随着复杂地形作业需求的增长，多功能全地形车（Utility Terrain Vehicle，UTV）凭借其卓越的越野性能与多功能性，在农业、林业、应急救援及户外运动等领域成为不可或缺的装备。其以四轮驱动、高离地间隙和强化底盘为核心特征，能够在泥泞、沙地等极端地形中稳定行驶，同时通过模块化设计（如货箱、拖车挂钩）实现物资运输、设备牵引等多样化功能。作为UTV动力传递的核心，后驱动桥性能直接影响整车动力性、经济性和可靠性。当整车总质量较大，车速较高时，驱动桥不仅需要承担较大的输入转矩，还要应对复杂路况下的冲击载荷，必须要搭配一个高效、可靠的驱动桥。在设计时通过优化结构参数、仿真验证等手段提高传动效率，提高后驱动桥综合性能。

根据整车总体配置要求，本驱动系统设计遵循以下技术规范：当从车辆后方观察时，主动锥齿轮顺时针旋转对应车辆前进工况。通过匹配独立悬挂系统的独立驱动桥结构设计，确保车辆行驶平顺性。驱动桥内集成差速机构确保车辆在弯道行驶时的轨迹控制精度和机械传动效率。整车主要参数见表1。

表1 多功能全地形车主要参数

综合以上要求，驱动桥主要组成部分有减速器1、差速器2、右半轴3、左半轴4，减速器采用弧齿锥齿轮实现动力的传递与转向。差速器采用四行星结构，实现差速功能。半轴与外部球笼连接，将动力传递到车轮，总体结构如图1所示。

图1 后驱动桥总体结构方案

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减速器设计

减速器采用弧齿锥齿轮结构，其优点是工作平稳、噪声小、寿命长。考虑到车辆满载时总质量较大，传递的转矩较大，主动锥齿轮采用跨距式支承见图2，从动锥齿轮支承方式见图3。

图2 主动锥齿轮支承    图3 从动锥齿轮支承

在给定发动机最大转速np工况下，所选择的主减速比i0应能保证车辆有尽可能高的最高车速Vmax，此时i0值应按下式确定

式中：igh为变速器高挡传动比，代入参数计算得igh=2.40。

将参数代入式（1）中得i0=3.47。在车辆主减速器中，小齿轮齿数一般不小于9，为了啮合平稳、噪声小并具有高的疲劳强度，大小齿轮的齿数和一般不少于40，最终确定主动齿轮齿数z1=14，从动齿轮齿数z2=43，最终i0=z2/z1=3.07。

2.3.1 减速器计算载荷

按发动机最大转矩和最低挡传动比确定从动锥齿轮的计算转矩Tce为

式中：iTL为发动机至所计算的主减速器从动锥齿轮之间传动系的最低挡传动比，代入参数计算得iTL=47.07；η为传动效率，取0.9；K0为超载系数，取1；n为驱动桥数目，取1。将参数代入式（2），得Tce=5761.37N·m。按驱动轮打滑转矩确定从动锥齿轮的计算转矩Tcs为

式中：G为车辆满载时后驱动桥给水平地面的最大负荷，代入参数计算得G=11248.93N；φ为轮胎与地面的附着系数，取0.85；η为车轮到从动锥齿轮间的传动效率，取0.9；iLB为轮边减速器速比，由于没有轮边减速器，取1。将参数代入式（3），得Tcs=4047.74N·m。最终从动齿轮计算转矩Tc=min（Tce,Tcs）=4047.74N·m。

2.3.2 模数计算

从动锥齿轮大端分度圆直径D2为

式中：K为直径系数，取13~16。将参数代入式（4），D2=207.17~254.99mm，则从动锥齿轮模数m2=4.82~5.93mm。综合考虑驱动桥整体尺寸大小，最终选取标准模数m=4.5，同时为弥补强度损失，取从动锥齿轮齿宽b2=35mm，并采用高强度材料20CrMnTi制作锥齿轮副。锥齿轮副螺旋角通常取35°，法向压力角通常取20°。主、从动锥齿轮具体参数见表2。

表2 主、从动锥齿轮主要参数

2.4.1 单位齿长上的圆周力

p单位齿长上的圆周力p按最大转矩计算

式中：ig为变速器最低挡传动比，代入参数计算得ig=15.33。将参数代入式（5），得p=1891.05N/m。按驱动轮打滑转矩计算p

将参数代入式（6），得p=1075.81N/m。

故p最大值为1075.81N/m＜1429N/m，单位齿长圆周力校核合格。

2.4.2 轮齿的弯曲强度

计算轮齿的弯曲强度计算公式为

式中：K0为超载系数，取1.0；Ks为尺寸系数，反映材料的不均匀性，与齿轮尺寸和热处理有关

Km为载荷分配系数，取1.1；Kv为质量系数，取1.0；J为计算弯曲应力的综合系数，主动锥齿轮取0.25，从动锥齿轮取0.31。

将参数代入式（7），得主动锥齿轮σ1=690.96MPa＜700MPa。

将参数代入式（7），得从动锥齿轮σ2=612.67MPa＜700MPa。因此主减速器齿轮满足弯曲强度要求。

2.4.3 轮齿的表面接触强度计算

轮齿的表面接触强度计算公式为

式中：Cp为材料的弹性系数，取207GPa；Kf为表面质量系数，取1.0；J为计算接触应力的综合系数，取0.254。

将参数代入式（8），得σ1=1466.01MPa＜1750MPa，主、从动齿轮的齿面接触应力是相同的，故齿轮表面接触强度符合要求。

考虑到本车为实用型全地形车，亦具有卓越的越野性能，差速器采用4行星结构。半轴齿数为14，行星齿轮齿数为10。半轴输出采用花键连接，花键齿数29，模数1mm。差速器、半轴结构见图4。

图4 差速器、半轴结构

为了在物理样机制造前，对齿轮副的强度、刚度、接触特性以及潜在失效风险进行预测和评估，在完成主、从动锥齿轮的参数化设计后，根据参数建立三维模型，采用有限元分析法（Finite Element Analysis，FEA）进行详细的模拟分析。图5、6分别表示锥齿轮副在最大转矩工况下的应力情况和形变情况。

图5 锥齿轮副应力图

有限元分析结果表明，驱动桥主、从动锥齿轮在最大转矩工况下，其齿根弯曲强度和齿面接触强度均满足设计要求，且具有合理的安全裕度。齿面接触区域良好，预示了较好的传动平稳性和较低的噪声潜力。

图6 锥齿轮副形变图

在整车耐久试验时进行驱动桥单项试验来考核驱动桥综合使用性能、耐久可靠性能以及机械强度是否达到设计要求。

5.1.1 试验 1：倒挡冲坡试验 

试验要求：整车按设计要求满载。 

试验路面：9°坡道实验坡。 

试验步骤：在水平区域，倒挡至坡道顶端，再自行滑落（中途不踩刹车），直到水平区域刹停，算一次循环。此试验前1500次车辆处于二驱（后驱）后桥差速不锁死状态；然后1000次车辆处于二驱（后驱）后桥差速锁死状态。共进行2500次倒挡冲坡试验。 

5.1.2 试验 2：驱动桥的差速切换试验 

试验要求：整车处于低速行驶状态。 

试验路面：水平路面。 

试验步骤：按“切换为后轮差速状态→切换为后轮非差速状态”为一个切换循环试验，共进行2000次循环。

注：每进行50次倒挡冲坡试验后进行40次切换循环试验。 

在考核试验完成后将后驱动桥拆卸分解，对主、从动锥齿轮进行检查。检查齿轮表面是否有明显的损伤、裂纹、变形等缺陷，齿轮表面应光滑平整，无明显毛刺、飞边、锈蚀等现象。经检查后驱动桥齿轮强度、磨损、噪声都符合要求。主动锥齿轮实物见图7、从动锥齿轮实物见图8，试验表明此次后驱动桥减速器锥齿轮副设计合理、适用。

图7 主动锥齿轮   图8 从动锥齿轮

驱动桥的好坏直接影响车辆整体性能，本文采用传统设计方法介绍了驱动桥减速器齿轮副的计算设计，并通过有限元分析论证齿轮强度，最后通过整车试验考核驱动桥强度、性能，这样设计的驱动桥传动效率高、传递动力大、噪声小，且整体尺寸小，为广大驱动桥设计生产商提供了参考。