车辆工程毕业设计16汽车差速器设计+锥齿轮设计

第四节 差速器设计 汽车在行驶过程中，左、右车轮在同一时间内所滚过的路程往往是不相等的，如转弯时内侧车轮行程比外侧车轮短；左右两轮胎内的气压不等、胎面磨损不均匀、两车轮上的负荷不均匀而引起车轮滚动半径不相等；左右两轮接触的路面条件不同，行驶阻力不等等。这样，如果驱动桥的左、右车轮刚性连接，则不论转弯行驶或直线行驶，均会引起车轮在路面上的滑移或滑转，一方面会加剧轮胎磨损、功率和燃料消耗，另一方面会使转向沉重，通过性和操纵稳定性变坏。为此，在驱动桥的左、右车轮间都装有轮间差速器。在多桥驱动的汽车上还常装有轴间 差速器，以提高通过性，同时避免在驱动桥间产生功率循环及由此引起的附加载荷、传动系零件损坏、轮胎磨损和燃料消耗等。 差速器用来在两输出轴间分配转矩，并保证两输出轴有可能以不同角速度转动。差速器按其结构特征可分为齿轮式、凸轮式、蜗轮式和牙嵌自由轮式等多种形式。 一、差速器结构形式选择 (一 )齿轮式差速器 汽车上广泛采用的差速器为对称锥齿轮式差速器，具有结构简单、质量较小等优点，应用广泛。他又可分为普通锥齿轮式差速器、摩擦片式差速器和强制锁止式差速器等 1普通锥齿轮式差速器 由于普通锥齿轮式差速器 结构简单、工作平稳可靠，所以广泛应用于一般使用条件的汽车驱动桥中。图 5 19 为其示意图，图中 0 为差速器壳的角速度； 1、2 分别为左、右两半轴的角速度；To 为差速器壳接受的转矩； Tr 为差速器的内摩擦力矩； T1、 T2 分别为左、右两半轴对差速器的反转矩。 根据运动分析可得 1+2 20(5 23) 显然，当一侧半轴不转时，另 一侧半轴将以两倍的差速器壳体角速度旋转；当差速器壳体不转时，左右半轴将等速反向旋转。 根据力矩平衡可得 T0T2T1 T0T1-T2 (5 - 24) 差速器性能常以锁紧系数 k 是来表征，定义为差速器的内摩擦力矩与差速器壳接受的转矩之比，由下式确定 结合式 (5 24)可得 k) -0 .5 T 0 ( 1T1k)0 .5 T 0 ( 1T2 (5 - 26) 定义快慢转半轴的转矩比 kb=T2/T1,则 kb 与 k 之间有 kk11kb kbk 11kb (5 - 27) 普通锥齿轮差速器的锁紧系数是一般为 0 05 0 15，两半轴转矩比 kb=1 111 35，这说明左、右半轴的转矩差别不大，故可以认为分配给两半轴的转矩大致相等，这样的分配比例对于在良好路面上行驶的汽车来说是合适的。但当汽车越野行驶或在泥泞、冰雪路面上行驶，一侧驱动车轮与地面的附着系数很小时，尽管另一侧车轮与地面有良好的附着，其驱动转矩也不得不随附着系数小的一侧同样地减小，无法发挥潜在牵引力 ，以致汽车停驶。 2.摩擦片式差速器 为了增加差速器的内摩擦力矩，在半轴齿轮 7 与差速器壳 1 之间装上了摩擦片2(图 5 20)。两根行星齿轮轴 5 互相垂直，轴的两端制成 V 形面 4 与差速器壳孔上的 V 形面相配，两个行星齿轮轴 5 的 V 形面是反向安装的。每个半轴齿轮背面有压盘 3 和主、从动摩擦片 2，主、从动摩擦片 2 分别经花键与差速器壳 1 和压盘 3 相连。 当传递转矩时，差速器壳通过斜面对行星齿轮轴产生沿行星齿轮轴线 方向的轴向力，该轴向力推动行星齿轮使压盘将摩擦片压紧。当左、右半轴转速 不等时，主、从动摩擦片间产生相对滑转，从而产生摩擦力矩。此摩擦力矩 Tr，与差速器所传递的转矩丁。成正比，可表示为 示为 tanz fT0Trdfr r (5 - 28) 式中， fr 为摩擦片平均摩擦半径；dr为差速器壳 V 形面中点到半轴齿轮中心线的距离； f 为摩擦因数； z为摩擦面数； 为 V 形面的半角。 摩擦片式差速器的锁紧系数 k可达 0 6，bk可达 4。这种差速器结构简单，工作平稳，可明显提高汽车通过性。 3强制锁止式差速器 当一个驱动轮处于附着系数较小的路面时，可通过液压或气动操纵，啮合接合器 (即差速锁 )将差速器壳与半轴锁紧在一起，使差速器不起作用，这样可充分利用地面的附着系数，使牵 对于装有强制锁止式差速器的 4X2 型汽车，假设一驱动轮行驶在低附着系数甲 min 的路面上，另一驱动轮行驶在高附着系数 的路 面上，这样装有普通锥齿轮差速器的汽车所能发挥 的最大牵引力tF为 m in2m in2m in2 22 GGGFt (5 - 29) 式中， 2G 为驱动桥上的负荷。 如果差速器完全锁住，则汽车所能发挥的最大牵引力 tF为 )(222 m i n2m i n22 GGGtF (5 - 30) 可见，采用差速锁将普通锥齿轮差速器锁住，可使汽车的牵引力提高 minmin 2/ 倍，从而提高了汽车通过性。 当然，如果左、右车轮都处于低附着系数的路面，虽锁住差速器，但牵引力仍超过车轮与地面间的附着力，汽车也无法行驶。 强制锁止式差速器可充分利用原差速器结构，其结构简单，操作方便。目前，许多使用范围比较广的重型货车上都装用差速锁。 (二 )滑块凸轮式差速器 图 5 21为双排径向滑块凸轮式差速器。 差速器的主动件是与差速器壳 1连接在一起的套，套上有两排径向孔，滑块 2装于孔中并可作径向滑动。滑块两端分别与差速器的从动元件内凸轮 4和外凸轮 3接触。内、外凸轮分别与左、右半轴用花键连接。当差速器传 递动力时，主动套带动滑块并通过滑块带动内、外凸轮旋转，同时允许内、外凸轮转速不等。理论上凸轮形线应是阿基米德螺线，为加工简单起见，可用圆弧曲线代替。 图 5 22为滑块受力图。滑块与内凸轮、外凸轮和主动套之间的作用力分别为Fl、 F2和 F，由于接触面间的摩擦，这些力与接触点法线方向均偏斜一摩擦角户。由 F1、 F2和 F构成的力三角形可知 式中， 1 2分别为内、外凸轮形线的升角。 左、右半轴受的转矩 Tl和 T2分别为 中， r1、 r2分别为滑块与内、外凸轮接触点的半径。 将式 (5 31)代人式 (5 32)可得 因此，凸块式差速器左、右半轴的转矩比 kb为 )s in ( )2c o s ( r)s in ( )2-c o s ( r121212 bk(5 - 34) 滑块凸轮式差速器址一种高摩擦自锁差速器，其结构紧凑、质量小。但其结构较复杂，礼零件材料、机械加工、热处耶、化学处理等方面均有较高的技术要求。 (三 )蜗轮式差速器 蜗轮式差速器 (图 5 23)也是一种高摩擦自锁差速器。蜗杆 2、 4同时与行星蜗轮 3与半轴蜗轮 1、 5啮合，从而组成一行星齿轮系统。这种差速器半轴的转矩比为 式中，为蜗杆螺旋 角；为摩擦角。 蜗轮式差速器的半轴转矩比 kb可高达 5 67 9 00，锁紧系数是达 0 7 0 8。但在如此高的内摩擦情况下，差速器磨损快、寿命短。当把 kb降到 2 65 3 00， k降到 0 45 0 50时，可提高该差速器的使用寿命。由于这种差速器结构复杂，制造精度要求高，因而限制了它的应用。 (四 )牙嵌式自由轮差速器 牙嵌式自由轮差速器 (图 5 24)是自锁式差速器的一种。装有这种差速器的汽车在直线行驶时，主动环可将由主减速器传来的转矩按左、右轮阻力的大小分配给左、右从动环 (即左、右半轴 )。 当一侧车轮悬空或进入泥泞、冰雪等路面时，主动环的转矩可全部或大部分分配给另一侧车轮。当转弯行驶时，外侧车轮有快转的趋势，使外侧从动环与主动环脱开，即中断对外轮的转矩传递；内侧车轮有慢转的趋势，使内侧从动环与主动环压得更紧，即主动环转矩全部传给内轮。由于该差速器在转弯时是内轮单边传动，会引起转向沉重，当拖带 挂车时尤为突出。此外，由于左、右车轮的转矩时断时续，车轮传动装置受的动载荷较大，单边传动也使其受较大的载荷。 牙嵌式自由轮差速器的半轴转矩比 Ab是可变的，最大可为无穷大。该差速器工作可靠，使用寿命长 ，锁紧性能稳定，制造加工也不复杂。 二、普通锥齿轮差速器齿轮设计 (一 )差速器齿轮主要参数选择 1行星齿轮数 n 行星齿轮数 n需根据承载情况来选择。通常情况下，轿车： n=2；货车或越野车：n=4。 2行星齿轮球面半径 Rb 行星齿轮球面半径 Rb反映了差速器锥齿轮节锥距的大小和承载能力，可根据经验公式来确定 式中， Kb为行星齿轮球面半径系数， Kb =2 5 3 0，对于有四个行星齿轮的轿车和公路用货车取小值，对于有两个行星齿轮的轿车及四个行星齿轮的越野车和矿用车取大 值； Td为差速器计算转矩 (N m)， Td=minTce,Tcs: Rb 为球面半径 (mm)。 行星齿轮节锥距 A0为 3行星齿轮和半轴齿轮齿数 Z1、 Z2 为了使轮齿有较高的强度，希望取较大的模数，但尺寸会增大，于是又要求行星齿轮的齿数 Z1应取少些，但 Z1一般不少于 10。半轴齿轮齿数 Z2在 14 25选用。大多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比 Z2 Z1在 1 5 2 0的范围内。 为使两个或四个行星齿轮能同时与两个半轴齿轮啮合，两半轴齿轮齿数和必须能被行星齿轮数整除，否则差速齿轮不能装配。 4行星齿轮和半轴齿轮节锥角 1、 2及模数 m 行星齿轮和半轴齿轮节锥角 1、 2分别为 锥齿轮大端端面模数 m为 22 011 0 s in2s in2 zAzAm (5 - 39) 5压力角 汽车差速齿轮大都采用压力角为 3022 、齿高系数为 0.8 的齿形。某些重型货车和矿用车采用 25 压力角，以提高齿轮强度。 6行星齿轮轴直径 d 及支承长 度 L 行星齿轮轴直径 d(mm)为 (5-40) 式中，0T为差速器传递的转矩 (N m)， n 为行星齿轮数；dr为行星齿轮支承面中点到锥顶的距离 (mm)，约为半轴齿轮齿宽中点处平均直径的一半； c为支承面许用挤压应力，取 98MPa。行星齿轮在轴上的支承长度 L 为 (5-40) (二 )差速器齿轮强度计算差速器齿轮的尺寸受结构限制，而且承受的载荷较大，它不像主减速器齿轮那样经常处于啮合传动状态，只有当汽车转弯或左、右轮行驶不同的路程时，或一侧车轮打滑而滑转时，差速器齿轮才能有啮合传动的相对运动。因此，对于差速器齿轮主要应进行弯曲强度计算。轮齿弯曲应力w(MPa)为 (5-40) 式中， n为行星齿轮数； J为综合系数，取法见参考文献 10； 2b 、 2d 分别为半轴齿轮齿宽及其大端分度圆直径 (mm)； T为半轴齿轮计算转矩 (N m)，06.0 TT ；vk、sk、mk按主减速器齿轮强度计算的有关数值选取。 当 ,min0 csce TTT 时， 9 8 0w M P a ；当cFTT 0时 ， 2 1 0w M Pa 。 差速器齿轮与主减速器齿轮一样，基本上都是用渗碳合金钢制造， 目前用于制造差速器锥齿轮的材料为 20CrMnTi、 20CrMoTi、 22CrMnMo和 20CrMo等。由于差速器齿轮轮齿要求的精度较低，所以精锻差速器齿轮工艺已被广泛应用。 三、粘性联轴器结构及在汽车上的布置 粘性联轴器是一种利用液体粘性传递动力的装置。它以其优良的性能不仅广泛应用于四轮驱动汽车上，而且也应用于两轮驱动汽车上。 1粘性联轴器结构和工作原理 粘性联轴 器结构简图如图 5 25所示。内叶片 2与 A轴 1以花键连接，叶片可在轴上滑动；外叶片 6与壳体 3也以花键连接，但叶片内有隔环 7，防止外叶片轴向移动。隔环的厚度决定了内、外叶片的间隙。叶片上各自加工有孔或槽，壳体内充人作为粘性工作介质的硅油 4，用油封密封。 粘性联轴器属于液体粘性传动装置，是依靠硅油的粘性阻力来传递动力，即通过内、外叶片间硅油的油膜剪切力来传递动力。一般在密封的壳体内填充了占其空间80 90的硅油 (其余是空气 )，高粘度的硅油存在于内、外叶片的间隙内。当 A轴与月轴之间有转速差时，内、外叶片间 将产生剪切阻力，使转矩由高速轴传递到低速轴。它所能传递的转矩与联轴器的结构、硅油粘度及输入轴、输出轴的转速差有关。 2粘性联轴器在车上的布置 根据全轮驱动形式的不同，粘性联轴器在汽车上有不同的布置形式。 图 5 26为粘性联轴器作为轴间差速器限动装置的简图。轴间差速器壳体上的齿轮 1与变速器输出轴上的齿轮相啮合，壳体内的左齿轮通过空心轴 2与右侧的前桥差速器 6壳体相连，右齿轮通过空心轴 4和齿轮 7等与后桥差速器壳上的齿轮相连。粘性联轴器 5的壳体与空心轴 4相连，内叶片连接在空心轴 2上，这样它就与轴间差 速器3并联在一起，内、外叶片的转速分别反映了前、后差速器壳体的转速。 当前、后桥差速器壳体转速相近时，粘性联轴器内、外叶片转速相近，它并不起限动作用，此时轴间差速器将转矩按固定比例分配给前、后桥。当某一车轮 (如前轮 )严重打滑时，前桥差速器壳的转速升高，粘性联