一、设计的目的和意义

课程设计题目—轿车后驱动桥设计和研究是主要针对20##届车辆工程方向毕业生设置的。设置本选题有以下目的和意义：

1）通过进行轿车后驱动桥设计和研究，可以加深学生对汽车设计理论，汽车技术发展方向和汽车构造的理解；提高学生的总体素质，为进入社会后的工作奠定坚实的基础。

2）在进行产品设计时，需要学生参考原型车辆测绘、转配、设计、验证，通过这个过程，可以使学生了解研发流程，在进入工作岗位后很快适应研发工作。

3）本次设计用CAD软件作为成形和装配工具，通过学习二维虚拟设计，可以缩短设计周期，提高设计质量。提高我院学生运用二维设计软件工作的能力。

4）在进行性能研究时，需要掌握更深层的建模、计算、仿真分析的理论和工具，便于一部分有余力的同学水平更进一步。

二、毕业设计内容

本课题要求包括两个部分：1）各组成部分的理论研究、参数设计；2）各部件的机构设计，三维实体模型的建立，装配和干涉。具体要求：

1）能够完成汽车构造中各主要部件的参数化设计；

2）能完成底盘的结构设计和装配。

三、设计方法

本次设计的基本流程为：提出乘用车整体设计的目标要求：整车的动力性，制动性，平顺性要求，和整车的质量、装配要求。然后根据汽车设计的开发流程，实现总体和部件的设计。详细过程如下：

1）参数化设计：提出整体设计要求：质量、轴荷、乘员数、动力性、制动性、平顺性要求、确定发动机动力参数，确定变速器、主减速器等传动参数，制动和转向要求；确定各部件结构形式和基本参数。

2）计算机三维造型：根据理论计算的主要参数，对汽车构造各零件和总成进行三维造型和装配，要遵循三维造型的原则，注意造型细部规划，并按照软件设计小组的要求进行相关格式的转变。本步骤也是设计的关键步骤。

3）结构设计完成后，对整车性能进行分析，检查动力性等各项指标，并进行必要的力学分析。

江苏大学汽车学院本科生课程设计开题报告

                               20##年 3月 15日

目录

摘要... 1

第一章 绪论... 3

1.1 本设计的目的与意义... 3

1.2 驱动桥国内外发展现状... 3

1.3 本设计的主要内容... 3

1.4 本次设计的其他数据... 4

第二章 驱动桥的选型... 5

2.1 驱动桥的选型... 5

2.1.1 方案（一）：非断开式驱动桥... 5

2.1.2 方案（二）：断开式驱动桥... 6

2.1.3 方案（三）：多桥驱动的布置... 7

第三章  驱动桥壳的设计... 18

4.1 驱动桥壳结构方案选择... 18

a 可分式桥壳... 18

b 整体式桥壳... 18

c 组合式桥壳... 19

4.2 驱动桥壳强度计算... 20

4.2.1 桥壳的静弯曲应力计算... 20

4.2.2 在不平路面冲击载荷作用下的桥壳强度计算... 21

4.2.3 汽车以最大牵引力行驶时的桥壳强度计算... 22

4.2.4 紧急制动时的桥壳强度计算... 23

4.2.5 汽车受最大侧向力时的桥壳强度计算... 24

总结... 37

参考文献... 38

致谢... 39

摘要

本课题“驱动桥设计研究”在满足各项设计参数要求的前提下，依据相关标准，在零部件、材料、结构工艺形式等方面，突出合理的结构设计创新问题，采用三维建模软件cad辅助设计。其设计部分包括：半轴结构型式设计，桥壳设计以及零部件参数设计和汽车设计概述及相关的软件介绍等内容，设计到机械课程的多个方面。

本文对驱动桥的设计过程进行了论述，半轴采用半浮式半轴，主要介绍半轴杆径、长度的确定及其强度校核，花键联接的各主要参数的确定及其强度校核等内容；桥壳采用钢板冲压焊接整体式桥壳，主要介绍在满足主减速器，差速器和半轴的安装之后的强度校核；

关键词：半轴 桥壳 车轮 CATIA

第一章 绪论

1.1 本设计的目的与意义

通过进行轿车驱动桥的设计和研究，以加深对汽车设计理论，汽车技术发展方向和汽车构造的的理解，为进入社会从事汽车技术工作奠定坚实的基础。

    在进行产品设计时，通过参考原型车辆完成测绘、装配、设计、验证，通过这个过程，可以了解研发流程，在进入工作岗位后很快适应研发工作。

    本次设计用cad二维设计软件作为成型和装配工具，通过二维虚拟设计可以缩短设计周期，提高设计质量并提高运用三维设计软件工作的能力。

1.2 驱动桥国内外发展现状

    目前国产驱动桥在国内市场占据了绝大部分份额，但仍有一定数量的车桥依赖进口，国产车桥与国际先进水平仍有一定差距。国内车桥长的差距主要体现在设计和研发能力上，目前有研发能力的车桥厂家还不多，一些厂家仅仅停留在组装阶段。实验设备也有差距，比如工程车和牵引车在行驶过程中，齿轮啮合接触区的形状是不同的，国外先进的实验设备能够模拟这种状态，而我国现在还在摸索中。

在具体工艺细节方面，我国和世界水平的差距还比较大，归根结底后桥的功用是承载和驱动。在这两方面，今年来出现了一些新的变化。另外，在结构方面，单级驱动桥的使用比例越来越高；技术方面，轻量化、舒适性的要求将逐步提高。总体而言，现在汽车向节能、环保、舒适等方面发展的趋势，要求车桥向轻量化、大扭矩、低噪声、宽速比、寿命长和低生产成本。

1.3 本设计的主要内容

本设计为轻型越野车底盘设计和研究（包括传动系，行驶，转向系，制动系），本文设计传动系中的后桥设计，要求完成：

   1.传动半轴，桥壳，车轮的部分的设计和选型

   2.参数设计和理论研究

   3.各组成部分的结构设计

4.利用cad进行二维实体的建立和装配和分析

1.4 本次设计的其他数据

汽车的质量参数包括整车整备质量，汽车总质量，载客量，载荷分配等。汽车性能参数主要有动力性参数，燃油经济性参数，通过性几何参数，操作稳定性参数，制动性参数等。一下是本设计有关的参数，如表1-1

                             表1-1

第二章 驱动桥的选型

2.1 驱动桥的选型

驱动桥的结构型式按齐总体布置来说共有三种（如图2-1），即普通的非断开式驱动桥，带有摆动半轴的非断开式驱动桥和断开式驱动桥。

图2-1  驱动桥的总体布置型式简图

(a)普通非断开式驱动桥；(b)带有摆动半轴的非断开式驱动桥；(c)断开式驱动桥

2.1.1 方案（一）：非断开式驱动桥

图2-2  非断开式驱动桥

普通非断开式驱动桥，如图2-2，由于其结构简单、造价低廉、工作可靠，最广泛地用在各种载货汽车、客车和公共汽车上，在多数的的越野汽车和部分轿车上也采用这种结构。它的具体结构是桥壳是一根支承在左、右驱动车轮上的刚性空心梁，而齿轮及半轴等所有的传动机件都装在其中。这时整个驱动桥、驱动车轮及部分传动轴均属簧下质量，使汽车的簧下质量较大，这是它的一个缺点。采用单级主减速器代替双级主减速器可大大减小驱动桥质量。采用钢板冲压-焊接的整体式桥壳及钢管扩制的整体式桥壳，均可显著地减轻驱动桥的质量。

驱动桥的轮廓尺寸主要决定于主减速器的型式。在汽车的轮胎尺寸和驱动桥下的最小离地间隙已经确定的情况下，也就限定了主减速器从动齿轮直径的尺寸。在给定主减速器速比的条件下，如果单级主减速器不能满足离地间隙要求，则可改用双级结构。后者仅推荐用于主减速比大于7.6且载货在6t以上的大型汽车上。在双级主减速器中，通常是把两级减速齿轮放在一个主减速器壳内，也可以将第二级减速齿轮移向驱动车轮并靠近轮毂，作为轮边减速器。在后一种情况下又有五种布置方案可供选择。

2.1.2 方案（二）：断开式驱动桥

图2-3  断开式驱动桥

断开式驱动桥区（如图2-3）别于非断开式驱动桥的明显特点在于前者没有一个连接左右驱动车轮的刚性整体外壳或梁。断开式驱动桥的桥壳是分段的，并且彼此之间可以做相对运动，所以这种桥称为断开式的。另外，它又总是与独立悬架相匹配，故又称为独立悬挂驱动桥。这种桥的中段，主减速器及差速器等是悬置在车架横梁或车厢底板上，或与脊梁式车架相联。主减速器、差速器与传动轴及一部分驱动车轮传动装置的质量均为簧上质量。两侧的驱动车轮由于采用独立悬挂则可以彼此独立地相对于车架或车厢作上下摆动，相应地就要求驱动车轮的传动装置及其外壳或套管，作相应摆动。所以断开式驱动桥也称为“带有摆动半轴的驱动桥”。

汽车悬挂总成的类型及其弹性元件与减振装置的工作特性是决定汽车行驶平顺性的主要因素，因汽车簧下部分质量的大小，对其平顺性也有显著的影响。断开式驱动桥的簧下质量较小，又与独立悬架相配合，致使驱动车轮与地面的接触情况及对各种地形的适应性比较好，由此可大大地减小汽车在不平路面上行驶时的振动和车厢倾斜；提高汽车的行驶平顺性和平均行驶速度；减小车轮和车桥上的动载荷及零件的损坏，提高其可靠性及使用寿命。但是，由于断开式驱动桥及与其相配的独立悬挂的结构复杂，故这种结构主要见于对行驶平顺性要求较高的一部分及一些越野汽车上，且后者多属于轻型以下的越野汽车或多桥驱动的重型越野汽车。

2.1.3 方案（三）：多桥驱动的布置

为了提高装载量和通过性，有些重型汽车及全部中型以上的越野汽车都是采用多桥驱动，常采用4×4、6×6、8×8等驱动型式。在多桥驱动的情况下，动力经分动器传给各驱动桥的方式有两种。相应这两种动力传递方式，多桥驱动汽车各驱动桥的布置型式分为非贯通式与贯通式。前者为了把动力经分动器传给各驱动桥，需分别由分动器经各驱动桥自己专用的传动轴传递动力，这样不仅使传动轴的数量增多，且造成各驱动桥的零件特别是桥壳、半轴等主要零件不能通用。而对8×8汽车来说，这种非贯通式驱动桥就更不适宜，也难与布置了。

为了解决上述问题，现代多桥驱动汽车都是采用贯通式驱动桥的布置型式。

在贯通式驱动桥的布置中，各桥的传动轴布置在同一纵向铅垂平面内，并且各驱动桥分别用自己的传动轴与分动器直接联接，而是位于分动器前面的或后面的各相邻两桥的传动轴，是串联布置的。汽车前后两端的驱动桥（第一、第四桥）的动力，是经分动器并贯通中间桥（分别穿过第二、第三桥）而传递的。其优点是，不仅减少了传动轴的数量，而且提高了各驱动桥零件的相互通用性，并且简化了结构、减小了体积和质量。这对于汽车的设计（如汽车的变形）、制造和维修，都带来方便。四桥驱动的越野汽车也可采用侧边式及混合式的布置。

经上述分析，考虑到所设计的轻型越野车车的载重和各种要求，其价格要求要尽量低，故其生产成本应尽可能降低。另由于轻型载重汽车对驱动桥并无特殊要求，和路面要求并不高，故本设计采用普通非断开式驱动桥。

第四章  驱动桥壳的设计

驱动桥壳的主要功用是支承汽车质量，并承受由车轮传来的路面反力和反力矩，并经悬架传给车架（或车身）；它又是主减速器、差速器、半轴的装配基体。驱动轴壳是传力件又是载件，因此驱动桥壳应满足如下设计要求：

1.足够的强度和刚度，以保证主减速器齿轮啮合正常并不使半轴产生附加弯曲应力。

2.保证足够的强度和刚度的前提下，尽量减小质量以提高汽车行使平顺性。

3.保证足够的离地间隙。

4.结构工艺性好，成本低。

5.保护装于其上的传动系部件和防止泥水浸入。

6. 拆装、调整、维修方便。

4.1 驱动桥壳结构方案选择

桥壳大体可分为三种形式：可分式、整体式、组合式。

a 可分式桥壳

可分式桥壳由两部分组成，每部分均有一个铸件壳体和一个压入其内部的轴管。轴管与壳体用铆钉连接，两半轴壳通过螺栓连接为一全。

可分式轴壳制造工式简单，主减速器轴承的支承刚性好。但拆装、调整、维修很不方便，轴壳的强度和刚度受到结构的限制，现已很少采用，应用的也多在中小型汽车上。

b 整体式桥壳

整体式桥壳的强度和刚度都比较大，桥壳制成整体结构后，主减速器和差减速器装配成总成再用螺栓安装到桥壳上，这种结构对主减速器的拆装、调整都比较方便。按照制造工艺方法，整体式桥壳双可分为铸造式、冲压焊接式和扩张成形式三种。

铸造式桥壳

铸造整体式桥壳，中间是可锻铸铁铸件，为增加轴壳的强度及刚度，在轴的两端压入用无缝钢管制成的半轴套管，这种结构的轴壳强度和刚度较大，钢板弹簧座与轴壳壳体铸成一体，轴壳可根据强度要求铸成适当的形状。壳的前端平面及孔可装主减速器，后端平面及孔可装上后盖，找开后盖可作检视孔用，它与冲压轴壳相比，主要缸点是重量大、加工面多、制造工艺复杂。亦有采用中央部分用铸件、两端压入钢管组成三节整体式轴壳，它与前面那种相比，重量有所减轻、工艺较简单，而中间轴壳与钢管连接处，同于受力情况复杂，往往在此形成弱点。

许多重型货车采用铸钢的铸造整体式轴壳，常作为检视孔的后端部多用冲压的钢板焊接成封闭结构，以增加轴壳的强度及刚度。

冲压焊接式桥壳

用钢板冲压焊接成形的整体式轴壳具有重量轻、工艺简单、材料利用率高制造成本低等优点，并适合于大量生产，因此在中小货车上广泛采用，目前同于冲压设备有了发展，这种轴壳的优点更显突出，因此许多重型货车的轴壳也采用了这种结构。

扩张成形式桥壳

扩张成形式桥壳是用一根无缝钢管扩张成形的桥壳。这种桥壳结构无论强度还是刚度都比较大，材料节省重量也轻，唯需要专用扩张轧制设备。

也可用两根无缝钢管的一端扩张成形后焊接的整体式桥壳，它是作为重型货车的驱动桥壳，焊缝高在中部垂直面上，其焊缝质量、焊缝始端终端的焊透深度以及焊缝的接合位置对驱动壳的寿命起着决定性影响，把弹簧座合制动凸缘的焊缝移至中性面上，从试验结果得到，扩张成形式桥壳是可以使驱动桥得使用寿命提高两三倍。

c 组合式桥壳

组合式桥壳是主减速器壳与部分桥壳铸成一体。，而后用无缝钢管压入壳体两端，两者之间用塞焊方法焊接在一起。它具有比较好的从动齿轮壳承的支承刚度，主减速器的装配调整也较分开式桥壳方便。然而这种桥壳要求有较高的加式精度，它的维修、装配、调整与整体式桥壳相比仍较复杂。桥壳刚度与整体式相比也差，常见用于轿车、轻载货车的驱动桥壳。

本车设计时综合考虑各种因素及经济性，选择了整体式的钢板冲压焊接式桥壳，其设计图如下所示，它由轴管法兰盘，定位圈，钢板弹簧座，后桥轴管，通气孔，底部通气孔，底盖，桥壳中段，加强环，内衬环，注油孔，放油孔等部分焊接组成。

4.2 驱动桥壳强度计算

4.2.1 桥壳的静弯曲应力计算

桥壳犹如一空心横梁，两端经轮毂轴承支撑于车轮上，在钢板弹簧作出桥壳承受汽车的簧上载荷，而沿左右轮胎的中心线，地面给轮胎以反力（双胎时则沿双胎之中心，桥壳则承受此力与车轮重力之差值，即。

桥壳按静载荷计算式，再起两钢板弹簧座之间的弯矩M为：

               

式中：--汽车满载静止与水平是驱动桥给地面的载荷，N；

  --车轮（包括轮毂、制动器等）的重力，N；

B--驱动车轮轮距，m；

s--驱动桥壳上两钢板弹簧座中心间的距离，m。

通常由于远小于，且设计时不易准确预计，当无数据时可以忽略不计。而静弯曲应力则为：

   MPa

式中： -危险断面处（钢板弹簧座附近）桥壳的垂向弯曲截面系数，圆形截面为。

  N·m    

4.2.2 在不平路面冲击载荷作用下的桥壳强度计算

    当汽车在不平路面上高速行驶时，桥壳除承受静止状态下那部分载荷外，还承受附加的冲击载荷。在这两种载荷总的作用下，桥壳所产生的弯曲应力为

                     MPa

式中：--动载荷系数，对轿车、客车取1.75，对载货汽车取2.5，对越野汽车取3.0；

    --桥壳在静载荷下的弯曲应力，MPa；

     =

满足的条件。

4.2.3 汽车以最大牵引力行驶时的桥壳强度计算

为了使计算简化，不考虑侧向力，仅按汽车作直线行驶时的情况进行计算，另从安全系数方面做适当考虑。设地面对后驱动桥左右车轮的反作用力相等，则

       

式中：--汽车满载静止与水平地面时给地面的总载荷；

--汽车质心高度；

而作用在左右驱动车轮上的转矩所引起的地面对左右驱动车轮的最大切向反作用力共为：

N

式中：--发动机的最大转矩，Nm；

--变速器档的传动比；

--驱动桥的主减速比；

--传动系的传动效率；

--驱动车轮的滚动半径，m。

此时后驱动桥壳在左右钢板弹簧座之间的垂向弯矩为

         ==1837.5

式中：见如上的说明。

由于驱动车轮所承受的地面对其作用的最大切向反作用力，使驱动桥壳也承受着水平方向的弯矩，对于装用普通圆锥齿轮差速器的驱动桥，由于其左右驱动车轮的驱动转矩相等，故有

==1081.5

     桥壳还承受因驱动车桥传递驱动转矩而引起的反作用力矩，这时在两钢板弹簧座间桥壳承受的转矩T为

           

式中：--发动机的最大转矩，Nm；

--传动系的最低档传动比；

--传动系的传动效率；

         

当桥壳在钢板弹簧座附近的危险断面是圆管断面时，在该断面处的合成弯矩为

                =4407.5Nm

该危险断面处的合成应力为

                

式中：W—危险断面处的弯曲截面系数，W=18176

           

4.2.4 紧急制动时的桥壳强度计算

这时不考虑侧向力，设地面对后驱动桥左右车轮的垂向反作用力、相等，则

        

式中：--汽车满载时静止于水平路面时给地面的总载荷，N；

--汽车质心高度，m；

g—重力加速度，；

a—制动减速度，。

对后驱动桥而言，质量转移系数==

可求得紧急制动时桥壳在两钢板弹簧座之间的垂向弯矩及水平方向的弯矩分别为

        

       

式中：各符号的含义同上。

 

桥壳在两钢板弹簧座的外侧部分处同时还承受制动力所引起的转矩T，对后驱动桥：

            T=

式中：--驱动车轮的滚动半径，m。

--驱动车轮与路面间的附着系数，计算时取0.8。

           T==

所以

4.2.5 汽车受最大侧向力时的桥壳强度计算

向右侧滑时，驱动桥左右车轮的支撑反力为：

       

式中：--汽车满载时的质心高度，m；

B—驱动车轮的轮距，m；

，取绝对值大的右侧向力为计算值，则

桥壳的许用弯曲应力为300~500 MPa，许用扭转切应力为150~400 MPa。可锻铸铁桥壳取较小值，钢板冲压焊接桥壳取最大值。这里是钢板冲压焊接桥壳，所以取最大值，即许用弯曲应力，许用扭转切应力,许用合成应力为。

可见以上五种情况下计算的应力和合成应力均满足许用应力的要求。