可以測試輪胎牽引性能的儀表化驅動橋
[摘要] 儀表化驅動橋被用于農機領域和其性能實現的研究。此裝置用來確定儀表化驅動橋是否具有可行性。這個驅動橋裝配了一套用來測量車輪角速度、后輪扭矩和動態(tài)載荷以及輪胎側向力的傳感器。通過測量作用在原型車上的牽引桿的作用力，來計算每個驅動輪上的實際牽引力、運動阻力和底盤反力的數據。
關鍵詞：測力計；牽引性能；輪胎側向力；垂直載荷；實際牽引力；運動阻力；底盤反力
1. 介紹
多數拖拉機和農用機械，除過輪胎和駕駛員座椅彈簧，沒有用來緩沖或隔離來自不規(guī)則路面的振動的懸掛系統(tǒng)。輪胎其他重要作用包括：提供可操作性和穩(wěn)定性，提供牽引力和制動力以及支承整車質量.在汽車轉彎時， 輪胎側向力增加。同樣，相同的力也可能是由斜坡路面行駛，側向風或者不對稱牽引力作用的結果。
牽引力由作用在車輪上的轉矩提供，而這個轉矩是發(fā)動機產生并經過傳動系傳遞而來。參考圖 1 可知，這被稱為總牽引力（GT）、克服運動阻力
（MR）和牽引力或者實際牽引力（NT）。相反，制動力是通過鎖止車輪和汽車底盤而得到的扭力來提供的。輪胎也承受車輛自重及動態(tài)載荷（WD），包括靜態(tài)和其他任何附加形式的力。隨著輪胎動態(tài)載荷的增加，滑移減少而牽引力增加。有很多來自各種角度識別牽引性能的不同參數，最重要的參數有：行駛減速比（TRR）、實際牽引比（NTR）、牽引效率（TE）、總牽引比
（GTR）和運動阻力比（MRR）。當所有這些參數得出后，牽引力條件可以很好地說明并且參數會得倒優(yōu)化。為了表現這些數據，了解輪胎牽引力、輸
入扭矩、滾動阻力、動態(tài)載荷、車輪角速度和行駛速度是至關重要的。所以，測量作用在輪胎上上的這些力和扭矩對動態(tài)特性的研究，尤其是車輛牽引力的研究是非常有幫助的。
2. 背景
對那些表現動態(tài)特性和牽引性能研究文獻的回顧，可以對理論和實驗 程序有一定指引。通常，理論預測與實驗結果的驗證在實驗室或者試驗場地進行。因此，大多數研究需要測量施加在輪胎上的力和扭矩。當場地測試需要儀表化車輛的時候，一些實驗已經在土壤箱中進行。Fleming 回顧了測量旋轉軸扭矩的不同方法，將其總結成七大類并分析了每一類的規(guī)格、優(yōu)點和缺點。Oida 為了確定了拖拉機的轉向特性，通過依附在驅動橋殼上的四個應變儀，測得了鉸接式拖拉機輪胎的側向力。Shoop 開發(fā)了一種在車輪軸上安裝空間測壓元件的車輛。它已被用于測量輪胎/土壤表面產生的力。 McLaughlin 等人改裝了一個 97Kw 的農用拖拉機，對其裝備了在拖拉機和實現性能領域研究使用的儀器和數據記錄系統(tǒng)。拖拉機裝有一組用來測量燃料消耗量、發(fā)動機、車輪和地面速度，前后軸的扭矩和重量，作用在三點懸掛裝置的各種力傳感器。Itoh 等人提出了測量垂直、縱向和側向力的方法，這種方法可應用在在四輪驅動和四輪轉向農用拖拉機上。他還測量了輪胎的縱向和橫向滑移。為了研究四驅拖拉機牽引性能中動態(tài)負載分配的效果，Gu 和 Kushwaha 設計并組裝了一個儀表化拖拉機模型。Al-Janobi 等人開發(fā)了一種用于農用拖拉機上的高精度車輪扭矩和重量傳感器，取代了之前已裝備成熟的車輪扭矩傳感器。車輪的扭矩和重量傳感器包含三種負載傳感 U 形螺栓。他還用一個軸角編碼器測量了車輪的角速度。 Besselink 開發(fā)了一種用來研究牽引性能的車輛，設計了一個由一個S 型測力傳感器組成的測力計，用來測量沿縱向軸線的動態(tài)力。Baffe 等人采用了非常昂貴的測力集線器，用于測量力和作用在道路車輛輪胎上的力和扭矩，以研究車輪和道路接觸面的動態(tài)特性。Ahmad 等人描述了用于測
量被牽引的小寬度車輪運動阻力試驗裝置的發(fā)展。與運動阻力相等的拖曳力將通過安裝在試驗臺上的基本測力計（BFG）進行測量。該試驗裝置由兩個部分組成，一部分固定在車輪上，另一部分拴到拖拉機上。BFG 位于兩者之間時，基本測力計就可以測量所受拉力。盡管用來測量驅動輪受力和扭矩的好幾種方法已經在文獻中敘述，但是他們還只局限于測量有限的數據，也可以這樣講，他們的方法是不經濟的。本文提出了一種更為經濟的方法，可以更加靈活的測量作用在驅動輪上的力。
3. 驅動輪的測力設計
作用在驅動輪上的力和輸入轉矩可以在一個原型車上測量，這個原型車的前輪可以自由轉動，后橋由一個減速比為 1:3.3 的差速器來驅動。為了測量驅動輪的輸入轉矩、側向力和垂直載荷，應該用到 S 型剪切式壓測壓元件。
3.1 輸入扭矩（T）
通過對 Fleming 用于測量驅動橋輸入扭矩提出方法的調研，反作用力法因其對驅動橋裝置的通用性高、成本低、精度高而博得青睞。作用在軸上的轉矩所產生的反作用力可以很容易地用這種方法測量。由圖 2a 知，在驅動橋機構中，橋殼通過兩對圓錐滾子軸承支承，而非直接與拖拉機的底盤連接。這可以使橋殼自由地繞著軸承軸線旋轉。
當扭矩由差速器輸入軸傳至驅動輪時，反作用力會產生讓橋殼反方向旋轉的趨勢。通過固定差速器輸入軸和底盤，這個反作用力是可以用測力傳感器 1 測量出來的。輸入轉矩可以通過這個力與它到旋轉軸垂直距離的乘積得到。即公式（1）.
顯然，作用在驅動橋殼上且與測力傳感器 1 的軸線平行的所有力會對轉矩的測量帶來誤差，甚至錯誤。所以，如圖 2b 所示，兩個側向安裝相同的鏈輪把從變速器輸出的動力傳遞到了差速器的輸入端。這樣就避免了鏈
條張力影響到傳感器的讀數（???? ）。
因為差速器機構在驅動輪上的輸入轉矩相等，所求車輪轉矩就是車軸
扭矩的一半。即 ???? = ???? ?2
3.2 總牽引力（GT）
牽引力和行駛阻力是兩股反作用在車輪前進方向的力，應該用車輪的扭矩來克服。這個扭矩在車輪與地面接觸面產生，并產生驚人的扭矩。所以，GT 是車輪扭矩除以車輪中心到接觸面的距離的結果。即公式（2）
正確的扭矩半徑不能直接通過測量得到。關于半徑的應用，在牽引力研究的工作人員中仍沒有達成共識。因此，帶著一個預期的錯誤，輪胎滾動一周所走距離用牽引力除以 2p 來代替。
3.3 實際牽引力（NT）
實際牽引力用車輛繪制工具來表示，可以用 S 型測壓元件測量出。當單個車輪的實際牽引力通過車輛的牽引力測量工具測量時，為了確定左右車輪驅動作用相同，下面兩點非常重要：
（1） 牽引器方向應與地平線平行，與拖拉機縱向軸重合。
（2） 當拖拉機直線移動時，需要引導測量。3.4 垂直載荷（????）
涉及上述各力的牽引力參數除以垂直載荷????可標準化，????包括靜態(tài)重量和任何形式的轉移重量，即總反力。根據圖 2c，作用在每一個驅動輪上的垂直載荷通過安裝在底盤和圓錐滾子軸承間的兩個剪切式測壓元件測量得到。因為這些力的作用點沒有在輪胎的中心平面上，測壓元件得出的力與輪胎垂直載荷不等。因此，這些測壓元件對附著在他們下面的零件的重力測量不能得到一個令人滿意的結果，車軸一半的重量增加到了每一個車輪的垂直載荷上。所以，每一個車輪上的垂直反力應該用下面的數據分析來計算：公式（3）和公式（4）.
當拖拉機過彎（特別是高速行駛時）和爬坡時，左右車輪上的垂直載荷不相等。這種不等通過上述的公式也可以被發(fā)現。
3.5 運動阻力（MR）、底盤反力（CR）和垂直力與接觸面中心的距離（eh）
圖 2d 圖解說明了一驅動輪受力情況。由于反作用力（Rv）沒有位于軸線之下且有一定距離的偏移，車輪上會產生一個相反的扭矩。移動力（Rv） 的作用點至車輪中心下，使產生一個轉矩來滿足靜力平衡條件。這個轉矩常通過一個作用在車輪上實際縱向力來產生，即運動阻力。用公式表達： 公式(5).
除了運動阻力外，其他的力被從動輪的旋轉所抵消。我們把這個力叫做底盤反力，這些力主要由非驅動輪運動阻力和空氣阻力通過底盤傳遞到驅動橋。這些力的代數總和與車輪滾動半徑的乘積減去驅動輪上的輸入轉矩的結果必須為零。公式（6）成立。
式中合力 R 的大小和方向由公式（7）和（8）得到。此外，車輪轉矩還可以公式（9）和（10）表達。經過一個簡單的幾何分析，下面涉及到參數 d、θ、rt 和 eh 可以等到方程式，即公式（11）。
現在基于動態(tài)分析， 一個方程式組已經得出，這個方程組里參數????、
????、rt 和 NT 將可以計算出 CR 和 eh 的結果。3.6 側向力（???? ）
針對輪胎側向力的重要性，尤其是當汽車轉向和爬坡時，人們開發(fā)了一種可以測量該力的裝置。在此裝置中，S 型測壓元件 4 和 5 安裝在與車輪中心相合的位置，側向力方向沿著測壓元件軸線方向，而其他力被軸承或者導桿所吸收。圓錐滾子軸承的內圈被測壓元件軸線所環(huán)繞是為了防止他們的轉動，為了防止信號線隨著車輪的轉動而發(fā)生纏繞而已。
3.7 角速度（??）
每個驅動輪輸入力的計算需要輸入轉矩和角速度值大小已知。對于獲得車輛牽引性能，角速度是非常重要的參數。所以，原型車的驅動輪裝配了一些角速度傳感器。把一個由有 90 齒的鋸齒形圓環(huán)安裝在與每一個車輪軸線同軸且位于一個光電計數器的發(fā)射器和接收器之間的位置，脈沖經計數器傳到電子處理器單元，角速度就可以被精確地測量出來。
4. 測力計的開發(fā)
輸入轉矩、總牽引力、實際牽引力、運動阻力、底盤反力和 eh 的距離數值的推導需要由上一節(jié)給出的方程式求解。這些方程式包含一些取決于原型機和其驅動橋規(guī)格的常量。這些數據如表 1 所示。
測壓元件 1 測量驅動橋轉矩。這個轉矩由一個排量為 150cc 的單缸摩托車汽油發(fā)動機提供。在一檔時，扭矩增益系數最大，其值大約是 8。減速比為 7.5 的螺旋齒輪減速器（如圖 2a 所示）用來增大轉矩，并將動力傳遞方向改變了 90°。此外，傳動系數為 3.3 的差速器可實現再一次增扭。所以，驅動橋的最大輸入轉矩等于：公式（12）。
得知測壓元件 1 和其與驅動橋間的標準距離，就可以得出最大的力
8910N；因此，應該應用有 1000 公斤力(9810N)測量容量傳感器。
安裝測壓元件 2 和 3 的目的是測量作用在左右驅動車輪上的動態(tài)負載。用表 1 給出的 W、i、???? 的數值大小，得到靜力為 850N。所以，當汽車爬坡或者過彎時，應該用 150 公斤力（1470N）容量的測壓元件，以消除起伏路面的對測量結果的影響。
測壓元件 4 和 5 測量作用在驅動輪上的側向力。側向力主要是斜坡行駛引起的，而橫向滑移是汽車轉向行駛的結果。原型車的驅動輪不可以轉動，因此，汽車過彎的側向力比爬坡時的小。所以，假設最大爬坡度為30°， 可以得到：公式（13）。公式（13）中忽略了一個驅動輪輪胎與地面之間的
摩擦，而把整個側向力加到另一個驅動輪。因此，測壓元件 4 和 5 的負載容量應該為 150 公斤力（1479N）（參考圖 3）。
5. 結論
本次研究的儀表化驅動橋證明了牽引能力和輪胎側向力的在線測量的可行性。這個機構中，已應用了低成本的測壓元件，相比手動安裝的應變計更加精確；然而，它是復雜的，仍需要進一步開發(fā)。測壓元件的應用成本低于集線測力計的，即使集線測力計的精度更高。因為作用點未知，滾動阻力將會有一定誤差。為了測量縱軸力矩，確定上述力的精確位置，其他的測量裝置一定會被開發(fā)出來。
文獻綜述
[摘要]：農業(yè)機械化是發(fā)現現代農業(yè)的前提和基礎。低速車作為農資運輸所不可或缺的生產資料，在農業(yè)發(fā)展中扮演著極其重要的角色。本文通過對國內外低速車驅動橋新技術、新結構的發(fā)展現狀和趨勢的分析、歸納，在學習的基礎上得出自己的見解，并以此展開畢業(yè)設計后續(xù)工作。
關鍵詞：農業(yè)機械化、低速車、驅動橋
1. 引言
自 20 世紀 90 年代以來，我國低速車就進入了一個新的發(fā)展時期，在應用技術的同時，不斷涌現出新的結構和產品。同時，繼完成提高整機可靠性任務后， 技術發(fā)展的重點在于增加產品的電子信息技術含量和智能化程度，努力完善產品的標準化、系列化和通用化，改善駕駛人員的工作條件，向節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展。
后輪總成（主要是驅動橋）作為低速車重要總成部分，位于傳動系的末端， 主要由主減速器、差速器、車輪傳動裝置、驅動橋殼、制動器組成，其基本功能是增大傳動轉矩，并合理分配給驅動輪，另外還要承受作用于路面和車架之間的力，它的結構形式、合理性、可靠性及耐久性，對汽車性能和操作穩(wěn)定性有著直接的影響[ 1 ] ，因此對后輪總成的研究顯得尤為重要。
但由于與國內外驅動橋技術發(fā)展有著巨大的差距，我們在模仿、逆向的基礎上很難掌握驅動橋技術的精髓，驅動橋在合理性、可靠性和經濟性方面亟待提高。低速汽車必須市場需求為導向，以科技進步為動力，以開拓創(chuàng)新為主線，努力適應“三農”發(fā)展的需要，才能得到快速健康的發(fā)展【2 】。
2. 國外驅動橋發(fā)展及研究現狀
2.1 驅動橋技術現狀
2.1.1 模塊化技術的采用
模塊化設計是對在一定范圍內的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的機械產品進行功能分析的基礎上,劃分并設計出一系列功能模塊，然后通過模塊的選擇和組合構成不同產品的一種設計方法。
以DANA為代表的意大利企業(yè)多已采用了該類設計方法, 優(yōu)點是: 減少設計
及工裝制造的投入, 減少了零件種類, 提高規(guī)模生產程度, 降低制造費用, 提 高市場響應速度等。至今，模塊化已發(fā)展?jié)u趨成熟，成為汽車主要的生產方式。
2.1.2 模態(tài)分析
模態(tài)分析是對工程結構進行振動分析研究的最先進的現代方法與手段之一。它可以定義為對結構動態(tài)特性的解析分析(有限元分析)和實驗分析(實驗模態(tài)分析)，其結構動態(tài)特性用模態(tài)參數來表征。模態(tài)分析技術的特點與優(yōu)點是在對系統(tǒng)做動力學分析時，用模態(tài)坐標代替物理學坐標，從而可大大壓縮系統(tǒng)分析的自由度數目，分析精度較高。
驅動橋的振動特性不但直接影響其本身的強度，而且對整車的舒適性和平順性有著至關重要的影響。因此，對驅動橋進行模態(tài)分析，掌握和改善其振動特性， 是設計中的重要方面[ 3 ] 。
2.1.3 配置高性能制動器的驅動橋技術
在世界各國的生機產品中, 已出現了自循環(huán)冷卻功能的濕式制動器橋、帶散熱風送的盤式制動器橋、適于ABS的蹄、鼓式和盤式制動器橋、帶自動補償間隙的盤式制動器等配置高性能制動器橋, 同時制動器的布置位置也出現了從橋臂處分別向橋包總成和輪邊端部轉移的趨勢。前種處理方式易于散熱, 后種處理方式為了降低成本, 甚至有廠商把制動器的殼體與橋殼鑄為一體, 既易于散熱，又利于降低材料成本, 但這對鑄造技術、鑄造精度和加工精度都提出了極高的要求
[ 4 ] 。
3、國內驅動橋技術研究水平
3.1 國內驅動橋技術現狀
目前，國內生產驅動橋的廠家較多，品種和規(guī)格也較齊全，其性能和質量基本上能夠滿足國產農業(yè)機械和工程機械的使用需求，呈現了明顯的產業(yè)特點：由進口國外產品向國產化發(fā)展，由小作坊向正規(guī)化產業(yè)化發(fā)展，由低端產品向高端產品發(fā)展，由引進國外技術向自主研發(fā)發(fā)展。在技術方面，通過不斷提高自身鑄鍛造技術及工藝水平來保證研發(fā)產品制造質量；通過利用先進科學的設計輔助手段來達到設計優(yōu)化的目的；通過不斷學習吸收國外先進的技術逐步實現技術與國際接軌的目標，從而提高產品的核心競爭力；通過運用先進的技術及方法來提高
產品的性能，滿足市場需求，推進機電一體化進程。目前國內驅動橋生產廠家分為四種類型。
一是與國際知名品牌廠家合作，利用國內本土資源優(yōu)勢及國外先進的技術支持生產。如 1995 年柳工與德國采埃孚公司在柳州建立的合資公司，除生產采埃孚高技術水平雙變外，還生產采埃孚高技術水平驅動橋，供中國高技術及出口裝載機、平地機等配套，為中國高技術水平驅動橋技術的發(fā)展起到了促進作用。成工引進了卡特三節(jié)式濕式橋的樣機，成功開發(fā)了成工的三節(jié)式系列濕式橋，已批量推向了市場。徐州美馳車橋有限公司是由美國的阿文美馳公司和徐州工程機械集團有限公司共同投資的合資公司，公司投資總額 2408.7 萬美元，注冊資本
1680.3 萬美元，其中美方股比為 60%、中方為 40%，擁有員工 1000 多人，其中
工程技術人員 100 多人，主要產品包括各種輪式車輛用剛性橋、從動橋、轉向驅動橋、轉向貫通驅動橋、貫通橋。
二是通過引進國外先進的技術，依托本土的環(huán)境優(yōu)勢建立的民族企業(yè)，占據著國內市場的大部份額。如引進意大利菲亞特技術、依托于中國一拖旗下的一拖
（洛陽）開創(chuàng)裝備科技有限公司就是典型的代表。其農機驅動橋產品已從 16 馬力覆蓋至 200 馬力，所生產的 80~160 馬力驅動橋在市場上占據著主導地位，有“中國第一橋”的美譽。此外，山東的前進橋廠、煙臺捷林達橋廠以及新昌齒輪箱廠也在不斷借鑒國內外先進的技術，推動國產驅動橋的發(fā)展。
三是一些主機廠家根據自身需要，利用自身資源自產自用，也是國產驅動橋的一種發(fā)展模式。比如常發(fā)集團生產的中小馬力拖拉機上用的驅動橋就是典型的生產自用型。此外，龍工、徐工等工程機械廠家也生產自己整機上所用的驅動橋， 但這種模式僅為自給自足，很難滿足外部市場需求。
四是國際知名品牌傳動系生產商進軍中國市場，成立的獨資企業(yè)。如卡拉羅青島公司、德納在無錫的工廠以及 EME 在陜西成立的銷售公司等。由于剛剛進駐中國市場，暫時還處于競爭上的劣勢，還無法對本土企業(yè)造成太大的威脅，但隨著國際交流日趨密切，這些企業(yè)最終必將成為民族產業(yè)不可小視的競爭對手。[5]
3.2 國內驅動橋設計方法
傳統(tǒng)設計是以生產經驗為基礎，以運用力學、數學和回歸方法形成的公式、圖表、手冊等為依據進行的。
3.2.1 驅動橋殼常規(guī)設計方法
早期驅動橋殼設計通常采用設計和試驗交叉進行。在驅動橋殼結構定型之前往往經過多輪設計，設計面對的對象是實物，需要經過樣品試制-試驗-修改-再設計的往復，這種方式不可避免地導致整個設計周過期長，造成人力、物力和財力資源的嚴重浪費。隨著設計經驗的積累，人們將計算技術應用于汽車驅動橋殼結構性能的分析及設計中。初期的驅動橋殼結構性能計算是通汽車驅動橋殼優(yōu)化設計過將驅動橋殼簡化成單根縱梁，進行彎曲強度校核。這種計算方法至今還在沿用，但它顯然滿足不了汽車驅動橋殼結構性能的設計要求。
后來提出的驅動橋殼結構扭轉強度計算方法，只能計算純扭轉工況，不能考慮驅動橋殼的實際工況，而且，計算比較復雜，工作量大，在實際運用中存在著很大的困難。再后來，人們將比較設計的思想應用于驅動橋殼設計中。這種設計方法是以同一類型的成熟樣車為參考來進行驅動橋殼的設計，目前依然是驅動橋殼結構初步設計的主要方法。但是，這種方法可能造成驅動橋殼各處材質不均勻， 某些局部強度富裕較大，產生材料浪費等現象[ 6 ] 。
3.2.2 弧齒錐齒加工方法
傳統(tǒng)的Gleason 技術[7] 是以“局部共軛原理”為基礎的。首先切出大輪齒面, 然后選取一個計算參考點,求出與大輪齒面做線接觸的小輪齒面在參考點處的位置、法向量以及法曲率等一階、二階接觸參數,然后根據要求修正小輪齒面在參考點處的法曲率,并以此為基礎來確定小輪切齒調整參數。由此可見,修正小輪齒面在參考點處的法曲率是弧齒錐齒輪與準雙曲面齒輪技術的關鍵和難點,并且修正后的齒面嚙合性能只能通過試切滾檢或通過仿真分析后才能知道。因此,為了得到滿意的嚙合性能往往需要反復多次,且需要經驗的積累。目前國內的齒輪加工企業(yè)大都采用這種加工方式，但也有更先進技術的使用如綦江齒輪廠引進的洛克威爾單級橋齒輪技術，采用特殊的“HYPOID GENEROID”錐齒輪傳動，該齒輪運用了計算機輔助設計與制造技術，運轉時有較多對齒同時嚙合，強度高、噪音小、壽命長。
4、 驅動橋關鍵技術及先進開發(fā)模式
4.1 驅動橋殼有限元分析法
20 世紀 60 年代以來，由于電子計算機的迅速發(fā)展，有限元法在工程上獲得了廣泛應用。有限元法不需要對所分析的結構進行嚴格的簡化，既可以考慮各種計算要求和條件，也可以計算各種工況，而且計算精度高。有限元法將具有無限個自由度的連續(xù)體離散為有限個自由度的單元集合體，使問題簡化為適合于數值解法的問題。只要確定了單元的力學特性，就可以按照結構分析的方法求解，使分析過程大為簡化，配以計算機就可以解決許多解析法無法解決的復雜工程問題
[8] 。目前，有限元法己經成為求解數學、物理、力學以及工程問題的一種有效的
數值方法，也為驅動橋殼設計提供了強有力的工具。
4.2 驅動橋的參數化設計
參數化設計(Parametrie)(也叫尺寸驅動 Dimension-Driven)是指設計對象模型的尺寸用變量及其關系表示，而不需要確定具體數值[9] ，是 CAD 技術在實際應用中提出的課題，它不僅可使 CAD 系統(tǒng)具有交互式繪圖功能，還具有自動繪圖的功能。目前它是 CAD 技術應用領域內的一個重要的、且待進一步研究的課題。利用參數化設計手段開發(fā)的專用產品設計系統(tǒng)，可使設計人員從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來，可以大大提高設計速度，并減少信息的存儲量。
4.3 并行工程開發(fā)模式在驅動橋設計中的應用
汽車零部件已在國內甚至全球范圍內展開了劇烈的競爭，縮短新產品的設計時間、降低成本、提升質量、提高市場競爭力，日益成為汽車零部件制造企業(yè)考慮的首要問題。并行工程(CE，Concurrent Engineering)[ 10] 作為現代的，先進的產品設計開發(fā)模式，是解決上述問題的一種好辦法。并行工程的關鍵是對產品及其相關過程實行集成的并行設計、面向制造與裝配的設計(DFMA，Design For Manufacturing And Assembly)[1 1 ]~[13]是并行工程的重要內容。
由此可見，現代汽車零部件設計已不再是單一的機械設計，而正在成為需綜合運用多方面的基礎理論、技術基礎理論、專業(yè)知識和許多當代技術成就而進一種交叉學科的現代化設計。
5、未來驅動橋
智能化控制系統(tǒng)已經在汽車業(yè)得到了快速發(fā)展，如，現代汽車上使用的ABS(制動防抱死控制)、ESC（電子穩(wěn)定控制裝置）、ASR（驅動力控制系統(tǒng)）等系
統(tǒng)。ASR 通過控制發(fā)動機轉矩和汽車的制動系統(tǒng)等手段來控制驅動力，即在汽車起步，加速時減少驅動力,防止驅動力超過輪胎與路面的附著力而導致車輪空轉打滑，保持最佳的驅動力,改善汽車的方向穩(wěn)定性和操縱性。
另外，汽車電子控制系統(tǒng)和總線驅動系統(tǒng)的迅速發(fā)展，如線控換擋、線控轉向、線控制動等的研究開發(fā)。AUTOnomy 概念車底盤—滑板結構就是 SKF 線控制、燃料電池驅動的，加上不同形狀車身的轎車，現在已經開始啟動，通用公司宣傳Dring the Hy-wire，這種車有可能在未來 10 年上市。當線控這一目標實現時， 汽車將是一種完全的高新技術產品，發(fā)動機、變速器、傳動軸、驅動橋、轉向機全都不見了，當然四個輪子還是要的。到那時，汽車就可以說是一臺裝在輪子上的計算機了[14]。
6. 小結
結合國內外低速車相關技術的技術及發(fā)展現狀，可以預測，未來低速車發(fā)展有以下趨勢：
1. 系列化、大型化。由于產品更新換代的周期明顯縮短，特點是科技含量高， 研制與生產周期較長，投資大，而市場容量有限，市場競爭激烈，特別是我國處于發(fā)展的中期，仍與國外先進產品有一定差距。這是對我國汽車制造業(yè)的考驗和機遇。
2. 微電子技術、信息技術的普及和應用。
3. 節(jié)能與環(huán)保。為提高產品的節(jié)能效果和滿足日益苛刻的環(huán)保要求，我國低速車制造公司應主要從降低發(fā)動機排放、提高液壓系統(tǒng)的效率和減振、降噪等方面入手。
4. 強調以人為本。歸根到底，車是為人而造的，為司機創(chuàng)造一個更加舒適的環(huán)境無可厚非，應充分利用人機工程學知識設計汽車相關產品。如擦用防塵、減振和隔音材料，設計可調節(jié)司機座椅，安裝翻車保護機構和落物撞擊保護機構等。
5. 計算機管理及故障診斷、遠程監(jiān)控及整機智能化。如安裝可以集成顯示并監(jiān)控發(fā)動機燃油液面高度、冷卻水溫、變速器和液壓油溫等，并具備故障診斷能力，可以向司機發(fā)出預警，從而防患于未然。
6. 優(yōu)秀的設計。優(yōu)秀的設計是延長機械使用壽命的首要環(huán)節(jié)，設計過程中均衡考慮汽車的維修性能和保障性能的平衡。即降低機械表面的接觸應力，如發(fā)動
機活塞高位活塞環(huán)的設計；水套的高位冷卻；傳動系統(tǒng)選用螺旋齒代替漸開線齒， 增加重迭系數；為減少熱量，采用濕式離合器、濕式制動器等。設計時，努力改善機械的維修性可延長機械壽命。
即使，國內驅動橋發(fā)展前景一片光明，但我們仍要意識到與國外先進生產技術的差距，我國驅動橋的發(fā)展任重而道遠。隨著技術發(fā)展由機械到電子的轉變， 我們既要學習傳統(tǒng)技術中的精華，又要緊跟時代步伐，掌握CAD、CAE技術，在已有的基礎上改革企業(yè)體制，增加科技創(chuàng)新投入，才能謀求長遠發(fā)展。
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目 錄
摘要…………………………………………………………………………… ?
ABSTRACT……………………………………………………………………… ? ?
第1張 前言 1
1.1 選題的目的及意義 1
1.2 國外驅動橋發(fā)展及研究現狀 1
1.3 國內驅動橋技術現狀 2
1.4 設計主要內容和預期成果 4
1.5 取得的成果及意義 4
第2章 驅動橋總體方案的確定 5
2.1 概述 5
2.2 驅動橋的種類 5
2.3 設計車型主要參數 7
2.4 主減速器結構方案的確定 7
2.4.1主減速器齒輪類型的選擇 7
2.4.2 主減速器的減速形式 9
2.4. 3主減速器主從動錐齒輪的支承形式及安裝方法 10
2.5 差速器結構方案的確定 13
2.6 半軸形式的確定 14
2.7 驅動橋殼結構的確定 15
2.8 本章小結 16
第3章 主減速器設計 18
3.1 概述 18
3.2 主減速比及主減速器齒輪參數的選擇與強度校核 18
3.2.1 主減速器齒輪參數的選擇 18
3.2.2 主減速器錐齒輪材料及熱處理 23
3.2.3 螺旋錐齒輪的強度計算 24
3.3 主減速器的潤滑 28
3.4 本章小結 29
第4章 差速器的設計 30
4.1 概述 30
4.2 普通錐齒輪式差速器設計 30
4.3 差速器齒輪材料 33
4.4 差速器齒輪強度計算 33
4.5 本章小結 33
第5章 半軸設計 34
5.1 半軸計算 34
5.2 半軸的強度計算 34
5.3 半軸花鍵的強度計算 35
5.4 半軸的結構設計及其材料熱處理 36
5.5 本章小結 37
第6章 制動系設計 38
6.1 概述 38
6.2 制動器結構方案分析 38
6.3鼓式制動器主要參數的確定 41
6.4制動器主要零部件設計 44
結 論 47
參考文獻 48
致 謝 49
摘 要
低速車在發(fā)展現代農業(yè)，加快農業(yè)機械化中扮演著至關重要的角色。后輪總成作為低速車四大總成之一，它的性能好壞直接的影響著整車的性能和安全，驅動橋設計的合理性顯得尤為重要。為滿足目前低速汽車系列化、大型化、生產快速化、高效化的要求，驅動橋必須向著結構簡單、工作可靠、造價低廉方向發(fā)展，以降低低速車整車生產成本，降低農民投資成本，推動農業(yè)經濟的快速發(fā)展。通過本次后輪總成設計，可以在參考實際生產的基礎上將課本知識學以致用，鞏固和掌握汽車設計的相關知識，并設計出一款具現實意義的低速貨車后輪總成。
本文在分析驅動橋各部分以及制動器結構形式、發(fā)展過程和其優(yōu)缺點的基礎上，計算設計需要的主要參數，最后確定后輪總成總體方案，采用傳統(tǒng)設計方法完成主減速器、差速器、半軸、橋殼、鼓式制動器的設計工作。最后運用AutoCAD完成總裝配圖和相關零件二維圖的繪制。
關鍵字：低速車；后輪總成；驅動橋；主減速器；差速器；半軸；橋殼；鼓式制動器
ABSTRACT
Low-speed truck in developing modern agriculture and accelerating agricultural mechanization plays a vital role. Rear wheel assembly is one of the four big assembly of a low-speed car, its performance directly affects the vehicle's performance and safety, it is particularly important to the rationality of the design of drive axle. In order to meet the current low speed car series, large-scale, production of rapidness, efficiency requirements, drive axle must be toward the direction of simple structure, reliable operation and low cost, in order to reduce the low-speed vehicle production costs, reduce farmers' investment cost, promote the rapid development of agricultural economy. Through the rear wheel assembly design, can be in reference textbook knowledge will be the basis of the actual production process, to consolidate and master the relevant knowledge of vehicle design, and designed a most practical significance of low-speed truck rear wheel assembly.
This paper to determine the main structure, main parameters and the analysis of drive axle structure, development process and its advantages and disadvantages of each part, on the basis of deciding the overall concept of the rear wheel assembly, complete with the traditional design method of main reducer, differential and half shaft, bridge shell, the drum brake designing work. The general assembly drawing and related parts will be done using AutoCAD 2 d figure drawing.
KEY WORDS: low-truck；rear wheel assembly；drive axle；main reducer；differential；half shaft；drum brake
第1章 前言
1.1 選題的目的及意義
自20世紀90年代以來，我國低速車就進入了一個新的發(fā)展時期，在應用新技術的同時，不斷涌現出新的結構和產品。同時，繼完成提高整機可靠性任務后，技術發(fā)展的重點在于增加產品的電子信息技術含量和智能化程度，努力完善產品的標準化、系列化和通用化，改善駕駛人員的工作條件，向節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展[1]。
后輪總成（主要是驅動橋）作為低速車重要總成部分，位于傳動系的末端，主要由主減速器、差速器、車輪傳動裝置、驅動橋殼、制動器組成，其基本功能是增大傳動轉矩，并合理分配給驅動輪，另外還要承受作用于路面和車架之間的力。它的結構形式、合理性、可靠性及耐久性，對汽車性能和操作穩(wěn)定性有著直接的影響[2]，因此對后輪總成的研究顯得尤為重要。
但由于與國內外驅動橋技術發(fā)展有著巨大的差距，我們在模仿、逆向的基礎上很難掌握驅動橋技術的精髓，驅動橋在合理性、可靠性和經濟性方面亟待提高。低速汽車必須市場需求為導向，以科技進步為動力，以開拓創(chuàng)新為主線，努力適應“三農”發(fā)展的需要，才能得到快速健康的發(fā)展[3]。
1.2 國外驅動橋發(fā)展及研究現狀
1.模塊化技術的采用
模塊化設計是對在一定范圍內的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的機械產品進行功能分析的基礎上,劃分并設計出一系列功能模塊，然后通過模塊的選擇和組合構成不同產品的一種設計方法。
以DANA為代表的意大利企業(yè)多已采用了該類設計方法, 優(yōu)點是: 減少設計及工裝制造的投入, 減少了零件種類, 提高規(guī)模生產程度, 降低制造費用, 提高市場響應速度等。至今，模塊化已發(fā)展?jié)u趨成熟，成為汽車主要的生產方式。
2 .模態(tài)分析
模態(tài)分析是對工程結構進行振動分析研究的最先進的現代方法與手段之一。它可以定義為對結構動態(tài)特性的解析分析(有限元分析)和實驗分析(實驗模態(tài)分析)，其結構動態(tài)特性用模態(tài)參數來表征。模態(tài)分析技術的特點與優(yōu)點是在對系統(tǒng)做動力學分析時，用模態(tài)坐標代替物理學坐標，從而可大大壓縮系統(tǒng)分析的自由度數目，分析精度較高。
驅動橋的振動特性不但直接影響其本身的強度，而且對整車的舒適性和平順性有著至關重要的影響。因此，對驅動橋進行模態(tài)分析，掌握和改善其振動特性，是設計中的重要方面。
3. 配置高性能制動器的驅動橋技術
在世界各國的生機產品中, 已出現了自循環(huán)冷卻功能的濕式制動器橋、帶散熱風送的盤式制動器橋、適于ABS的蹄、鼓式和盤式制動器橋、帶自動補償間隙的盤式制動器等配置高性能制動器橋, 同時制動器的布置位置也出現了從橋臂處分別向橋包總成和輪邊端部轉移的趨勢。前種處理方式易于散熱, 后種處理方式為了降低成本, 甚至有廠商把制動器的殼體與橋殼鑄為一體, 既易于散熱，又利于降低材料成本, 但這對鑄造技術、鑄造精度和加工精度都提出了極高的要求[4]。
1.3 國內驅動橋技術現狀
目前，國內生產驅動橋的廠家較多，品種和規(guī)格也較齊全，其性能和質量基本上能夠滿足國產農業(yè)機械和工程機械的使用需求，呈現了明顯的產業(yè)特點：由進口國外產品向國產化發(fā)展，由小作坊向正規(guī)化產業(yè)化發(fā)展，由低端產品向高端產品發(fā)展，由引進國外技術向自主研發(fā)發(fā)展。在技術方面，通過不斷提高自身鑄鍛造技術及工藝水平來保證研發(fā)產品制造質量；通過利用先進科學的設計輔助手段來達到設計優(yōu)化的目的；通過不斷學習吸收國外先進的技術逐步實現技術與國際接軌的目標，從而提高產品的核心競爭力；通過運用先進的技術及方法來提高產品的性能，滿足市場需求，推進機電一體化進程。
目前國內驅動橋生產廠家分為4種類型。
1.是與國際知名品牌廠家合作，利用國內本土資源優(yōu)勢及國外先進的技術支持生產。如1995年柳工與德國采埃孚公司在柳州建立的合資公司，除生產采埃孚高技術水平雙變外，還生產采埃孚高技術水平驅動橋，供中國高技術及出口裝載機、平地機等配套，為中國高技術水平驅動橋技術的發(fā)展起到了促進作用。成工引進了卡特三節(jié)式濕式橋的樣機，成功開發(fā)了成工的三節(jié)式系列濕式橋，已批量推向了市場。徐州美馳車橋有限公司是由美國的阿文美馳公司和徐州工程機械集團有限公司共同投資的合資公司，公司投資總額2408.7萬美元，注冊資本1680.3萬美元，其中美方股比為60%、中方為40%，擁有員工1000多人，其中工程技術人員100多人，主要產品包括各種輪式車輛用剛性橋、從動橋、轉向驅動橋、轉向貫通驅動橋、貫通橋。
2.是通過引進國外先進的技術，依托本土的環(huán)境優(yōu)勢建立的民族企業(yè)，占據著國內市場的大部份額。如引進意大利菲亞特技術、依托于中國一拖旗下的一拖（洛陽）開創(chuàng)裝備科技有限公司就是典型的代表。其農機驅動橋產品已從16馬力覆蓋至200馬力，所生產的80~160馬力驅動橋在市場上占據著主導地位，有“中國第一橋”的美譽。
3.是一些主機廠家根據自身需要，利用自身資源自產自用，也是國產驅動橋的一種發(fā)展模式。比如常發(fā)集團生產的中小馬力拖拉機上用的驅動橋就是典型的生產自用型。此外，龍工、徐工等工程機械廠家也生產自己整機上所用的驅動橋，但這種模式僅為自給自足，很難滿足外部市場需求。
4.是國際知名品牌傳動系生產商進軍中國市場，成立的獨資企業(yè)。如卡拉羅青島的公司、德納在無錫的工廠以及EME在陜西成立的銷售公司等。由于剛剛進駐中國市場，暫時還處于競爭上的劣勢，還無法對本土企業(yè)造成太大的威脅，但隨著國際交流日趨密切，這些企業(yè)最終必將成為民族產業(yè)不可小視的競爭對手[5]。
1.4 設計主要內容和預期成果
1.驅動橋結構形式及布置方案的確定。
2.驅動橋零部件尺寸參數的確定和相關校核：
（1）完成主減速器基本參數的選擇和計算；
（2）完成差速器的設計與計算；
（3）完成半軸的設計與計算；
3.完成制動器結構形式的選擇和計算。
4.完成后輪總成總裝配圖和主要零部件圖。
1.5 取得的成果及意義
本次低速車后輪總成設計是根據傳統(tǒng)設計方法而展開的，在兼顧結構緊湊、安全、合理和可靠的同時，以降低制造成本為目的，完善了實際產品中實際參數擴大化的不足，零部件選料更加合理。但由于能力有限，局部設計尚未完善，難以滿足現實需要，實用性有待考究，還需進一步改進。
本次設計，運用了以往專業(yè)課本中的大多知識，在參考機械手冊的基礎上，加強了理論知識，通過完整的設計，提高了汽車零部件設計的能力，為以后的汽車設計工作奠定了一定基礎。但學海無涯，汽車相關知識沒有邊界，汽車的發(fā)展也不會有盡頭，我仍需不懈努力。
第2章 驅動橋總體方案的確定
2.1 概述
驅動橋位于傳動系末端，其基本功用首先是增扭、降速，改變轉矩的傳遞方向，即增大由傳動軸或直接從變速器傳來的轉矩，并合理的分配給左、右驅動車輪，其次，驅動橋還要承受作用于路面和車架或車廂之間的垂直力、縱向力和橫向力，以及制動力矩和反作用力矩等[6]。
驅動橋一般由主減速器、差速器、車輪傳動裝置和橋殼組成，轉向驅動橋還有等速萬向節(jié)。
設計驅動橋時應當滿足如下基本要求：
1. 選擇適當的主減速比，以保證汽車在給定的條件下具有最佳的動力性和燃油經濟性。
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. 齒輪及其他傳動件工作平穩(wěn)，噪聲小。
4. 在各種載荷和轉速工況下有較高的傳動效率。
6. 具有足夠的強度和剛度，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，盡可能降低質量，尤其是簧下質量，減少不平路面的沖擊載荷，提高汽車的平順性。
6、與懸架導向機構運動協調。
7、結構簡單，加工工藝性好，制造容易，維修，調整方便。
隨著汽車向采用大功率發(fā)動機和輕量化方向的發(fā)展以及路面條件的改善，近年來主減速器比有減小的趨勢，以滿足高速行駛的要求[7]。
2.2 驅動橋的種類
驅動橋分斷開式和非斷開式兩類。驅動車輪采用獨立懸掛時，應選用斷開時驅動橋；驅動車輪采用非獨立懸架時，則應選用非斷開式驅動橋。
斷開時驅動橋(如圖2-1)，結構特點是沒有連接左右驅動車輪的剛性整體外殼或梁，主減速器、差速器及其殼體安裝在車架或車身上，通過萬向節(jié)傳動裝置驅動車輪。此時，主減速器、差速器和部分車輪傳動裝置的質量均為簧上質量。兩側的驅動車輪經獨立懸架與車架或車身作彈性連接，因此可以彼此獨立的相對于車架或車身上下擺動。為防止車輪跳動時因輪距變化使萬向 圖2-1 斷開式驅動橋
節(jié)傳動裝置與獨立懸架導向裝置產生運動干涉，在設計車輪傳動裝置時，應采用滑動花鍵軸或允許軸向適量移動的萬向傳動機構。
圖2-2 非斷開式驅動橋
1-主減速器 2-套筒 3-差速器 4、7-半軸 5調整螺母 6-調整墊片 7-橋殼
非斷開式驅動橋（圖2-2）的橋殼是一根支撐在左右驅動車輪上的剛性空心梁，主減速器、差速器和半軸等所有的傳動件都裝在其中。此時，驅
動橋、驅動車輪均屬簧下質量。
斷開時驅動橋在乘用車和部分越野汽車上應用廣泛。飛斷開時驅動橋機構簡單，成本低，工作可靠，廣泛應用于各種商用車和部分乘用車上。
本次低速車采用雙式車輪，理所當然選用非斷開式驅動橋（整體式驅動橋）。
2.3 設計車型主要參數
車輛名稱
自卸低速貨車
車輛型號
SD5815PD3
品牌
奧峰牌
發(fā)動機功率
60Kw
燃料種類
柴油
總質量
4410Kg
整備質量
2670Kg
額定載質量
1545Kg
軸距
3400mm
最高車速
65.0Km/h
前輪距
1550mm
后輪距
1540mm
輪胎規(guī)格
7.50-16
輪胎數
6
表2-1 設計車型主要參數
2.4 主減速器結構方案的確定
2.4.1主減速器齒輪類型的選擇
按齒輪副結構型式分，主減速器的齒輪傳動主要有螺旋錐齒輪式傳動、雙曲面齒輪式傳動、圓柱齒輪式傳動（又可分為軸線固定式齒輪傳動和軸線旋轉式齒輪傳動即行星齒輪式傳動）和蝸桿蝸輪式傳動等形式。
在發(fā)動機橫置的汽車驅動橋上，主減速器往往采用簡單的斜齒圓柱齒輪；在發(fā)動機縱置的汽車驅動橋上，主減速器往往采用圓錐齒輪式傳動或準雙曲面齒輪式傳動。
在現代貨車車驅動橋中，主減速器采用得最廣泛的是螺旋錐齒輪和雙曲面齒輪。
螺旋錐齒輪如圖2-3（a）所示主、從動齒輪軸線交于一點，交角都采用90度。螺旋錐齒輪的重合度大，嚙合過程是由點到線，因此，螺旋錐齒輪能承受大的載荷，而且工作平穩(wěn)，即使在高速運轉時其噪聲和振動也是很小的。雙曲面齒輪如圖2-3（b），主、從動齒輪軸線不相交而呈空間交叉。 圖2-3 螺旋錐齒輪與雙曲面齒輪
和螺旋錐齒輪相比，雙曲面齒輪的優(yōu)點有：
1. 尺寸相同時，雙曲面齒輪有更大的傳動比。
2. 傳動比一定時，如果主動齒輪尺寸相同，雙曲面齒輪比螺旋錐齒輪有較大軸徑，較高的輪齒強度以及較大的主動齒輪軸和軸承剛度。
3. 當傳動比一定，主動齒輪尺寸相同時，雙曲面從動齒輪的尺寸較小，從而可以獲得較大更大的離地間隙。
4. 由于偏移距的存在，使雙曲面齒輪在工作的過程中不僅存在與弧齒錐齒輪相同的沿齒高方向的側向滑動，又有沿齒長方向的縱向滑動，從而可以改善齒輪的磨合過程，使其具有更高的運轉平穩(wěn)性。
6. 雙曲面?zhèn)鲃訋У闹鲃育X輪直徑及螺旋角都較大，所以相嚙合的當量曲率半徑較相應的弧齒錐齒輪大，從而可以降低齒面間的接觸應力。
7. 雙曲面?zhèn)鲃拥闹鲃育X輪螺旋角較大，則不產生根切的最小齒數可減少，因此可以選用較少的齒數，有利于增加傳動比；其偏移距還有利于實現汽車的總體布置。
雙曲面齒輪傳動有如下缺點：
1. 沿齒長方向的縱向滑動使摩擦損失增加，降低傳動效率。
2. 齒面間的壓力和摩擦功較大，可能導致油膜破壞和齒面燒結咬死，抗膠合能力較低。
3. 雙曲面主動齒輪具有較大的軸向力，使其軸承負荷增大。
4. 雙曲面齒輪必須采用可改善油膜強度和防刮傷添加劑的特種潤滑油。
螺旋錐齒輪傳動的主、從動齒輪軸線垂直相交于一點。由于輪齒斷面重疊的影響，至少有兩對以上的輪齒同時嚙合，因此可以承受較大的負荷，加之其輪齒不是在齒的全長上同時嚙合，而是逐漸從一端連續(xù)而平穩(wěn)地轉向另一端，所以工作平穩(wěn)，噪聲和振動小。
一般情況下，當主減速器傳動器速比大于4.5而輪廓尺寸有限時，采用雙曲面齒輪傳動更為合理；當傳動比小于2.0時，雙曲面齒輪傳動的主動齒輪相對于弧齒錐齒輪傳動的主動齒輪就顯得過大，此時選用弧齒錐齒輪更合理，因為后者更具有較大的差速器可利用空間；對于中等傳動比，兩種齒輪傳動均可采用。
本次設計采用螺旋錐齒輪。
2.4.2 主減速器的減速形式
主減速器的減速形式分為單級減速、雙級減速、單級貫通、雙級貫通、主減速及輪邊減速等。減速形式的選擇與汽車的類型及使用條件有關，有時也與制造廠的產品系列及制造條件有關，但它主要取決于由動力性、經濟性等整車性能所要求的主減速比io的大小及驅動橋下的離地間隙、驅動橋的數目及布置形式等。通常單極減速器用于主減速比io≤7.6的各種中小型汽車上。
如圖2-4（a）所示，單級減速驅動車橋是驅動橋中結構最簡單的一種，制造工藝較簡單，成本較低，是驅動橋的基本型，在貨車車上占有重要地位。目前貨車車發(fā)動機向低速大扭矩發(fā)展的趨勢使得驅動橋的傳動比向小速比發(fā)展；隨著公路狀況的改善，特別是高速公路的迅猛發(fā)展，許多貨車使用條件對汽車通過性的要求降低，因此，產品不必像過去一樣，采用復雜的結構提高其的通過性；與帶輪邊減速器的驅動橋相比，由于產品結構簡化，單級減速驅動橋機械傳動效率提高，易損件減少，可靠性增加。
如圖2-4（b）所示，與單級主減速器相比，由于雙級主減速器由兩級齒輪減速組成，使其結構復雜、質量加大；主減速器的齒輪及軸承數量的增多和材料消耗及加工的工時增加，制造成本也顯著增加，只有在主減速比較大（7.6<） 且采用單級主減速器不能滿足既定的主減速比和
（a） 單級主減速器 （b） 雙級主減速器
圖2-4主減速器
離地間隙等要求是才采用。通常僅用在裝在質量10t以上的重型汽車上。
本次設計貨車主減速比=6，所以采用單級主減速器。
2.4.3主減速器主從動錐齒輪的支承形式及安裝方法
1. 主減速器主動錐齒輪的支承形式及安裝方式的選擇
現在汽車主減速器主動錐齒輪的支承形式有如下兩種：
（1）懸臂式
懸臂式支承結構如圖2-5所示，其特點是在錐齒輪大端一側采用較長的軸徑，并在其上安裝兩個圓錐滾子軸承。為了減小懸臂長度a和增加兩端的距離b，以改善支承剛度，應使兩軸承圓錐滾子的大端朝外。使作用在齒輪上離開錐頂的軸向力由靠近齒輪的軸承承受，而反軸向力則由另一軸承承受。為了方便拆裝，應使靠近齒輪的軸徑比另一軸承的支撐軸徑大些。 懸臂式支承結構簡單，支承剛度較差，多用于傳遞轉鉅較小的轎車、輕型貨車的單級主減速器及許多雙級主減速器中。
圖2-5 錐齒輪懸臂式支承
（2）跨置式
跨置式支承結構如圖2-6所示，其特點是在錐齒輪的兩端均有軸承支承，這樣可大大增加支承剛度，又使軸承負荷減小，齒輪嚙合條件改善，因此齒輪的承載能力高于懸臂式。此外，由于齒輪大端一側軸徑上的兩個相對安裝的圓錐滾子軸承之間的距離很小，可以縮短主動齒輪軸的長度，使布置更緊湊，并可減小傳動軸夾角，有利于整車布置。但是，跨置式支撐必須在主減速器課題上有支撐導向軸承所需要的軸承座，使主減速器殼體的結構復雜，加工成本提高，另外還會使軸承布置困難或拆裝困難。在需要傳遞較大轉矩情況下，最好采用跨置式支承。
圖2-6 主動錐齒輪跨置式支承
跟據實際情況，所設計的為低速載貨車采用懸臂式支撐。當主動錐齒輪安裝在圓錐滾子軸承上時，為了減小懸臂長度增加支撐間距離，應使兩軸承的小端朝內相向，大端朝外，這樣也便于結構的布置、軸承預緊度的調整及軸承的潤滑。
2. 主減速器從動錐齒輪的支承形式及安裝方式的選擇
從動錐齒輪只有跨置式一種支撐形式如圖2-7所示，兩端支承多采用圓錐滾子軸承，安裝時應使它們的圓錐滾子大端相向朝內，而小端相向朝外。為了防止從動錐齒輪在軸向載荷作用下的偏移，圓錐滾子軸承應用兩端的調整螺母調整。主減速器從動錐齒輪采用無輻式結構并用細牙螺釘以精度較高的緊配固定在差速器殼的凸緣上，從動齒輪節(jié)圓直徑較大時采用螺栓和差速器殼固定在一起。
圖2-7從動齒輪支撐形式
本次設計主動錐齒輪采用懸臂式支撐（圓錐滾子軸承），從動錐齒輪采用騎馬式支撐（圓錐滾子軸承）。
2.5 差速器結構方案的確定
根據汽車行駛運動學的要求和實際的車輪、道路以及它們之間的相互聯系表明：汽車在行駛時，左、右車輪在同一時間內所滾過的路程往往不等。例如，轉彎時外側車輪行駛的距離總要比內側長；汽車在不平路面上行駛時，由于路面波形不同也會造成兩側車輪滾過的路程不相等；即使汽車作直線行駛，也會由于左右車輪在同一時間內所滾過的路面垂向波形的不同，或由于左右車輪輪胎氣壓、輪胎負荷、胎面磨損程度的不同以及制造誤差等因素引起左右車輪外徑不同或滾動半徑不相等而要求車輪行程不等。
在左右車輪行程不等的情況下，如果采用一根整體的驅動車輪軸將動力傳給左右車輪，則會由于左右車輪的轉速雖然相等而行程卻又不同的這一運動學上的矛盾，引起某一驅動車輪產生滑轉或滑移。這不僅會是輪胎過早磨、無益地消耗功率和燃料及使驅動車輪軸超載等，還會因為不能按所要求的瞬時中心轉向而使操縱性變壞。此外，由于車輪與路面間尤其在轉彎時有大的滑轉或滑移，易使汽車在轉向時失去抗側滑能力而使穩(wěn)定性變壞。為了防止這些現象的發(fā)生，汽車左右驅動輪間都裝有輪間差速器，從而保證了驅動橋兩側車輪在行程不相等時具有不同的旋轉角速度，滿足了汽車行駛運動學的要求。
差速器的結構型式選擇，應從所設計汽車的類型及其使用條件出發(fā)，以滿足該型汽車在給定的使用條件下的使用性能要求。
差速器的結構型式有多種，大多數汽車都屬于公路運輸車輛，對于在公路上和市區(qū)行駛的汽車來說，由于路面較好，各驅動車輪與路面的附著系數變化很小，因此幾乎都采用了結構簡單、工作平穩(wěn)、制造方便、用于公路汽車也很可靠的普通對稱式圓錐行星齒輪差速器，作為安裝在左、右驅動車輪間的所謂輪間差速器使用；對于經常行駛在泥濘、松軟土路或無路地區(qū)的越野汽車來說，為了防止因某一側驅動車輪滑轉而陷車，則可采用防滑差速器。后者又分為強制鎖止式和自然鎖止式兩類。自鎖式差速器又有多種結構式的高摩擦式和自由輪式的以及變傳動比式的。
本次設計選用：普通錐齒輪式差速器，因為它結構簡單、質量較小，工作平穩(wěn)可靠，適用于本次設計的汽車驅動橋。
2.6 半軸形式的確定
驅動車輪的傳動裝置位于汽車傳動系的末端，其基本功用是接受從差速器傳來的轉矩并將其傳給車輪。對于斷開式驅動橋和轉向驅動橋，驅動車輪的傳動裝置為萬向傳動裝置；對于非斷開式驅動橋，驅動車輪的傳動裝置的主要零件就是半軸。這時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動橋上，半軸將半軸齒輪與輪邊減速器的主動齒輪連接起來。根據半軸外端支撐方式不同可分為半浮式，3/4浮式，全浮式。
（a）半浮式 （b）3/4浮式 （c）全浮式
圖2-8半軸支撐形式
半浮式半軸（圖2-8a）的結構特點是，半軸外端的支撐軸承位于半軸套管外端的內孔中，車輪裝在半軸上。半浮式半軸除傳遞轉矩外，其外端還承受由路面對車輪的反力所引起的全部力和力矩。半浮式半軸結構簡單，所受載荷較大，只用于乘用車和總質量較小的商用車上。
3/4浮式半軸（圖2-8b）的結構特點是，半軸外端僅有一個軸承并裝在驅動橋殼半軸套管的端部，直接支撐于車輪輪轂，而半軸則以其端部凸緣與輪轂用螺釘連接。因其側向力引起彎矩使軸承有歪斜的趨勢，這將急劇降低軸承的壽命，所以未得到推廣。
全浮式半軸（圖2-8c）的結構特點是，半軸外端的凸緣用螺釘與輪轂相連，而輪轂又借用兩個圓錐滾子軸承支撐在驅動橋殼的半軸套管上。理論上來說，半軸只承受轉矩，作用于驅動輪上的其他反力和彎矩全部由橋殼來承受。由于其工作可靠，廣泛應用于各類載貨類汽車上。
由于低速貨車后軸負荷比前軸大得多，為使后輪輪胎不致過載，后橋一般裝用雙式車輪，半軸形式采用全浮式。
2.7 驅動橋殼結構的確定
驅動橋殼的主要功用是支撐汽車質量，并承受由車輪傳來的路面反力和反力矩，并經懸架傳遞給車架；它又是主減速器、差速器、半軸的裝配基體。
驅動橋殼大致可以分為可分式、整體式和組合式三種形式。
1.可分式橋殼
可分式橋殼（圖2-9）由一個垂直結合面分為左右兩部分，兩部分通過
羅雙連接成一體，每個部分均由一鑄造殼體和一個壓入其外端的半軸套管組成，軸管與殼體用鉚釘連接。這種橋殼結構簡單，制造工藝性好，主減速器支撐剛度好。但拆裝、調整、維修很不方便，橋殼的強度和剛度受結構限制，曾用于總質量不大的汽車上，現在較少使用。
圖2-9 可分式橋殼
2.整體式橋殼
整體式橋殼（圖2-10）特點是整個橋殼是一根空心梁，橋殼和主減速器殼為兩體。它具有強度和剛度較大，主減速器拆裝、調整方便等優(yōu)點。
(a) (b)
圖2-10 整體式橋殼
按制造工藝不同，整體式橋殼可分為鑄造式（圖2-10a）、鋼板沖壓焊接式（圖2-10b）和擴張成形式三種。鑄造式橋殼的剛度和強度較大，但質量大，加工面多，制造工藝復雜，主要用于總質量較大的火車上。鋼板沖壓焊接式和擴張成形式橋殼質量較小，材料利用率高，制造成本地，適于大量生產，廣泛應用于乘用車和總質量較小的商用車上。
3.組合式橋殼
組合式橋殼（圖2-11）是將主減速器殼與部分橋殼鑄成一體，而后用無縫鋼管分別壓入殼體兩端，兩者之間用塞焊或銷釘固定。它的優(yōu)點是從動齒輪軸承的支撐剛度好，主減速器的裝配、調整比可分式橋殼方便；然而要求有較高的加工精度，故常用于乘用車和總質量較小的商用車上。 圖2-11 組合式橋殼
本次設計選用整體式橋殼。
2.8 本章小結
本章主要分析和選擇了主減速器齒輪的類型、主減速器的減速形式、主減速器主動錐齒輪的支承形式及安裝方式、從動錐齒輪的支承方式和安裝方式，從而確定逐步給出驅動橋各個總成的基本結構，分析了驅動橋各總成結構組成。基本確定了驅動橋四個組成部分主減速器、差速器、半軸、橋殼的結構。
第3章 主減速器設計
3.1 概述
主減速器是汽車傳動系中減小轉速、增大扭矩的主要部件，它是依靠齒數少的錐齒輪帶動齒數多的錐齒輪。對發(fā)動機縱置的汽車，其主減速器還利用錐齒輪傳動以改變動力方向。汽車在各種道路上行使時，其驅動輪上要求必須具有一定的驅動力矩和轉速，在動力向左右驅動輪分流的差速器之前設置一個主減速器后，可使主減速器前面的傳動部件如變速器、萬向傳動裝置等所傳遞的扭矩減小，從而可使其尺寸及質量減小、操縱省力。
3.2 主減速比及主減速器齒輪參數的選擇與強度校核
主減速比對主減速器的結構形式、輪廓尺寸、質量大小影響很大。當變速器處于最高檔位時對汽車的動力性和燃料經濟性都有直接影響。的選擇應在汽車總體設計時和傳動系統(tǒng)的總傳動比一起由整車動力計算來確定?？衫迷诓煌南碌墓β势胶鈭D來計算對汽車動力性的影響。通過優(yōu)化設計，對發(fā)動機與傳動系參數作最佳匹配的方法來選擇值，可是汽車獲得最佳的動力性和燃料經濟性。
本次設計是以后輪為計算的點。
3.2.1主減速器齒輪參數的選擇
1.計算后輪的功率
已知車的載重為1545kg，車的自
重為2670kg。其中載重和自重的70%
由后輪承擔，車輛主要在農村水泥路面和砂石路面上行駛，因此摩擦 圖3-1 驅動車輪受力分析圖
系數μ取0.16，g=10N/Kg 。
對驅動車輪受力分析[14]，如圖3-1：
因此，P=F×V=μGην （3-1）
=0.7×2670+1545×10×0.16×65×1032×3600×0.7=42Kw
式中，G為車總質量，N；η為軸荷比；ν為汽車最高速度，km/h。
2.計算車輪的轉速n0及角速度ω0
已知車速V=65Km/h，查手冊得知輪胎規(guī)格7.50-16輪胎的滾動半徑r=383.27mm：
即，
n0=ν×1032πr×60 （3-2）
=65×1032×3.14×383.27×60=450.08rmin
式中：υ-汽車的最高速度，Km/h；
r-車輪的滾動半徑，mm。
可以推出： ω0=2πn/60=(2×3.14×450.08)/60=47.11 rad?s
3.計算車輪轉矩
由公式
T0=Pω0×106=891.53 N?m (3-3)
4.計算主減速器從動錐齒輪轉矩
齒輪的傳動效率η=0.9，齒輪用9級精度制造
由公式：
Tj=2T0η=2×891.530.9=1981.2N?m (3-4)
5.主減速比的計算
對于具有很大功率儲備的轎車、長途公共汽車尤其是競賽車來說，在給定發(fā)動機最大功率及其轉速的情況下，所選擇的值應能保證這些汽車有盡可能高的最高車速。這時值應按下式來確定[8]：
i0=0.337rrnpνamaxigh (3-5)
式中：——車輪的滾動半徑，=0.383m；
——變速器最高檔傳動比1. 0（為直接檔）；
——最大功率轉速； r/min；
——最大車速，km/h。
對于與其他汽車來說，為了得到足夠的功率而使最高車速稍有下降，一般選得比最小值大10%～25%，即按下式選擇：
i0=0.337~0.472rrnpνamaxigh (3-6)
但是，該低速載貨汽車發(fā)動機參數未知，故不能使用上述公式。可根據下表3-1選?。?
表3-1 載貨汽車驅動橋主減速器主動錐齒輪齒數
傳動比（z1z2）
推薦的主動錐齒輪最小齒數z1
主動齒輪齒數的允許范圍z2
1.50~1.75
14
12~16
1.75~2.00
13
11~15
2.0~2.5
11
10~13
2.5~3.0
10
9~11
3.0~3.5
10
9~11
3.5~4.0
10
9~11
4.0~4.5
9
8~10
4.5~5.0
8
7~9
5.0~6.0
7
6~8
6.0~7.5
6
5~7
7.5~10
5
5~6
選取傳動比i0=6， 得主動錐齒輪z1=7，z2=42 。
6.從動錐齒輪節(jié)圓直徑及端面模數的選擇
主減速器螺旋錐齒輪的節(jié)圓直徑，可根據齒輪的計算轉矩計算
d 2=kd13Tj (3-7)
=16×31981.2≈200mm
式中：d2-從動錐齒輪的節(jié)圓直徑，mm；
kd1-直徑系數，取kd1=13~16；
Tj-計算轉矩，N?m。
推出，從動錐齒輪大端面模數 m=d2z2=20042=4.78mm
大端面模數校核：m=km3Tj=0.3~0.4×12.6=3.78~5.04
取m=5 。
7.主減速器弧齒螺旋錐齒輪的幾何尺寸計算：
（a）查機械手冊知：齒頂高系數ha*=0.85 ,頂隙系數c*=0.188，齒數比μ=z2z1=6，變位系數x1=0.391-1μ2=0.3792，x2=-x1=-0.3792 。
表3-2主減速器螺旋錐齒輪幾何尺寸
參數
公式
主動錐齒輪
從動錐齒輪
模數
m
7
42
齒面寬
F=0.155d2
32.55，取35
工作齒高
hw=H1m=1.7m
8.5mm
齒全高
h=h2m=1.88m
9.44mm
法向壓力角
α
20°
20°
軸交角
Σ
90°
90°
分度圓直徑
d=mz
35mm
210mm
節(jié)錐角
γ1=tanh-1z1z2
9°27′
80°33′
節(jié)錐距
A0=d12sinγ1=d22sinγ2
106.47mm
106.47mm
周節(jié)
t=3.1416m
15.708mm
15.708mm
齒頂高
ha1=ha*+x1m
ha2=ha*+x2m
6.1458mm
2.3542mm
齒根高
hf1=h-ha1，hf1=h-ha1
3.2942mm
7.0858mm
齒高
h=2ha*+c*m
9.44mm
9.44mm
頂系
c=h-hw
0.94mm
0.94mm
齒根角
θf=arctanhfA0
1°46′
3°48′
頂錐角
δa1=γ1+θf2
δa2=γ2+θf1
13°15′
82°19′
根錐角
θf1=γ1-θf1,θf2=γ2-θf2
7°41′
76°45′
頂圓直徑
da1=d1+2ha*?cosγ1
da1=d1+2ha*?cosγ1
47.123mm
210.775mm
（b）中點螺旋角
螺旋角是沿齒寬變化的，輪齒大端的螺旋角大，輪齒小端的螺旋角小。選擇β時，應考慮它對齒面重合度的εF、輪齒強度和軸向力大小的影響。β越大，則εF也越大，同時嚙合的齒數越多，傳動就越平穩(wěn)，噪聲越低，而且齒輪的強度越高。
汽車主減速器弧齒錐齒輪螺旋角或雙曲面齒輪副的平均螺旋角一般為35°~40°。乘用車選用較大的β值以保證較大的εF，使運轉平穩(wěn)，噪聲低；商用車選用較小的β值以防止軸向力較大，通常取35°，本次設計取35°。
（c）螺旋方向
從錐齒輪錐頂看，齒形從中心線上半部向左傾斜為左旋，向右傾斜為右旋。主、從動錐齒輪的螺旋方向是相反的。螺旋方向與錐齒輪的旋轉方向影響其所受軸向力的方向。當變速器掛前進擋時，應使主動齒輪的軸向力離開錐頂方向，這可以使主、從動齒輪有分離趨勢，防止輪齒卡死而損壞。
（d）法向壓力角
法向壓力角大一些可以增加輪齒強度，減少齒輪不發(fā)生根切的最少齒數，也可以使齒輪運轉平穩(wěn)，噪音低。本次設計貨車弧齒錐齒輪，α選用20°。
3.2.2 主減速器錐齒輪材料及熱處理
驅動橋錐齒輪的工作條件是相當惡劣的，與傳動系的其它齒輪相比，具有載荷大，作用時間長，載荷變化多，帶沖擊等特點。其損壞形式主要有齒輪根部彎曲折斷、齒面疲勞點蝕（剝落）、磨損和擦傷等。根據這些情況，對于驅動橋齒輪的材料及熱處理應有以下要求：
1. 具有較高的疲勞彎曲強度和表面接觸疲勞強度，以及較好的齒面耐磨性，故齒表面應有高的硬度；
2. 輪齒心部應有適當的韌性以適應沖擊載荷，避免在沖擊載荷下輪齒根部折斷；
3. 鋼材的鍛造、切削與熱處理等加工性能良好，熱處理變形小或變形規(guī)律易于控制，以提高產品的質量、縮短制造時間、減少生產成本并將低廢品率；
4. 選擇齒輪材料的合金元素時要適合我國的情況。
汽車主減速器用的螺旋錐齒輪以及差速器用的直齒錐齒輪，目前都是用滲碳合金鋼制造。在此，齒輪所采用的鋼為20CrMnTi。
用滲碳合金鋼制造的齒輪，經過滲碳、淬火、回火后，輪齒表面硬度應達到58～64HRC，而心部硬度較低，當端面模數〉8時為29～45HRC。
對于滲碳深度有如下的規(guī)定：當端面模數m≤5時， 為0.9～1. 3mm
當端面模數m>5～8時，為1. 0～1. 4mm
由于新齒輪接觸和潤滑不良，為了防止在運行初期產生膠合、咬死或擦傷，防止早期的磨損，圓錐齒輪的傳動副（或僅僅大齒輪）在熱處理及經加工（如磨齒或配對研磨）后均予與厚度0.005～0.010mm的磷化處理或鍍銅、鍍錫。這種表面不應用于補償零件的公差尺寸，也不能代替潤滑。
對齒面進行噴丸處理有可能提高壽命達25％。對于滑動速度高的齒輪，為了提高其耐磨性，可以進行滲硫處理。滲硫處理時溫度低，故不引起齒輪變形。滲硫后摩擦系數可以顯著降低，故即使?jié)櫥瑮l件較差，也會防止齒輪咬死、膠合和擦傷等現象產生。
3.2.3 螺旋錐齒輪的強度計算
1.損壞形式及壽命
在完成主減速器齒輪的幾何計算之后，應對其強度進行計算，以保證其有足夠的強度和壽命以及安全可靠性地工作。在進行強度計算之前應首先了解齒輪的破壞形式及其影響因素。
齒輪的損壞形式常見的有輪齒折斷、齒面點蝕及剝落、齒面膠合、齒面磨損等。它們的主要特點及影響因素分述如下：
（1）輪齒折斷
主要分為疲勞折斷及由于彎曲強度不足而引起的過載折斷。折斷多數從齒根開始，因為齒根處齒輪的彎曲應力最大。
①疲勞折斷：在長時間較大的交變載荷作用下，齒輪根部經受交變的彎曲應力。如果最高應力點的應力超過材料的耐久極限，則首先在齒根處產生初始的裂紋。隨著載荷循環(huán)次數的增加，裂紋不斷擴大，最后導致輪齒部分地或整個地斷掉。在開始出現裂紋處和突然斷掉前存在裂紋處，在載荷作用下由于裂紋斷面間的相互摩擦，形成了一個光亮的端面區(qū)域，這是疲勞折斷的特征，其余斷面由于是突然形成的故為粗糙的新斷面。
②過載折斷：由于設計不當或齒輪的材料及熱處理不符合要求，或由于偶然性的峰值載荷的沖擊，使載荷超過了齒輪彎曲強度所允許的范圍，而引起輪齒的一次性突然折斷。
為了防止輪齒折斷，應使其具有足夠的彎曲強度，并選擇適當的模數、壓力角、齒高及切向修正量、良好的齒輪材料及保證熱處理質量等。齒根圓角盡可能加大，根部及齒面要光潔。
（2）齒面的點蝕及剝落
齒面的疲勞點蝕及剝落是齒輪的主要破壞形式之一，約占損壞報廢齒輪的70%以上。它主要由于表面接觸強度不足而引起的。
①點蝕：是輪齒表面多次高壓接觸而引起的表面疲勞的結果。由于接觸區(qū)產生很大的表面接觸應力，常常在節(jié)點附近，特別在小齒輪節(jié)圓以下的齒根區(qū)域內開始，形成極小的齒面裂紋進而發(fā)展成淺凹坑，形成這種凹坑或麻點的現象就稱為點蝕。一般首先產生在幾個齒上。在齒輪繼續(xù)工作時，則擴大凹坑的尺寸及數目，甚至會逐漸使齒面成塊剝落，引起噪音和較大的動載荷。在最后階段輪齒迅速損壞或折斷。減小齒面壓力和提高潤滑效果是提高抗點蝕的有效方法，為此可增大節(jié)圓直徑及增大螺旋角，使齒面的曲率半徑增大，減小其接觸應力。在允許的范圍內適當加大齒面寬也是一種辦法。
②齒面剝落：發(fā)生在滲碳等表面淬硬的齒面上，形成沿齒面寬方向分布的較點蝕更深的凹坑。凹坑壁從齒表面陡直地陷下。造成齒面剝落的主要原因是表面層強度不夠。例如滲碳齒輪表面層太薄、心部硬度不夠等都會引起齒面剝落。當滲碳齒輪熱處理不當使?jié)B碳層中含碳濃度的梯度太陡時，則一部分滲碳層齒面形成的硬皮也將從齒輪心部剝落下來。
（3）齒面膠合
在高壓和高速滑摩引起的局部高溫的共同作用下，或潤滑冷卻不良、油膜破壞形成金屬齒表面的直接摩擦時，因高溫、高壓而將金屬粘結在一起后又撕下來所造成的表面損壞現象和擦傷現象稱為膠合。它多出現在齒頂附近，在與節(jié)錐齒線的垂直方向產生撕裂或擦傷痕跡。輪齒的膠合強度是按齒面接觸點的臨界溫度而定，減小膠合現象的方法是改善潤滑條件等。
（4）齒面磨損
這是輪齒齒面間相互滑動、研磨或劃痕所造成的損壞現象。規(guī)定范圍內的正常磨損是允許的。研磨磨損是由于齒輪傳動中的剝落顆粒、裝配中帶入的雜物，如未清除的型砂、氧化皮等以及油中不潔物所造成的不正常磨損，應予避免。汽車主減速器及差速器齒輪在新車跑合期及長期使用中按規(guī)定里程更換規(guī)定的潤滑油并進行清洗是防止不正常磨損的有效方法。
汽車驅動橋的齒輪，承受的是交變負荷，其主要損壞形式是疲勞。其表現是齒根疲勞折斷和由表面點蝕引起的剝落。在要求使用壽命為20萬千米或以上時，其循環(huán)次數均以超過材料的耐久疲勞次數。因此，驅動橋齒輪的許用彎曲應力不超過210.9N／mm.表3-3給出了汽車驅動橋齒輪的許用應力數值。
表3-3 汽車驅動橋的許用應力（N/mm2）
計算載荷
主減速器齒輪的需用彎曲應力
主減速器齒輪的許用接觸應力
差速器齒輪的許用彎曲應力
Tjε，Tjψ中較小者
700
2800
980
Tjm
210.9
1750
210.0
實踐表明，主減速器齒輪的疲勞壽命主要與最大持續(xù)載荷（即平均計算轉矩）有關，而與汽車預期壽命期間出現的峰值載荷關系不大。汽車驅動橋的最大輸出轉矩和最大附著轉矩并不是使用中的持續(xù)載荷，強度計算時只能用它來驗算最大應力，不能作為疲勞損壞的依據。
2.主減速器螺旋錐齒輪的強度計算
(1)輪齒彎曲強度計算
汽車主減速器從動螺旋錐齒輪輪齒的計算彎曲應力為
σw=2×103?Tj?K0?Ks?KmKv?F?z?m2?J （3-8）
式中： ——齒輪計算轉矩，
——超載系數，1. 0；
——尺寸系數，Ks=4m25.4=0.67;
——載荷分配系數取=1；
——質量系數，對于汽車驅動橋齒輪，檔齒輪接觸良好、節(jié)及徑向跳動精度高時，取1；
J——計算彎曲應力用的綜合系數[9]，見圖3-2，J=0.26 。
圖3-2 完全計算用綜合系數
把參數代入公式得：σw=277.8 N/mm2<700N/mm2，滿足強度。
（1） 輪齒接觸強度計算
螺旋錐齒輪齒面的計算接觸應力σj(N/mm2)為：
σj=Cpd12×Tjz?K0?Ks?Km?Kf×103Kv?F?J （3-9）
式中：——主動齒輪計算轉矩Tjz=Tj6=1981.26=330.2N?m
——材料的彈性系數，對于鋼制齒輪副取232.6；
——主動齒輪節(jié)圓直徑，35mm；
，，同3. 10；
——尺寸系數，=1；
——表面質量系數，對于制造精確的齒輪可取1；
F——齒面寬，取齒輪副中較小值即從動齒輪齒寬35mm；
J—— 計算應力的綜合系數，J =0.132，見圖3-3所示。
圖3-3 接觸強度計算綜合系數J
將參數代入公式得：σj=2018N/mm2<2800N/mm2，滿足強度。
3.3 主減速器的潤滑
主加速器及差速器的齒輪、軸承以及其他摩擦表面均需潤滑，其中尤其應注意主減速器主動錐齒輪的前軸承的潤滑，因為其潤滑不能靠潤滑油的飛濺來實現。為此，通常是在從動齒輪的前端靠近主動齒輪處的主減速殼的內壁上設一專門的集油槽，將飛濺到殼體內壁上的部分潤滑油收集起來再經過近油孔引至前軸承圓錐滾子的小端處，由于圓錐滾子在旋轉時的泵油作用，使?jié)櫥陀蓤A錐滾子的下端通向大端，并經前軸承前端的回油孔流回驅動橋殼中間的油盆中，使?jié)櫥偷玫窖h(huán)。這樣不但可使軸承得到良好的潤滑、散熱和清洗，而且可以保護前端的油封不被損壞。
為了保證有足夠的潤滑油流進差速器，有的采用專門的倒油匙。為了防止因溫度升高而使主減速器殼和橋殼內部壓力增高所引起的漏油，應在主減速器殼上或橋殼上裝置通氣塞，后者應避開油濺所及之處。
加油孔應設置在加油方便之處，油孔位置也決定了油面位置。放油孔應設在橋殼最低處，但也應考慮到汽車在通過障礙時放油塞不易被撞掉。
3.4 本章小結
根據實際生產車型的設計參數確定了主減速比、主減速器的計算載荷，并根據相關機械設計、機械制造標準對齒輪參數進行了合理選擇，整理出螺旋錐齒輪的幾何尺寸表。在此基礎上，對主減速器齒輪進行了強度校核。最后，對主減速器齒輪材料及熱處理、主減速器的潤滑予以說明。
第4章 差速器的設計
4.1 概述
由于在第2章《驅動橋總體方案的確定》中已經介紹并分析，在這一章就不再贅述，直接開始普通錐齒輪式差速器的設計。
4.2 普通錐齒輪式差速器設計
1.行星齒輪數n
行星齒輪數n需要根據承載情況來選擇，在承載不大的情況下n可取兩個，反之應取n=4，本次設計取n=4.
2.行星齒輪球面半徑Rb
行星齒輪球面半徑Rb反應了差速器錐齒輪節(jié)錐距的大小和承載能力，可根據經驗公式來確定