车差速器的虚拟设计及齿轮的工艺过程设计含全套CAD图纸和说明书

1、目 录1 前言11.1差速器的概述11.2差速器的种类及工作原理21.2.1普通圆锥齿轮差速器及工作原理21.2.2抗滑差速器及工作原理51.3 本课题研究的内容62 奔驰S600Pullman差速器选型72.1引言72.2三种差速器的性能比较72.2.1牵引特性82.2.2动力特性82.2.3受力状况82.2.4驱动轮的磨损82.2.5通过性能92.2.6工艺性能92.3 奔驰S600Pullman差速器的选型92.4对称式圆锥行星齿轮差速器的结构92.5对称式圆锥行星齿轮差速器的工作原理103 差速器的基本参数的选择和设计计算123.1行星齿轮差速器的确定123.1.1行星齿轮数目的选择1

2、23.1.2行星齿轮球面半径的确定123.1.3预选其节锥距123.1.4行星齿轮与半轴齿轮齿数的选择123.1.5行星齿轮节锥角123.1.6模数及节圆直径的计算133.1.7压力角133.1.8行星齿轮安装孔直径及其深度的确定133.2差速器直齿锥齿轮的几何尺寸计算133.3差速器直齿锥齿轮的强度计算153.4差速器齿轮的材料163.5行星齿轮跟半轴齿轮的图形163.6从动轮与差速器壳联接螺栓计算163.7十字轴的强度校核174 差速器的三维设计194.1汽车差速器主要零部件的造型设计194.1.1行星齿轮建模194.1.2 机架的建模214.2锥齿轮差速器的装配234.3差速器的运动仿真

3、244.4爆炸图的生成以及动画仿真245 锥齿轮的加工过程设计原则275.1工艺的定义275.2锥齿加工方法285.3锥齿轮的工艺分析285.4确定毛坯及加工余量285.5齿段加工29参考文献30致谢31在机械的设计与制造中，差速器是一个重要的组成部分，它的作用就是在向两边半轴传递动力时，允许两边半轴以不同的转速旋转，使两边驱动轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶。本课题对汽车差速器的原理进行研究，进行汽车差速器的设计工作，并对锥齿轮进行工艺过程设计。关键词The virtual design of automobile differential and the process of the m

4、achining of gear 000(Grade00,Class0,Major Mechanical design and manufacture and its automation ,Mechanical Engineering Dept,Shaanxi University of Technology,Hanzhong723000,Shaanxi)Tutor:000In the design and manufacture of machinery, the differential is an important part.Its role is to allow the two

5、axis to rotate at different speeds when the axis is transmitted to both sides.Make both sides drive wheel as far as possible with the pure rolling of the form as not isometric drive.The research on the principle of the differential is carried out in this thesis.,Design work for vehicle differential,

6、And the process design of the bevel gears is designed.Keywords: Differential mechanism;3D design;Technological process.1 前言 1.1差速器的概述 随着车辆工业及工程机械的发展，零部件供应商和规模较大的零部件厂把形成自主开发能力建设摆到重要地位，提升产品技术水平，实现了和主机厂同步开发甚至超越主机厂产品发展的优势，这是增强竞争力的关键所在点，形成了“引进一吸收一试制一自主创新”的良性发展。 新车型的研发中，驱动桥作为车辆传动系中的一个关键的部件总成，其性能直接影响着整车性能。

7、差速器则是驱动桥的关键部件之一，力矩的分配和各构件的强度，直接决定了车辆的转向性能、通过性和可靠性。车辆行驶运动学的要求和实际驱动轮、道路及其相互关系表明:车辆在行驶过程中，左右驱动轮在同一时间内所滚过的路程往往是不相等的，例如转弯时内侧驱动轮行程比外侧驱动轮短。即使车辆作直线行驶，也会由于左右驱动轮在同一时间内所滚过的路面垂向波形的不同，或由于左右两驱动轮的气压、驱动轮负荷、胎面磨损程度的不同以及制造误差等因素，引起驱动轮滚动半径不相等1。这种情况下，如果驱动桥的左右驱动轮刚性连接，则不论转弯行驶或直线行驶，均会引起驱动轮在路面上的滑移或滑转。一方面会加剧驱动轮磨损，功率和燃料消耗;另一方面

8、会使转向沉重，通过性和操纵性变坏，如图1.1所示是车辆转变示意图。所以，在驱动桥的左右轮间都装有轮间差速器。在多桥驱动的车辆上还装有轴间差速器，以提高其通过性，同时避免在驱动桥间产生功率循环及由此引起的附加载荷，传动系零件损坏，驱动轮磨损和燃料消耗等。差速器用来在两输出轴间分配转矩，并保证两输出轴有可能以不同角速度转动。即差速器是一个差速传动机构，用来保证各驱动轮在各种运动条件下的动力传递，避免驱动轮与地面间打滑。 图1.1 车辆转弯示意图 国内外大多车桥制造企业所需的差速器都是分别从零部件制造厂购买齿轮，壳体和垫片等零件，然后自行装配差速器总成。这种方式，一方面增加了车桥企业的劳动量，因此车

9、桥企业希望根据需求直接采购差速器总成；另一方面也限制了零部件厂的利润空间，而零部件厂也希望产品系统化以提高利润。因此差速器的参数化设计以及强度验证成为双方都函待解决的问题。1.2差速器的种类及工作原理1.2.1普通圆锥齿轮差速器及工作原理 目前国产车辆及其它类车辆基本都采用了对称式锥齿轮普通差速器。对称式锥齿轮差速器由行星齿轮、半轴齿轮、行星齿轮轴（十字轴或一根直销轴）和差速器壳等组成（见图1.2）。（从前向后看）左半差速器壳2和右半差速器壳8用螺栓固紧在一起。主减速器的从动齿轮7用螺栓（或铆钉）固定在差速器壳右半部8的凸缘上。十字形行星齿轮轴9安装在差速器壳接合面处所对出的园孔内，每个轴颈上

10、套有一个带有滑动轴承（衬套）的直齿圆锥行星齿轮6，四个行星齿轮的左右两侧各与一个直齿圆锥半轴齿轮4相啮合。半轴齿轮的轴颈支承在差速器壳左右相应的孔中，其内花键与半轴相连。与差速器壳一起转动（公转）的行星齿轮拨动两侧的半轴齿轮转动，当两侧驱动轮所受阻力不同时，行星齿轮还要绕自身轴线转动-自转，实现对两侧驱动轮的差速驱动。行星齿轮的背面和差速器壳相应位置的内表面，均做成球面，这样作能增加行星齿轮轴孔长度，有利于和两个半轴齿轮正确地啮合。2 在传力过程中，行星齿轮和半轴齿轮这两个锥齿轮间作用着很大的轴向力，为减少齿轮和差速器壳之间的磨损，在半轴齿轮和行星齿轮背面分别装有平垫片3和球面垫片5。垫片通常

11、用软钢、铜或者聚甲醛塑料制成。普通对称式圆锥行星齿轮差速器结构示意图如下图1.3所示： 当行星齿轮在公转的同时，又绕行星齿轮轴轴线自转时，由于行星齿轮自转所引起一侧半轴齿轮1比差速器壳多转的圈数（N4）必然等于另一侧半轴齿轮2比差速器壳少转的圈数。 于是有： N1 N0 N4 和 N2 N0 N4 以上两种情况，N1 、N2 与N0之间都有以下关系式：N1 N22N0 若用角速度表示，应有：1 220其中 1 、2和0分别为左、右半轴和差速器壳的转动角速度。 上式表明，左右两侧半轴齿轮的转速之和等于差速器壳转速的两倍，这就是两半轴齿轮直径相等的对称式锥齿轮差速器的运动特性关系式。(2)对称式锥

12、齿轮差速器中的转矩分配关系式 在以上差速器中，设输入差速器壳的转矩为M0 ，输出给左、右两半轴齿轮的转矩为M1和M2。当与差速器壳连在一起的行星齿轮轴带动行星齿轮转动时，行星齿轮相当于一根横向杆，其中点被行星齿轮轴推动，左右两端带动半轴齿轮转动，作用在行星齿轮上的推动力必然平均分配到两个半轴齿轮之上。又因为两个半轴齿轮半径也是相等的。所以当行星齿轮没有自转趋势时，差速器总是将转矩M0平均分配给左、右两半轴齿轮，即M1M20.5 M0。 当两半轴齿轮以不同转速朝相同方向转动时，设左半轴转速nl大于右半轴转速n2，则行星齿轮将按图1-4上实线箭头n4的方向绕行星齿轮轴轴颈5自转，此时行星齿轮孔与行

13、星齿轮轴轴颈间以及行星齿轮背部与差速器壳之间都产生摩擦，半轴齿轮背部与差速器壳之间也产生摩擦。这几项摩擦综合作用的结果，使转得快的左半轴齿轮得到的转矩M1减小，设减小量为0.5Mf；而转得慢的右半 轴齿轮得到的转矩M1增大，增大量也为0.5Mf。因此，当左右驱动驱动轮存在转速差时，M1 = 0.5（M0-Mf）M2 = 0.5（M0+Mf） 左、右驱动轮上的转矩之差等于折合到半轴齿轮上总的内摩擦力矩Mf。 差速器中折合到半轴齿轮上总的的内摩擦力矩Mf与输入差速器壳的转矩M0之比叫作差速器的锁紧系数K，即KMfM0 输出给转得快慢不同的左右两侧半轴齿轮的转矩可以写成：M1=0.5 M0（1K）M

14、2=0.5 M0（1+ K） 输出到低速半轴的转矩与输出到高速半轴的转矩之比Kb可以表示为:Kb=M2/M1=(1+K)/(1-K) 锁紧系数K可以用来衡量差速器内摩擦力矩的大小及转矩分配特性，目前广泛使用的对称式锥齿轮差速器，其内摩擦力矩很小，锁紧系数K为0.050.15, 输出到两半轴的最大转矩之比Kb 1.111.353。因此可以认为无论左右驱动轮转速是否相等，对称式锥齿轮差速器总是将转矩近似平均分配给左右驱动轮的。这样的转矩分配特性对于车辆在良好路面上行驶是完全可以的，但当车辆在坏路面行驶时，却会严重影响其通过能力。例如当车辆的一侧驱动驱动轮驶入泥泞路面，由于附着力很小而打滑时，即使另

15、一驱动轮是在好路面上，车辆往往不能前进。这是因为对称式锥齿轮差速器平均分配转矩的特点，使在好路面上驱动轮分配到的转矩只能与传到另一侧打滑驱动轮上很小的转矩相等，以致使车辆总的牵引力不足以克服行驶阻力而不能前进。为了提高车辆在坏路上的通过能力，可采用各种型式的抗滑差速器。抗滑差速器的共同特点是在一侧驱动轮打滑时，能使大部分甚至全部转矩传给不打滑的驱动轮，充分利用另一侧不打滑驱动轮的附着力而产生足够的牵引力，使车辆继续行驶。1.2.2抗滑差速器及工作原理 常用的抗滑差速器有：强制锁止式差速器、高摩擦自锁式差速器（有摩擦片式、滑块凸轮式等结构型式）、牙嵌式自由轮差速器和托森差速器等。下面对强制锁止式

16、差速器和托森差速器的结构和工作原理作比较简单的介绍。强制锁止式差速器 强制锁止式差速器：在对称式锥齿轮差速器上设置差速锁。可以用电磁阀控制的气缸操纵一个离合机构，使一侧半轴与差速器壳相接合。由该种差速器中的运动特性关系式：122 0 如1或20，则必有12，这就相当于把左右两半轴锁成一体一同旋转。这样，当一侧驱动轮打滑而牵引力过小时，从主减速器传来的转矩绝大部分部分配到另一侧驱动轮上，使车辆得以通过这样的路段。强制锁止式差速器结构简单，但一般要在停车时进行操纵。而且接上差速锁时，左右驱动轮刚性连接，将产生前转向困难，驱动轮磨损严重等问题。1.7 强制锁止式差速器托森差速器 托森差速器如图1.8

17、所示，由差速器壳，左、右半轴蜗杆、蜗轮轴和蜗轮等组成。差速器壳与主减速器的被动齿轮相连。三对蜗轮通过蜗轮轴固定在差速器壳上，分别与左、右半轴蜗杆相啮合，每个蜗轮两端固定有直齿圆柱直齿轮。成对的蜗轮通过两端相互啮合的直齿圆柱齿轮发生联系。差速器外壳通过蜗轮轴带动蜗轮绕差速器半轴轴线转动，蜗轮再带动半轴蜗杆转动。当车辆转向时，左、右半轴蜗杆出现转速差，通过成对蜗轮两端相互啮合的直齿圆柱齿轮相对转动，使一侧半轴蜗杆转速加快，另一侧半轴蜗杆转速下降，实现差速作用。转速比差速器壳快的半轴蜗杆受到三个蜗轮给予的与转动方向相反的附加转矩，转速比差速器壳慢的半轴蜗杆受到另外三个蜗轮给予的与转动方向相同的附加转

18、矩，从而使转速低的半轴蜗杆比转速高的半轴蜗杆得到的驱动转矩大，即当一侧驱动轮打滑时，附着力大的驱动轮比附着力小的驱动轮得到的驱动转矩大。 托森差速器又称蜗轮蜗杆式差速器，其锁紧系数K为0.56, 输出到两半轴的最大转矩之比Kb 3.5。1.3 本课题研究的内容本课题针对汽车差速器的设计展开研究，设计一台奔驰s600 pullman防弹车差速器，让发动机的动力经过离合器、变速器、传动轴，经过了驱动桥上减速器的减速增矩之后，就要面临左右车轮的扭矩的分配，实现左右车轮的不同速度，使两边车轮尽可能以纯滚动的形式不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦，以使车辆转向，在驾驶员座椅的前方，操纵柄枢转地安装至车身上

19、，以通过操纵柄的旋转来使车辆转向。本课题研究的的主要内容：（1）差速器研究的背景；（2）查阅相关资料，掌握差速器的工作原理，确定相关参数；（3）绘制汽车差速器原理图，对系统设计计算、选型；（4）运用三维软件对设计的差速器进行建模，并运用AutoCAD绘制汽车装配图；（5）进行锥齿轮机械加工工艺过程设计，并生成相应工序卡片。2 奔驰S600Pullman差速器选型2.1引言 根据车辆行驶运动学的要求和实际的驱动轮、道路以及它们之间的相互关系表明：车辆在行驶过程中左右驱动轮在同一时间内所滚过的行程往往是有差别的。例如，转弯时外侧驱动轮的行程总要比内侧的长。另外，即使车辆作直线行驶，也会由于左右驱动

20、轮在同一时间内所滚过的路面垂向波形的不同，或由于左右驱动轮驱动轮气压、驱动轮负荷、胎面磨损程度的不同以及制造误差等因素引起左右驱动轮外径不同或滚动半径不相等而要求驱动轮行程不等。在左右驱动轮行程不等的情况下，如果采用一根整体的驱动驱动轮轴将动力传给左右驱动轮，则会由于左右驱动驱动轮的转速虽相等而行程却又不同的这一运动学上的矛盾，引起某一驱动驱动轮产生滑转或滑移。这不仅会使驱动轮过早磨损、无益地消耗功率和燃料及使驱动驱动轮轴超载等，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，由于驱动轮与路面间尤其在转弯时有大的滑转或滑移，易使车辆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

21、驱动轮在运动学上的不协调而产生的这些弊病，车辆左右驱动轮间都装有差速器，后者保证了车辆驱动桥两侧驱动轮在行程不等时具有以不同速度旋转的特性，从而满足了车辆行驶运动学要求。同样情况也发生在多桥驱动中，前、后驱动桥之间，中、后驱动桥之间等会因驱动轮滚动半径不同而导致驱动桥间的功率循环，从而使传动系的载荷增大，损伤其零件，增加驱动轮的磨损和燃料的消耗等，因此一些多桥驱动的车辆上也装了轴间差速器。 图2.1 奔驰Pullman加长版汽车2.2三种差速器的性能比较牵引特性 在相同的的工况下，由于使用的差速器不同而山地车整机的牵引特性不同，其中以NOSPIN差速器为最好，带弹簧的有限打滑差速器次之，标准的

22、差速器最差。需要指出的是，如果有个个驱动轮打滑或者悬空，对NOSPIN差速器来说，打滑或者悬空的驱动轮不传递扭矩，那么全部的扭矩就由另外一个不打滑不悬空的这个轮子承受，这无疑增加传递该负荷所有机械元件（如轮边减速器、半轴、半轴花键及相关的元件）的负荷，因此这是在选型或设计差速器时要特别注意的地方。动力特性 山地车的动力特性是表示该机以各档速度行驶时所达到的最高行驶速度，加速性能和爬坡能力。它在很大程度上决定了该机的生产率。一般用动力因素D来评价机械的动力性能。 D=fcos+sin+式中 f 滚动阻力系数； 坡道角； 回转质量换算系数； g 重力加速度m/s； 机械行驶加速度m/s；D=（F-

23、F）/G式中F 驱动力（牵引力）； F 空气阻力； G 地下装载机的使用重量。 从上面分析可知，在最不利的使用情况下，NOSPIN差速器牵引性能、动力因素、加速性能、爬坡能力最好，带有弹簧的有限差速器次之，标准差速器最差。因而有NOSPIN差速器的山地车及其动力性能最好，有限打滑差速器次之，标准差速器最差。受力状况 当NOPSIN差速器起差速作用时，传递给整个驱动桥的扭矩便全部传给一侧半轴，只由当脱开传动的轮子转速降到不大于慢转侧轮子后，动力又均匀地分配到两侧半轴上。而普通差速器动力始终是平均分配。这样从动轮后续船东零件（包括半轴和轮边减速器）的受力状况显然后者比前者要好。尤其在频繁交替动作的

24、情况下（如连续的左转弯、右转弯）NOSPIN差速器左右离合器时断时续，引起车轮装置载荷的不均匀，因而受到强烈的冲击。因此，对于同样使用条件的装载机，若使用NOSPIN差速器，其驱动桥半轴和轮边减速器应该有较高的承载能力。对于带弹簧的有限打滑差速器的受力状况处于上述两者之间。驱动轮的磨损 从上面的分析可以知道，对普通差速器来说，如果一侧驱动桥陷入泥坑因附着力不够而产生滑转，另外一侧的好路面上的驱动轮也不能使地下装载机驶出泥坑而前进，这是因为普通差速器的传扭特性之故。在这种情况下，若驾驶员拼命加油提高发动机转速，力图冲出泥坑，但只能使驱动轮转速为零，因而使差速器以及驱动轮加剧磨损。对NOSPIN差

25、速器来说，好路面的驱动桥的转速不为零，全部的输出扭矩传递到这个路面好的驱动桥，继续驱动车辆前进直到两轮同时获得附着力为止。永远不会出现轮子打滑，因而，此时驱动轮的磨损大大减轻。对NOSPIN差速器来说，由于是部分输入扭矩传递到这个路面好 的驱动轮，因而驱动轮的磨损比普通差速器得要好，比NOSPIN差速器差。通过性能 所谓车辆的通过性是指车辆在一定的载重质量下能以足够高的平均车速通过各种坏路及五路地带和克服各种障碍的能力。例如通过松软的路面和通过坎坷不平地段及障碍物。这点对于地下装载机来说尤为重要。其中差速器的型式与结构对通过性能有很大的影响。由于普通差速器的传扭特性，是装有普通的差速器的驱动桥

26、的通过性能最差。由于差速器中机件间的摩擦作用，差速器才可能将较大的扭矩传给不打滑的车轮，这样，两个驱动轮上总的驱动力将有所增加，从而通过性能改善。这就是NOSPIN差速器通过性能比普通差速器要好的原因。由于NOSPIN差速器的特殊结构，它的通过性能最好。工艺性能 由于NOSPIN差速器结构父子，精度要求高，选材与热处理也要求严，因而它的工艺性能最差，POSITORO差速器次之，普通差速器最好。2.3 奔驰S600Pullman差速器的选型 根据国内外有关差速器的资料及研究现状，我们考虑我们的车桥是用在苛刻的地势和地形，其实际情况用普通差速器就可以满足条件了，而且在经济上面考虑，和在制造加工方面

27、考虑，所以本课题选用普通圆锥齿轮差速器作为汽车的差速器。必须得驱动相应的驱动轮。差速器有多种形式，在此设计普通对称式圆锥行星齿轮差速器。2.4对称式圆锥行星齿轮差速器的结构 普通的对称式圆锥齿轮差速器由差速器左右壳，两个半轴齿轮，四个行星齿轮，行星齿轮轴，半轴齿轮垫片及行星齿轮垫片等组成。如图2-1所示。由于其具有结构简单、工作平稳、制造方便、用于公路车辆上也很可靠等优点，故广泛用于各类车辆上。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-差速器右壳图2.1 普通的对称式圆锥

28、行星齿轮差速器2.5对称式圆锥行星齿轮差速器的工作原理 普通对称式圆锥行星齿轮差速器主要是由十字轴，半轴齿轮，行星齿轮，差速器左，右半壳等组成，动力由输入法兰输入，半轴齿轮输出，通过半轴齿轮传递到论边，带动车论转动。 当n=0时（即行星轮不自转），差速器作整体回转，车辆作直线运行，转速为n，当车辆右转弯时，n不等于0时，即行星轮以转速n自转。它将加快半轴齿轮1的转速。同时又使半轴齿轮2转速减慢。此时半轴齿轮1增高的转速为n，半轴齿轮2减低的转速为n，即 n=n+ n n= n- n 由于Z1=Z2，故n+n=2n。从上述可知，可实现左，右半轴齿轮转速不相等，其转速差为n-n=2 n。从而实现左

29、，右两车轮差速，减少驱动轮的磨损。 假设左，右车轮由于转弯或者其他原因引起左，右车轮切线方向产生一个附加阻力P，它们方向相反。以P表示行星轮轴上作用力，则左，右半轴齿轮给行星齿轮的反作用力为P/2，两半轴齿轮r相同，则传递给左，右半轴的扭矩均为Pr/2。故直线行驶时左，右驱动轮扭矩相等（r为半轴齿轮的半径）。 当机械转弯时，行星轮随着差速器内的十字轴公转外，同时还绕其自身轴自转。使他转动的力矩为2Pr1（r为行星齿轮半径），慢慢的附加阻力P和P/2。而快侧P与P/2方向相反，故慢侧所受的扭矩大，快侧所受的扭矩小。即： M=（P/2-P）r M=（P/2+P）r若以2Pr=M表示差速器内摩擦力矩

30、，以Pr=M表示差速器传递的扭矩，则： M+ M= M M- M= M 由上面的分析可知，如果不计摩擦力矩，即M=0，则M= M，故可以认为动锥齿轮的扭矩平均分给左，右半轴，如果考虑到内摩擦，则快侧车轮力矩下，慢车轮力矩大，在普通差速器中，内摩擦较小，M/（M+ M）=0.550.6，这就是平英团差速器“差速不差扭”的传扭特性4。 普通差速器的“差速不差扭”的传扭特性，会给机械行驶带来不利的影响，如一车辆陷入泥泞时，由于附着立不够，就会发生打滑。这时另外一个车轮不但不会增加，反而会减少到与车轮一样，致使整机的牵引力大大减少。如果牵引力不能克服行驶阻力，此时打滑的车轮以两倍于差速器壳的转速转动，

31、而另外一侧不转动，此时整机停留不前。3 差速器的基本参数的选择和设计计算 根据国内外有关差速器的资料及研究现状，我们考虑我们的车桥是用在苛刻的地势和地形，其实际情况用普通差速器就可以满足条件了，而且在经济上面考虑，和在制造加工方面考虑，所以本课题选用普通圆锥齿轮差速器作为奔驰的差速器。其差速器原理与轮式传动是相同，都必须得驱动相应的驱动轮。以下将进行该普通对称式圆锥行星齿轮差速器进行基本参数的选择和设计计算。3.1行星齿轮差速器的确定行星齿轮数目的选择 依照汽车工程手册，轿车多用2个行星齿轮，越野车和重型工程机械车辆多用4个，少数骑车用1个行星齿轮。差速器应选行星齿轮数为4（重型汽车）行星齿轮球面半径的确定 差速器的尺寸通常决定于，它就是行星齿轮的安装尺寸，可根据公式： 来确定。=2.99=81.65mm 式中： 行星齿轮球面半径系数，=2.522.99（有四个行星齿轮的轿车和公路