CA1040P90L2輕型貨車驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)

張學(xué)忱， 張 濤， 張慧波

（1. 長春理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，吉林 長春 130022；2. 長春理工大學(xué)040311B-34班，吉林 長春 130022；3. 長春迅利科技有限公司，吉林 長春 130022）

驅(qū)動(dòng)橋處于汽車結(jié)構(gòu)傳動(dòng)系的末端，用來增大由傳動(dòng)軸或直接由變速器傳來的轉(zhuǎn)矩，并將轉(zhuǎn)矩分配給左、右驅(qū)動(dòng)車輪，并使車輪具有汽車行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)所要求的差速功能；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋還要承受作用于路面和車架或車廂之間的鉛垂力、縱向力和橫向力。在一般的汽車結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)橋包括主減速器（又稱主傳動(dòng)器）、差速器、驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)裝置及橋殼等部件[1]。三維參數(shù)化建模設(shè)計(jì)是一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，它能實(shí)現(xiàn)快速，可靠的設(shè)計(jì)改造，是企業(yè)提高產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的有效設(shè)計(jì)方法[2]。論文主要CA1040P90L2輕型貨車驅(qū)動(dòng)橋的整體結(jié)構(gòu)以及主減速器、差速器的設(shè)計(jì)與仿真，以及典型零件漸開線直齒圓柱齒輪的全參數(shù)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)橋的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)。

1 驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)型式與布置[3-4]

1.1 輕型貨車的技術(shù)指標(biāo)

· 外形尺寸(長×寬×高)(mm)：4823×1807×2000；

· 裝備質(zhì)量：1840kg；滿載質(zhì)量：4000kg；

· 軸荷分配：（空載）ml＝1010kg，（滿載）ml=1380kg；

· 軸距 2500mm；前/后輪距(mm)：1414/1370；

· 鋼板彈簧中心距 940mm；Dmin=10.4m；輪胎型號(hào)6.50—16；

· 前/后輪氣壓420kPa。發(fā)動(dòng)機(jī)Pemax/np＝65kW/4800rpm；Memax/nM=157N·m/3000rpm；

· 最高車速120km/h；最大爬坡度30%；最小離地間隙180mm；

1.2 驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)形式與布置

驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)型式按工作特性可以歸并為兩大類，即非斷開式驅(qū)動(dòng)橋和斷開式驅(qū)動(dòng)橋。由于 CA1040P90L2輕型貨車驅(qū)動(dòng)車輪采用非獨(dú)立懸架時(shí)，因此選用非斷開式驅(qū)動(dòng)橋，其結(jié)構(gòu)形式：由一根支承在左、右驅(qū)動(dòng)車輪上的剛性空心梁橋殼及其包含著的齒輪及半軸等所有的傳動(dòng)機(jī)件，其中減速器采用單級(jí)減速器。驅(qū)動(dòng)橋的三維模型與爆炸圖如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)橋的三維圖與爆炸圖

2 主減速器的設(shè)計(jì)與仿真

2.1 主減速器的結(jié)構(gòu)型式[5]

主減速器的結(jié)構(gòu)型式，主要是根據(jù)其齒輪類型、主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪的安置方法以及減速型式的不同而異。單級(jí)式主減速器應(yīng)用于轎車和一般輕、中型載貨汽車。單級(jí)主減速器由一對(duì)圓錐齒輪組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、成本低、使用簡單等優(yōu)點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)主減速器采用單級(jí)主減速器，由主動(dòng)準(zhǔn)雙曲面齒輪軸和從動(dòng)準(zhǔn)雙曲面齒輪軸構(gòu)成。

2.2 基本參數(shù)選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算

主減速比i0、驅(qū)動(dòng)橋的離地間隙和計(jì)算載荷是主減速器設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)，應(yīng)在汽車總體設(shè)計(jì)時(shí)確定。由于設(shè)計(jì)過程中使用的參數(shù)和公式繁多，為減少計(jì)算錯(cuò)誤及重復(fù)性勞動(dòng)，將所需的參數(shù)和相關(guān)公式輸入到 CATIA文件（驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)用參數(shù)）中?？蓪?shí)時(shí)更新計(jì)算結(jié)果，使用方便。

主減速器主要包括計(jì)算主減速比用的參數(shù)，主減速器齒輪計(jì)算載荷確定所用的參數(shù)，主減速器從動(dòng)齒輪平均計(jì)算載荷用參數(shù)，主減速器強(qiáng)度計(jì)算用參數(shù)，差速器設(shè)計(jì)所用的參數(shù)，半軸設(shè)計(jì)所用的參數(shù)，橋殼受力分析及強(qiáng)度計(jì)算用參數(shù)。除了參數(shù)外，還有相關(guān)的判斷函數(shù)，比如判斷零件強(qiáng)度是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所選擇的參數(shù)計(jì)算并給出提示。這樣方便了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)和校核。

2.3 主減速器的三維建模與仿真

主減速器的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，主要是要根據(jù)準(zhǔn)雙曲面齒輪的偏移距和從動(dòng)輪的外徑等關(guān)鍵參數(shù)初步確定其大致形狀，再參考差速器的外形尺寸綜合確定主減速器的最終結(jié)構(gòu)。

利用CATIA的DMU Fitting Simulator（電子樣機(jī)裝配仿真）模塊可以實(shí)現(xiàn)其裝配仿真；利用DMU Kinematics Simulator（電子樣機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真）建立機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。通過這兩種仿真可以直觀方便地檢驗(yàn)零部件之間是否存在干涉等現(xiàn)象（如圖2、圖3所示）。

圖2 主減速器模型

圖3 主減速器裝配仿真

3 差速器的設(shè)計(jì)與仿真

3.1 差速器的結(jié)構(gòu)型式

普通對(duì)稱式圓錐行星齒輪差速器由左、右差速器殼，2個(gè)半軸齒輪，4個(gè)行星齒輪，行星齒輪軸，以及行星齒輪墊片等組成。由于其結(jié)構(gòu)簡單、工作平穩(wěn)、制造方便、用在公路汽車上也很可靠等優(yōu)點(diǎn)，最廣泛地用在轎車、客車和各種公路用載貨汽車上。所以本設(shè)計(jì)采用該結(jié)構(gòu)[6-7]。

由于差速器殼是裝在主減速器從動(dòng)齒輪上，故在確定主減速器從動(dòng)齒輪尺寸時(shí)，應(yīng)考慮差速器的安裝。差速器的輪廓尺寸也受到從動(dòng)齒輪及主動(dòng)齒輪導(dǎo)向軸承支座的限制。

3.2 差速器的三維建模與仿真

利用 DMU Fitting Simulator與 DMU Kinematics Simulator模塊進(jìn)行差速器的運(yùn)動(dòng)與裝配仿真。在運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)需要利用知識(shí)工程的規(guī)則編輯其不同階段的運(yùn)動(dòng)特征及其規(guī)律，如圖4、圖5所示。

圖4 差速器的運(yùn)動(dòng)與裝配仿真

圖5 差速器運(yùn)動(dòng)控制程序

4 漸開線直齒圓柱齒輪全參數(shù)化設(shè)計(jì)[8]

4.1 自定義用戶參數(shù)

首先進(jìn)行在“選項(xiàng)”欄上進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)的環(huán)境設(shè)置，然后建立三類用戶參數(shù)：基本參數(shù)——模數(shù)、壓力角齒數(shù)；尺寸參數(shù)——分度圓半徑、基園半徑、齒根園半徑、齒頂園半徑；漸開線方程——通過規(guī)則編輯器，插入輪齒漸開線方程函數(shù)。

然后建立用戶參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)聯(lián)，如圖6所示。

4.2 創(chuàng)建漸開線齒形線

先繪制原點(diǎn)、分度圓、齒頂圓、基圓、齒頂圓；然后創(chuàng)建漸開線上的點(diǎn)；再通過一系列工具用描點(diǎn)的方法形成齒形線。

4.3 創(chuàng)建輪齒特征

4.4 創(chuàng)建輪緣、輪輻、減重孔、輪轂、輪轂孔等特征

在零件工作臺(tái)運(yùn)用相應(yīng)工具建立這些特征，并添加材料，結(jié)果如圖7所示。

至此，完成了直齒輪的全參數(shù)化建模。

圖7 漸開線直齒輪三維模型

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)結(jié)合汽車行業(yè)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)需求而做，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)也是為了符合實(shí)際應(yīng)用需要，實(shí)踐中運(yùn)用的全參數(shù)化設(shè)計(jì)和三維裝配與運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行設(shè)計(jì)可行性驗(yàn)證等三維設(shè)計(jì)方法而建立的驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)品模型很好地滿足了汽車行業(yè)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新需要。

[1]張洪欣. 汽車底盤設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1998: 113-155.

[2]余志生. 汽車?yán)碚?第3版)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000: 16-75.

[3]劉惟信. 汽車設(shè)計(jì)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,2001: 86-105.

[4]王望予. 汽車設(shè)計(jì)(第3版)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000: 157-178.

[5]《汽車工程手冊(cè)》編輯委員會(huì). 汽車工程手冊(cè)(設(shè)計(jì)篇)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2001: 216-255.

[6]《汽車工程手冊(cè)》編輯委員會(huì). 汽車工程手冊(cè)(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.