張學忱， 張 濤， 張慧波

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

驅動橋處于汽車結構傳動系的末端，用來增大由傳動軸或直接由變速器傳來的轉矩，并將轉矩分配給左、右驅動車輪，并使車輪具有汽車行駛運動學所要求的差速功能；同時，驅動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。在一般的汽車結構中，驅動橋包括主減速器（又稱主傳動器）、差速器、驅動車輪的傳動裝置及橋殼等部件[1]。三維參數(shù)化建模設計是一種現(xiàn)代設計方法，它能實現(xiàn)快速，可靠的設計改造，是企業(yè)提高產品更新?lián)Q代速度的有效設計方法[2]。論文主要CA1040P90L2輕型貨車驅動橋的整體結構以及主減速器、差速器的設計與仿真，以及典型零件漸開線直齒圓柱齒輪的全參數(shù)化設計方面進行了驅動橋的三維參數(shù)化設計。

1 驅動橋的結構型式與布置[3-4]

1.1 輕型貨車的技術指標

· 外形尺寸(長×寬×高)(mm)：4823×1807×2000；

· 裝備質量：1840kg；滿載質量：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6.50—16；

· 前/后輪氣壓420kPa。發(fā)動機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 驅動橋的結構形式與布置

驅動橋的結構型式按工作特性可以歸并為兩大類，即非斷開式驅動橋和斷開式驅動橋。由于 CA1040P90L2輕型貨車驅動車輪采用非獨立懸架時，因此選用非斷開式驅動橋，其結構形式：由一根支承在左、右驅動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機件，其中減速器采用單級減速器。驅動橋的三維模型與爆炸圖如圖1所示。

圖1 驅動橋的三維圖與爆炸圖

2 主減速器的設計與仿真

2.1 主減速器的結構型式[5]

主減速器的結構型式，主要是根據其齒輪類型、主動齒輪和從動齒輪的安置方法以及減速型式的不同而異。單級式主減速器應用于轎車和一般輕、中型載貨汽車。單級主減速器由一對圓錐齒輪組成，具有結構簡單、質量小、成本低、使用簡單等優(yōu)點。

本設計主減速器采用單級主減速器，由主動準雙曲面齒輪軸和從動準雙曲面齒輪軸構成。

2.2 基本參數(shù)選擇與設計計算

主減速比i0、驅動橋的離地間隙和計算載荷是主減速器設計的原始數(shù)據，應在汽車總體設計時確定。由于設計過程中使用的參數(shù)和公式繁多，為減少計算錯誤及重復性勞動，將所需的參數(shù)和相關公式輸入到 CATIA文件（驅動橋設計用參數(shù)）中?？蓪崟r更新計算結果，使用方便。

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

2.3 主減速器的三維建模與仿真

主減速器的設計較為復雜，主要是要根據準雙曲面齒輪的偏移距和從動輪的外徑等關鍵參數(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構。

利用CATIA的DMU Fitting Simulator（電子樣機裝配仿真）模塊可以實現(xiàn)其裝配仿真；利用DMU Kinematics Simulator（電子樣機機構運動仿真）建立機構的運動仿真。通過這兩種仿真可以直觀方便地檢驗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 差速器的設計與仿真

3.1 差速器的結構型式

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

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

3.2 差速器的三維建模與仿真

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

圖4 差速器的運動與裝配仿真

圖5 差速器運動控制程序

4 漸開線直齒圓柱齒輪全參數(shù)化設計[8]

4.1 自定義用戶參數(shù)

首先進行在“選項”欄上進行相應的參數(shù)化設計的環(huán)境設置，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)的關聯(lián)，如圖6所示。

4.2 創(chuàng)建漸開線齒形線

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

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

在零件工作臺運用相應工具建立這些特征，并添加材料，結果如圖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 結束語

本設計結合汽車行業(yè)的生產設計需求而做，運用三維設計也是為了符合實際應用需要，實踐中運用的全參數(shù)化設計和三維裝配與運動仿真進行設計可行性驗證等三維設計方法而建立的驅動橋產品模型很好地滿足了汽車行業(yè)對產品設計的新需要。

[1]張洪欣. 汽車底盤設計[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,1998: 113-155.

[2]余志生. 汽車理論(第3版)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2000: 16-75.

[3]劉惟信. 汽車設計[M]. 北京: 清華大學出版社,2001: 86-105.

[4]王望予. 汽車設計(第3版)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2000: 157-178.

[5]《汽車工程手冊》編輯委員會. 汽車工程手冊(設計篇)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2001: 216-255.

[6]《汽車工程手冊》編輯委員會. 汽車工程手冊(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.