第五节 车轮传动装置设计车轮传动装置位于传动系的末端，其基本功用是接受从差速器传来的转矩并将其传给车 轮。
对于非断开式驱动桥，车轮传动装置的主要零件为半轴；对于断开式驱动桥和转向驱动 桥(图5—27)，车轮传动装置为万向传动装置。
万向传动装置的设计见第四章，以下仅讲 述半轴的设计。
一、结构形式分析半轴根据其车轮端的支承方式不同，可分为半浮式、3／4浮式和全浮式三种形式。
半浮式半轴(图5—28a)的结构特点是半轴外端支承轴承位于半轴套管外端的内孔， 车轮装在半轴上。
半浮式半轴除传递转矩外，其外端还承受由路面对车轮的反力所引起的全 部力和力矩。
半浮式半轴结构简单，所受载荷较大，只用于轿车和轻型货车及轻型客车上。
3／4浮式半轴(图5—28b)的结构特点是半轴外端仅有一个轴承并装在驱动桥壳半轴套 管的端部，直接支承着车轮轮毂，而半轴则以其端部凸缘与轮毂用螺钉联接。
该形式半轴受 载情况与半浮式相似，只是载荷有所减轻，一般仅用在轿车和轻型货车上。
二、半轴计算1.全浮式半轴全浮式半轴的计算载荷可按车轮附着力矩ϕM 计算(5-43) 式中，2G 为驱动桥的最大静载荷；r r 为车轮滚动半径；2m '为负荷转移系数；ϕ为附着系数，计算时ϕ取0.8。
半轴的扭转切应力为316d M πτϕ= (5-44)式中，τ为半轴扭转切应力；d 为半轴直径。
半轴的扭转角为πθϕp GI l M 180= (5-45)式中，θ为扭转角；l 为半轴长度；G 为材料剪切弹性模量；p I 为半轴断面极惯性矩，324d I p π=。
半轴的扭转切应力宜为500～700MPa ，转角宜为每米长度6°～15°。
2。
.半浮式半轴半浮式半轴设计应考虑如下三种载荷工况：(1)纵向力2x F 最大，侧向力2y F 为0：此时垂向力2z F 222G m =，纵向力最大值ϕϕ2222G m F F z x '==/2，计算时2m '可取1.2，ϕ取0.8。
半轴弯曲应力σ和扭转切应力τ为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=32322221632d r F d F F a r x z x πτπσ (5-46)式中，a 为轮毂支承轴承到车轮中心平面之间的距离，如图5-28所示。
合成应力224τσσ+=h (5-47)(2)侧向力2y F 最大，纵向力2x F =0，此时意味着发生侧滑：外轮上的垂直反力20z F 和 内轮上的垂直反力i z F 2分别为o z i z g o z F G F B h G F 2221222)5.0(-=+=ϕ (5-48)式中，g h 为汽车质心高度；2B 为轮距；1ϕ为侧滑附着系数，计算时1ϕ可取1.0。
外轮上侧向力o y F 2和内轮上侧向力i y F 2分别为⎪⎩⎪⎨⎧==122122ϕϕi z i y o z o y F F F F （5-49） 内、外车轮上的总侧向力2y F 为12ϕG 。
这样，外轮半轴的弯曲应力O σ和内轮半轴的弯曲应力i σ分别为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+=-=322322)(32)(32d a F F d a F F i z r i y i o z r o y o πγσπγσ (5-50) (3)汽车通过不平路面，垂向力2z F 最大，纵向力02=x F ，侧向力02=y F ：此时垂直 力最大值2z F 为：2221kG F z =(5-51) 式中，k 为动载系数，轿车：k =1.75，货车：k =2.0，越野车：k =2.5。
半轴弯曲应力σ为 32321632d a kG d a F z ππσ== (5-51)半浮式半轴的许用合成应力为600～750MPa o3.3/4浮式半轴3／4浮式半轴计算与半浮式类似，只是半轴的危险断面不同，危险断面位于半轴与轮毂相配表面的内端。
半轴和半轴齿轮一般采用渐开线花键连接，对花键应进行挤压应力和键齿切应力验算。
挤压应力不大于200MPa ，切应力不大于73MPa 。
三、半轴可靠性设计在汽车设计中，可靠性已成为比较重要的技术指标之一。
对于产品设计，须考虑各参量 的统计分散性，进行随机不确定分析，真实正确地反映产品的强度与受载等情况。
1.可靠度计算对于全浮式半轴来说，所受的扭转切应力τ按下式计算316dT πτ= (5-53) 式中，T 为半轴所传递的转矩；d 为半轴的直径。
根据二阶矩技术，以应力极限状态表示的状态方程为()316dT r X g π-= (5-54) 式中，r 为半轴材料的扭转强度；X 为基本随机变量矢量，X=)(T d T r ,,。
设基本随机变量矢量x 的均值E(x)=)(T d T r μμμ,,，方差D(x)=)(T d T r 222,0,0,0,,0,0,0,σσσ。
且认为这些随机变量是服从正态分布的相互独立的随机变量。
g(x)是反映半轴状态和性能的状态函数，可表示半轴的两种状态：()X g ≤0 失败状态()X g ＞0 安全状态将g(X)在均值E(X)=X 处展开成二阶泰勒级数，可得到g(X)的二阶近似均值g μ 和一阶近似方差g 2σ()()()()()()()()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∂∂==∂∂+==X D X X g X g D X D X X g X g X g E T g T g 22221σμ (5-55) 不论g(X)服从什么分布，可靠性指标定义为g g σμβ=(5-56)可靠度的一阶估计量为 ()βφ=R (5-57)式中，()βφ为标准正态分布函数。
2.可靠性设计给定半轴可靠度R ，查表得可靠性指标β，由式(5-55)经推导整理得()022236222=-+--B A A d r d r r βμμμσβμ(5-58) 式中，()2005.09616⨯+=πμπσTTA ;()22222005.02304256⨯+=πμπσT TB 。
根据加工误差和σ3法则，取半轴直径标准差d σ为0.005倍的半轴直径均值心，求解 式(5-58)即可求得半轴的最小直径的均值d μ和标准差d σ。
四、半轴的结构设计对半轴进行结构设计时，应注意如下几点：1)全浮式半轴杆部直径可按下式初步选取3ϕM K d = (5-59)式中，d 为半轴杆部直径(mm)；ϕM 为半轴计算转矩(N ·mm)．，按式(5-43)计算；K 为直径系数，取0.205～0.218。
根据初选的d ，按前面的应力公式进行强度校核。
2)半轴的杆部直径应小于或等于半轴花键的底径，以便使半轴各部分达到基本等强度。
3)半轴的破坏形式大多是扭转疲劳损坏，在结构设计时应尽量增大各过渡部分的圆角 半径，尤其是凸缘与杆部、花键与杆部的过渡部分，以减小应力集中。
4)对于杆部较粗且外端凸缘也较大时，可采用两端用花键连接的结构。
5)设计全浮式半轴杆部的强度储备应低于驱动桥其它传力零件的强度储备，使半轴起 一个“熔丝”的作用。
半浮式半轴直接安装车轮，应视为保安件。
二、半轴计算1.全浮式半轴全浮式半轴的计算载荷可按车轮附着力矩ϕM 计算ϕϕr r G m M 2221'= (5-43) 式中，2G 为驱动桥的最大静载荷；r r 为车轮滚动半径；2m '为负荷转移系数；ϕ为附着系数，计算时ϕ取0.8。
半轴的扭转切应力为316d M πτϕ= (5-44)式中，τ为半轴扭转切应力；d 为半轴直径。
半轴的扭转角为πθϕp GI l M 180= (5-45)式中，θ为扭转角；l 为半轴长度；G 为材料剪切弹性模量；p I 为半轴断面极惯性矩，324d I p π=。
半轴的扭转切应力宜为500～700MPa ，转角宜为每米长度6°～15°。
2。
.半浮式半轴半浮式半轴设计应考虑如下三种载荷工况：(1)纵向力2x F 最大，侧向力2y F 为0：此时垂向力2z F 222G m =，纵向力最大值ϕϕ2222G m F F z x '==/2，计算时2m '可取1.2，ϕ取0.8。
半轴弯曲应力σ和扭转切应力τ为 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=32322221632d r F d F F a r x z x πτπσ (5-46)式中，a 为轮毂支承轴承到车轮中心平面之间的距离，如图5-28所示。
合成应力224τσσ+=h (5-47)(2)侧向力2y F 最大，纵向力2x F =0，此时意味着发生侧滑：外轮上的垂直反力20z F 和 内轮上的垂直反力i z F 2分别为o z i z g o z F G F B h G F 2221222)5.0(-=+=ϕ (5-48)式中，g h 为汽车质心高度；2B 为轮距；1ϕ为侧滑附着系数，计算时1ϕ可取1.0。
外轮上侧向力o y F 2和内轮上侧向力i y F 2分别为⎪⎩⎪⎨⎧==122122ϕϕi z iy o z o y F F F F （5-49） 内、外车轮上的总侧向力2y F 为12ϕG 。
这样，外轮半轴的弯曲应力O σ和内轮半轴的弯曲应力i σ分别为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+=-=322322)(32)(32d a F F d a F F i z r i y i o z r o y o πγσπγσ (5-50) (3)汽车通过不平路面，垂向力2z F 最大，纵向力02=x F ，侧向力02=y F ：此时垂直 力最大值2z F 为：2221kG F z =(5-51) 式中，k 为动载系数，轿车：k =1.75，货车：k =2.0，越野车：k =2.5。
半轴弯曲应力σ为 32321632d a kG d a F z ππσ== (5-51) 半浮式半轴的许用合成应力为600～750MPa o3.3/4浮式半轴3／4浮式半轴计算与半浮式类似，只是半轴的危险断面不同，危险断面位于半轴与轮毂相配表面的内端。
半轴和半轴齿轮一般采用渐开线花键连接，对花键应进行挤压应力和键齿切应力验算。
挤压应力不大于200MPa ，切应力不大于73MPa 。
三、半轴可靠性设计在汽车设计中，可靠性已成为比较重要的技术指标之一。
对于产品设计，须考虑各参量 的统计分散性，进行随机不确定分析，真实正确地反映产品的强度与受载等情况。
1.可靠度计算对于全浮式半轴来说，所受的扭转切应力τ按下式计算316d T πτ= (5-53) 式中，T 为半轴所传递的转矩；d 为半轴的直径。
根据二阶矩技术，以应力极限状态表示的状态方程为()316dT r X g π-= (5-54) 式中，r 为半轴材料的扭转强度；X 为基本随机变量矢量，X=)(T d T r ,,。
设基本随机变量矢量x 的均值E(x)=)(T d T r μμμ,,，方差D(x)=)(T d T r 222,0,0,0,,0,0,0,σσσ。