毕业设计驱动桥文献综述

驱动桥综述

张勤辉

（重庆工学院汽车学院 104040501班）

摘要:本文阐述了汽车驱动桥的作用和重要性，总结了国内外驱动桥的主要零部件技术现状及其发展趋势。同时,指出了我国驱动桥设计开发中存在的问题,提及到驱动桥设计的先进开发模式。并从众多车桥厂生产的产品中总结、分析了未来驱动桥的发展方向。

关键词: 重要性现状设计新方法发展趋势

Abstract: This paper provides an overview of the driving axles’role and importance, Technology Status and trends of drive axles’main Components in home and abroad has being summed up. Meanwhile, the national R&D of drive axle existing problems was analyzed. And from numerous Axles plants' products it Summarize and Analysis the future development of driving axles.

Key Words：Importance；Status；New Design Method；Development trend

1、引言

近十几年来，我国汽车工业发展迅猛。汽车工业的发展带动了零部件及相关产业的发展，作为汽车关键零部件之一的汽车驱动桥也得到相应的发展，各生产厂家在研发和生产过程中基本上形成了专业化、系列化、批量化的局面[1]。

汽车驱动桥是汽车的重要总成之一，驱动桥处于动力传动系的末端，主要由主减速器、差速器、车轮传动装置和驱动桥壳等组成,其基本功能是增大由传动轴或变速器传递的转矩，并将转矩合理的分配给左、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、纵向力和横向力[2]。它的结构形式和设计参数除对汽车的可靠性与耐久性有很大影响外，也对汽车的性能如动力性、经济性、平顺性、通过性、机动性和操动稳定性等有直接影响。因此，对驱动桥设计方法的研究就显得尤为重要[3]。

2、国外驱动桥产品发展历程及研究现状

主减速器是汽车传动系中减小转速、增大扭矩的主要部件。对发动机纵置的

汽车来说，主减速器还利用锥齿轮传动以改变动力方向。现代汽车驱动桥的主减速器，广泛采用螺旋锥齿轮和双曲面齿轮。

2.1 齿轮技术的发展历史

齿轮技术历史可追溯到3000～5000年前，几乎和人类文明史同步[4]。

1890～1930年，赫兹(Hertz)公式(1891年)和Lewis公式(1892年)的提出奠定了现代齿轮强度计算的基础，齿轮制造进入工业化生产，在欧洲和北美洲出现不少齿轮工厂。以铸造齿轮为主，进入2O世纪则出现了滚齿机、插齿机和磨齿机等加工机床。后来渐开线直齿轮、斜齿轮、锥齿轮，准双曲面齿轮和蜗轮蜗杆等传动形式出现。

1930～1960年，四五十年代基本完成了各种类型啮合几何学和切齿刀具设计的研究，20o齿形角得到更多的应用，60年代多头滚刀的应用显著地提高了切齿效率。随着机械工业的发展，各种机器对齿轮精度的要求发展到一个新的高度，齿轮技术也相应的发展到一个新的层次。

1960～1980年，齿轮技术在这一时期有了快速的进展。航天事业时发展要求运载工具和航空齿轮以很小的体积传递较大功率，并要求有99．9%以上的高可靠度。中硬齿面和硬齿面重载齿轮广泛应用，珩齿技术使齿面光洁度空前提高，同时，促进了各种润滑添加剂和二元酸酯合成油的发展和应用。在此期间，刀具齿形角更多采用为20至25度，并对齿轮疲劳寿命和材料疲劳特性进行广泛研究，美国(AGMA,)、德国(DIN)以及国际标准化组织(IS0)先后制订了较为全面的齿轮配套标准

到1980年后，齿轮技术有了飞速发展；硬面渐开线齿轮居主导地位，其承载能力、制造精度和生产效率显著提高。计算机及其他微电子控制技术在齿轮设计、制造、热处理、试验过程控制和生产管理等方面广泛应用，技术日臻成熟，效果显著。齿轮现代设计方法开始应用，强度计算方怯渐趋完善，优化和CAD 应用更加广泛，动态设计、振动噪声控制及可靠性分析进入应用性研究。质量保证体系和质量管理作为一门技术分支进入齿轮工业。

2．2 驱动桥技术现状

2．2．1 模块化技术的采用

模块化设计是对在一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的

机械产品进行功能分析的基础上,划分并设计出一系列功能模块,然后通过模块的选择和组合构成不同产品的一种设计方法.

以DANA为代表的意大利企业多已采用了该类设计方法, 优点是: 减少设计及工装制造的投入, 减少了零件种类, 提高规模生产程度, 降低制造费用, 提高市场响应速度等。

2．2．2 模态分析

模态分析是对工程结构进行振动分析研究的最先进的现代方法与手段之一。它可以定义为对结构动态特性的解析分析(有限元分析)和实验分析(实验模态分析)，其结构动态特性用模态参数来表征。模态分析技术的特点与优点是在对系统做动力学分析时，用模态坐标代替物理学坐标，从而可大大压缩系统分析的自由度数目，分析精度较高。

驱动桥的振动特性不但直接影响其本身的强度，而且对整车的舒适性和平顺性有着至关重要的影响。因此，对驱动桥进行模态分析，掌握和改善其振动特性，是设计中的重要方面[5]。

2．2．3 配置高性能制动器的驱动桥技术

在世界各国的生机产品中, 已出现了自循环冷却功能的湿式制动器桥、带散热风送的盘式制动器桥、适于ABS的蹄、鼓式和盘式制动器桥、带自动补偿间隙的盘式制动器等配置高性能制动器桥, 同时制动器的布置位置也出现了从桥臂处分别向桥包总成和轮边端部转移的趋势。前种处理方式易于散热, 后种处理方式为了降低成本, 甚至有厂商把制动器的壳体与桥壳铸为一体, 既易于散热，又利于降低材料成本, 但这对铸造技术、铸造精度和加工精度都提出了极高的要求。[6]

3、国内驱动桥技术研究水平

3.1 国内驱动桥技术现状

我国驱动桥制造企业的开发模式主要由测绘、引进、自主开发三种组成。主要存在技术含量低，开发模式落后，技术创新力不够，计算机辅助设计应用少等问题[7]。

3.1.1 以测绘和引进为主的开发模式

在国内的大多数中小企业中，测绘市场销路较好的产品是它们的主要开发模

式。特别是一些小型企业或民营企业由于自身的技术含量低，开发资金的不足，专门测绘、仿制市场上销售较旺的汽车的车桥售往我国不健全的配件市场。这种开发模式是无法从根本上提高我国驱动桥产品开发水平的。

另外一些企业技术力量相对要好些，它们虽然也同样是测绘，但它们测绘的是从国外引进的原装桥，并且这些企业一般具有较为完善的开发体系和流程，也具有较完善的试验手段，但无论它们多努力，它们自身的技术原因和我国基础工业(如原材料等)的问题，制造的汽车车桥与原装车桥始终存在一定的差距[8]。3.1.2 自主研发的开发模式

同样，国内也有一些实力较强的企业，它们有自己的技术中心，其开发流程和手段健全。采用自主开发的模式,与主机厂同步开发或预见性的开发，利用自身的开发优势影响主机厂的开发思路，使开发的产品与整车达到较为理想的匹配。这种开发模式能很好地锻炼技术队伍，提升开发人员素质[9]。主要以一汽、汉德、安庆、红岩重型车桥等大型车桥企业为代表。这些企业都具有自己独立的研发机构，自主创新设计已经起步，且在驱动桥技术方面已经有了一定的研究成果，比如，汉德车桥公司首次实现技术出口，一汽自主研发的500 单级桥达到国际水平，2005年安庆车桥厂的转向驱动桥出口加拿大。

3.2 国内驱动桥设计方法

传统设计是以生产经验为基础，以运用力学、数学和回归方法形成的公式、图表、手册等为依据进行的。

3.2.1 驱动桥壳常规设计方法

早期驱动桥壳设计通常采用设计和试验交叉进行。在驱动桥壳结构定型之前往往经过多轮设计，设计面对的对象是实物，需要经过样品试制-试验-修改-再设计的往复，这种方式不可避免地导致整个设计周过期长，造成人力、物力和财力资源的严重浪费。随着设计经验的积累，人们将计算技术应用于汽车驱动桥壳结构性能的分析及设计中。初期的驱动桥壳结构性能计算是通汽车驱动桥壳优化设计过将驱动桥壳简化成单根纵梁，进行弯曲强度校核。这种计算方法至今还在沿用，但它显然满足不了汽车驱动桥壳结构性能的设计要求。

后来提出的驱动桥壳结构扭转强度计算方法，只能计算纯扭转工况，不能考虑驱动桥壳的实际工况，而且，计算比较复杂，工作量大，在实际运用中存在着

很大的困难。再后来，人们将比较设计的思想应用于驱动桥壳设计中。这种设计方法是以同一类型的成熟样车为参考来进行驱动桥壳的设计，目前依然是驱动桥壳结构初步设计的主要方法。但是，这种方法可能造成驱动桥壳各处材质不均匀，某些局部强度富裕较大，产生材料浪费等现象[10]。

3.2.2 弧齿锥齿加工方法

传统的Gleason 技术[11]是以“局部共轭原理”为基础的。首先切出大轮齿面,然后选取一个计算参考点,求出与大轮齿面做线接触的小轮齿面在参考点处的位置、法向量以及法曲率等一阶、二阶接触参数,然后根据要求修正小轮齿面在参考点处的法曲率,并以此为基础来确定小轮切齿调整参数。由此可见,修正小轮齿面在参考点处的法曲率是弧齿锥齿轮与准双曲面齿轮技术的关键和难点,并且修正后的齿面啮合性能只能通过试切滚检或通过仿真分析后才能知道。因此,为了得到满意的啮合性能往往需要反复多次,且需要经验的积累。目前国内的齿轮加工企业大都采用这种加工方式，但也有更先进技术的使用如綦江齿轮厂引进的洛克威尔单级桥齿轮技术，采用特殊的“HYPOID GENEROID”锥齿轮传动，该齿轮运用了计算机辅助设计与制造技术，运转时有较多对齿同时啮合，强度高、噪音小、寿命长。

4、驱动桥关键技术及先进开发模式

4.1 驱动桥壳有限元分析法

20世纪60年代以来，由于电子计算机的迅速发展，有限元法在工程上获得了广泛应用。有限元法不需要对所分析的结构进行严格的简化，既可以考虑各种计算要求和条件，也可以计算各种工况，而且计算精度高。有限元法将具有无限个自由度的连续体离散为有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的问题。只要确定了单元的力学特性，就可以按照结构分析的方法求解，使分析过程大为简化，配以计算机就可以解决许多解析法无法解决的复杂工程问题[12]。目前，有限元法己经成为求解数学、物理、力学以及工程问题的一种有效的数值方法，也为驱动桥壳设计提供了强有力的工具。

4.2 驱动桥的参数化设计

参数化设计(Parametrie)(也叫尺寸驱动Dimension-Driven)是指设计对象模型的尺寸用变量及其关系表示，而不需要确定具体数值[13]，是CAD技术在实际

应用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。目前它是CAD技术应用领域内的一个重要的、且待进一步研究的课题。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的存储量。

4.3 并行工程开发模式在驱动桥设计中的应用

汽车零部件已在国内甚至全球范围内展开了剧烈的竞争，缩短新产品的设计时间、降低成本、提升质量、提高市场竞争力，日益成为汽车零部件制造企业考虑的首要问题。并行工程(CE，Concurrent Engineering)[14]作为现代的，先进的产品设计开发模式，是解决上述问题的一种好办法。并行工程的关键是对产品及其相关过程实行集成的并行设计、面向制造与装配的设计(DFMA，Design For Manufacturing And Assembly)[15]~[18]是并行工程的重要内容。

由此可见，现代汽车零部件设计已不再是单一的机械设计，而正在成为需综合运用多方面的基础理论、技术基础理论、专业知识和许多当代技术成就而进一种交叉学科的现代化设计[6]。

5、未来驱动桥

智能化控制系统已经在汽车业得到了快速发展，如，现代汽车上使用的ABS(制动防抱死控制)、ESC（电子稳定控制装置）、ASR（驱动力控制系统）等系统。ASR通过控制发动机转矩和汽车的制动系统等手段来控制驱动力，即在汽车起步，加速时减少驱动力,防止驱动力超过轮胎与路面的附着力而导致车轮空转打滑，保持最佳的驱动力,改善汽车的方向稳定性和操纵性。

另外，汽车电子控制系统和总线驱动系统的迅速发展，如线控换挡、线控转向、线控制动等的研究开发。AUTOnomy概念车底盘—滑板结构就是SKF线控制、燃料电池驱动的，加上不同形状车身的轿车，现在已经开始启动，通用公司宣传Dring the Hy-wire，这种车有可能在未来10年上市。当线控这一目标实现时，汽车将是一种完全的高新技术产品，发动机、变速器、传动轴、驱动桥、转向机全都不见了，当然四个轮子还是要的。到那时，汽车就可以说是一台装在轮子上的计算机了[19]。

6、结束语

综上所述，我国汽车驱动桥的研究设计与世界先进驱动桥设计技术还有一

定的差距，我国车桥制造业虽然有一些成果，但都是在引进国外技术、纺制、再加上自己改进的基础上了取得的。个别比较有实力的企业，虽有自己独立的研发机构但都处于发展的初期。在科技迅速发展的推动下，高新技术在汽车领域的应用和推广，各种国外汽车新技术的引进，研究团队自身研发能力的提高，我国的驱动桥设计和制造会逐渐发展起来，并跟上世界先进的汽车零部件设计制造技术水平。

参考文献：

［1］莫思剑浅析我国商用汽车车桥的发展现状及趋势[J].装备制造技术.2005年第1期。

［2］刘惟信编著.驱动桥(汽车设计从书)[M]．北京：人民交通出版式社，1987

［3］张洪欣编．汽车设计（第2版）[M]．北京：机械工业出版,2004

［4］唐定国陈国明齿轮传动技术的现状和展望[J]．机械工程学报,1993/10第25期(9)

［5］王聪兴冯茂林现代设计方法在驱动桥设计中的应用[J]．公路与汽运 2004/8第4期

［6］天工驱动桥产品设计制造出现新变化[J].中国交通报.2001/12/3 (7)

［7］周立我国汽车零部件工业发展战略选择及政策措施[J]，汽车工业研究.2000．5

［8］李建超 CM8后桥设计与分析[D].四川大学工程硕士论文，2005

［9］余剑飞编.微形汽车智能化设计系统研究．南京理工大[D]，2002

［10］王亮汽车驱动桥壳优化设计[D].河北工业大学，2006

［11］曾韬螺旋锥齿轮设计与加工[M].哈尔滨.哈尔滨工业大学出版社,1989

［12］朱加铭，欧贵宝，何蕴增有限元与边界元法.哈尔滨.哈尔滨工程大学出版社，2002.1.9 ［13］赵燕伟,王万良,陈胜勇参数化CAD系统数据模型的研究与实践[M].计算机工程与应用.1998.5 ［14］蔡青、高光蠢编著，CADC/AM系统的可视化、集成化、网络化(第一版)[M].西安.西北工业大学出版社，1996

［15］李梦群、武文革、孙厚芳 21世纪机械制造业[J]，机械设计与制造，2003

［16］Shad Dowlaststshhai.A comparison of Approach to concurrent Engineering．Adv．Mnauf Tech，1994

［17］G.Boothroyd and PDewhurst，Porduct Design for Manufacture and Assembly，Meeh，Erg，1992 ［18］Joseph Constanse，DFMA leaming to Design for Manufacture and Assembly，Meeh，Erg，1992 ［19］张兴业汽车电子信息技术状况及趋势[J].科学时报.2005/9/14 (B3)