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汽车差速器的设计与分析 摘要：差速器是汽车必不可少的组成部件，对于本次毕业设计与分析主要是对装在汽车驱动桥的两个半轴间的差速器进行设计的，差速器是汽车驱动桥总成的重要组成部分，主要涉及的是差速器的设计等非标准件的齿轮结构和标准件的计算，并且对差速器的种类和发展也作了介绍，对方案的选择和差速器的原理也作了简要的说明。在参考了大量有关差速器的文献设计之后，对差速器的结构和功能有了较为透彻的了解，同时对差速器的设计合理，对差速器的相关行业有了一定的了解。 关键词：半轴；差速器；齿轮结构Design and analysis of automobile differential Abstract：Differential is an essential part of automobile components, the graduation design and analysis is mainly on the truck mounted differential between the two and a half drive axle shaft, differential is an important component of the automobile drive axle assembly, mainly involves the design of the differential gear structure of non standard parts and standard parts such as calculation, and the types and development of differential are introduced, the choice of scheme and the principle of differential also makes a brief description. In reference to a large amount of literature about the differential design, the structure and function of differential have a more thorough understanding, the reasonable design of differential, the differential of related industries have a certain understanding. Key words: axle, differential, gear structure目 录摘要IAbstractII目录III1 引言11.1 汽车差速器研究的背景及意义11.2 汽车差速器国内外研究的现状11.2.1 国外的差速器生产企业的研究现状11.2.2 我国差速器行业市场的发展和研究现状21.3 汽车差速器的功能及其分类31.4 毕业设计的初始数据来源和依据41.5 本章小结52 差速器的设计方案62.1 差速器的方案选择以及结构分析62.2 差速器的工作原理72.3 本章小结93 差速器非标准零件的设计103.1 对称式行星齿轮的设计计算103.1.1 对称式差速器齿轮参数确定103.1.2 差速器齿轮几何计算图表143.1.3 差速器齿轮的强度计算163.1.4 差速器齿轮材料的选择173.1.5 差速器齿轮的设计方案173.2 差速器行星齿轮轴的设计计算183.2.1 行星齿轮轴的分类及选用183.2.2 行星齿轮轴的尺寸设计183.2.3 行星齿轮轴材料的选择193.3 差速器垫圈的设计计算193.3.1 半轴齿轮平垫圈的尺寸设计193.3.2 行星齿轮球面垫圈的尺寸设计203.4 本章小结204 差速器标准零件的选用214.1 螺栓的选用和螺栓的材料214.2 螺母的选用和螺母的材料214.3 差速器轴承的选用214.4 十字轴键的选用224.5 本章小结225 差速器总成的装配和调整235.1 差速器总成的装配235.2 差速器零部件的调整235.3 本章小结23附录A24参考文献25致谢26III1 引言1.1 汽车差速器研究的背景及意义汽车行业发展的初期，法国雷诺汽车公司的创始人雷诺发明了汽车差速器，汽车差速器作为汽车必不可少的部件之一曾经被汽车专家誉为“小零件大功用”1。汽车转弯行驶时，内、外两侧的车轮在同一时间内要移动不同的距离，外轮移动的距离比内轮要大。差速器作用就是将主减速器传来的动力传给左、右两个半轴，并且在转弯行驶时允许左、右两个半轴以不同的转速旋转（差速）。在本世纪六七十年代，世界的经济发展进入了一个高速增长期，而2008年开始的全球金融危机又使汽车产业在危机中有了很大发展的机遇，在世界各处都有广阔市场。目前国内重型汽车的差速器产品技术基本来自美国、德国、日本等几个传统工业国家，我国现有的技术基本上是在引进国外的基础上发展的，而且已经有了一定的规模。但是，目前我国差速器的自主研发能力仍然很弱，影响了整车新车的研发，在差速器的技术研发上还有很长的路要走。1.2 汽车差速器国内外研究的现状目前汽车正在朝着经济性和动力性的方向发展，如何能够促使自己的产品燃油经济性和动力性提高是每一个汽车厂家都在做的事情，当然这是一个广泛的概念，汽车的每一个零件都在发生着变化，差速器也不例外，尤其是那些对操控性有比较高要求的车辆，要求也特别高2。1.2.1 国外的差速器生产企业的研究现状外国的那些差速器生产企业的研究水平很高，并且还在不断的进步。平均每年销售额18亿美金的伊顿公司汽车集团是全球化汽车零部件制造的供应商，在发动机的气体管理，变速箱，牵引力控制以及安全排放控制领域都居全球领先地位。零件的主要产品包括发动机的气体管理部分以及动力控制系统，在其中属于动力控制系统的差速器产品在同类产品中居于领先的地位。伊顿公司研发了新型的锁式差速器，它工作的原理与其他差速器不同之处：当汽车一侧轮子打滑时，普通的开式差速器几乎不能提供有效扭矩给车辆，而伊顿的锁式差速器则可以提供，在发现车轮打滑时，锁式差速器锁定动力传递百分之百的扭矩到不打滑的车轮，克服各种困难的路面给车辆带来的限制34。在汽车的牵引力测试、连续弹坑、V型沟等试验中，两驱汽车在安装有伊顿锁式差速器后，越野性能和通过性能甚至超过四驱动的车辆，因为只要是驱动轮的任何一侧发生打滑以后，伊顿锁式差速器就会马上锁住动力，并且把全部动力转移到另外一有附着力的轮上，使车辆依然能够的正常向前或向后行驶。毫无疑问，更强的越野性以及安全性是差速器实现的最终目标。1.2.2 我国差速器行业市场的发展和研究现状 从目前的情况来看，我国差速器的行业已经顺利完成了由小到大的转变，正在处于由大到强的发展阶段，在转型和调整的关键时刻，提高汽车差速器的精度、可靠性是我国差速器行业的重要任务。近几年以来我国汽车差速器市场发展迅速，产品生产持续扩张，国家产业的政策鼓励一些汽车差速器产业正向高科技技术产品方向发展，我国国企企业新增的投资项目正在逐年增多5。投资者对汽车差速器行业关注度越来越密切，这就会使汽车差速器行业的发展需求越来越大6。差速器的种类正趋于多元化，功能也趋于完整化。目前汽车上经常用的是对称式锥齿轮差速器，还有现在各种各样的多功能的差速器：强制锁止式差速器、高摩擦自锁式差速器、轮间差速器、防滑差速器、 托森差速器。其中托森差速器是一种新型的差速器机构，它能够解决在其他差速器的内差动转矩较小时不能起到差速作用的问题和转矩较大时不能够自动将差速器锁死的问题。 在这里重点介绍一下一种新型的差速器为LMC常互锁差速器：LMC常互锁差速器是湖北力鸣汽车差速器公司投资五千万元生产的新型差速器。LMC常互锁差速器用于0.5-1.5吨级的汽车，它能够有效地提高汽车的通过性、可靠性、越野型、安全性和经济性，能满足很多不同条件以及不同情况下的汽车的要求。这种纯机械、非电控、非液压中央差速分动装置，已经申报了美、日、韩、英、俄罗斯等19个国家的专利保护，这一项技术不仅仅是中国发明，也是一项世界发明。LMC常互锁差速器是由多种类齿轮系统和相应的轴、壳体组成的，具备传动汽车的前轮以及后轮轮间差速器、前后桥轴间的差速器。LMC常互锁差速分动器通过四支传动轴和轮边减速器带动四个车轮，实现了每个车轮的独立驱动，在当两个车轮打滑的情况下仍然能够正常行驶，在泥泞路面、冰雪路面、无路路面上具有独特优势，可以解决传统四驱汽车的不足：如车轮打滑不能正常行驶；高油耗问题、功率循环问题；不能高速行驶；不能实现轴间差速；四驱转换麻烦等。汽车上装有LMC常互锁差速分动器的具有以下优点： （1）可以提高汽车的通过性：LMC常互锁差速分动器可以实现轮间、轴间、对角任意混合差速以及锁止，具有混合差速，在任何情况下单个车轮、对角线双车轮不会发生滑转，即使单个车轮是悬空，车轮仍然具有驱动力能正常行驶。 （2）可以提高汽车的安全性：行车安全，操纵轻便安全，加速性好，转弯容易，制动稳定，无需增加操纵机构。 （3）可以提高汽车传动系的寿命和可靠性：因为实现了汽车的任意差速，消除了功率循环，克服了汽车分时四驱在四驱状态下的传动系统因为内耗而产生的差速器、分动器、传动轴等机件磨损，甚至致命性损坏，延长了汽车传动系统的使用寿命。 （4）具备了有良好的经济性：制造成本低，功能领先，经济环保，维修简便，节油，产品适用性广。 LMC常互锁差速分动器的开发是在经济高速发展的情况下产生的产品，符合我国国情的需要。1.3 汽车差速器的功能及其分类差速器的功能是：当汽车转弯行驶或着是在不平路面上行驶时，使汽车左右驱动轮以不同角速度滚动，以保证汽车两侧的驱动轮与地面间作纯滚动运动。图1.1 汽车转弯时汽车驱动轮运动示意图在汽车行驶时，左右车轮在同一时间内所滚动的路程往往是不相等。如图1.1所示，在汽车转弯时内、外两侧的车轮转弯半径R1和R2是不同，行程完全不同，即外侧的车轮滚过的距离是大于内测车轮的；汽车在不平的路面上行驶时，由于行驶路面波形的不同所造成两侧车轮滚过的路程也不等；即使汽车在平直的路面行驶时，由于轮胎负荷、轮胎气压、制造误差以及胎面磨损程度不同等因素的影响，也会引起左、右两个车轮因为滚动半径的不同而使左、右车轮行驶不相等。如果是汽车驱动桥的左、右车轮钢性连接，则汽车行驶时就会产生驱动轮在路面上滑移和滑转。这样不仅会使轮胎磨损与功率和燃料的加剧消耗，而且有可能导致转向系统和操纵性能恶化。汽车安装差速器，就是为了预防这类现象的发生，从而保证了汽车驱动桥两侧的车轮在行程不相等时所具有不同的旋转角速度，这样就满足了汽车行驶运动学的要求。在汽车驱动桥的左右两车轮间设置差速器，称之为轮间差速器，在两轴间分配转矩时，保证两输出轴有可能以不相同的角速度转动，使汽车行驶时能够作纯滚动运动，可以提高了汽车的通过性。现在的差速器种类趋于多元化，功用逐渐完整化。目前，汽车上经常用的是对称式锥齿轮差速器，还有各种各样的多功能的差速器，如：防滑差速器、托森差速器、强制锁止式差速器、行星圆柱齿轮差速器、高摩擦自锁式差速器。1.4 毕业设计的初始数据来源和依据在本次设计中，我选用的毕业设计原始数据的来源是二汽生产的东风EQ1090E型载货汽车。二汽集团听取了广大东风汽车客户的改进意见和建议，从EQ1090开始投资生产就在不断的改进节源性能、提高技术性能、和稳定性能，直到现在的EQ1090E型载货汽车，全面完成了向一个新的高性能水平、高质量水平的过渡和转换。汽车的载重量是汽车最重要的、最基本技术参数之一，也是汽车整体设计的最基本的依据，在汽车经济性和可靠性上，载重量都起着主导性的作用。EQ1090E型载货汽车规定载重量为5000kg。参考的数据有：1. 发动机的额定功率为99kw(当发动机转速为3000r/min时)；2. 汽车的满载总质量为9290kg;3. 汽车的最高车速（满载，无拖挂）为90km/h；4. 发动机额定转矩为353（当发动机转速在12001400r/min时），最大转矩158；5. 变速器各档传动比如表1.1所示。表1.1 东风EQ1090E型载货汽车变速器各档传动比一档二档三档四档五档倒档7.314.312.451.541.007.666. 车轮轮辋形式为7.0-20等厚辐盘式，轮胎为普通斜交帘线的标准轮辋轮胎，轮胎规格(GB516-82)9.00-20，10层级。7. 主减速器形式为双曲线齿轮单级减速式，主减速比为6.33；1.5 本章小结 本章主要说明了汽车差速器的发展现状和研究背景，并且详细的介绍了差速器的功能作用和它分类的依据，在最后参考收集了有关于本次毕业设计所需要的数据和资料等，为我的毕业设计顺利完成提供了有用和可靠的依据。2 差速器的设计方案2.1 差速器的方案选择以及结构分析对称式锥齿轮差速器的结构简单，工作平稳可靠，适应用于汽车驱动桥上，从东风EQ1090E型载货汽车的类型来看，初步选定差速器的种类是对称式行星锥齿轮差速器，把它安装在驱动桥的两个半轴之间，并通过两个半轴把动力传给车轮，进行设计，设计简图如下： 图2.1 差速器结构方案图如图，对称式行星锥齿轮主要是由差速器左右壳1和4，四个行星齿轮3、两个半轴齿轮2、十字轴5。动力传送到差速器壳1，差速器壳1带动十字轴5转动。十字轴带动行星齿轮3转动，行星齿轮3与半轴齿轮2相互啮合，所以又将转矩传递到半轴齿轮，半轴齿轮2与半轴相连接，半轴又将动力传递给驱动轮，完成了汽车的行驶。差速器的结构分析： （1） 行星齿轮的背面都做成球面，与差速器壳配合，保证了行星齿轮之间具有良好的对中性，以利于和两个半轴齿轮的正确啮合；（2） 因为行星齿轮3与半轴齿轮2之间是锥齿轮传动，所以在传递转矩时，沿着行星齿轮和半轴齿轮的轴线之间有很大的轴向作用力，然而齿轮和差速器壳之间又有相对运动。为了减少齿轮和差速器壳间的磨损，在两个半轴齿轮的背面与差速器壳相应的摩擦面间安装有平垫圈，然而在行星齿轮与差速器壳之间安装有球面垫圈。当汽车行驶到一定的里程时，垫圈磨损后通过更换垫圈来调整齿轮啮合间隙，以提高差速器的使用寿命。（3） 在中、重型汽车上因为需要传递较大的转矩，所以要装有四个行星齿轮，行星齿轮轴之间也要用十字轴。（4） 为了使行星齿轮与十字轴之间有良好的润滑效果，所以在十字轴的轴颈铣出一个平面，用以储存润滑油润滑齿轮背面。2.2 差速器的工作原理差速器采用对称式锥齿轮的结构，其原理如下图2.2所示：图2.2 差速器差速原理图 如图2.2所示，对称式锥齿轮差速器是行星齿轮机构。差速器壳3和行星齿轮轴5连接在一起，从而形成了行星架。由于它又与主减速器从动齿轮6连在一起，所以为主动件，设它的角速度为，半轴齿轮1和2为从动件，它角速度为和。A、B两点是行星齿轮4与半轴齿轮1和2的啮合点。行星齿轮的中心点是C，A、B、C三点到差速器旋转轴线的距离是相等的14。当行星齿轮只随同行星架围绕着差速器旋转轴线公转时，处在同一半径上A、B、C三点的圆周速度都是相等的图2.1），其值为。于是就有，即差速器起不到的差速作用，而半轴的角速度等于差速器壳的角速度。当行星齿轮4除了公转外，还围绕着本身的轴5以角速度自转时，啮合点A的圆周速度是，啮合点B的圆周速度是。于是 即 （2.1）若角速度以每分钟转数用来表示，则 （2.2）上式（2.2）为两个半轴齿轮直径相等，并且是对称式圆锥齿轮差速器的运动特征方程式，它表示左右两侧半轴齿轮的转速的和是差速器壳转速的两倍，然而与行星齿轮的转速无关。因此在汽车行驶转弯或其它的行驶情况下，它都可以借行星齿轮用以相应转速自转，促使两侧驱动车轮以不同的转速在地面上有滚动而无滑动。由上式（2.2）还可以得到：当任何一侧的半轴齿轮转速为零时，另一侧的半轴齿轮转速度是差速器壳转速度的两倍；当差速器壳转速是零时，若一侧的半轴齿轮受到其它外来力矩的作用，从而发生转动，则另一侧的半轴齿轮立即以相同的转速反向转动。对于对称式锥齿轮差速器转矩的分配：由于主减速器传来的转矩，经差速器壳、行星齿轮轴、行星齿轮传递给半轴齿轮。行星齿轮相当于是一个等臂杠杆，而两半轴齿轮半径也是相等的。所以，当行星齿轮在没有自转时，总是能将转矩平分配给左、右两个半轴齿轮，即。当两个半轴齿轮以不同转速朝着相同的方向转动时，假如左半轴转动的速速大于右半轴转动的速速，那么行星齿轮将会按照顺时针的方向围绕行星齿轮轴进行自转。此时的行星齿轮孔与行星齿轮轴的轴颈之间以及齿轮的背部与差速器壳间都会产生摩擦。行星齿轮所受到的摩擦力矩为方向和行星齿轮的转向是相反的，这个摩擦力矩可以使行星齿轮分别对左、右两半轴齿轮之间附加作用大小相等而且方向相反的两个圆周力，所以当左、右驱动车轮有转速差时，。左、右两车轮上的转矩之差与差速器的内摩擦力矩相等。为了衡量差速器内部的摩擦力矩大小和转矩分配特性，经常以锁紧系数K来表示 （2.3）差速器内的摩擦力矩和其输入的转矩之比定义成差速器锁紧系数为。快慢半轴转矩之比为定义转矩比，以 （2.4） 目前在汽车上广泛使用的对称式锥齿轮差速器的内摩擦力矩是很小的，它锁紧系数=0.050.15，转矩比为=1.11.4，我们可以认为，无论它的左、右两驱动车轮的转速是否相等，其上的转矩总是平均分配的。汽车对于这样的分配比例，在良好的路面上直线行驶或转弯行驶时，总是都是令人满意的。但是，汽车行驶在坏路上时，严重影响通行能力。例如，当一个车轮的汽车接触到泥泞或结冰的道路，车轮泥泞的道路滑动到位，而车轮在良好的道路保持平稳。这是因为在轮子上，在良好的路面比间小路上轮粘附的泥泞的道路，一条小路只有小扭矩反应半轴的作用，虽然车轮与路面之间的附着力好大，但由于对称式锥齿轮差速器的扭矩平均分配转矩的特点，使这一轮的滑移和分配到驱动轮在同等力矩小，总的驱动力不足以克服行驶阻力，汽车就不能前进。 当汽车直线行驶时，行星齿轮轴将是两个半轴齿轮之间的平均距离，两个半轴的齿轮速度是相同的差速器壳速度，扭矩转移到左，右车轮是平等的。此时车轮转速相等。 当车辆处于转弯状态时，两个半轴转动一个扭矩角，两个轴不均匀分布，就会有一个高速、一个速度，此时汽车平稳地完成了转弯。2.3 本章小结 根据毕业设计课题，本章对差速器的工作原理进行了详细阐述，并结合东风EQ1090E卡车的特性以及特点，选择不同的方案，实现了相应的差速的目的。3 差速器非标准零件的设计 对称式锥齿轮差速器的具体详细结构如下： 图3.1普通的对称式锥齿轮差速器1，12-轴承；2-螺母；3，14-锁止垫片；4-差速器左壳；5，13-螺栓；6-半轴齿轮垫片；7-半轴齿轮；8-行星齿轮轴；9-行星齿轮；10-行星齿轮垫片；11-差速器右壳3.1 对称式行星齿轮的设计计算 由于差速器壳体上有主减速器的从动齿轮，差速器的从动锥齿轮尺寸受主传动齿轮轴承座和主动齿轮轴承座的限制。而且由于设计安装在驱动轴的两个轴之间的差速器，所以轴承座有尺寸限制。主传动锥齿轮、行星齿轮轴等是非标准零差。 差速器位于轴承座的半轴上，其尺寸是有限的，差速器尺寸的主要影响是齿轮的尺寸，因此如何优化齿轮的设计就显得越来越重要。3.1.1 对称式差速器齿轮参数确定 1. 行星齿轮数目的确定行星齿轮的数量需要根据负载情况选择，在承载能力不大的情况下可以取两个，反之四个。东风EQ1090E汽车是四个行星齿轮的选择即。2. 行星齿轮的球面半径的确定和节锥距的计算行星齿轮的背面球行半径是行星齿轮基本尺寸参数之一，它反映了差速器的圆锥齿轮节锥距的大小与承载的能力。可以根据如下公式确定： （3.1）在上式中：是行星齿轮球面的半径系数，=2.52.97，对于有着四个行星 齿轮的小轿车和公路用的货车取最小值时，对于有着两个行星齿轮的小轿车和有四个行星齿轮的越野车与矿用车时，取最大值。此处，=2.7. 是差速器的计算转矩，, 是球面半径，单位mm转矩计算从动锥齿轮的计算转矩 （3.2）在上式中：是计算转矩，单位,是因为汽车猛接离合器从而产生的动载系数，相对于性能系数的汽车一般取是发动机最大的转矩， 是液力变矩器的变矩系数， 是变速器的一档传动比，东风EQ1090E型载货汽车的变速器一档传动比是是分动器的传动比， 是主减速器的传动比，东风EQ1090E型载货汽车是采用双曲线齿轮，主减速器传动比是是从发动机到主减速器的从动齿轮之间的传动效率， 是驱动桥数， 代入上式 （3.2） 中，得 从动锥齿轮计算转矩 （3.3）在上式中：是计算转矩，是满载状态下的一个驱动桥上的静负荷，相对于式货车，为了是汽车在泥泞的路面上有一定的通行能力，提高地面对汽车的驱动力，常常将满载时的前轴负荷控制在总轴荷的26%27%，所以 是汽车最大加速度时后桥得负荷转移系数，一般的乘用车是1.21.4，货车是1.11.2,在此处取=1.1。是汽车轮胎与地面之间的附着系数，对于一般轮胎的公路用车，可以取，是汽车轮胎的滚动半径，在东风EQ1090E型载货汽车所采用的普通斜交帘线轮辋轮胎，经查表得。是汽车主减速器从动锥齿轮到车轮之间的传动比，。是汽车主减速器从动齿轮到车轮之间的传动效率，当无车轮边减速器时，代入式 （3.3） 中，得 ， 将以上数据代入上式（3.1）中，得： 使为54mm,锥齿轮的节锥距稍小于，即所以选其节锥距3. 行星齿轮、半轴齿轮的设计和选择（1） 行星齿轮、半轴齿轮齿数的确定要使行星和半轴齿轮有较高的强度，且希望取较大模数，所以行星齿轮的齿数应该尽可能少，但一般不能少于10，半轴齿轮齿数一般要取用1425之间。汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数之比在1.52的范围之内。要使四个行星齿轮能够同时与两个半轴齿轮啮合，那么两个半轴齿轮的齿数和必须能够被行星齿轮数整除，否则差速器的齿轮不能够装配。 综上所述，即, （3.4） （3.5） 在上式中：是差速器行星齿轮齿数，是差速器半轴齿轮齿数，和分别是差速器左、右半轴齿轮齿数，相对于对称式锥齿轮差速器来说，是行星齿轮数目，,是任意整数根据上述可以在此取来满足以上要求。（2） 差速器的圆锥齿轮模数以及半轴齿轮的节圆直径初步确定 首先确定行星齿轮节锥角和半轴齿轮节锥角 （3.6） 其次确定圆锥齿轮大端端面模数 （3.7）大端端面的模数按照圆锥齿轮的标准模数系列进行选取，经查表得 确定半轴齿轮的节圆直径 （3.8）4. 压力角 从目前来看，汽车差速器齿轮大部分都是采用的压力角，齿高系数是0.8。行星齿轮最小齿数可以减少到10，且在行星齿轮的齿顶不变尖的情况下，还是可以由切向的修正加大半轴齿轮齿厚，从而可以使行星齿轮和半轴齿轮趋于等强度的状况。因为这种齿形的最小齿数比压力角是的少，所以在此选则的压力角。5. 行星齿轮安装孔的孔径与孔长度的确定行星齿轮的安装孔孔径与行星齿轮轴的尺寸是相同的，而行星齿轮的安装孔长度是行星齿轮在它轴上的支承长度，通常取： （3.9）行星齿轮的安装孔孔径与孔长度的选择要是在保证挤压强度要求下： （3.10） 即由上面的各式可得： （3.11）在上式中得：是差速器计算转矩， 是行星齿轮的轴孔中心到节锥顶点的距离，大约是半轴齿轮齿面宽的中心点处平均直径的一半，即，是半轴齿轮齿面宽中心点处的直径，而，即， 是行星齿轮得数目， 是许用挤压应力， 是行星齿轮的安装孔长度，是行星齿轮的安装孔孔径将上述的各个计算结果代入上式（3.11）中，可得： 则取,3.1.2 差速器齿轮几何计算图表表3.1 差速器几何计算图表序号名称符号计算公式计算结果1行星齿轮齿数,应尽量取最小值2半轴齿轮齿数,且需满足式（3-4）（3-5）4齿面宽5工作齿高6全齿高续表3.1 差速器几何计算图表序号名称符号计算公式计算结果7压力角8轴交角9节圆直径10节锥角11节锥距12周节13齿顶高14齿根高15径向间隙16齿根角17面锥角18根锥角19齿顶圆直径20齿根圆直径21分度圆齿厚22齿侧间隙3.1.3 差速器齿轮的强度计算差速器的行星齿轮和半轴齿轮虽然一直处于啮合状态，但是它们并不是一直处于相对转动状态，只是在左右车轮转速不同时才发生相对转动。而在汽车正常行驶中，这种情况还是相对较少的。因此，这些齿轮齿面的接触疲劳破坏一般并不发生，主要是轮齿弯曲破坏问题。在汽车设计中只进行轮齿弯曲强度计算，轮齿弯曲应力为 （3.12）上式中：是弯曲应力， 是半轴齿轮计算转矩， 是齿根弯曲强度和齿面接触强度的尺寸系数，它反映了材料性质的不均匀性，与齿轮尺寸及热处理等因素有关，当时，所以 是齿面载荷分配系数，跨置式；悬臂式，此处取，是质量系数，与齿轮精度及齿轮分度圆上的切线速度对齿间载荷的影响有关，当接触好，周节及同心度准确时，取,是差速器行星齿轮和半轴齿轮的模数，是半轴齿轮的齿宽， 是半轴齿轮的大端分度圆直径， 是综合系数，参照图3.2查得可取0.2253是行星齿轮的数目， 代入式（3.12）中，可得： 所以，差速器齿轮满足弯曲强度要求。图3.2 弯曲计算用综合系数3.1.4 差速器齿轮材料的选择差速器齿轮材料应满足如下要求：（1）具有较高的弯曲疲劳强度，（2）在轮齿芯部应该具有适当的韧性以适应冲击载荷，避免在冲击载荷下齿根折断，（3）钢材的锻造性能，切削性能及热处理性能应该比较好，热处理变形要小或变形规律要容易控制，（4）选择齿轮材料要适应我国情况，少用镍铬等合金钢，选用锰、钒、硼、钛、鉬、硅等元素的合金钢。汽车的差速器齿轮基本上都用渗碳合金钢制造，用于制造差速器齿轮的材料有18CrMnTi，20CrMoTi，22CrMnMo和20CrMo等。为了减少镍铬元素的消耗，近年来我国采用的新材料有20MnVB和20MnTiB。渗碳合金钢的优点是表面硬，耐磨性和抗压性高，而芯部较软，韧性好，耐冲击。因此这种材料可以满足齿轮工作的要求。另外。由于钢本身的含碳量较低，它们的锻造及切削性能都较好。因此，汽车差速器齿轮的材料选择20CrMnTi的渗碳合金钢。3.1.5 差速器齿轮的设计方案根据以上各项计算，初步确定行星齿轮和半轴齿轮的设计方案如下： (a) (b)图3.3 行星齿轮和半轴齿轮的设计方案3.2 差速器行星齿轮轴的设计计算3.2.1 行星齿轮轴的分类及选用行星齿轮的种类有很多，而差速器齿轮轴的种类也很多，最常见的是一字轴和十字轴，在小型汽车上由于转矩不大，所以要用一字轴，而载货的大质量的汽车传递的转矩较大，为了延长轴的使用寿命以及提高轴的承载能力，常选用十字轴，由四个轴的轴颈来分配转矩。此次设计主要参考东风EQ1090E型载货汽车，所以选用的是行星齿轮十字轴。如图3.4所示： 图3.4 十字轴的结构方案图3.2.2 行星齿轮轴的尺寸设计由行星齿轮的支承长度，根据安装时候的方便选择轴颈的长度为；而行星齿轮安装孔的孔径，所以轴颈的直径预选为。3.2.3 行星齿轮轴材料的选择轴的选择要满足强度、热平衡、轴伸部位承受径向载荷等条件。轴的常用材料主要有碳素钢和合金钢。碳素钢价廉，对应力集中敏感性比合金钢低，应用较为广泛，对重要或者承受较大的轴，宜选用35、40、45和50等优质碳素钢，其中以45钢最常用。所以此次选用的轴的材料为45钢。3.3 差速器垫圈的设计计算垫圈是垫在连接件与螺母之间的零件，一般为扁平形的金属环，用来保护被接件的表面不受螺母擦伤，分散螺母对被接件的压力。垫圈的种类有：弹簧垫圈、平垫圈、密封垫圈、球面垫圈等。垫圈的材料通常是软钢、青铜、尼龙、聚甲醛塑料。在差速器传递转矩的时候，行星齿轮和半轴齿轮要受到很大的轴向力，而齿轮和差速器壳之间又有相对运动，所以要用垫圈以减少磨损。差速器要用到两个垫圈，一个垫圈是半轴齿轮支承垫圈为圆形平垫圈，连接件一个是软质地的，一个是硬质地较脆的，其主要作用是增大接触面积，分散压力，防止把质地软的压坏。另外一个是差速器行星齿轮支承垫圈为球面垫圈，球面垫圈将行星齿轮和行星齿轮十字轴固定在一起传递转矩。3.3.1 半轴齿轮平垫圈的尺寸设计如下图3.5所示：为平垫圈的结构方案简图。图3.5 平垫圈参考东风EQ1090E型载货汽车的半轴直径的数据为,如图3.5（a）所示，按照装配关系可选择半轴齿轮平垫圈的安装孔直径要大于，初步预选安装孔直径为，由图3.5（b）根据安装的简易程度选取垫圈的厚度h为.选用的材料是65Mn。3.3.2 行星齿轮球面垫圈的尺寸设计 由行星齿轮十字轴轴颈的直径为，根据装配关系选择球形垫圈的安装孔直径为，厚度h为,选用的材料是Q235A。3.4 本章小结 本章主要针对差速器的非标准零件进行了设计计算，比如行星齿轮，半轴齿轮，垫圈，还有十字轴。通过这一系列的计算，得到了详细准确的设计参数，为CATIA的差速器建模工作奠定了基础。4 差速器标准零件的选用4.1 螺栓的选用和螺栓的材料螺栓的种类很多，随着机械及其他相关行业的发展，对螺栓的要求也越来越高，既要要求螺栓具有较高的强度又要其精密度高。目前常见的螺栓有六角头螺栓（全螺纹）、六角头铰制孔用螺栓、六角头螺杆带孔螺栓等。而东风EQ1090E型载货汽车在1984年以前的连接后桥从动锥齿轮和左差速器壳的12个M121.5的螺栓改为M141.5的螺栓。1984年以前的连接螺栓拧紧后容易发热松动，松动的原因为大齿轮与差速器左壳之间没有传动销，螺栓的拧紧力矩不足仅为78498,拧紧力矩所造成的从动齿轮与差速器左壳贴合面之间的摩擦力矩，不足以承受由于汽车行驶工况经常变化，所导致的交变载荷，造成贴合面间的松动。因此，从动齿轮与差速器左壳之间的连接螺栓要有足够大的拧紧力矩，大的拧紧力矩要求较大直径的连接螺栓。因此，在生产条件的允许下，将连接螺栓加大为M141.5，拧紧力矩加大为137.2156.8 ，使情况有了较大的改善，而现在使用的是六角头螺栓，尺寸为 M141.5，细牙螺纹。即为GB/T 5782 M141.5.现在生产螺栓的原材料一般是碳素钢、不锈钢、铜三种，为了加强螺栓的强度，此次选用的是碳素Q235A钢。4.2 螺母的选用和螺母的材料我们所接触到的螺母有六角薄螺母、六角开槽螺母。在机械行业、汽车行业以及相关行业经过几年的发展，螺母的种类和型号也越来越齐全。根据差速器已选定尺寸为 M141.5的螺栓，所以由装配关系选择差速器螺母应该为M14的，性能等级为8级的，不经过表面处理、A级的I型六角螺母：即是GB/T6170 M14.符合东风EQ1090E型载货汽车的螺栓要求。现在一般生产的螺母原材料一般是碳素钢、不锈钢和铜三种，为了加强螺栓的强度，此次选用的是碳素45钢。4.3 差速器轴承的选用轴承是支撑着轴的零件，可以引导轴的旋转，也可以承受轴上空转的零件。根据装配关系和连接零件的形状选用的轴承为角接触球轴承。由差速器和半轴的计算数据可取差速器轴承外径为左右，内径为左右，参考机械设计课程设计手册选取的角接触球轴承的型号是7010CGB/T 297-1994.4.4 十字轴键的选用键主要用作轴和轴上零件之间的周向固定以传递扭矩，此处行星齿轮与十字轴的固定选择普通平键。由十字轴的半径要求，参考机械设计课程设计手册GB/T1096-2003选取平键的尺寸为87mm,键的长度为20mm，材料选择45钢。4.5 本章小结 本章针对差速器上的一些标准零件，结合已经设计的非标准零件的参数，参考查阅机械设计课程设计手册，选取了符合尺寸要求，装配要求，配合要求的螺栓，螺母以及圆锥滚子轴承。5 差速器总成的装配和调整5.1 差速器总成的装配设计完差速器的组成部件就要对差速器进行装配。工业上装配步骤如下：(1) 用压力机将轴承的内圈压入左右差速器的半轴轴颈上；(2) 把左差速器壳放在工作台上，在与行星齿轮和半轴齿轮相配合的工作面上涂抹机油，将半轴齿轮平面垫圈连同半轴齿轮一起装入，将已装好行星齿轮和球面垫圈的的十字轴装入左差速器壳的十字槽中，并使行星齿轮与半轴齿轮啮合。行星齿轮上装上右边的半轴齿轮、平面垫圈，将差速器右壳合到左壳上，注意对准壳体上的合件标记，从右向左插入螺栓，在螺栓左端套上锁片，用螺母紧固，半轴齿轮支承端面与支承垫圈间的间隙应不大于。(3) 将从动锥齿轮装到差速器左壳上，用螺栓锁紧。5.2 差速器零部件的调整齿轮啮合间隙的调整：正确的齿轮啮合间隙范围为，而一对齿轮的齿轮间隙变动范围为。如：一对齿轮的最小齿轮间隙为，则最大间隙只能为，若最大齿轮间隙为，则最小齿轮间隙为等。齿轮的啮合间隙的调整可用移动差速器轴承的调整螺母来达到。由于差速器轴承的预紧度已经预先调好，因此调整啮合间隙时，一侧的调整螺母松或紧多少。另一侧的调整螺母也要松或紧多少，以便差速器轴承的预紧度保持不变。5.3 本章小结针对差速器中的非标准零件和标准零件在装配过程中的