CA1040P90L2轻型货车驱动桥设计

张学忱， 张 涛， 张慧波

（1. 长春理工大学机电学院，吉林 长春 130022；2. 长春理工大学040311B-34班，吉林 长春 130022；3. 长春迅利科技有限公司，吉林 长春 130022）

驱动桥处于汽车结构传动系的末端，用来增大由传动轴或直接由变速器传来的转矩，并将转矩分配给左、右驱动车轮，并使车轮具有汽车行驶运动学所要求的差速功能；同时，驱动桥还要承受作用于路面和车架或车厢之间的铅垂力、纵向力和横向力。在一般的汽车结构中，驱动桥包括主减速器（又称主传动器）、差速器、驱动车轮的传动装置及桥壳等部件[1]。三维参数化建模设计是一种现代设计方法，它能实现快速，可靠的设计改造，是企业提高产品更新换代速度的有效设计方法[2]。论文主要CA1040P90L2轻型货车驱动桥的整体结构以及主减速器、差速器的设计与仿真，以及典型零件渐开线直齿圆柱齿轮的全参数化设计方面进行了驱动桥的三维参数化设计。

1 驱动桥的结构型式与布置[3-4]

1.1 轻型货车的技术指标

· 外形尺寸(长×宽×高)(mm)：4823×1807×2000；

· 装备质量：1840kg；满载质量：4000kg；

· 轴荷分配：（空载）ml＝1010kg，（满载）ml=1380kg；

· 轴距 2500mm；前/后轮距(mm)：1414/1370；

· 钢板弹簧中心距 940mm；Dmin=10.4m；轮胎型号6.50—16；

· 前/后轮气压420kPa。发动机Pemax/np＝65kW/4800rpm；Memax/nM=157N·m/3000rpm；

· 最高车速120km/h；最大爬坡度30%；最小离地间隙180mm；

1.2 驱动桥的结构形式与布置

驱动桥的结构型式按工作特性可以归并为两大类，即非断开式驱动桥和断开式驱动桥。由于 CA1040P90L2轻型货车驱动车轮采用非独立悬架时，因此选用非断开式驱动桥，其结构形式：由一根支承在左、右驱动车轮上的刚性空心梁桥壳及其包含着的齿轮及半轴等所有的传动机件，其中减速器采用单级减速器。驱动桥的三维模型与爆炸图如图1所示。

图1 驱动桥的三维图与爆炸图

2 主减速器的设计与仿真

2.1 主减速器的结构型式[5]

主减速器的结构型式，主要是根据其齿轮类型、主动齿轮和从动齿轮的安置方法以及减速型式的不同而异。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。

本设计主减速器采用单级主减速器，由主动准双曲面齿轮轴和从动准双曲面齿轮轴构成。

2.2 基本参数选择与设计计算

主减速比i0、驱动桥的离地间隙和计算载荷是主减速器设计的原始数据，应在汽车总体设计时确定。由于设计过程中使用的参数和公式繁多，为减少计算错误及重复性劳动，将所需的参数和相关公式输入到 CATIA文件（驱动桥设计用参数）中。可实时更新计算结果，使用方便。

主减速器主要包括计算主减速比用的参数，主减速器齿轮计算载荷确定所用的参数，主减速器从动齿轮平均计算载荷用参数，主减速器强度计算用参数，差速器设计所用的参数，半轴设计所用的参数，桥壳受力分析及强度计算用参数。除了参数外，还有相关的判断函数，比如判断零件强度是否能达到设计要求，系统会根据所选择的参数计算并给出提示。这样方便了设计人员的设计和校核。

2.3 主减速器的三维建模与仿真

主减速器的设计较为复杂，主要是要根据准双曲面齿轮的偏移距和从动轮的外径等关键参数初步确定其大致形状，再参考差速器的外形尺寸综合确定主减速器的最终结构。

利用CATIA的DMU Fitting Simulator（电子样机装配仿真）模块可以实现其装配仿真；利用DMU Kinematics Simulator（电子样机机构运动仿真）建立机构的运动仿真。通过这两种仿真可以直观方便地检验零部件之间是否存在干涉等现象（如图2、图3所示）。

图2 主减速器模型

图3 主减速器装配仿真

3 差速器的设计与仿真

3.1 差速器的结构型式

普通对称式圆锥行星齿轮差速器由左、右差速器壳，2个半轴齿轮，4个行星齿轮，行星齿轮轴，以及行星齿轮垫片等组成。由于其结构简单、工作平稳、制造方便、用在公路汽车上也很可靠等优点，最广泛地用在轿车、客车和各种公路用载货汽车上。所以本设计采用该结构[6-7]。

由于差速器壳是装在主减速器从动齿轮上，故在确定主减速器从动齿轮尺寸时，应考虑差速器的安装。差速器的轮廓尺寸也受到从动齿轮及主动齿轮导向轴承支座的限制。

3.2 差速器的三维建模与仿真

利用 DMU Fitting Simulator与 DMU Kinematics Simulator模块进行差速器的运动与装配仿真。在运动仿真时需要利用知识工程的规则编辑其不同阶段的运动特征及其规律，如图4、图5所示。

图4 差速器的运动与装配仿真

图5 差速器运动控制程序

4 渐开线直齿圆柱齿轮全参数化设计[8]

4.1 自定义用户参数

首先进行在“选项”栏上进行相应的参数化设计的环境设置，然后建立三类用户参数：基本参数——模数、压力角齿数；尺寸参数——分度圆半径、基园半径、齿根园半径、齿顶园半径；渐开线方程——通过规则编辑器，插入轮齿渐开线方程函数。

然后建立用户参数和系统参数的关联，如图6所示。

4.2 创建渐开线齿形线

先绘制原点、分度圆、齿顶圆、基圆、齿顶圆；然后创建渐开线上的点；再通过一系列工具用描点的方法形成齿形线。

4.3 创建轮齿特征

4.4 创建轮缘、轮辐、减重孔、轮毂、轮毂孔等特征

在零件工作台运用相应工具建立这些特征，并添加材料，结果如图7所示。

至此，完成了直齿轮的全参数化建模。

图7 渐开线直齿轮三维模型

5 结束语

本设计结合汽车行业的生产设计需求而做，运用三维设计也是为了符合实际应用需要，实践中运用的全参数化设计和三维装配与运动仿真进行设计可行性验证等三维设计方法而建立的驱动桥产品模型很好地满足了汽车行业对产品设计的新需要。

[1]张洪欣. 汽车底盘设计[M]. 北京: 机械工业出版社,1998: 113-155.

[2]余志生. 汽车理论(第3版)[M]. 北京: 机械工业出版社, 2000: 16-75.

[3]刘惟信. 汽车设计[M]. 北京: 清华大学出版社,2001: 86-105.

[4]王望予. 汽车设计(第3版)[M]. 北京: 机械工业出版社, 2000: 157-178.

[5]《汽车工程手册》编辑委员会. 汽车工程手册(设计篇)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2001: 216-255.

[6]《汽车工程手册》编辑委员会. 汽车工程手册(制造篇)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2001: 114-201.

[7]Zhou Feiqing. The analysis and calculation of location accuracy of precise jig and error factors of force deformation [C]//ISIST’99 Proceeding. Luoyand City.Chian, 1999: 16-25.

[8]Crawford R J. Journal of engineering manufacture [M].London: Product the Institution of Mechanical Engineers, 2004: 113-155.