TY1250型载货汽车差速器设计

TY1250 型载货汽车差速器设计摘 要差速器是汽车转向过程中所必须的传动机构，差速器在重型载重车上使用较频繁，损坏较严重。所以对于差速器的结构设计，相关参数的优化设计、性能设计等都非常重要。本文首先介绍了差速器技术的应用背景及国内外研究动态。对差速器的工作原理、结构、作用及种类等进行了详细的介绍。在做出各种比较之后，确定对称式圆锥行星齿轮差速器为设计类型。对称式圆锥行星齿轮差速器能把扭矩大致平均的分配给半轴，并允许车轮有相对转动。对差速器进行了详细的设计计算，从而确定了差速器各个零部件如半轴齿轮、行星齿轮、十字轴等的详细参数，确定了各零部件的选用材料，并校核了各个零部件的强度。简述了依据汽车设计规范对差速器各零件进行结构设计的主要思路，给出了在Pro/ E 软件中基于特征创建差速器各零件三维模型的思路与结果，阐述了建立差速器三维装配模型的方法和主要步骤。差速器各零件三维精确建模有助于提高其零件的数控加工精度，三维虚拟装配则有助于及时发现和解决结构设计中的问题，从而缩短差速器产品的研发周期，降低设计成本。介绍了差速器典型零部件的加工工艺过程。关键词：差速器；结构设计；三维建模；虚拟装配；加工工艺The design of differential for TY1250-based Truck AbstractDifferential is a necessary transmission system in steering process，which is used frequently on heavy truck, and is often damaged severelyTherefore, the structural design for the differential, the relevant parameter optimization, design for performance, etc. are very important. Firstly,this paper describes the background and research and dynamic of the differential.On this basis, make a detailed description for the working principle ,structure, function and types and soof of the differential. Making all kinds of comparisons, to determine the symmetric cone used for the design of planetary gear type differential. Symmetrical cone planetary gear differential can roughly evenly distribute the torque to the axle, and allows a relative rotation wheel. On differential conducted detailed design calculation thereby identified differential various components such Axle gears, planetary gear, cross shaft etc. detailed parameters determined each parts selection materials and check various Ling components intensity. After the major idea of configuration design for automobile differential based on criterions of automobile design were expounded, the thoughts and results of 3 -D modeling of parts for differential based on feature were presented by Pro/ Engineer software. Finally, the method and steps of 3-D virtual assembly modeling were expounded. Precise 3-D modeling of parts for differential are helpful to improving precision of NC, and 3-D virtual assembly are helpful to detecting and setttling problems of configuration design, so time of develoment for differential manufacture will be shortened and cost of the design will be reduced. Finally, the typical differential parts machining process are introduced.Key words: differential; configuration design; 3-D modeling; virtual assembly; processing technic目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题研究背景 .11.1.1 国内外的研究动态 .11.1.2 差速器今后的发展 .41.2 课题研究的意义 .51.3 课题主要内容 .6第 2 章 差速器结构方案的选择 .72.1 对称锥齿轮式差速器 .72.1.1 普通锥齿轮式差速器 .72.1.2 摩擦片式差速器 .82.1.3 强制锁止式差速器 .92.2 滑块凸轮式差速器 .102.3 蜗轮式差速器 .112.4 牙嵌式自由轮差速器 .122.5 结构方案的确定 .12第 3 章 详细设计计算过程 .143.1 差速器的设计计算与校核 .143.1.1 差速器齿轮主要参数选择 .143.1.1.1 行星齿轮数目 n 的选择 .143.1.1.2 行星齿轮球面半径的确定 .143.1.1.3 行星齿轮与半轴齿轮齿数、的选择 .173.1.1.4 行星齿轮和半轴齿轮节锥角，模数 m 的确定 .173.1.1.5 压力角 .183.1.1.6 行星齿轮轴直径 d 及支承长度 .183.1.2 差速器齿轮的强度计算 .183.1.3 汽车差速器直齿锥齿轮的几何尺寸计算用表 .203.1.4 差速器齿轮的材料 .213.2 半轴的设计计算及校核 .223.2.1 半轴结构形式选择 .223.2.2 半轴详细计算与校核过程 .223.2.2.1 全浮式半轴的计算载荷的计算 .223.2.2.2 全浮式半轴的杆部直径的计算 .233.2.2.3 半轴的扭转切应力 .233.2.2.4 半轴的扭转角 .233.2.2.5 半轴花键强度校核 .243.2.2.6 半轴的结构设计及材料选取 .24第 4 章 三维模型的建立 .264.1 Pro/E 软件简介 .264.2 差速器结构设计 .274.3 差速器各零件的三维实体建模 .284.4 差速器三维装配模型的建立 .294.5 结语 .30第 5 章 差速器十字轴加工工艺 .315.1 轴类零件的功用、结构特点及技术要求 .315.2 轴类零件的毛坯和材料 .325.3 十字轴的加工工艺分析 .325.4 十字轴的制造工艺过程 .33结 论 .35参考文献： .37致 谢 .39第 1 章 绪论1.1 课题研究背景目前国内重型汽车的差速器产品技术基本源自美国、德国、 日本等几个传统的工业国家，我国现有技术基本上是引进国外的基础上发展的，而且已经有了一定的规模。但是目前我国的差速器没有自己的核心技术产品，自主开发能力仍然很弱，影响了整车的开发。在差速器的技术开发上还有很长的路要走。1.1.1 国内外的研究动态目前汽车在朝着经济性和动力性的方向发展，如何能够使自己的产品燃油经济性和动力性尽可能提高是每个汽车厂家都在做的事情，当然这是一个广泛的概念，汽车的每个部件都在发生着变化。差速器也不例外，尤其是那些对操控性有较高需求的车辆。国外的那些差速器生产企业的研究水平已经很高，而且还在不断地进步，年销售额达 18 亿美金的伊顿公司汽车集团是全球化的汽车零部件制造供应商，在发动机、变速箱、牵引力控制和安全排放控制领域居全球领先地位。主要产品包括发动部分及动力控制系统，其中属于动力控制系统的差速器类产品 04 年的销售量达 250 万只，在同类产品中居领导地位。国内的差速器起步较晚，目前的发展主要靠引进消化国外产品来满足需求。因此，我们要抓住市场机遇，在保证现有差速器生产和改进的同时，要充分认识到改革与发展的关系，更要认识到创新对发展的巨大推动作用。我们要紧随世界的步伐，使我们的产品向高技术含量，智能化得方向发展，开发出适合我国国情的，具有自主知识产权的新一代差速器。目前国内外差速器的典型结构类型举例如下：1）无单边滑动摆块式差速器研制了一种新型无单边滑动摆块式汽车差速器，阐述其工作原理和结构设计，加工了试验样机，进行了装车道路试验。结果表明，与常规差速器相比，这种新型差速器结构简单、加工成本低，在道路试验中能够可靠地实现差速工作，在泥泞、湿滑等不良路面上能够有效避免车轮单侧打滑。2）导球式限滑差速器结构及工作原理导球式限滑差速器的最大特点是利用滚球沿具有一定轨迹的导槽的运动代替了齿轮传动来实现差速与限滑功能，其具体结构组成如图 1-1 所示 图 1-1 导球式限滑差速器结构图1壳体 2端盖 3滚球保持架 4滚球 5传力盘 6止推垫片 7平垫片 滚球保持架 3 与壳体 1 连接在一起，它是转矩的输入部件，滚球 4 在保持架的导槽内运动并将力传递给两侧的传力盘 5，后者将转矩传给半轴。在传力盘的表面开有具有一定轨迹的导槽，使滚球按一定轨迹运动。导槽槽形设计成与滚球有一定接触角，用于传递对传力盘的压力。止推垫片 6 是壳体、端盖及传力盘之间的摩擦元件。平垫片 7 用于调整初始限滑转矩。3）托森差速器托森差速器巧妙利用了正逆两对蜗轮蜗杆传动高摩擦、低效率的特性，提高了左右半轴的转矩比K b, 因此它能根据转速差的变化, 自动调整左右驱动车轮的转矩分配, 它成功地克服了普通锥齿轮差速器的先天缺陷, 提高了汽车的通过性。托森差速器能根据转速差的变化, 实现转矩分配的自动调节。毫无疑问, 托森差速器将获得更加广泛的应用。托森差速器是由美国格里森公司设计的一种转矩敏感型车用差速器。从根本上讲，托森差速器仍然是利用行星轮系的差动原理设计的一种差速器，但是由于它充分利用了蜗轮蜗杆传动副的高摩擦性和自锁性，使锁紧系数和转矩比比普通差速器有了大幅提高。托森差速器对于转矩的再分配是借助于蜗轮蜗杆传动副间较大的内摩擦力矩实现的。当两半轴没有转速差时，蜗轮与蜗杆没有相对运动，所以来自主减速器从动齿轮的转矩平均分配到两半轴上，相当于差速器不起作用。当两半轴存在转速差时(这里设右半轴转速大于左半轴，即也n。)，差速器起差速作用，由于右半轴转速比左半轴快，差速器的行星蜗轮必然会对右半轴施加一个阻力矩，对左半轴施加一个动力矩。这相当于右半轴把一部分转矩通过行星蜗轮传递给左半轴。托森差速器的结构:主动部分由空心轴、差速器外壳组成。两者借花链固连一体。发动机输出转矩经空心轴传入差速器外壳。从动部分由前后轴蜗杆, 差速器齿轮轴和驱动轴凸缘盘组成。前轴蜗杆与差速器齿轮轴连为一体, 并与前驱动桥相连；后轴蜗杆与驱动轴凸缘盘连为一体, 并与后驱动桥相连。前后轴蜗杆彼此不接触。4）普通防滑差速器作用、结构与工作原理防滑差速器也称为差速锁，结构图如图 1-2，即在一侧半轴齿轮与差速器壳体之间装有多片式离合器，离合器连接一侧的半轴齿轮与差速器壳体。差速器正常工作时（即在良好的路面直线行驶或转向时） ，离合器处于分离状态。当有一侧车轮在附着力小的路面的打滑时，两侧车轮转速差过大时，控制离合器适当接合，差速器壳通过离合器驱动一侧半轴齿轮。则另一侧的半轴齿轮转速在差速器作用下被约束，从而防止附着力小的车轮打滑。图 1-2 防滑差速器结构图防滑差速器的控制难点在于差速器内的离合器的控制，很明显的一点是，在汽车正常转向时，离合器是不能被接合的，如果高速转向时离合器接合，后果就只有翻车事故了！目前国内外差速器的建模及分析方法举例如下：1）基于 Pro/E 的差速器三维建模在 Pro/E 环境中，建立差速器各零件的三维实体模型后，可定义各零部件之间的装配配合关系，进而建立差速器总成三维实体模型。Pro/E 软件中，装配树（多叉树）的层次关系体现了实际形成产品的装配顺序，形象地表达了产品、部件、零件之间的父子从属关系，其层次结构表达方法，可满足人机交互装配规划和装配过程仿真功能的要求，作出的差速器三维实体模型形象、逼真、直观。2）防滑差速器壳体有限元分析有限元模型作为原结构的离散化模型，其好坏直接关系到求解的正确性和精度。首先利用 UG 三维 CAD 软件按照差速器壳体设计图纸建立其几何实体模型，几何实体模型完成后导入到 ANSYS 中，经过修改后再生成有限元模型。防滑差速器壳体模型的各个部件之间用粘接运算进行连接，以模拟螺钉连接。在进行强度和刚度计算分析时，对防滑差速器壳体的左右轴承轴颈表面、左半轴轴承安装端面以及行星齿轮轴孔处进行位移约束。对有限元模型施加载荷时，作以下等效处理：分别将圆周力等效为沿其圆周方向的等效节点力，加载到其有限元模型上。3）基于 ADAMS 的差速器仿真为了提高仿真结果的可靠性，在现有COSMOSMotion软件仿真结论的基础上，把轴向滑块凸轮式差速器模型从UG软件导入ADAMS/View中，并对各连接点添加相应约束、反复修正弹簧参数之后进行了仿真，可得到左右差速轮的角速度曲线及差器壳的合反转矩曲线。4）基于CATIA 的差速器分析该方法最大的特点是建模与有限元分析使用同一软件平台,避免了接口传递可能产生的数据错误,是一种简便可行、运行效率高的齿轮设计与分析方法。结合实例,可完成了某型差速器直齿圆锥齿轮的建模和有限元分析。1.1.2 差速器今后的发展目前中国的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。伊顿公司汽车集团是全球化的汽车零部件制造供应商，在同类差速器产品中居领导地位。最近伊顿开发了新型的锁式差速器，它的工作原理及与其他差速器的不同之处：当一侧轮子打滑时，普通开式差速器几乎不能提供任何有效扭矩给车辆，而伊顿的锁式差速器则可以在发现车轮打滑后，锁定动力传递百分之百的扭矩到不打滑车轮，足以克服各种困难路面给车辆带来的限制。在牵引力测试、连续弹坑、V 型沟等试验中，两驱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轮驱动的车辆。因为只要驱动轮的任何一侧发生打滑空转以后，伊顿锁式差速器会马上锁止动力，并把全部动力转到另一有附着力的轮上，使车辆依然能正常向前或向后行驶。毫无疑问，更强的越野性和安全性是差速器的最终目标。1.2 课题研究的意义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不等。例如，转弯时内、外两侧车轮行程显然不同，即外侧车轮滚过的距离大于内侧的车轮；汽车在不平路面上行驶时，由于路面波形不同也会造成两侧车轮滚过的路程不等；即使在平直路面上行驶，由于轮胎气压、轮胎负荷、胎面磨损程度不同以及制造误差等因素的影响，也会引起左、右车轮因滚动半径的不同而使左、右车轮行程不等。如果驱动桥的左、右车轮刚性连接，则行驶时不可避免地会产生驱动轮在路面上的滑移或滑转。其结果一方面轮胎磨损、消耗功率与燃料，另一方面也不能按我们所要求的绕转向瞬时中心转向，这必然导致转向和操纵性能恶化。为了防止这些现象的发生，汽车传动系统的左、右驱动轮间都装有差速器，从而保证了驱动桥两侧车轮在行程不等时具有不同的旋转角速度，满足了汽车行驶运动学要求。差 速 器 主 要 有 三 大 功 用 ： 把发动机发出的动力传输到车轮上； 充当汽车主减速齿轮，在动力传到车轮之前将传动系的转速减下来； 将动力传到车轮上，同时，允许两轮以不同的轮速转动。从 而 满 足 两 边 车 轮 尽 可 能 以 纯 滚 动 的 形 式 作 不 等 距 行 驶 ， 减 少 轮 胎 与地 面 的 摩 擦 。 汽 车 差 速 器 原 理 结 构 图 如 图 1-1。 图1-1 差速器结构原理图本 课 题 选 择 对称式圆锥行星齿轮差速器为设计类型，对称式圆锥行星齿轮差速器属于非常普通的类型，它虽不能像防滑差速器那样满足在坏路面或泥泞路面上正常行驶，但由于其具有结构简单、工作平稳、制造方便、质量较小、用于公路汽车上也很可靠等优点，故广泛用于各类车辆上。因此，能够设计研究出非常好的对称式圆锥行星齿轮差速器，是具有重大意义的。国内目前的差速器产品大多是通过引进而开发的类型，没有什么核心的技术产品，还有一部分是通过进口的产品。现在我国已经对差速器有了深入的研究设计，但没有形成一定规模的工业化设计和制造，所以我们需要在这个领域开发和生产具有自主知识产权、适合我国国情的重型汽车差速器。1.3 课题主要内容从接到任务书开始，便是进行了大量的中外文献查阅，从而充分了解了差速器目前在国内外的研究动态，以及今后的发展趋势。在此基础之上，参见汽车设计上的差速器结构介绍，以及本校车辆实验室同类型车的差速器零件实物，最终选择普通对称式锥齿轮差速器结构类型为设计方案。在确定了结构设计方案之后，对所设计类型差速器的各个零部件进行了详细的设计计算及校核。在最后确定了各个参数之后，并利用 Pro/E 软件对差速器进行了各零部件的三维建模及装配分析。然后绘出了各个零部件的二维零件图及装配总成图。最后选择典型零件十字轴进行了加工工艺分析。第 2 章 差速器结构方案的选择差速器按其结构特征不同，分为齿轮式、凸轮式、蜗轮式和牙嵌自由轮式等多种形式。2.1 对称锥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，它具有结构简单、质量较小等优点，故应用广泛。它又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。2.1.1 普通锥齿轮式差速器普通锥齿轮式差速器由于结构简单、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。下图为其示意图，图 2-1 中 为差速器壳的角速度； 、 分别012为左、右两半轴的角速度； 为差速器壳接受的转矩； 为差速器的内摩擦力矩；0TrT、 分别为左、右两半轴对差速器的反转矩。1T2图 2-1 普通锥齿轮式差速器示意图根据运动分析可得+ 2 （2-101） 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（2-02112TT-r2） 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（2-0Tr3）结合式(2-2)可得(2-4)k) -(10.5T012定义半轴的转矩比 ,则 与 之间有1kbb； (2-5) kb bk1普通锥齿轮差速器的锁紧系数 一般为 005015，两半轴转矩比=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bk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。2.1.2 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(如图 2-2)。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。图 2-2 摩擦片式差速器1差速器壳体 2摩擦片 3压盘 4V 形面5行星齿轮轴 6行星齿轮 7半轴齿轮当传递转矩时，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 ，与差速器所传递的转rT矩丁。成正比，可表示为示为(2-6)tan0fzrTd式中， 为摩擦片平均摩擦半径； 为差速器壳 V 形面中点到半轴齿轮中心线的距fr离； 为摩擦因数； 为摩擦面数； 为 V 形面的半角。z摩擦片式差速器的锁紧系数 可达 0.6， 可达 4。这种差速器结构简单，工作平kbk稳，可明显提高汽车通过性。2.1.3 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 机 构 使 内 、外 接 合 器 (即 差 速 锁 )啮 合 ， 此 后 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 引 力 达 到 可 能 得 最 大 值 。对 于 装 有 强 制 锁 止 式 差 速 器 的 42 型 汽 车 ， 假 设 一 驱 动 轮 行 驶 在 低 附 着 系数 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min 轮 差 速 器 的 汽 车 所 能 发 挥 的 最 大 牵 引 力 为tF(2-min2in2min2GGFt 7）式 中 ， 为 驱 动 桥 上 的 负 荷 。2G如 果 差 速 器 完 全 锁 住 ， 则 汽 车 所 能 发 挥 的 最 大 牵 引 力 为tF（ 2-)(22 minin2GFt8）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 高倍 ， 从 而 提 高 了 汽 车 通 过 性 。mini2/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 。2.2 滑块凸轮式差速器图 2-3 为 双 排 径 向 滑 块 凸 轮 式 差 速 器 。 图 2-3 双 排 径 向 滑 块 凸 轮 式 差 速 器1差 速 器 壳 2滑 块 3外 凸 轮 4内 凸 轮差 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 。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 ， 在 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 。2.3 蜗轮式差速器蜗 轮 式 差 速 器 (如 下 图 2-4)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（ 2-)tan(bk9）式中， 为蜗杆螺旋角； 为摩擦角。图 2-4 涡轮式差速器1、5半轴涡轮 2、4蜗杆 3行星齿轮蜗 轮 式 差 速 器 的 半 轴 转 矩 比 可 高 达 5 67 9 00， 锁 紧 系 数 是 达bk0 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 降 到bk2 65 3 00， 降 到 0 45 0 50 时 ， 可 提 高 该 差 速 器 的 使 用 寿 命 。 由 于 这 种k差 速 器 结 构 复 杂 ， 制 造 精 度 要 求 高 ， 因 而 限 制 了 它 的 应 用 。2.4 牙嵌式自由轮差速器牙 嵌 式 自 由 轮 差 速 器 是 自 锁 式 差 速 器 的 一 种 （ 图 2-5） 。 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 。图 2-5 牙 嵌 式 自 由 轮 差 速 器牙 嵌 式 自 由 轮 差 速 器 的 半 轴 转 矩 比 是 可 变 的 ， 最 大 可 为 无 穷 大 。 该 差 速 器bk工 作 可 靠 ， 使 用 寿 命 长 ， 锁 紧 性 能 稳 定 ， 制 造 加 工 也 不 复 杂 。2.5 结构方案的确定通 过 以 上 对 四 种 差 速 器 的 介 绍 ， 经 过 比 较 ， 普通锥齿轮式差速器由于结构简单、工作平稳可靠、质量较小等优点，应用广泛，它用于一般使用条件的各种汽车的驱动桥中。所以，本课题选用普通锥齿轮式差速器，确定的结构方案为：对称式圆锥行星齿轮差速器。对称式圆锥行星齿轮差速器能把扭矩大致平均的分配给半轴，并允许车轮有相对转动。普通的对称式圆锥齿轮差速器由差速器左右壳，两个半轴齿轮，四个行星齿 轮，行星齿轮轴，半轴齿轮垫片及行星齿轮垫片等组成。如图 2-6 所示。图 2-6 普通的对称式圆锥行星齿轮差速器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- 差速器右壳第 3 章 详细设计计算过程3.1 差速器的设计计算与校核3.1.1 差速器齿轮主要参数选择3.1.1.1 行星齿轮数目 n 的选择从主减速器传来的扭矩要通过差速器分配给车轮。为此，行星齿轮数 n 需要根据承载情况来选择，在承载不大的情况下 n 可取两个，反之应取 n=4。货车和越野车多采用 4 个行星齿轮，多于 4 个行星齿轮的在安装上会有困难。轿车常用两个行星齿轮。采用行星齿轮数目多了，每个行星齿轮上的力就可以减小了。在此，题目设计 TY1250 型载货汽车差速器，所以取行星齿轮数 n=4。3.1.1.2 行星齿轮球面半径 的确定bR圆锥行星齿轮差速器的结构尺寸，通常取决于行星齿轮的背面的球面半径 ，它bR就是行星齿轮的安装尺寸，实际上代表了差速器圆锥齿轮的节锥距，因此在一定程度上也表征了差速器的强度与承载能力。球面半径 可按如下的经验公式确定：bR（3-3TdKRb1） 式中： 行星齿轮球面半径系数，可取 2.53.0，对于有 4 个行星齿轮的 bK乘用车和商用车取小值，对于有两个行星齿轮的轿车及 4 个行星 齿轮的越野车和矿用车取大值。这里取 =2.5。bK计算转矩，取 ，Tce 为按发动机最大转矩和最低 dTTcsed,min档传动比从动锥齿轮的计算转矩；Tcs 为按驱动轮打滑转矩确定从 动锥齿轮的计算转矩。单位 Nm。为球面半径。bR计算转矩的计算 的计算：ceT（3-2) nikTfdec01max式中： 为猛接离合器所产生的动载系数，液力自动变速器： =1，具有 bK bK手动操纵的机械变速器的高性能赛车: =3,性能系数 fi=0 的汽车：bK=1，fi0 的汽车：kd= 或者由经验确定。这里取 =1。b b发动机最大转矩，根据汽车最大总质量及最高车速等参考同类 maxeT型车，选取发动机型号为：康明斯 c260 20，额定功率/转速：191kw/2200r/min,最大转矩/转速：1025n.m/1400r/min。液力变矩器变矩系数，取 =1。kk主减速器传动比， ，其中 n 为发动机额定转速， 0i giVrimax037.n=2200r/min；r 为轮胎半径，由轮胎规格 12.00 R20，查阅 GB/T2977-1997载重轮胎系列可知 r=526mm； 为最高车速， maxV由题目知 Vmax=80km/h； 为变速器最高档传动比， =1。代入 gi gi各个数据得：i0=5.45，取 i0=5.728。变速器 1 档传动比，参考汽车理论 ，1i 80P，其中 G 为车重，TirfGitq0maxax1sncoG=1800010=180000N；最大爬坡度 i=tan=40%,则 =arctan40%=21.8；r=0.526m；Ttqmax=800n.m；i0=5.728 ；t为传动效率，取 =0.95x0.96=0.912；f 取 0.02。代入各个数据 T 得 6.89。1i分动器传动比，由于此车为单驱动轴，无需设计分动器，所以取fi=1。fi从发动机到万向传动轴之间的传动效率，取 =0.9。 驱动桥数， =1。nn代入以上各个参数值，得 Tce=36407N.m。 的计算：csT（3-3) mirGTcs2式中： 满载状态下一个驱动桥上的静载荷，参见汽车设计 （1） ，2G 21P表 1-6，有满载后轴载重 65%-70%，所以可取=18000065%=117000N。2汽车最大加速度时的后轴负荷系数，商用车: =1.11.2,乘用车：m 2m=1.21.4 ，这里取 =1.1。22m轮胎与路面间的附着系数，对于安装一般轮胎的公路用汽车，在良好的混凝土或者沥青路上， 可取 0.85。轮胎滚动半径， =0.526m。rr主减速器从动齿轮到车轮之间的传动比，及轮边减速器传动比，为mi4。 主减速器主动齿轮到车轮之间的传动效率，取 0.85。m代入以上各个参数，可得 =19464nm。csT由的结果，比较 与 得 = =19464nm。escsedT,min再将各参数代入公式 ，得 =67.25mm。3KRbbR差速器行星齿轮球面半径确定后 ，可以根据下式预选节锥距 。0A=(0.980.99) =66mm （3-0AbR4）3.1.1.3 行星齿轮与半轴齿轮齿数 、 的选择1Z2为了获得较大的模数从而使齿轮有较高的强度，应使行星齿轮的齿数尽量少。但一般不少于 10。半轴齿轮的齿数采用 1425。大多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比 / 在 1.52.0 的范围内。1z2差速器的各个行星齿轮与两个半轴齿轮是同时啮合的，因此，在确定这两种齿轮齿数时，应考虑它们之间的装配关系，在任何圆锥行星齿轮式差速器中，左右两半轴齿轮的齿数 ， 之和必须能被行星齿轮的数目所整除，以便行星齿轮能均匀地分布Lz2R于半轴齿轮的轴线周围，否则，差速器将无法安装，即应满足的安装条件为：（3-InzRL25）式中： ， 左右半轴齿轮的齿数，对于对称式圆锥齿轮差速器来说，Lz2R= 。Lz2R行星齿轮数目， =4。nn任意整数。I在此取 =12， =20 满足以上要求。1z23.1.1.4 行星齿轮和半轴齿轮节锥角 ， 模数 m 的确定12首先初步求出行星齿轮与半轴齿轮的节锥角 ，12= =26.56=27 211arctnz4rta = =63.43=63122arctnz4rta并且满足 + =90。1再按下式初步求出圆锥齿轮的大端端面模数 mm= = = =4.9910sin2zA20siz7sin16查阅文献机械零件设计手册 ，取 m=5。从而可以算出行星齿轮与半轴齿轮的大端分度圆直径，即 =60mm ， mm。51md 120452zd3.1.1.5 压力角 目前，汽车差速器的齿轮大都采用 22.5的压力角，齿高系数为 0.8。最小齿数可减少到 10，并且在小齿轮（行星齿轮）齿顶不变尖的条件下，还可以由切向修正加大半轴齿轮的齿厚，从而使行星齿轮与半轴齿轮趋于等强度。由于这种齿形的最小齿数比压力角为 20的少，故可以用较大的模数以提高轮齿的强度。在此选 22.5的压力角。3.1.1.6 行星齿轮轴直径 d 及支承长度行星齿轮轴直径 d（mm）为(3-6)dcnrT1.03式中： 差速器传递的转矩，Nm；在此 =19464Nm。0T0行星齿轮的数目；在此为 4。n行星齿轮支承面中点至锥顶的距离，约为半轴齿轮齿宽中点处平均直径 drd 的一半，即 = ，而 d 0.8 =0.8120=96，则2dr2 2= =96/2=48mm。r支承面的许用挤压应力，在此取 98 MPa。c代入各个参数可得，d30mm。行星齿轮在轴上的支承长度 L=1.1d=33mm。3.1.2 差速器齿轮的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，它不像主减速器那样经常处于啮合状态，只有当汽车转弯时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的计算。齿轮弯曲应力 （MPa）为w(3-7)3210JndmbkTvsc式中： 差速器一个行星齿轮传给一个半轴齿轮的转矩，其计算式cTnm。290416.00nc差速器的行星齿轮数，n=4。n尺寸系数，反映材料的不均匀性，与齿轮尺寸和热处理等因数有关，当sk 时， ，在此 0.66。6.14.25mKs4.25sK齿面载荷分配系数，跨置式结构： 1.001.1；悬臂式结构：mk mk=1.001.25，在此取 =1.1。mk质量系数，当轮齿接触良好，齿距及径向跳动精度高时， =1.0。v vk齿轮模数， m=5。、 分别为半轴齿轮齿宽及其大端分度圆直径， =（0.250.30） 2bd 2b =19.8，取 20mm， =120mm。0A2d计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数，参考驱动桥P131，J图 3-8，即下图，可以取 J=0.224。 图 3-8 弯曲计算用综合系数代入以上各个参数，可以得MPa980MPa3.942.0150.6293w所以差速器齿轮满足弯曲强度要求。3.1.3 汽车差速器直齿锥齿轮的几何尺寸计算用表 根据以上计算过程将直齿锥齿轮的各个参数整理计算如表 3-1表 3-1序号 项目 计算公式 计算结果1行星齿轮齿数10，应尽量取最小值1z =121z2半轴齿轮齿数=1425，且满足2 InzRL2=2423 模数 m=5mmm4 齿面宽 b=(0.250.30)A ;b10m0 20mm5 工作齿高 hg6.1=8mmgh6 全齿高 578mm97 压力角 22.58 轴交角 =90=9