轻卡差速器设计说明书

1、山东交通学院毕业设计摘 要 本次毕业设计主要是对给定整车参数的车辆设计差速器和半轴。通过三维软件SolidWorks2010进行建模，通过大型分析软件ANSYS Workbench14.0进行分析优化。主要涉及到了差速器非标准件，如行星齿轮、半轴齿轮和差速器壳等的设计计算，以及对半轴的设计计算以及有限元分析。同时也介绍了差速器的发展状况和差速器的种类。对于差速器的方案选择和工作原理也作出了简略的说明。在设计中参考了大量的文献，因此对差速器的结构和作用有更透彻的了解。关键字：差速器，半轴，SolidWorks，WorkbenchABSTRACT The graduation project is

2、 mainly for the design of the vehicle parameters of the vehicle differential and axle. Using the three-dimensional software SolidWorks2010 to model and the large-scale analysis software ANSYS Workbench14.0 to analyze and optimize. It is mainly related to the non-standard parts, such as the planetary

3、 gear,the half shaft gear,the differential case and other design calculations, as well as the design calculation of the half shaft and finite element analysis. At the same time, it also introduces the development of the differential and the types of differential. It also makes a brief description of

4、 the scheme selection and working principle of the differential. There is a large number of references in the design , so the structure and the role of the differential have been a more-thorough understanding.Key words: Differential mechanism,Axle,SolidWorks,ANSYS Workbench目 录1前言1.1研究汽车差速器的背景及意义1.2国

5、内外汽车差速器的研究现状1.2.1国内汽车差速器生产企业研究现状1.2.2我国汽车差速器行业的发展现状1.3汽车差速器的作用及分类1.4差速器的工作原理2汽车差速器的设计方案2.1本次设计的初始数据2.2差速器结构形式的选择2.3差速器结构分析2.4对称式行星齿轮与半轴齿轮的设计计算2.4.1对称式差速器行星齿轮与半轴齿轮参数的确定2.4.2差速器行星齿轮与半轴齿轮的几何计算2.4.3差速器行星齿轮与半轴齿轮的强度计算2.4.4差速器行星齿轮与半轴齿轮材料的选择2.5差速器行星齿轮轴的设计计算2.5.1行星齿轮轴的分类及选用2.5.2行星齿轮轴的尺寸设计2.5.3行星齿轮轴材料的选择2.6差速

6、器垫圈的设计计算2.6.1半轴齿轮垫圈的尺寸设计2.6.2行星齿轮垫圈的尺寸设计2.7差速器壳体的设计计算2.7.1材料的选择2.7.2结构的分析及尺寸的确定2.8差速器标准零件的选用2.8.1螺栓及螺栓材料的选用2.8.2螺母及螺母材料的选用2.8.3差速器轴承的选用2.8.4十字轴键的选用2.9差速器总成的装配和调整2.9.1差速器总成的装配2.9.2差速器零部件的调整3半轴的设计3.1半轴的结构形式分析及选用3.2半轴的设计计算3.3半轴杆部直径的初选3.4半轴的花键选用及材料选择4半轴的有限元分析4.1软件ANSYS Workbench14.0介绍4.2建立有限元模型4.3边界条件及材

7、料定义4.4有限元仿真分析结果4.5结论参考文献致谢3前 言1.1研究汽车差速器的背景及意义 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”。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）。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

8、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。1.2国内外汽车差速器的研究现状 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国外汽车差速器生产企业研究现状 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

9、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。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

10、，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。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是差速器的最终目标。1.2.2我国汽车差速器行业的发展现状从目前来看，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，

11、国企企业新增投资项目逐渐增多。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，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。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。这里着重介绍一下一种新型差速器为LMC常互锁差速器：LMC常互锁差速器是由湖北力鸣汽车差速器公司投资5000万元生产的新型差速器2009年批量生产，2010年达到验

12、收。LMC常互锁差速器用于0.5-1.5吨级车辆，它能有效地提高车辆的通过性、越野型、可靠性、安全性和经济性，能够满足很多不同条件和不同情况下的车辆要求。这种纯机械、非液压、非液粘、非电控的中央差速分动装置，已申报了美、英、日、韩、俄罗斯等19个国家的专利保护，这一技术不仅仅是一项中国发明，也是一项世界发明。LMC常互锁差速器是由多种类的齿轮系统及相应的轴、壳体组成，具备传动汽车的前轮和后轮轮间差速器、前后桥轴间差速器。LMC常互锁差速分动器通过四支传动轴和轮边减速器带动四个车轮，实现每个车轮独立驱动，在有两个车轮打滑的情况下仍能正常行驶，在冰雪路面、泥泞路面、无路路面上有其独特优势，可以彻底

13、解决传统四驱汽车的不足：如不能高速行驶；车轮打滑不能正常行驶；不能实现轴间差速；高油耗问题、功率循环问题；四驱转换麻烦等。装有LMC常互锁差速分动器的车辆具有以下优点：（1）提高车辆的通过性：具有混合差速，LMC常互锁差速分动器可实现轮间、轴间、对角任意混合差速和锁止，任何情况下单个车轮、对角线双轮不会发生滑转，即使单个车轮悬空，车轮仍有驱动力而能正常行驶。 （2）提高汽车的传动系的寿命和可靠性：因实现了任意差速，消除了功率循环，克服了分时四驱在四驱状态下传动系统因内耗而产生的差速器、传动轴、分动器等机件磨损，甚至于致命性的损坏，延长了传动系统的使用寿命。（3）提高车辆的安全性：行车安全，转弯

14、容易，加速性好，制动稳定，操纵轻便安全，无需增加操纵机构。（4）具有良好的经济性：功能领先，制造成本低，维修简便，节油，经济环保，产品适用性广。LMC常互锁差速分动器的研发是在经济刺激的影响下产生的产品，符合我国国情的需要。1.3汽车差速器的作用及分类 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。 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R1和R2不同，行程显然不同，即外侧车轮滚过的距离大于内测车轮；汽车在不平的路面行驶时

15、，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

16、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。按用途分有： 轮间差速器装在同一驱动桥两侧驱动轮之间。 轴间差速器装在两个驱动桥之间。按性能分有： 普通齿轮式差速器只起差速作用。 防滑差速器既有差速作用，又有防滑作用。防滑作用是指当左右或前后驱动轮的 某一个驱动轮打滑时，由差速器传来的转矩大部分或全部传给不打滑的驱动轮，用以推动汽车继续行驶。1.4差速器的工作原理 差速器一般采用对称式锥齿轮结构，其原理如下图1-2所示： a b c 图1-2差速器差速原理图1、2-半轴齿轮；3-差速器壳；4-行星齿轮；5-行星齿轮轴；6-主减速器从动齿轮 如图1-2所示，对称式

17、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；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2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r上的A、B、C三点的圆周速度都相等（图2.1.b），其值为r。于是有： =即差速器不起差速作用，而半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1-1.c），啮合点A的圆周速度为r=r+,啮

18、合点B的圆周速度为 r=r- 。于是,r+r=（r+）+（r-） 即+=2+= （1-1） 若角速度以每分钟转数n表示，则 +=（1-2） 式（1-2）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（1-2）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

19、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=/2。 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

20、驱动车轮存在转速差时，(=（-）/ 2-，=（+）/ 2-，左、右车轮上的转矩之差等于差速器的内摩擦力矩。 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K = (-)/ M =/ （1-3） 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K。快慢半轴的转矩之比/定义为转矩比， 即: =/=(1+K)/(1-K)=+- （1-4） 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K=0.05-0.15，转矩比为1.1-1.4，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。这样的分配比例对于汽车在好的路面上直线或转

21、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

22、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汽车差速器的设计方案2.1本次设计的初始数据驱动形式： 42 后轮；轴 距： 3360mm；额定质量：1800kg；整备质量：2490kg；总质量： 4485kg；发动机最大功率/KW及转速/r/min: 85/3600；发动机最大转矩/N/m及转速/r/min：280/2300；轮胎型号：7.00-16 8PR； 满载轴荷分配： 1345 kg（前轴）/3140 kg（后轴）；发动机型号： 富田BJ

23、493ZLQ3；变速器传动比低挡/高档：4.717/0.784；最高车速km/h：95；2.2差速器结构形式的选择 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，根据福田BJ1049V9JDA-1轻型载货汽车的类型，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。设计简图如下： 图2.2差速器结构方案图 如图，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

24、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。2.3差速器的结构分析 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； 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。 在轻型卡车上由于

25、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。 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。 对称式锥齿轮差速器的具体详细结构如下： 图2.3普通的对称式锥齿轮差速器1-轴承；2-差速器左壳；3-半轴齿轮垫片；4-半轴齿轮；5-行星齿轮垫圈；6-行星齿轮；7-传动齿圈；8-差速器右壳；9-行星齿轮轴；10-螺栓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

26、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。2.4对称式行星齿轮与半轴齿轮的设计计算2.4.1对称式差速器行星齿轮与半轴齿轮参数的确定 确定行星齿轮的数目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。本次设计中的轻卡选择四个行星齿轮即n=4=。 行星齿轮球面半径的确定以及节锥距的计算。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： = （2-1）上式中：是行星齿轮球面半径系数，=2.52.97，对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

27、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2.5，是差速器计算转矩，(=min，（Nm），是球面半径（mm）。 计算从动锥齿轮计算转矩： = （2-2） 上式中：是计算转矩（Nm），是由于猛接离合器而产生的动载系数，对于性能系数=0的汽车(一般货车，矿用汽车，越野车)，取=1，是发动机最大转矩，=280Nm，K是液力变矩器变矩系数，K=1，是变速器一档传动比，本车变速器一档传动比=4.717，是分动器传动比，=1，是主减速器传动比，本车采用单级主减速器，主减速器传动比=7.02，是从发动机到主减速器从动齿轮之间的传动效率，=96%，n是驱动桥数，n=1。代入式（2-2）中，得=

28、8900Nm。= 从动锥齿轮计算转矩： = （2-3）上式中：是计算转矩，是满载状态下一个驱动桥上的静负荷，对于42式卡车，为了保证在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%30%，本次设计中满载轴荷分配： 1345 kg（前轴）/3140 kg（后轴）故=44853140/44859.8=30772N。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1.21.4，货车为1.11.2,此处取1.1。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，本次设计中轮胎型号：7.00-16 8PR查下表得=0.379m 是主减

29、速器从动锥齿轮到车轮间的传动比，=1=。 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，=1=，代入式（2-3）中，得=10905NM。 = ，所以=min，=8900Nm。 将以上数据代入式（3-1）中，得：=51.81mm=将圆整为52mm,锥齿轮的节锥距一般稍小于，即()(=（0.980.99）=（50.9651.48）mm所以预选其节锥距=51mm。 确定行星齿轮和半轴齿轮的齿数。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，但一般不少于10，半轴齿轮的齿数一般采用1425之间。汽车半轴齿轮与行星齿轮的齿数之比大多在1.52的范围内。为了使四个行星

30、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 , （2-4） （2-5）上式中：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，,是任意整数。 根据上述可在此取满足以上要求。 初步确定差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮的节圆直径。初步确定行星齿轮节锥角和半轴齿轮节锥角 （2-6）确定圆锥齿轮大端端面模数4.95mm （2-7）大端端面模数按圆锥齿轮的标准模数系列选取，查表得确定半轴齿轮的节圆直径 =m=510=50mm （2-8） =m=518=90m

31、m 确定压力角。目前，汽车差速器的齿轮大都采用的压力角，齿高系数为0.8。行星齿轮的最小齿数可减少到10，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，在此选的压力角。 确定行星齿轮安装孔的孔径和孔长度。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： （2-9）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： （2-10）即， 由上面各式可得： （2-11）上式中：是差速器的计算转矩，=8900NM。是行星齿轮轴孔中心到节锥顶点

32、的距离，约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，而，即 =0.890=72mm,=0.572=36mm。是行星齿轮数目，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将上述各计算结果代入式（3-11）中，可得： d=23.94mm 则取24mm,L=26mm2.4.2差速器行星齿轮与半轴齿轮的几何计算序号名称符号计算公式计算结果1行星齿轮齿数,应尽量取最小值2半轴齿轮齿数,且需满足式（3-4）（3-5）3模数4齿面宽b=15mm5工作齿高=8mm6全齿高7压力角8轴交角9节圆直径=50mm=90mm10节锥角11节锥距=51.5mm12周节

33、t=15.70813齿顶高=5.28mm=2.72mm14齿根高=3.66mm=6.22mm15径向间隙c=0.991mm16齿根角=4.07=6.9017面锥角=35.9=65.0718根锥角=24.93=54.119齿顶圆直径=59.24mm=92.64mm20齿根圆直径=43.60mm=83.97mm21分度圆齿厚 s=7.85mm22齿侧间隙2.4.3差速器行星齿轮与半轴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

34、并不发生，主要是轮齿弯曲破坏问题。 （3-12）上式中：是弯曲应力， 是半轴齿轮计算转矩，T=0.6=0.68900=5340Nm 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，与齿轮尺寸及热处理等因素有关，当时，所以 =0.666 是齿面载荷分配系数，跨置式；悬臂式，此处取，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，周节及同心度准确时，取,是差速器行星齿轮和半轴齿轮的模数，m=5mm，是半轴齿轮的齿宽， 是半轴齿轮的大端分度圆直径，=95mm是综合系数，参照图3.2查得可取0.256图2.4弯曲计算用综合系数是行星齿轮的数目，n=4代

35、入式（3-12）中，可得： =974.9MPa980MPa所以，差速器齿轮满足弯曲强度要求。2.4.4差速器行星齿轮与半轴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

36、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。2.5差速器行星齿轮轴的设计计算2.5.1行星齿轮轴的分类及选用 行星齿轮的种类有很多，而差速器齿轮轴的种类也很多，最常见的是一字轴和十字轴，在小型汽车上由于转矩不大，所以要用一字轴，而载货的较大质量的汽车传递的转矩较大，为了延长轴的使用寿命以及提高轴的承载能力，常选用十字轴，由四个轴的轴颈来分配

37、转矩。 此次设计主要参考福田BJ1049V9JDA-1轻型载货卡车，所以选用的是行星齿轮十字轴。如图2.5所示： 图2.5十字轴的结构方案图2.5.2行星齿轮轴的尺寸设计 由行星齿轮的支承长度L=18.45mm，根据安装时候的方便选择轴颈的长度为45mm；而行星齿轮安装孔的孔径d=24mm，所以轴颈的直径预选为24mm。2.5.3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

38、的材料为45钢。2.6差速器垫圈的设计计算 垫圈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

39、轮和行星齿轮十字轴固定在一起传递转矩。2.6.1半轴齿轮垫圈的尺寸设计 如下图5.1所示：为平垫圈的结构方案简图。 图5.1平垫圈 本次设计的轻型卡车的半轴直径约为40mm,如图5.1（a）所示，按照装配关系可选择半轴齿轮平垫圈的安装孔直径要大于50mm，初步预选安装孔直径为51mm，由图5.1（b）根据安装的简易程度选取垫圈的厚度h为2mm.选用的材料是65Mn。2.6.2行星齿轮垫圈的尺寸设计 由行星齿轮十字轴轴颈的直径为24mm，根据装配关系选择球形垫圈的安装孔直径为24mm，厚度h为2mm,选用的材料是Q235A。2.7差速器壳体的设计计算2.7.1材料的选择 毛坯材料的确定一般应考虑

40、零件在整个机器中的作用，零件的形状、大小、生产纲领以及工作环境，零件材料应具备主要机械性能指标。此外，还有材料的工艺性、经济性，也是该零件选择材料时要考虑的因素。差速器壳起着支承、联接，传递扭矩的作用，因而对强度、塑性、任性要求较高。故选择铸铁材料。考虑到铸铁材料的工艺性和经济性，因而选用目前广泛使用的球墨铸铁。 球墨铸铁具有较高的强度，其抗拉强度也大大超过灰口铸铁，球墨铸铁具有良好的铸造性、减摩性、切削性和低的缺口敏感性，其生产工艺简便，成本低廉，可选用QT42010。2.7.2结构的分析及尺寸的确定 零件是差速器壳体，它与半轴套管配套使用，为车辆的左右转向提供不同速度的可靠性。 50孔用于

41、安装与两驱动轮相联的齿轮和半轴，两24用于安装十字轴与形星齿轮。整个差速器的功能是使左右驱动轮能以不同的速度旋转，以满足车辆转向的需要。 本零件是闭式差速器的重要组成部分之一，它位于差速器的左部与右壳相联，起着支承、连接和保护的作用。其它各部分功用如下：1)50外圆支承在轴承上，使差速器壳体旋转，从而传递动力和运动。2)138外圆与右半壳相配合，一起传递动力、运动、支承工件、保护内部结构。3)200外圆连接中央传动大圆锥齿轮，使运动和动力传到差速器，而后传到两个后轮，得到不同的转速。4)中间十字轴孔4-24是支承在壳体上的轴孔，传递动力和运动，中间内部是轮系各齿轮运动的空间。5)12-12用于

42、连接中间大齿轮。 肋板等非重要尺寸，在保证强度的情况下可以自行设计。2.8差速器标准零件的选用2.8.1螺栓及螺栓材料的选用 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。本次设计中选用尺寸为 M141.5，细牙螺纹的六角头螺栓，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。2.8.2螺母及螺母材料的选用 我们所接触到的螺母有六角薄螺母、六角开槽螺母。在机械

43、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。 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。2.8.3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角接触球轴承。由差速器和半轴的计算数据可取差速器轴承外径为80mm左右，内径为50mm左右，参考机械设计课程设计手册选取的

44、角接触球轴承的型号是7010CGB/T 297-1994.2.8.4十字轴键的选用 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。2.9差速器总成的装配和调整2.9.1差速器总成的装配 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

45、，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。2.9.2差速器零部件的调整 齿轮啮合间隙的调整：正确的齿轮啮合间隙范围为0.150.4mm，而一对齿轮的齿轮间隙变动范围为0.15mm。如：一对齿轮的最小齿轮间隙为0.15,mm，则最大间隙只能为0.30mm，若最大齿轮间隙为0.40mm，则最小齿轮间隙为0.2

46、5mm等。齿轮的啮合间隙的调整可用移动差速器轴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。 3半轴设计3.1半轴的结构形式分析及选用 现代汽车常用的半轴，根据其支承型式不同，分为三种，即全浮式、3/4浮式、半浮式。 全浮式半轴工作时仅承受转矩，它的两端不承受任何力和弯矩的半轴称全浮式半轴。半轴的外端凸缘用螺栓紧固到轮毂上，轮毂又通过两个相距较远的轴承装在半轴套管上。结构上全浮式半轴的内端做有花键，外端做有凸缘，凸缘上有若干孔。因工作可靠广泛应用在商用车上。3/4浮式半轴除承

47、受全部转矩外，还要承受一部分弯矩。 3/4浮式半轴最突出的结构特点是半轴外端仅有一个轴承，轴承支承着车轮轮毂。由于一个轴承的支承刚度较差，因此，这种半轴除承受转矩外，还要承受因车轮与路面间的垂直力、驱动力和侧向力所引发的弯矩作用。3/4浮式半轴在汽车上应用很少。 半浮式半轴以靠近外端的轴颈直接支承在位于桥壳外端内孔中的轴承上，半轴端部以具有锥面的轴颈及键与轮毂固定连接，或用凸缘直接与车轮轮盘及制动毂相连接。因此，除传递转矩外，还要承受车轮传来的垂直力、驱动力和侧向力引起的弯矩。半浮式半轴因结构简单、质量小、造价低，应用于乘用车和部分同用车上。本此设计选用全浮式半轴。3.2半轴的设计计算该车驱动型式为42驱动，则半轴转矩T的计算公式为： T= （4-1）式中：是差速器的扭矩分配系数，对于普通的圆锥行星齿轮差速器来说，计算时取=0.6。由此可得，半轴转矩T=0.62804.7177.02=5563.04 Nm3.3半轴杆部直径的初选 全浮式半轴杆部直径可按下式初步选取，d=K式中，d为半轴杆部直径（mm），为半轴计算转矩（NM），K为直径系数，取0.2050.218，本次设计初取，0.210。=，式中，为驱动桥的最大静载