离心式限速差速器设计及仿真分析

1全日制普通本科生毕业设计 离心式限速差速器设计及仿真分析 DESIGN AND SIMULATION ANALYSIS OF THE CENTRIFUGAL LIMITED SLIP DIFFERENTIAL 湖南农业大学全日制普通本科生毕业论文（设计）诚 信 声 明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文（设计）是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重2要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日目 录 摘要 1 关键词1 1 前言1 1.1 研究目的及意义6 1.2 差速器7 1.3 限滑（限速）差速器3 1.4 国内外研究现状3 31.4.1 扭力感应式7 1.4.2 螺旋齿轮式4 1.4.3 滚珠锁定式8 1.4.4 黏性耦合式8 1.4.5 机械式8 2 离心式限速差速器的基本原理及方案的确定9 2.1 对称式圆锥行星齿轮差速器的差速原理9 2.2 离心锁止机构方案的确定10 3 差速器齿轮主要参数的选择与计算11 3.1 差速器齿轮的基本参数的选择11 3.1.1 行星齿轮数目的选择11 3.1.2 行星齿轮球面半径 RB的确定11 3.1.3 行星齿轮与半轴齿轮的选择12 3.1.4 差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定13 3.1.5 压力角 13 3.1.6 行星齿轮安装孔的直径 及其深度 L13 3.2 差速器齿轮的强度计算16 3.3 差速器齿轮的材料16 4 驱动半轴的设计17 4.1 半浮式半轴杆部半径的确定17 44.2 半轴花键的强度计算18 4.3 半轴其他主要参数的选择19 4.4 半轴的结构设计及材料与热处理19 5 离心锁止机构的设计20 5.1 离心飞锤结构形式的选择20 5.2 离心飞锤的设计与计算20 5.2.1 飞锤在静态下重心位置的确定21 5.2.2 飞锤介入转速的确定21 5.3 调速弹簧的设计22 6 直齿圆锥齿轮的仿真分析 23 6.1 直齿圆锥齿轮参数化建模20 6.1.1 直齿圆锥齿轮建模原理20 6.1.2 直齿圆锥齿轮的基本参数20 6.2 锥齿轮建模方法 24 6.2.1 建模步骤24 6.2.2 齿轮模型的生成25 6.3 齿轮有限元分析 26 6.3.1 齿轮有限元分析概述26 6.3.2 有限元模型的建立及优化处理27 6.3.3 有限元分析24 6.4 小结29 59 结论 26 参考文献26 致谢27 离心式限速差速器设计及仿真分析 学 生：陈权瑞指导老师：李军政 (湖南农业大学工学院，长沙 410128) 摘 要： 本文设计研究了离心式限速差速器，其目的是在普通差速器基础上增加一套离心机构，使差速器在一定条件下锁止差速从而限制车轮滑动，以应对特定情况。在设计过程中综合运用了机械原理、机械设计、Solidworks、AutoCAD 等知识，并利用 AutoCAD 软件绘制装配图和零件图。同时运用分析软件结合汽车构造、汽车设计、材料力学等学科知识对离心式限速差速器进行仿真分析。首先，本文将概述限滑差速器的现状和发展趋势，介绍其领域的最新发展状况。其次，对差速器的行星齿轮、半轴齿轮和轴及轴承做详细的设计计算，并进行受力分析、强度和刚度校核计算。然后进行对离心差速锁止装置进行设计，确定飞锤、弹簧、锁止机构等的结构和参数，进行受力分析，强度和刚度校核，进行运动仿真分析。最后得出结论。 关键词：差速器；齿轮；飞锤；弹簧；锁止机构Design and Simulation Analysis of The Centrifugal Limited Slip DifferentialStudent：Chen Quanrui Tutor：Li Junzheng 6(College of engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract：This design of the centrifugal speed differential, the aim is to increase the differential of a common centrifugal mechanism on the basis that the differential lock under certain conditions to limit the differential wheel slip in response to specific circumstances. In the design process, the integrated use of mechanical principles, mechanical design, Solidworks, AutoCAD, knowledge and use of AutoCAD software assembly drawing and parts diagram. While the use of analysis software combined automotive construction, automotive design, materials and other disciplines of knowledge of the mechanics of centrifugal speed differential simulation analysis. First, this paper will outline the current situation and development trend of limited-slip differential, the latest developments in their field. Secondly, the planetary gear differential, axle gears and shafts and bearings do detailed design calculations and stress analysis, strength and stiffness checking calculations. Then subjected to differential centrifugation locking means designed to determine the structure and parameters Flyweight spring, the locking mechanism or the like, is analyzed, checking the strength and stiffness, motion simulation. Finally concluded. Key words： differentials ; gear ; flyweight ; spring ; locking mechanism ; 1 前言 1.1 研究目的及意义 虽然限速差速器的各种技术已经趋于成熟，且市面上各种形式的限速差速器种类十分丰富，但大多结构比较复杂，成本较高。而且在离心式限速差速器的研究方面几乎是一片空白。鉴此，开展离心式限速差速器的设计计算方法，限速性能，试验方法，在实际中的应用的研究，具有重要的理论意义和实用价值。1.2 差速器 7图 1 典型的差速器结构图Fig.1 The typical structure of the differential 1轴承；2、8差速器壳；3、5调整垫片； 6行星齿轮； 7从动锥齿轮；4半轴齿轮；9行星齿轮轴；10螺栓 差速器是一种能使旋转运动自一根轴传至两根轴，并使后者相互间能以不同转速旋转的差动机构。一般由齿轮组成 1。汽车、拖拉机上的差速器位于后桥内，由差速壳、行星齿轮及半轴齿轮组成。1.3 限滑（限速）差速器 由于差速器是藉由盆型齿轮及角齿轮驱动，内部包含边齿轮及差速小齿轮。当车辆直行时，并无差速作用，差速小齿轮及边齿轮整个会随着盆齿轮公转无差速作用，一旦车辆转弯内、外轮阻力不一样时，差速齿轮组因阻力的作用迫使产生自转功能进而调整左、右轮速。既然左、右轮速的变化及调整是藉由轮胎及地面阻抗来自由产生，那么后续的使用状况就将造成车辆无法行驶的状态 2 。譬如说当车辆一轮掉入坑洞中，此车轮就毫无任何摩擦力可言，着地车轮相对却有着极大的阻力，此时差速器的作用会让所有动力回馈到低摩擦的轮子。掉入坑洞的车轮会不停转动，而着地轮反而完全无动作，如此车轮就无法行驶。限速差速器，也称限滑差速器。顾名思义就是限制车轮滑动的一种改进型差速器，8指两侧驱动轮转速差值被允许在一定范围内，以保证正常的转弯等行驶性能的一类差速器。1.4 国内外研究现状限速差速器，尤其是汽车上运用的防滑差速器目前已十分成熟。主要的形式有 3：1.4.1 扭力感应式 是采用螺旋齿轮组，一样利用左、右双组的摩擦力来限定滑差效应，由于螺旋齿轮采纵向和基座齿轮的横向交错，无离合器片的损耗，运用在后驱车辆，其故障率较低，维修保养亦趋于简单，虽然在动力输出方面未能有强大的表现，但实用原则为其最大之优点。它是将普通差速器的齿轮从齿轮改成涡轮蜗杆，而安装位置和形式并不变，借由蜗轮蜗杆传动的自锁功能（蜗杆可以向蜗轮传递扭矩，而蜗轮向涡杆施以扭矩时齿间摩擦力大于所传递的扭矩，而无法旋转）来实现防滑功能。大名鼎鼎的奥迪 quattro 就是采用这种结构，还有许多原厂高性能车种都是采用此种型式，像 RX-7 FD3S 的原厂限速差速器就相当有名。在扭力感应式限速差速器的特性方面，虽然其较少使用在运动用途上，但摩擦部分与机械式比较起来效果更好，而且维修上非常简单，这是它的最大优点。1.4.2 螺旋齿轮式 其内部构造依然采用螺旋齿轮，有别于扭力感应式的限速差速器是此螺旋齿轮限速差速器所配置的齿轮全为横向 ，也就是和输出轴的运转同一方向，利用行星齿轮大小减速比的功能达到限速功能，其最大的弱点在于限定锁定扭力滑差的比例较小，但也因为维修及使用保养无需特别的注意，更不需要使用限速差速器专用油，因此原厂如 Honda 1.8 升 Type-R、Silvia S15等较新款的前轮带动车，也几乎都是使用此型式之限速差速器，此等限速差速器还有一个现象，就是车辆顶高后，转动驱动的左右两轮，9并不会一起前进或后退，因此在当年 TIS 1：9 房车赛规格的验车过程中，它算是可以瞒混过关的偷改武器！螺旋齿轮限速差速器内部的齿轮构造与扭力感应式限速差速器有些相似，同样是将普通差速器的齿轮从直齿改成螺旋齿，不过不是利用二者摩擦力的不同，而是改变了齿轮的安装位置和形式，通过只有螺旋齿轮才能实现的安装位置和形式，利用齿轮的减速比来限制左右驱动轮转速差的。这种限速差速器所能达到的最大转速差比较小。而且，扭力感应型的齿轮配置为纵向，而此种螺旋齿轮限速差速器的则为横向装置。和机械式限速差速器相比，它的最大弱点在于限制锁定的扭力范围较小，但维修、使用上没有什么特别麻烦之处。1.4.3 滚珠锁定式 这种设计的特殊之处，是当小圆球在弯曲的沟槽中移动时，被沟槽切断的滚筒开始作动而发挥限滑的效果，尤其是其作动原理与一般品有很大的差异，目前并不算是主流的制品。在滚珠锁定限速差速器的特性方面，因为它的构造相当特别，因此可以发挥十分圆滑的效果，反过来说此限速差速器并不适合喜欢在街上狂飙的人士，而最后可以死锁差速器、并发挥最高扭力，也是值得记上一笔之处，所以最适用于分秒必争的比赛场合中。1.4.4 黏性耦合式 最早配置是用在 VAG (Audi/VW) 车系，其间由多片的离合器组，加上硅油组合而成，它是利用硅油摩擦受热膨胀后，迫使离合器片接合来锁定轮差，其结构可说是最简单且体积小、造价低，是一款适用于大众型式的限速差速器。大约十年前限速差速器还是属于选用配备时，最受欢迎的就是这种黏性耦合型式样，就如大家所看到的，此限速差速器是由多个离合器片组合而成，透过硅油的喷入使左右轮胎产生回转差，然后10再利用硅油的黏性做锁定。谈到这里大家应该不难想象，此类构造的效果并非很好，因为硅油的黏度会依温度产生性能上的差别，因此反应性算是最差，往好的方面想，这种限速差速器只是一款适合一般大众使用的类型罢了。1.4.5 机械式 在改装车辆中最传统也最常用，因此算是能见度最高的限速差速器，因为使用左、右两个离合器片和压板组，故亦称为多板或多片离合器式限速差速器，此型式之限速差速器可藉由离合器片与压板的排列组合来达到限滑百分比功能，从 25%90%的能力皆可完成。但唯一的缺点就是较难照顾，其务必要使用限速差速器专用油来定期保养，长时间或剧烈操驾也可能需要更换修理包。而离合器片装配不佳或置入时