摩擦片式自锁差速器设计

太原理工大学现代科技学院论文 I 摩擦片式自锁差速器设计摩擦片式自锁差速器设计 摘摘 要要 普通差速器以无法满足人们的需求 越来越多的汽车加装了摩擦片式 设 计一种摩擦片式差速器 它是利用摩擦元件相对转动所产生的摩擦力矩来实现 左右半轴转矩的重新分配 从而达到防滑的目的 其防滑反应迅速 针对重庆 长安 SC1010 车型进行设计 为其新增设压力环 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 v 型斜面相配合 用来实现对摩擦元件的压紧 提高了差速器使用寿命 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 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 易于实现电控 给厂家的制造和后续开发提供了方便 关键词关键词 汽车 摩擦片式 差速器 Rectangular Coordinate Hydraulic Control Design of 太原理工大学现代科技学院论文 II the Manipulator Abstract Ordinary differential cannot satisfy the people s demand more and more cars added friction disc a friction plate type differential design it is re distribution of the friction moment friction element using a relative rotation is generated to achieve about half shaft torque slip so as to achieve the purpose the slip response quickly For Chongqing Changan SC1010 models for design and the new pressure ring so that it increases with the increase of torque transmission friction disc friction torque and opening of V groove on the pressure ring and planetary gear shaft end V type inclined surfaces with to realize the compression of frictional element and improve the differential service life in between the friction element and the differential case the dish spring as often the role of elastic element This is due to the axial size is small with the characteristics of good elastic deformation In the case of meeting the locking coefficient the structure has the advantages of small size few parts easy to realize electronic control and convenient manufacture and subsequent development Key words Automobile Friction plate Differential mechanism 太原理工大学现代科技学院论文 III 目录目录 摘摘 要要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 设计的目的和意义 1 1 2 差速器研究现状 1 1 3 摩擦片式的发展现状 2 1 4 摩擦片式的研究发展 3 1 4 1 转矩感应式摩擦片式 3 1 4 2 转速感应式摩擦片式 3 1 4 3 主动控制式摩擦片式 3 1 5 本文的原始数据 3 第 2 章 差速器的设计要求及选型分析 5 2 1 差速器的分类和原理 5 2 1 1 差速器的分类 5 2 2 差速器设计要求 6 2 2 1 差速器理论设计计算主要技术指标 6 2 2 2 差速器实际生产加工主要技术指标 7 第 3 章 主要零部件分析 11 3 1 压力环 11 3 2 摩擦元件 12 3 3 蝶形弹簧 14 3 4 行星齿轮轴 16 3 5 行星齿轮与半轴齿轮 17 3 6 4 6 差速器壳 17 3 7 锁紧系数及其计算 18 第 4 章 摩擦片式差速器设计计算 20 4 1 摩擦片当量摩擦半径和预紧力矩的分析计算 20 4 1 1 摩擦片当量摩擦半径的分析计算 20 4 1 2 预紧力矩 21 太原理工大学现代科技学院论文 IV 4 2 确定摩擦元件结构参数 21 4 2 1 摩擦元件内外径 21 4 2 2 单侧摩擦元件的摩擦面数 21 4 2 3 摩擦元件厚度 21 4 2 4 摩擦元件材料 22 4 3 确定压力环 v 型槽楔角和压力环作用当量半径 22 4 4 确定碟型弹簧的结构参数 22 4 4 1 碟型弹簧的内外径 22 4 4 2 碟型弹簧的厚度 22 4 4 3 碟型弹簧的内锥高 22 4 5 差速器行星齿轮主要参数选择 22 4 5 1 行星齿轮齿数 n 及半轴齿轮齿数 22 4 5 2 行星齿轮轴直径 d 及支承长度 L 24 4 5 3 差速器齿轮的强度校核 24 4 5 4 差速器齿轮材料 25 结论 27 致谢 28 参考文献 29 附录 30 太原理工大学现代科技学院论文 1 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 设计的目的和意义设计的目的和意义 汽车在行驶中经常会出现汽车左右轮转速不相等的情况 这就需要人们在 汽车的车轮之间加装差速器 尽管普通锥齿轮式差速器很好地解决了汽车左右 轮转速不等所造成的汽车轮胎的磨损 转向困难等缺陷 但同时它的转矩平均 分配特性也使汽车在路面状况较差的道路上的动力性 通过性变差 同时还极 易发生侧滑和激转现象 1 这些都是由于普通锥齿轮式差速器分配给汽车驱动 轮上的转矩是由附着能力较差车轮决定的 所以汽车两驱动轮只要有一个车轮 附着力不足 汽车就无法行走 为了改善汽车的通过性 提高行驶安全性 人 们采取了多种措施 其中常用的有两种 一种是差速锁 另一种是摩擦片式 Limited Slip Differential 简称 LSD 前者要求驾驶员在必要时进行锁止差 速器 其优点是采取这种装置的车辆通过性能强 且其结构简单 实现方便 缺点在于对车辆转向性能及行驶性 轮胎磨损均有不利影响 且不适合连续使 用 而后者就是在普通差速器基础上附加一些其他机构来限制差速器的滑差从 而改善它的转矩分配特性 由于兼顾了差速器的转矩分配特性与转速分配特性 所以它取得了广泛应用 1 2 差速器研究现状差速器研究现状 汽车行驶运动学的要求和实际的车轮 道路以及它们之间的相互关系表明 汽 车在行驶过程中左右车轮在同一时间内所滚过的行程往往是有差别的 例如 转弯时外侧车轮的行程总要比内侧的长 另外 即使汽车作直线行驶 也会由 于左右车轮在同一时间内所滚过的路面垂向波形的不同 或由于左右车轮轮胎 气压 轮胎负荷 胎面磨损程度的不同以及制造误差等因素引起左右车轮外径 不同或滚动半径不相等而要求车轮行程不等 在左右车轮行程不等的情况下 如果采用一根整体的驱动车轮轴将动力传给左右车轮 则会由于左右驱动车轮 的转速虽相等而行程却又不同的这一运动学上的矛盾 引起某一驱动车轮产生 滑转或滑移 这不仅会使轮胎过早磨损 无益地消耗功率和燃料及使驱动车轮 轴超载等 还会因为不能按所要求的瞬时中心转向而使操纵性变坏 此外 由 太原理工大学现代科技学院论文 2 于车轮与路面间尤其在转弯时有大的滑转或滑移 易使汽车在转向时失去抗侧 滑能力而使稳定性变坏 为了消除由于左右车轮在运动学上的不协调而产生的 这些弊病 汽车左右驱动轮间都装有差速器 后者保证了汽车驱动桥两侧车轮 在行程不等时具有以不同速度旋转的特性 从而满足了汽车行驶运动学要求 近几年来 随着国民经济的迅速发展和西部大开发战略的实施 各种越野 车及工程车辆的拥有量越来越大 普通锥齿轮差速器的转矩分配特性是车辆在 较差路况道路上的动力性 通过性变差 同时还极易发生侧滑和激动现象 为 了解决这一问题 国外越野汽车普遍采用可靠性能差速器 显著提高了车辆的 越野通过性 国内车辆所配备的防滑自锁式差速器包括高摩擦式 自由轮式和 变传动比式等 高摩擦式有带摩擦元件的圆锥齿轮式 滑块 凸轮式和涡轮式 等 滑块 凸轮式差速器具有缩紧系数大 径向尺寸小 结构简单 性能稳定 等优点 2004 年 3 月 我国首先将轴向滑块式差速器应用于 ATV 沙滩摩托车上 该差速器式是一种适应现代车辆发展潮流的新型差速器 尚处于实验研究阶段 传统差速器采用所目标目优化方法 建立目标函数 设计变量和约束条件 目 前 轴向滑块凸轮式差速器通过 Solidworks 进行设计和仿真分析的较多 利用 Pro E 进行三维建模 Ansys 进行应力分析还很少 1 3 摩擦片式的发展现状摩擦片式的发展现状 摩擦片式最初多用于越野车或工程机械上 很少用于家庭用车上 然而随 着人们对摩擦片式认识的逐步深入 人们发现摩擦片式不仅可以改善汽车在较 差道路路面上的通过性 而且摩擦片式对汽车安全性 操纵稳定性及平顺性都 有着很大的改善作用 2 摩擦片式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 摩擦片式的应用也因此日益广泛 越来越多的 越野车 跑车 高档轿车以及大型货车 开始把摩擦片式作为选装件 比如说 兰伯基尼的魔鬼 GT 型车上装粘性式摩擦片式 3 保时捷 911 GT3 型跑车 尼桑总统 尊爵 开拓者 SUV 运动型多功能车 4 宝马 M3 5 跑车及国内生 产的长丰猎豹 V6300 等均采用机械式或电子控制式摩擦片式 不仅在民用上 在国防上摩擦片式也是军用越野车驱动装置中的重要组成部件 车辆驱动防滑 能力是军用汽车重要战术指标 摩擦片式技术是其军用车辆新技术的重要组成 太原理工大学现代科技学院论文 3 部分 目前国际上先进的越野车和军车上普遍装配了摩擦片式差速器装置 1 4 摩擦片式的研究发展摩擦片式的研究发展 目前 国外的摩擦片式种类品种多样 性能优良 根据差动限制转矩的产 生机理可以分为以下三种方式 转矩感应式 转速感应式和主动控制式 1 4 1 转矩感应式摩擦片式转矩感应式摩擦片式 根据输入转矩决定差动限制转矩的方式 从实现机构上可分为外螺旋式摩 擦片式和多片摩擦式摩擦片式 多片摩擦式摩擦片式应用较广 它是依靠湿式 多片离合器产生差动转矩 有转矩比例式 预压式及转矩比例式加预压式三种 形式 1 4 2 转速感应式摩擦片式转速感应式摩擦片式 这是一种差动限制转矩随着转速差的增加而增加的摩擦片式 被广泛应用 的是粘性装置的摩擦片式 一旦产生转速差就可以依靠硅油的粘度 填充率 片的直径 件数等多种设计参数的不同而产生不同的防滑作用 该种摩擦片式 工作平滑 能很好地提高驱动 转弯 制动等诸性能的均衡 并且也可应用于 前轮驱动车或后轮驱动车上 1 4 3 主动控制式摩擦片式主动控制式摩擦片式 这是一种用电子装置控制最大差动转矩的摩擦片式 可以使两侧驱动轮获 得最佳驱动附着效果 这种装置在奔驰车或波尔舍车上均有应用 其构造同前 述的多片摩擦式相似 其特征是可由外部控制湿式多片离合器的压紧力 因此 在差速器罩壳上设有油压活塞 由于活塞上的油压由外部调节阀控制 所以能 获得任意的最大差动限制转矩 虽然其技术难度比较大 成本比较高 但是以 其优越的性能 在国外的汽车上得到了广泛的应用 典型产品有电磁控制式 电子控制式等 1 5 本文本文的原始数据的原始数据 主要参数主要参数数数 值值主要参数主要参数数数 值值 太原理工大学现代科技学院论文 4 汽车总质量3720 kg主减速器传动比5 83 后桥满载轴荷2340kg变速器一挡传动 比 6 09 发动机最大转矩139N m 2200 rpm半轴转矩比4 太原理工大学现代科技学院论文 5 第第 2 章章 差速器的设计要求及选型分析差速器的设计要求及选型分析 2 1 差速器的分类和原理差速器的分类和原理 2 1 1 差速器的分类差速器的分类 差速器的结构型式有多种 大多数汽车都属于公路运输车辆 对于在公路 上和市区行驶的汽车来说 由于路面较好 各驱动车轮与路面的附着系数变化 很小 因此几乎都采用了结构简单 工作平稳 制造方便 用于公路汽车也很 可靠的普通对称式圆锥行星齿轮差速器 作为安装在左 右驱动轮间的所谓轮 间差速器使用 对于经常行驶在泥泞 松软土路或无路地区的越野汽车来说 为了防止因某一侧驱动车轮滑转而陷车 则可采用防滑差速器 后者又分为强 制锁止式和自锁式两类 自锁式差速器又有多种结构型式的高摩擦式和自由轮 式的以及变传动比式的 2 1 对称式圆锥行星齿轮差速器 普通的对称式圆锥行星齿轮差速器由差速器左 右壳 2 个半轴齿轮 4 个行星齿轮 少数汽车采用 3 个行星齿轮 小型 微型汽车多采用 2 个行星齿 轮 行星齿轮轴 不少装 4 个行星齿轮的差逮器采用十字轴结构 半轴齿轮及 行星齿轮垫片等组成 由于其结构简单 工作平稳 制造方便 用在公路汽车 上也很可靠等优点 最广泛地用在轿车 客车和各种公路用载货汽车上 有些 越野汽车也采用了这种结构 但用到越野汽车上需要采取防滑措施 例如加进 摩擦元件以增大其内摩擦 提高其锁紧系数 或加装可操纵的 能强制锁住差 速器的装置 差速锁等 由于差速器壳是装在主减速器从动齿轮上 故在确定主减速器从动齿轮尺 寸时 应考虑差速器的安装 差速器壳的轮廓尺寸也受到从动齿轮及主动齿轮 导向轴承支座的限制 2 强制锁止式防滑差速器 充分利用牵引力的最简单的一种方法是在普通的圆锥齿轮差速器上加装差 速锁 必要时将差速器锁住 此时左 右驱动车轮可以传递由附着力决定的全 太原理工大学现代科技学院论文 6 部转矩 当汽车驶入较好的路面时 差速器的锁止机构应即时松开 否则将产生与 无差速器时一样的问题 例如使转弯困难 轮胎加速磨损 使传动系零件过载 和消耗过多的功率等 由于上述种种原因 强制锁住差速器的方法未得到广泛 应用 3 自锁式差速器 为了充分利用汽车的牵引力 保证转矩在驱动车轮间的不等分配以提高抗 滑能力 并避免上述强制锁止式差速器的缺点 创造了各种类型的自锁式差速 器 用以评价自锁式差速器性能的主要参数 是它的锁紧系数 为了提高汽车 的通过性 似乎是锁紧系数愈大愈好 但是过大的锁紧系数如前所述 不但对 汽车转向操纵的轻便灵活性 行驶的稳定性 传动系的载荷 轮胎磨损和燃料 消耗等 有不同程度的不良影响 而且无助于进一步提高驱动车轮抗滑能力 因此设计高通过性汽车差速器时 应正确选择锁紧系数值 一般越野汽车的低压轮胎与地面的附着系数的最大值为 0 7 0 8 在于燥的 柏油或混凝工路面上 而最小值为 0 1 0 2 在开始溶化的冰上 可见相差悬 殊的附着系数的最大比值为 8 因此 为了充分利用汽车牵引力 差速器的锁 紧系数 K 实际上选定为 8 就已足够 而汽车在不好的道路和无路地区行驶的实 践表明 各驱动车轮与地面附着系数不同数值之比 一般不超过 3 4 因此选 取 K 3 4 是合适的 在这种情况下汽车的通过性可以得到显著的提高 而其 转向操纵等使用性能实际上并不变坏 自锁式差速器有滑块 凸轮式 蜗轮式 自由轮式等多种形式 2 2 差速器设计要求差速器设计要求 2 2 1 差速器理论设计计算主要技术指标差速器理论设计计算主要技术指标 首先它输出的摩擦片式转矩 内摩擦转矩 是与其输入转矩 加在差速器 壳上的转矩 相关的 其中主要技术指标包括 7 预紧力矩 摩擦片式差速器由于弹性元件变形而在摩擦元件之间产生的内 摩擦力矩 锁紧系数 摩擦片式差速器内摩擦力矩 摩擦片式转矩 与摩擦片式差速 太原理工大学现代科技学院论文 7 器输入转矩的比值 转矩比 左右两端输出转矩中较大一端输出转矩与较小一端输出转矩的比 值 2 2 2 差速器实际生产加工主要技术指标差速器实际生产加工主要技术指标 除了考虑以上要素外还要综合考虑到以下几点 强度要好 寿命要长 安装方便可靠 所设计的摩擦片式差速器必须保证足够的强度和寿命 一方面从设计上保 证强度 另一方面要从材料和零件加工及热处理上保证达到设计要求 这就要 求提高设计水平和提高工艺水平 使我们设计和生产的新型摩擦片式差速器的 水平得到提高 在差速器设计中 还必须考虑安装方便和可靠 一是装拆容易 包括每个 固定螺栓都容易装卸 二是差速器本身刚性好 三是必须考虑与其连接的其它 结构件 如转向轴连接万向节 拉杆等 成本低 系列化设计 在设计此类差速器产品时 从一开始就要立足于系列化设计 结合生产厂 家的设备条件和工艺水平 充分考虑制造的成本 通过对结构的合理选型 提高产品的标准化和通用化程度 力争涵盖从轻型车到重型车的各种车型 只 有这样才能把制造成本控制的尽量低 利于厂家组织生产提高效益 针对设计要求 采用机械摩擦片式摩擦片式 机械摩擦片式摩擦片式是利 用摩擦元件产生摩擦力矩 从而增加差速器内摩擦力矩 来实现摩擦片式的目 的 它主要包括两种结构形式 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 太原理工大学现代科技学院论文 8 图 2 1 机械摩擦片式摩擦片式差速器 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 其主要结构特征是增加了摩擦组件 2 5 包括主从动摩擦元件 主动摩 擦元件外缘上设有与差速器壳 1 上的槽相配合的键 以实现两者的同步转动 从动摩擦元件内缘上设有与半轴齿轮 4 轴端部上的槽相配合的键 以实现两 者的同步转动 预紧弹簧 8 产生的弹性变形力将主从动摩擦元件压紧 当左 右半轴转速不相等即差速时 主从动摩擦元件存在转速差 由于主从动摩擦元 件是被预紧弹簧压紧的 从而产生转动摩擦 形成一个摩擦力矩 从而实现摩 擦片式的目的 由于这个摩擦力矩是靠预紧弹簧的弹性变形力来形成的 这使 得一旦设计完毕后其摩擦力矩的大小为一定值 不能感知传递转矩的变化 摩 擦片式性能十分有限 为克服无压力环式的缺点 有的产品中增设了压力环零 件以实现摩擦片式摩擦力矩随传递转矩而变化 其基本结构如图 2 2 所示 太原理工大学现代科技学院论文 9 a b 图 2 2 机械摩擦片式摩擦片式差速器 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 图 2 3 机械摩擦片式摩擦片式差速器的转矩传递 当装具有压力环的机械摩擦片式摩擦片式差速器汽车直线行驶时 传给差 速器壳的转矩在两个半轴上平均分配 此时力矩是通过两条路线传给半轴的 如图 2 3a 一条是经过行星齿轮轴 行星齿轮传给半轴 这与普通差速器相同 另一路由于行星齿轮轴与差速器壳是通过 v 型楔面配合的 在驱动力作用下 行星齿轮轴端部棱面将沿斜面移动 造成行星齿轮通过台肩压向压力环 将摩 擦组件压紧 产生摩擦力矩 传到左右半轴上 当汽车的驱动轮在双附着系数 路面上时 若驱动力未超过附着力 则仍正常行驶 若任何一边车轮的驱动力 超过附着力 则开始打滑 此时 两轮产生转速差 差速器壳和左右半轴的转 太原理工大学现代科技学院论文 10 速都不相同 设右轮打滑 由于转速差的存在和轴向力的作用 与差速器壳相 连的主动摩擦盘和与压力环相连的从动摩擦片之间 必将产生摩擦力矩 该力 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 因此慢转车轮 的力矩将大于快转车轮的力矩 实现摩擦片式的功能 如图 2 3b 综合考虑摩擦片式性能 制造工艺 生产成本等方面以及摩擦片式差速器 一般是应用在中轻型车和轿车上的工作特点 决定选择带压力环的机械摩擦片 式摩擦片式差速器作为重庆长安 SC1010 轻型载货汽车的摩擦片式差速器的结 构型式 这是因为带压力环的机械摩擦片式摩擦片式差速器具有以下优点 1 由于它是利用摩擦元件相对转动所产生的摩擦力矩来实现左右半轴 转矩的重新分配 从而达到摩擦片式的目的 其摩擦片式反应迅速 2 由于采用压力环部件 可以感知传递转矩的变化 使产生的摩擦片 式转矩会随传递转矩的增大而增大 性能优越 3 与普通差速器通用性好 可以实现与普通差速器的选装 4 结构尺寸较小 在轻型车上的布置相对容易 5 零件数量较少 制造难度相对较小 制造成本相对较低 6 易于实现电控 为电控摩擦片式差速器的开发提供有利条件 太原理工大学现代科技学院论文 11 第第 3 章章 主要零部件分析主要零部件分析 如图 3 1 为我们开发的摩擦片式摩擦片式差速器结构示意图 下面针对 其主要零部件进行分析 图 3 1 摩擦片式摩擦片式差速器结构示意图 3 1 压力环压力环 压力环是摩擦片式摩擦片式差速器中的重要部件 由对称的左 右两件组 成 其左半部结构如图 3 2 所示 太原理工大学现代科技学院论文 12 a 轴侧立体图 b 零件图 图 3 2 压力环 左半部 其主要结构特点是 1 具有与行星齿轮轴相配合的 v 型槽 这个 v 型楔面将行星齿轮轴 作用在其上的圆周力转化为对摩擦元件的压紧力 从而形成内摩擦力矩 实现 摩擦片式性能 2 具有与差速器壳相配合的键 与差速器壳上的键槽相配合 一方面 起到定位和传递动力的作用 另一方面也可使压力环作轴向微量移动以实现对 摩擦元件的压紧 3 具有与行星齿轮相配合的内球面 压力环设计中应主要考虑 当量 工作半径和楔角 见图 3 2 当量工作半径根据减速器壳内部结构 p r p r 尺寸和传递压力的大小来确定 楔角 的确定依据其在行星齿轮轴工作 面挤压应力和产生足够的轴向压紧力之间寻求平衡 3 2 摩擦元件摩擦元件 摩擦元件包括主动的摩擦盘和被动的摩擦片 其基本形状如图 3 3 太原理工大学现代科技学院论文 13 a 摩擦盘 b 摩擦片 图 3 3 摩擦元件 它们的主要结构特点是 1 摩擦盘外圈和摩擦片内圈上有凸耳 摩擦盘外圈凸耳与差速器壳上 的键槽相配合 摩擦片内圈凸出的耳朵与半轴齿轮轴端外圆周上所开设的键槽 相配合 从而实现摩擦元件的径向定位和传递动力 2 摩擦元件上刻有许多凹槽 1 凹痕内可以储存油液 起润滑作用 同时 凹痕还有一定的容屑作用 减轻磨屑对摩擦表面的破坏 减少噪声 2 摩擦盘表面的刻线是呈偏心辐射状的 而摩擦片表面的刻线是呈偏心 太原理工大学现代科技学院论文 14 环状的 径向的辐射刻线与周向的圆环刻线基本上垂直接触 一方面可以适当 增大摩擦系数 另外可以保证不会互相嵌入 从而保证不会将润滑油液和磨屑 从沟槽中挤出来 3 摩擦盘刻线的偏心方向 两侧表面是相反的 即径向线的旋转方向相 反 这样可以保证制造时不会在同一方位正反两面压出刻线 防止同一线段处 摩擦片过薄 保证必要的强度 基于同样的道理 摩擦片表面环状刻线的偏心 两侧也是相反的 3 摩擦元件当量摩擦半径计算 设计中主要要确定的是摩擦元件的当量摩擦半径 其当量摩擦半径的 f r f r 计算公式为 3 1 3 22 33 dD dD rf 式中 D 摩擦元件外径 即摩擦盘外径 m d 摩擦元件内径 即摩擦片内径 m 当 时 当量摩擦半径 rf 可以相当准确地由下式计算45 0 Dd 3 2 4 dD rf 设计摩擦元件过程中所需遵循的原则为 1 让摩擦盘的外径略小于摩擦片外径 而摩擦盘的内径略大于摩擦片的 内径 这样做来保证摩擦接触面积的稳定性和可靠性 2 合理选择凸耳的尺寸和个数 保证摩擦盘的外凸耳和摩擦片的内凸耳 有足够的剪切强度和弯曲强度 3 3 蝶形弹簧蝶形弹簧 采用碟形弹簧作为差速器常作用弹性元件 利用变形所产生的弹性力作为 轴向压紧力压紧摩擦元件 碟形弹簧具有轴向尺寸小 可以在一定的变形范围 内保持相对稳定的弹性力的特点 其形状如图 3 4 太原理工大学现代科技学院论文 15 图 3 4 蝴蝶弹簧 为便于安装与定位 碟型弹簧的外圈也有与摩擦盘外圈相同的凸耳 一般 认为 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 碟性弹簧弹性变形力 F0的计算公式为 3 3 5 0 1 2 2 1 2 0 thh RK Et F 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 1 K R 大端自由半径 mm h 内锥高 mm 由此可见当内径 d 外径 D 和厚度 一定时 弹性特性只与高厚比 有关 0 h 高厚比对碟形弹簧性能的影响可由图 3 5 说明 0 h 太原理工大学现代科技学院论文 16 图 3 5 碟形弹簧的性能曲线 1 时 性能曲线近似呈线性变化 5 0 0 h 2 时 性能曲线呈非线性变化 刚度随变形量增加而减 2 5 0 0 h 小 3 时 性能曲线有一极大值和一极小值 22 2 0 h 4 时 性能曲线出现更宽的负刚度区域 22 0 h 为保证摩擦片式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 0 h 22 2 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 h 3 4 行星齿轮轴行星齿轮轴 行星齿轮轴有搭接式和整体式两种 行星齿轮轴的端部要作成菱形 与压力环 v 型楔面相配合 太原理工大学现代科技学院论文 17 3 5 行星齿轮与半轴齿轮行星齿轮与半轴齿轮 图 3 6 半轴齿轮 摩擦片式差速器行星齿轮结构基本与普通差速器的相同 但半轴齿轮结构 变化较大 其轴端圆周上开有与摩擦片内凸耳相配合的凹槽 以实现摩擦盘的 定位和同步转动 见图 3 6 行星齿轮与半轴齿轮的齿形设计与普通差速器的 行星齿轮 半轴齿轮相同 3 63 6 4 64 6 差速器壳差速器壳 摩擦片式差速器壳体与普通差速器形状相似 但结构上变化很大 a b 图 3 7 差速器壳 由图 3 7 所示 可知它不是对分的 其中主要配合零件均在右差速器壳 中 所以设计考虑的因素很多 在其内部开设有与压力环外键 摩擦盘外凸耳 相配合的凹槽 以实现压力环 摩擦片的定位与同步转动 圆周上开设油孔 太原理工大学现代科技学院论文 18 以满足摩擦元件 半轴齿轮 行星齿轮 行星齿轮轴等的润滑要求 3 7 锁紧系数及其计算锁紧系数及其计算 锁紧系数即内摩擦力矩 左右半轴传递转矩之差 与差速器壳传递K r M 转矩 M0 左右半轴传递转矩矩之和 即输入转矩 的比值 10 即 下面探讨机械摩擦片式摩擦片式差速器锁紧系数的计算 先取行 0 MMK r 星齿轮轴与压力环相接触的部分进行受力分析 见图 3 8 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 V F 3 4 r M FV 2 0 式中 行星齿轮轴对压力环圆周作用力 N V F 差速器壳传递转矩 N m 0 M 压力环当量作用半径 m p r 图 3 8 行星齿轮轴与压力环受力分析 产生的轴向力为 3 5 ctgFF Vh 式中 行星齿轮轴对压力环轴向压力 N h F 压力环作用角度 将式 3 4 代入式 3 5 中 有 4 6 ctgrMF ph 0 太原理工大学现代科技学院论文 19 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 3 7 fpff rctgrMfnrhFfnM 20 式中 单侧摩擦力矩 N m f M 摩擦元件作用面数 n 摩擦元件摩擦系数 f 摩擦元件平均摩擦半径 m f r 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 11 3 8 f MM 20 M慢 3 9 f MM 20 M 快 而内摩擦力矩为左右两侧转矩之差 即 3 10 快慢 MM r M 将式 3 7 3 9 代入 3 10 式 有 3 11 0 2MrctgrfnMM pfrr 故锁紧系数为 3 12 pfr rctgrfnMMk 0 公式 3 12 即为带压力环的机械摩擦片式摩擦片式差速器锁紧系数计算 公式 同时此式也表明了机械摩擦片式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 太原理工大学现代科技学院论文 20 第第 4 章章 摩擦片式差速器设计计算摩擦片式差速器设计计算 4 1 摩擦片当量摩擦半径和预紧力矩的分析计算摩擦片当量摩擦半径和预紧力矩的分析计算 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5 0 K 擦损失加大会出现汽车转向困难 4 1 1 摩擦片当量摩擦半径的分析计算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 0 M 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 0 M 转矩 mNmNiTM 07 180428 3 53 52 100 发动机输出最大转矩 0 T 减速器一档传动比 1 i 2 单侧摩擦力矩的确定 根据锁紧系数公式5 0 07 180 0 rr M M M K mNMr 35 90 又因为总内摩擦力矩的一半与单侧摩擦力矩相等并结合式 4 1 带压力 环摩擦片差速器锁紧系数公式 所以 0 2 1 MrctgrfnMM pfrf 经查机械设计手册和汽车设计手册式以及经验判断上式各参数确定如下 单侧摩擦元件的摩擦面数初定为 3 个摩擦面 n 单侧摩擦元件的摩擦面的摩擦系数初定为 0 15 f 压力环当量半径初定为 80mm p r 压力环作用角度初定为 45 差速器壳驱动转矩 180 07N m 0 M 0 2 1 MrctgrfnMM pfrf 太原理工大学现代科技学院论文 21 07 18040 4515 0 335 90 2 1 ctgrM ff 所以解原等式得 即摩擦组件平均当量摩擦半径为mmrf38 72 72 38mm 4 1 2 预紧力矩预紧力矩 预紧力矩的作用是在汽车一侧驱动轮失去驱动力后 而保证另一侧在良好 路面上的驱动轮能够发出足够的驱动力保证汽车最低限度的行驶 14 他也是产 生摩擦组件的预紧力即有 4 3 rfGMs 0 式中 摩擦片式差速器预紧力矩 N m 0s M 汽车总重量 10250N G 道路滚动阻力系数 0 01 f 轮胎滚动半径 0 3m r 代入整车参数 有 mNrfGMs 5 423 001 0 10250 0 可见 摩擦片式差速器的预紧力矩 Ms0取大于 42 5N m 即可产生所需内 摩擦力矩的要求 所以预紧力矩取 mNMs 45 0 4 2 确定摩擦元件结构参数确定摩擦元件结构参数 由于摩擦元件当量半径 平均当量摩擦半径 72 38mm 45 0 Dd 故可采用式计算 4 dD rf 根据预定的锁紧系数和差速器壳内部结构尺寸 可以确定 4 2 1 摩擦元件内外径摩擦元件内外径 摩擦元件外径初定为 160mm 内径初定为 76mm 4 2 2 单侧摩擦元件的摩擦面数单侧摩擦元件的摩擦面数 单侧摩擦元件的摩擦面数初定为 3 个摩擦面 4 2 3 摩擦元件厚度摩擦元件厚度 每片厚度初定 3 5mm 太原理工大学现代科技学院论文 22 4 2 4 摩擦元件材料摩擦元件材料 摩擦元件的材料确定为 45 钢材料 4 3 确定压力环确定压力环 v 型槽楔角和压力环作用当量半径型槽楔角和压力环作用当量半径 1 由行星齿轮轴工作面挤压应力和产生轴向压紧力之间优化分析 选 取 V 型槽角 45 45 2 根据减速器壳内部结构尺寸和传递压力的大小 压力环作用当量半 径初定 80mm 4 4 确定碟型弹簧的结构参数确定碟型弹簧的结构参数 4 4 1 碟型弹簧的内外径碟型弹簧的内外径 考虑到差速器壳体尺寸碟型弹簧内外径采用与摩擦元件相同的内外径 即 外径为 160mm 内径为 76mm 4 4 2 碟型弹簧的厚度碟型弹簧的厚度 厚度与摩擦元件相同 即为 3 5mm 4 4 3 碟型弹簧的内锥高碟型弹簧的内锥高 内锥高是由所需要的弹性变形力来确定的 而所需要的弹性变形力的大小 取决于所需的预紧力矩 Ms0 即有 4 4 fs rFfnM 00 2 从上式可得出NF325 0 而 F0可由式 4 3 得到 5 0 1 2 2 1 2 0 thh RK Et F 据此 可以确定内锥高为 mm 706 3 h 4 5 差速器行星齿轮主要参数选择差速器行星齿轮主要参数选择 4 5 1 行星齿轮齿数行星齿轮齿数 n 及半轴齿轮齿数及半轴齿轮齿数 行星齿轮数 n 需根据承载情况来选择 通常情况下 轿车 n 2 货 车或越野车 n 4 所以本设计采用 N 4 太原理工大学现代科技学院论文 23 为了使轮齿有较高的强度 希望取较大的模数 但尺寸会增大 于是又要 求行星齿轮的齿数 Z1 应取少些 但 Z1 一般不少于 10 半轴齿轮齿数 Z2 在 14 25 选用 大多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比 Z2 Z1 在 1 5 2 0 的范围内 为使两个或四个行星齿轮能同时与两个半轴齿轮啮合 两半轴齿轮齿数和 必须能被行星齿轮数整除 否则差速齿轮不能装配 10 1 Z16 2 Z 行星齿轮和半轴齿轮节锥角 分别为 1 2 15 arctan 211 ZZ 57 59 42 16 10arctan 1 1 arctan 122 ZZ 32 0 18 10 16arctan 2 2 锥齿轮大端端面模数m 为 2 2 0 1 1 0 sin 2 sin 2 z A z A m 32sin 16 362 57sin 10 362 m 8 m 行星齿轮和半轴齿轮节锥角 及模数 m 及压力角 1 2 行星齿轮和半轴齿轮节锥角 分别为 1 2 15 arctan 211 ZZ 57 59 42 16 10arctan 1 1 arctan 122 ZZ 32 0 18 10 16arctan 2 2 锥齿轮大端端面模数m 为 2 2 0 1 1 0 sin 2 sin 2 z A z A m 32sin 16 362 57sin 10 362 m 8 m 汽车差速齿轮大都采用压力角为 齿高系数为 0 8 的齿形 3022 太原理工大学现代科技学院论文 24 某些重型货车和矿用车采用压力角 以提高齿轮强度 25 本设计采用压力角为 齿高系数为 0 8 3022 4 5 2 行星齿轮轴直径行星齿轮轴直径 d 及支承长度及支承长度 L 行星齿轮轴直径 d mm 为 dc nr T d 1 1 105 0 mNT 07 180 0 mmrd55 MPa c 98 5510981 1 1007 180 5 d 经计算的的mmd20 式中 为差速器传递的转矩 N m n 为行星齿轮数 为行星齿 0 T d r 轮支承面中点到锥顶的距离 mm 约为半轴齿轮齿宽中点处平均直径的一 半 为支承面许用挤压应力 取98MPa 行星齿轮在轴上的支承长度 c L 为 mmdL22201 11 1 所以 L 大约为 25mm 4 5 3 差速器齿轮的强度校核差速器齿轮的强度校核 差速器齿轮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 它不像主减速器齿轮那样经常处于啮合传动状态 只有当汽车转弯 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计 算 轮齿弯曲应力 MPa 为 w 16 3 22 10 2 jndmbk kTk v ms w 式中 n为行星齿轮数 J为综合系数 10 n54 0 j 太原理工大学现代科技学院论文 25 为半轴齿轮齿宽 为大端分度圆直径 mm 2 b20 2 b 2 d80 2 d T为半轴齿轮计算转矩 N m 按主mNTT 1086 0 0 v k s k m k 减速器齿轮强度计算的有关数值选取 查机械设计手册分别为 2 1 v k 96 0 s k73 1 m k 当时 cF TT 0 210 w MPa 经代入以上数据 MPaMPa w 210 5 19810 54 0 056 61816 3 101096 0 2 1 73 1 1082 3 所以设计符合要求 4 5 4 差速器齿轮材料差速器齿轮材料 差速器齿轮与主减速器齿轮一样 基本上都是用渗碳合金钢制造 目前用于制造差速器锥齿轮的材料为20CrMnTi 20CrMoTi 22CrMnMo 和 20CrMo 等 由于差速器齿轮轮齿要求的精度较低 所以精锻差速器齿轮工 艺已被广泛应用 本设计采用第一种 20CrMnTi 作为差速器的齿轮材料 表 4 1 半轴齿轮和行星齿轮参数 参数半轴齿轮行星齿轮 齿数 模数 mm 16 8 10 8 齿面宽 mm 齿工作高 mm 20 6 20 6 齿全高 mm 1515 压力角 22 30 22 30 轴线间夹角 90 90 分度圆直径 mm 16080 节锥角 57 59 42 32 0 18 节锥距 mm 周节 mm 72 12 72 12 齿顶高 mm 8 7 8 7 太原理工大学现代科技学院论文 26 齿根高 mm 径向间隙 mm 齿根角 0 768 7 19 48 0 768 4 37 11 面锥角 根锥角 62 36 54 50 39 54 39 20 6 27 23 6 外圆直径 mm 节锥顶点至齿轮外圆距离 mm 168 17 90 28 齿侧间隙 mm 0 120 12 太原理工大学现代科技学院论文 27 结论结论 在大学的学习过程中 毕业设计是一个重要的环节 是我们步入社会参与 实际的汽车零件设计一次极好的演示 此次我做的设计从最初的选题 到差速 器组成部分的设计计算 绘图直到完成设计 期间 查找资料 老师指导 与 同学交流 反复修改图纸等等