轮式装载机驱动桥差速器壳体的结构优化设计

轮式装载机驱动桥差速器壳体的结构优化设计摘要：利用ANSYS软件中的优化设计模块．建立轮式装载机驱动桥差速器壳体的结构优化计算模型，并实现优化迭代计算。

经过优化迭代计算并作局部结构调整后的差速器壳体。

一方面加强了原设计方案的薄弱部位。

另一方面也使得整个结构布局更合理。

优化设计后的差速器壳体重量减轻了13．7％．降低了材料的成本。

关键词：轮式装载机；差速器壳体；有限元分析；优化设计差速器是轮式装载机驱动桥的重要组成部分。

发动机输出扭矩经过变速箱后传递至主传动，然后由差速器与左右半轴进行分开传动．保证装载机驱动桥(见图1)两侧车轮在行程不等时，能以不同速度旋转．从而满足行驶运动学的要求。

差速器壳与半轴通过法兰固定联接．把扭矩传递至两侧的轮边减速机构。

在国内某型号大型轮式装载机驱动桥开发设计中，利用有限元优化分析技术，对驱动桥的差速器壳体(见图2)进行了校核计算与结构优化设计。

1工况与载荷分析轮式装载机采用的是防滑式差速器．根据两侧轮胎处的地面行驶条件．差速器自动调整分配给左右半轴的扭矩比例．从而能保证装载机在不良路面条件下的通过性。

也就是说。

在装载机作业行驶过程中．差速器壳体承受的扭矩是变化的。

取极限作业工况作为差速器壳体的设计校核工况。

即装载机发动机的最大输出扭矩．经过各级传动后．作用在差速器的单侧．也就是说此工况下两侧的轮胎，一边达到最大输出扭矩．另一边输出扭矩为0。

可求出作用在差速器壳体上的最大扭矩式中τmax——发动机输出的最大扭矩；i——从发动机输端至差速器输入端之间的总传动比。

2建立有限元模型与分析在HyperMesh软件中完成差速器壳体网格的划分．通过软件接口将网格模型导入ANSYS中。

与半轴花键联接处施加固定约束。

在法兰安装孔处施加周向集中载荷式中N——法兰螺栓的数量：R——法兰螺栓周向布置半径。

差速器壳体有限元模型参数：单元类型Solid45．单元数量：259403，节点数量：74805。

驱动桥壳局部结构改进优化发布时间：2021-07-01T16:51:42.603Z 来源：《科学与技术》2021年第29卷3月7期作者：左磊[导读] 驱动桥桥壳作为重卡车辆底盘关键的组件之一，具有非常重要的作用。

在汽车行驶过程中，驱动桥壳保护内部的传动系统并承载车架及其上的载左磊合肥工业大学摘要：驱动桥桥壳作为重卡车辆底盘关键的组件之一，具有非常重要的作用。

在汽车行驶过程中，驱动桥壳保护内部的传动系统并承载车架及其上的载荷，若其失效则会影响到车辆的行驶功能，桥壳自身的刚度和强度是较为关键的参数指标，在某种程度上决定了车桥自身的传动效率[[参考文献：[] S.Suerhs.材料的疲劳[M].北京:国防工业出版社,1999.]]。

目前国内的中大型矿区路况恶劣以及超载现象严重，驱动桥桥壳在重载下承受反复扭摆和冲击等容易发生开裂，断裂等失效形式，每年桥壳的失效给企业和客户带来巨大损失。

本文采取将桥壳疲劳寿命作为优化目标进行优化分析，并将拓扑优化与多目标优化相结合对桥壳进行了局部加强设计。

关键词：铸钢桥壳；有限元分析；结构改进前言由于桥壳结构复杂并且在工作中受交变载荷，使用传统的计算方法不能精确得还原桥壳的应力大小，合理运用有限元分析软件可以有效快速解决这一难题。

本文将多体动力学软件以及有限元分析软件结合应用，分析矿用自卸车用车桥桥壳的疲劳特性，并结合仿真得出的结果与桥壳在市场上实际出现的故障模式分析桥壳的薄弱点。

在在此基础上结合运用拓扑优化以及多目标优化对桥壳盘面与肩部结构重构，获取合理省材的优化改进方案。

本文的研究结果后续可以为企业在驱动桥壳的设计以及局部结构优化改进提供参考。

1桥壳盘面与肩部结构设计1.1桥壳盘面拓扑优化针对桥壳盘面位置的结构优化设计，需要避让差速锁以及主减速器总成的轴承盖，并预留一定间隙防止在实际使用过程中产生相互挤压碰撞现象。

由于桥壳盘面与主减速器壳有配合定位的功能且此处铸造成型后需要进行机加工，所以盘面结构要求简单且对称。

差速器壳体工艺及工装设计摘要随着社会的发展，汽车在生产和生活中的越来越广泛，差速器是汽车中的重要部件，其壳体的结构及加工精度直接影响差速器的正常工作，因此研究差速器的加工方法和工艺的编制是十分必要和有意义的。

本次设计主要内容有：差速器的工作原理结构分析，差速器壳体的工艺编制，夹具的设计及加工中对定位基准的选择，工序工装设计中切削用量，夹紧力的计算等。

关键词：差速器，壳体，夹具设计Differential Device Case Process and Boring Suits DesignABSTRACTAlong with social development, motor vehicle production and life in an increasingly wide differential device is an important vehicle components, and its interior structure and processing precision differential device directly affect the normal work, study differential device case processing methods and techniques of preparation is necessary and meaningful. The current design of the main elements: differential device structures operating principles of analysis, differential device case preparation processes, design and smooth-bore jig for positioning baseline processing options smooth-bore design processes suits cutting consumption, increased computing power.Key word: Differential device, Case, Jig design第1章绪论 11.1 课题的背景及意义 11.2 差速器的主要分类 21.2.1 开式差速器 21.2.2 限滑差速器 31.3 差速器结构 31.3.1 对称式锥齿轮差速器中的运动特性关系式 4 1.3.2 对称式锥齿轮差速器中的转矩分配关系式 5 1.4 壳体的加工工艺71.4 论文主要内容8第2章零件的作用及结构及工艺分析102.1 零件的作用及结构102.2 零件的工艺分析11第3章工艺规程设计133.1 确定生产类型133.2 毛坯的选择133.2.1 毛坯种类及制造方法的形状及选择133.2.2 毛坯的精度等级133.3 基准的选择143.3.1 粗基准的选择143.3.2 精基准的选择143.4 工艺路线的制定143.5 确定个工序余量及工序尺寸极限偏差163.6 确定切削用量和切削183.7 确定工序单件工时19第4章机床专用夹具设计——工序的专用夹具设计224.1 工作量分析234.2 定位基准的选择244.3 夹紧力的计算244.4 定位误差分析264.5 结构特点284.6 使用方法和应注意的问题28致谢29参考文献30第1章绪论1.1 课题的背景及意义对于整车的结构体系来说，差速器只是装在两个驱动半轴之间的一个小轴承。

任务书设计题目：ZL40轮式装载机驱动桥设计1．设计的主要任务及目标针对工程机械的作业特点，设计用于轮式装载机的驱动桥总成，包括半轴和轮边减速装置等。

要求系统传动平稳、安全可靠，体积小，承载能力强。

具体内容有：中央传动的机构设计与计算；差速器的结构设计与计算；半轴的结构设计与计算；轮边减速器的结构设计与计算；各辅助零件与连接件的选型与校核计算。

原始参数如下：额定斗容： 2 m3额定载重量：40 KN整机质量：120 KN桥荷分配：前桥65% 后桥35&轮距：1950 mm轴距：2660 mm轮胎规格：16—24发动机最大功率：100KW发动机最大扭矩：600KN传动比：前进一档：3.85 主减速比：6.167 轮边减速：3.667研究方法：比拟设计、经验核算、图纸绘制2．设计的基本要求和内容1、设计图纸不少于2.张A0图；2、设计说明书不少于1份，字数不少于10000字；3．主要参考文献[1] 诸文农. 工程机械底盘构造与设计. 北京：机械工业出版社，1986.5[2] 同济大学. 轮式装载机设计[M]. 北京：建筑工业出版社，1992, 6[3] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2004.5[4] 其它网络检索到的相关资料摘要本次设计内容为ZL40装载机驱动桥设计，大致分为主传动的设计，差速器的设计，最终传动设计，半轴的设计四大部分。

其中主传动锥齿轮采用35 º螺旋锥齿轮，这种类型的齿轮的基本参数和几何参数的计算是本次设计的重点所在。

将齿轮的几个基本参数，如齿数，模数，从动齿轮的分度圆直径等确定以后，用大量的公式可计算出齿轮的所有几何参数，进而进行齿轮的受力分析和强度校核。

了解了差速器，半轴和最终传动的结构和工作原理以后，结合设计要求，合理选择它们的形式及尺寸。

本次设计差速器齿轮选用直齿圆锥齿轮，半轴采用全浮式，最终传动采用单行星排减速形式。

关键词：ZL40，装载机，驱动桥AbstractThis design was a ZL40 loader drive axle design, broadly divided into the main drive design, the differential design, final drive design and the axle design. One main drive bevel gear used 35 º Spiral bevel gear, the basic parameters and the calculation of geometry parameters for this type of gear is the focus of this design. When the gears of a few basic parameters, such as number of teeth, module, driven gear such as sub-degree diameter were determined , all geometric parameters of gears can be calculated using a large number of formulas, and then the gear stress analysis and strength check can be operated . Understanding the structure and working principles of the differential, half shaft and final drive of the future, combined with the design requirements, their form and size were rightly selected. Straight bevel gear was selected for differential gear, full floating for axle and a single row of slow form planetary for final drive.Keywords:ZL40 , shovel loader , drive bridge目录前言 (1)1.主减速器设计 (2)1.1主减速器的分类 (2)1.1.1主减速器的齿轮类型 (2)1.2主减速器的基本参数选择与计算 (2)1.2.1主减速器计算载荷 (2)1.2.2主减速器锥齿轮主要参数 (4)1.2.3螺旋锥齿轮的几何尺寸 (7)1.2.4主传动器螺旋锥齿轮的强度计算 (8)1.2.5 主减速器齿轮的热处理要求及材料 (11)1.2.6主减速器轴承的计算 (12)2.差速器设计 (15)2.1差速器的结构 (15)2.2差速器的设计 (15)2.2.1差速器参数的确定 (16)2.2.2差速器齿轮的几何尺寸 (17)2.2.3差速器齿轮的强度计算 (19)2.2.4差速器十字轴直径的确定 (20)2.2.5差速器齿轮的材料 (20)3.最终传动设计 (21)3.1半轴设计 (21)3.1.1半轴直径的确定 (21)3.2行星排行星轮数目和齿轮齿数及参数的确定 (22)3.2.1行星轮数目的选择 (23)3.2.2行星排各齿轮参数的确定及校核 (23)3.2.3齿轮变位系数及中心距的确定 (24)3.3行星排各齿轮的几何尺寸 (26)3.4齿轮的校核 (28)3.4.1齿轮材料的选择 (29)3.4.2齿轮接触疲劳强度计算 (29)3.4.3齿轮弯曲疲劳强度校核 (30)3.5行星传动的结构设计 (30)3.6轴承的选择 (31)3.6.1滚针轴承的选择 (31)3.6.2桥壳上轴承的选取 (32)4各主要花键的选择与校核 (32)4.1花键的选择及其强度校核 (32)4.2主传动中差速器半轴齿轮花键的选择 (33)4.2.1键参数的选择 (33)4.2.2键的强度校核 (34)4.3轮边减速器半轴与太阳轮处花键的选择 (34)4.4主传动输入法兰处花键的选择与校核 (34)4.4.1最小轴径估算 (34)4.4.2花键的选择与主要参数的计算 (35)4.4.3花键的校核 (36)5.螺栓的选择及强度校核 (37)5.1螺栓所受剪切力计算 (37)5.2从动锥齿轮与差速器壳联接螺栓校核 (37)结论 (39)参考文献 (40)致谢 (41)前言驱动桥的基本功能驱动桥处于动力传动系的末端，主要有主传动器、差速器、半轴、轮边减速器和驱动桥壳等部件，其基本功能是：1.将万向传动装置传来的发动机转矩通过主减速器、差速器、半轴等传到驱动车轮，实现降速增大转矩；2.通过主减速器圆锥齿轮副改变转矩的传递方向；3.通过差速器实现两侧车轮差速作用，保证内、外侧车轮以不同转速转向。

专利名称：轮式装载机用差速器的改进结构专利类型：实用新型专利
发明人：张秀兰,陈文清,李峰
申请号：CN200820102268.6
申请日：20080508
公开号：CN201196255Y
公开日：
20090218
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开一种轮式装载机用差速器的改进结构，它由差速器右壳、半轴锥齿轮、行星锥齿轮、差速器左壳、半轴锥齿轮垫片、十字轴、行星锥齿轮垫片组成；所述的行星锥齿轮有两个，分别通过轴孔套接在十字轴的两头；在所述的行星锥齿轮的小端沿轴孔的轴线方向向外延伸出一环绕轴孔的环形凸台。

由于本实用新型是在现有的在行星锥齿轮的小端面上增加了凸台，这使得字轴直径增大、行星锥齿轮内孔直径相应增大时，仍可保持行星锥齿轮小端面壁厚不变，行星锥齿轮的强度不会削弱。

其优点是在于加大了十字轴直径及行星锥齿轮内孔直径时，保持差速器的尺寸不变，以最低的成本改进，提高了差速器的可靠性、结构强度和使用寿命。

申请人：厦门厦工机械股份有限公司
地址：361004 福建省厦门市厦禾路668号
国籍：CN
代理机构：厦门市新华专利商标代理有限公司
代理人：许伟
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装载机的结构分析与优化设计随着社会的不断发展，装载机在建筑工地、矿山、交通运输等领域得到了广泛的应用。

而装载机的结构分析与优化设计则成为制造商和用户关注的热点问题。

本文将从装载机的整体结构、关键部件的设计以及优化设计三个层面对其进行探讨。

一、装载机的整体结构装载机的整体结构主要包括车架、动力传动系统、液压系统、制动系统、转向系统、工作装置等部分。

其中，车架是承载整个机器的核心部件，其设计应具有足够的强度和刚性，以承受各种工况下的负载。

动力传动系统包括发动机、变速器、驱动桥等部分，其设计应满足装载机的工作需求，在兼顾经济性和可靠性的前提下，尽量提高功率和效率。

液压系统是装载机的重要组成部分，负责工作装置的联动、刹车、转向等操作。

其设计应具有足够的流量和压力，并保证系统的平稳运行和可靠性。

制动系统和转向系统则负责装载机的止动和转向，保证其行驶的安全性和稳定性。

二、关键部件的设计装载机的关键部件主要包括前装铲、工作装置、轮胎等部分。

前装铲是装载机的核心工作装置，其设计应考虑铲斗的承载能力、卸料高度、卸料距离、铲斗自重等因素，以满足各种工况下的要求。

工作装置包括液压缸、油缸、管路等部分，其设计应兼顾流量、压力、速度等因素，保证其平稳运行和可靠性。

轮胎则是决定装载机行驶性能的关键因素，其设计应考虑承载能力、附着力、耐磨性等因素，尽量提高行驶效率。

三、优化设计在满足以上要求的前提下，装载机的优化设计应遵循以下原则：1.轻量化设计：在不影响结构强度和稳定性的前提下，尽量减少机器的重量，提高机器的功率和经济性。

2.节能环保：在设计动力传动系统和液压系统时，应采用更加高效节能的技术，降低排放污染。

3.智能化设计：通过引入智能化系统、传感器等先进技术，提高机器运行的自动化程度和安全性。

4.便捷性设计：在人机界面和工作环境设计上，应考虑操作的简便和人机交互的友好性，提高操作人员的工作效率和舒适性。

总之，装载机的结构分析与优化设计需要综合考虑多个方面的因素，在满足机器工作要求和节能环保、智能化、便捷性等因素的前提下，不断推动装载机的技术创新和发展。

基于参数化的车辆驱动桥壳动态优化设计1 前言车辆驱动桥壳的功用是支承并保护主减速器、差速器和半轴等，使左右驱动车轮的轴向相对位置固定；同从动桥一起支承车架及其上的各总成重量；汽车行驶时，承受由车轮传来的路面反作用力和力矩，并经悬架传给车架。

驱动桥壳应有足够的强度和刚度，质量小，并便于主减速器的拆装和调整。

由于桥壳的尺寸和质量比较大，制造较困难，故其结构型式在满足使用要求的前提下，要尽可能便于制造。

驱动桥壳可分为整体式桥壳和分段式桥壳两类。

整体式桥壳具有较大的强度和刚度，且便于主减速器的装配、调整和维修，因此普遍应用于各类汽车上。

目前，车辆驱动桥壳的设计大多还是图解法，这种设计计算量大且很复杂，精度不高。

应用计算机的可视化技术和参数化造型和建模能力，在车辆的设计阶段进行三维实体建模，并利用有限元分析方法进行满载荷静力学分析，2.5倍满载轴荷下的垂直弯曲强度和刚度计算，并进行模态分析和参数化结构优化。

从而提高车辆驱动桥壳结构的设计水平，减少实际试验研究费用和时间，提高设计效率。

2 UG软件简介及其结构分析方法Unigraphics（UG） CAD/CAM/CAE系统提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。

而且，在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性。

通过在实践中运用UG软件，作者总结了一套结构分析方法和分析步骤：（1）参数化建模：包括建立构件的实体模型，建立设计变量，并施加约束和载荷等；（2）满载荷静力学分析：确定8mm桥壳每米轮距变形量和最大许可应力值；（3）结构模态分析：确定不同设计变量下的结构固有频率及振型，并与试验值比较；（4）参数化优化设计：在指定优化目标、定义约束和定义变量之后，计算出最优结果。

3 有限元分析模型的建立对产品进行参数化建模，可以用参数建立起零件内各特征之间的相互关系。

诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。

本人签名：年月日毕业设计任务书设计题目：驱动桥差速器的设计系部：机械工程系专业：机械设计及其自动化学号： 1350111 15 学生：指导教师（含职称）：1．课题意义及目标。

通过毕业设计，能够对机械传动的原理及差速器的结构有深刻的理解和掌握，对设计规范、计算方法及设计思想等内容有一定的了解，为学生在毕业后能尽快适应所从事的工作奠定一些基础。

2．主要任务1.确定叉车驱动桥差速器的结构形式，并进行必要的设计计算。

2.绘制叉车驱动桥差速器装配图及零件图。

3.编写设计说明书一本4.电子资料一份。

附：1.车型：3吨叉车；2.空载质量：5400kg3.满载质量：8400kg4.轮距：前20%；5.最高车速：20km/h 最大爬坡度：3000；6.传动系最小传动比：；主减速器传动比：6；轮边传动比：2；7.最大起升高度：2000mm ；8.载荷中心：500；9.自由起升高度：155；10.最大转速：3700；3．主要参考资料[1]刘惟信编着.叉车车桥设计 .北京：清华大学出版社，2004[2]徐颢主编.机械设计手册（第3，4卷）.北京：机械工业出版社，1991[3]吉林大学王望予主编.叉车设计(第四版).北京:机械工业出版社，2004[4]吉林大学陈家瑞主编.叉车构造(下册).北京:机械工业出版社，2005[5] 朱孝录主手册.北京：化学工业出版社，2005[6]邱宣怀主编.机械设计.北京：高等教育出版社，1997[7]廖念钊等编 .互换性与技术测量（第四版）.北京：中国计量出版社，2000[8]王明珠主编 .工程制图学及计算机绘图 .北京：国防工业出版社，19984．进度安排审核人：年月日摘要：本次毕业设计主要是对安装在驱动桥的两个半轴之间的差速器进行设计，主要涉及到了差速器非标准零件如齿轮结构和标准零件的设计计算，同时也介绍了差速器的发展现状和差速器的种类，对于差速器的方案选择和工作原理也作出了简略的说明，在设计中参考了大量的文献，因此对差速器的机构和作用有了更透彻的了解，通过利用Proe软件对差速器进行建模工作，也让我学习方面得到了提高。

设计计算DESIGN & CALCULATION94建筑机械 2014.1［收稿日期］2013-10-24［通讯地址］张翔，江苏省常州市新北区黄河西路898号常林股份有限公司装载机研发所轮式装载机驱动桥差速功能控制方案设计张翔，高飞，曹杰（常林股份有限公司，江苏常州213136）［摘要］以某型号大吨位轮式装载机的前/后驱动桥为研究对象；设计前/后驱动桥配置方案，并且构建差速器、电气开关、电磁换向阀、控制器等硬件控制方案，编制相应的控制策略；通过该方案在包括轮式装载机等行走机械上的应用，表明该设计方案可以大大提高行走机械的越野性，适应更加恶劣、复杂的工作场地。

［关键词］轮式装载机；前/后驱动桥；差速器；控制［中图分类号］TH243 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2014）01-0094-03Design for drive axle with self-lock differential function on wheel loadZHANG Xiang，GAO Fei，CAO Jie常林股份有限公司9t轮式装载机配置了德国进口采埃孚电控变矩/变速箱、前/后驱动桥，并且前桥具有100%差速/40%差速切换功能、后桥具有40%差速功能，为构建差速自动化控制方案奠定了硬件基础。

本文首先通过计算分析，验证差速功能对整车牵引性能的影响；其次构建差速功能切换控制硬件组成方案；最后提出控制策略，实施最终控制。

1 计算分析行走机械的轮胎在路面正常行驶依赖的是路面附着系数μ；根据相关文献［1、2］，车辆在路面运动需要满足以下条件M·g（f+μ）≥P（1）式中M——整车质量（含物料），kg；P——整车牵引力，N；f——路面滚动阻力系数；μ——路面附着系数。

根据整车型式试验，已知整车质量M=39620kg （包含9t物料）、轮胎的滚动半径R=885mm、整车传动系统总效率η＝0.83；二挡总传动比i2=59.6、一挡总传动比i1=113.4；变矩器的涡轮在零速工况下，泵轮最大输出转矩M B=976.6Nm、变矩系数K0=2.511；整车满载工况下，前驱动桥负荷Mf=29340kg、后驱动桥负荷M r=10280kg；一般情况下，取松软湿滑路面附着系数μ=0.5、滚动阻力系数f=0.25。

专利名称：一种新型的轮式装载机驱动桥差速器结构专利类型：实用新型专利
发明人：白辉明
申请号：CN201120204697.6
申请日：20110617
公开号：CN202138226U
公开日：
20120208
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种新型的轮式装载机驱动桥差速器结构，包括有传动轴、输入法兰、主动螺旋伞齿轮、轴承套、大螺旋伞齿轮、差速器、托架、桥壳；所述的传动轴与输入法兰相连接；主动螺旋伞齿轮与传动轴相连接；轴承套通过螺栓连接设于托架上；所述的主动螺旋伞齿轮与轴承套相转动连接；所述的大螺旋伞齿轮与传动轴相连接；所述的大螺旋伞齿轮与差速器相啮合；所述的差速器固定连接设于托架上；所述的托架通固定于桥壳上。

本实用新型具有结构简单、操作简单、查看方便、实用的特点。

申请人：南安市南宏工程机械有限公司
地址：362321 福建省泉州市南安市梅山镇新兰工业区
国籍：CN
代理机构：厦门龙格专利事务所(普通合伙)
代理人：娄烨明
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