毕业设计（论文）-安普纯电动汽车差速器设计.doc

中北大学2017届毕业设计说明书毕业设计说明书安普纯电动汽车差速器设计机械与动力工程学院学生姓名： 学号： 车辆工程学 院： 专 业： 指导教师： 2017年 6 月安普纯电动汽车差速器设计摘要纯电动汽车作为一种新能源汽车逐渐被人们所关注，汽车厂家们对纯电动汽车的研究也投入了大量的人力和物力，而作为有着“小零件大作用”之称的差速器也是汽车设计的一个重点。本次设计一款有压力环的机械摩擦片式差速器，它是利用摩擦元件间的相互摩擦所产生的摩擦力矩来实现左右半轴转矩的重新分配，从而实现防滑差速的目前。针对安普纯电动汽车，为其改进设计新的压力环，使得产生的摩擦片式摩擦力矩会随传递转矩的增大而增大，并在压力环上开设V型槽，与行星齿轮轴端部的菱形斜面相配合，用来实现对摩擦元件的压紧，使差速器工作更加平滑稳定，延长差速器使用寿命。在摩擦元件和差速器壳之间采用碟形弹簧作为常作用弹性元件，这是由于其轴向尺寸小，结构简单，具有良好的弹性变性的特性，在满足锁紧系数的情况下具有结构尺寸较小，零件数量少，成本低，给厂家的制造和后续开发提供了方便。关键词 ：纯电动汽车，差速器，压力环，摩擦片式全套图纸加扣3012250582 中北大学2017届毕业设计说明书Amp Pure Electric Automobile Differential DesignAbstractAs a new energy vehicle, pure electric vehicles have attracted more and more attention, car manufacturers of pure electric vehicles have invested a lot of manpower and material resources, and a key differential as a small parts function is also a car design. The design of a mechanical friction type differential pressure ring, it is the re distribution of friction torque produced by the friction between the friction between components to achieve about half shaft torque, so as to realize the anti slip differential current. The amp electric vehicle, design new pressure ring for its improvement, the friction friction torque generated by the torque increases with increasing, and the V groove opened in the pressure ring, diamond with inclined surface and planetary gear shaft end, used for pressing on the friction element, the differential work more smoothly and steadily, prolong the service life of the differential. Between the friction element and the differential case with disk spring as elastic elements are often, this is because of its simple structure, small axial size, has the characteristics of good elastic deformation, to meet with small size locking coefficient under the condition of a small number of parts, low cost, convenient for manufacturing and manufacturers follow up development.Key words: pure electric vehicle, differential, pressure ring, friction plate目 录1 绪论 11.1 设计的目的和意义 11.2 差速器研究现状 11.3 摩擦片式差速器的发展现状 31.4 防滑差速器的分类 41.4.1 转矩感应式防滑差速器 51.4.2 转速感应式防滑差速器 51.4.3 主动控制式防滑差速器 51.5 原始数据 62 差速器的设计要求和选型分析 72.1 差速器设计要求 72.1.1 差速器理论设计计算主要技术指标 72.1.2 差速器实际生产加工主要技术指标 72.2 差速器选型分析 82.3 差速器的确定 93 差速器主要零部件分析 133.1 压力环 133.2 摩擦元件 143.3 行星齿轮轴 163.4 行星齿轮和半轴齿轮 163.5 碟形弹簧 173.6 差速器壳 194 差速器设计计算 204.1 汽车变速器传动比和主减速器传动比 204.2 锁紧系数及其计算 204.3 摩擦片当量摩擦半径和预紧力矩的计算 224.3.1 摩擦片当量摩擦半径的分析计算 22第页 共页中北大学2017届毕业设计说明书4.3.2 预紧力矩 234.4 确定摩擦元件结构参数 244.5 确定压力环V型槽楔角和压力环作用当量半径 244.6 确定蝶形弹簧结构参数 254.6.1 碟形弹簧的内外径 254.6.2 碟形弹簧的厚度 254.6.3 碟形弹簧的内锥高 254.7 差速器行星齿轮主要参数选择 254.7.1 行星齿轮和半轴齿轮齿数 254.7.2 行星齿轮和半轴齿轮节锥角、模数和压力角 254.7.3 行星齿轮轴直径和支承长度 264.7.4 差速器齿轮的强度校核 274.7.5 差速器齿轮材料 275 结论 29参考文献 30致谢 31 第页 共页1 绪论11 设计的目的和意义随着人口的不断增长和汽车使用量的不断增加，汽车对石油等化石能源的依赖和由此产生的环境破坏，也越来越收到了人们的重视。能源稀缺有限，环境日益破坏引起了人们对于汽车环保节能的迫切需求，电动汽车由此应运而生，引起人们对于电动汽车热切的探索和研究，以期望出现一款能够适应人们日常生活需求的电动汽车，解决目前汽车所引发的能源问题和环境问题。研究发展电动汽车有着绝对的必要性，而差速器作为汽车的一个重要部件，对其性能的改进和适用性的提升势在必行。在汽车出现后不久，法国雷诺汽车公司创始人Louis Renault发明了汽车差速器，在此以后，差速器就成为了汽车的基础必需件之一。为什么差速器是基础必需件？这就需要明白差速器的工作原理和作用。如果一辆汽车没有安装差速器，左、右两侧车轮是通过刚性轴连接，因此任何时候转速相同，当汽车作直线运动时，这自然没有什么问题，但当汽车转弯是，位于外侧的车轮在相同时间内的位移要比位于内侧的车轮多，而由于是刚性轴连接，两侧车轮转速一定相同，于是外侧车轮要做边滚动边滑移的运动来追赶，内侧车轮要做边滚动边转动的运动来减慢，这种运动状态是非常危险的，极易出现侧翻的事故。而在汽车安装差速器后，当汽车做直线运动时，两侧车轮不存在转速差，差速器是不起作用的，这与没安装差速器时一致；当汽车转弯时，两侧车轮出现转速差，由于转矩的作用使得差速器的行星齿轮开始作自转，于是位于内侧的车轮转速降低，位于外侧的车轮转速提升，两侧车轮都能以纯滚动的状态过弯，提高了汽车过弯时轮胎的抓地力，使汽车转弯是更加安全，对提高汽车行驶时的通过性、操作稳定性和平顺性有着极大地提升。也正是如此，设计出更适应该款纯电动汽车的差速器对汽车各项性能有很大的提升，是汽车设计过程中的重点1。12 差速器研究现状国外的汽车企业对差速器的研究已经拥有了相当多的经验积累和技术突破，而且还在不断的进行研究和改进。全球化的汽车零部件制造商伊顿集团，一直致力于对汽车性能的改进，在对发动机的进排气控制，安全排放和牵引力控制等方面拥有相当多的进步和成果，对部分领域的研究水平居全球前列。而作为全球化的汽车产商，对差速器也有相当多的研究和技术积累，对其各个零件的加工制造更是拥有先进的工艺技术和精密的加工制造方法。就差速器方面，伊顿集团开发了一款新型的锁式差速器，它的工作原理与目前市面上已知的差速器截然不同：当一侧轮子打滑时，普通的行星齿轮差速器由于行星齿轮的自转，使得扭矩不能有效的传递给发生打滑的轮胎，而锁式差速器则可以在车轮打滑出现转速差时，利用锁销的惯性锁定差速器，使差速器失去差速器功能，相当于两个车轮通过一根刚性轴连接在一起，这样不打滑的车轮就能接受全部的转矩来转动，使汽车可以摆脱打滑困境，克服各种困难路面给车辆带来的限制（图1.1）。在牵引力测试、越野越障性能和凹凸不平路面上的行驶性能 图1.1 伊顿锁式差速器等测试环境中，两驱动轮车在装有伊顿锁式差速器后，越野性能及通过性能甚至超过了四驱动轮车辆，这足以说明该差速器性能的优越性2。防滑差速器大约出现在1960年左右，当时汽车赛事活动正在兴起，而各大汽车厂家为了提升赛车在赛场上的性能表现，提高 图1.2 托森差速器品牌影响，对差速器进行了大量 的研究发明，主要是提升汽车的抓地能力和过弯能力。过去几年美国国家专利局对汽车行业的专利数量进行了统计，统计数据表明，与差速器有关的专利数量呈逐年上升趋势，其中防滑差速器的数量更是占大部分3。国外在汽车工业的技术起步早于国内，因此对汽车零部件的研究比国内有着更多的技术积累，例如在防滑差速器的最新研究上有托森差速器，有根据转矩变化来控制差速器工作的转矩感应式防滑差速器，又根据转速变化来控制差速器工作的转速感应式防滑差速器，同时还有主动控制式防滑差速器等。除此以外，国外汽车厂家还广泛的使用电控防滑差速器来提升汽车行驶时的动力性、操作稳定性、通过性、安全性、平顺性等4。再看我国自身的情况，近几年来随着国内汽车产业的蓬勃发展，汽车差速器技术发展势头迅猛，成果产出持续增长。国家政策鼓励汽车产业向高科技产业方向发展，企业新增项目逐渐增多，资金投入加大，对汽车差速器的关注也越来越密切，种种的措施都使得差速器相关技术成果得到了前所未有扩大和发展，差速器的种类也越来越多，功能也越来越完善，各种新的思路创意如雨后春笋般层出不穷。此前汽车上应用最广泛的是对称式锥齿轮差速器，包括大量的教科书上都是以该差速器为例进行的差速器结构和工作原理讲解，而实际上差速器已经有了相当多的种类，如轮间差速器、托森差速器（图1.2）、自锁差速器等5。目前还有一种新型差速器为LMC常互锁差速器，它能有效地提高车辆的通过性、越野型、可靠性和经济性，能够使汽车在不同条件和不同情况下拥有优良的驾驶性能。这款由中国人自主研发，完全国产的差速器已经申报了美、英、俄罗斯等19个国家的专利保护6。LMC常互锁差速器是一种纯机械、非液压、非电控的中央差速器，它是由各类型的齿轮系统、相配合的轴和壳体组成，同时还装备有前轮轮间差速器、后轮轮间差速器、前桥轴间差速器和后桥轴间差速器，LMC常互锁差速器与每个车轮都通过独立的传动轴和轮边减速器相连接，这种传动方式可以实现每个车轮的独立运动。当汽车在冰雪路面、泥泞路面和无路路面上行驶出现无法正常行驶的情况时，在安装LMC差速器后，汽车仍然能够正常行驶，而且操作稳定，性能表现良好，可以弥补传统汽车差速器在面临恶劣环境时的不足，如不能高速行驶，车轮打滑，操作不稳定，不能实现轴间差速，高油耗问题等缺陷7。 2005年，四川大学的李建超等人在研究后桥的设计过程中对差速器的设计从理 论上作了比较完整的阐述。他们详细叙述了差速器的类型，分析了差速器的结构，受力以及运动情况。并且列出了差速器设计所需的计算公式，为差速器的设计提供了理论依据8。 2005年，吉林大学的蒋法国等人对差速器的行星齿轮进行了弯曲强度分析，并且分析了齿根圆角变化对结构的影响，结果表明差速器行星齿轮的齿根弯曲应力在规定的范围内，另外随着齿根圆角半径的增大，齿根应力逐渐变小。通过他们的分析为行星齿轮的设计提供了依据，并且他们对单齿齿根应力的加载求解方法也为其他齿轮分析找到了一种新方法9。1.3 摩擦片式差速器的发展现状摩擦片式差速器是在普通行星式差速器的基础上改进而来的，它是由行星齿轮，行星齿轮轴，半轴齿轮和摩擦片等主要零件组成。汽车正常行驶时与普通差速器无异，当左、右半轴出现转速差时，如打滑，行星齿轮产生自转，将压紧摩擦片，产生摩擦转矩，实现限滑。摩擦片式差速器（图1.3）最初多用于特种车和一些机械机器上，随着工程师们对摩擦片式差速器的研究，发现该差速器不仅可以加强汽车在复杂路面上的通过性，而且对汽车行驶过程的安全性，操纵稳定性及平顺性都有着很大的提升。摩擦片式差速器作为提高汽车性能的一项新技术满足了人们对汽车性能的不断增长的要求，因此，摩擦片式差 图1.3 摩擦片式差速器速器也得到了汽车厂家的认可和重视，越来越多的越野车、高档轿车以及大型货车，开始把摩擦片式差速器作为选装件，例如Porsche 911 GT3 型跑车、BMW M3跑车等均采用机械式或电子控制式摩擦片式差速器。1.4 防滑差速器的分类 目前，国内外的差速器类型多样，分动和防滑的原理也不尽相同，在性能表现上良莠不齐。目前已知的防滑差速器根据其限制转矩的产生原理可分为转矩感应式、转速感应式和主动控制式三种。1.4.1 转矩感应式防滑差速器 该差速器利用传递至差速器的转矩变化来实现防滑差动的目的，根据差速器实现转矩变化感应的结构的不同，可分为外螺旋式防滑差速器和多片防滑摩擦片式差速器。多片防滑摩擦片式差速器应用范围更大，这种差速器是利用湿式多片离合器产生差动转矩，实现差速分动的效果。它也分为转矩比例式、预压式和转矩比例式与预压式共同作用三种不同的形式。1.4.2 转速感应式防滑差速器 这种差速器是通过感应转速差的变化来进行差速分动和防滑转矩相应变化，转速差的越大，产生的限滑转矩越大。这类型的差速器中被各大汽车厂家广泛应用的是配有粘性装置的防滑差速器，在汽车行驶过程中出现转速差产生的情况，就可以通过调整硅油的填充率、粘度和摩擦片的直径、件数等多种设计参数，产生适应各类情况的防滑效果。这种防滑差速器工作平滑稳定，能十分有效地提高汽车的动力性，操作稳定性，平顺性和通过性，转弯和不良路面上能够有安全稳定的工作状态。该差速器不仅可以安装于后轮驱动的汽车车上，也可以安装在前轮驱动的汽车上，安装快捷方便，适用性强。1.4.3 主动控制式防滑式差速器前面两种都是纯机械式的防滑差速器，而主动控制式差速器则是一种电控差速器，它是利用电子装置来控制控制差动转矩的大小，可以传递合适的转矩到驱动轮，使车轮获得最合适的驱动附着效果。这种差速器在结构与前面所介绍的多片摩擦式防滑差速器相似，不同的是，该差速器可由安装在差速器外部的控制装置控制湿式多片离合器的压紧力，同时相配合的在差速器外罩壳上设计了特有的油压活塞。该差速器采用传感器进行转速监控，同时将监测数据发给ECU进行处理分析，进而控制位于差速器外部的电子控制阀，控制阀控制活塞上的油压进而改变压紧力，所以差速器能够输出合适的差动转矩。这种差速器由于涉及到电控方面，因此其技术要求高，生产难度大，成本比较高。尽管如此，这类差速器还是凭借其优秀的性能表现，得到了国外的汽车厂家的青睐，被广泛应用。根据其电控方式的不同有电磁控制式、电子控制式两种。1.5 原始数据主要参数数据主要参数数据汽车总质量1880 kg发动机最大转矩72 Nm/3000 rpm后桥满载轴荷1003 kg发动机最大功率33.5 kw/4000 rpm轮胎P195/50R15最高车速120 km/h2 差速器的设计要求和选型分析2.1 差速器设计要求2.1.1 差速器理论设计计算主要技术指标 差速器输出到两半轴的内摩擦转矩是根据输入转矩（从主减速器从动锥齿轮传递到差速器壳上的转矩）进行变化的，其中主要参数包括：预紧力矩：由摩擦片式差速器的摩擦元件相互摩擦产生的摩擦力矩，由弹性元件的形变引起。锁紧系数：摩擦片式差速器内摩擦力矩与输入转矩的比值。转矩比：传递至左右两端半轴的输出转矩的比值，由转矩大的比上转矩较小的。2.1.2 差速器实际生产加工主要技术指标 除了在设计过程中需要考虑的要素外，实际生产过程中还要考虑到以下几点：（1）使用强度和使用寿命符合要求，安装方便所生产的摩擦片式差速器需要满足强度要求和使用寿命要求。首先是在差速器结构设计上满足使用性能要求和强度要求，其次是从材料的选择、工艺流程的设计以及加工和热处理上满足强度要求和寿命要求。这一要点的解决方法有很多，例如在材料选择前先计算出差速器使用过程中承受的各种应力，计算其弯曲应力强度和接触应力强度等，根据材料的许用应力来进行材料初选，其次则是根据材料的特性分析工艺可行性，然后来进行使用寿命的校核，来得到符合要求的差速器。在差速器生产出来后，还必须进行装配测试和安装测试。一个差速器内部是由许多零件相互配合装配起来的，因此在差速器各零件生产完毕后，需要进行装配测试，来测试测试各零件能够正确的配合起来，安装在正确的位置，并且安装过程简便合理，这在差速器生产后是极为重要的一环，也是差速器能否量产的关键，毕竟差速器的销售是一个差速器整体而非一堆零件。安装测试就是检测该差速器是否能够和驱动桥配合安装，安装过程是否简单、方便、可靠。这在差速器造型设计时就要有所考虑，不可能设计出一款差速器，结果在安装时需要花费大把的时间和精力，甚至于还需要单独的安装工具等，这是不科学，不合理的。一款差速器设计出来后必须是非常便于装卸的，在装卸紧固螺栓时也要留有操作空间，便于操作，其次是与其他部件的安装配合，如半轴，主减速器从动齿轮等。（2）生产成本和实现量产在设计汽车差速器产品时，在进行结构、功能可行性分析后，就要对能否量产进行试验分析，结合生产中心的设备条件，工艺水平和工作效率，以最低的生产成本和合理高效的生产计划，通过对结构的合理选型，来提高产品的成品效率，缩短生产时间，降低生产成本，提高生产效益。同时，差速器的结构设计应趋于标准化和通用化，力争涵盖各类型的纯电动汽车。结合生产实际把制造成本控制的尽量低，方便厂家组织生产，提高经济效益。2.2 差速器选型分析目前已经出现的满足以上的理论设计要求和实际生产要求的差速器有很多，对于在不同情况下的用车环境，汽车所选装的差速器也有所不同。对于城市用车，由于路面良好，汽车各个车轮与路面接触良好，附着抓地情况良好，因此大多数汽车都选择安装普通的行星齿轮差速器，这种差速器工作平稳，结构简单，制造方便，是一种非常简单实用的差速器。对于路面状态较差，如泥泞路面，冰冻路面或松软易陷路面等，在这些环境下工作的汽车经常会遇到一侧车轮卡陷或者打滑的情况，因此对汽车的防滑性能有极高的要求，这些汽车往往都会选装汽车专用的防滑差速器10。防滑差速器根据其限滑锁止的原理不同，可分为强制锁止式和自锁式，前面提到的伊顿集团的锁式差速器就是自锁式差速器。强制锁止式差速器是在普通的圆锥行星齿轮差速器的基础上增加差速锁装置，可将差速器完全锁住，这是两侧车轮可以获得由附着力决定的全部转矩。但当汽车由不良路面驶入路况良好的路面时，此种差速器的锁止机构无法及时松开，这样就造成如轮胎磨损加快、转弯困难、零件过载等问题，相当于汽车此时没有安装差速器。正是因为这种弊端，使该种差速器并没有得到广泛的应用。为了弥补上述强制锁止式差速器的不足，自锁式差速器应运而生。自锁式差速器是在普通的差速器结构上增加自锁装置，使必要时差速器锁止差速。它的实现原理均是巧妙地利用差速器内部存在的各种力，如轴向力、重力和惯性等。锁止与解锁根据车轮出现转速差时各种力的变化来实现转换，转换过程平滑、稳定，对零件的损伤极小，可大大的延长零件的使用寿命，同时对汽车行驶过程中的操作稳定性和通过性都有显著的提升。2.3 差速器的确定根据前面的要和分析，本次差速器设计初步拟定采用机械摩擦片式差速器作为模型基础。机械摩擦片式差速器是通过摩擦片之间相对滑转时产生摩擦力矩来使差速器锁止，从而实现防滑差动的目的。这种差速器根据结构形式的不同，可分为无压力环式和有压力环式。其中无压力环式的基本结构如图 2.1 所示。图 2.1 机械摩擦片式差速器（无压力环式）1差速器壳 2、5摩擦组件 3、4半轴齿轮 6、11.球面垫圈7、10行星齿轮 8预紧弹簧 9行星齿轮轴这种机械摩擦片式差速器（无压力环式）是在普通行星齿轮差速器的基础上改进而来的，一是在左右两侧半轴齿轮的大端面后分别添加了一组摩擦组件（图中2和5）；二是在主动摩擦元件外缘上设有外凸耳，与差速器壳上的槽相配合，使两者可以同步转动；三是在从动摩擦元件内缘上设有内凸耳，与半轴齿轮轴端部上的槽相配合，使两者可以同步转动。此外，还加装了预紧弹簧，用于对组装时差速器内摩擦片间的预紧。在差速器工作过程中，由于预紧弹簧存在弹性变形，产生一个预紧力将主、从动摩擦元件压紧，当车轮打滑时，左、右半轴间存在较大的转速差，与其相配合的主、从动摩擦元件间也将出现相对滑动，同时由此产生摩擦力矩，这个摩擦力矩将限制转速较高的车轮转动，同时将辅助转速较低的车轮加速转动，从而实现防滑的目的。可以说该差速器的差速分动和限滑性能是完全由这个预紧弹簧控制的，但是这个预紧弹簧同时也是该差速器的一大缺点，因为预紧弹簧的弹性形变在差速器装配时就已经固定了，由此而产生的预紧力也是固定的，最终导致摩擦元件产生的摩擦力矩大小为固定值，致使该差速器的防滑性能受到了极大的限制。为了弥补上述机械摩擦片式差速器（无压力环式）所存在的不足，研发人员在它的基础上进行了改进和优化，创造了更灵活、适应性更好、性能更加稳定的机械摩擦片式差速器（有压力环式），该差速器是在原有基础上增加了一对压力环，同时相配合的在行星齿轮轴端部设计成菱形，其基本结构如图2.2所示。 a b 图 2.2 机械摩擦片式差速器（有压力环式）1从动锥齿轮 2主动锥齿轮 3摩擦组件 4、9半轴5行星齿轮轴 6行星齿轮 7半轴齿轮 8差速器壳 10压力环 在汽车选装有压力环的机械摩擦片式差速器后，当汽车在良好路面上直线行驶时，由主减速器传递到差速器壳的转矩在两个半轴上进行平均分配，两侧驱动力相等。该转矩通过两条途径传递给左、右半轴，第一个途径是通过行星齿轮轴带动半轴齿轮旋转，此时行星齿轮自身并没有旋转，只是和行星齿轮轴一同进行公转，这和普通的行星齿轮差速器工作原理相同；第二个途径则是利用了行星齿轮轴和差速器壳上一个巧妙的结构，行星齿轮轴的端部设计为菱形的，而同时在差速器壳上设计有V型楔面，在装配时这两者是相互配合的，而此时在驱动转矩的作用下，行星齿轮轴端部棱面将沿斜面左右移动，迫使行星齿轮左右移动，从而通过台肩压向压力环，对摩擦片施加一个压力，使摩擦片压紧，从而产生额外的摩擦力矩，该摩擦力矩传到左右半轴上，进而作用到两侧车轮。 图 2.3 机械摩擦片式差速器的转矩传递当汽车的在路面附着系数变化差距较大的路面（如双附着系数路面）上行驶时，根据附着系数的变化，汽车的运动状态也会随之发生变化（图2.3）。如果地面的附着系数较大，那么车轮获得的驱动力就会大于附着力，那么汽车可以正常行驶；如果地面的附着系数较小，车轮不能获得足够抓地力，那么该车轮就会出现打滑现象，此时，可以很明显的观察到打滑车轮在原地高速旋转，而不打滑车轮却一动不动，整体汽车也无法继续行驶，此时如果观察差速器内部运动状态，可以很清楚的看到差速器壳的转速和左、右半轴的转速完全不同。假设汽车右轮出现打滑现象，对差速器内部转矩和力矩的变化进行分析。由于转速差的产生和轴向力的作用，与差速器壳相连的主动摩擦片和与压力环相连的从动摩擦片之间，必定生成摩擦力矩。该摩擦力矩方向与快转车轮旋转方向相反，而与慢转车轮旋转方向相同，传递至慢转车轮的力矩将大于快转车轮的力矩，快转车轮转速得到降低，慢转车轮转速得到提高，从而实现防滑的功能。 综合考虑以上差速器的工作特点、工作原理、适用范围，还有加工难度和生产成本等方面的因素，决定选择带压力环的机械摩擦片式差速器作为安普纯电动汽车差速器的结构型式。这款差速器具有以下优点：（1）利用摩擦元件相对转动产生摩擦力矩，控制转矩的传递，实现左右半轴转矩的可控，产生驱动防滑效果，作用过程平稳，反应迅速；（2）差速器通过压力环实现摩擦转矩的变化，可根据转矩的变化进行调节，适用范围更广，性能更优越； （3）结构紧凑，尺寸较小，适合纯电动汽车的布置； （4）组成部件数量较少，生产难度相对较小，可降低生产成本； （5）纯机械结构，工作过程不需要额外消耗电能，减小了蓄电池的能量损耗，延长了电动汽车的续驶里程。3 差速器主要零部件分析 下图为我所设计的机械摩擦式差速器的结构示意图（图3.1），它是根据目前出现的机械摩擦片式差速器差速器改进而来的，在外形结构上大致类似，但在细节方面则有所不同。接下来我将针对该差速器的主要零部件进行分析。图 3.1 机械摩擦片式差速器结构示意图3.1 压力环前文有提到压力环这一零件是对更早出现的无压力环式的机械摩擦片式差速器的改进，解决了无压力环时摩擦片式差速器的摩擦转矩大小固定不变的问题，使得汽车能够更加平稳的实现在双附着系数路面上的行驶，适应性和通过性大大增强。在本次设计中，我针对压力环这一零件进行了部分改进（图3.2），其主要结构改进为：（1） 将与行星齿轮轴相配合的圆形槽改进为V型槽。在汽车直线行驶时，两压力环相互包裹住行星齿轮、行星齿轮轴和半轴齿轮，和差速器壳一起转动，此时行星齿轮没有自转运动，而当出现转速差时，行星齿轮产生自转，而自转产生的圆周力将对行星齿轮轴作用一个转矩，这导致与压力环相配合的行星齿轮轴的菱形轴端将有一个转动的趋势，这个转动趋势作用在压力环上就的效果就是对压力环作用一个推力，推动压力环压紧摩擦片组，从而增大主、从动摩擦片间摩擦产生的摩擦力矩，这个摩擦力矩作用在半轴上就使得转速较快的车轮转速降低，转速较慢的车轮转速提高，实现防滑功能，提升防滑性能。 （a）原始的压力环 （b）改进的压力环图 3.2 压力环（2）添加与差速器外壳内键槽相互配合的凸耳。这个改进主要有三个作用，一是能够方便差速器装配时压力环的定位，简化操作；二是能够传递由主减速器传递至差速器壳的动力；三是限制压力环的转动，使压力环只可以径向运动，从而对摩擦片组提供一定的压紧力。（3）增设油孔。在压力环靠底部的周边增设油孔，方便润滑油的注入，使行星齿轮轴、行星齿轮和半轴齿轮能得到充分的润滑，可以减小磨损，延长差速器的使用寿命。3.2 摩擦元件本差速器选用的摩擦元件为摩擦片组，由主动摩擦盘和从动摩擦片相互交替组合而成，其中每侧摩擦片组都含有两个主动摩擦盘和两个从动摩擦片（图3.3），它具有以下的结构特点：（1） 在主动摩擦盘上设有和差速器壳内壁的键槽相配合的外凸耳，在从动摩擦片上设有和半轴齿轮轴端外圆上的键槽相配合的内凸耳。主要有三个作用：能够方便摩擦片组的定位，使摩擦片组只能进行径向移动；能够传递动力；在汽车作直线运动时，差速器壳与半轴转速相同，因此随差速器壳转动的主动摩擦盘和随半轴转动的从动摩擦片也拥有相同转速，此时两者间并不会产生相互摩擦，减少了能量损耗，减少了摩擦片组间的摩擦次数和时间，延长了差速器的工作寿命。 (a)主动摩擦盘 (b)从动摩擦片图 3.3 摩擦元件（2）在主动摩擦盘上刻有呈偏心辐射状的凹槽，在从动摩擦片上刻有呈偏心环状的凹槽，这些凹槽主要有三个作用：能够容纳碎屑，减轻碎屑在摩擦片组相互摩擦时对摩擦片的磨损，延长摩擦片的使用寿命；这两种刻线凹槽是处于垂直接触的状态，可以增大摩擦片组间的摩擦系数，同时还可以使两种刻线凹槽不会互相嵌入，主动摩擦盘和从动摩擦片不会卡住，损坏摩擦片组；主动摩擦盘两侧的刻线凹槽的偏心方向是相反的，同样从动摩擦片两侧的刻线凹槽的偏心方向也是相反的，这样可以使两面的刻线凹槽不处于同一条线上，防止同一刻线凹槽出摩擦片过薄，降低摩擦片强度和使用寿命。3.3 行星齿轮轴行星齿轮轴是用于安装行星齿轮的刚性轴，其主要的作用是将从主减速器传递过来的转矩传递到行星齿轮，实现转矩的分配，实现差速器差速分动的功能，是差速器的关键零件之一。行星齿轮轴有整体式和搭接式两种，本差速器选用整体式行星齿轮轴（图3.4）。 图3.4 整体式行星齿轮轴 本次设计将行星齿轮轴的端部改进为菱形，与压力环相配合。3.4 行星齿轮和半轴齿轮行星齿轮的数量是根据汽车的承载情况来决定的，一般来说，乘用车的承载质量较小，只需要两个行星齿轮就可以满足要求，而商用车的承载质量较大，则需要四个行星齿轮才能满足强度要求。本次差速器设计所适用的车型为安普纯电动汽车，是一款乗用车，于是选择两个行星齿轮。在结构上，行星齿轮与普通差速器的行星齿轮相同，而半轴齿轮则有较大的变化。 主要是在半轴齿轮的轴端部设计有和从动摩擦片内凸耳相配合的键槽（图3.5），保证半轴齿轮和从动摩擦片的同步转动，同时方便装配时的定位。 图3.5 半轴齿轮 3.5 碟形弹簧碟形弹簧是在轴向上呈锥型并能够承受负载的特殊弹簧，碟形弹簧在承受负载后会发生弹性形变，存储弹性势能（图3.6a）。碟形弹簧由于其结构的特殊性，拥有很多的优势，一是刚度大，缓冲吸震能力强，能够以极小的弹性形变承受较大的载荷，适合差速器这种内部结构紧凑，轴向空间较小的场合；二是具有变刚度特性，能够具有很广范围的非线性特性；三是同样的碟形弹簧能采用不同的组合方式，使弹簧特性能在很大范围内变化。正是由于碟形弹簧的这些优势，本次设计选择蝶形弹簧作为差速器的预紧弹簧。相比较其他弹性元件，碟形弹簧行程短、负载重，安装空间要求小，维修更换容易，更加的经济、安全，使用寿命更长。在本次设计中，为方便碟形弹簧安装和定位，同时限制其转动，在碟形弹簧外圈增设与差速器壳相配合的外凸耳（图3.6b）。 （a）结构简图 （b）改进的碟形弹簧图3.6 蝴蝶弹簧选用弹性元件，都需要对弹性元件的强度进行校核，以确定弹性元件是否满足设计和实际使用要求。通常在碟形弹簧正常工作时，不需要校核碟形弹簧的强度。如认为有必要，仅需计算变形中性点上方的切向应力OM，而碟性弹簧弹性变形力 F0的计算公式为： （3.1） 式中： F0弹性变形力，N； 变形量，mm； E弹性模量，Mpa； 泊松比； 计算系数； R大端自由半径，mm； h内锥高，mm； 分析上式可以得出，当内径 d、外径 D 和厚度一定时，弹性特性只与高厚比有关。 图 3.7 碟形弹簧的性能曲线 图3.7为碟形弹簧的性能曲线，分析得出高厚比对碟形弹簧性能的影响： 时，性能曲线近似呈线性变化； 时，性能曲线呈非线性变化，刚度随变形量增加而减小； 时，性能曲线有一极大值和一极小值； 时，性能曲线出现更宽的负刚度区域； 为保证差速器中碟形弹簧产生的弹性变形力变化不大和工作轻便，其高厚比一般取在 间，而碟形弹簧的内径 d、外径 D 和厚度是由结构尺寸所决定的，故合理选择内锥高是碟形弹簧设计的重点。3.6 差速器壳本次设计所采用的差速器壳在外观上与普通差速器壳，但在内部结构上却有较大的差异。首先是在差速器内壁上设有与碟形弹簧、主动摩擦盘、压力环相配合的键槽，方便各零件的安装定位，限制转动，实现各零件和壳体同步转动的目的。其次是行星齿轮轴安装位置留有较大的空间，方便行星齿轮轴能进行一定的偏转，使其可以对压力环施加压力，压紧摩擦片组。然后便是在差速器壳圆周上增设了注油孔，方便润滑油的注入，使内部可以得到润滑油的保护，减少零件的磨损，延长差速器的使用寿命（图3.8）。 (a) (b)图 3.8 差速器壳 4 差速器的设计计算4.1 汽车变速器传动比和主减速器传动比本次设计中安普纯电动汽车主减速器减速比I0=6.3，变速器最高档传动比可由下式确定： （4.1）式中，r车轮的滚动半径，由轮胎的规格可知，r=0.3 m；n发动机最大功率转速，n=4000 rpm；v汽车最高车速，v=120 km/h；代入各参数可得，变速器最高档传动比: igh=0.6本次安普纯电动汽车变速器只有两档，可以确定变速器I档传动比iI=3.0 。4.2 锁紧系数及其计算锁紧系数是内摩擦力矩（左右半轴传递转矩之差）与差速器壳传递转矩 M0（左右半轴传递转矩矩之和，即输入转矩）的比值，即13。下面探讨差速器锁紧系数的计算。先取行星齿轮轴与压力环相接触的部分进行受力分析，见图4.1。 图4.1 行星齿轮轴与压力环受力分析从图中可知，差速器壳所传递的转矩通过行星齿轮轴作用在压力环上，其圆周力为： （4.2） 式中： 行星齿轮轴对压力环圆周作用力，N； 差速器壳传递转矩，Nm； 压力环当量作用半径，m； 产生的轴向力为： （4.3） 式中： 行星齿轮轴对压力环轴向压力，N； 压力环作用角度； 将式（4.2）代入式（4.3）中，有 （4.4） 轴向压力 即为摩擦元件所受到的压力，故摩擦元件所产生的摩擦力矩为 （4.5） 式中： 单侧摩擦力矩，Nm； 摩擦元件作用面数； 摩擦元件摩擦系数； 摩擦元件平均摩擦半径，m；当左右半轴以不同转速转动（也即发生差速时），慢转侧和快转侧的驱动力矩分别为： （4.6） （4.7） 而内摩擦力矩为左右两侧转矩之差，即 （4.8） 将式（4-5）、（4-7）代入（4-8）式，有 （4.9） 故锁紧系数为： （4.10） 公式（4-10）即为带压力环的机械摩擦片式差速器锁紧系数的计算公式，同时此式也表明了机械摩擦片式差速器的锁紧系数与摩擦元件作用面数、摩擦系数、摩擦元件平均工作半径、压力环楔角的正切成正比，与压力环作用当量半径成反比。需要注意一点的是关于摩擦系数的问题，在润滑状态下钢对钢的摩擦系数是与润滑状态有着密切的关系，波动幅度较大，设计时摩擦系数取上限0.15。4.3 摩擦片当量摩擦半径和预紧力矩的计算 理论锁紧系数：依据锁紧系数的选择原则， 摩擦片式差速器的锁紧系数选在，因为如果差速器的锁紧系数太大将使差速器效率太低，导致摩擦损失加大会出现汽车转向困难14。4.3.1 摩擦片当量摩擦半径的分析计算 1.差速器壳体计算转矩的确定 为按发动机最大转矩和传动系一档传动比计算的差速器壳体最大作用转矩 （4.11） ：发动机输出最大转矩 ：减速器一档传动比 2.单侧摩擦力矩的确定 根据锁紧系数公式：，得 又因为总内摩擦力矩