差速器设计教程

1、汽汽 车车 设设 计计 合肥工业大学汽车教研室马恒永合肥工业大学汽车教研室马恒永 防滑差速器设计防滑差速器设计 9.4.4 防滑差速器设计防滑差速器设计 、防滑差速器与汽车防滑控制系统防滑差速器与汽车防滑控制系统 、防滑差速器、防滑差速器结构形式与应用结构形式与应用 、防滑差速器防滑差速器性能评价指标与计算性能评价指标与计算 、差速器、差速器壳体有限元分析壳体有限元分析 1 1、防滑差速器与汽车防滑控制系统、防滑差速器与汽车防滑控制系统 普通普通差速器差速器 差速器是汽车驱动桥中的重要部件，其主要功能是使驱动桥的差速器是汽车驱动桥中的重要部件，其主要功能是使驱动桥的 左、右驱动轮具有汽车行驶运

2、动学所要求的差速，并将动力分配给左、右驱动轮具有汽车行驶运动学所要求的差速，并将动力分配给 左、右驱动轮。但左、右驱动轮。但普通差速器的普通差速器的“差速不差扭差速不差扭” ” 即等转矩分配性能，即等转矩分配性能， 却严重影响了汽车的通过性、牵引性和行驶安全性。却严重影响了汽车的通过性、牵引性和行驶安全性。 为了克服普通差速器的缺点，改善汽车的通过性、牵引性和行为了克服普通差速器的缺点，改善汽车的通过性、牵引性和行 驶安全性一般采用驶安全性一般采用强制锁止式差速器强制锁止式差速器和和防滑差速器防滑差速器；为了更好地；为了更好地提提 高汽车动力性和行驶安全性能，发展了高汽车动力性和行驶安全性能，

3、发展了汽车汽车防滑控制系统防滑控制系统。 强制锁止式差速器强制锁止式差速器普通差速器差速锁普通差速器差速锁 防滑差速器防滑差速器差速器自锁防滑结构差速器自锁防滑结构 汽车汽车防滑控制系统防滑控制系统制动防抱死系统制动防抱死系统( (ABS) )和和驱驱动动 防滑系统防滑系统( (ASR) )的统称，有简称的统称，有简称ABS/ASR。 强制锁止式强制锁止式差速器差速器 强制锁止式差速器强制锁止式差速器普通差速器差速锁普通差速器差速锁 必要时将差速器锁止，令其不起差速器作用必要时将差速器锁止，令其不起差速器作用。 结构简单、易于制造；但往往要停车挂锁或脱锁，结构简单、易于制造；但往往要停车挂锁或

4、脱锁， 操作不便，当在好路段行驶时如未及时脱锁则将产生操作不便，当在好路段行驶时如未及时脱锁则将产生 无差速器的一系列问题。无差速器的一系列问题。 强制锁止式差速器强制锁止式差速器典型结构：典型结构：P365, 图图9-82, 83 防滑差速器防滑差速器 防滑差速器防滑差速器差速器自锁防滑结构差速器自锁防滑结构 防滑差速器防滑差速器是一种是一种能克服能克服普通差速器普通差速器等转矩分配等转矩分配的缺的缺 点，点，并同时具有普通差并同时具有普通差速功能的差速器。速功能的差速器。 当汽车左、右驱动轮在不同地面附着条件下行驶时，当汽车左、右驱动轮在不同地面附着条件下行驶时， 防滑差速器防滑差速器可以

5、设法可以设法（自动或通过控制）（自动或通过控制）使使大部分转矩甚大部分转矩甚 至全部转矩分配给附着条件相对比较好的一侧驱动轮至全部转矩分配给附着条件相对比较好的一侧驱动轮，从，从 而改善了汽车的通过性、牵引性和行驶安全性。有称而改善了汽车的通过性、牵引性和行驶安全性。有称自锁自锁 差速器差速器、限滑差速器。限滑差速器。 防滑差速器工作原理防滑差速器工作原理 慢速侧慢速侧快速侧快速侧 汽车防滑控制系统（汽车防滑控制系统（ABS/ASR） 汽车防滑控制系统汽车防滑控制系统驱驱动防滑系统动防滑系统( (ASR) )和和制动防制动防 抱死系统抱死系统( (ABS) )的统称，有简称的统称，有简称ABS

6、/ASR。 驱动防滑系统驱动防滑系统 汽车驱动过程中防止驱动车轮发生滑转的控制系统称为汽车驱动过程中防止驱动车轮发生滑转的控制系统称为驱动防驱动防 滑转系统滑转系统(Acceleration Slip Regulation)，简称简称ASR。它是通过调节。它是通过调节 驱动车轮的牵引力实现驱动车轮滑转控制的，所以也被称为驱动车轮的牵引力实现驱动车轮滑转控制的，所以也被称为牵引力牵引力 控制系统控制系统(Traction Control System)，简称，简称TCS。ASR可以利用已有可以利用已有 的的ABS和发动机电子控制系统和发动机电子控制系统来实现！来实现！ 防滑控制系统应用防滑控制系

7、统应用 一般首先是装备一般首先是装备ABS（国外轿车和轻型货车几乎国外轿车和轻型货车几乎100%），而后，而后 装备装备ABS/ASR；在大型客车和货车上，；在大型客车和货车上，ABS也在迅速地普及，有些也在迅速地普及，有些 也装备了也装备了ASR 。目前国外有形式多样、价格档次不同的多种防滑控。目前国外有形式多样、价格档次不同的多种防滑控 制系统，可供不同档次的汽车进行选择装备。制系统，可供不同档次的汽车进行选择装备。 2 2、防滑差速器结构形式及其应用、防滑差速器结构形式及其应用 防滑差速器结构形式及其应用防滑差速器结构形式及其应用 结构形式结构形式锁紧系数锁紧系数评价与应用评价与应用 普

8、通差速器普通差速器1.11.5等转矩分配等转矩分配？ 强制锁止式强制锁止式简单，操作不便简单，操作不便？越野、重型车用越野、重型车用 高摩擦式高摩擦式 5 结构简单、工作平稳、工艺继承性好结构简单、工作平稳、工艺继承性好 轿车、轻型车用轿车、轻型车用 36结构复杂、制造要求高、磨损大结构复杂、制造要求高、磨损大？ 蜗轮式蜗轮式69全轮驱动轴间与非转向驱动桥轮间全轮驱动轴间与非转向驱动桥轮间 牙嵌式牙嵌式传递转矩有脉动传递转矩有脉动？中、重型车用中、重型车用 滚子式滚子式接触应力大接触应力大？越野车、轻型车用越野车、轻型车用 1.31.5P379 摩擦片式摩擦片式 预压弹簧式预压弹簧式 滑块凸轮

9、式滑块凸轮式 蜗蜗 轮轮 式式 自由轮式自由轮式 变传动比式变传动比式 摩擦片（盘）式防滑差速器摩擦片（盘）式防滑差速器 F1行星齿轮半轴行星齿轮半轴齿轮啮合齿轮啮合轴向力轴向力 F1 利用主从摩擦片（盘）间利用主从摩擦片（盘）间 相对滑转产生大的内摩擦力矩相对滑转产生大的内摩擦力矩 摩擦片（盘）式防滑差速器摩擦片（盘）式防滑差速器 行星齿轮轴差速器壳压力盘行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽形槽 F1行星齿轮半轴行星齿轮半轴齿轮啮合齿轮啮合轴向力轴向力 F2行星齿轮轴差速器壳压力盘行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽形槽压力压力 F1 F1 F1 F2F2 F2 弹簧预压弹簧预压摩擦片（盘）式防滑差速器摩擦

10、片（盘）式防滑差速器 利用预压紧弹簧压紧摩擦片（盘）产利用预压紧弹簧压紧摩擦片（盘）产 生大的内摩擦力矩生大的内摩擦力矩 圆柱螺旋弹簧增载式圆柱螺旋弹簧增载式车桥厂样品车桥厂样品 F3F3F3 F1F1 F1 F1行星齿轮半轴行星齿轮半轴齿轮啮合齿轮啮合轴向力轴向力 F3弹簧弹簧压紧力压紧力 弹簧预压弹簧预压摩擦片（盘）式防滑差速器摩擦片（盘）式防滑差速器 弹簧弹簧、行星齿轮轴压力盘行星齿轮轴压力盘形槽形槽 F1行星齿轮半轴行星齿轮半轴齿轮啮合齿轮啮合轴向力轴向力 F2行星齿轮轴差速器壳压力盘行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽形槽 F3弹簧弹簧压紧力压紧力 F3 F1 F2 圆柱螺旋弹簧增载式圆柱螺

11、旋弹簧增载式 弹簧预压摩擦式弹簧预压摩擦式卸载式卸载式 F1行星齿轮半轴行星齿轮半轴齿轮啮合齿轮啮合轴向力轴向力 F2弹簧弹簧压紧力压紧力 F1 F2 碟形弹簧卸载式碟形弹簧卸载式 弹簧预压摩擦式弹簧预压摩擦式卸载式卸载式 F1行星齿轮半轴行星齿轮半轴齿轮啮合齿轮啮合轴向力轴向力 F2弹簧弹簧压紧力压紧力 F2 碟形弹簧卸载式碟形弹簧卸载式 猎豹猎豹 弹簧预压式弹簧预压式防滑差速器防滑差速器 圆柱螺旋弹簧圆柱螺旋弹簧 碟形弹簧碟形弹簧 利用预压紧弹簧压紧摩擦片利用预压紧弹簧压紧摩擦片 或锥面产生大的内摩擦力矩或锥面产生大的内摩擦力矩 江苏江苏-50-50拖拉机拖拉机 防滑差速器防滑差速器 车桥

12、厂车桥厂 防滑差速器样品防滑差速器样品 弹簧预压式弹簧预压式防滑差速器防滑差速器 圆柱螺旋弹簧增载式圆柱螺旋弹簧增载式碟形弹簧卸载式碟形弹簧卸载式 利用预压紧弹簧压紧摩擦锥面产利用预压紧弹簧压紧摩擦锥面产 生大的内摩擦力矩生大的内摩擦力矩 弹簧预压摩擦片式弹簧预压摩擦片式防滑差速器防滑差速器 利用预压紧弹簧压紧摩擦片利用预压紧弹簧压紧摩擦片 产生大的内摩擦力矩产生大的内摩擦力矩 江苏江苏-50-50拖拉机拖拉机车桥厂样品车桥厂样品 滑块凸轮式滑块凸轮式防滑差速器防滑差速器 凸轮套凸轮套 滑块滑块 利用滑块与凸轮套之间利用滑块与凸轮套之间 产生大的内摩擦力矩产生大的内摩擦力矩 蜗轮式蜗轮式防滑差

13、速器防滑差速器 蜗轮式防滑差速器蜗轮式防滑差速器托森式防滑差速器托森式防滑差速器 奥迪奥迪80/90轿车轴间差速器轿车轴间差速器丰田丰田Celica Gt-Four轮间差速器轮间差速器 利用蜗轮蜗杆副的螺旋角与摩擦角产生大的内摩擦力矩利用蜗轮蜗杆副的螺旋角与摩擦角产生大的内摩擦力矩 牙嵌式自由轮牙嵌式自由轮防滑差速器防滑差速器 控制闭锁式控制闭锁式防滑差速器防滑差速器 防滑差速器与方向盘联动防滑差速器与方向盘联动 （液压或电控操纵）（液压或电控操纵） 各种摩擦式防滑差速器性能各种摩擦式防滑差速器性能 T TL TH 摩擦片式摩擦片式 弹簧预压式弹簧预压式 弹簧预压摩擦片式弹簧预压摩擦片式 普通

14、差速器普通差速器 汽车的传动装置 预压量预压量 增载式防滑差速器性能增载式防滑差速器性能 普通差速器普通差速器 拖拉机及类似车辆传动系 弹簧预压弹簧预压 摩擦片式摩擦片式 ( (增载式增载式) ) 转矩增值量转矩增值量 r=1 TL Td 卸载式防滑差速器性能卸载式防滑差速器性能 普通差速器普通差速器 拖拉机及类似车辆传动系 弹簧预压式弹簧预压式 （卸载式）（卸载式） 转矩增值量转矩增值量 r=1 TL Td 3、防滑差速器性能评价指标与计算、防滑差速器性能评价指标与计算 q 防滑差速器防滑差速器锁紧系数和扭矩分配系数锁紧系数和扭矩分配系数 q 差速器效率和差速器传动效率差速器效率和差速器传动

15、效率 q 摩擦式摩擦式防滑差速器性能防滑差速器性能 q 防滑差速器内摩擦力矩防滑差速器内摩擦力矩Tr r=F f Rf Z F作用与摩擦表面的压力，以产生内摩擦力矩。防滑作用与摩擦表面的压力，以产生内摩擦力矩。防滑 差速器的结构型式不同，差速器的结构型式不同，F力的构成不同！力的构成不同！ q 防滑差速器锁紧系数防滑差速器锁紧系数与转矩分配系数与转矩分配系数定义定义 按按汽车工程手册（设计篇）汽车工程手册（设计篇）、拖拉机设计手册拖拉机设计手册、 汽车构造汽车构造等定义：等定义： =T2T1（k =TrT0 =（T2T1）T0，） =T2T0（kb= T2T1 ，k=TrT0，） 防滑差速器锁

16、紧系数与转矩分配系数防滑差速器锁紧系数与转矩分配系数 王望予王望予汽车设计汽车设计等等 q 防滑差速器效率防滑差速器效率0 0 =T1T2=1K q 防滑差速器传动效率防滑差速器传动效率 =（T1n1T2n2）（）（T0n0） 防滑差速器效率与传动效率防滑差速器效率与传动效率 0 =（T1n1）/（T2n2） （按（按拖拉机设计手册拖拉机设计手册定义）定义） 各种摩擦式防滑差速器性能各种摩擦式防滑差速器性能 T TL TH 摩擦片式摩擦片式 弹簧预压式弹簧预压式 弹簧预压摩擦片式弹簧预压摩擦片式 普通差速器普通差速器 汽车的传动装置 预压量预压量 增载式防滑差速器性能增载式防滑差速器性能 普通

17、差速器普通差速器 拖拉机及类似车辆传动系 弹簧预压弹簧预压 摩擦片式摩擦片式 ( (增载式增载式) ) 转矩增值量转矩增值量 r=1 TL Td 卸载式防滑差速器性能卸载式防滑差速器性能 普通差速器普通差速器 拖拉机及类似车辆传动系 弹簧预压式弹簧预压式 （卸载式）（卸载式） 转矩增值量转矩增值量 r=1 TL Td 摩擦片式防滑差速器摩擦片式防滑差速器性能计算方法性能计算方法 F1行星齿轮半轴齿轮啮合轴向力行星齿轮半轴齿轮啮合轴向力 F2弹簧压紧力弹簧压紧力 无预压机构摩擦式（无预压机构摩擦式（F1） F2 F2 F1 F1F1 弹簧预压摩擦式（弹簧预压摩擦式（F1, F2） F作用与摩擦表

18、面的压力计算作用与摩擦表面的压力计算 行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽 （F1，F3） F1行星齿轮半轴齿轮啮合轴向力行星齿轮半轴齿轮啮合轴向力 F3行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽压力行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽压力 F1 F1 F1 F3F3 F3 弹簧预压弹簧预压、行星齿轮轴压力盘形槽行星齿轮轴压力盘形槽 （F1，F2，F3） F1行星齿轮半轴齿轮啮合轴向力行星齿轮半轴齿轮啮合轴向力 F2弹簧压紧力弹簧压紧力 F3行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽 F2 F1 F3 弹簧预压摩擦式卸载式弹簧预压摩擦式卸载式 （F1，F2） F1行星齿轮半轴齿轮啮

19、合轴向力行星齿轮半轴齿轮啮合轴向力 F2弹簧压紧力弹簧压紧力 F1 F2 防滑差速器锁紧系数计算防滑差速器锁紧系数计算 主动片的摩擦系数 u1=0.150000 行星齿轮与差速器壳及行星齿轮轴的摩擦系数 u2=0.080000 摩擦片的平均摩擦半径 rm=32.400002 摩擦片的衬面数 nm=7.000000 行星齿轮的节锥角 a2=0.583000 半轴齿轮的平均分度圆半径 rh=36.000000 行星齿轮轴与差速器壳接触面的平均摩擦半径 rtc=15.600000 行星齿轮与半轴齿轮的啮合角 a1=0.419000 行星齿轮轴的半径 r0=9.700000 行星齿轮的平均分度圆半径

20、rc=24.000000 弹簧的预压紧力 Fs=240.000000 能够产生摩擦力的摩擦面数 n=7.000000 可变地面摩擦系数产生的车轮转矩 Tl=720800.000000 q计算结果：防滑差速器的锁紧系数:2.317224 、防滑差速器壳体有限元分析、防滑差速器壳体有限元分析 q 差速器壳体有限元分析模型差速器壳体有限元分析模型 q 计算模型计算模型 q 计算载荷计算载荷 q 边界约束边界约束 q 差速器壳体有限元差速器壳体有限元初步分析结果初步分析结果 Ansys有限元有限元模型模型 防滑差速器壳体有限元分析模型防滑差速器壳体有限元分析模型 UG3D3D模型模型 UG3D3D简化

21、模型简化模型 防滑差速器壳体有限元分析防滑差速器壳体有限元分析 q 载荷工况载荷工况三种工况三种工况 工况工况1：防滑差速器为普通差速器工况，不考虑差速器内摩擦；：防滑差速器为普通差速器工况，不考虑差速器内摩擦； 工况工况2：汽车左侧车轮严重打滑，右侧附着条件好，防滑差速器工：汽车左侧车轮严重打滑，右侧附着条件好，防滑差速器工 作，考虑差速器内摩擦，右壳承受的转矩较大；作，考虑差速器内摩擦，右壳承受的转矩较大； 工况工况3：汽车右侧车轮严重打滑，左侧附着条件好，防滑差速器：汽车右侧车轮严重打滑，左侧附着条件好，防滑差速器 工作，考虑差速器内摩擦，左壳承受的转矩较大。工作，考虑差速器内摩擦，左壳

22、承受的转矩较大。 q 计算载荷计算载荷 （计算载荷计算载荷） 防滑差速器壳体有限元分析防滑差速器壳体有限元分析 壳体左、右半轴齿轮接触端壳体左、右半轴齿轮接触端面的均布载荷面的均布载荷P1、 、P2； ； 壳内行星齿轮止推端面的均布载荷壳内行星齿轮止推端面的均布载荷P3； 壳体法兰盘螺孔处后桥大齿轮的等效圆周力壳体法兰盘螺孔处后桥大齿轮的等效圆周力FT1； 壳体后桥大齿轮安装孔处大齿轮等效径向均布载荷壳体后桥大齿轮安装孔处大齿轮等效径向均布载荷P0； 壳体后桥大齿轮安装孔处大齿轮等效轴向力壳体后桥大齿轮安装孔处大齿轮等效轴向力Fa； 壳体内左、右半轴齿轮端面摩擦力的等效圆周力壳体内左、右半轴齿

23、轮端面摩擦力的等效圆周力FT2 （计算载荷计算载荷） 防滑差速器壳体有限元分析防滑差速器壳体有限元分析 差速器壳左、右轴承轴颈表面均施加了差速器壳左、右轴承轴颈表面均施加了X、Y两方向的约束；两方向的约束； 差速器壳左半轴轴承安装端面施加一个差速器壳左半轴轴承安装端面施加一个Z向约束；向约束； 再考虑到差再考虑到差速器壳体的转矩作用，在行星齿轮轴孔速器壳体的转矩作用，在行星齿轮轴孔处加了处加了Y 向的约束。向的约束。 （边界约束边界约束） 防滑差速器壳体有限元分析防滑差速器壳体有限元分析 （初步分析结果初步分析结果工况工况 ） 应力云图应力云图位移云图位移云图 防滑差速器设计计算程序防滑差速器设计计算程序 总体设计总体设计 q 程序功能程序功能 q 防滑差速器性能分析防滑差速器性能分析 q 防滑差速器参数优化设计防滑差速器参数优化设计 q 差速器锥齿轮、花键、轴承