SAE-C2009C120獨立懸架、門式轉向驅動橋及后驅動橋設計分析精

1、搖2009中國汽車工程學會年會論文集SAE 鄄 C2009C1201331獨立懸架、門式轉向驅動橋及后驅動橋設計分析曲琦搖尚興武搖孫國暉搖李慶臣 中國第一汽車集團公司技術中心搖搖揖摘要銥搖本文以某獨立懸架、輪邊外嚙合圓柱齒輪傳動轉向驅動橋與后驅 動橋為例，對單十字軸萬向節(jié)式輪邊輸入軸、輪邊斜齒圓柱齒輪、螺旋錐齒輪、輪 間差速器、軸承等進行簡易動力學分析，利用簡易載荷普及軟件，求解所受載荷、 安全驗證設計。搖搖揖關鍵詞銥搖斷開式轉向驅動橋搖齒輪搖軸承搖全浮式半軸搖輪邊輸入軸搖 限滑差速器系數(shù)及使用壽命；量化分析了十字軸萬向節(jié)輪邊輸入軸傳動的不等速性，并將傳動 部件強度計算結果與試驗結果做以對比，

2、Independen tSus pen sio n,The PortalT yp eCha ngeFro ntSteeri ngDriveAxleA nalysis QuQi,Sha ngXin gwu,S un Guohui,LiQ in gche nChi nafawgro up corporati on r&dce nterthecalculati ngsoftware.A prelimi narynu merala nalysis on the non鄄uni formvelocitytra nsmissio nismade.Thestre ngthoftra nsmissiorl搖搖

3、Keywords:independentsuspensionsteeringdriveaxi搖 gear搖 bearing 搖 full 鄄 fioatingaxieshaft 搖 round S inputshaft 搖 LSD齒輪式輪邊減速的轉向驅動橋及后驅動橋總成（以下簡稱斷componen tsiscalculateda ndco mp aredwiththetestresultstoverifythedesig n. set,i nter 鄄wheeldiffere ntiala ndthebeari ngareco nducted.Theduty,safetyfactora ndl

4、ifetimearecalculat edwiththedutycyclea ndwheeldrivi ngsystemasa nexa mp le,Abriefki neticsa nalysis on thero und鄄inpu tshaft,wheelobliques pu rgearset,s piralbevelgear搖搖Abstract:I nthis pap er,take nthefr on tsteeri ngdriveaxlea ndthereardriveaxlewitha nindepend en tsus pensionandspu rgeared引搖搖言搖搖門式

5、橋較廣泛地用于整車對離地間隙較為苛刻的環(huán)境，如越野車、低地板客車、無軌電車等。隨著越野車市場的不斷擴大，為追求更佳的通過性、舒適性，獨 立懸架、門式驅動橋越來越受到石油、勘探行業(yè)的關注。本文通過與傳統(tǒng)的行星 輪系輪邊減速驅動橋（簡稱輪減橋）的對比，介紹了全新設計開發(fā)的、具有較高離地 間隙的獨立懸架、外嚙合圓柱 德?lián)u搖國ZF低地板客車全浮式UNIMOG非斷開中型越野車半浮式 越野車、客車 全浮式匈搖牙搖利RABA 開式門式驅動橋）。1搖斷開式、門式轉向驅動橋總成技術方案 分析搖1郾1搖門式橋特點及使用狀況2。驅動橋各式萬向節(jié)結構特點、資源及使用見表 奧搖地搖利STR斷開 平次高爾斷開脊骨微型、中

6、型越野車半浮式 全浮式布拉格非斷開無軌電車半浮式捷搖搖克 斯可達 搖搖部分國外門式橋制造廠家及使用特點匯總見表1,轉向表1搖部分國外門式橋制造廠家及使用特點匯總 門搖式搖橋 橋殼使用車型半軸表2搖轉向驅動橋各式萬向節(jié)結構特點、資源及使用 項目資源使用 球籠式萬向節(jié) 搖博亞、納鐵夫搖轎車、輕微型車 搖等角速運行，振動及噪聲低。 雙聯(lián)萬向節(jié)定心結構（獨立懸架） 納鐵夫低轉矩美國MTV2中重型車雙聯(lián)萬向節(jié)無定心機構（非獨立懸架）十字軸 偏心十字軸河南南陽奔馳、鐵馬十字軸中心距較小 單十字軸萬向節(jié) 搖資源豐富 搖美馳FMTV剛性橋 搖非等角速,振動噪聲大，十字軸中心距較大特點回轉直徑大，潤滑苛刻,成本

7、高，可靠性及轉矩小搖近似等角速，振動及噪聲低，軸、徑向尺寸大，部件多，結構復雜,成本高，承擔轉矩 大，適惡劣環(huán)境回轉直徑小,成本低1332SAE鄄C2009C1202009中國汽車工程學會年會論文集搖搖搖圖1為目前越野車用輪邊減速轉向驅動橋的主流技術結構，其中包括了橋殼獨立懸架與非獨立懸架 形式；三種輪邊減速形式:外嚙合圓柱齒輪式、行星圓柱齒輪系、行星直齒錐齒輪系；輪邊輸入形式：單十字軸萬向節(jié)，雙聯(lián)萬向節(jié)、球籠萬向節(jié)形式；差速器:直齒錐齒輪或限滑差速 器。本文主要針對斷開式門式轉向驅動橋及單十字軸萬向節(jié)輪邊輸入軸進行論 述。圖1搖各類輪邊減速轉向驅動橋結構對比圖1 輪胎搖2輪邊減速器搖3轉向節(jié)

8、搖4輪邊輸入軸搖5主減速器搖6 差 速器7單十字軸萬向節(jié)（或球籠萬向節(jié)）搖8雙聯(lián)萬向節(jié)（或球籠萬向節(jié)）1郾2搖門式橋結構說明搖搖斷開式門式驅動橋結構示意圖如圖 2所示。一對外嚙合圓柱齒輪布置在驅動 橋輪邊一側,轉向節(jié)即為輪邊齒輪殼端蓋，主、從動圓柱齒輪通過兩對軸承支承在圓柱齒輪 殼內,主動輪通過鎖緊螺母實現(xiàn)軸向鎖緊，并固定在輪邊輸入軸上；圓柱齒輪殼與半 軸套管、轉向節(jié)用螺釘連接；輪轂依靠輪轂軸承安裝在半軸套管上，通過鎖緊螺母 軸向鎖緊、定位；全浮式外半軸通過花鍵與從動圓柱齒輪聯(lián)接，并用螺栓固定在輪 轂上。輪邊減速器為單對外嚙合圓柱齒輪。搖搖門式驅動橋關鍵部件的技術方案 說明見表3。圖2搖斷開式

9、門式驅動橋結構示意圖1 輪胎搖2外半軸搖3主動圓柱齒輪搖4從動圓柱齒輪搖5輸入軸叉搖 6花鍵軸叉搖7焊接套管軸8突緣搖9主減鉸鏈點搖10輪邊鉸鏈點搖11主減速器搖12從動輪軸承搖13 轉向節(jié)14 齒輪殼搖15 輪轂軸承搖16輪轂搖17半軸套管搖18主動輪軸承表3搖門式驅動橋關鍵部件的技術方案說明門式橋特點 斷開式橋殼輪邊減速器外嚙合圓柱齒輪結構搖適應獨立懸架結構，提高整車行駛平順性柱齒輪， 重合度及抗彎強度高搖主減速器高度離地間隙達490mm,提高整車通過性；結構簡單,部件少，效率高;特殊設計的斜齒圓說搖搖明搖2009中國汽車工程學會年會論文集SAE 鄄 C2009C1201333(續(xù))門式橋

10、特點輪邊輸入軸全浮式外半軸等高齒螺旋錐齒輪差速器限滑差速器直齒錐齒輪差速器內置機械差速鎖氣控盤式制動盒式轉向節(jié)ABS齒圈及傳感器中央充放氣系統(tǒng)搖運轉呈水平狀態(tài)，轉速低，受力好,免維護說搖搖明搖半軸僅承受轉矩而不承受彎矩，提高承載能力，適于中型車橋搖工藝性好，提高了 承載能力搖兩種選裝,限滑式結構先進，簡單緊湊,提高整車通過性及越野性搖內突式直齒錐 齒輪式差速器，結構簡單、緊湊，降重好,通用化強搖氣動撥叉,滑套式結構簡單、緊湊，成本低;內置防刮碰，可靠性高，易裝配維修搖結 構簡單、制動靈敏搖結構緊湊，強度高搖特殊工藝加工制造的齒圈，結構簡單可靠；固定式傳感器，安裝維修方便搖半軸直 通式,結構簡單

11、，工藝性好,油氣封唇口線速度低，密封效果好2搖門式橋傳動系關鍵部件強度計算2郾1搖門式橋載荷譜的確定搖搖門式橋載荷譜的確定見表4。工搖搖況爬坡60%垂直越障600mm搖明確表4搖按整車性能指標確定門式驅動橋簡易載荷譜驅動橋傳動系統(tǒng)簡易載荷譜選取單橋最大轉矩值確定額定轉矩(N m)轉矩最大橋型選取單橋最大轉矩值確定極限轉矩(N m)確定當量性能轉矩(N m)運行時間(h)輸入轉速(r/min)運行時間(h)輸入轉速(r/min)運行時間(h)輸入轉速(r/mi n)圖3搖限滑差速器MASTA軟件模型圖平直公路50萬km2郾2搖門式橋齒輪與軸類部件強度計算搖搖按ISO6336標準及GLEASON規(guī)

12、定,確定齒輪材質接觸與彎曲許用應力值，見 表5。搖搖門式橋可選裝外嚙合圓柱齒輪限滑差速器，其軟件模型如圖3所示。限滑轉矩 比見圖4,限滑差速比限定在2郾5以內，確保整車的越野性與轉向操縱性。作用力 分布如圖5所示。搖搖門式橋齒輪及其他部件強度計算見表 6、表7,軸承外表5搖齒輪材料強度限值輪邊圓柱齒輪項搖搖目額定/當量轉矩1650M Pa1050MPa主減螺旋錐齒輪額定轉矩 3328MP a957MPa當量轉矩 1724MP a207MPa差速器錐齒輪極限轉矩980M Pa210M Pa限滑差速器齒輪極限轉矩行星輪間3530MPa半軸行星輪間1650MPa2900MPa圖4搖限滑差速器限滑轉矩

13、比圖 齒輪接觸齒輪彎曲極限許用應力表6搖門式驅動橋齒輪強度計算安全系數(shù)項搖搖目彎曲安全系數(shù)接觸安全系數(shù)主動輪從動輪額定轉矩1郾210郾9641郾2當量轉矩1郾951郾951郾4備搖搖注搖安全系數(shù)基本符合GLEASON制弧齒錐齒輪設計要求主、從動螺旋錐齒輪1334SAE 鄄 C2009C1202009中國汽車工程學會年會論文集搖（續(xù)）項搖搖目彎曲安全系數(shù)接觸安全系數(shù)輪間差速器直齒錐齒輪彎曲安全系數(shù)行星輪與限滑差速器齒輪彎曲半軸輪嚙合安全行星輪系數(shù)之間嚙合行星齒輪半軸齒輪行星輪半軸輪行星輪行星輪主動輪從動輪額定轉矩3郾00郾621郾481郾543郾994郾553郾63郾5662郾4當量轉矩1郾45

14、1郾451郾1備搖搖注搖符合MASTA軟件設計要求輪邊外嚙合圓柱齒輪搖安全系數(shù)符合GLEASON制錐齒輪設計要求搖按嚙合點計算，符合設計要求表7搖門式驅動橋其他部件強度計算結果項搖搖次外下半軸外上半軸內半軸主動錐齒輪輸入軸叉花鍵軸叉 輪邊輸入軸萬向節(jié)叉十字軸軸管扭轉應力 /MPa43451634623250550512114花鍵剪切應力花鍵擠壓應力/MPa8093 郾 48446432 /MPa12614913572703185 75彎曲應力/MPa軸承接觸應力/MPa 3500花鍵擠壓50花鍵剪切70叉口彎曲臆80;叉口扭轉臆160軸根部彎曲臆450;軸承 與軸徑接觸臆3700軸管扭轉臆15

15、0桿部許用扭轉應力:580;花鍵許用擠壓應力195;花鍵許用剪切應 力70許用應力/MPa輪邊減速器主減速器圖5搖門式轉向驅動橋軸承外作用力作用點圖2郾3搖門式橋齒輪受力分析搖搖門式橋齒輪受力分析見表&2郾4搖門式橋軸承外作用力分析與校核計算9和表10。搖搖主減速器及輪邊減速器各軸承受力及壽命計算見表搖2009中國汽車工程學會年會論文集SAE 鄄 C2009C1201335表8搖主、從動錐齒輪與輪邊減速器圓柱齒輪受力項搖搖目齒輪切向合力/N齒輪徑向力/N齒輪軸向力/NFr1=Fa1 =主動錐齒輪 額定轉矩 當量轉矩Ft仁Ft2=2T1/dm1=2T2/dm2Fr2=Fa2= 從動錐齒輪 額定轉

16、矩 當量轉矩 主、從動圓柱齒輪 額定轉矩 當量轉矩Ft=2M/dFr=Fttan 琢 n/cos茁 2Fa=Fttan 茁 2Ft1（tan 琢 cos 啄 1-sin 啄 1cos茁 1）cos 茁 1Ft1（tan 琢 sin 啄 1+cos 啄 1sin 茁 1）cos 茁仆t2（tan 琢 sin 啄 2-cos 啄 2sin 茁 1）cos 茁 1Ft2（tan 琢 cos 啄 2+sin 啄 2sin 茁 1）cos 茁 1表9搖主減速器與輪邊減速器軸承 A、B、C、D、G、H受外力計算 項搖搖目極限轉矩額定轉矩軸向力Fa仁Fr2主動錐齒輪軸承（正裝懸臂式）主動錐齒輪受力/N1c徑

17、向力Fr1=Fa2切向力Ft仁Ft2FrA=（Fta）2+（Fra-0 郾 5Fa1dm1）2搖 FrB=1c（Ftb）2+（Frb-0 郾 5Fa1dm1）2 當量轉矩軸承A、B受徑向外力/N軸向力Fa2=Fr1（反裝跨置式）軸承C、D受徑向外力/N差速器軸承從動錐齒輪受力/N1a徑向力Fr2=Fa1切向力Ft仁Ft2FrC=（Ftb）2+（Fr2b-0 郾 5Fa2dm2）2搖 FrD=軸向力Fa（反裝跨置式正車時校核）輪邊減速器從動圓柱齒輪受力/N徑向力Fr切向力Ft軸承G、H受徑向外力/NFrG=(Frb-0 郾 5Fad2)/a搖 FrH=(Frc+O 郾 5Fad2)/a1a(Ft

18、c)2+(Fr2c-0 郾 5Fa2dm2)2搖搖主減速器輸出突緣軸承J及輪邊加速器主動輪軸承E、 輪邊減速器軸承軸承E396郾41郾699郾484961郾53軸承 F1 郾 21 郾 37 郾 3440528264軸承 G22312856128809162郾 92 郾 6軸承H1郾631郾810郾2159245軸承J22郾630表10搖門式橋傳動系軸承壽命計算結果主減速器軸承軸承 A1郾0657郾41906郾71郾52軸承 B282093064郾 93 郾 4F受力見輪邊輸入軸動力學分析3郾4。備搖搖注軸承 D117783749639272526郾 57 郾 35 郾 2搖從計算結果得出軸承

19、壽命按降項搖搖次安全系數(shù)壽命/h安全系數(shù)壽命/h安全系數(shù)壽命/h軸承C2郾032郾9523極限轉矩6郾3伊106幕排列:軸承J軸承D軸承B軸承G軸承C軸承H軸承E 額定轉矩1郾6伊1071郾7伊10513郾8當量轉矩 2425314702374118024021 郾 3212 郾 44315521709軸承F軸承A,薄弱軸承理論上為A、F、E、H3搖輪邊輸入軸總成計算分析搖搖由于門式轉向驅動橋采用單十字軸萬向節(jié)輪邊輸入結構在0毅45毅范圍內。（圖6、圖7）,因此本文將萬向節(jié)叉軸交角琢取值范圍限定圖7搖輪邊輸入軸結構示意圖3郾1搖非獨立懸架轉向驅動橋上單十字軸萬向節(jié)運動分析圖6搖單十字軸萬向節(jié)圖

20、搖搖圖8所示輸入軸和輸出軸轉矩之間的關系為（不計萬向1336SAE 鄄 C2009C1202009中國汽車工程學會年會論文集搖圖8搖轉向驅動橋輸入、輸出軸轉矩差值變化曲線節(jié)的摩擦損失搖搖鬃）T1鬃仁T2鬃2。1為輸入軸夾角；鬃2為輸出軸夾角；琢為輸入、輸出軸夾角搖。和輸出軸轉矩的作 用下是不能平衡的搖具有夾角為轉角差駐琢鬃（不為=鬃2-0）鬃1。的十字軸萬向節(jié)。由此產(chǎn)生十字軸上的，在輸入軸轉矩力偶距（附加彎矩）是在以180毅為周期的0-最大值之間變化，在軸的支承處造成徑 向反作用力，彎矩同時引起與萬向節(jié)相連件彎曲振動，并在輸入、輸出軸支撐上引 起周期性變化的徑向載荷，從而引起軸的振動。琢Z為主

21、視圖夾角;琢 F為俯視圖 夾角。搖搖搖搖單十字軸萬向節(jié)傳動當量夾角:ta na=z（不考F慮萬向節(jié)傳動的摩擦損失及假定支承為剛性）:M2=M1棕棕12=M11-sin 搖 cos2acosa2鬃1。搖搖矩變化曲線搖圖8上、。下段曲線分別為非獨立懸架門式橋表明非獨立懸 架轉向驅動橋（單十字軸萬向、輪減橋轉節(jié)）的輪邊半軸，在輸入轉矩固定時其輸出轉矩隨軸交角變化而呈正弦波變化。十 字軸萬向節(jié)用于非獨立懸架轉向驅動橋會引起較大的轉矩變化搖向節(jié)式半軸搖美 國FMTV,高速時易于引起振動。（輪邊為直齒錐齒輪行星機構中型越野車的非獨立懸架橋采用單十字軸萬），整車在轉向、速度稍高時，易形成萬向節(jié)的不等速性，產(chǎn)

22、生振動與噪聲，但其較低的 半軸轉速、角加速度，良好的可靠性，環(huán)境的適應性及低成本依然被美馳采用。3郾2搖獨立懸架、轉向驅動橋上單十字軸萬向節(jié)式 輪邊輸入軸總成運動學分析搖總成支承和懸架部件的振動搖多萬向節(jié)傳動的輸入、輸出軸的轉角差，造成齒輪的沖擊和噪聲，會引起傳動系，輪邊輸入軸總成（結構見圖7）轉角差可近似推算為：駐 鬃=a2e sin最為理想搖1）。從圖。9中可看到在當量夾角輸入軸轉角琢 e臆3毅鬃鬃時輸出軸轉角相對輸入 ，駐鬃值為2毅左右，軸超前，即:鬃1從0毅90毅,21,兩角差值在45毅時最大，隨 后減小，圖9搖輪邊半軸輸入、輸出轉角差變化曲線即:此區(qū)間輸出軸先快后慢,90毅180毅輸

23、出軸滯后，也就是輸出軸運行時快時慢。 每一轉中轉角差、角速度乃至角加速度等都會周期性地變化2次。兩軸交角越大,則轉角差越大，即十字軸萬向節(jié)的不等速性越嚴重。3郾3搖斷開式門式橋與輪減橋輪邊輸入軸（單十字結 構）運動學對比分析搖圖搖10斷開式門和圖11。式橋與輪減橋輪邊輸入軸跳動校核對比見圖10搖門式橋滿載輪邊輸入軸隨輪胎跳動校核圖12。圖11搖輪減橋滿載輪邊輸入軸隨輪胎跳動校核圖 搖表搖12輪邊輸入軸總成不等速運轉量化分析對比計算見表和圖11、表11搖十字軸式輪邊輸入軸不等速傳動的評價指標 符搖號 說搖搖明單搖搖位評 著 角加速度rad/s2價k琢方法駐U搖e與輪邊輸入軸轉速乘積駐U=sin茁

24、2茁rad （r/min）tan1tan茁2茁1-sin搖僅考慮直線行駛空滿載狀況 為單純的角度變量值，可搖2009中國汽車工程學會年會論文集SAE 鄄 C2009C1201337表12搖門式橋與輪減橋典型工況的輪邊輸入軸不等速運轉量化分析值匯總 前驅動橋各類典型工況直線行駛極限轉角上跳極限位置滿載上跳極限位置1/2極限轉角極限轉角下跳極限位置下跳極限位置1/2極限轉角極限轉角直線行駛極限轉角上跳極限位置空載上跳極限位置1/2極限轉角極限轉角下跳極限位置下跳極限位置1/2極限轉角極限轉角門搖式搖橋著 9 郾 5128 郾 5281 郾 8711 郾 31001176 郾 691510162 郾

25、 8131 郾 4253 郾 1820 郾3868 郾 3168 郾 7879 郾 3879 郾 7 k170162049153144991730072411652417450891627086671563316100707916200162 50駐 U0 郾 0010 郾 4810 郾 0250 郾 1420 郾 3920 郾 0170 郾 160 郾 4236E 鄄 050 郾480 郾 0270 郾 1450 郾 40 郾 0210 郾 1540 郾 414著 136597 郾 8329 郾 55426500784754964565163郾 6592 郾 8234 郾 85584 郾55

26、09475738813942輪搖減搖橋k29 郾 67108 郾 2159 郾 7252 郾 9301 郾 8126 郾 3288 郾 3304 郾 415 郾 54109 郾4151 郾 2272 郾 7280 郾 9123 郾 5282 郾 6283 郾 5駐 U0 郾 00420郾 4720 郾 01030 郾 1760 郾 4470 郾 0290 郾 1880 郾 430 郾 0050 郾470 郾 00730 郾 180 郾 4540 郾 0250 郾 1350 郾 376搖搖根據(jù)表12得到門式橋與輪減橋各極限工況三項評價指標的具體數(shù)值，門式橋輸入軸各項數(shù)值均符合經(jīng)驗要求，而輪減橋值遠高出門式橋，對整橋乃至整車產(chǎn)生的振動與噪聲也會遠高于門式橋。因此單十字軸萬向節(jié)式輪邊輸入軸總成更適于獨立懸架門式轉向驅動橋。搖搖3郾4搖斷開式門式橋輪邊輸入軸總成動力學簡要分析（僅針對滿載情況）搖搖整車直線行駛，輪邊輸入軸總成受力分析如圖13所示。輪邊輸入軸在運行過 程中,始終呈Z字形（僅在茁11015符合判定符合符合符合符合符合符合符合符合2郾55,基本等效于理論計算值2郾4搖