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差速器的设计
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运载货车的差速器设计,差速器的设计
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摘 要随着国家五年计划的制定，国民经济稳步发展，对汽车的需求也迅速的增长，在竞争与机遇面前，中国汽车行业战胜挑战，收获机遇。此次毕业设计，是为了设计汽车在行驶过程中，可以使车轮用不同的转速行驶的装置：差速器。设计的关键在于其中的齿轮结构。通过检索资料，来满足设计的要求，并校核了强度；最后利用UG建立了零件的三维模型，并绘制了工程图纸。关键字：半轴，差速器，齿轮结构，UGAbstractWith the development of the national five-year plan and the steady development of the national economy, the demand for automobiles also increases rapidly. In the competition and opportunities, Chinas auto industry overcomes challenges and gains opportunities.The graduation design, is to design the car in the process of driving, can make the wheels with different speed driving device: differential. The key to the design lies in the gear structure. Through the search information, to meet the requirements of the design, and check the strength; At last, UG is used to build 3d model of parts and draw engineering drawings.Keywords: Axle, differential, gear struck, UG目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 概 述11.1 差速器的起源及设计目的11.2 差速器行业在国内外的发展现状11.2.1国外差速器行业的发展现状11.2.2国内差速器行业的发展现状21.3 差速器的性能及其种类21.4 差速器参数的来源31.5 本章小结3第二章 差速器的结构设计42.1 差速器的结构设计与分析42.2 本章小结5第三章 差速器非标准件的确定63.1 差速器齿轮的确立63.1.1差速器齿轮参数的确定63.1.2差速器齿轮材料的确定73.1.3差速器齿轮设计图的确定73.2 差速器行星齿轮轴的确立83.2.1行星齿轮轴参数的确定83.2.2行星齿轮轴材料的确定83.2.3行星齿轮轴设计图的确定83.3 差速器垫圈的确定93.3.1差速器垫圈参数的确定93.3.2差速器垫圈材料的确定93.3.3差速器垫圈设计图的确定93.4 本章小结10第四章 差速器标准件的确定124.1 差速器螺栓的选用124.2 差速器螺母的选用124.3 差速器轴承的选用124.4 本章小结12第五章 差速器的装配145.1 差速器的装配步骤145.2 差速器的零部件装配图145.3 本章小结15总 结16致 谢18参考文献19 III第一章 概 述1.1 差速器的起源及设计目的差速器是法国雷诺的发明，是汽车不可或缺的一部分，虽然它在汽车上是一个很小的零件，但是，却有着很大的功能 王霄锋. 汽车底盘设计M. 清华大学出版社, 2010.。驾车时车会遇到各种情况，比如说转弯、路面积水，泥坑等。在这些情况下，两侧的车轮将具有不同的运动状态，为了满足这种“差异”，就需要差速器这一部件。差速器会通过齿轮结构来调整两侧车轮的转速差，使汽车正常的行驶。国内目前生产的汽车差速器，核心技术基本都是来源于欧美国家，我国现在的差速器技术基本都是在其他国家技术的基础上发展出来的。我国在差速器的自主研发上与其他工业国家还是有着一定的差距的 王望予. 汽车设计-第4版M. 机械工业出版社, 2004.。1.2 差速器行业在国内外的发展现状目前的汽车越来越功能和舒适，汽车的平稳持续的运行是对汽车各个零件的考验也是对每一个汽车厂家的考验 曲补和. No-spin防滑差速器技术分析J. 矿山机械, 1999(9).。一些特殊的车辆，比如说越野车、大型货车、军车等，这些车辆在使用过程中，经常会遇到各种复杂的情况，所以，这些车辆的性能的要求就更高了。1.2.1国外差速器行业的发展现状大型国外生产公司掌握差速器的核心技术，而且还培养了大量的人才，我们的技术和他们还是有着一些差距的。其中比较出名的有美国伊顿公司、德国凯傲集团。伊顿开发了一种新型锁差速锁。当汽车其中一侧的车轮出现打滑而发生空转时，普通的差速器在这种情况下无法带动汽车正常行驶，而伊顿的锁式差速器当两侧车轮与地面的摩擦情况不同时，车轮因为阻力的不同，转速会发生不同的改变，当转速的差值达到一定时，伊顿差速锁将自动锁定差速器，使两侧车轮具有相同动力，从而克服不同路面给车辆带来的运行问题。伊顿差速锁是一种机械差速锁，当车轮的某一侧发生打滑而空转时，差速锁就会自动锁住车轮的两个半轴，平衡车轮转速，使汽车产生更大的抓地力，来使车辆正常行驶。但是由于是机械差速锁，所以伊顿差速锁无法进行手动控制，必须等到两车轮间出现一定的转速差时，才能发挥作用，在反应速度上较慢。1.2.2国内差速器行业的发展现状 随着机械行业和汽车行业的发展，我国差速器行业也逐渐做大做强，从过去的进口到现在的自主研发。现在的差速器不仅仅局限于普通差速器的功能，在不断的提高差速器的精度和可靠性的同时，中国的研究人员也不断的研发出具有不同功能的差速器。也促使差速器更多样化，功能更齐全。目前汽车上最常用的是对称式锥齿轮差速器 常明. 汽车底盘构造M. 国防工业出版社, 2005.，现在有多种多样功能的差速器 张洪欣. 汽车设计, （第2版）M. 机械工业出版社, 1996.。其中，Torsen差速器是一种新的差速器。普通差速器因为体型较小的原因，能产生的力有限，差速的能力有时候会比较“迟钝”，而托森差速器，通过全新的结构，使差速的能力更加的灵敏 侯运丰, 刘雨. 托森差速器的传动特性分析J. 机械设计, 2008, 25(3).。2014年国内新发明了一种双蜗杆差速器。2017年则是发明了一种全新的限滑差速器托斯比森限滑差速器。1.3 差速器的性能及其种类汽车在行驶过程中，会遇到很多不同的情况，比如说：转弯、打滑等情况，在这些情况下，为了使汽车平稳运行，通常需要具有不同的车轮运动状态，为了实现这个目的，差速器由此而生。汽车转弯时车轮运动半径如图1.1所示：图1.1汽车转弯时车轮运动半径示意图汽车在行驶过程中，因为路面的复杂情况，每一个车轮在转动时滚动的距离都是不相同的。在转弯时，两侧车轮转弯半径R1和R2是不同的，滚动距离肯定是不同的；由于路面，汽车也会导致不同的车轮滚动距离；即使不考虑路面的原因，因为轮胎的性质不是一成不变的，比如轮胎制造误差、磨损不同、载重和气压不等等，也会导致轮胎滚动半径不等，从而引起车轮的滑动。但是如果只用一个轴连接两侧的车轮，轴会将动力平等传递给两车轮，两车轮会有相同的速度。这种情况下，当汽车转弯时，车轮一定会发生打滑，如果车速太快甚至可能会发生侧翻。为了使车轮不发生滑动，所以就要使两车轮能够用不同的速度转动，差速器就是为了解决这个问题而诞生的。现在的差速器一般分为齿轮式差速器和防滑差速器。而防滑差速器一般是在齿轮式差速器的基础上进行改进和拓展。目前，对称式锥齿轮差速器是汽车中最常用的差速器。而为了提高汽车在不同路面上的通行能力，某些轿车、越野汽车及运载货车上装置了防滑差速器。其中，防滑差速器有三种类型：强制锁紧式、高摩擦式和自由轮式。1.4 差速器参数的来源此次设计基础基于东风EQ2102N平顶越野车的配置。该车的部分配置为：1.质量参数：满载总质量12350kg，载重5000kg；2.康明斯发动机的额定功率：P=140kw；3.康明斯发动机的最大扭矩：T=650；4.该车的性能参数：最高车速为90km/h；5.该车变速器的一档传动比为6.4666.该车前桥为单级主减速器驱动桥，它的主减速比为5.88；7.车轮轮辋为9.00-20等厚辐盘式，轮胎为12.5R20型子午线无内胎越野轮胎。1.5 本章小结 了解一个事物首先了解的，应该就是了解它的起源，了解它的发展史，这样才会更好的了解它的作用与影响。本章主要提到了差速器的发展起源及设计目的，并简单的介绍了汽车差速器的性能及种类。我们要明确一个概念，设计不仅仅是为了生产制造，更是要发明创造。发明创造也并不是凭空想象，毫无根据的，而是在前人的基础上，明确设计目的和基本思路实现的。最后就毕业设计查阅了相干数据和资料，让设计不仅存在于理论，更是联系实际，更加真实、可靠。第二章 差速器的结构设计2.1 差速器的结构设计与分析对称锥齿轮差速器由于其结构简单，工作稳定，广泛应用于汽车驱动桥。按照东风EQ2102N型平头越野车的类型，选定此次的差速器为位于后驱动桥两半轴之间的对称式行星锥齿轮差速器。差速器结构方案简图如图2.1所示：图2.1差速器结构方案图1,4-差速器左右壳；2-半轴齿轮；3-行星齿轮；5-十字轴差速器的结构分析：1、因为差速器的内部结构是属于齿轮传动结构，所以在传递扭矩的时候，会产生一定的轴向作用力，往往需要在齿轮与壳体之间装上垫圈，用来降低齿轮与壳体之间的磨损，半轴齿轮与差速器壳体之间使用平垫圈，行星齿轮与差速器壳体之间使用球形垫圈。2、运载货车和越野汽车因为负载或者其他需求，需要强劲的动力，这时候一般会选择使用四个行星齿轮的差速器，行星齿轮轴也选用十字轴。3、为了保持齿轮与十字轴之间的润滑，十字轴的两面需要铣出平面，来储存更多的润滑油。2.2 本章小结 在了解差速器的起源之后，也基本了解了它的基础结构和工作原理。再通过对差速器结构的分析，确定差速器的基本构件，再根据基础数据选择最合适的设计结构，然后，选定差速器的结构为对称式锥齿轮结构。选定结构之后，通过对原有产品的观察比对，绘制出差速器的结构方案简图。然后结合此次的毕业设计给出适当的设计方案，并对设计简图进行分析，改进里面错误的地方，以设计出合适的差速器。第三章 差速器非标准件的确定通过汽车设计2可以了解到，差速器由标准件和非标准件组成。其中，非标准件有半轴齿轮、行星齿轮、行星齿轮轴等，标准件有轴承、垫圈、螺栓、螺母等，首先确立非标准件的参数要求。3.1 差速器齿轮的确立3.1.1差速器齿轮参数的确定 1.齿轮个数的确立由于此次设计的是运载货车的差速器，货车在运行中因为有较大的负载，所以行星齿轮至少需要四个。即。半轴齿轮需要两个。2. 齿轮模数的确立模数按国家标准GB1357-1987选取，参考机械设计手册 闻邦椿孙志礼. 机械设计手册. 第3卷, 机械零部件设计(轴系、支承与其他)M. 机械工业出版社, 2010.选取。3.齿轮齿数的确立参考汽车设计2可以知道，行星齿轮的齿数与半轴齿轮的齿数有如下关系：, （3-1） （3-2）其中：是行星齿轮的齿数；是半轴齿轮的齿数；和是两边半轴齿轮的齿数，此时，；是行星齿轮的个数，；是任意整数；且一般,.在这里取。4.齿轮分锥角的确立齿轮的分锥角和齿数有如下关系： （3-3）5. 齿轮节锥距的确立根据锥距的几何计算公式: （3-4）其中：是行星齿轮的齿数，；是半轴齿轮的齿数，；是齿轮的模数，；所以锥距。6.齿轮分度圆直径的确立因为节锥距，所以 （3-5）7.齿轮压力角的确立 直齿圆锥齿轮一般采用的压力角，但是随着需求的不同，压力角也不相同，差速器中的直齿圆锥齿轮一般采用的压力角。在此选的压力角。3.1.2差速器齿轮材料的确定齿轮一般都是成对，或者和其他带齿结构相互啮合出现的。那么对于它的强度还是有一定的要求的，汽车后桥差速齿轮包括行星齿轮，半轴齿轮，选择的材料一般是较耐磨损的合金钢。3.1.3差速器齿轮设计图的确定根据以上计算结果，确定行星齿轮和半轴齿轮的设计如图3.1所示：(a) (b)图3.1行星齿轮和半轴齿轮的设计图3.2 差速器行星齿轮轴的确立3.2.1行星齿轮轴参数的确定通过以上的计算，取行星齿轮的孔径，行星齿轮的支承长度，所以行星齿轮轴径取，轴的总长度取。3.2.2行星齿轮轴材料的确定轴类零件的主要作用是支承并实现传动，所以对零件的材料有着较高的要求，此次十字轴材料选择合金钢（40Cr、40CrNi、20CrMo或20CrMnVB）制造，热处理后能够达到很大强度的硬度。3.2.3行星齿轮轴设计图的确定此次设计的是运载货车的差速器，行星齿轮轴需要承载更大的负载，所以选用十字轴作为此次差速器的行星齿轮轴。十字轴的设计如图3.2所示：图3.2十字轴的设计图3.3 差速器垫圈的确定3.3.1差速器垫圈参数的确定根据计算，半轴的直径为,根据装配关系，选择半轴齿轮与壳体之间的垫圈 单位中国有色工程设计研究总院, 成大先, 王德夫, et al. 机械设计手册:连接与紧固M. 化学工业出版社, 2010.为平垫圈，为了满足要求，平垫圈的内径要大于，所以选取平垫圈的内径为，平垫圈的厚度为。十字轴的轴径为，根据装配关系，选择行星齿轮与壳体之间的垫圈为球形垫圈，选取球形垫圈的内径为，球形垫圈的厚度为。在主动轴与轴套之间使用开口挡圈，厚度为。3.3.2差速器垫圈材料的确定 在差速器正常运转时，行星齿轮和半轴齿轮都会沿着轴向转动，在这个转动过程中可能会和差速器壳体发生摩擦，所以为了减少这两者之间的磨损，需要在两者之间使用垫圈。一般的垫圈是由软钢、铜、橡胶、聚甲醛塑料等材料制造出来的，这里为了减少磨损，所以选用聚甲醛塑料。3.3.3差速器垫圈设计图的确定垫圈的设计如图3.3所示：（a） (b)(c)（a）平垫圈 （b）球形垫圈 （c）开口挡圈图3.3 垫圈的设计图3.4 本章小结 在了解差速器起源，绘制差速器结构设计简图后，分析了差速器的零件种类，即标准件和非标准件。本章主要确定的是差速器的非标准件，即齿轮、十字轴和垫圈。通过检索得到的数据，计算出各个非标准件的参数；然后，通过强度检查，选择合适的制造材料；最后，根据得到的非标准件的参数，确定了差速器非标准件的设计思路，绘制出合适的设计图，以便于后期的建模工作。第四章 差速器标准件的确定4.1 差速器螺栓的选用螺栓作为紧固件被广泛应用于各种场合，无论是机械行业，还是其他行业，人们已经不再满足于传统螺栓，使得螺栓的种类千变万化，来满足人们的各种需求。目前常见的螺栓有六角头螺栓、内六角圆柱头螺钉等 吴宗泽. 机械设计课程设计手册M. 高等教育出版社, 2012.。此次差速器主要使用的是六角头螺栓和内六角圆柱头螺钉；其中，六角头螺栓采用国家标准GB/T 5782-2000，尺寸取，内六角圆柱头螺钉采用国家标准GB/T 70.1-2000，尺寸为和。现在生产螺栓的原材料有很多，有碳素钢、合金钢、不锈钢、耐热钢等等几百上千种，此次选用的是碳钢。4.2 差速器螺母的选用螺栓的发展自然带动着螺母的兴起，螺母的种类也是越来越完备了，六角螺母、蝶形螺母等是一些常见的螺母。依照差速器选定的螺栓，由装配关系选择螺母为，并采用国家标准GB/T6170-2000。现在生产的螺母原材料一般和螺栓一样，此次设计为了加强螺母的强度，选用螺母的材料为较高强度的碳钢。4.3 差速器轴承的选用轴承可以降低转动零件轴间的摩擦，并且可以保证在转动过程中的回转精度。此次差速器设计中使用的是角接触球轴承。根据上文计算的数据选取差速器外壳与箱体间的轴承外径为，内径为的角接触球轴承，主动齿轮与箱体之间的轴承则为外径，内径的角接触球轴承。轴承型号采用国家标准GB/T 292-1994的7212C型角接触球轴承。4.4 本章小结标准件一般都是和非标准件一起出现的，可以在设计制造中给设计者带来很大的便利，本章主要确定的是差速器的标准件，即螺栓、螺母和轴承。通过第三章得到的非标准件的参数，查阅国家标准，选取适合的标准零件；然后，根据强度检查，选择合适的制造材料设计；最后，结合设计资料，准确选取差速器的标准件。第五章 差速器的装配5.1 差速器的装配步骤差速器各个零部件的组装装配，装配步骤如下：1、将四个行星齿轮装入十字轴，在行星齿轮后装入球形垫圈，备用；2、将其中一个装有平垫圈的半轴齿轮放入带有从动齿轮的外壳内，再将装配好的十字轴和行星齿轮装入外壳，并使行星齿轮与半轴齿轮相啮合，再放入另一个半轴齿轮与行星齿轮相啮合，装上平垫圈和另一半外壳。螺钉固定；3、将装配好的主动齿轮放入上箱体后，再将两端装有轴承的外壳放入上箱体，并使主动齿轮与从动齿轮相啮合，放上下箱体并装上螺栓和螺母。5.2 差速器的零部件装配图1、差速器齿轮啮合如图5.1所示图5.1差速器齿轮啮合图2、差速器装配总成图如图5.2所示：图5.2差速器装配总成图5.3 本章小结当差速器的非标准件和标准件确定之后，绘制出适合的壳体、箱体来完成差速器的装配，根据设计结构简单的描述了差速器的装配过程，展示了差速器的齿轮结构、差速器壳、主动齿轮以及装配总成图形。为后期制作CAD图提供了一些帮助。总 结通过几个月的努力，在老师和同学们的协助下，终于完成了这篇论文。本文是一种用于运载货车的差速器设计，包括标准部件参数的计算，材料选择和设计图纸；和选择非标准组件。在选题的时候，通过对自己专业的了解和自己兴趣方面，选择了差速器这个“微小”的零件进行设计；然后，进一步通过检索查阅相干资料，了解到差速器的起源以及它设计的基本思路。知道了国际和国内行业的发展现状，知晓了我们与其他工业发达的国家在技术方面的差距，以及我们在自主研发上的突破；接着，分析了差速器的性能及产品种类，了解到不同种类差速器的功能和它们的特点；最后，依照设计要求，选择了东风EQ2101N型平头越野车的基本参数作为设计的依据，使设计更加符合现实，更加合理。通过对结构的分析，明确了差速器的设计结构。在对差速器的结构分析之后，确定需要绘制的是差速器的非标准件：齿轮（半轴齿轮和行星齿轮）、行星齿轮轴（十字轴）、垫圈（平垫圈、球形垫圈和开口挡圈）。在绘制过程中遇到了各种问题。首先，对于齿轮的绘制，由于是绘制全新的齿形结构，所以无法使用UG自带的GC工具箱进行自动生成，而是需要建立参数化的模型。因为知识量的不足，导致在这个阶段的进度减慢了很多，在查阅大量有关UG建模的书籍和网上的相关教学后，终于明白了直齿圆锥齿轮的参数化建模的关键。在确定齿轮的节锥距之后，通过相关关系，计算出相对的齿数、模数、分度圆直径、压力角等齿轮建模所必须的数据。在UG建模之前，需要做的是将这些需要的数据输入到UG的表达式中，其中最关键的就是齿轮的齿形表达式，它是由规律曲线通过渐开线方程来实现的。建模开始后，首先通过齿顶圆和齿根圆确定齿形位置，再通过渐开线方程确定规律曲线，绘制出齿形线条备
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