节上节油，而且也需要从传动系中减少能量的损失。

这就必须在发动机的动力输出之后，在从发动机—传动轴—驱动桥这一动力输送环节中寻找减少能量在传递的过程中的损失。

在这一环节中，发动机是动力的输出者，也是整个系统的心脏，而驱动桥则是将动力转化为能量的最终执行者。

因此，在发动机相同的情况下，采用性能优良且与发动机匹配性比较高的驱动桥便成了有效节油的措施之一。

所以设计新型的驱动桥成为新的课题。

目前国内重型车桥生产企业也主要集中在中信车桥厂、东风襄樊车桥公司、济南桥箱厂、汉德车桥公司、重庆红岩桥厂和安凯车桥厂几家企业。

这些企业几乎占到国内重卡车桥90%以上的市场。

设计后桥时应当满足如下基本要求：
1）选择适当的主减速比，以保证汽车在给定的条件下具有最佳的动力性和燃油经济性。

2）外廓尺寸小，保证汽车具有足够的离地间隙，以满足通过性的要求。

3）齿轮及其他传动件工作平稳，噪声小。

4）在各种载荷和转速工况下有较高的传动效率。

5）具有足够的强度和刚度，以承受和传递作用于路面和车架或车身间的各种力和力矩；在此条件下，尽可能降低质量，尤其是簧下质量，减少不平路面的冲击载荷，提高汽车的平顺性。

6）与悬架导向机构运动协调。

7）结构简单，加工工艺性好，制造容易，维修，调整方便。

在本设计中还采用了CAD绘图软件分别进行了工程图的绘制，运用CAD绘制了、行星齿轮轴以及传动机构半轴的零件图，通过对CAD的编辑工具与命令的运用，掌握了从CAD基础图形的绘制→基础零件的绘制→各类零件图的创建与绘制的方法，并且理解了机械图绘制的工作流程，为今后更好的学习和掌握各种应用软件和技能打下坚实的基础。

1 后桥结构方案分析
驱动桥分断开式和非断开式两类。

驱动车轮采用独立悬架时，应选用断开式驱动桥；驱动车轮采用非独立悬架时，则应选用非断开式驱动桥。

断开式驱动桥的结构特点是没有连接左右驱动车轮的刚性整体外壳或梁，主减速器、差速器及其壳体安装在车架或车身上，通过万向传动装置驱动车轮。

此时，主减速器、差速器和部分车轮传动装置的质量均为簧上质量。

两侧的驱动车轮经独立悬架与车架或车身作弹性连接，因此可以彼此独立的相对于车架或车身上下摆动。

为防止车轮跳动时因轮距变化而是万向传动装置与独立悬架导向装置产生运动干涉，在设计车轮传动装置时，应采用滑动花键轴或允许轴向适量移动的万向传动机构。

非断开式驱动桥的桥壳是一根支撑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。

此时，驱动桥、驱动车轮均属簧下质量。

与非断开式驱动桥比较，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与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性，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减低动载荷有不利的影响。

为了提高汽车的载质量和通过性，总质量较大的商用车大多采用多桥驱动方式，而各驱动桥又采用贯通式的布置形式。

2 驱动半轴的设计
2.1 半轴结构形式分析
半轴根据其车轮端的支撑方式不同，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弓}起的全部力和力矩。

半浮式半轴有结构简单，质量小，尺寸紧凑，造价低廉的优点，但所受载荷复杂且较大，因此多用于质量较小，使用条件较好，承载负荷也不大的轿车和微型、轻型货车或客车上。

3/4浮式半轴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，直接支撑着车轮轮毅，而半轴则以其端部凸缘与轮毅用螺钉联接。

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。

全浮式半轴理论上只承受传动系的转矩而不承受弯矩，但实际上由于加工零件的精度和装配精度影响以及桥壳、轴承支承刚度不足等原因，仍可能使全浮式半轴承受一定弯矩。

具有全浮式半轴的驱动桥外端结构复杂，需要采用形状复杂且质量及尺寸均较大的轮载，制造成本高，故小型车及轿车不必采用此种结构，而广泛用于轻型以上各种载货汽车、越野汽车和客车。

2.2 驱动半轴结构形式选择
根据所设计车辆的参数，分析所选半轴的结构形式。

由于跃进130属于中型载货汽车，载货质量和汽车尺寸较大，如果采用半浮式或3/4浮式半轴时，对半轴的强度或尺寸要求较高，最终不仅没使结构简化，反而更加复杂，增加了制造
成本。

因此，应选用全浮式，使得半轴受载单一，增加半轴的使用寿命。

2.3全浮式半轴计算载荷的确定
2.3.1. 按发动机最大转矩和最低挡传动比确定从动锥齿轮的计算转矩Ｔce
n i K i T T T o T L e ce /max ⋅⋅⋅⋅=η m N ⋅ （2-1） 式中 TL i ——发动机至所计算的主减速器从动锥齿轮之间的传动系的最低挡传
动比，在此取9.01 ；
i ——驱动桥传动比；
max e T ——发动机的输出的最大转矩，此数据参考跃进150车型在此取
240m N ⋅；
T η——传动系上传动部分的传动效率，在此取0.9；
n ——该汽车的驱动桥数目在此取1；
o K ——由于猛结合离合器而产生冲击载荷时的超载系数，
对于一般的载货汽车，矿用汽车和越野汽车以及液力传动及自动变速器的各类汽车
取o K =1.0，当性能系数p f =0时，o K =1，当性能系数p f >0时可取
o K =2.0或由经验选定；
⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧><⎪⎭⎫ ⎝⎛=16T g m 0.195 016T g m 0.195 T g m 0.195-161001emax a emax a emax a 当当p f （2-2）a m ——汽车满载时的总质量在此取15000g K ；
所以 0.195240
1015000⨯⨯ =122>16 ∴ p f =0 即o K =1.0
由以上各参数可求Tce
Tce =1
5.49.00.101.9240⨯⨯⨯⨯=8757.7m N ⋅ 2.3.2. 按驱动轮打滑转矩确定从动锥齿轮的计算转矩cs T
L B L B r i r G T m cs ⋅'
=ηϕ/22 m N ⋅ （2-3） 式中 2G ——汽车满载时一个驱动桥给水平地面的最大负荷，预设后桥所承载
150000N 的负荷;
2m '——汽车最大加速度时的后轴负荷转移系数，商用车取1.1--1.2；
ϕ——轮胎对地面的附着系数，对于安装一般轮胎的公路用车，取ϕ=0.85；
对于越野汽车取1.0；对于安装有专门的防滑宽轮胎的高级轿车，
计算时可取1.25;
r r ——车轮的滚动半径，在此选用轮胎型号为12.00R20，滚动半径为
0.527m ；
LB η，LB i ——分别为所计算的主减速器从动锥齿轮到驱动车轮之间的传动
效率和传动比，LB η取0.9，由于没有轮边减速器LB i 取1.0
所以L B L B r i r G T m cs ⋅'=ηϕ/22=0
.19.02.1527.085.0150000⨯⨯⨯⨯=93173.6m N ⋅ 2.3.3 半轴的计算转矩ϕT
全浮式半轴只承受转矩，全浮式半轴的计算载荷可按主减速器从动锥齿轮计算转矩进一步计算得到。

即
ϕT =ξmin[cs ce T T ,]=0.6⨯8757.7m N ⋅=5254.6m N ⋅ （2-4） 式中：ξ为差速器转矩分配系数，对于圆锥行星齿轮差速器可取0.6；
min[cs ce T T ,]为按发动机最大转矩和最低档传动比以及按驱动轮打滑转矩计算最小值确定的主减速器从动锥齿轮计算转矩，m N ⋅，已经考虑到传动系中的最小传动比构成。

2.4 全浮式半轴的杆部直径的初选
全浮式半轴杆部直径的初选可按下式进行
[]
333)18.2~05.2(196.010T T d =⨯=τ （2-5） 根据上式()36.525418.2~05.2=d =（35.64～37.90）mm
根据强度要求在此d 取38mm 。

2.5 全浮式半轴的强度计算
首先是验算其扭转应力τ： 33
1016⨯=d T
π
τ MPa （2-6） 式中：T ——半轴的计算转矩，N ·m 在此取5254.6N ·m ；
d ——半轴杆部的直径，mm 。

根据上式τ＝33
103816
14.36.5254⨯⨯＝487.9 MPa< []τ=(490～588) MPa 所以满足强度要求。

半轴的扭转角为 310180⨯=π
θϕp GI l T （2-7） 式中： θ为扭转角；l 为半轴长度l=0.55m ；G 为材料剪切弹性模量G=81GPa ；p I 为半轴断面极惯性矩 58.204707324
==d I p π （2-8）
根据 （2-7）7.614
.358.2047078155.06.5254180=⨯⨯⨯⨯=θ <8 ; 所以满足刚度要求。

2.6半轴花键的强度计算
在计算半轴在承受最大转矩时还应该校核其花键的剪切应力和挤压应力。

半轴花键的剪切应力s τ为 φτb zL d D T p A B s ⎪⎭
⎫ ⎝⎛+⨯=4103
MPa （2-9） 半轴花键的挤压应力c σ为
φσp A B A B c zL d
D d D T ⎪⎭
⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯=24103
MPa （2-10）式中： T ——半轴承受的最大转矩，N ·m ，在此取5254.6N ·m;
B D ——半轴花键的外径，mm ，在此取44mm;
A d ——相配花键孔内径，mm ，在此取38.8mm;
z ——花键齿数；在此取20；
p L ——花键工作长度，mm ，在此取90mm;
b ——花键齿宽，mm ，在此取2.8mm;
φ——载荷分布的不均匀系数，计算时取0.75。

根据上式可计算得s τ=75.08.2902048.3844106.52543
⨯⨯⨯⨯⎪⎭
⎫ ⎝⎛+⨯=67.15MPa c σ=75.0902028.384448.3844106.52543
⨯⨯⨯⎪⎭
⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯=72.32 MPa 根据要求当传递的转矩最大时，半轴花键的切应力[s τ]不应超过71.05 MPa ，挤压应力[c σ]不应超过196 MPa ，以上计算均满足要求.
2.7半轴基于Pro/E 的三维设计结果如下：
2.8 半轴的结构设计及材料与热处理
为了使半轴的花键内径不小于其杆部直径，常常将加工花键的端部做得粗些，并适当地减小花键槽的深度，因此花键齿数必须相应地增加，通常取10齿(轿车半轴)至18齿(载货汽车半轴)。

半轴的破坏形式多为扭转疲劳破坏，因此在结
构设计上应尽量增大各过渡部分的圆角半径以减小应力集中。

重型车半轴的杆部较粗，外端突缘也很大，当无较大锻造设备时可采用两端均为花键联接的结构，且取相同花键参数以简化工艺。

在现代汽车半轴上，渐开线花键用得较广，但也有采用矩形或梯形花键的。

表3-1轴常用材料Cr的机械性能
由文献可知，半轴多采用含铬的中碳合金钢制造，如40Cr，40CrMnMo，40CrMnSi，40CrMoA，35CrMnSi，35CrMnTi等。

40Cr是我国研制出的新钢种，作为半轴材料效果很好。

半轴的热处理过去都采用调质处理的方法，调质后要求杆部硬度为HB388—444(突缘部分可降至HB248)。

近年来采用高频、中频感应淬火的口益增多。

这种处理方法使半轴表面淬硬达HRC52～63，硬化层深约为其半径的1／3，心部硬度可定为HRC30—35；不淬火区(突缘等)的硬度可定在HB248～277范围内。

由于硬化层本身的强度较高，加之在半轴表面形成大的残余压应力，以及采用喷丸处理、滚压半轴突缘根部过渡圆角等工艺，使半轴的静强度和疲劳强度大为提高，尤其是疲劳强度提高得十分显著。

由于这些先进工艺的采用，不用合金钢而采用中碳(40号、45号)钢的半轴也日益增多。

参考文献
（1）编辑委员会.汽车工程手册.北京：人民交通出版社，2001. （2）王望予主编. 汽车设计 .北京：机械工业出版社，2004. （3）成大先主编. 机械设计手册 .北京:化学工业出版社,2002. （4）陈家瑞. 汽车构造[M]. 北京：机械工业出版社，2003. （5）刘惟信编著.汽车车桥设计.北京：清华大学出版社，2004.
致谢
在设计过程中，王老师时刻关注我们设计进度，及时帮我们克服所遇到的困难。

在老师的教导下使我们知道了不管是在以后的工作还是学习中，都要保持治学严谨的态度，这点是我终生难忘的，并将永远激励我奋发向上。

值此课程设计完成之际，谨向我的指导老师表示衷心的感谢，并致以崇高的敬意，并且也感谢学校的领导和在设计中给予了我许多帮助及意见的同学们！谢谢大家！
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