第五章 驱动桥设计

第一节 概述

一 功能1.增扭、降速，改变转矩的传递方向，即增大由

传动轴或变速器传来的转矩动力合理地分配给左、右驱动轮

2.承受作用于路面和车架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

二 组成 一般由主减速器、差速器、车轮传动装置和驱动桥壳等组成

三 基本要求

1. 所选择的主减速比应能保证汽车具有最佳的动力性和燃料经济性。

2. 外形尺寸要小，保证有必要的离地间隙。 3. 齿轮及其它传动件工作平稳，噪声小。4. 在各种转速和载荷下具有高的传动效率。5. 在保证足够的强度、刚度条件下，应力求质量小，尤其是簧下质量应尽量小，以改善汽车平顺性

第五章 驱动桥设计

第二节 驱动桥的结构方案分析

驱动桥的结构方案分析

非断开式驱动桥 结构简单、制造工艺性好、成本低、工作可靠、维修调整容易，广泛应用于各种载货汽车、客车及多数的越野汽车和部分小轿车上。但整个驱动桥均属于簧下质量，对汽车平顺性和降低动载荷不利。

驱动桥的结构方案分析

断开式驱动桥 结构较复杂，成本较高，但它大大地增加了离地间隙；

减小了簧下质量，从而改善了行驶平顺性，提高了汽车的平均车速；

减小了汽车在行驶时作用于车轮和车桥上的动载荷，提高了零部件的使用寿命；

驱动桥的结构方案分析断开式驱动桥 由于驱动车轮与地面的接触情况及对各种地形的适应性较好，大大增强了车轮的抗侧滑能力；

与之相配合的独立悬架导向机构设计得合理，可增加汽车的不足转向效应，提高汽车的操纵稳定性。

这种驱动桥在轿车和高通过性的越野汽车上应用相当广泛。

图 5-2 非断开式驱动桥1-主减速器 2- 套筒 3-差速器 4 、 7-半轴 5-调

整螺栓 6-调整垫片 8-桥壳

第五章 驱动桥设计

第三节 主减速器设计

分类（一）减速形式： 单级 双级 双速 整体（二）齿轮类型 ： 螺旋锥齿轮 io < 2 双曲面齿轮 io ＞ 4. 圆柱齿轮 io 发动机前横置前驱动 蜗杆传动 io ＞ 7

一 主减速器结构方案分析

一 主减速器结构方案分析

1 . 螺旋锥齿轮传动2 . 双曲面齿轮传动优点当双曲面齿轮与螺旋锥齿轮尺寸相同时，双曲面齿轮传动有更大的传动比

当传动比一定，从动齿轮尺寸相同时，双曲面主动齿轮比相应的螺旋锥齿轮有较大的直径，较高的轮齿强度以及较大的主动齿轮轴和轴承刚度

当传动比一定，主动齿轮尺寸相同时，双曲面从动齿轮直径比相应的螺旋锥齿轮为小，因而有较大的离地间隙

双曲面齿轮传动比螺旋锥齿轮传动还具有如下优点：①在工作过程中，双曲面齿轮副不仅存在沿齿高方向的侧向滑动，而且还有沿齿长方向的纵向滑动。纵向滑动可改善齿轮的磨合过程，使其具有更高的运转平稳性。

②由于存在偏移距，双曲面传动的主动齿轮的螺旋角较大，同时啮合的齿数较多，重合度较大，不仅提高了传动平稳性，而且使齿轮的弯曲强度提高约 30 ％。

③双曲面齿轮传动的主动齿轮直径及螺旋角都较大，所以相啮合轮齿的当量曲率半径较相应的螺旋锥齿轮为大，其结果使齿面的接触强度提高。

双曲面齿轮传动比螺旋锥齿轮传动还具有如下优点：④ 双曲面主动齿轮的螺旋角较大，则不产生根切

的最小齿数可减少，故可选用较少的齿数，有利于增加传动比。

⑤ 双曲面齿轮传动的主动齿轮较大，加工时所需刀盘刀顶距较大，因而切削刃寿命较长。

⑥ 双曲面主动齿轮轴布置在从动齿轮中心上方，便于实现多轴驱动桥的贯通，增大传动轴的离地高度。布置在从动齿轮中心下方可降低万向传动轴的高度，有利于降低轿车车身高度，并可减小车身地板中部凸起通道的高度。

双曲面齿轮传动也存在如下缺点：① 沿齿长的纵向滑动会使摩擦损失增加，降低传动效

率。双曲面齿轮副传动效率约为 96 ％，螺旋锥齿轮副的传动效率约为 99 ％。

② 齿面间大的压力和摩擦功，可能导致油膜破坏和齿面烧结咬死，即抗胶合能力较低。

③ 双曲面主动齿轮具有较大的轴向力，使其轴承负荷增大。

④ 双曲面齿轮传动必须采用可改善油膜强度和防刮伤添加剂的特种润滑油，螺旋锥齿轮传动用普通润滑油即可。

一 主减速器结构方案分析3 ．圆柱齿轮传动 一般采用斜齿轮，广泛应用于发动机横置且前置前驱动的轿车驱动桥和双级主减速器贯通式驱动桥。

4．蜗杆传动 蜗杆传动与锥齿轮传动相比有如下优点： 1)在轮廓尺寸和结构质量较小的情况下，可得到较大的传动 比 (可大于 7)。 2)在任何转速下使用均能工作得非常平稳且无噪声。 3) 便于汽车的总布置及贯通式多桥驱动的布置。 4)能传递大的载荷，使用寿命长。 5)结构简单，拆装方便，调整容易。

一 主减速器结构方案分析

但是由于蜗轮齿圈要求用高质量的锡青铜制作，故成本较高；另外，传动效率较低。

蜗杆传动主要用于生产批量不大的个别重型多桥驱动汽车和具有高转速发动机的大客车上。

主减速器形式

1．单级主减速器 io≤7 ， 进一步提高 io将增大从动齿轮直径，从而减小离地间隙，且使从动齿轮热处理困难。

轿车和轻、中型货车的驱动桥中

主减速器形式

2. 双级主减速器 主要结构特点是由两级齿轮减速组成的主减速器。

io 一般为 7-12

双级主减速器布置方式：

纵向水平布置： 可以使总成的垂向轮廓尺寸减小，从而降低汽车的质心高度，但使纵向尺寸增加，用在长轴距汽车上可适当减小传动轴长度，但不利于短轴距汽车的总布置，会使传动轴过短，导致万向传动轴夹角加大。

双级主减速器布置方式：

垂向布置： 使驱动桥纵向尺寸减小，可减小万向传动轴夹角，但由于主减速器壳固定在桥壳的上方，不仅使垂向轮廓尺寸增大，而且降低了桥壳刚度，不利于齿轮工作。这种布置可便于贯通式驱动桥的布置。

斜向布置： 对传动轴布置和提高桥壳刚度有利。

主减速器形式：

3. 双速主减速器 大、小的主减速比

4. 贯通式主减速器 多桥驱动汽车 5. 单双级减速配轮边减速器 io ＞ 12 某些重型汽车、矿山自卸车、越野车和大型公共汽车的驱动桥

二 主减速器主、从动锥齿轮的支承方案1．主动锥齿轮的支承2．从动锥齿轮的支承

三 主减速器锥齿轮主要参数选择

1 . 主、从动锥齿轮齿数 z1和 z22 . 从动锥齿轮大端分度圆直径 D2和端面模数 ms3 . 主、从动锥齿轮齿面宽 b1和 b24 . 双曲面齿轮副偏移距 E5 .中点螺旋角β6 . 螺旋方向7 .法向压力角

四 主减速器锥齿轮强度计算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

2）按驱动轮打滑转矩 确定从动锥齿轮的计算转矩 Tcs 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

四 主减速器锥齿轮强度计算 当计算锥齿轮最大应力时，计算转矩 Tg 取前面两种的较小值，即 Tg=min[Tce, Tcs]；

当计算锥齿轮的疲劳寿命时， Tc 取 Tcf。

四 主减速器锥齿轮强度计算

主动锥齿轮的计算转矩为 TZ=TC/ io ηg 式中， Tz为主动锥齿轮的计算转矩（ N.m） io为主传动比； ηg为主、从动锥齿轮间的传动效率。

计算时，对于弧齿锥齿轮福， ηg取 95%；对于双曲面齿轮副，当io>6时， ηg取 85%，当io<=6时， ηg取 90%.

（二）主减速器锥齿轮的强度计算

1. 单位齿长圆周力

2.轮齿弯曲强度

3. 轮齿接触强度

1) 单位齿长圆周力

主减速器锥齿轮的表面耐磨性长用轮齿上的单位齿长圆周力来估算

式中， F为作用在轮齿上的圆周力；b2为从动齿轮的齿面宽。

bFp

2

1) 单位齿长圆周力 按发动机最大转矩计算时

式中， ig为变速器传动比； D1为主动锥齿轮中点分度圆直径（ mm）。

按驱动轮打滑转矩计算时

102 3

22

22

mm

r

ibDrmG

p’

102 3

21

max

bDniikTk

pfged

2 ）轮齿弯曲强度锥齿轮轮齿的齿根弯曲应力为

ko --为过载系数，一般取 1 ； ks --为尺寸系数，它反映了材料性质的不均匀性，

与齿轮尺寸及热处理等因素有关，当 m.>=1.6mm时， ，当 m<1． 6mm时， ks= ＝ 0． 5；

102 30

JbDmkkkkT

Ws

ms

W

v

0. 25( / 25. 4)s sk m

2 ）轮齿弯曲强度

km --为齿面载荷分配系数， 跨置式结构： km ＝ 1． 0-1.1 ， 悬臂式结构： km ＝ 1． 10-1.25； kv --为质量系数，当轮齿接触良好，齿距及径向跳动精度高时， kv ＝ 1.0

b--为所计算的齿轮齿面宽 (mm)； D--为所讨论齿轮大端分度圆直径 (mm)； Jw --为所计算齿轮的轮齿弯曲应力综合系数，取法见参考文献 [10]。

3 ）轮齿接触强度

锥齿轮轮齿的齿面接触应力为：

σJ --为锥齿轮轮齿的齿面接触应力 (MPa)； D1 --为主动锥齿轮大端分度圆直径 (mm)； b -- 取 b1和 b2的较小值 (mm)；

102 30

1

bJk

kkkkTDC

JV

fmszp

J

3 ）轮齿接触强度 ks --为尺寸系数，它考虑了齿轮尺寸对淬透性的影响，通常取 1． 0；

kf --为齿面品质系数，它取决于齿面的表面粗糙度及表面覆盖层的性质 ( 如镀铜、磷化处理等 )，对于制造精确的齿轮， ks 取 1． 0；

Cp --为综合弹性系数，钢对钢齿轮， Cp 取232． 6N1/2mm；

--为齿面接触强度的综合系数，取法见参考文献 [11]；

ko 、 km、 kv 见式 (5—14)的说明。

JJ

五、主减速器锥齿轮轴承的载荷计算1．锥齿轮齿面上的作用力

五、主减速器锥齿轮轴承的载荷计算

锥齿轮在工作过程中，相互啮合的齿面上作用有一法向力。该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 齿宽中点处的圆周力 F为 F=2T/Dm2 Dm2=D2-b2sinγ2

五、主减速器锥齿轮轴承的载荷计算(2) 锥齿轮的轴向力和径向力 F=FTcosαcosβ (5-18)

FN=FTsina=Ftana ／ cosβ (5-19)

Fs=FTcosαsinβ=Ftanβ (5-20)

于是作用在主动锥齿轮齿面上的轴向力 Faz和径向力 Frz分别为

Faz=FNsinγ+Fscosγ (5-21)

Frz=FNcosγFssinγ (5-22)

六、锥齿轮的材料

锥齿轮材料应满足如下要求：1)具有高的弯曲疲劳强度和表面接触疲劳

强度，齿面具有高的硬度以保证有高的耐磨性。

2)轮齿芯部应有适当的韧性以适应冲击载荷，避免在冲击载荷下齿根折断。

六、锥齿轮的材料3) 锻造性能、切削加工性能及热处理性能良好，热处理后变形小或变形规律易控制。

4)选择合金材料时，尽量少用含镍、铬元素的材料，而选用含锰、钒、硼、钛、钼、硅等元素的合金钢。

汽车主减速器锥齿轮目前常用渗碳合金钢制造，主要有 20CrMnTi 、 20MnVB 、20MnTiB 、 22CrNiMo 和 16SiMn2WMoV 等。

六、锥齿轮的材料 渗碳合金钢的优点 : 是表面可得到含碳量较高的硬化层 (一般碳的质量分数为 0.8 ％～ 1． 2％ )，具有相当高的耐磨性和抗压性，而芯部较软，具有良好的韧性，故这类材料的弯曲强度、表面接触强度和承受冲击的能力均较好。由于较低的含碳量，使锻造性能和切削加工性能较好。其主要缺点是热处理费用高，表面硬化层以下的基底较软，在承受很大压力时可能产生塑性变形，如果渗透层与芯部的含碳量相差过多，便会引起表面硬化层剥落。

六、锥齿轮的材料 渗碳合金钢的优点 为改善新齿轮的磨合，防止其在运行初期出现早期的磨损、擦伤、胶合或咬死，锥齿轮在热处理及精加工后，作厚度为 0.005 ～ 0.02mm的磷化处理或镀铜、镀锡处理。对齿面进行应力喷丸处理，可提高 25 ％的齿轮寿命。对于滑动速度高的齿轮，可进行渗硫处理以提高耐磨性。渗硫后摩擦因数可显著降低，即使润滑条件较差，也能防止齿面擦伤、咬死和胶合。

第五章 驱动桥设计

第四节 差速器设计

差速器设计

功用： 在两输出轴间分配转矩，并保证两输 出轴有可能以不同角速度转动。

分类： 齿轮式、凸轮式、蜗轮式和牙嵌自由轮式

一、差速器结构形式选择

1．普通锥齿轮式差速器 K=0.05-0.15， Kb=1.11-1.352 ．摩擦片式差速器 K=0.6， Kb=43 ．强制锁止式差速器 提高通过性

二、普通锥齿轮差速器齿轮设计根据分析可得

T0T2T1T0T1-T2{

(一 )差速器齿轮主要参数选择

1．行星齿轮数 n 轿车： n=2 ；货车或越野车： n=4 。 2．行星齿轮球面半径 Rb 3 ．行星齿轮和半轴齿轮齿数 z1、 z2 4．行星齿轮和半轴齿轮节锥角 γ1、 γ2及模数 m 5 ．压力角 6 ．行星齿轮轴直径 d及支承长度 L

(二 )差速器齿轮强度计算

n--行星齿轮数； J-- 综合系数，取法见参考文献 [10]； b2、 d2--半轴齿轮齿宽及其大端分度圆直径 (mm)； T--半轴齿轮计算转矩 (N·m).

2 2

2 s mw

v

Tk k

k mb d Jn

],min[0 csce TTT [ ] 980w MPa

cFTT 0[ ] 210w MPa

第五章 驱动桥设计

第五节 车轮传动装置设计

车轮传动装置设计

功用：接受从差速器传来的转矩并将其传 给轮

装置：对于非断开式驱动桥，半轴； 对于断开式驱动桥，万向传动装置

车轮传动装置设计

一、结构形式分析 半浮式 3／ 4浮式 全浮式

四、半轴的结构设计

1)全浮式半轴杆部直径可按下式初步选取 )计算； K为直径系数，取 0． 205-0 ． 218。 根据初选的 d，按前面的应力公式进行强度校核。

2)半轴的杆部直径应小于或等于半轴花键的底径，以便使半轴各部分达到基本等强度。

四、半轴的结构设计3) 半轴的破坏形式大多是扭转疲劳损坏，在结构设计时应尽量增大各过渡部分的圆角半径，尤其是凸缘与杆部、花键与杆部的过渡部分，以减小应力集中。

4) 对于杆部较粗且外端凸缘也较大时，可采用两端用花键连接的结构。5) 设计全浮式半轴杆部的强度储备应低于驱动桥其它传力零件的强度储备，使半轴起一个“熔丝”的作用。半浮式半轴直接安装车轮，应视为保安件。

第五章 驱动桥设计

第六节 驱动桥壳设计

二 驱动桥壳强度计算 对于具有全浮式半轴的驱动桥，强度计算的载荷工况与半轴强度计算的：三种载荷工况相同。图 5-32 为驱动桥壳受力图，桥壳危险断面通常在钢板弹簧座内侧附近，桥儿端郎的轮毂轴承座根部也应列为危险断面进行强度验算。

第五章 驱动桥设计

第七节 驱动桥的结构元件

驱动桥的结构元件

.壹 支承轴承的预紧

二 . 锥齿轮啮合调整

三 . 润滑 对于螺旋锥齿轮主减速器，可加注一般的

齿轮油，但对于双曲面齿轮主减速器，则必须加注双曲面齿轮油。

思考题1. 主减速器的结构形式主要根据什么分？ 2. 单级主减速器的结构型式有哪几种？ i0<2, i0>4.5, i0=7--12, i0>12 时各应选择什么主减速器？3. 螺旋锥齿轮传动与双曲面齿轮传动相比的特点是什么？

4. 格里森齿制锥齿轮计算载荷的确定方法是什么？

思考题5. 驱动桥主减速器主动锥齿轮的载荷是如何计算的？6. 驱动桥的主要设计步骤？7. 差速器的主要设计步骤？8. 半轴的结构形式有哪些？受力特点？适用场合？

课堂讨论题（驱动桥结束后）1. 汽车总体设计分哪几个步骤？2. 什么叫静强度失效？疲劳强度失效？3. 传动系的动力路线？4. 驱动桥主减速器主动锥齿轮的载荷是如何计算的？5. 汽车的使用性能有哪几个？各性能的评价指标是什么？

6. 悬架、制动系、转向系分别和汽车的什么性能有关？

课堂讨论题（驱动桥结束后）

7. 离合器的主要设计步骤？8. 变速器的主要设计步骤？9. 同步器的主要设计步骤？10. 驱动桥的主要设计步骤？11. i0<2, i0>4.5, i0=7--12, i0>1

2 时各应选择什么主减速器？单级主减速器的结构型式有哪几种？

12. 斜齿轮口齿合时的受力如何？