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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
基于有限元中型貨車半軸
與橋殼的設(shè)計(jì)
系部名稱： 汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)班級(jí)： 車輛工程B07-4班
學(xué)生姓名： 劉元鑫
指導(dǎo)教師： 王永梅
職 稱： 講 師
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一一年六月
The Graduation Design For Bachelor's Degree
Medium Goods Vehicle Axle Based on Finite Element Design and Axle Housing
Candidate：Liuyuanxin
Specialty： Vehicle Engineering
Class： B07-4
Supervisor：Lecturer. Wang Yongmei
Heilongjiang Institute of Technology
2011-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
中型貨車在汽車行業(yè)中應(yīng)用較廣泛，而半軸與橋殼是中型貨車重要的承載件和傳力件。驅(qū)動(dòng)橋殼支承汽車重量，并將載荷傳給車輪。其設(shè)計(jì)的成功與否決定著車輛的動(dòng)力性、平順性、經(jīng)濟(jì)性等多方面的設(shè)計(jì)要求。因此，驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的動(dòng)態(tài)特性，合理地設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋殼也是提高汽車平順性的重要措施。
本文以有限元靜態(tài)分析理論為基礎(chǔ)，將CAD軟件Pro/E和ANSYS結(jié)合運(yùn)用主要完成了以下設(shè)計(jì)內(nèi)容：
（1） 驅(qū)動(dòng)橋的總體方案確定和半軸的設(shè)計(jì)校核；
（2） 驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)和多工況校核；
（3） 橋殼模型的簡化和Pro/E建模；
（4） 運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)橋殼進(jìn)行多工況分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。
將CAD軟件Pro/E和ANSYS結(jié)合運(yùn)用，完成了從驅(qū)動(dòng)橋殼和半軸三維建模到有限元分析的整個(gè)過程，并對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的校核。
關(guān)鍵詞： ANSYS；驅(qū)動(dòng)橋殼；半軸；靜力分析；強(qiáng)度；剛度
ABSTRACT
Medium goods vehicle applications in the automotive industry more widely, and axle and the axle housing is an important medium goods vehicle parts and force the bearing parts. Vehicle weight bearing axle, and wheel loads pass.
朗讀
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字典
Designed to determine the success of vehicle dynamics, ride comfort, economy and other aspects of the design requirements. Therefore, the drive axle housing should have sufficient strength, stiffness and good dynamic characteristics, the rational design of drive axle to improve vehicle ride comfort is also an important measure. In this paper, the finite element static analysis based on the theory, ANSYS and the CAD software Pro/E combined use of the design was completed for the following elements:
(1) the overall scheme for the drive axle and axle design verification;
(2) drive axle design and multi-condition check;
(3) shell model bridge model simplification and Pro/E;
(4) the use of ANSYS software, multi-axle condition analysis, verify the design is reasonable.
Pro/E CAD software and ANSYS will be combined with the use of complete three-dimensional modeling from the drive axle to the finite element analysis of the entire process, and gain checking the strength and stiffness.
Key words: ANSYS; Drive axle housing; Static analysis; Strength; Stiffness
59
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1選題背景目的及意義 …1
1.2國內(nèi)外研究狀況 .1
1.3設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和擬解決的問題 3
第2章 驅(qū)動(dòng)橋的總體方案確定 4
2.1設(shè)計(jì)車型主要參數(shù) 4
2.2驅(qū)動(dòng)橋形式的確定 6
2.3半軸形式的確定 7
2.4驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)要求 8
2.5本章小結(jié) 9
第3章 驅(qū)動(dòng)半軸的設(shè)計(jì) 10
3.1全浮式半軸計(jì)算載荷的確定 10
3.2全浮式半軸的桿部直徑的初選 11
3.3全浮式半軸的強(qiáng)度計(jì)算 .11
3.4半軸花鍵的強(qiáng)度計(jì)算 12
3.5半軸材料與熱處理 13
3.6本章小結(jié)………….……………………………………………………………….14
第4章 驅(qū)動(dòng)橋殼的設(shè)計(jì)………………………………………………………………….14
4.1鑄造整體式橋殼的結(jié)構(gòu)…………………………………..……………...……….14
4.2橋殼的受力分析與強(qiáng)度計(jì)算……………………………………………………..15
4.2.1橋殼的靜彎曲應(yīng)力計(jì)算……………………………………………..….....15
4.2.2在不平路面沖擊載荷作用下的橋殼強(qiáng)度計(jì)算…………..………….........17
4.2.3汽車以最大牽引力行駛時(shí)的橋殼強(qiáng)度計(jì)算…………………….……......18
4.2.4汽車緊急制動(dòng)時(shí)的橋殼強(qiáng)度計(jì)算…………………………………….......19
4.2.5汽車受最大側(cè)向力時(shí)橋殼的強(qiáng)度計(jì)算……………………………..….…22
4.3本章小結(jié)…………………………………………………………………………..23
第5章 驅(qū)動(dòng)橋殼幾何模型的建立……………………………………………………….24
5.1 Pro/E的簡介………………………………………………………………………24
5.2幾何模型的簡化…………………………………………………………………..24
5.3驅(qū)動(dòng)橋橋殼幾何模型的建立……………………………………………………..25
5.4本章小結(jié)…………………………………………………………………………..27
第6章 驅(qū)動(dòng)橋殼的有限元分析…………………………………………………………..28
6.1驅(qū)動(dòng)橋殼的靜力分析……………………………………………………………..28
6.1.1驅(qū)動(dòng)橋橋殼靜力分析的典型工況…………………………………………28
6.1.2載荷與約束的處理…………………………………………………………30
6.2各工況的ANSYS分析過程詳述…………………………………………………31
6.3各個(gè)工況的ANSYS分析結(jié)果 ..36
6.4驅(qū)動(dòng)橋殼的模態(tài)分析……......................................................................................38
6.5驅(qū)動(dòng)橋ANSYS分析過程詳述…….......................................................................38
6.6驅(qū)動(dòng)橋ANSYS分析結(jié)果…...................................................................................40
6.7本章小結(jié)……...........................................................................................................43
結(jié)論……........................................................................................................................44
參考文獻(xiàn)……................................................................................................................45
致謝……........................................................................................................................46
附錄…………………………………………………………………………....……....47
第1章 緒 論
1.1 選題背景目的及意義
驅(qū)動(dòng)橋殼是汽車上重要的承載件和傳力件。驅(qū)動(dòng)橋殼支承汽車重量, 并將載荷傳給車輪。作用在驅(qū)動(dòng)車輪上的牽引力、制動(dòng)力、側(cè)向力、垂向力也是經(jīng)過橋殼傳到懸掛及車架或車廂上。因此, 驅(qū)動(dòng)橋殼的使用壽命直接影響汽車的有效使用壽命。合理地設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋殼, 使其具有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的動(dòng)態(tài)特性, 減少橋殼的質(zhì)量, 有利于降低動(dòng)載荷, 提高汽車行駛的平順性和舒適性。驅(qū)動(dòng)橋殼的常規(guī)設(shè)計(jì)方法是將橋殼看成一個(gè)簡支梁并校核幾種典型計(jì)算工況下某些特定斷面的最大應(yīng)力值, 然后考慮一個(gè)安全系數(shù)來確定工作應(yīng)力, 這種設(shè)計(jì)方法有很多局限性。因此近年來, 許多研究人員利用有限元方法對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行了計(jì)算和分析。并利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)某型貨車上使用的整體式驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)。
1.2國內(nèi)外研究狀況
汽車驅(qū)動(dòng)橋殼既是承載零件, 也是傳力部件, 同時(shí)又是主減速器、差速器及驅(qū)動(dòng)車輪傳動(dòng)裝置( 如半軸)的外殼。在汽車行駛過程中, 橋殼承受繁重的載荷, 設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮在動(dòng)載荷下橋殼有足夠的強(qiáng)度和剛度。為了減小汽車的簧下質(zhì)量, 以利于降低動(dòng)載荷、提高汽車的行駛平順性, 在保證強(qiáng)度和剛度的前提下應(yīng)力求減小橋殼的質(zhì)量。橋殼還應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便, 以利于降低成本。
過去我國主要是通過對(duì)橋殼樣品進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)和整車行駛試驗(yàn)考核橋殼強(qiáng)度和剛度。有時(shí)還采用在橋殼上貼應(yīng)變片的電測(cè)方法，讓汽車在典型路段上滿載行駛，以測(cè)定橋殼的應(yīng)力。這些方法只有在有橋殼樣品的情況下才能使用，而且需要付出相當(dāng)大的人力、物力和時(shí)間。
日本五十鈴公司曾采用略去橋殼后蓋，將橋殼中部安裝主減速器處的凸包簡化成規(guī)則的環(huán)形的簡化方法，用彈性力學(xué)進(jìn)行應(yīng)力和變形的計(jì)算。彈性力學(xué)計(jì)算方法本身雖精確，但由于對(duì)橋殼的幾何形狀作了較多的簡化，使計(jì)算結(jié)果受到很大的限制。
通常情況下，設(shè)計(jì)橋殼時(shí)多采用常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，將橋殼看成是一簡支梁，校核某些特定斷面的最大應(yīng)力值。例如，日本有的公司對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的設(shè)計(jì)要求是在2.5 倍滿載軸荷的作用下，彈簧座處、橋殼與半軸套管焊接處、輪轂內(nèi)軸承根部圓角處各斷面的應(yīng)力不應(yīng)超過屈服極限。我國通常推薦將橋殼復(fù)雜的受力狀況簡化為四種典型的計(jì)算工況：
（1）汽車滿載以較高車速在不平路面行駛受到?jīng)_擊載荷和受最大的垂直載荷工
況；
（1）汽車滿載以較高車速在不平路面行駛受到?jīng)_擊載荷和受最大的垂直載荷工況；
（2）汽車滿載傳遞最大牽引力工況；
（3）汽車緊急制動(dòng)承受最大制動(dòng)力工況；
（4）汽車最大側(cè)向力工況。
在這四種典型工況下，只要橋殼的強(qiáng)度得到保證，就認(rèn)為該橋殼在汽車的各種行駛條件下是可靠的。
傳統(tǒng)的橋殼強(qiáng)度的計(jì)算方法，只能近似計(jì)算出橋殼某一斷面的應(yīng)力平均值，不能完全反映橋殼上應(yīng)力及其分布的真實(shí)情況。因此，這種方法僅用于對(duì)橋殼強(qiáng)度的驗(yàn)算，或用來與其它車型的橋殼強(qiáng)度進(jìn)行比較，而不能用于計(jì)算橋殼上某點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)力值。
有限單元法是近三四十年隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來的用于各種結(jié)構(gòu)分析的數(shù)值計(jì)算方法，在一定的前提條件下，它可以計(jì)算各種機(jī)械零件的幾乎所有幾何部位的應(yīng)力和應(yīng)變。由于有限元法能夠很好地模擬零部件的實(shí)際形狀、結(jié)構(gòu)、受力和約束，因此，其計(jì)算結(jié)果更精確，也更接近實(shí)際，可以作為設(shè)計(jì)、改進(jìn)零部件的依據(jù)。同時(shí)，可以利用有限元分析的結(jié)果進(jìn)行多方案的比較，有利于設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和產(chǎn)品的改進(jìn)。有限元法解決了過去對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)作精確計(jì)算的困難，改變了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，有限元軟件已經(jīng)成為一個(gè)廣為接受的工程分析工具。
目前國外有限元方法在汽車分析中得到了廣泛的使用，有限元分析除了汽車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度計(jì)算外，還在車身的結(jié)構(gòu)的摸態(tài)分析、操縱穩(wěn)定性分析、整車振動(dòng)分析、傳熱分析（如汽缸、汽缸蓋在氣室燃燒時(shí)的溫度分布）、空氣動(dòng)力學(xué)分析等各方面發(fā)揮著重要的作用。在國外，二十世紀(jì)七十年代前后，有限元方法逐漸在汽車橋殼的強(qiáng)度分析中得到應(yīng)用。例如，美國的機(jī)械研究所、萬國汽車公司等，都曾經(jīng)使用有限元法計(jì)算過橋殼的強(qiáng)度。
我國工程使用有限元分析方法起步較晚，但是發(fā)展較快,特別是近十年來,有限元分析方法在工程中特別是在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也變得越來越廣泛，也取得了一些成果。如東南大學(xué)的羊扮，孫慶鴻等應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)影響驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度和剛度的因素進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的橋殼本體厚度由8mm降至7mm，質(zhì)量減輕了4.2千克。
東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心的唐述斌，谷莉按經(jīng)驗(yàn)對(duì)EQ1090E汽車的后橋橋殼厚度進(jìn)行減薄，然后通過計(jì)算和試驗(yàn)進(jìn)行校核，取得了減重8Kg的效果。
從國內(nèi)的研究現(xiàn)狀可以看到，國內(nèi)對(duì)橋殼的有限元分析雖然做了很多工作，但是與國外的研究相比有較大的差距，主要表現(xiàn)在多是按照經(jīng)驗(yàn)修改主要部件的尺寸參數(shù)，往往只校核在靜態(tài)工況下的強(qiáng)度和剛度；在橋殼的設(shè)計(jì)過程中使用有限元分析軟件指導(dǎo)設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍較小，往往只是幾個(gè)大的集團(tuán)公司采用了這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，大部分中小企業(yè)還未能將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過程中。
1.3 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和擬解決的問題
1、設(shè)計(jì)內(nèi)容
依據(jù)主要技術(shù)指標(biāo)確定半軸與橋殼的類型，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并計(jì)算相應(yīng)參數(shù)尺寸，對(duì)主要結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行校合，有限元技術(shù)在ANSYS中對(duì)半軸與橋殼進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)其應(yīng)力分布和變形分布狀況進(jìn)行研究，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。
2、擬解決問題
（1）半軸的設(shè)計(jì)
1）半軸計(jì)算載荷的確定
2）半軸的桿部直徑的初選
3）半軸的強(qiáng)度計(jì)算
4）半軸花鍵的強(qiáng)度計(jì)算
（2） 橋殼的設(shè)計(jì)
1）橋殼的受力分析
2）橋殼的靜彎曲應(yīng)力計(jì)算
3）各種工況下橋殼強(qiáng)度的校核
（3） ANSYS軟件分析驗(yàn)證
（4） 利用CAD軟件繪制半軸與橋殼圖紙。
第2章 驅(qū)動(dòng)橋的總體方案確定
本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)中型載貨車的驅(qū)動(dòng)橋橋殼和半軸，要設(shè)計(jì)這樣一個(gè)級(jí)別的驅(qū)動(dòng)橋，一般選用非斷開式結(jié)構(gòu)以與非獨(dú)立懸架相適應(yīng)，該種形式的驅(qū)動(dòng)橋的橋殼是一根支撐在左右驅(qū)動(dòng)車輪的剛性空心梁，一般是鑄造或鋼板沖壓而成，主減速器，差速器和半軸等所有傳動(dòng)件都裝在其中，車型的選擇和總體方案的確定與設(shè)計(jì)的成敗息息相關(guān)。
2.1設(shè)計(jì)車型主要參數(shù)
圖2.1 J5k 4x2平頭柴油載貨汽車
圖2.2車輛外形尺寸圖
表2.1車型號(hào)：CA1103PgK2L2E
質(zhì)量參數(shù)（kg）
載質(zhì)量
4870
整備質(zhì)量
4830
滿載總質(zhì)量
9895
軸荷空載
前軸
2090
后橋
2740
軸荷滿載
前軸
2500
后橋
7395
性能參數(shù)
最高車速（km/h）
99
最大爬坡度（%）
25
六工況燃油消耗量（L /100km）
≤16
等速油耗（L/100km）80km/h
≤16
加速行駛車外最大噪聲dB（A）
≤83
最小轉(zhuǎn)彎半徑（m）
17
制動(dòng)距離（滿載、車速60km/h）
≤36.7m
駐車停放坡度(滿載、正反兩方向)
≥18%
續(xù)行駛里程(km)
780
最高檔經(jīng)濟(jì)車速（km/h ）
47～81
尺寸參數(shù)（mm）
外廓尺寸
長
7840
寬
2476
高
2750
該車的發(fā)動(dòng)機(jī)為型號(hào)CA4DF3-13E3U， 額定功率為 101KW/2500，最大扭矩為 450/1400。變速器型號(hào)為一汽解放CA6T123，各檔速比為 6.515； 3.916； 2.345； 1.425； 1.000； 0.813； 6.060。驅(qū)動(dòng)橋型號(hào)為一汽解放9噸級(jí)單級(jí)減速器，全浮式半軸直齒錐齒輪式差速器，主減速比i=5.430。車輪型號(hào)為8.25R20 ，輪胎的滾動(dòng)半徑為0.462m，輪距1800mm,鋼板彈簧中心距1035mm。
2.2 驅(qū)動(dòng)橋形式的確定
由于要求設(shè)計(jì)的是9噸級(jí)的后驅(qū)動(dòng)橋，要設(shè)計(jì)這樣一個(gè)級(jí)別的驅(qū)動(dòng)橋，一般選用非斷開式結(jié)構(gòu)以與非獨(dú)立懸架相適應(yīng)，該種形式的驅(qū)動(dòng)橋的橋殼是一根支撐在左右驅(qū)動(dòng)車輪的剛性空心梁，一般是鑄造或鋼板沖壓而成，主減速器，差速器和半軸等所有傳動(dòng)件都裝在其中，此時(shí)驅(qū)動(dòng)橋，驅(qū)動(dòng)車輪都屬于簧下質(zhì)量。
驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)形式有多種，基本形式有三種如下：
（1）中央單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋。此是驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)中最為簡單的一種，是驅(qū)動(dòng)橋的基本形式， 在載重汽車中占主導(dǎo)地位。一般在主傳動(dòng)比小于6的情況下，應(yīng)盡量采用中央單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋。目前的中央單級(jí)減速器趨于采用雙曲線螺旋傘齒輪，主動(dòng)小齒輪采用騎馬式支承， 有差速鎖裝置供選用。
（2）中央雙級(jí)驅(qū)動(dòng)橋。在國內(nèi)目前的市場(chǎng)上，中央雙級(jí)驅(qū)動(dòng)橋主要有2種類型：一類如伊頓系列產(chǎn)品，事先就在單級(jí)減速器中預(yù)留好空間，當(dāng)要求增大牽引力與速比時(shí)，可裝入圓柱行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，將原中央單級(jí)改成中央雙級(jí)驅(qū)動(dòng)橋，這種改制“三化”（即系列化，通用化，標(biāo)準(zhǔn)化）程度高， 橋殼、主減速器等均可通用，錐齒輪直徑不變；另一類如洛克威爾系列產(chǎn)品，當(dāng)要增大牽引力與速比時(shí)，需要改制第一級(jí)傘齒輪后，再裝入第二級(jí)圓柱直齒輪或斜齒輪，變成要求的中央雙級(jí)驅(qū)動(dòng)橋，這時(shí)橋殼可通用，主減速器不通用， 錐齒輪有2個(gè)規(guī)格。
由于上述中央雙級(jí)減速橋均是在中央單級(jí)橋的速比超出一定數(shù)值或牽引總質(zhì)量較大時(shí)，作為系列產(chǎn)品而派生出來的一種型號(hào)，它們很難變型為前驅(qū)動(dòng)橋，使用受到一定限制；因此，綜合來說，雙級(jí)減速橋一般均不作為一種基本型驅(qū)動(dòng)橋來發(fā)展，而是作為某一特殊考慮而派生出來的驅(qū)動(dòng)橋存在。
（3）中央單級(jí)、輪邊減速驅(qū)動(dòng)橋。輪邊減速驅(qū)動(dòng)橋較為廣泛地用于油田、建筑工地、礦山等非公路車與軍用車上。當(dāng)前輪邊減速橋可分為2類：一類為圓錐行星齒輪式輪邊減速橋；另一類為圓柱行星齒輪式輪邊減速驅(qū)動(dòng)橋。
1）圓錐行星齒輪式輪邊減速橋。由圓錐行星齒輪式傳動(dòng)構(gòu)成的輪邊減速器，輪邊減速比為固定值2，它一般均與中央單級(jí)橋組成為一系列。在該系列中，中央單級(jí)橋仍具有獨(dú)立性，可單獨(dú)使用，需要增大橋的輸出轉(zhuǎn)矩，使?fàn)恳υ龃蠡蛩俦仍龃髸r(shí)，可不改變中央主減速器而在兩軸端加上圓錐行星齒輪式減速器即可變成雙級(jí)橋。這類橋與中央雙級(jí)減速橋的區(qū)別在于：降低半軸傳遞的轉(zhuǎn)矩，把增大的轉(zhuǎn)矩直接增加到兩軸端的輪邊減速器上 ，其“三化”程度較高。但這類橋因輪邊減速比為固定值2，因此，中央主減速器的尺寸仍較大，一般用于公路、非公路軍用車。
2)圓柱行星齒輪式輪邊減速橋。單排、齒圈固定式圓柱行星齒輪減速橋，一般減速比在3至4.2之間。由于輪邊減速比大，因此，中央主減速器的速比一般均小于3，這樣大錐齒輪就可取較小的直徑，以保證重型汽車對(duì)離地問隙的要求。這類橋比單級(jí)減速器的質(zhì)量大，價(jià)格也要貴些，而且輪穀內(nèi)具有齒輪傳動(dòng)，長時(shí)間在公路上行駛會(huì)產(chǎn)生大量的熱量而引起過熱；因此，作為公路車用驅(qū)動(dòng)橋，它不如中央單級(jí)減速橋。
綜上所述，由于設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)比為5.430，小于6。況且由于隨著我國公路條件的改善和物流業(yè)對(duì)車輛性能要求的變化，中型汽車驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)已呈現(xiàn)出向單級(jí)化發(fā)展的趨勢(shì)，主要是單級(jí)驅(qū)動(dòng)橋還有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：
（1）單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋是驅(qū)動(dòng)橋中結(jié)構(gòu)最簡單的一種，制造工藝簡單，成本較低， 是驅(qū)動(dòng)橋的基本類型，在重型汽車上占有重要地位；
（2）重型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)向低速大轉(zhuǎn)矩發(fā)展的趨勢(shì)，使得驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)比向小速比發(fā)展；
（3）隨著公路狀況的改善，特別是高速公路的迅猛發(fā)展，重型汽車使用條件對(duì)汽車通過性的要求降低。因此，重型汽車不必像過去一樣，采用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)提高通過性；
（4）與帶輪邊減速器的驅(qū)動(dòng)橋相比，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化，單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋機(jī)械傳動(dòng)效率提高，易損件減少，可靠性提高。
單級(jí)橋產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)為單級(jí)橋的發(fā)展拓展了廣闊的前景。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度看， 重型車產(chǎn)品在主減速比小于6的情況下，應(yīng)盡量選用單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋。[2]
所以此設(shè)計(jì)采用單級(jí)驅(qū)動(dòng)橋再配以鑄造整體式橋殼。
2.3 半軸形式的確定
驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)裝置置位于汽車傳動(dòng)系的末端，其功用是將轉(zhuǎn)矩由差速器半軸齒輪傳給驅(qū)動(dòng)車輪。其結(jié)夠型式與驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)型式密切相關(guān)，在斷開式驅(qū)動(dòng)橋和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋中，驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)裝置包括半軸和萬向接傳動(dòng)裝置且多采用等速萬向節(jié)。在一般非斷開式驅(qū)動(dòng)橋上，驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)裝置就是半軸，這時(shí)半軸將差速器半鈾齒輪與輪轂連接起來。在裝有輪邊減速器的驅(qū)動(dòng)橋上，半軸將半軸齒輪與輪邊減速器的主動(dòng)齒輪連接起來。如圖2.3所示，根據(jù)半軸外端支撐形式分為半浮式，3/4浮式，全浮式。
（a）半浮式 （b）3/4浮式 （c）全浮式
圖2.3 半軸支撐形式
半浮式半軸以其靠近外端的軸頸直接支撐在置于橋殼外端內(nèi)孔中的軸承上，而端部則以具有圓錐面的軸頸及鍵與輪轂相固定。具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、尺寸緊湊、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。主要用于質(zhì)量較小，使用條件好，承載負(fù)荷也不大的轎車和輕型載貨汽車。
3/4浮式半軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是半軸外端僅有一個(gè)軸承并裝在驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管的端部，直接支撐著輪轂，而半軸則以其端部與輪轂想固定，因其側(cè)向力引起彎矩使軸承有歪斜的趨勢(shì)，這將急劇降低軸承的壽命，所以未得到推廣。
全浮式半軸的外端和以兩個(gè)軸承支撐于橋殼的半軸套管上的輪轂相聯(lián)接，由于其工作可靠，廣泛應(yīng)用于輕型及以上的各類汽車上。[1]
根據(jù)相關(guān)車型及設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)采用全浮式半軸。
以上2.2和2.3相關(guān)圖形和資料來自于《汽車車橋設(shè)計(jì)》
2.4 驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)要求
1、選擇適當(dāng)?shù)闹鳒p速比，以保證汽車在給定的條件下具有最佳的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。
2、外廓尺寸小，保證汽車具有足夠的離地間隙，以滿足通過性的要求。
3、齒輪及其他傳動(dòng)件工作平穩(wěn)，噪聲小。
4、在各種載荷和轉(zhuǎn)速工況下有較高的傳動(dòng)效率。
5、具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受和傳遞作用于路面和車架或車身間的各種力和
力矩；在此條件下，盡可能降低質(zhì)量，尤其是簧下質(zhì)量，減少不平路面的沖擊載荷，提高汽車的平順性。
6、與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。
7、結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝性好，制造容易，維修，調(diào)整方便。
2.5本章小結(jié)
本章首先對(duì)各種驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)形式做了簡單的介紹，綜合考慮，此設(shè)計(jì)采用單級(jí)驅(qū)動(dòng)橋再配以鑄造整體式橋殼。之后又對(duì)半軸的各種支撐形式做了對(duì)比分析，根據(jù)相關(guān)車型及設(shè)計(jì)要求，決定本設(shè)計(jì)采用全浮式半軸。最后對(duì)選擇車型的各項(xiàng)參數(shù)作了簡要列舉。
第3章 驅(qū)動(dòng)半軸的設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)裝置位于汽車傳動(dòng)系的末端，其功用是將轉(zhuǎn)矩由差速器的半軸齒輪傳給驅(qū)動(dòng)車輪。在一般的非斷開式驅(qū)動(dòng)橋上，驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)裝置就是半軸，半軸將差速器的半軸齒輪與車輪的輪轂聯(lián)接起來，半軸的形式主要取決半軸的支承形式：普通非斷開式驅(qū)動(dòng)橋的半軸，根據(jù)其外端支承的形式或受力狀況不同可分為半浮式，3/4浮式和全浮式，在此由于是中型載貨汽車，采用全浮式結(jié)構(gòu)。[2]
設(shè)計(jì)半軸的主要尺寸是其直徑，在設(shè)計(jì)時(shí)首先可根據(jù)對(duì)使用條件和載荷工況相同或相近的同類汽車同形式半軸的分析比較，大致選定從整個(gè)驅(qū)動(dòng)橋的布局來看比較合適的半軸半徑，然后對(duì)它進(jìn)行強(qiáng)度校核。
3.1 全浮式半軸計(jì)算載荷的確定
計(jì)算時(shí)首先應(yīng)合理地確定作用在半軸上的載荷，應(yīng)考慮到以下三種可能的載荷工況：
1.縱向力（驅(qū)動(dòng)力或制動(dòng)力）最大時(shí)，其最大值為，附著系數(shù)在計(jì)算時(shí)取0.8，沒有側(cè)向力作用；
2.側(cè)向力最大時(shí)，其最大值為（發(fā)生于汽車側(cè)滑時(shí)），側(cè)滑時(shí)輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)在計(jì)算時(shí)取1.0，沒有縱向力作用；
3.垂向力最大時(shí)（發(fā)生在汽車以可能的高速通過不平路面時(shí)），其值為，車輪對(duì)地面的垂直載荷，為動(dòng)載荷系數(shù)，這時(shí)不考慮縱向力和側(cè)向力的作用。
由于車輪承受的縱向力，側(cè)向力值的大小受車輪與地面最大附著力的限制，即有 （3.1）
全浮式半軸只承受轉(zhuǎn)矩，其計(jì)算轉(zhuǎn)矩可有求得，其中，的計(jì)算，可根據(jù)以下方法計(jì)算，并取兩者中的較小者。
若按最大附著力計(jì)算，即
（3.2）
式中： ——輪胎與地面的附著系數(shù)取0.8；
——汽車滿載時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給水平地面的最大負(fù)荷，N；但后橋來說還應(yīng)考慮到汽車加速時(shí)負(fù)腷增大量，可初取：
=×9.8=7395×9.8=72471N；
——汽車加速或減速時(shí)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，可取1.2～1.4在此取1.3；
——左側(cè)半軸所受縱向力；
——右側(cè)半軸所受縱向力。
根據(jù)上式=37685 N
若按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算，即
（3.3）
式中：——差速器的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)，對(duì)于普通圓錐行星齒輪差速器取0.6；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，450N·m；
——汽車傳動(dòng)效率，計(jì)算時(shí)可取1或取0.9；
——由發(fā)動(dòng)機(jī)到所計(jì)算的主減速器從動(dòng)齒輪之間的傳動(dòng)系最低檔傳動(dòng)比
==5.43×6.515=35.37645
變速器傳動(dòng)比=6.515；
——輪胎的滾動(dòng)半徑，0.462m。
根據(jù)上式=18607.1 N
在此18607.1N =18607.10.462=8596.5N·m
3.2 全浮式半軸的桿部直徑的初選
全浮式半軸桿部直徑的初選可按下式進(jìn)行
（3.4）
式中：——半軸桿部的直徑，mm。
根據(jù)上式=（42.03～44.69）mm
根據(jù)強(qiáng)度要求在此取45.0mm。
3.3 全浮式半軸的強(qiáng)度計(jì)算
首先是驗(yàn)算其扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：
MPa （3.5）
式中：——半軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N·m在此取8596.5N·m；
根據(jù)上式＝＝481 MPa< =(490～588) MPa
——半軸的扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力，取=490~588MPa。
所以滿足強(qiáng)度要求。
半軸的最大扭轉(zhuǎn)角為
（3.6）
式中：T——半軸承受的最大轉(zhuǎn)矩，8596.5；
——半軸長度800mm；
G——材料的剪切彈性模量8.4×10N/mm；
J——半軸橫截面的極慣性矩，=402373.8mm。
經(jīng)計(jì)算最大扭轉(zhuǎn)角=11.7°，扭轉(zhuǎn)角宜選為6°~15°滿足條件。
3.4 半軸花鍵的強(qiáng)度計(jì)算
為了使半軸的花鍵內(nèi)徑不小于其桿部直徑，常常將加工花鍵的端部做得粗些，并適當(dāng)?shù)販p小花鍵槽的深度，在現(xiàn)代汽車半軸上，漸開線花鍵用得較廣，但也有采用矩形或梯形花鍵的。本次設(shè)計(jì)采用帶有凸緣的全浮式半軸，采用漸開線花鍵。
根據(jù)桿部直徑為45mm，選擇的漸開線的花鍵具體參數(shù)為：花鍵齒數(shù)為19，模數(shù)2.5，分度圓直徑47.5mm分度圓上壓力角為30°。
在計(jì)算半軸在承受最大轉(zhuǎn)矩時(shí)還應(yīng)該校核其花鍵的剪切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力。
半軸花鍵的剪切應(yīng)力為
MPa (3.7)
半軸花鍵的擠壓應(yīng)力為
MPa （3.8）
式中：——半軸承受的最大轉(zhuǎn)矩，N·m ，在此取8596.5N·m;
——半軸花鍵的外徑，mm，在此取50mm;
——相配花鍵孔內(nèi)徑，mm，在此取45mm;
——花鍵齒數(shù)；在此取19
——花鍵工作長度，95mm，
——花鍵齒寬，mm，=3.925mm;
——載荷分布的不均勻系數(shù)，計(jì)算時(shí)取0.75。
根據(jù)上式可計(jì)算得==68.12 MPa
==106.96 MPa
根據(jù)要求當(dāng)傳遞的轉(zhuǎn)矩最大時(shí)，半軸花鍵的切應(yīng)力[]不應(yīng)超過71.05 MPa，擠壓應(yīng)力[]不應(yīng)超過196 MPa，以上計(jì)算均滿足要求。
以上有關(guān)花鍵內(nèi)容查《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》 北京 機(jī)械工業(yè)出版社；789頁
3.5半軸材料與熱處理
半軸多采用含鉻的中碳合金鋼制造，如40Cr，40CrMnMo，40CrMnSi，40CrMoA，35CrMnSi，35CrMnTi等。40MnB是我國研制出的新鋼種，作為半軸材料效果很好。半軸的熱處理過去都采用調(diào)質(zhì)處理的方法，調(diào)質(zhì)后要求桿部硬度為HB388—444(突緣部分可降至HB248)。近年來采用高頻、中頻感應(yīng)淬火的口益增多。這種處理方法使半軸表面淬硬達(dá)HRC52～63，硬化層深約為其半徑的1／3，心部硬度可定為HRC30—35；花鍵部分表面硬度50～55HRC；不淬火區(qū)(突緣等)的硬度可定在HB248～277范圍內(nèi)。由于硬化層本身的強(qiáng)度較高，加之在半軸表面形成大的殘余壓應(yīng)力，以及采用噴丸處理、滾壓半軸突緣根部過渡圓角等工藝，使半軸的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度大為提高，尤其是疲勞強(qiáng)度提高得十分顯著。由于這些先進(jìn)工藝的采用，不用合金鋼而采用中碳(40號(hào)、45號(hào))鋼的半軸也日益增多。[2]
本次設(shè)計(jì)考慮到半軸對(duì)傳動(dòng)系需要有一定的保護(hù)作用，故采用45號(hào)鋼作為半軸的材料進(jìn)行加工。
3.6 本章小結(jié)
首先本章對(duì)半軸的功用進(jìn)行了說明，并且在縱向力最大時(shí)確定了半軸的計(jì)算載荷。對(duì)半軸進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了半軸的各部分尺寸，并進(jìn)行了校核。最后對(duì)材料和熱處理做了說明。
第4章 驅(qū)動(dòng)橋殼的設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)橋殼的主要功用是支承汽車質(zhì)量，并承受有車輪傳來的路面反力和反力矩，并經(jīng)懸架傳給車身，它同時(shí)又是主減速器，差速器和半軸的裝配體。驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)滿足如下設(shè)計(jì)要求：
1.應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證主減速器齒輪嚙合正常，并不使半軸產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力；
2. 在保證強(qiáng)度和剛度的情況下，盡量減小質(zhì)量以提高行駛的平順性；
3. 保證足夠的離地間隙；
4.結(jié)構(gòu)工藝性好，成本低；
5. 保護(hù)裝于其中的傳動(dòng)系統(tǒng)部件和防止泥水浸入；
6.拆裝，調(diào)整，維修方便。
考慮的設(shè)計(jì)的是載貨汽車，驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)形式采用鑄造整體式橋殼。
4.1 鑄造整體式橋殼的結(jié)構(gòu)
通?？刹捎们蚰T鐵、可鍛鑄鐵或鑄鋼鑄造。在球鐵中加入1.7%的鎳，解決了球鐵低溫（-41°C）沖擊值急劇降低的問題，得到了與常溫相同的沖擊值。為了進(jìn)一步提高其強(qiáng)度和剛度，鑄造整體式橋殼的兩端壓入較長的無縫鋼管作為半軸套筒，并用銷釘固定。如圖4-1所示，每邊半軸套管與橋殼的壓配表面共四處，由里向外逐漸加大配合面的直徑，以得到較好的壓配效果。鋼板彈簧座與橋殼鑄成一體，故在鋼板彈簧座附近橋殼的截面可根據(jù)強(qiáng)度要求鑄成適當(dāng)?shù)男螤睿ǔ６酁榫匦?。安裝制動(dòng)底板的凸緣與橋殼住在一起。橋殼中部前端的平面及孔用于安裝主減速器及差速器總成，后端平面及孔可裝上后蓋，打開后蓋可作檢視孔用。
另外，由于汽車的輪轂軸承是裝在半軸套管上，其中輪轂內(nèi)軸承與橋殼鑄件的外端面相靠，而外軸承則與擰在半軸套管外端的螺母相抵，故半軸套管有被拉出的傾向，所以必須將橋殼與半軸套管用銷釘固定在一起。
圖4.1 鑄造整體式驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)
鑄造整體式橋殼的主要優(yōu)點(diǎn)在于可制成復(fù)雜而理想的形狀，壁厚能夠變化，可得到理想的應(yīng)力分布，其強(qiáng)度及剛度均較好，工作可靠，故要求橋殼承載負(fù)荷較大的中、重型汽車，適于采用這種結(jié)構(gòu)。尤其是重型汽車，其驅(qū)動(dòng)橋殼承載很重，在此采用球鐵整體式橋殼。
除了優(yōu)點(diǎn)之外，鑄造整體式橋殼還有一些不足之處，主要缺點(diǎn)是質(zhì)量大、加工面多，制造工藝復(fù)雜，且需要相當(dāng)規(guī)模的鑄造設(shè)備，在鑄造時(shí)質(zhì)量不宜控制，也容易出現(xiàn)廢品，故僅用于載荷大的中重型汽車。
4.2 橋殼的受力分析與強(qiáng)度計(jì)算
選定橋殼的結(jié)構(gòu)形式以后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行受力分析，選擇其端面尺寸，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。
汽車驅(qū)動(dòng)橋的橋殼是汽車上的主要承載構(gòu)件之一，其形狀復(fù)雜，而汽車的行駛條件如道路狀況、氣候條件及車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又是千變?nèi)f化的，因此要精確地計(jì)算出汽車行駛時(shí)作用于橋殼各處的應(yīng)力大小是相當(dāng)困難的。在通常的情況下，在設(shè)計(jì)橋殼時(shí)多采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法，這時(shí)將橋殼看成簡支梁并校核某些特定斷面的最大應(yīng)力值。我國通常推薦：計(jì)算時(shí)將橋殼復(fù)雜的受力狀況簡化成四種典型的計(jì)算工況，即當(dāng)車輪承受最大的鉛錘力（當(dāng)汽車滿載并行駛與不平路面，受沖擊載荷）時(shí)；當(dāng)車輪承受最大切應(yīng)力（當(dāng)汽車滿載并以最大牽引力行駛）時(shí)；當(dāng)車輪承受最大切應(yīng)力（當(dāng)汽車滿載緊急制動(dòng)）時(shí)；最大側(cè)向力時(shí)。只要在這四種載荷計(jì)算工況下橋殼的強(qiáng)度特征得到保證，就認(rèn)為該橋殼在汽車各種行駛條件下是可靠的。
在進(jìn)行上述四種載荷工況下橋殼的受力分析之前，應(yīng)先分析一下汽車滿載靜止于水平路面時(shí)橋殼最簡單的受力情況，即進(jìn)行橋殼的靜彎曲應(yīng)力計(jì)算。
4.2.1 橋殼的靜彎曲應(yīng)力計(jì)算
橋殼猶如一空心橫梁，兩端經(jīng)輪轂軸承支承于車輪上，在鋼板彈簧座處橋殼承受汽車的簧上載荷，而左、右輪胎的中心線，地面給輪胎的反力（雙輪胎時(shí)則沿雙胎中心），橋殼則承受此力與車輪重力之差值，即（），計(jì)算簡圖如4.2所示。
圖4.2 橋殼靜彎曲應(yīng)力計(jì)算簡圖
橋殼按靜載荷計(jì)算時(shí)，在其兩鋼板彈簧座之間的彎矩為
N·m (4.1)
式中：——汽車滿載時(shí)靜止于水平路面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷，在此為72471N；
——車輪（包括輪轂、制動(dòng)器等）重力，N；
——驅(qū)動(dòng)車輪輪距，在此為1800mm;
——驅(qū)動(dòng)橋殼上兩鋼板彈簧座中心間的距離，在此為1035mm.
橋殼的危險(xiǎn)斷面通常在鋼板彈簧座附近。通常由于遠(yuǎn)小于，且設(shè)計(jì)時(shí)不易準(zhǔn)確預(yù)計(jì)，當(dāng)無數(shù)據(jù)時(shí)可以忽略不計(jì)所以
=13860.07N·m
而靜彎曲應(yīng)力則為
MPa （4.2）
式中： ——危險(xiǎn)斷面處（鋼板彈簧座附近）橋殼的垂向彎曲截面系數(shù)，具體如下：
關(guān)于橋殼在鋼板彈簧座附近的危險(xiǎn)斷面的形狀，主要由橋殼的結(jié)構(gòu)形式和制造工藝來確定，鋼板沖壓焊接整體式橋殼在彈簧座附近多為圓管端面，[1]
截面圖如圖4.3所示，其中d=90mm，D=126mm
圖4.3 鋼板彈簧座附近橋殼的截面圖
垂向彎曲截面系數(shù):
= =145266.72mm
水平彎曲截面系數(shù):
= =145266.72mm
扭轉(zhuǎn)截面系數(shù):
==290533.44mm
垂向彎曲截面系數(shù), 水平彎曲截面系數(shù), 扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)的計(jì)算參考《材料力學(xué)》。關(guān)于橋殼在鋼板彈簧座附近的危險(xiǎn)斷面的形狀，主要由橋殼的結(jié)構(gòu)形式和制造工藝來確定，從橋殼的使用強(qiáng)度來看，圓形管狀的比矩形管狀（高度方向?yàn)殚L邊）的要好。所以在此采用圓形管狀。[1]
根據(jù)上式橋殼的靜彎曲應(yīng)力=95.4 MPa
4.2.2 在不平路面沖擊載荷作用下的橋殼強(qiáng)度計(jì)算
當(dāng)汽車在不平路面上高速行駛時(shí)，橋殼除承受靜止?fàn)顟B(tài)下那部分載荷外，還承受附加的沖擊載荷。在這兩種載荷總的作用下，橋殼所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力為
MPa （4.3）
式中：——?jiǎng)虞d荷系數(shù)，對(duì)于載貨汽車取2.5；
——橋殼在靜載荷下的彎曲應(yīng)力 ，MPa。
根據(jù)上式 MPa
4.2.3 汽車以最大牽引力行駛時(shí)的橋殼強(qiáng)度計(jì)算
為了使計(jì)算簡化，不考慮側(cè)向力，僅按汽車作直線行駛的情況進(jìn)行計(jì)算，另從安全系數(shù)方面作適當(dāng)考慮。如圖4.4所示為汽車以最大牽引力行駛的受力簡圖。
圖4.4 汽車以最大牽引力行駛的受力簡圖
作用在左右驅(qū)動(dòng)車輪的轉(zhuǎn)矩所引起的地面對(duì)于左右驅(qū)動(dòng)車輪的最大切向反作用力共為
N
——發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩450；
——傳動(dòng)系一檔傳動(dòng)比6.515；
——主減速比5.43；
——傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率0.9；
——輪胎的滾動(dòng)半徑0.462m。
（4.4）
根據(jù)上式可計(jì)算得=31011.8N
由于設(shè)計(jì)時(shí)某些參數(shù)未定而無法計(jì)算出汽車加速行駛時(shí)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)值，而對(duì)于載貨汽車的后驅(qū)動(dòng)橋可在1.1～1.3范圍內(nèi)選取，在此取1.2。
此時(shí)后驅(qū)動(dòng)橋橋殼在左、右鋼板彈簧座之間的垂向彎矩為
N·m (4.5)
根據(jù)上式==16632 N·m
由于驅(qū)動(dòng)車輪所承受的地面對(duì)其作用的最大切向反作用力，使驅(qū)動(dòng)橋殼也承受著水平方向的彎矩，對(duì)于裝有普通圓錐齒輪差速器的驅(qū)動(dòng)橋，由于其左、右驅(qū)動(dòng)車輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩相等，故有
N·m （4.6）
所以根據(jù)上式=5931N·m
圖4.5 汽車緊急制動(dòng)時(shí)后驅(qū)動(dòng)橋的受力簡圖
橋殼還承受因驅(qū)動(dòng)橋傳遞驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩而引起的反作用力矩，這時(shí)在兩鋼板彈簧座間橋殼承受的轉(zhuǎn)矩為
N·m (4.7)
式中：——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，在此為450N·m;
——傳動(dòng)系一檔傳動(dòng)比6.515；
——主減速比5.43；
——傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率，在此取0.9。
根據(jù)上式可計(jì)算得=7163.7 N·m
由于橋殼在鋼板彈簧座附近的危險(xiǎn)斷面處為圓管斷面，所以在該斷面處的合成彎矩為：
=19055 MPa (4.8)
該危險(xiǎn)斷面處的合成應(yīng)力為：
==131 MPa (4.9)
橋殼需用彎曲應(yīng)力為300-500，需用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為150-400。
4.2.4 汽車緊急制動(dòng)時(shí)的橋殼強(qiáng)度計(jì)算
這時(shí)不考慮側(cè)向力，圖4.6為汽車在緊急制動(dòng)時(shí)的受力簡圖。
圖4.6 汽車在緊急制動(dòng)時(shí)的受力簡圖
由于設(shè)計(jì)時(shí)一些參數(shù)是未知的，所以后驅(qū)動(dòng)橋計(jì)算用的汽車緊急制動(dòng)時(shí)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)不可計(jì)算，一般對(duì)于載貨汽車后驅(qū)動(dòng)橋取0.75～0.95。
圖4.7為汽車緊急制動(dòng)時(shí)后驅(qū)動(dòng)橋殼的受力分析簡圖，此時(shí)作用在左右驅(qū)動(dòng)車輪上除了有垂向反作用力外，尚有切向反力，即地面對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)力，因此可求得緊急制動(dòng)時(shí)橋殼在兩鋼板彈簧座之間的垂向彎矩及水平方向的彎矩分別為
（4.10）
= （4.11）
式中： ——汽車制動(dòng)時(shí)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，計(jì)算后驅(qū)動(dòng)橋時(shí)0.8；
——驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)可取0.75～0.80，在此取0.8；
根據(jù)上式可以計(jì)算得=11079.8 N·m
==8863.8 N·m
圖4.7 汽車緊急制動(dòng)時(shí)后驅(qū)動(dòng)橋的受力簡圖
橋殼在兩鋼板彈簧座的外側(cè)部分處同時(shí)還承受制動(dòng)力所引起的轉(zhuǎn)矩，對(duì)于后驅(qū)動(dòng)橋：
N·m （4.12）
根據(jù)上式=10706 N·m
所以可根據(jù)式（4.8），（4.9）計(jì)算出在鋼板彈簧座附近危險(xiǎn)斷面的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分別為
4.2.5 汽車受最大側(cè)向力時(shí)橋殼的強(qiáng)度計(jì)算
當(dāng)汽車滿載、高速急轉(zhuǎn)彎時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一相當(dāng)大的且作用于汽車質(zhì)心處離心力。汽車也會(huì)由于其他原因而承受側(cè)向力。當(dāng)汽車所承受的側(cè)向力達(dá)到地面給輪胎的側(cè)向反作用力的最大值即側(cè)向附著力時(shí)，則汽車處于側(cè)滑的臨界狀態(tài)，此時(shí)沒有縱向力作用。側(cè)向力一旦超過側(cè)向附著力，汽車則側(cè)滑如圖4.8所示。因此汽車驅(qū)動(dòng)橋的側(cè)滑條件是：
（4.13）
式中：——驅(qū)動(dòng)橋所受的側(cè)向力；
——地面給左、右驅(qū)動(dòng)車輪的側(cè)向反作用力；
——汽車滿載靜止于水平面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷72471N；
——輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)取1.0。
由于汽車產(chǎn)生純粹的側(cè)滑，因此計(jì)算時(shí)可以認(rèn)為地面給輪胎的切向反作用力為零。
汽車向右側(cè)滑時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋側(cè)滑時(shí)左、右驅(qū)動(dòng)車輪的支承反力為：
（4.14） （4.15）
式中：——左、右驅(qū)動(dòng)車輪的支承反力，N；
——汽車滿載時(shí)的質(zhì)心高度，0.70m；
——驅(qū)動(dòng)車輪的輪距1.8m。
圖4.8 汽車向右側(cè)滑時(shí)受力簡圖
對(duì)于半軸為全浮式的驅(qū)動(dòng)橋，在橋殼兩端的半軸套管上，各裝著一對(duì)輪轂軸承，它們布置在車輪垂向反作用力的作用線的兩側(cè)，通常比外軸承離車輪中心線更近。側(cè)滑時(shí)內(nèi)、外輪轂軸承對(duì)輪轂的徑向支承力，如圖4.9所示，可根據(jù)一個(gè)車輪的受力平衡求出。
（a）輪轂軸承的受力分析用圖；（b）橋殼的受力分析用圖
圖4.9汽車向右側(cè)滑時(shí)輪轂軸承對(duì)輪轂的徑向支承力S1、S2分析用圖
汽車向右側(cè)滑時(shí)左、右車輪輪轂內(nèi)外軸承的徑向支承力分別為:
（4.16）
（4.17）
（4.18）
（4.19）
式中：——輪胎的滾動(dòng)半徑462mm；
——取a+b=130mm a=b=65mm。
其中地面給左右驅(qū)動(dòng)車輪的側(cè)向反作用力Y2L、Y2R可由下式求得：
（4.20）
（4.21）
輪轂內(nèi)、外軸承支承中心之間的距離愈大，則由側(cè)滑引起的軸承徑向力愈小。另外，足夠大，也會(huì)增加車輪的支承剛度。否則，如果將兩軸承的距離縮至使兩軸承相碰，則車輪的支承剛度會(huì)變差而接近于3/4浮式半軸的情況。當(dāng)然，的數(shù)值過大也會(huì)引起輪轂的寬度及質(zhì)量的加大而造成布置上的困難。在載貨汽車的設(shè)計(jì)中，常取/4。輪轂軸承承受力最大的情況是發(fā)生在汽車側(cè)滑時(shí)，所以輪軸（即半軸套管）也是在汽車滿載側(cè)滑時(shí)承受最大的彎矩及應(yīng)力，如圖4.10所示。半軸套管的危險(xiǎn)斷面位于輪轂內(nèi)軸承的里端處，該處彎矩為：
（4.22）
式中：——為輪轂內(nèi)軸承支承中心至該軸承內(nèi)端支承面間的距離。
圖4.10 汽車向右側(cè)滑時(shí)驅(qū)動(dòng)橋殼所受垂直力及彎矩
彎曲應(yīng)力
（4.23）
剪切應(yīng)力
（4.24）
（4.25）
半軸套管處的應(yīng)力均不超過，滿足使用要求。
經(jīng)過計(jì)算得知各種工況下校核結(jié)果均滿足橋殼的許用彎曲應(yīng)力300~500MPa，許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力150~400 MPa，所以驅(qū)動(dòng)橋殼滿足各種種條件下使用度要求。[2]
4.3 本章小結(jié)
本章選擇了整體驅(qū)動(dòng)橋橋殼，并參考劉惟信版汽車設(shè)計(jì)進(jìn)行了橋殼的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算。在靜彎曲應(yīng)力下，不同路面沖擊載荷作用下和汽車以最大牽引力行駛時(shí)及汽車緊急制動(dòng)時(shí)的四種情況下橋殼受力和強(qiáng)度進(jìn)行了校核，滿足設(shè)計(jì)要求。
第5章 驅(qū)動(dòng)橋橋殼幾何模型的建立
幾何模型的建立是整個(gè)有限元分析工作的第一步，也對(duì)以后的所有工作有著至關(guān)重要的作用，幾何模型的好壞直接決定著有限元模型的優(yōu)劣乃至分析工作的進(jìn)展程度。另外，在保證模型正確及幾何元素相互關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，也要提高建模效率，能簡化的盡量簡化，以達(dá)到事半功倍的效果。
5.1Pro/E的簡介：
1985年，PTC公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經(jīng)過10余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEER proewildfire5.0。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對(duì)大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等。Pro/ENGINEER還提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。
5.2幾何模型的簡化
幾何模型是有限元分析模型的基礎(chǔ)，我們?cè)诳紤]幾何模型的簡化問題時(shí)，既要考慮