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对称 齿轮 差速器 结构设计

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对称式锥齿轮差速器结构设计,对称,齿轮,差速器,结构设计

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摘摘 要要 差速器是汽车转向过程中所必须的传动机构，差速器在乘用车上使用较频繁，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，利用绘图软件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：关键词：半轴，差速器，齿轮结构AbstractThe differential is the necessary transmission mechanism in the steering process. The differential is frequently used on heavy duty trucks, and the damage is more serious. Therefore, it is very important for the structural design of differential, the optimum design of relevant parameters and the performance design. This paper first introduces the application background of differential technology and the research trends at home and abroad. The working principle, structure, function and type of differential are introduced in detail. After making various comparisons, it is determined that the symmetrical conical planetary gear differential is the design type. The symmetrical conical planetary gear differential can distribute the torque roughly to the half axle and allow the wheels to rotate relatively. The detailed design and calculation of the differential are carried out, and the detailed parameters of the differential parts of the differential, such as half axle gear, planetary gear and cross shaft, are determined, the selected materials for each component are determined, and the strength of each component is checked. The main ideas of the structural design of the differential parts of the differential are described in this paper. The drawing software helps to find and solve the problems in the structural design in time, thus shortening the research and development cycle of the differential products and reducing the design cost. The processing technology of typical parts of differential is introduced.Key words: semi shaft, differential, gear structure目 录1.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现状.11.2.1 国外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以及研究现状.21.3 汽车差速器的功用及其分类.31.4 毕业设计初始数据的来源与依据.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的确定.103.1.2 差速器齿轮的几何计算图表.153.1.3 差速器齿轮的强度计算.163.1.4 差速器齿轮材料的选择.183.1.5 差速器齿轮的设计方案.183.2 差速器行星齿轮轴的设计计算.193.2.1 行星齿轮轴的分类及选用.193.2.2 行星齿轮轴的尺寸设计.193.2.3 行星齿轮轴材料的选择.193.3 差速器垫圈的设计计算.203.3.1 半轴齿轮平垫圈的尺寸设计.203.3.2 行星齿轮球面垫圈的尺寸设计.203.4 本章小结.214.差速器标准零件的选用.224.1 螺栓的选用和螺栓的材料.224.2 螺母的选用和螺母的材料.224.3 差速器轴承的选用.224.4 十字轴键的选用.234.5 本章小结.235.差速器总成的装配和调整.245.1 差速器总成的装配.245.2 差速器零部件的调整.245.3 本章小结.24参考文献.26致谢.271.引言引言1.1汽车差速器研究的背景及意义汽车差速器研究的背景及意义汽车行业发展初期，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大。差速器的作用就是将主减速器传来的动力传给左、右两半轴，并在转弯行驶时允许左、右两半轴以不同转速旋转（差速）2。本世纪六七十年代，世界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让汽车产业在危机中有了发展的机遇，在世界各处都有广阔的市场。目前国内重型汽车的差速器产品的技术基本源自美国、德国、日本等几个传统的工业国家，我国现有的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。但是目前我国差速器的自主开发能力仍然很弱，影响了整车新车的开发，在差速器的技术开发上还有很长的路要走3。1.2汽车差速器国内外研究现状汽车差速器国内外研究现状当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4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，汽车的每一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要求的车辆。1.2.1 国外差速器生产企业的研究现状国外的那些差速器生产企业的研究水平已经很高，而且还在不断的进步。年销售额达 18 亿美金的伊顿公司汽车集团5是全球化的汽车零部件制造供应商，在发动机气体管理，变速箱，牵引力控制和安全排放控制领域居全球领先地位，对汽车差速器的内部各零件的加工制造要用精密制造方法6。零件主要产品包括发动机气体管理部分及动力控制系统，其中属于动力控制系统的差速器产品在同类产品中居领先地位。伊顿公司开发了新型的锁式差速器，它的工作原理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7，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驱动的车辆，通过有限元软件的分析，就可以知道各个车轮的受力情况8。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住动力，并把全部动力转移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9是差速器的最终目标。1.2.2 我国差速器行业市场的发展以及研究现状 从目前来看，我国差速器行业已经顺利完成了由小到大的转变，正处于由大到强的发展阶段，在这个转型和调整的关键时刻，提高汽车车辆差速器的精度、可靠性是中国差速器行业的紧迫任务。近几年中国汽车差速器市场发展迅速，产品产出持续扩张，国家产业政策鼓励汽车差速器产业向高科技产品方向发展，国企企业新增投资项目逐渐增多10。投资者对汽车差速器行业的关注越来越密切，这就使得汽车差速器行业的发展需求增大。差速器的种类趋于多元化，功用趋于完整化。目前汽车上最常用的是对称式锥齿轮差速器11，还有现在各种各样的功能多样的差速器，如：轮间差速器、防滑差速器、强制锁止式差速器、高摩擦自锁式差速器、托森差速器12。其中的托森差速器是一种新型差速器机构，它能解决在其他差速器内差动转矩较小时不能起差速作用的问题和转矩较大时不能自动将差速器锁死的问题13。 1.3汽车差速器的功用及其分类汽车差速器的功用及其分类差速器的功用是当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时，使左右驱动车轮以不同的角速度滚动，以保证两侧驱动车轮与地面间作纯滚动运动。R1R2图 1.1 汽车转弯时驱动轮运动示意图汽车行驶时，左右轮在同一时间内所滚动的路程往往不等。如图 1.1 所示，在转弯时内、外两侧车轮转弯半径和不同，行程显然不同，即外侧车轮滚过的距离大于内测车轮；汽车在不平1R2R的路面行驶时，由于路面波形不同也会造成两侧车轮滚过的路程不等；即使在平直的路面行驶，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、右车轮因滚动半径不同而使左、右车轮行驶不等。如果驱动桥的左、右车轮钢性连接，则行驶时不可避免地会产生驱动轮在路面上滑移或是滑转。这样不仅会加剧轮胎磨损与功率和燃料的消耗，而且可能导致转向和操纵性能恶化。为了防止这些现象的发生，汽车就要安装差速器，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的要求。在驱动桥的左右车轮之间设置差速器，称为轮间差速器，在两轴间分配转矩，保证两输出轴有可能以不同的角速度转动，使汽车行驶时能作纯滚动运动，提高了车辆的通过性。现在差速器的种类趋于多元化，功用趋于完整化。目前汽车上最常用的是对称式锥齿轮差速器，还有各种各样的功能多样的差速器，如：防滑差速器、强制锁止式差速器、高摩擦自锁式差速器、托森差速器、行星圆柱齿轮差速器。1.4毕业设计初始数据的来源与依据毕业设计初始数据的来源与依据1、课题内容 对称式锥齿轮差速器结构简单，工作平稳可靠，广泛应用于一般使用条件的汽车驱动桥上。对称式行星锥齿轮主要是差速器左右壳，两个半轴齿轮、四个行星齿轮、十字轴。动力传输到差速器壳，差速器壳带动十字轴 5 转动。十字轴又带动安装在它四个轴颈上的行星齿轮转动，行星齿轮与半轴齿轮相互啮合，所以又将转矩传递给半轴齿轮，半轴齿轮与半轴相连，半轴又将动力传给驱动轮，完成汽车的行驶。要求学生完成对称式锥齿轮差速器结构设计，计算、二维图设计、主要零件有限元分析。.2、车型基本参数基本参数对应数值基本参数对应数值发动机最大功率（kw）110变速器一档传动比7.31发动机最大功率转速（rpm）5600变速器二档传动比4.51发动机最大扭矩（N.m）210变速器三档传动比2.79发动机最大扭矩转速（r/min）2200变速器四档传动比1.72最高车速（km/h）180变速器五档传动比1.06满载总质量（kg）1588变速器倒档传动比7.66主减速器传动比6.331.5本章小结本章小结 本章主要阐述了汽车差速器的研究背景以及发展现状，并且详细介绍了差速器的功用以及分类，最后参考收集了有关本次毕业设计所需的数据资料等，为毕业设计的顺利完成提供了可靠的依据。2.差速器的设计方案差速器的设计方案2.1差速器的方案选择及结构分析差速器的方案选择及结构分析对称式锥齿轮差速器结构简单，工作平稳可靠，广泛应用于一般使用条件的汽车驱动桥上，根据小型汽车的类型，初步选定差速器的种类为对称式行星锥齿轮差速器，安装在驱动桥的两个半轴之间，通过两个半轴把动力传给车轮。如图 2.1 所示。A64CB2135121r4ABC4R40r4r4ACB图 2.1 差速器结构方案图对称式行星锥齿轮主要是差速器左右壳 1 和 4，两个半轴齿轮 2、四个行星齿轮 3、十字轴 5。动力传输到差速器壳 1，差速器壳带动十字轴 5 转动。十字轴又带动安装在它四个轴颈上的行星齿轮 3 转动，行星齿轮与半轴齿轮相互啮合，所以又将转矩传递给半轴齿轮，半轴齿轮与半轴相连，半轴又将动力传给驱动轮，完成汽车的行驶。差速器的结构分析： （1）行星齿轮 3 的背面大都做成球面，与差速器壳 1 配合，保证行星齿轮具有良好的对中性，以利于和两个半轴齿轮 2 正确地啮合；（2）由于行星齿轮 3 和半轴齿轮 2 是锥齿轮传动，在传递转矩时，沿行星齿轮和半轴齿轮的轴线有很大的轴向作用力，而齿轮和差速器壳之间又有相对运动。为减少齿轮和差速器壳之间的磨损，在半轴齿轮背面与差速器壳相应的摩擦面之间装有平垫圈，而在行星齿轮和差速器壳之间装有球面垫圈。当汽车行驶一定的里程，垫圈磨损后可以通过更换垫圈来调整齿轮的啮合间隙，以提高差速器的寿命。（3）在中、重型汽车上由于需要传递的转矩较大，所以要安装四个行星齿轮，行星齿轮轴也要用十字轴。（4）为了保证行星齿轮和十字轴之间有良好的润滑，在十字轴的轴颈铣出了一个平面，以储存润滑油润滑齿轮背面。如图 2.1 所示，对称式锥齿轮差速器是一种行星齿轮机构。差速器壳 3 与行星齿轮轴 5 连成一体，形成行星架。因为它又与主减速器从动齿轮 6 固连在一起，固为主动件，设其角速度为；0w半轴齿轮 1 和 2 为从动件，其角速度为和。A、B 两点分别为行星齿轮 4 与半轴齿轮 1 和 21w2w的啮合点。行星齿轮的中心点为 C，A、B、C 三点到差速器旋转轴线的距离均为。r当行星齿轮只是随同行星架绕差速器旋转轴线公转时，显然，处在同一半径上的 A、B、Cr三点的圆周速度都相等（图 2-1） ，其值为。于是，即差速器不起差速作用，而半0w r120www轴角速度等于差速器壳 3 的角速度。当行星齿轮 4 除公转外，还绕本身的轴 5 以角速度自转时（图） ，啮合点 A 的圆周速度为4w，啮合点 B 的圆周速度为。于是104wrw rw r204w rw rw r 120404wrw rw rw rw rw r 即 （2-1）1202www若角速度以每分钟转数表示，则n （2-2）1202nnn式（2-2）为两半轴齿轮直径相等的对称式圆锥齿轮差速器的运动特征方程式，它表明左右两侧半轴齿轮的转速之和等于差速器壳转速的两倍，而与行星齿轮转速无关。因此在汽车转弯行驶或其它行驶情况下，都可以借行星齿轮以相应转速自转，使两侧驱动车轮以不同转速在地面上滚动而无滑动。由式（2-2）还可以得知：当任何一侧半轴齿轮的转速为零时，另一侧半轴齿轮的转速为差速器壳转速的两倍；当差速器壳的转速为零（例如中央制动器制动传动轴时） ，若一侧半轴齿轮受其它外来力矩而转动，则另一侧半轴齿轮即以相同的转速反向转动。对称式锥齿轮差速器的转矩分配：由主减速器传来的转矩，经由差速器壳、行星齿轮轴和0M行星齿轮传给半轴齿轮。行星齿轮相当于一个等臂杠杆，而两个半轴齿轮的半径也是相等的。因此，当行星齿轮没有自转时，总是将转矩平均分配给左、右两半轴齿轮，即。0M120/ 2MMM当两半轴齿轮以不同的转速朝相同的方向转动时，设左半轴转速大于右半轴转速，则行1n2n星齿轮将按顺时针的方向绕行星齿轮轴自转。此时行星齿轮孔与行星齿轮轴轴颈间以及齿轮背部与差速器壳之间都产生摩擦。行星齿轮所受的摩擦力矩方向与行星齿轮的转向相反，此摩擦力矩rM使行星齿轮分别对左、右半轴齿轮附加作用了大小相等而方向相反的两个圆周力，因此当左、右驱动车轮存在转速差时，左、右车轮上的转矩之差等于10/ 2rMMM20/ 2rMMM差速器的内摩擦力矩。rM为了衡量差速器内摩擦力矩的大小及转矩分配特性，常以锁紧系数 K 表示 （2-3）210/rKMMMMM差速器内摩擦力矩和其输入转矩（差速器壳体上的力矩）之比定义为差速器锁紧系数rM0M。快慢半轴的转矩之比定义为转矩比，以 K21/MM （2-4） 21/1/ 1bKMMKK目前广泛使用的对称式锥齿轮差速器的内摩擦力矩很小，其锁紧系数=，转矩比K15. 0:05. 0为，可以认为，无论左、右驱动车轮转速是否相等，其转矩基本上总是平均分配的。这bK4 . 1:1 . 1样的分配比例对于汽车在好的路面上直线或转弯行驶时，都是令人满意的。但是当汽车在坏的路面行驶时，却严重影响了通过能力。例如，当汽车的一个驱动车轮接触到泥泞或冰雪路面的时候，在泥泞路面上的车轮原地滑转，而在好路面上的车轮静止不动。这是因为在泥泞路面上的车轮比在好路面上的车轮与路面之间附着力小，路面只能对半轴作用很小的反作用很小的反作用转矩，虽然另一车轮与好路面间的附着力较大，但因对称式锥齿轮差速器具有转矩平均分配的特性，使这一个车轮分配到的转矩只能与传到滑转的驱动车轮上的很小的转矩相等，致使总的驱动力不足以克服行驶阻力，汽车便不能前进。当汽车直线行驶时，此时行星齿轮轴将转距平均分配两半轴齿轮，两半轴齿轮转速恒等于差速器壳的转速，传递给左右车轮的转矩也是相等的。此时左右车轮的转速是相等的。而当汽车转弯行驶时，其中一个半轴转动一个角，两半轴的转矩就得不到平均分配，必然出现一个转速大，一个转速小，此时汽车就平稳地完成了转弯行驶。2.3本章小结本章小结 针对这次毕业设计的课题，本章就差速器的工作原理做了详细的说明，并且结合小型小型汽车的特点以及特性，进行了差速器的方案选择，已达到设计出合适的差速器的目的。3.差速器非标准零件的设计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： 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-差速器右壳由于差速器壳上装着主减速器的从动齿轮，所以差速器的从动锥齿轮尺寸受到主减速器从动齿轮轴承支承座以及主动齿轮导向轴承座的限制。而因为此次设计的是安装在驱动桥的两个半轴之间的差速器，所以尺寸受到轴承座的限制。轮间差速器的非标准零主要有从动锥齿轮（对称式锥齿轮）、行星齿轮轴（十字轴）等等。3.1对称式行星齿轮的设计计算对称式行星齿轮的设计计算对于安装在半轴之间的差速器，它的尺寸受到轴承座的限制，而影响差速器尺寸的主要就是齿轮的尺寸，所以如何把齿轮设计得更加优化就显得更加重要。3.1.1 对称式差速器齿轮参数的确定 1.行星齿轮数目的确定n行星齿轮数目需要根据承载情况来选择，在承载不大的情况下可以取两个，反之则取四个。而小型汽车选择的是四个行星齿轮即。4n 2.行星齿轮球面半径的确定以及节锥距的计算bR0A行星齿轮背面的球面半径是行星齿轮的基本尺寸参数，其反映了差速器bR圆锥齿轮节锥距的大小和承载能力。可以根据如下经验公式确定：0AbR （3-1）3bbdRKT上式中：是行星齿轮球面半径系数，=，对于有四个行星 bKbK79. 25 . 2齿轮的轿车和公路用小型汽车取小值，对于有两个行星齿轮的轿车以及有四个行星齿轮的越野车和矿用车，取大值。此处，取 2.7.bK 是差速器计算转矩，,dTmin,dGmGeGsTTTTN m 是球面半径，bRmm转矩的计算从动锥齿轮计算转矩GeT （3-2）max10defGeKTK i iiTn 式中：是计算转矩，；是由于猛接离合器而产生的动载系数，对于性能系数的GeTN mdK0jf 汽车(一般小型汽车，矿用汽车，越野车)，取；是发动机最大转矩 ；是液力变矩器1dK maxeTK变矩系数， ；是变速器一档传动比，小型汽车变速器一档传动比；是分动器1K 1i17.31i fi传动比， ；是主减速器传动比，小型汽车采用双曲线齿轮，单级减速器，主减速器传动比1fi 0i；是从发动机到主减速器从动齿轮之间的传动效率， ；是驱动桥数，06.33i 96n 1n 代入式 （3-2） 中，得1 158 1 7.31 1 6.33 0.967018.61GeTN m 从动锥齿轮计算转矩GsT （3-3）22rGsmmGmrTi式中：是计算转矩；是满载状态下一个驱动桥上的静负荷，对于小型轿车，为了保证在泥泞GsT2G路面上的通行能力，提高地面驱动力，常将满载时前轴负荷控制在总轴荷的；是%27%262m汽车在发出最大加速度时的后桥负荷转移系数，一般乘用车为，小型汽车为,此4 . 12 . 12 . 11 . 1处取；是轮胎与地面间的附着系数，对一般轮胎的公路用车，可取，是轮胎2m1.10.85rr的滚动半径，小型汽车采用普通斜交帘线的标准轮辋轮胎，查表得；是主减速器从0.398rrmmi动锥齿轮到车轮间的传动比，；是主减速器从动齿轮到车轮间的传动效率，当无轮3.125mi m边减速器时，1m代入式 （3-3） 中，得：将以上数据代入式（3-1）中，得： =，bRmm54锥齿轮的节锥距一般小于， 0AbR)99. 098. 0(0AmmRb)46.5392.52(即 预选其节锥距053Amm3.行星齿轮与半轴齿轮的设计和选择（1）行星齿轮和半轴齿轮齿数的确定为了使齿轮有较高的强度，希望取较大的模数，因此行星齿轮的齿数应该尽可能少，但一1Z般不少于 10，半轴齿轮的齿数一般采用之间。汽车半轴齿轮与行星齿轮的齿数之比大2Z1514多在的范围内。25 . 1为了使四个行星齿轮能同时与两个半轴齿轮啮合，两个半轴齿轮的齿数和必须能被行星齿轮数整除，否则差速器齿轮不能装配。综上所述，即, （3-4）2:5 . 1:21ZZTTGeGsmNTTTTGeGeGsd7018.6),min( （3-22LRZZIn5）式中：是差速器行星齿轮的齿数；是差速器半轴齿轮的齿数；和分别是差速器左、右1Z2Z2LZ2RZ半轴齿轮的齿数，对于对称式锥齿轮差速器来说，;是行星齿轮的数目，;是任22LRZZn4n I意整数。根据上述可在此取满足以上要求。1210,18ZZ（2）差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定初步确定行星齿轮节锥角和半轴齿轮节锥角12 （3-6）11210arctanarctan2918ZZ22118arctanarctan6110ZZ确定圆锥齿轮大端端面模数m （3-7）0110222/sin2/sin5.14mAZAZmm大端端面模数按圆锥齿轮的标准模数系列选取，查表得mmmm5 . 5确定半轴齿轮的节圆直径 （3-8）115.5 1055dmZmm225.5 1899dmZmm4.压力角 目前，汽车差速器的齿轮大都采用的压力角，齿高系数为。行星齿轮的最小齿数可22.58 . 0减少到，并且在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10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的少，在此选20的压力角。22.55.行星齿轮安装孔的孔径和孔长度的确定dL行星齿轮安装孔的孔径与行星齿轮轴的名义尺寸相同，而行星齿轮安装孔的长度就是行星dL齿轮在其轴上的支承长度，通常取： （3-9）1.1Ld行星齿轮安装孔的孔径和孔长度的选择要保证挤压强度要求：dL （3- 310dccdTrn L d 10） 即 310ddcTdrn L 由上面各式可得： （3-11） 3101.1ddcTdrn 式中：是差速器的计算转矩， ;是行星齿轮轴孔中心到节锥顶点的距离，约dT7018.6dTN mdr为半轴齿轮齿面宽中点处平均直径的一半，即，为半轴齿轮齿面宽中点处的直径，20.5drd2d而，即，;是行星齿轮数目，220.8dd20.8 9979.2dmm0.5 79.239.6drmmn;4n 是许用挤压应力，;是行星齿轮安装孔的长度;是行星齿轮安装孔的孔径。 c 298/cN mmLd将上述各计算结果代入式（3-11）中，可得： 37018.6 1020.271.1 39.6 4 98dmm 根据本设计要求，取,d22mm24Lmm3.1.2 差速器齿轮的几何计算图表表 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1Z,110Z 应尽量取最小值110Z 2半轴齿轮齿数2Z,且需满足式21425Z :（3-4） （3-5）218Z 3模数mmmm5 . 54齿面宽b00.250.30;10bAbm:mmb155工作齿高hg1.6ghm8.8ghmm6全齿高h1.7880.051hmmmh885. 97压力角5 .228轴交角90 90 续表9节圆直径d1122;dmZ dmZ1255;99dmmdmm10节锥角11221arctan;90ZZ1229 ;6111节锥距0A120122sin2sinddA053Amm12周节t3.1416tm17.28t 13齿顶高ah；21agahhh125.81;2.99aahmmhmm14齿根高fh11221.788;1.788fafahmhhmh124.024;6.844ffhmmhmm15径向间隙c0.1880.051gchhm1.085cmm16齿根角17面锥角001120221;010236.36 ;65.3418根锥角R111222;RR1224.66 ;53.64RRmZZha12237. 043. 0022011arctanarctanAhAhff7.364.34213.1.3 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）322210smwvT KKKm bd J n式中：是弯曲应力，；是半轴齿轮计算转矩，w2/N mmT 0.60.6 7018.64211.16dTTN m；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sK热处理等因素有关，当时，所以 1.6mmm0.25/ 25.4sKm 8225.4sK是齿面载荷分配系数，跨置式；悬臂式，此处取；mK1 . 11mK25. 11 . 1mK1mK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vK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1vK m5.5mmm2b轮的齿宽， ；是半轴齿轮的大端分度圆直径， 。mmb1522d299dmm是综合系数，参照图 3.2 查得可取 0.2253JJ19齿顶圆直径ad111122222cos;2cosaaaaddhddh1265.16;101.90aadmmdmm20齿根圆直径fd111122222cos;2cosffffddhddh1247.96;92.36ffdmmdmm续表21分度圆齿厚s2ms8.64smm22齿侧间隙B0.2450.330Bmm:0.270Bmm图 3.2 弯曲计算用综合系数是行星齿轮的数目， n4n 代入式（3-12）中，可得： 2 4211.16 0.682 17809801 5.5 15 99 0.2253 4wMPaMPa所以，差速器齿轮满足弯曲强度要求。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。3.2差速器行星齿轮轴的设计计算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，而差速器齿轮轴也有很多种类，最常见的是一字轴和十字轴，小型汽车一般用一字轴，因为小型汽车的转矩不大，而载货常选用十字轴，因为大质量的汽车传递的转矩较大，使用长轴能够提高周的承载能力和延长轴的寿命由四个轴的轴颈来分配转矩。此次设计主要参考小型汽车，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24Lmm1L50mm星齿轮安装孔的孔径，所以轴颈的直径预选为。22dmm1d22mm3.2.3 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。3.2.4 十字轴的强度校核十字轴的强度校核在计算半轴在承受最大转矩时还应该校核其花键的剪切应力和挤压应力。半轴花键的剪切应力为） （3-1 （3-13） 半轴花键的挤压应力为 （3-14） 式中 T十字轴承受的最大转矩，T=1667.95Nm；DB半轴花键(轴)外径；dA相配的花键孔内径；z花键齿数， ；Lp花键工作长度；b花键齿宽， ；载荷分布的不均匀系数，取 0.75。2/ )(4/ )(103ABABpcdDdDLzTbzLdDTpaBs4103 将数据带入式（3-13） 、 （3-14）得：=33.27 MPas=62.39 MPac根据要求当传递的转矩最大时，十字轴的切应力不应超过 71.05 MPa，挤压应力不应sc超过 196 MPa，以上计算均满足要求。 3.3差速器垫圈的设计计算差速器垫圈的设计计算垫圈17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 平垫圈参考小型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50mm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D50mm2D50.5mm装的简易程度选取垫圈的厚度 h 为.选用的材料是 65Mn。8mm3.3.2 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2D22mm度 h 为,选用的材料是 Q235A。7mm3.4本章小结本章小结 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18。而小型汽车在 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:N m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，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 156.8137.2N mM141.5，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.符合小型汽车的螺栓要求。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圆锥滚子轴承。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50mm左右，参考机械设计课程设计手册选取的圆锥滚子轴承的型号是80mm33010GB/T 297-1994其尺寸为,mmmmmmTDd288050NFa53.521.6Y0.37,ekNCr2.43载荷水平面 H垂直面 VNFNH385.2731NFNV237.781支反力FNFNH085.7712NFNV597.2512径向载荷径向载荷 .1 .811,46.31221NFNFrr轴向力轴向力 NYFFNYFFrdrd47.2536 . 121 .811264.976 . 1246.31222211NFFNFFFdaada47.25317.15053.5264.972211 37. 031. 01 .81147.25337. 048. 046.31217.1502211eFFeFFrara轴承当量轴承当量 动载荷动载荷 NYFFParr26.36517.1506 . 146.3124 . 04 . 0111NFPrr1 .81122 NPPPrrr5 .8891 .81126.365222221验算轴承寿命验算轴承寿命 年16175200)(60106hpCnLrrh故所选轴承满足寿命要求故所选轴承满足寿命要求4.4十字轴键的选用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.差速器差速器总成的装配和调整总成的装配和调整5.1差速器总成差速器总成的的装配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。0.5mm(3) 将从动锥齿轮装到差速器左壳上，用螺栓锁紧。5.2差速器差速器零部件的调整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mm40. 015. 0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0.15mm0.15mm0.30mm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0.40mm0.25mm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19。5.3本章小结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配合尺寸的要求，本章做出了一些说明，以使差速器整体装配时能够顺利进行，最后还介绍了差速器中一些零部件调整的规范要求。6 差速器锥齿轮齿根应力分析差速器锥齿轮齿根应力分析图 6.1 施加载荷分析 1如上图 6.1 是标准渐开线齿轮的一个齿的截面图形，da齿顶圆，d分度圆，db渐开线基圆，df齿根圆。渐开线齿廓啮合传动具有如下几个优点：能保证定传动比传动并且具有可分性，对于每一个具体齿轮来说，其基圆半径为常数，两轮1基圆半径的比值为定值，故渐开线齿轮能保证定传动比传动。渐开线齿廓之间的正压力方向不变，在齿轮传动过程中，两个啮合齿廓的正压力始终沿啮合2线方向，故其传力方向不变，这对于齿轮传动的平稳性是有利的。由于渐开线齿廓还有加工刀具简单、工艺成熟等优点，故其应用特别广泛。但是，在实际啮合过程中，齿轮受到压力时必然会有微小的变形，这时齿轮的啮合就由理想状态下的线接触变成面接触。因此在分析单个齿的齿根应力的时候运用这种思想，试建模和分析过程大大简化。齿轮啮合过程中啮合点始终是在分度圆的径向的一个小的范围内，故在建模的时候将分度圆偏移一段距离之后便在齿廓截面上的齿廓曲线上形成了一小段曲线，在分析过程中就可以对这条曲线施加载荷，如下图所示：图 6.2 施加载荷分析 2同样的道理，当模型上升到体的高度上时，啮合线便会被抽象成为一个在理想啮合线周围的微小的啮合面，受到的压力也可以近似的认为是加在这个平面上。6.1 一个齿廓截面的二维平面分析6.1.1 建模用 proe 创建一个齿的齿廓曲线保存为 IGS 格式，选择“基准曲线和点”选项。图 6.3 模型导出用 ansys 打开保存的 IGS 格式文件就可以得到创建的齿廓曲线。6.1.2 定义单元类型将分析设置为结构分析，如图 6.4 选择 structural。在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的集合结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。再此选择 8 节点的二维单元“8node82”。A.命令：preprocessorelement typeadd/edit/delete打开单元类型对话框如图 6.5：图 6.4 选择分析类型图 6.5 添加单元类型对话框图 6.6 选择单元类型B.单击 add 按钮，将打开 library of element type(单元类型库)如图 6.6C.然后在左边的列表框中选择 solid 选项，选择实体单元类型。D.在右边的列表框中选择“8node82”选项，选择 8 节点单元 PLANE82。E.单节 OK 按钮，将该单元添加，并关闭单元类型对话框，同时返回到第一步打开的单元类型对话框。6.1.3 定义材料属性A.从主菜单中选择 preprocessormaterial propsmaterial model 命令，将打开 define material model behavior(定义材料模型属性)窗口，如图 6.7：图 6.7 定义材料属性B.依次双击 structurallinearelasticisotropic，展开材料属性的树形结构。将打开 1 号材料的弹性模量 EX 和泊松比 PRXY 的定义对话框，如图 6.8：图 6.8 定义单行模量及泊松比C.在对话框的 EX 文本框中输入材料的弹性模量 2.06e11，在 PRXY 文本框中输入泊松比 0.3。D.单击 OK 按钮，关闭对话框，并返回到定义材料模型属性窗口，在此窗口的左边一栏出现刚刚定义的参考号 1 的材料属性，关掉此对话框。6.1.4 划分网格A.从主菜单中选择 preprocessormeshingmeshtool，将打开网格划分工具对话框，如图 6.9。B.选择 mesh 域中的 areas，单击 mesh，打开面选择对话框，要求选择要划分的面。单击此齿廓截面。C.ansys 会根据进行的线控制划分面，划分网格会出现 ansys 的提示，在提示对话框中单击OK。在工具栏单击“save db”保存数据。划分后的面如图 6.10：图 6.9划分工具 图 6.10 网格划分完成6.1.5 施加约束条件A.从主菜单中选择 main menu：solutiondefine loadsapplystructural displacementon lines 命令，打开线选择对话框，要求选择欲施加约束的线。B.选择齿廓截面的底部的线（齿根圆的一部分） ，单击“Apply”按钮，打开 apply U,Rot on lines对话框，如图 6.11：图 6.11 添加约束C.选择“all dof”选项，单击 OK 按钮，限制所有的自由度。6.1.6 施加载荷A.从主菜单中选择 main menu：solutiondefine loadsapplystructuralpressureon lines 命令，打开线选择对话框，要求选择欲施加载荷的线，这里选择分度圆附近的近似的啮合线，图 6.12 中的 L40：图 3.12B.选择这条曲线后单击“apply”按钮，打开 apply PRES on lines 对话框，在 value 的文本框中输入压力值，单击 OK 按钮，如图 6.13：C.单击“save db”按钮保存数据库。图 6.13 施加载荷6.1.7 求解A.从主菜单中选择 main menu：solutionsolvecurrent LS 命令，打开一个确认对话框和状态列表，如图 6.14 所示，要求查看列出的求解选项。图 3.14 求解选项B.查看列表中的信息确认无误后，单击 OK 按钮，开始求解。C.求解完成后打开如图 3.15 所示的提示求解完成的对话框。图 3.15 分析完成D.单击“close”按钮，关闭提示求解完成对话框。3.1.8 查看结果求解完成后就可以利用 ansys 软件生成的结果文件进行后处理。A.显示变形形状从主菜单中选择 main menu：general postprocplot resultsdeformed Shape 命令，打开 plot 1deformed Shape 对话框，如图 3.16 所示：图 6.16 查看变形量命令选择 def+undeformed 选项，表示变形前后的形状对比，单击 OK 按钮即可看到变形形状，如2图 6.17：图 3.17 变形图B.查看 von mises 等效应力从主菜单中选择 main menu：general postprocplot resultscontour plotnodal solu 命令，打开1contour nodal solution data 对话框。在 item to be contoured 域左边的列表中选择 stress 选项。2在下边的列表框中选择 von mises stress 选项，如图 6.18 所示。3选择 def shape only 单选按钮。4单击 OK 按钮，图形窗口中显示出 von mises 等效应力分布图，如图 6.19 所示。5图 6.18 查看等效应力图 6.19 应力等值线图6.2 直齿圆锥齿轮单个齿的齿根应力分析6.2.1 模型的导入用 proe 建立起单个齿的锥齿轮，单击工具栏上的 ansys10.0 按钮中的 ANSYSGEOM 选项，ansys 被打开，模型已经被导入，单击 ansys 工具栏上的 plot 菜单中的 volume 选项显示体积，就可以看到在 proe 中创建的模型。6.2.2 定义单元类型将分析设置为结构分析，如图 6.4 选择 structural。在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的集合结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。再此选择 8 节点的二维单元“8node82”。A.命令：preprocessorelement typeadd/edit/delete打开单元类型对话框如图 6.20：图 6.20 添加单元类型对话框图 6.21 选择单元类型B.单击 add 按钮，将打开 library of element type(单元类型库)如图 6.21C.然后在左边的列表框中选择 solid 选项，选择实体单元类型。D.在右边的列表框中选择“brick 8node 45”选项。E.单节 OK 按钮，将该单元添加，并关闭单元类型对话框，同时返回到第一步打开的单元类型对话框。6.2.3 定义材料属性A.从主菜单中选择 preprocessormaterial propsmaterial model 命令，将打开 define material model behavior(定义材料模型属性)窗口，如图 6.22：图 6.22 定义材料属性B.依次双击 structurallinearelasticisotropic，展开材料属性的树形结构。将打开 1 号材料的弹性模量 EX 和泊松比 PRXY 的定义对话框，如图 6.23：图 6.23 定义弹性模量及泊松比C.在对话框的 EX 文本框中输入材料的弹性模量 2.06e11，在 PRXY 文本框中输入泊松比 0.3。D.单击 OK 按钮，关闭对话框，并返回到定义材料模型属性窗口，在此窗口的左边一栏出现刚刚定义的参考号 1 的材料属性，关掉此对话框。3.2.4 划分网格A.从主菜单中选择 preprocessormeshingmeshtool，将打开网格划分工具对话框，如图 6.24。B.选择 mesh 域中的 areas，单击 mesh，打开面选择对话框，要求选择要划分的面。单击此齿廓截面。C.ansys 会根据进行的线控制划分面，划分网格会出现 ansys 的提示，在提示对话框中单击OK。在工具栏单击“save db”保存数据。划分后的面如图 6.25：图 6.24 划分工具 图 3.25 划分后的一个齿6.2.5 施加约束条件A.从主菜单中选择 main menu：solutiondefine loadsapplystructural displacementon areas 命令，打开线选择对话框，要求选择欲施加约束的面，如图 6.26B.选择齿廓截面的底部的面，单击“Apply”按钮，打开 apply U,Rot on areas 对话框，如图6.27：图 6.26 选取约束面图 6.27 限制自由度C.选择“all dof”选项，单击 OK 按钮，