《貨車轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋殼設(shè)計與仿真研究》13000字

PAGE1PAGE貨車轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋殼設(shè)計與仿真研究目錄TOC\o"1-2"\h\u1118貨車轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋殼設(shè)計與仿真研究 18835第1章引言 2102731.1課題研究的背景和意義 2254241.2驅(qū)動前橋種類及特點 3187161.3驅(qū)動前橋研究現(xiàn)狀 48034第2章驅(qū)動前橋構(gòu)造及總體方案 5236842.1結(jié)構(gòu)形式 583042.2構(gòu)造形式及工作條件 6289682.3商用車總質(zhì)量 6159262.4總體布置計算 669972.5方案論證 6290072.5本章小結(jié) 814546第3章驅(qū)動前橋設(shè)計計算 945233.1驅(qū)動系統(tǒng)總體設(shè)計 9179273.2主減速器的設(shè)計 109193.3弧齒錐齒輪的強度計算 1650713.4主減速器軸承的計算 1912379軸承A計算當(dāng)量動載荷P 23151803.5差速器的設(shè)計與計算 24246243.6半軸的設(shè)計與計算 2810767半軸的花鍵的擠壓應(yīng)力 31178543.7驅(qū)動前橋殼設(shè)計 313535第4章利用有限元分析法檢驗橋殼強度 3395704.1有限元軟件的介紹 33305834.2轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋殼的有限元分析 35197044.3本章小結(jié) 3926277結(jié)論 404804參考文獻(xiàn) 40[摘要]首先對課題和橋殼設(shè)計研究現(xiàn)狀做了一定的介紹，并對接下來的將要使用的設(shè)計方法進行了論述，初步介紹論文的大體框架。接著又對課題的介紹和對整體方案的大致介紹，其中設(shè)計了車橋中的傳動部件等的計算設(shè)計，如主減速器、差速器等的參數(shù)設(shè)計，為后面的橋殼設(shè)計提供合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中還涉及齒輪設(shè)計，零件剛度和強度檢驗，最重要的部分是橋殼的有限元分析，重點論述了理論計算和SOLIDWORKSsimulation插件的使用，對橋殼4種工況進行了分別分析研究論述。最后對總的內(nèi)容進行了總結(jié)歸納。[關(guān)鍵詞]轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋；主減速器；差速器；半軸；橋殼；有限元分析第1章引言1.1課題研究的背景和意義隨著環(huán)境保護力度加強,資源緊張問題日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)燃料載貨汽車產(chǎn)業(yè)收到巨大沖擊，急需新的研究進展，打破眼前的尷尬局面。由于當(dāng)今世界已經(jīng)步入了快速時代，物流行業(yè)飛速擴展，故載貨汽車市場被打開。由于市場需求載貨汽車也需要能夠高速行駛，且要操作便利，且要求能夠適應(yīng)在各種惡劣環(huán)境下正常運行，且污染小的特點，目前，貨運商用車設(shè)計要求愈發(fā)嚴(yán)格，市場前景一片大好。而本次的課題是利用有限元設(shè)計一款重型載貨汽車的轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋橋殼。在設(shè)計之前做好資料收集，再通過現(xiàn)有的書籍資料，初步了解載貨汽車的結(jié)構(gòu)特點、操作方式等進行初步學(xué)習(xí)，做好知識補充。轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋作為驅(qū)動部分，是載貨汽車的動力傳輸單元,在轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋設(shè)計中必須滿足結(jié)構(gòu)合理可靠，工作穩(wěn)定耐用的要求。目前現(xiàn)有驅(qū)動前橋的種類繁多，但都有著共同特點,都需要通過齒輪傳動來進行動力傳輸。哪怕是整體式驅(qū)動前橋，在尺寸要求的條件下,也離不開通過齒輪減速，再將動力傳輸?shù)杰囕啞：艽笠徊糠值尿?qū)動前橋的演變都離不開整體式，在整體式的基礎(chǔ)上升級換代。所以在設(shè)計前研究最普遍的整體式車橋,對于加深了解推導(dǎo)驅(qū)動前橋的結(jié)構(gòu)、車橋布置、動力傳遞方法、設(shè)計形式等都具有一定的意義。而且此次的設(shè)計需要全方位利用到大學(xué)所學(xué)知識，將有效加強個人能力，同時還能提高CAD繪圖能力和加強3D繪圖的學(xué)習(xí)和有限元分析的應(yīng)用。轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋是貨車的核心部件和總成。它關(guān)乎著整個車輛的動力傳動和載重能力。同時,車橋還需要經(jīng)受的住由于工作環(huán)境不同而產(chǎn)生的復(fù)雜的受力。所以,在設(shè)計轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋的過程中需要考慮讓車輛在大多環(huán)境下都能夠滿足車輛動力性、燃油經(jīng)濟性、制動性、操縱穩(wěn)定性、平順性和通過性[[][]余志生主編.汽車?yán)碚摚ǖ谖灏妫?北京：機械工業(yè)出版社，2009.03.1.2驅(qū)動前橋種類及特點汽汽車工業(yè)經(jīng)過了長時間的發(fā)展，已經(jīng)有了一套完整且固定體系,其中轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋主要分為整體式和非整體式等。目前各種轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。目前，大多數(shù)驅(qū)動前橋為單級主減速驅(qū)動前橋和兩級主減速驅(qū)動前橋。接下來要介紹的是驅(qū)動前橋的主要特點及應(yīng)用領(lǐng)域。車橋的結(jié)構(gòu)形式和種類繁多，根據(jù)功能的種類,可以分為帶有驅(qū)動和轉(zhuǎn)向兩個功能的轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋和只能轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向車橋等。本次課題要求設(shè)計的車橋橋殼為轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋的橋殼。轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋因功能問題導(dǎo)致結(jié)構(gòu)繁雜，其中不只有轉(zhuǎn)向功能還擁有著一套動力傳動系統(tǒng)，該車橋中含有主減速器、差速器、半軸、等速萬向節(jié)以及承載這些零件的驅(qū)動前橋橋殼。轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋不僅要能夠完成轉(zhuǎn)向還需將動力傳輸?shù)杰囕?。轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋的差速器是直接安裝在驅(qū)動前橋橋殼上，其傳動鏈較短,結(jié)構(gòu)較為緊湊。卡車通用轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋的結(jié)構(gòu)形式如圖1-1所示。圖1-1常用驅(qū)動前橋其中獨立式驅(qū)動前橋無需整體外殼來承載傳動零件，而那些傳動零件，如主減速器等的布置位置都是直接布置在車身上或車架上，從而減少了汽車簧上質(zhì)量，從而更好的提高車輛性能，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。而非獨立式轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋的構(gòu)造單一，經(jīng)濟性好，在各式車輛中應(yīng)用的更加廣泛，但重量也更重，對車輛的性能影響較大。為了提高車輛性能一般在采用非斷開式驅(qū)動橋，多采用多橋驅(qū)動。1.3驅(qū)動前橋研究現(xiàn)狀目前對車輛的轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋研究已經(jīng)處于瓶頸期，且種類繁多,不過現(xiàn)在的研究方向基本都是往無極變速去發(fā)展，從而更好的提高車輛的性能。目前我國的驅(qū)動前橋技術(shù)，還有待完善，與國際先進水平依然有著不小的距離,但部分企業(yè)已經(jīng)有了自己的設(shè)計與研發(fā)。現(xiàn)在汽車行業(yè)大多數(shù)企業(yè)對驅(qū)動橋殼設(shè)計方法已經(jīng)都有了一些固定方法，這些固定方法在未來一段時間依然會被廣泛使用，在對車橋沒有更好的突破的這段時間至少不會被淘汰，比如分析模型簡化法、圖解法、實驗法等。這些方法都有一個相同原理，那就是利用固定的工況時的最大應(yīng)力來模擬實際情況來求一個安全系數(shù)，從而保證橋殼的強度,但這些方法都還存在著較大的問題，在設(shè)計出來成品后往往還需要大量的整改。我國目前的技術(shù)水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，生產(chǎn)水平落后,研究投入力度小。目前,市場上對于車輛的性能要求達(dá)到了一定高度，對于橋殼的設(shè)計要求越來越嚴(yán)格，但在橋殼CAE建模、性能分析和工藝設(shè)計上的問題造成了現(xiàn)有對橋殼研究的瓶頸。本文利用有限元分析法去驗證貨車的轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋殼是否符合要求。為了使車橋結(jié)構(gòu)相對簡單，降低布置難度和制造成本，故此次選擇非斷開式。

第2章驅(qū)動前橋構(gòu)造及總體方案本文以載貨汽車轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋橋殼為研究對象。由于載貨汽車往往需要運載大量貨物，往往在滿載時質(zhì)量較大，也導(dǎo)致了貨車車身需要很強的剛度和結(jié)構(gòu)，故本次對轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋設(shè)計方案結(jié)構(gòu)采用整體式車橋結(jié)構(gòu)。整體式車橋不僅布置方便、維修維護方便，可大量生產(chǎn)，經(jīng)濟性好，且在實際應(yīng)中也被更廣泛的應(yīng)用于載貨汽車等。2.1結(jié)構(gòu)形式本次設(shè)計的載貨汽車車型的主要參數(shù)如下所示：表2-1設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)2.2構(gòu)造形式及工作條件大多數(shù)商用車驅(qū)動的方式為中置后驅(qū)，4×2的車型，但此次設(shè)計的要求的是轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋，但由于貨車的重量大多集中在后橋，如果只是靠前橋驅(qū)動，可能會導(dǎo)致貨車無法正常行駛，為了更好的提高車輛性能，本次設(shè)計將采用全輪驅(qū)動形式，4×4車型。2.3商用車總質(zhì)量該車型的整備質(zhì)量為4330kg，滿載質(zhì)量可以達(dá)到8015kg。2.4總體布置計算本次計算按理論力學(xué)模型來計算，即受力均勻分布于車橋上，滿載情況下，由于整車重心的位置分布大部分載荷主要作用在后橋上,故該車輛在滿載情況時前橋經(jīng)計算最大載荷為3200kg。2.5方案論證驅(qū)動前橋的主要結(jié)構(gòu)形式如圖2.2所示，類型主要分為了斷開式車橋（圖2.2（c））、非斷開式車橋（圖2.2（a））和擺動半軸結(jié)構(gòu)的車橋（圖2.2（b）），每種車橋的結(jié)構(gòu)形式有其應(yīng)用的范圍和自身優(yōu)勢。圖2.2車橋的布置簡圖[[][]劉惟信.汽車車橋設(shè)計[M].北京:人民交通出版社，1987.每種車橋的結(jié)構(gòu)形式有其應(yīng)用的范圍和自身優(yōu)勢。目前比較常用的兩種驅(qū)動前橋為非斷開式（非獨立式）轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋和斷開式（獨立式）轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋。非獨立式轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋的強度高，工況穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單，但是非斷開式轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋簧下質(zhì)量大，減震能力差,影響操縱穩(wěn)定性。故此次的轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋設(shè)計采用非斷開式車橋。綜合考慮下，為了符合經(jīng)濟性，此次設(shè)計的橋殼為整體式。（1）主減速結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋主減速器主要有弧齒錐齒輪、雙曲面齒輪等。本次設(shè)計的載貨車轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中的減速器采用弧齒錐齒輪減速器,從而實現(xiàn)變速箱到萬向傳動裝置的動力90度轉(zhuǎn)換。本文設(shè)計對象是貨車。故無需輪邊減速器通過條件要求計算出減速比,以單極弧齒圓錐齒輪完成這一減速要求,合理設(shè)計車橋空間，保證經(jīng)濟性。（2）差速裝置車橋的差速器是為了保證不發(fā)生過量的車胎損壞、燃油過多消耗和操作時照成轉(zhuǎn)向不便等問題。本次在設(shè)計轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋殼時差速器部分殼體空間按照普通錐齒輪差速器設(shè)計。此類差速器應(yīng)用范圍廣，足夠達(dá)到課題要求。半軸半軸根據(jù)其車輪端的支承方式不同，可分為半浮式、3／4浮式和全浮式三種形式[[][]（日）武田信之著.載貨汽車設(shè)計.方永龍譯.北京：人民交通出版社，1998（4）橋殼結(jié)構(gòu)橋殼支撐整車質(zhì)量，承受來自地面的反作用力,所以橋殼的設(shè)計要承受的住在各種工況下的不同載荷，并保證能夠?qū)鲃硬考侠戆惭b。由于此次采用的是非獨立整體式橋殼，可以通過鑄造一體成型，降低生產(chǎn)成本，且非獨立式整體車橋橋殼強度和剛度都很大，哪怕是大質(zhì)量貨車都可布置這種類型，但這些優(yōu)勢也給加工帶來了麻煩，因為質(zhì)量大，加工難度提高，且對加工技術(shù)要求更高。綜合考慮,此次設(shè)計的轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋橋殼確定為整體式橋殼,整橋確認(rèn)為非獨立式轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋,既滿足產(chǎn)品經(jīng)濟性和強度，又能提高整車的各項性能。圖2.2驅(qū)動前橋的結(jié)構(gòu)形式2.5本章小結(jié)本次重點對車型進行分析,并對車橋的主要結(jié)構(gòu)形式進行了確定,采用非獨立式車橋,車橋內(nèi)部安裝一級弧齒錐齒輪主減速結(jié)構(gòu)、配合普通錐齒輪式差速器、半浮式半軸和整體式橋殼。

第3章驅(qū)動前橋設(shè)計計算此次動力傳輸與傳統(tǒng)傳輸路線大致相同，但由于此次貨車為雙驅(qū)動，故此次的傳動軸動力將向前驅(qū)動橋和后驅(qū)動橋一起傳輸。以下是該貨車的驅(qū)動前橋圖。圖3-1非斷開式驅(qū)動前橋[[][]王望予.汽車設(shè)計（第3版）[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.3.1驅(qū)動系統(tǒng)總體設(shè)計此次設(shè)計內(nèi)容只需研究的貨車的傳動系統(tǒng)的路線與傳統(tǒng)的后驅(qū)貨車有所不同，傳統(tǒng)是發(fā)動機到后橋，但此次為雙驅(qū)貨車，且研究對象為轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋，故只需研究從發(fā)動機到前橋，并帶動車輪轉(zhuǎn)動，完成車輛驅(qū)動。車橋不僅需要完成自身作為傳動部件的任務(wù)傳輸動力，還需要能夠承受住來自整輛車所帶來的重量。在非獨立式車橋中從發(fā)動機到車橋的傳動動力在傳輸?shù)杰囕嗊€需先經(jīng)過主減速器的減速，然后帶動差速器旋轉(zhuǎn)再將動力轉(zhuǎn)換到兩個半軸，從而通過半軸帶動車輪轉(zhuǎn)動，完成載貨車的驅(qū)動。轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋的主減速器的分類特征可以根據(jù)齒輪形式、減速形式及齒輪支撐形式來進行減速器的結(jié)構(gòu)命名和選擇。由于此次設(shè)計對象為貨車的轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋，大部分載貨集中于后橋，故前橋載荷小，在對比了各式的主減速器結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點后，經(jīng)綜合考慮此次主減速器的形式為單級、弧齒錐齒輪懸臂式減速器。本次設(shè)計可按照車輛已給的性能指數(shù)來確定相對準(zhǔn)確的減速比。而且此次的驅(qū)動方式為雙驅(qū)動且前驅(qū)動橋載荷小，故通過單次的減速足夠完成減速要求，同時此次所打算設(shè)計的驅(qū)動前橋為非獨立式，所以本文設(shè)計的轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)較小，整體質(zhì)量也會比較小，可同時滿足工藝性要求與經(jīng)濟性要求。差速器采用普通圓錐齒輪式，橋殼則采用整體形式的鋼板沖壓焊接轉(zhuǎn)向驅(qū)動前橋橋殼。3.2主減速器的設(shè)計3.2.1主減速器結(jié)構(gòu)形式經(jīng)初步核算與相關(guān)資料分析的使用條件，此次主減速器的選擇為單級減速、弧齒錐齒輪、懸臂布置。圖3-3主減速器齒輪傳動形式3.2.2主減速器主動齒輪安裝方式下圖所示是主減速器中主動錐齒輪的兩種放置圖樣。圖3-4主減速器錐齒輪的支撐形式此次設(shè)計的車輛為雙驅(qū)動，故前驅(qū)動橋的主減速器主動軸所受的轉(zhuǎn)矩較小，故選用懸臂式的布置形式就足夠滿足設(shè)計要求。3.2.3主減速比的確定由傳動路線圖可知在計算轉(zhuǎn)矩時需考慮各個部件間的傳動效率，從而才能計算出主減速比，利用公式（3-1）（3-1）式中：--滾動半徑，大小為0.487m--車速達(dá)到峰值時發(fā)動機轉(zhuǎn)速，大小3000r/min--最高車速，大小為120Km/h--最高檔傳動比，大小為1將已知參數(shù)帶入上式計算得到：＝5.323.2.4主減速器齒輪載荷計算最大扭矩330N.m，當(dāng)轉(zhuǎn)速傳輸經(jīng)過主減器后將下降5.32倍，當(dāng)對主減速器齒輪所受的最大力矩計算，需要以發(fā)動機最大扭矩和最低檔傳動比來對主減速器齒輪的最大載荷和驅(qū)動輪打滑來確定從動齒輪最大轉(zhuǎn)矩（）兩者中的較小者，但在實際生活中，如果輪胎打滑小于齒輪的最大載荷承受能力，那么該車輛的性能等會出現(xiàn)大問題，該車輛可能無法到達(dá)最高車速，故作為計算從動齒輪最大應(yīng)力的最終扭矩可直接選取從動齒輪的最大轉(zhuǎn)矩，兩個扭矩的計算方法如下：3.2.5主減速器計算載荷的確定1、按發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩和變速箱最低擋傳動比確定從動錐齒輪的計算轉(zhuǎn)矩從動錐齒輪計算轉(zhuǎn)矩（3.2）式中：—計算轉(zhuǎn)矩，N·m；—本次課題提供的發(fā)動機所能提供的最大轉(zhuǎn)矩；由課題可得n—計算驅(qū)動橋數(shù)，2；—分動器傳動比，1；—最低擋傳動比，7.285；—主減速比，5.32；η—傳動效率，查閱相關(guān)資料可得取η=0.9；—超載系數(shù)，由于此次設(shè)計對象是一般載貨汽車，故；代入式（3.2），有：=5755.3N·m2、按車輪打滑轉(zhuǎn)矩確定從動齒輪的計算轉(zhuǎn)矩（3-3）式中：==28080N—輪胎與地面之間的附著系數(shù)，一般情況下大多數(shù)使用正常輪胎在公路上行駛的汽車，=0.85；--滾動半徑，車輪輪胎的滾動時候的半徑等于0.487m；，--分別是已經(jīng)經(jīng)過主減速器減速后再到貨車車輪之間的傳動效率和比值，查問資料其中可以取0.9，由于此次設(shè)計不需要輪邊減速器，所以此時取1.0；--負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)取1.2；代入式（3.3），有：=152753、按車輛每天正常工作時的轉(zhuǎn)矩確定從動齒輪的計算轉(zhuǎn)矩此次的設(shè)計對象載貨汽車為普通公路汽車，工作環(huán)境穩(wěn)定，所以其正常持續(xù)的轉(zhuǎn)矩可以用日常平均牽引力的大小來計算得出：（3.4）式中：--滿載重量，78547N；--牽引掛車滿載總重量，由于無牽引掛車故取0；--道路滾動阻力系數(shù)，在此取0.016；--車輛正常工作時平均爬坡能力系數(shù)，查閱資料后可取0.06；--汽車的性能系數(shù)在此取0；--主減速器從動齒輪到車輪之間的效率；取為0.9；--主減速器從動齒輪到車輪之間的傳動比；--驅(qū)動橋數(shù)。所以3.2.5主減速器齒輪基本參數(shù)的選擇（1）主、從動齒輪齒數(shù)的選擇為保證主減速器齒輪間磨合均勻、強度、齒面重合度和行駛穩(wěn)定性，減少噪音污染從而更好的保證司機能夠有更好的駕駛感，保證離地間隙，主、從動齒輪的輪齒數(shù)目、齒輪大小都至關(guān)重要。根據(jù)有關(guān)的齒輪設(shè)計注意事項和經(jīng)驗參考相關(guān)資料，從而確定本次驅(qū)動前橋的主從動齒輪齒數(shù)分別為，。（2）從動齒輪節(jié)圓直徑及端面模數(shù)的選擇從動齒輪不能過大，否則的話會導(dǎo)致驅(qū)動橋殼的離地間隙過小而不滿足整車要求，但太小又會對主動齒輪的安裝布置空間位置和差速器的安裝布置照成麻煩。可根據(jù)經(jīng)驗公式初選，即（3.5）式中：--直徑系數(shù)，值的大小可從13.0～16.0中選?。?-從動錐齒輪的計算轉(zhuǎn)矩，。所以故選取，則，（3）.弧齒錐齒輪齒寬F的選擇從動錐齒輪齒面寬b應(yīng)滿足b≤10m，對于本次所使用的齒輪形式將選用以下數(shù)值：=41.23mm，為滿足齒輪強度要求在此取60mm，（4）螺旋角β的選擇一般情況下在普通汽車主減速器齒輪中的平均螺旋角為35°～40°，貨車屬于商用車，一般情況下商用車為保證零件壽命,在選取螺旋角時會選取較小的β值以防止軸向力過大照成零件過度損壞，通常情況大多數(shù)汽車選取35°，故此次螺旋角度選擇35°（5）法面壓力角α的選擇本貨車采用20°。（6）弧齒錐齒輪參數(shù)的計算。通過以上計算分析，得出主減速齒輪的主要尺寸參數(shù)大小如表3-1所示。表3-1主減速器圓弧錐齒輪的幾何尺寸計算用表3.3弧齒錐齒輪的強度計算齒輪材料為20GrMnTi[[][]吳克堅,于曉紅,錢瑞明.機械設(shè)計[M].北京:高等教育出版社,2003.（1）單位齒上的圓周力為驗證出此次設(shè)計的齒輪擁有足夠的耐磨性，將選用單位齒長的圓周力來估算驗證，即：式中：P－－齒輪所受的圓周力，N；F－－從動齒輪的齒面寬，。按照發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩來計算：（3-6）式中：主動齒輪節(jié)圓直徑，；變速器的傳動比。按最大轉(zhuǎn)矩：按最大附著力：=1636.24＜1429×1.25=1789.25表3-2單位齒長上的圓周力隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)、加工工藝的逐漸進步，一般實際情況下得到的許用單位齒長上的圓周力通常都會允許高出表中的數(shù)據(jù)。（2）輪齒的彎曲強度計算計算彎曲強度應(yīng)力為：N/（3-7）式中：該齒輪的計算轉(zhuǎn)矩，單位；而在計算從動齒輪的彎曲強度應(yīng)力時，按中的較小者和計算；超載系數(shù)，經(jīng)相關(guān)資料選取為1；尺寸系數(shù)，當(dāng)端面模數(shù)時，；載荷分配系數(shù)，本次選定為；質(zhì)量系數(shù)，本文選定為；所要計算齒輪的齒面寬，本文選定為28mm;在計算齒輪彎曲應(yīng)力時用的綜合系數(shù)，其中已經(jīng)包括了齒形系數(shù)。查詢相關(guān)資料選定；用計算：大齒輪：小齒：彎曲強度驗算合格。（3）齒輪的齒面接觸強度計算計算接觸應(yīng)力為：用計算：（3-8）=2658.7＜2800齒面接觸強度驗算合格。3.4主減速器軸承的計算3.4.1錐齒輪齒面上的作用力（3-9）式中：—發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩，330N.m表3-3變速器處于各當(dāng)事的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩利用率將以上數(shù)據(jù)代入上面的公式（3.9），則有：對于圓錐齒輪的齒面中點的分度圓直徑（3-10）（3-11）式中：—從動齒輪節(jié)圓直徑，?。弧獜膭育X輪齒面寬，取=60mm；—從動齒輪節(jié)錐角，取；—主、從動齒輪齒數(shù)，，將以上結(jié)果代入式（3-10）、（3-11）解得：=38.13mm；=207mm(1)齒寬中點處的圓周力齒寬中點處的圓周力為（3-12）式中：—作用在該齒輪上的轉(zhuǎn)矩，；—主動齒輪齒面寬中點處的分度圓直徑。按公式（3.14）求取主減速器從動錐齒輪齒寬中點處的圓周力由=可知，在此次設(shè)計的齒輪副中，大小齒輪圓周力大小相等的。錐齒輪的軸向力和徑向力如下圖所示，主動錐齒輪螺旋方向為左旋，的作用點在齒面寬中點A處且方向為法向方向，和是在該作用點處的螺旋方向的法平面內(nèi)的兩個分解力二者之間的夾角是90度，其中與OA之間的夾角也為90度且在平面內(nèi)，在與OA相切的節(jié)錐切平面內(nèi)。在該平面內(nèi)可沿切線方向分解出圓周力F和沿節(jié)圓母線方向分解出力。其中F與之間的夾角大小就是螺旋角β的大小，與的夾角大小等于法向壓力角[[]過學(xué)迅,鄧亞東.輕型卡車車設(shè)計[M].北京:人民交通出版社,2005.]，所以：[]過學(xué)迅,鄧亞東.輕型卡車車設(shè)計[M].北京:人民交通出版社,2005.圖3-7主動錐齒輪齒面的受力圖（3-13）（3-14）（3-15）所以，軸向力和徑向力分別為：（3-16）（3-17）由式（3.18）可計算；由式（3.19）可計算；3.4.2錐齒輪軸承載荷的計算此時該軸上的軸承的所受軸向載荷就是由于齒輪的軸向力產(chǎn)生且大小相等。如果此時選用圓錐滾子軸承作為該軸上軸承的話，此時將多出一個應(yīng)徑向力而導(dǎo)致的派生軸向力。而該軸承所受的徑向載荷就是因為齒輪的徑向力、圓周力及軸向力這三個力而產(chǎn)生且大小等于三者的合力。因為齒輪尺寸，支承形式和軸承位置已經(jīng)通過上述步驟計算得出，故此時就可通過以下公式計算出軸承的徑向載荷。以下圖示是采用懸置式的主動錐齒輪和騎馬式從動錐齒輪的軸承徑向載荷，如下圖所示ABCD圖3-8騎馬式主動錐齒輪圖3-9騎馬式從動錐齒輪a=41.7mm，b=60mmc=173mm，d=181mm。軸承A，B的徑向載荷分別為=（3-18）（3-19）式中：—見式（3-14）、式（3-18）及式（3-19），，=2002.24，=4966；—齒面寬中點處的分度圓直徑，=50.00。=3799.33N軸承A的軸向力軸承B的軸向力=4966從動軸上的軸承徑向載荷分別為：=（3-20）=（3-21）式中：、、已從上述計算過程中求出，因為兩軸相交角度大小為90°此時對于該傳動副來說，主動齒輪軸向力就是從動齒輪的徑向力，那么對于從動齒輪來說，=6457，=4966，=2002.24；—大齒輪齒面寬中點處的分度圓直徑，=215。將以上數(shù)據(jù)代入式（3.22）及式（3.23），有：=3550.1軸承C的軸向力=5749.24N。=3731.35軸承D的軸向力=0。3.4.3錐齒輪軸承型號的確定軸承A計算當(dāng)量動載荷P=0.4查閱有關(guān)軸承資料圓錐滾子軸承e值為0.36，故>e，由此得X=0.4,Y=1.5。載荷系數(shù)=1.2。[[]成大先.機械設(shè)計手冊第一卷[M].北京[]成大先.機械設(shè)計手冊第一卷[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1993.（3-22）將各參數(shù)代入式（3.22）中，有：=14241.56軸承應(yīng)有的基本額定動負(fù)荷（3-23）式中：—軸承的預(yù)期壽命，；—溫度系數(shù)，查閱有關(guān)資料可知大小11；—壽命系數(shù)，查閱有關(guān)資料可知該系數(shù)大小為10/3；n—軸承計算轉(zhuǎn)速，單位r/min。為無輪邊減速器，故可用下方公式求計算轉(zhuǎn)速為：（3-24）式中:—最高車速為120；—車輪滾動半徑，可取QUOTE=0.487代入（3.24），則：n2=665n1=125代入（3-23）中，則；=61536.17<63000經(jīng)驗算結(jié)果和查閱相關(guān)資料可選擇30208圓錐滾子軸承，該軸承壽命和強度均能夠滿足設(shè)計要求。其他軸承也用相同方法驗算，不過上訴計算軸承載荷最大，其他軸承可按軸寬直接選用。3.5差速器的設(shè)計與計算采用普通圓錐齒輪差速器，由于此次設(shè)計的對象車輛為雙驅(qū)動，且作用在轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋的載荷較小，故只需2個行星輪與半軸齒輪嚙合，差速器結(jié)構(gòu)形式可從下圖看清。1--差速器軸承；2--差速器左外殼；3--差速器墊片；4--差速器半軸齒輪；5--差速器墊圈；6--差速器行星齒輪；7--差速器從動齒輪；8--差速器右外殼；9--差速器十字軸；10--差速器螺栓圖3-10差速器結(jié)構(gòu)[[][]臧杰,閻巖．汽車構(gòu)造[M].北京:機械工業(yè)出版社,200參數(shù)選擇1、行星齒輪數(shù)n=22、行星齒輪球面半徑3、行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)。，。4、差速器圓錐齒輪模數(shù)及半軸齒輪節(jié)圓直徑，行星齒輪與半軸齒輪的節(jié)錐角的初步確定。其中分別為行星齒輪和半軸齒輪的齒數(shù)節(jié)圓直徑，。5、壓力角貨車差速器錐齒輪的壓力角大多的選用=6、行星齒輪安裝孔的直徑以及深度LL=1.1LL=18.7其中：差速器傳遞的轉(zhuǎn)矩,；行星齒輪數(shù)；為齒輪支撐面的中點到錐頂?shù)木嚯x,單位;≈0.5,為半軸齒輪齒面中點處的直徑,而≈0.8；許用擠壓應(yīng)力,取69[[]趙九江,趙祖耀.材料力學(xué)[M].哈爾濱[]趙九江,趙祖耀.材料力學(xué)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1987,3.5.2差速器齒輪的幾何尺寸的計算和強度計算表3-4汽車差速器的直齒錐齒輪幾何尺寸計算由于差速器主要在車輪出現(xiàn)不同速度時才發(fā)生作用，故不考慮工作壽命要求，只需對彎曲強度進行計算。差速器的彎曲應(yīng)力為:（3-25）式中：T半軸所受轉(zhuǎn)矩；計算轉(zhuǎn)矩；n差速器行星齒輪數(shù)目；半軸齒輪齒數(shù)；超載系數(shù)，取＝1；尺寸系數(shù)；如果模數(shù)時，＝；載荷分配系數(shù)，取＝1；質(zhì)量系數(shù)，查閱相關(guān)資料此次設(shè)計可?。?；齒面寬，端面模數(shù)，綜合系數(shù)。由計算：=906故此次設(shè)計的差速器圓錐齒輪滿足要求。3.6半軸的設(shè)計與計算本文已確認(rèn)采用半浮式半軸。半浮式半軸計算載荷的確定：需分別通過三種工況要求來設(shè)計半浮式半軸第一種載荷工況下急剎時，車輪縱向力達(dá)到最大，不受側(cè)向力。垂向力為：--一側(cè)車輪對地垂直載荷；--滿載時前橋?qū)Φ剌d荷；--質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)。=21532（3-26）縱向力按最大附著力計算=17256（3-27）當(dāng)發(fā)動機達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩且在掛最低擋時車輪的行駛計算的縱向力比地面帶來的縱向力小時，按下式計算，（3-28）為差速器的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)；--為發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩；--為最低檔傳動比；--為汽車的傳動效率；--為輪胎的滾動半徑。左右半軸所承受的彎矩為=2411.4（3-29）轉(zhuǎn)矩為(2)在第二種載荷工況下當(dāng)汽車發(fā)生側(cè)滑，側(cè)向力此時達(dá)到最大值，縱向力為零，半軸上只有彎矩作用發(fā)生微小形變，但作用在左右車輪的垂向力、和側(cè)向力、互不相等。求法如下所示：;（3-30）（3-31）;（3-32）（3-33）--車輪輪距；--質(zhì)心高度；側(cè)向附著系數(shù)。所以=48412；=2472；=48235；=4506在左右半軸上由，引起的合成彎矩分別為；（3-34）（3-35）將數(shù)據(jù)帶入計算得：=10258.4;=1125.4(3)在第三種載荷的工況下正常行駛情況下，垂直方向的力達(dá)到最大，此時其他力都為零，所以半軸只受垂向彎矩；（3-36）其中，為動載荷系數(shù)；==740(4)半軸強度的計算計算轉(zhuǎn)矩（3-37）＜（3-38）所以合格。此半軸在受以上全部載荷時彎曲應(yīng)力和合成應(yīng)力分別為：工況一：242.1MPa；=435MPa工況二：589.3MPa；=728.4MPa89.2MPa；=389MPa工況三：298.5MPa;由于，所以上述得到的驗證結(jié)果均符合要求。(5)半軸花鍵的剪切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力的校核半軸花鍵的剪切應(yīng)力：=（3-39）半軸的花鍵的擠壓應(yīng)力=134.7MPa；（3-40），，該部分合格。3.7驅(qū)動前橋殼設(shè)計驅(qū)動橋殼可分為3種形式，可分式、整體式和組合式。整體式橋殼適合在整車質(zhì)量較大的時候布置，因為它剛度較好，強度較高，能夠提供較大的承載能力，可分式橋殼雖然工藝性較好，但在維修維護時麻煩，現(xiàn)已經(jīng)逐漸的被汽車行業(yè)淘汰?？紤]到以后該設(shè)計對象貨車未來將長時間工作，故需要方便維修維護，本文選擇的橋殼是整體式橋殼，從制造工藝方向出發(fā)，鑄造式整體式橋殼強度和剛度大但在考慮經(jīng)濟性和加工難度上，鑄造式橋殼遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼板沖壓焊接式橋殼，這種結(jié)構(gòu)的特點是不浪費材料、質(zhì)量小和經(jīng)濟性好，同時方便維修，制造成本較低等，并且此次設(shè)計對象貨車為雙驅(qū)貨車，質(zhì)心位置靠近后橋，重量載荷大部分在后橋，故采用鋼板沖壓焊接式。綜合以上分析，橋殼結(jié)構(gòu)采用鋼板沖壓焊接整體式結(jié)構(gòu)，能夠很好的滿足經(jīng)濟性和強度使用性能等方面的各項要求。一、汽車以最大牽引力行駛時的橋殼強度計算；在左右鋼板彈簧座之間的彎矩M為M==116.3Nm(3-41)在左右鋼板彈簧座之間的垂向彎矩Mv為(3-42)水平彎矩(3-43)在左右鋼板彈簧座之間轉(zhuǎn)矩(3-44)在該斷面的合成彎矩為(3-45)在該斷面處的合成應(yīng)力為二、汽車緊急制動時的橋殼強度計算在左右鋼板彈簧座之間垂向彎矩水平彎矩為=；(3-46)，(3-47)--質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)取1.2。制動力引起的轉(zhuǎn)矩為(3-48)在該斷面的合成彎矩為(3-49)(3-50)上述所求均小于，所以橋殼檢驗合格。為更加直觀以下對橋殼進行有限元分析。第4章利用有限元分析法檢驗橋殼強度4.1有限元軟件的介紹4.1.1背景有限元分析（FEA）軟件是在你已建立的3D模型的基礎(chǔ)上對其建立數(shù)學(xué)模型然后再對其分析模擬評估檢驗的軟件，一般的有限元分析都可以分析各式各樣的工程、零件強度檢驗等問題，且有限元分析大概可包括靜力學(xué)分析、流體力學(xué)分析、熱力傳輸分析和抗疲勞分析檢驗等。在現(xiàn)代很多機械設(shè)計分析中都離不開這個分析環(huán)節(jié)。有限元分析目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，預(yù)計此環(huán)節(jié)將一直持續(xù)到有新的方法為止。有限元分析具體是將模型網(wǎng)格化成為以個個離散單元，不同形狀網(wǎng)格形狀也不同，再將整體離散單元分析整合表達(dá)實際連續(xù)域的過程分析。4.1.2有限元分析的意義有限元分析的本質(zhì)是以“離散逼近”為基礎(chǔ)，將分析模型用的復(fù)雜原函數(shù)用大量的簡單函數(shù)去近似帶替，從而達(dá)到分析模型所要達(dá)到的理想結(jié)果。在未有有限元分析之前，傳統(tǒng)設(shè)計零件等工程類任務(wù)繁瑣且難度大，尤其是在對其檢驗和做力學(xué)分析時，往往都是人工手動完成，任務(wù)量大得出結(jié)果后還需反復(fù)檢驗。而現(xiàn)代設(shè)計有了有限元分析之后，可以在確定設(shè)計方案時先對要求進行力學(xué)等因素進行分析，從而選擇最合適的方案，這樣可以大大縮短設(shè)計周期，減少很多繁瑣計算的過程，從而大幅度有效的提高了產(chǎn)品生產(chǎn)力，從而提高經(jīng)濟效益。從有限元分析的原理上來看，是用大量的分段函數(shù)對一個模型進行分析，相對簡單的分段函數(shù)使得復(fù)雜無解的原函數(shù)可得出求解的可能，雖然在表面上看這樣會帶來更大的工作量，但在現(xiàn)代機械工業(yè)中已經(jīng)可以采用計算機去處理這個對于人來說的恐怖工作量。有限元分析軟件通過計算機成功將化繁為簡的優(yōu)勢發(fā)揮出來，且解決了工作量的問題。有限元分析的出現(xiàn)也給產(chǎn)品質(zhì)量的提升帶來顯著提高。在生產(chǎn)前，可先通過產(chǎn)品的物理模型進行有限元分析，可以直觀的發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品在工作條件下所會發(fā)生的形變效果，位移效果等，從而去優(yōu)化和完善產(chǎn)品，故可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和工藝性。有限元分析法是在轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋殼設(shè)計中最常用的方法之一，有限元分析軟件的時候給橋殼設(shè)計帶來了很大的改變。設(shè)計師通過有限元分析的使用減少了設(shè)計產(chǎn)品和生產(chǎn)產(chǎn)品周期，顯著提高生產(chǎn)效率，也改善了產(chǎn)品質(zhì)量，增加公司在市場里的硬實力。4.1.3選擇有限元分析軟件本次物理建模我使用的3D繪圖軟件是SOLIDWORKS，故在選擇有限元軟件時，我直接選擇SOLIDWORKS中自帶的有限元分析插件SOLIDWORKSsimulation，因為這二者是來自同一個軟件故在進行分析時可以不用靠率適配問題，且在分析過程中如果有零件尺寸條件不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致零件質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，可以直接在物理模型圖上直接修改所需要的尺寸，大大提高了設(shè)計的效率和準(zhǔn)確性，且SOLIDWORKSsimulation插件在對橋殼在不同工況條件下進行應(yīng)力分析的功能完全足夠，且操作較為簡單，步驟如下：第一步，找到simulation插件并打開（我使用的是2021年最新版）。第二步，點擊新算例，新建有限元分析算例，在此我使用的是靜應(yīng)力分析。第三步，點擊網(wǎng)格，對物理模型生成網(wǎng)格。第四步，點擊夾具顧問，選擇固定方式，我選用的方式是固定幾何體。第五步，打開應(yīng)用材料，選擇設(shè)計物體所需要的材料，我選擇的是鑄造鋼。第六步，添加外部載荷，選擇物體所要承受的外部載荷受力。第七步，運行算例，生成結(jié)果，分析模型是否達(dá)到要求。具體圖解如下圖：圖4-1有限元分析步驟圖4.2轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋殼的有限元分析事先建立好轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋橋殼的物理模型，此次我利用在橋殼兩端、鋼板彈簧座等為置添加夾具，添加約束，模仿車輪、鋼板彈簧懸架等部件在車輛上對轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋的支撐和施加力的作用的功能。利用SOLIDWORKS軟件中的有限元插件，模仿實際工況下車橋橋殼的各種受力情況與變形情況，從而檢驗車橋橋殼強度與剛度是否能夠滿足在現(xiàn)實生活的使用。4.2.1橋殼的工況分析在現(xiàn)實生活中，汽車在使用的過程中，一般有著4種可能，不考慮因事故照成的不可預(yù)判的受力載荷工況，分別是滿載時，這個時候車輛的重量最大，這也代表了豎直方向的力此時達(dá)到最大，所以在分析豎直方向橋殼是否能夠滿足強度要求考慮這種情況就行，同理剎車時與以最大牽引力行駛時這兩種情況，最能夠代表與行駛方向相同或相反時的力與垂直載荷共同作用時，車橋橋殼的變形情況；而當(dāng)發(fā)生側(cè)滑時，此時沿橋殼方向的橫向載荷達(dá)到最大。4.2.2橋殼的有限元分析在進行有限元分析前弄清各種工況的位移限制情況和受力情況，然后利用有限元插件中的夾具功能對橋殼進行理論方向限制約束和施加外部載荷的功能，對橋殼進行理論性力學(xué)模型研究分析。此次橋殼材料選擇的是鑄造碳鋼，下圖4-2是鑄造碳鋼的屬性參數(shù)。圖4-2鑄造碳鋼屬性參數(shù)滿載時候的橋殼分析先對橋殼自由度進行約束，在橋殼兩端添加夾具固定橋殼，對橋殼的X,Y,Z方向的位移進行限制約束，在鋼板彈簧座施加滿載載荷，再進行運算，如圖所示：圖4-3滿載時應(yīng)力分析和位移分析圖從上圖可看出最大變形位移為0.558mm，且最大應(yīng)力處應(yīng)力大小為遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力，故滿足要求。急剎和最大牽引的橋殼分析汽車急剎與以最大牽引行駛的受力和約束情況相當(dāng)，故在此同時進行比較分析，且急剎情況時的總合力變形更為劇烈，故在比較強度要求時只對急剎的情況進行比較。對下列兩幅圖4-4（a）和4-4（b）是兩者的應(yīng)力分析和位移分析圖。圖4-4（a）最大牽引時應(yīng)力分析與位移分析圖圖4-4