奥迪A4L汽车驱动桥的结构设计 毕业设计

湖南11选5_[官网首页]奥迪A4L汽车驱动桥的结构设计 指导老师:车辆工程 090403011005教授 中国珠海 二一三 诚信承诺书本人郑重承诺:本人承诺呈交的毕业设计《奥迪A4L 汽车 驱动桥的结构设计》是在指导教师的指导下,独立开展研 究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后按 顺序列出其参考文献,设计使用的数据真实可靠。 本人签名: 日期: 奥迪A4L汽车驱动桥的结构设计 汽车驱动桥的功用就是将万向传动装置输入的发动机动力进行传递,从而实现降低速度,增大转矩的目的。在改变动力传递方向后,将动力分配到左,右两 个驱动轮。使汽车能够正常速度行驶,同时允许左右车轮以不同的转速旋转。湖南11选5_[官网首页]驱 动桥由主减速器,差速器,半轴,万向传动装置等组成。目前,发动机前横置前 轮驱动形式的传动系统已经广泛应用于很多轿车当中,由于在这样的系统当中的 变速器,主减速器和差速器组成一个整体,省去了传动轴,同时也缩短了传动路 线,提高了传动系统中的机械效率。在这样的一体式传动中,它可以同时完成变 速,差速和驱动车轮的功能。这种结构被称为变速驱动桥。并且由于驱动的是转 向轮,所以也被称为转向驱动桥。此种驱动桥不仅结构紧凑,也减轻了传动系统 的质量。湖南11选5_[官网首页] 关键词:主减速器;差速器;万向节;半轴;结构设计。湖南11选5_[官网首页] Structuredesign AudiA4L automotive drive axle Abstract Function automotivedriving axle universalgear entered enginepower delivery, achievelower speed, increase purpose.After changing powertransmission, assigned righttwo drive wheels.Normal speed vehicle,while allowing rightwheels rotatedifferent rotational speeds.Drive axle final drive, differential, axle shaft, universal joints othercomponents.At present, enginefront transverse front wheel drive transmission system has been widely applied manycars, due transmission,final drive differentialform whole,eliminating driveshaft, alsoshorten transmissionroute, increases mechanical efficiency transmissionsystem.In one drive, variablespeed, differential wheelsfeature.This structure variable-speedtransaxle.And because steeringwheel, also known steeringaxle.This axle onlycompact greatlyreduced transmissionsystem. Keywords finaldrive;Differ ential;Universal joints;Half shaft;Structural design. 2.1非断开式驱动桥 2.2断开式驱动桥..................................................................................................... 2.3驱动桥结构的论证结果....................................................................................... 3.1主减速器结构的选择结果 3.2主减速比 3.3主减速器基本参数的选择与设计计算.................................................................. 3.4主减速器齿轮基本参数的选择 113.5 主减速器齿轮的强度计算 ...................................................................................12 3.6 主减速器齿轮的材料及热处理 ............................................................................15 3.7 主减速器轴承的选择 .........................................................................................15 差速器的设计计算.......................................................................................................15 4.1 差速器的结构和工作原理 ..................................................................................16 4.2 差速器的结构组成和参数选择 ...........................................................................17 4.2.1 差速器齿轮的基本参数选择 .....................................................................17 4.2.2 差速器齿轮的强度计算 ............................................................................20 万向节的选择与设计....................................................................................................205.1 球笼式等速万向节的结构分析和设计.................................................................21 .......................................................................................................236.1 制动时强度计算 .................................................................................................24 6.2 受最大牵引力时强度计算 ...................................................................................24 6.3 半轴在最大扭矩时其花键的强度校核 .................................................................25 参考文献.........................................................................................................................27 谢辞................................................................................................................................28 附录................................................................................................................................29 译文................................................................................................................................34 附件清单.........................................................................................................................37 前言本课题是对奥迪A4L 驱动桥的结构设计,故本说明书将以奥迪A4L 为蓝本, 对驱动桥的主要零部件(差速器,主减速器,等速万向节,半轴等)进行结构型 式的设计与计算。 目前,奥迪 A4L 定位于运动,时尚,中高端的运动型轿车。其采用的是前置 前驱,独立悬架系统。而为了更好的适应这样的定位,以及配合独立悬架系统, 奥迪A4L 的驱动桥应该设计成断开式驱动桥,虽然断开式驱动桥的结构相对非断 开式驱动桥来说复杂得多,成本也相对较高,但是,断开式驱动桥能够大大地增 加离地间隙;减小弹簧质量,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; 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,大大增加了车轮的 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。这是非常符合奥迪A4L 的定位的。 随着科学技术的发展以及道路工况的不断改善,汽车的最大车速正在日益提 高。同时,节约能源,减少污染的环境意识使得我们汽车的发动机又向着大转矩 和低转速的方向发展。湖南11选5_[官网首页]为适应以上情况,汽车驱动桥主减速比应该相对减小,以 前,我们在桥中采用双级减速,并用复杂的结构形式提高通过性。与带轮边减速 器的驱动桥相比,由于产品结构简化,单级减速驱动桥机械传动效率提高,容易 磨损的工件相对减少,可靠性大大地提高了。单级桥产品的优势在于单它广阔的 发展前景。从产品设计的角度看,根据文献 ,奥迪A4L 在主减速比小于 况下,尽量选用单级减速驱动桥。我国汽车驱动桥的开发设计无论在技术、制造工艺上,还是在成本控制上与 国外都存在有不小的差距,尤其是齿轮制造技术缺乏独立开发与创新的能力,技 术手段相对落后。目前,行业的新产品开发能力不强、工艺创新及管理体系不够 完善,售后服务不到位,很大一部分产品无法提升档次,缺乏具有国际影响力的 品牌,行业没有得到统一的规划部署等一系列的问题。这都需要我们加快技术创 新,提高管理水平,加快与国际先进水平接轨,开发设计适应中国国情的汽车驱 动桥总成,由仿制到创新,早日缩小并消除与世界先进水平的差距。湖南11选5_[官网首页] 总体方案论证汽车主要技术参数: 轴距 L=2869mm发动机:最大功率: 6200r/min 118kw/4500max 最大扭矩:min 45001500 250max 空载质量:kg 满载质量:kg 216max 轮胎尺寸:225/55R16 非全尺寸 变速器一挡传动比: 325 离地间隙:h=130mm驱动桥处于动力传动系的末端,其基本功能是增大由传动轴或变速器传来的 转矩,并将动力合理地分配给左、右驱动轮,另外还承受作用于路面和车架或车 身之间的垂直力力和横向力。驱动桥一般由主减速器、差速器、车轮传动装置和 驱动桥壳等组成(引自文献 驱动桥的设计应该满足以下几点基本的要求: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油经济性。湖南11选5_[官网首页] 2)外形尺寸要尽量小,保证有相对较大的离地间隙以保证良好的通过性。 3)各传动件的工作平稳,尽量把噪声降到最低。 4)在不同的转速和载荷下都能够达到较高的传动效率。湖南11选5_[官网首页] 5)在保证汽车的安全性和操控性的稳定性条件下,其整体的质量要尽量小,特 别是簧下质量应尽可能小,以改善汽车平顺性。 6)转向驱动桥要与转向机构之间的运动协调性好。 7)结构简单,容易加工,制造和拆装,便于调整。 驱动桥的结构型式可以分为两大类,第一类为非断开式驱动桥,第二类为断 开式驱动桥。当驱动车轮采用非独立悬架时,应该选用非断开式驱动桥;当驱动 车轮采用独立悬架时,则应该选用断开式驱动桥。因此,非断开式驱动桥又称为非独立悬架驱动桥;断开式驱动桥又称为独立悬架驱动桥。独立悬架驱动桥结构 相对比较复杂,但可以在很大程度上提高汽车在不好的路况下的行驶平顺性。 2.1 非断开式驱动桥 普通非断开式驱动桥,由于结构简单、造价低廉、工作可靠,广泛用在各种 载货汽车、客车和公共汽车上,在多数的越野汽车和部分轿车上也采用这种结构。 他们的具体结构,特别是桥壳结构虽然各不相同,但是有一个共同特点,即桥壳 是一根支承在左右驱动车轮上的刚性空心梁,齿轮及半轴等传动部件安装在其 中。这时整个驱动桥、驱动车轮及部分传动轴均属于簧下质量,汽车簧下质量较 大,这是它的一个缺点。 驱动桥的轮廓尺寸主要取决于主减速器的型式。在轮胎尺寸和最小离地间隙 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。在给定主减速比 的条件下,如果单级主减速器不能满足离地间隙要求,可选用双级结构。在双级 主减速器中,通常把两级减速器齿轮放在一个主减速器壳体内,也可以将第二级 减速齿轮作为轮边减速器。对于轮边减速器:越野汽车为了提高离地间隙,可以 将一对圆柱齿轮构成的轮边减速器的主动齿轮置于其从动齿轮的垂直上方;公共 汽车为了降低汽车的质心高度和车厢地板高度,以提高稳定性和乘客上下车的方 便,可将轮边减速器的主动齿轮置于其从动齿轮的垂直下方。 2.2 断开式驱动桥 断开式驱动桥(图 2-1)区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,它又总是与独立悬挂 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 在车架横粱或车厢底板上,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 挂则可以彼此致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。 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,而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,又与独立悬挂相配合,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,增加使用寿命。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 较高的中高级轿车和越野车中。 图2-1 断开式驱动桥 2.3 驱动桥结构的论证结果 由于奥迪A4L 采用的是独立悬挂系统,并且所本次的设计方向为发动机前横 置,并基于奥迪减配车的定位,本次设计采用断开式驱动桥。 主减速器的结构论证和设计主减速器是汽车传动系中减小转速、增大扭矩的主要部件,它是依靠齿数少 的锥齿轮带动齿数多的锥齿轮。对发动机横置的汽车,主减速器不用考虑改变动 力方向。由于汽车在各种道路上行使时,其驱动轮上要求必须具有一定的驱动力 矩和转速,在动力向左右驱动轮分流的差速器之前设置一个主减速器后,便可使 主减速器前面的传动部件如变速器、万向传动装置等所传递的扭矩减小,从而达 到减小尺寸及质量,操纵省力的目的。 驱动桥中主减速器、差速器设计应满足如下基本要求: 1)设计中选择的主减速比要保证汽车的动力性相对增强,还要使燃油经济性。 2)外型尺寸要务必保证有良好的通过性;齿轮及其它传动部件的工作平稳。 3)在各种转速和载荷下具有高的传动效率;与悬架导向机构运动的协调性好。 4)在保证足够的强度、刚度条件下,应力求质量小,以改善汽车平顺性。5)结构简单,加工工艺性好,制造容易,拆装、调整方便。 为了满足不同的使用要求,主减速器的结构形式也是不同的。 按参加减速传动的齿轮副数目分,有单级式主减速器和双级式主减速器、双 级减速配以轮边减速器等。双级式主减速器应用于大传动比的中、重型汽车上, 若其第二级减速器齿轮有两副,并分置于两侧车轮附近,实际上成为独立部件, 则称轮边减速器。单级式主减速器应用于轿车和一般轻、中型载货汽车。单级主 减速器由一对圆锥齿轮组成,具有结构简单、质量小、成本低、使用简单等优点。 3.1 主减速器结构的选择结果 查阅文献 ,并通过方案论证,又因为所选的奥迪A4L为发动机前横置前轮 驱动车辆,所以本设计主减速器采用单级主减速器,由于发动机横置,主减速器 动力传输不用转向,所以主减速齿轮我采用圆柱斜齿轮。主传动传动比 3.2主减速比 的确定主减速比对主减速器的结构型式、轮廓尺寸、质量大小以及当变速器处于不 同档位时,汽车的动力性和燃油经济性都有直接影响。 的选择应在汽车总体设计时和传动系的总传动比i 一起由整车动力输出的计算来确定。也可以利用在不 同的总传动比i 下的功率平衡图来研究总传动比i 对汽车动力性能的影响。通过 优化设计,对发动机与传动系统的参数作最佳匹配,以此来选择总传动比i 达到获取最佳的动力性和燃油经济性目的。对于奥迪 A4L 来说,最大功率达 kw 118max ,还有对应的转速np 的情况 下,主减速比的确定应该要保证有相对高的最大车速。所以,主减速比的确定要 由公式3-1 来确定。 (3-1)rr ——车轮的滚动半径, mm 95 igh——变速器最高档传动比, 837 igh由以上数据并查阅奥迪ELSA 系统资料可知奥迪A4L 的主减速比 i0 的值为:4.655 3.3主减速器基本参数的选择与设计计算 主减速比 i0 、驱动桥的离地间隙 和计算载荷,都是主减速器设计的原始数据,我们根据论证方案下提供的数据, 为主减速比 i0 =4.655,驱动桥离地间隙为h=130mm。 1)主减速齿轮计算载荷的确定:计算载荷一般有下列三种方法。 方法一: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 (3-2)=125013.3254.6550.91=3482.522N.m kd ——猛接离合器所产生的动载系数,取 kd Temax——发动机最大转矩,由已知得 Temax =250Nm; K——液力变矩器变矩系数,K=1; i1 ——变速器一档传动比, i1 =3.325; i0 ——主减速器传动比, i0 =4.655; ——发动机到万向传动轴之间的传动效率,取=0.9; n——驱动桥数目,n=1; 方法二:当驱动轮打滑时输出的转矩,计算从动齿轮的转矩。 382995 G2——汽车满载状态下一个驱动器上的静载荷N, 算得: G2 =2055/2*9.8=10069.5N; 10 m2 ——汽车最大加速度时的轴负荷转移系数,取 m2 =1.3; f——轮胎与路面附着系数,查资料 得f=0.85;rr ——车轮滚动半径, 查出轮胎规格225/55R16,算得 mm 95 im——主减速器从动齿轮到车轮之间传动比 im =0.95;方法三.:按汽车日常行驶平均转矩确定从动齿轮计算转矩 Tcf Tcf(3-3) Ft ——汽车日常行驶平均牵引力: 上式中的等号后面分别滚动阻力,坡度阻力,空气阻力,加速阻力,日常 行驶时,就是在水平路面行使,所以在计算过程中不计坡度阻力和加速阻力。 所以,在日常行驶时的汽车的平均牵引力为: (3-4)Ga 为整车重力, Ga =1655kg*9.8N/kg=16219N 为滚动阻力系数,f=0.025CD 为空气阻力系数, CD =0.8 ua为日常平均行驶车速, ua =80 km/h;. 根据式(3-4)和已知数据可得日常行驶的牵引力 Ft =407.578N.m 11 所以,日常行驶的转矩为: 计算齿轮最大应力时,计算转矩Tc =min[ Tce Tcs]=3829.375 主减速器主动齿轮的平均计算转矩Tz 3.4主减速器齿轮基本参数的选择 (1)齿数的选择 齿数选择的基本依据为:当 时,主动齿轮的齿数z1 可取为7~12,为了 磨合均匀,主动齿轮的齿数 z1 ,从动齿轮的齿数 z2 之间要尽量避免公约数的存 在,为了得到理想的齿面重叠系数,它们之间的齿数之和应该不小于50。 i0=4.655 主动齿轮齿数取 z1 =12, z1=4.655*12=55.86, z2=56。故实际传动比为: 667 1256 z1=12, z2 =56,i=4.667 初选螺旋角为 =15 (2)齿轮端面模数和压力角的选择。根据JIS 的规定,本次设计的压力角 齿形系数77 1315 cos 12 6415 cos 56 zv12 查文献 图11-8得外齿轮齿形系数得 91 YFa查文献 图11-9得外齿轮齿根修正系数 51 YSa所以,法向模数 SaFa =3.75根据文献 表11-3和表11-6 得,载荷系数K=1.3,齿宽系数 表4-1选择齿轮法向模数 mn中心距 mm mm 14015 cos 5612 取a=141mm确定螺旋角为 1530 15141 5612 cosarc 主动齿轮分度圆直径mm 5230 15cos 12 从动齿轮分度圆直径mm 47 24330 15cos 56 4118 mm45 3.5主减速器齿轮的强度计算 a.采用单位齿长上的圆周力进行强度计算 即由 b2 为作用在齿轮上的圆周力(N),b2 为从动齿轮的齿面宽(mm)。 按发动机最大转矩 Temax 和最大附着力矩两种载荷工况进行计算; 按发动机最大转矩计算时: 521000 emax10 708.02N/mm按最大附着力矩计算时: 2431000 710.36N/mm13 由于当今钢材质量的提高,制作工艺的加强,许用应力已经得到了比较大的 提高,这个提高程度在20%~25%左右,所以单位齿长上的圆周力符合许用值的要 求,校核通过。按最大附着力矩计算时,p<893N/mm;校核通过。 b.采用轮齿弯曲强度进行计算 齿轮轮齿的齿根弯曲应力为 10 Tc——齿轮上的计算转矩 从动齿轮:按最大弯曲应力算时: K0——过载系数, K0 Ks——尺寸系数, 因为 >1.6mm所以 63 Km——齿面载荷分配系数. 主动齿轮为悬臂式, Km =1.1~1.25,取 Km =1.2 从动齿轮为悬臂式, Km =1~1.1,取 Km =1.05 Kv ——质量系数 b——齿面宽,主动齿轮mm 45 b1 ,从动齿轮mm 50 b2 D——分度圆直径,主动齿轮mm 从动齿轮mm 47 Jw——综合系数,主动齿轮J=0.270,从动齿轮J=0.224 对于从动齿轮: 弯曲应力最大时,有 MPa 366224 24345 16224 24345 14对于主动齿轮: 弯曲应力最大时,有 429270 5250 按疲劳弯曲应力计算MPa 24 15270 5250 csce ,计算的最大弯曲应力不超过MPa 计算的疲劳弯曲应力不应超过MPa 由上述计算结果可得出结论:最大弯曲应力符合本次设计的要求。 c.采用轮齿接触强度进行计算 齿轮轮齿的齿面接触应力: 10 Cp——综合弹性系数,钢对钢的齿轮[ Cp ]=234 mm D1——主动齿轮大端分度圆直径 Tz ——主动齿轮计算转矩, Tz =914.041N/m, =33.379N/mKs ——尺寸系数, Ks Kf——表面品质系数, Kf b2中较小的齿面宽, mm J——齿面接触强度的综合系数,J=0.286最大弯曲应力时有 MPa 97 17541000 286 52234 3301000 286 52234 csce MPa2800 MPa1750 所以,主减速器齿轮的接触应力符合设计要求.15 3.6 主减速器齿轮的材料及热处理 汽车驱动桥主减速器的工作相对其它部件来说是比较繁重的,它承受的载 荷大、作用时间非常长、载荷的变化很多等一系列的优点。损坏形式主要在于齿 根的弯曲折断、齿面的疲劳点蚀、磨损以及擦伤等。对驱动桥齿轮材料及热处理 应该作以下几点要求: a:具有较高的弯曲疲劳强度,高表面接触疲劳强度,齿面的耐磨性能也有比较 高的要求,所以,齿表面要有高的硬度; b:齿轮芯部应的韧性要能够适应冲击载荷,避免轮齿根部的折断; c:钢材的锻造、切削与热处理等加工性能良好,热处理变形小或变形规律性易 控制,以提高产品质量,减少制造成本并降低废品率; d:选择齿轮材料的合金元素时要考虑到我国的基本情况。 汽车主减速器和差速器圆锥齿轮与双曲面齿轮目前均采用渗碳合金钢制 造。这一次的设计我们采用的是钢号为 20CrMnTi 的钢材。用渗碳合金钢制造的 齿轮经过渗碳、淬火、高温回火等一系列的过程后,齿轮表面的洛氏硬度高达 HRC58~HRC64, 而芯部硬度则相对较低,但也能够达到HRC32~HRC45。 对于渗碳层深度,端面模数少于6 时,一般为0.9~1.4mm,这次的设计,我 们将渗碳层的深度设定为1.4mm。 由于新齿轮润滑不良,双曲面齿轮副在热处理和精加工后均应以厚度为 0.005~0.010~0.020mm 进行磷化工序,之后对齿面进行喷丸处理,这样就有可能 提高齿轮寿命达20%以上。 3.7 主减速器轴承的选择 文献 GB/T297-94,我们根据主减速器的结构尺寸以及文献 选定轴承的型号为圆锥滚子轴承 32209,其轴承内径为 d=45mm,外径为 D=85mm。具体 参数详见文献 133页。经检验,轴承的寿命可以达到设计要求,此处不作详细 说明。 差速器的设计计算差速器的作用是为了消除由于左、右驱动轮在运动学上的不协调而产生的弊 病,保证汽车驱动桥两侧车轮在行程不相等时具有以不同速度旋转的特征,从而

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