汽车差速器的结构设计与分析

汽车差速器结构设计与分析摘要：本次毕业设计，主要是对中型载重汽车上差速器的设计。首先是对差速器的结构，原理有个相对熟练的掌握，并且对其上主要的关键零部件受力分析，强度计算。同时需要简单的了解关键部件的材料选用，制造及热处理工艺。差速器的失效模式也是本次设计需要了解的一部分内容。本次设计的目标主要是对差速器有个深刻的认识。在设计过程中，通过翻阅有关资料，对差速器的基本原理及工作方式有了一个比较全面的了解。最后，用CAD制图，制作了有关零部件图及装配图。关键词：半轴差速器齿轮结构AutodifferentialstructuredesignandanalysisAbstract:Thisgraduationprojectisadesignaimingatthedifferentialmechanismofmedium-sizedloadingautos.Agoodmasterofthestructureandtheoryofdifferentialmechanismisessential.Forceanalysisandstrengthcalculationtokeycomponentsandpartsarealsotakenintoconsideration.Meanwhile,ageneralunderstandingtothematerialselection,productionandtheartofheattreatmentarevital.Thefailuremodeofdifferentialmechanismalsooccupiesapartinthisdesign.Themainpurposeofthisdesignistogetaprofoundmasterofdifferentialmechanism.Fundamentaltheoriesandworkingwaysofdifferentialmechanismwillbeunderstoodcomprehensivelythroughreferringtorelatedinformationintheprocessofdesign.Finally,relatedpartsdrawingandassemblydrawingaredesignedbyCAD.Keywords:Semi-axis,Differentialmechanism,Gearstructure目录1绪论.11.1汽车差速器（研究的背景及意义）发展历史.11.2汽车差速器国内外的研究现状.21.2.1国外差速器生产企业的研究现状.21.2.2我国差速器研究及市场发展.21.3本章小结.32差速器的设计.32.1毕业设计数据来源.32.2差速器的功用.32.3差速器的结构详述.42.3.1汽车差速器的结构研究.52.4.差速器的工作原理.62.3本章小结.83零部件的材料、制造及热处理.93.1差速器轴类零件.93.2齿轮的材料及热处理工艺.93.3轴键的应用.103.4螺栓的选用和螺栓的材料.103.5螺母尺寸的选择以及材料的确定.113.6本章小结.114了解差速器的失效模式.124.1齿轮传动的失效.124.2差速器壳的失效模式.124.3锁止销失效模式分析.134.4其它失效式.134.5本章小结.135差速器非标准零件的设计.145.1对称式行星齿轮的设计计算.145.1.1对称式差速器齿轮参数的确定.145.1.2差速器齿轮的几何计算图.185.1.3差速器齿轮的强度计算.205.1.4差速器齿轮的设计方案.225.2行星齿轮轴的尺寸设计.225.3差速器垫圈的设计计算.235.3.1半轴齿轮平垫圈的尺寸设计.235.3.2行星齿轮平面面垫圈的尺寸设计.245.3.3行星齿轮球面垫圈的尺寸设计.245.4本章小结.246结论.25参考文献.26致谢.2701绪论1.1汽车差速器（研究的背景及意义）发展历史一个多世纪之前，汽车作为一个前所未有的事物，横空出世，从此，人们的交通观念，出行方式发生了很大的改变。但是那时的汽车不管从技术上还是制造材料上，都相对简单粗糙，差速器在哪个时代的汽车还还没有应用，但是随着科技的进步，到现在代社会，汽车技术也经历了一个质的蜕变，从最初造出的18km/h的速速行驶的第一辆三轮汽车，到现在，竟然诞生了提速从0到100km/h只需三秒多一点的超级跑车。而且汽车也从最初的奢侈品变成了现代社会家家必备的交通工具，它的发展熟读如此之快甚至令人吃惊。同时，汽车工业的发展造就了如丰田福特这样一些举足轻重的著名公司。而对与我国来说，由于解放初期工业基础的薄弱，直到一汽的投入生产，我国才摆脱了那种不能生产汽车的尴尬局面。随着汽车工业的蓬勃快速发展，汽车差速器应运而生。法国人雷诺发明的汽车差速器作为汽车上必不可少的零部件之一，被汽车专家誉“小零件大功用”。它的发明，使得汽车两侧的驱动轮能够在不同的情况下，获得合理的扭矩，这对提高汽车行驶平稳性和其通过性有着独特的作用。目前我国重型汽车的差速器技术基本元自德国的西方国家及日本等传统机械强国。我国的差速器器技术多是在引进外国技术的基础上发展而来的，虽然经过多年的发展已具有了一定的规模。但是，对于我国本土的自主汽车品牌企业而言，汽车差速器这个关键部件的核心技术，仍然没有被攻克，高端技术人才的匮乏，投入研发经费的不足，都导致了我国在差速器技术领域没有一席之地，差速器技术的落后继而限制了整个汽车工业的发展。1.2汽车差速器国内外的研究现状经过多年的发展，汽车已经不再是当初的那个简单的构造，为了满足现代人类的追求，汽车的设计，制造更趋向于安全，实用，舒适等。如何使自己的汽车产品更好，更有市场份额，是每个汽车企业迫切要面对的。当然。随着这1一趋势发展，汽车的每一个部件也都在发生着变化。所以，差速器的发展也随之进行。1.2.1国外差速器生产企业的研究现状经过这么多年的发展，国外汽车差速器技术的研究已有一定的水平，而且还在不断的提高。全球最顶尖的汽车零部件制造公司-伊顿公司，在与汽车相关的关键部件领域，独占鳌头，其技术远远领先于别的汽车制造商，它研究发明的锁式差速器，更是目前顶尖的水平，它区别于别的差速器之处在于，其可以在当汽车在泥泞的路面或者爬坡等极端条件下发生打滑时，可以提高合理扭矩给不打滑的那个轮子，这样的差速器性能可以使一般的车辆具有更好的通过性。通过分析，可以知道各个车轮的受力情况。而伊顿锁式差速器能更好的分配动力，使车辆能够正常向前或向后安全行驶。而更强的越野性和安全性，毫无疑问，是差速器的最终目标。1.2.2我国差速器研究及市场发展目前，我国国内差速器行业已完成了从无到有，从小到大的转变。现在正处于从做大到做强的发展阶段。汽车发展到目前所处的转型和调整的关键时期，提高差速器的精度，可靠性是我国差速器行业面临的紧迫任务。近年来，汽车差速器市场，产品产出量持续扩张，国家政策的出台，扶持企业的发展，大型国有企业及私有企业的投资项目持续增加，使得汽车差速器产业向高科技产品方向发展。差速器的性能，科技含量也趋于高端完整。而对我国汽车制造商而言，需在现有的差速器技术的基础上，努力研究开发，设计出性能更好，更实用的差速器，填补我国在汽车的差速器技术领域的空白，拥有完全自主开发的要差速器。1.3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，主要讲述了差速器的发展历史，以及国内外汽车差速器的现状及未来发展。22差速器的设计2.1毕业设计数据来源本课题差速器选取的车型为东风EQ1090E。以此类汽车作为设计的标准车型。这款汽车是一款中型的载货汽车，从投入生产到现在，已有数万两汽车投入了社会，参与社会的生产实践，期间这款车型在使用过程中也出现过或大或小，这样那样的问题。该汽车生产商通过市场调研，吸收了广大用户的反馈意见，并对该车持续进行改进，到目前为止，EQ1906载货车以完成了一个从性能到结构的整体升级改造。作为一款经典的载货汽车，载重量是一个相当关键的参数，因为它作为一个基础数据，直接限制着其它关键零部件的设计尺寸，主导着整车从结构大小到性能搭配等的一切。查阅可得该车的主要数据有(1)汽车的核定载重量5000kg，满载总量9290kg；2.当发动机运行速度为3000r/min其额定功率为99kw；3.当发动机运行速度为12001400r/min，其最大转矩为158Nm；4.汽车在满载是正常路面行驶最高达90km/h；5.主减速器传动比为6.33；0i6.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。2.2差速器的功用汽车差速器是一个传动机构，其主要的作用就是用来合理的分配扭矩，使汽车的驱动轮能够获得不同的角速度，避免出现空转，保证汽车安全性，通过性。汽车在行驶过程中，车轮的相对运动状态有多种。设两轮的中心相对路面的移动速度为v，车轮旋转角W，车轮滚动的半径为r，则当v=w*r时为滚动，当w不等于0时，v=0时，为滑转，当w=0,v不等于0时，车轮运动为滑移。3当装载汽车在路面上行驶时，汽车两驱动轮由于路面等的因素，其在同一单位时间内走过的实际里程一般情况下是不相同的。如下图，当汽车在转弯的路面是，如图所示，车轮转弯多形成的半径R1和外侧轮半径R2大小不相同，而R2R1，所以，理所当然的是外侧驱动轮实际滑动过的距离将大于内侧车轮的距图2.1差速器车轮转弯简图离，当汽车行驶在粗糙度较大的路面上时，路面上坑坑洼洼不平整的路面，会使路面变成上下起伏的波状形路面，汽车在路面上正常行驶时，其两侧的车轮滚过的距离显然不相等。计使路面的状况是理想的，但是轮胎的制造精度，车上因承载货物而导致的受力不均等，均可能导致轮胎滚过的半径不一致，从而引起其走过的路程不同。在未使用差速器时，装载汽车的两驱动轮是通过一根刚性轴在驱动桥的两侧进行刚性连接的。所以两车轮始终是保持同样的角速度旋转。这样导致的结果是其在汽车需要转向动作变换时，一定会有轮打滑。这样，首先会影响汽车的安全性及稳定性。其次，耗油量的增大，对经济性，实用性也是一种挑战。但是当汽车安装了差速器后，由于从动轮由于是由轴承支撑在中心轴上，可以任何角度旋转。差速器的应用就使得驱动轮在车轮需要不同的扭矩时，可以更合理的分配扭矩，使车轮能获得不同的角速度，这就会很好的预防这些问题的出现，保证汽车的平稳安全。2.3差速器的结构详述4差速器目前常见的分类方式主要有以下两类：一是按齿轮形式不同可以分为圆柱齿轮式差速器和圆锥齿轮式差速器；二是按两端扭矩输出大小进行分类可以分为等扭矩式和非等扭矩式。在这里由于等扭矩锥齿轮式差速器具有结构简单、生产成本低等特点，所以被广泛应用于国内轿车的生产中，所以在此为了对其结构进行深入研究，有必要对其机构以及相应的工作原理进行详细分析与介绍。2.3.1汽车差速器的结构研究由图可知，对称式锥齿轮差速器主要由左壳体1、右壳体4、两同型号的半轴齿轮2、四个型号相同的星行齿轮3以及一根由十字轴或直销轴形成的行星轴5组成。其各零件的装配关系如下：主减速器与差速器通过从动齿轮进行连接，其中从动齿轮与差速器壳体通过螺栓或铆钉进行连接；均匀分布在圆周上的四个行星齿轮5通过其自身的旋转轴与差速器壳体上相应的孔实现装配，并通过键进行连接。其来自主减速器的动力传动顺序如下：主减速器差速器壳体十字型轴行星机构半轴驱动装置汽车运行。图2.2差速器结构简图在这里行星机构的工作原理如下:当汽车行驶在平直路面上时，其两侧车轮所受摩擦力几乎相等，所以其将具有相同的转速，此时行星轮只做公转运动；当汽车行驶到山路上或者需要转弯时，由于两侧车轮将受到不同摩擦力的作用，此时行星轮除了进行公转外还必须绕自身轴进行自传，从而为两半轴提供不同的扭矩，使得车轮发生不同转速的运动，完成起伏路面的行驶或顺利通过5弯道。1.为了提高行星齿轮的同心性，以便其能与半轴齿轮进行完好啮合，通常将差速器壳与行星齿轮设计为球面配合。2.基于锥齿轮传递扭矩的原理知，对于锥形行星齿轮和锥形半轴齿轮在进行扭矩传递时，其除了受扭转力矩的作用外还将受到轴向力的作用，在轴向力的作用下其必将发生一定的轴向位移偏差，而对于以上两齿轮与其固定的差速器壳体之间均存在相对的旋转运动，所以两者之间必将存在一定的摩擦磨损。目前对以上摩擦磨损最为常用的处理方式即为在两者之间加相应的垫片，从而当设备达到一定的使用时间后，通过更换垫片来对其磨损进行补偿，从而达到降低维修成本，延长使用寿命的作用。3.目前对于机械设备，为了降低其磨损，通常通过采用油或脂进行润滑，其中油润滑具有使用时间长、使用成本低，所以其较脂润滑使用更为广泛。所以在这里根据差速器的特性其主减速器和行星机构分别采用开孔和开槽的方式进行润滑。4.行星机构行星轮个数的选择主要主要基于其所需传递的扭矩而定，对于所需扭矩较小的轻型轿车，通常选用两行星轮，同时轴选用普通直轴即可；而对于需要传递较大扭矩的大型客车或重型卡车而言，多数选用四行星轮机构，且其轴也应选用强度更高的十字轴。2.4差速器的工作原理图2-2为对称型锥齿轮式差速器的工作原理图。图2.3差速器结构原理图6由图2.2可知，对称型锥齿轮式差速器其主要传动机构为行星齿轮机构。其主要包括由差速器壳体、主减速器的从动齿轮以及行星齿轮轴组成的主动件和由半轴齿轮1和半轴齿轮2组成的从动件。在此设主动件的旋转角速度为，0w半轴齿轮1和半轴齿轮2的旋转角速度分别为、，半轴齿轮1和半轴齿轮1w22与行星齿轮4啮合点分别为A、B，行星齿轮的圆心为C，即根据其传动原理图可知以上三点距差速器旋转中心的距离相等且设为r。当汽车在进行直线行驶时，由于其行星齿轮只做公转运动而不做自转运动，所以去具有相同半径的A、B、C三点必将具有相同的角度速度和线速度，其线速度均为，此时差速器不具有改变扭矩和速度的作用，从而使得两半轴与差0wr速器壳体具有相同的速度。当汽车在进行起伏路面或需要拐弯时，行星齿轮4除进行公转外还将绕轴5进行自转，设其自转角速度为，则其A、B啮合点的线速度可分别按如下4w式进行计算：104rr2w由以上两式整理可得120404rrr即（式120w2.1）在此设其转动角速度为，则有n（式120n2.2）7式2-2即为具有相等直径的半轴圆锥齿轮式差速器的特征方程。由其特征方程可得出：差速器的转速即为两半轴齿轮转速的叠加的二分之一；行星齿轮的工作状态与以上工作机构的转速无关；当其中一个半轴不旋转时，另一半轴必将以两倍于差速器壳体的速度旋转；当差速器不动作时，其两半轴将具有转速相同方向相反的运动。因此差速器的巧妙设计满足了汽车在起伏路面或弯道上的正常行驶。对称型锥齿轮差速器的转矩分配原理如下：差速器外壳行星齿轮轴行星齿轮半轴齿轮。在此当行星齿轮不自转时，其主要作用是对转矩进行传递而不是分配，所以当半轴齿轮具有相同半径时，即两半轴具有相同的转矩，可以表示如下：。而当两轴具有不同的转速时，行星齿轮在公转120/M的同时还将绕自身旋转轴进行自转，而此时两轴转矩应按如下式进行计算：，其中10/r20/2rMMr为摩擦力矩。在此为了对差速器的性能进行评估，通常通过锁紧系数和转矩分配比来进行衡量，其两者的计算如下：（式2.3）210/rKM（式2.4）21/bK对于对称型锥齿轮式差速器而言，由于其锁紧系数和转矩比的取值通常分别为0.060.12和1.21.5,所以其转矩的分配基本总是相等的。这样的优点主要在于当汽车在路况较好的平直路面或弯道上行驶时其均具有较好的通过性，但其缺点在于当汽车行驶到起伏路面或是遇到路面湿滑时，由于两侧车轮与地面之间具有不同的附着力，所以两侧所需要的驱动力也将不同，但此时由于差速器任然对力矩进行平均分配，且是按最小需求供给，从而将会导致附着力小侧车轮发生侧滑，而附着力大侧车轮无法驱动的现象发生，从而使得汽车无法克服路面障碍继续向前行驶。而对于对称式差速器其工作原理是当汽车在路况较好的路面行驶时，其行星齿轮仅实现公转而不自转，从而使得差速器分配到两车轮轴上的扭矩相等，8左右车轮具有相同的转速；而当行驶至起伏路面或湿滑路面时，行星齿轮除进行公转外还将绕自身轴进行自转，从而根据汽车两驱动能所需的动力进行扭矩的按需分配，从而使得汽车能够顺利克服路面障碍继续前行。2.3本章小结结合东风EQ1090E型货车的特点以及特性，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。3零部件的材料、制造及热处理3.1差速器轴类零件就目前的机械行业而言，轴就是一个万用件，因为它被广泛的应用在几乎所有的机械设备中。对于载重汽车的差速器来说，其内部使用的轴承为角接触轴承，型号为T010CGB/72971994。（滚动轴承）其特点是能够承受来自轴，径方向的载荷，也可以单一的承受来自一方面的载荷。而且它适用于高速回转的设备。对于应用在不同机械领域的轴承，其选用的材料，工艺处理都会有所不同。在差速器上，其内部的滚动轴承，对于材料，其内外圆和滚动体，一般是用高碳铬轴承（如GG15）或渗碳轴承钢（G20GrNi4A）制造的。应用在像汽车差速器，航空飞行器等领域里的轴承，它们的精度，要求都相对较高，所以这类轴承钢的热处理，一般都是先进行调质处理，在对其进行表面淬火，以使其表面具有较高的耐磨性和疲劳强度。但是其内部的强度及韧性仍然会有一个较高的强度。然后在进行下一步，低温回火处理（）把轴承轴内因淬火形成的内应力减小。使其硬度保持2501o在较高的水平（),而对于对于渗碳钢，由于渗碳钢温度不淬火低，RC648经调质和表面渗碳后，变形很小而硬度却很高，具有很好的耐磨性和耐疲劳强度。3.2齿轮的材料及热处理工艺9根据不同的用途，齿轮的材料选用是有区别的，如用于航空发动机上的齿轮，由于其在空中飞行，所以要求零部件的质量尽量轻，但还必须保证其功率等飞行指标。所以选择合金钢材料制造，而对材料进行热处理或者经过化学处理还可以改善其力学性能。对于载重汽车的差速器而言，总的来说，其内部是一种高速重载的传动齿轮，由于装载汽车的差速器工作时，其传动齿齿面会受到来自冲击载荷的压力，所以其行星轮的材料首先应该是耐冲击的，这样齿轮不易发生折断等失效模式。其次对于齿轮来说，高强度也是很重要的一个指标，这样可以更好的预防因磨损而失效。所以综合各种因素，差速器应选择性能优良的合金钢（如20GrMnTi)等来制造。差速器齿轮的热处理：齿轮根据不同的用途有两种热处理方法（1）对毛坯进行的热处理：加工齿坯前后，对其预先进行热处理（一般为正火或调质）。这样处理的目的是为了消除之前加工引起的残余应力，可以提高力学性和材料的切削性能。（2）齿面的热处理：轮齿加工成型后，为进一步提高钢的性能，还需要进行表面淬火，通常生产实践中用高频感应加热的方式对轮齿做进一步的处理。钢化学热处理也是一种常用的处理方式。3.3轴键的应用键是一种标准零件，且用来完成轴与轮毂之间的固定。可以用来传递转矩。行星齿轮与十字轴的固定，据所连接的零部件及设计要求可知，用普通的平键就能满足设计要求，参考机械设计课程设计手册GB、T1096-2003取平键尺寸为8*7mm,键的长度为20mm，材料为45度刚。3.4螺栓的选用和螺栓的材料螺栓是我们日常生活中常用的一种固定件，也是机械行业中必不可少的一个零件。生产实践中常用的类型主要有一字螺栓，十字螺栓等。螺栓的广泛应用，使机械设备的制造，组成便捷了许多。但随着工业技术的不断进步，工艺10精度的要求不断提高，对螺栓的制造，类型要求更高了。对于载重汽车来说，很久以前其差速器壳上用的是M12的螺栓，但在其生产实践的过程中发现，这类型的螺栓更容易发生扭曲等变形，而且经常发生松动而自己脱落的现象，后经研究发现是由于螺栓的制造材料的热处理工艺不到位，而且其预紧力也不足，导致其不能和工件表面有很好的摩擦从而导致松动。所以后来改用了M14的螺栓。经过改进后，很好的解决了那些问题。对于现在的机械领域，通常用的螺栓材料主要以钢，低碳钢为主，而对于差速器而言，低碳钢作为原材料更为常见实用。3.5螺母尺寸的选择以及材料的确定在这里由于前文设计已经对螺栓的规格进行了确定，所以在这里螺母的选择必须依据螺栓的尺寸规格而定。目前工业上常见的螺母有六角薄螺母、六角厚螺母、六角开槽螺母等，而螺母的材料同螺栓一样，目前常见的主要有铜、304不锈钢、低碳钢等。在此根据设备的工作性质以及螺栓的尺寸选择螺母的规格尺寸如下：材料为低碳钢、型号为M14、性能等级8级、表面抛光处理，其设计来源于GB/T6170-2000螺母选择标准。3.6本章小结本章主要是对汽车差速器的几个关键零部件，从其材料，表面热处理工艺及选用的方面做了个初步的了解，并对差速器选用这些材料做了简单的介绍。114了解差速器的失效模式汽车差速器的失效模式主要的表现形式是其内部的零部件，组成件的失效，行星轮轴，行星齿轮，差速器壳等的失效，所以，以下着重介绍几个关键部件的失效模式。4.1齿轮传动的失效齿轮传动根据不同的分类形式，存在各种不同的形式。如，开式，半开式，闭式之分，还有较脆、较韧之分等。所以，不同的条件就出现了不同的失效形式，但一般来说，主要表现的形式为轮齿的失效。而对于差速器而言，其内部得行星齿轮，主要出现的是轮齿折断和点蚀。1.轮齿的折断：主要的表现是由于齿根疲劳折断，当差速器的行星轮齿，在受载情况下，齿根处产生的弯曲应力最大。而且，加工刀痕等等引起的集中应力的作用，在轮齿重复受载的情况下，齿根就会产生疲劳，最终导致其疲劳折断。2.齿面磨损点蚀:点蚀是指齿面疲劳损伤的现象之一。在差速器中，行星轮与半轴啮合，齿面件形成的相对滑动起着形成润滑油膜的作用。当润滑不好时，齿面间的摩擦力较大，若齿面之间有杂物，在承载力的作用下，齿轮转动，容易使齿面受到挤压而在齿面而在齿面形成麻点，如果工作条件没有很好的改善，麻点就会越来越多，面积越来越大，最后形成齿面的损伤。124.2差速器壳的失效模式从差速器壳断裂失效面的照片可以看出，在其断裂面上，差速器一字轴销孔的失效模式是由于连接差速器壳侧与壳臂发生开裂。它是由于壳臂发生了弯曲疲劳。一般情况下，只有当汽车行驶至少4000km后，才会发生这种失效。所以由此可以推出此处的失效模式不是由于瞬间冲击载荷下引起的。而是在行驶时，由于来回切换档位，而引起的交变载荷作用下而导致的疲劳破坏断裂失效。4.3锁止销失效模式分析汽车在正常条件下行驶时，行星齿轮不转动，而是随着轮轴同差速器一起进行公转。因为轮轴与锁止间没有产生相对的滑动。所以，锁止销受到的剪力微乎其微，甚至可以忽略。但当路面不平或汽车在弯道行驶拐弯的时候。行星轮开始工作，它与轮轴之间会产生相对的转动，它们之间产生摩擦，行星轮轴产生力矩，并将此传动力矩传给锁止销。此时的锁止销就会在其两端均受到剪切力，但这个力的大小远远小于锁止销能承受的范围。通过观察裂痕断口可判断出这种失效情况是在锁止销受到较大冲击力造成的一次性断裂。通过分析可得，当行星轮与轮轴构成的摩擦发生粘结磨损时，它们之间的摩擦力增大，产生了较大的粘着强度。在汽车转向运动中，差速器将动力转矩传给锁止销，阻止其转动。对于锁止销而言，这个力才是极具破坏性的，已经超过了其承受的力的范围，这种情况下导致了销止锁的断裂。4.4其它失效式差速器失效模式有许多种，除了上文介绍的几种典型的情形外还有别的形式。比如，润滑不好也可能导致差速器失效，因为润滑不好摩擦增大，杂物不一排出，易导致齿轮发生断齿，继而导致齿轮啮合不好差速器不能正常工作。还有当差速器抱死时，易出现差速器断裂，轴的断裂也是其失效的一种模式。134.5本章小结失效是差速器不能正常工作时的一种状态，本章主要的内容是通过对差速器的零部件包括差速器壳，此轮以及轴承等方面描述了差速器失效的几种模式，通过本章内容，初步了解了差速器的几种常见的失效模式，并对其它失效模式有个简单的介绍。5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5.1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。145.1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。5.1.1对称式差速器齿轮参数的确定1.行星齿轮数目的确定n东风EQ1090E型载货汽车选择的是四个行星齿轮即。4n2.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：0Ab（式5.1）3bdKT（式5.1）中：是行星齿轮球面半径系数，=2.52.97，对bK于有四个行星齿轮的轿车和公路用货车取小值，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b2.7.是差速器计算转矩，,dTmindGGesTTN是球面半径，bR转矩的计算从动锥齿轮计算转矩e（式5.2）max10dfGeKiTn上式中：是计算转矩，,GeN是由于猛接离合器而产生的动载系数，对于性能系数的汽车(一般dK0jf货车，矿用汽车，越野车)，取1dK是发动机最大转矩，maxeTmax58eT是液力变矩器变矩系数，是变速器一档传动比，东风EQ1090E型载货汽车变速器一档传动比1i7.315是分动器传动比，fi1fi是主减速器传动比，东风EQ1090E型载货汽车采用双曲线齿轮，单级减0速器，主减速器传动比06.3i是从发动机到主减速器从动齿轮之间的传动效率，96是驱动桥数，n1n代入式（3-2）中，得1587.31.0718.GeTNm从动锥齿轮计算转矩s（式5.3）2rGsmi上式中：是计算转矩，GsT是满载状态下一个驱动桥上的静负荷，对于式货车，为了保证在242泥泞路面上的通行能力，提高地面驱动力，常将满载时前轴负荷控制在总轴荷的26%27%，故29073681N是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2m1.21.4，货车为1.11.2,此处取1.1。2m是轮胎与地面间的附着系数，对一般轮胎的公路用车，可取，0.85是轮胎的滚动半径，东风EQ1090E型载货汽车采用普通斜交帘线的标准轮辋r轮胎，查表得。0.398r是主减速器从动锥齿轮到车轮间的传动比：mi。.125mi是主减速器从动齿轮到车轮间的传动效率，当无轮边减速器时，1m代入式（3-3）中，得6781.05.398075.2GsTNm，eTGeGsd6.18),min(将以上数据代入式（3-1）中，得：32.7018.65.7bR将圆整为54mm,锥齿轮的节锥距一般稍小于，bRAbR即m46.392.9.b0A所以预选其节锥距53m163.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这里对于齿轮齿数的选择主要遵循以下原则：达到设计强度、避免加工时产生根切以及结合整体尺寸空间进行综合考虑。所以在此基于以上三点原因对其进行选择，得出其齿数在1730之间选择，同时根据目前汽车常用的行星齿轮与半轴齿轮之间的齿数比对其齿数比进行确定，确定为在1.52.0之间进行取值。能在半轴齿轮的轴线上实现均匀分布，否者其将由差速器其工作原理可知，其工作时行星齿轮和半轴齿轮进行同时啮合，所以在对其两者进行设计时，必须进行兼并考虑，因此对半轴齿轮的齿数的选择必须为行星齿轮齿数的整数倍，从而使得行星齿轮导致差速器无法装配，因此其应满足如下安装条件：,（式5.4）25.12ZInzRL(式5.5)上式中：Z2L、Z2R分别为左、右半轴齿轮的齿数，在差速器为对称圆锥齿轮结构时，Z2L=Z2R；n为行星齿轮数目；I任意整数。上式中：是差速器行星齿轮的齿数，1Z是差速器半轴齿轮的齿数，2和分别是差速器左、右半轴齿轮的齿数，对于对称式锥齿轮差速器LR来说，2是行星齿轮的数目：n,4是任意整数I根据上述可在此取满足以上要求。120,8Z（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（式1120arctnarctn298Z175.6）2218arctnarctn610Z确定圆锥齿轮大端端面模数m（式0102/si/si5.4mAAZ5.7）大端端面模数按圆锥齿轮的标准模数系列选取，查表得m5.确定半轴齿轮的节圆直径（式15.10dZm5.8）2.894.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齿轮在其轴上的支承长度，通常取：L（式5.9）1.Ld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：（式30dccTrn5.10）即310dcrnL由上面各式可得：（式5.11）3.dcT上式中：是差速器的计算转矩：dT7018.6Nm是行星齿轮轴孔中心到节锥顶点的距离，约为半轴齿轮齿面宽中点处平dr均直径的一半，即，为半轴齿轮齿面宽中点处的直径，而2.5dr，即，220.820897.0.57923.6drm是行星齿轮数目：n4是许用挤压应力：c18298/cNm是行星齿轮安装孔的长度，L是行星齿轮安装孔的孔径d将上述各计算结果代入式（3-11）中，可得：37018.620.794dm则取,d2m4L5.1.2差速器齿轮的几何计算图19表5.1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,10Z应尽量取最小值10Z2半轴齿轮齿数2,且需满足式计算结果245:283模数mm5.4齿面宽b00.3;1Ab15工作齿高hg.6ghm8.gh6全齿高78051m597压力角.28轴交角909节圆直径d12;Zd12;9d10节锥角1122arctn;9012;611节锥距0A120sinid053Am12周节t3.46tm17.28t13齿顶高ah12221;0.37.4agaahZ2;.9ah20差速器几何计算表5.1.3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（式5.12）3210smwvTKbdJn上式中：是弯曲应力，2/N14齿根高fh1122.78;famh124.0;68fm15径向间隙c0.5g.5c16齿根角11022arctn;tffhA124.3;7617面锥角001221;0123.;65418根锥角R122;R12.;3R19齿顶圆直径ad1122cos;aadh165.;09adm20齿根圆直径f1122;cosffdh1247.;3f21分度圆齿厚sms8.6sm22齿侧间隙B0.45.3:07B21是半轴齿轮计算转矩，T0.6.7018.642.dTNm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sK匀性，与齿轮尺寸及热处理等因素有关，当时，.m0.25/4sK所以0.25684s是齿面载荷分配系数，跨置式；悬臂式，此mK1.mK:1.25m:处取，1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v响有关，当接触好，周节及同心度准确时，取,1v是差速器行星齿轮和半轴齿轮的模数，5.是半轴齿轮的齿宽，2b215bm是半轴齿轮的大端分度圆直径，d29d是综合系数，参照图3.2查得可取0.2253JJ是行星齿轮的数目，41.60870859.2534wMPann代入式（3-12）中，可得：1.6081709859.2534waP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22是行星齿轮的数目，n4n代入式（3-12）中，可得：241.60821709859.53wMPa5.1.4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：图5.2行星齿轮和半轴齿轮三维图5.2.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24Lm为；而行星齿轮安装孔的孔径，所以轴颈的直径预选为1L50md1d。2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5.3所示：23图5.3差速器十字轴简图5.3差速器垫圈的设计计算垫圈的作用主要是对特殊件进行保护和分散应力，目前常见的垫圈主要有以下几类：平垫圈、弹簧垫圈、球面垫圈以及密封垫圈等，其材料的选用主要有石棉纸、软钢、尼龙以及聚甲醛塑料等。5.3.1半轴齿轮平垫圈的尺寸设计垫圈的作用主要起缓冲,隔离的作用，如在差速器工作时零部件接触面之间会有相对运动产生，相互间的挤压力，伴随着相对的运动，会让彼此接触面之间有磨损。所以为了减小机械损耗，延长机械的工作寿命，在它们之间加上垫片进行隔离。起到保护作用。在这里根据差速器的工作性质，其选用了两种类型的垫圈，即普通平垫圈和球面垫圈，其平垫圈主要用于半轴齿轮和行星齿轮之间，为了增大两者的接触面积，从而有效分散压力；而球面垫圈用于十字轴与行星齿轮之间，其主要作用是用于对扭矩进行传递。5.3.2行星齿轮平面面垫圈的尺寸设计24如图5.4所示图5.4行星齿轮平面垫圈简图就本文设计的载重货车来说，如图5.4（a）所示，根据相邻零部件之间的紧密配合要求可初步选定半轴齿轮平垫圈的安装孔直径，安装孔D50m直径为，由图5.4（b）根据安装的简易程度选取垫圈的厚度h为2D50.m.85.3.3行星齿轮球面垫圈的尺寸设计对于行星齿轮垫圈的选择主要决定因素有十字轴轴颈以及相应的装配关系，在