汽车差速器虚拟样机研究应用

目录 摘 要IISummaryIII第一章 前言11.1汽车差速器相关知识的介绍11.2小结5第二章 差速器设计62.1差速器设计方案62.2汽车差速器主要参数的设定及其计算:72.3差速器的锁紧系数与转矩分配系数82.4差速器的效率与差速器的传动效率92.5差速器行星齿轮的力矩分析及转矩计算112.6差速器齿轮的基本参数选择及齿轮参数计算152.7差速器齿轮的强度计算192.8差速器的材料选择和参数的设定202.9小结23第三章 差速器建模243.1差速器总成的建模243.2差速器的建模过程253.3 差速器的装配343.4小结40第四章 差速器的有限元分析414.1有限元分析414.2小结45总结46致谢47参考文献48摘 要 随着社会的发展与进步，经济的发展与科技的与日俱进，汽车已经不是与我们那么的遥不可及，千千万万的汽车已经步入我们的生活，那么就引起了我的好奇，汽车在转弯的时候，左右轮运行速度的不同是如何实现的，它是通过汽车差速器实现的。那么就不得不说汽车的差速器啦，差速器作为汽车驱动桥中的主要部件，在汽车行驶转向中起着至关重要的作用。当转弯时，由于外侧轮有滑拖的现象，内侧轮有滑转的现象，两个驱动轮此时就会产生两个方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然导致两边车轮的转速不同，从而破坏了三者的平衡关系，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。总而言之，它在向两边半轴传递动力的同时也能保证两边半轴以不同的转速旋转，很大程度上的避免了汽车在转向过程中驱动车轮产生滑转或滑移的现象，从而很好的实现了汽车的安全的转弯功能。 本次毕业设计的题目就是汽车差速器的虚拟样研究，根据毕业论文设计任务书中的要求，本文首先对汽车差速器做了阐述，并介绍了汽车差速器的分类和设计要求，着重介绍了差速器的组成和功用，并对其几个重要的设计参数进行分析计算。然后建立汽车差速器的实体模型并进行了装配。接着对差速器进行运动仿真分析。最后对差速器典型零件进行有限元分析，最后做出结论。关键词：差速器；对称式圆锥差速器IISummary With the social development and progress, with Japans economic development and science and technology the times, and our car is not so far away, thousands of cars have entered our lives, then it aroused my curiosity , in the car when turning left and right wheel speed difference is how to achieve it is through the automobile differential achieved. Then we have to say it automobile differential, differential as a vehicle drive axle main components in cars plays a crucial role in steering. When cornering, the outside wheel has a slip due to drag phenomenon, the inside of the wheel slip phenomenon has two wheels in the opposite direction this time it will have two additional force, due to the minimum energy principle, will inevitably lead to both sides of the wheel the different speeds, thereby undermining the balance between the three, and by reflecting on the axle side gear, forcing the rotation of planetary gears, the outer axle speed to accelerate, slow down the speed of the inside of the axle, in order to achieve both sides of the wheel speed difference. All in all, it is transmitted to the axle on both sides of power but also to ensure that both sides of the axle rotating at different speeds, largely avoiding the vehicle drive wheels to generate slip or slip phenomenon during steering, so good to achieve the cars safety features of cornering.This graduation design topic is like a virtual automobile differential research, design tasks according to the requirements thesis of the book, this paper made an exposition of the automobile differential, and introduced the automobile differential classification and design requirements, It focuses on the composition and function of the differential, and its analysis and calculation of several important design parameters. Then the entity model cars and differential assembly. Next to the differential motion simulation. Finally, the typical differential parts finite element analysis, the final conclusions.Keywords: differential; symmetrical cone differentialIII 第一章 前言1.1汽车差速器相关知识的介绍1）汽车差速器研究的背景及意义 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。2）汽车差速器国内外研究现状 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)国外差速器生产企业的研究现状 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，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，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。(2)我国差速器行业市场的发展以及研究现状 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，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： a.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。 b.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。 c.提高车辆的安全性：行车安全，转弯容易，加速性好，制动稳定，操纵轻便安全，无需增加操纵机构。 d.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。3)汽车差速器的功用及其分类 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，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，使汽车行驶时能作纯滚动运动，提高了车辆的通过性。 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，还有各种各样的功能多样的差速器，如：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、行星圆柱齿轮差速器。a.开放式差速器 开放式差速器最为常用，其能向左右两驱动半轴分配同等大小的扭矩。车辆直线行驶时，左右车轮受力相等，两半轴齿轮不存在转速差，所以行星齿轮不发生自转，主减速器从动齿圈相当于直接驱动两半轴齿轮。半轴齿轮通过驱动半轴与车轮相连，因此实质上经过一系列动力传递过程后，车轮得到了和主减速器从动齿圈相同的转速。车辆转弯时，外侧车轮希望能够获得比内侧车轮更高的转速，此时行星齿轮介入，在维持扭矩传递的同时允许两半轴齿轮出现轻微的转速. 开放式差速器的缺点：如果一侧的半轴齿轮相对另一侧静止不动，那么输入差速器的所有动力都将被分配给阻力较小的车轮上。这就是为何当车子一侧车轮在冰面上，另一侧在附着力良好的路面上时大脚加油，冰面一侧的车轮拼命打滑，而附着力良好的路面上的车轮却纹丝不动的原因。此时车辆根本动弹不得，因为引擎所有的动力都被输送到了阻力最小的即处在冰面上的那个车轮上。 如果是一辆前后轴都使用开放式差速器的四轮驱动车辆，在越野时遇到单个前轮或后轮离地的状况，是没有脱困可能的。差速器会卖力的驱动悬空车轮空转，而留在路面上的车轮则不会得到任何驱动力。b. 限滑差速器 限滑差速器正是为克服开放式差速器的窘境而生的。限滑差速器仍然保留了开放式差速器的所有部件，但额外增加了两个关键部分。一是弹簧压盘，即布置于行星齿轮架两半轴齿轮间的一对弹簧和压盘组件。弹簧压盘推动半轴齿轮向外运动.增加的第二部分在离合器组件。半轴齿轮背面涂有摩擦材料，在和行星齿轮架内侧的离合器片挤压接触后能够产生摩擦力。这种结构意味着离合器一直迫切渴望工作，试图让两半轴齿轮的速率和主减速器从动齿圈及行星齿轮架保持一致，如同普通差速器直线行驶时一样。过弯时，装有限滑差速器的车子将产生足够的力让半轴齿轮和离合器摩擦材料之间产生相对滑动。如此一来，左右两驱动半轴便可产生转速差。弹簧组件的硬度和离合器组件的摩擦系数，共同决定了分离离合器所需的扭矩大小。限滑差速器的优点：同样是一侧车轮在冰面上，另一侧在附着力良好的路面上的情况下，安装限滑差速器后，在弹簧和离合器组件的作用下，即便一个车轮在冰面上，差速器都会竭力同步两半轴齿轮转速。此时只需在低转速下保持一定的油门开度，处在附着力良好路面一侧的车轮便能得到足够的扭矩驱动车辆前进。c.托森差速器 托森差速器是开放式差速器的一个衍生形式。当分配给左右两车轮的扭矩相等时，托森差速器和普通的开放式差速器无异。当分配给左右两车轮的扭矩不等时，二者间的差别就会显现出来。比如说当一个车轮处在低附着力的路面上时，差速器内的蜗轮蜗杆机构便会发生自锁。 托森差速器是一个无需离合器、液压系统、执行机构或传感器的全机械装置。托森差速器的蜗轮不但与半轴上的蜗杆相啮合，蜗轮两端还额外通过常规直齿轮彼此啮合。此连接特性使托森差速器在扭矩均匀时能够和普通开放式差速器一样工作；一旦扭矩分配不均，便可立刻产生扭矩感应作用。拥有固定扭矩分配比的蜗轮蜗杆机构决定扭矩的分配率，齿轮机构发生自锁时能分配左右动力输出。比如一个扭矩分配比为3:1的托森差速器能够将扭矩放大3倍传递给驱动桥上抓地力更大的那个驱动轮。但其缺点在于，若某一驱动轮突然失去牵引力，另一个车轮也将彻底失去牵引力。 仍然以3:1的这个示例为例，一个车轮最大可获得另一个车轮3倍的扭矩。如果一个车轮没有牵引力，那么3乘0等于0，另一边也不会得到任何扭矩。托森差速器通常是高性能全轮驱动车辆前后轴之间中央差速器的首选，其功用不是分配左右半轴的扭矩，而是负责前后轴之间的扭矩分配。d.锁止式差速器 锁止式差速器是开放式差速器的另一个衍生形式，通过电子、气动或液压执行机构将两半轴齿轮锁止为一体，这样驱动桥就相当于一根实心轴。这种装置在越野赛中比较常见，因为越野时难免会遇到单轮离地的状况。差速器锁止后相当于一根实心轴，左右两车轮将保持相同转速前进。1.2小结 通过本章的学习，对于差速器的功能和作用有了一个清晰的认识，同时对于国内外的差速器有了一个了解.第二章 差速器设计2.1差速器设计方案 由于普通锥齿轮式差速器结构简单、工作平稳可靠，所以广泛应用于一般使用条件的汽车驱动桥中。图1.2为其示意图，图中为差速器壳的角速度；，分别为左、右两半轴的角速度；为差速器壳接受的转矩；为差速器的内摩擦力矩；为差速器的内摩擦力矩；，分别为左、右两半轴对差速器的反转。图2.1 普通圆锥齿轮差速器的工作原理简图 根据运动分析可得: (2.1) 显然，当一侧半轴不转时，另一侧半轴将以两倍的差速器壳体角速度旋转；当差速器壳体不转时，左右半轴将等速反向旋转。根据力矩平衡可得: (2.2) 差速器性能常以锁紧系数k是来表征，定义为差速器的内摩擦力矩与差速器壳接受的转矩之比，由下式确定结合式(2.2)可得: (2.3) 定义快慢转半轴的转矩比kb= / ，则kb与k之间有: , (2.4) 普通锥齿轮差速器的锁紧系数是一般为005015，两半轴转矩比kb=111135，这说明左、右半轴的转矩差别不大，故可以认为分配给两半轴的转矩大致相等，这样的分配比例对于在良好路面上行驶的汽车来说是合适的。但当汽车越野行驶或在泥泞、冰雪路面上行驶，一侧驱动车轮与地面的附着系数很小时，尽管另一侧车轮与地面有良好的附着，其驱动转矩也不得不随附着系数小的一侧同样地减小，无法发挥潜在牵引力，以致汽车停驶,故使用对称式圆锥差速器进行设计, 以SUES-06汽车差速器为例进行设计。2.2汽车差速器主要参数的设定及其计算:驱动型式 42（后轮为双胎）装载质量 2000 空车质量 1880满载时前轴载荷 13400N满载时后轴载荷 27350N车轮半径 R=0.325 m最高车速 =85 km/h发动机最大功率 =51.47 KW 及转速 =38004000 r/min发动机最大转矩 =137Nm及转速 =20002300 r/min主减速器传动比 =5.833传动效率 =0.9变速器传动比 表2.1 变速器传动比IIIIIIIVR四档变速器6.093.091.711.004.952.3差速器的锁紧系数与转矩分配系数通常采用系数： （2.5） ，分别表示两侧车轮的转矩，而K则表示两侧驱动车轮的转矩可能相差的最大倍数，因为它也说明了迫使差速器工作所需的转矩大小，即差速器“锁紧”的程度，故被称为差速器的锁紧系数。因为，锁紧系数K1。 有的文献将差速器的锁紧系数定义为（2.6）（2.7）（2.8）这时，K是一个小于1的数。差速器的转矩分配特性可用转矩分配系数来表示： =（2.9）由于小于差速器上的转矩，故小于1。 系数K以及对汽车性能有直接影响。在汽车设计中是根据汽车的类型、性能要求以及使用条件等来选择差速器的锁紧系数K的。在一般情况下从汽车的通过性要求来看，希望锁紧系数K的值越大越好；但从转向操纵的灵活性、行驶的稳定性、延长有关传动零件的使用寿命和减小轮胎磨损等方面考虑，锁紧系数K的值有不宜过大。系数K与主要决定于差速器的结构型式。 普通的圆锥行星齿轮式差速器的锁紧系数K=1.11.5，转矩分配系数=0.550.6，故可近似地看成它是将转矩平均分配给左、右驱动车轮。这样的分配比例对在良好的路面上行驶的汽车来说是适当的。当驱动桥装有高摩擦差速器时，由于高摩擦差速器具有大的K值和值，能使与地面附着良好的驱动车轮比附着不良的驱动车轮有更大的驱动转矩，故通过性就会好些。 有时锁紧系数过大，例如当采用差速锁装置将左、右半轴联成一体时，会使锁紧系数K增至无限大，这时，似乎全部转矩会传到一个半轴上而使其过载，但在一般情况下，其载荷不应超过该侧驱动车轮与地面的最大附着力。对高摩擦式自锁差速器来说更是如此，即它不会使半轴有明显的过载。 本设计使用的是普通对称式圆锥行星齿轮，由于普通的圆锥行星齿轮式差速器的锁紧系数为1.11.5因此在这里我设定差速器锁紧系数为1.1，转矩分配系数为0.55。2.4差速器的效率与差速器的传动效率 差速器的效率是指差速器壳不转时（=0），一个半轴驱动另一个半轴时输出功率与输入功率之比，即: （2.10）由于此时两半轴的转速相等，即，故有: （2.11） 即差速器的效率为其锁紧系数的倒数。约为0.1（某些蜗轮式差速器）0.9（普通的圆锥行星齿轮差速器）。由上式可知，差速器的锁紧系数K与差速器的效率成反比。差速器的内摩擦力矩越大，其锁紧系数也就越大，将使得差速器的效率越低，则越有利于两侧驱动车轮转矩的重新分配，越有利于提高汽车的通过性。这里还应指出，差速器的效率低表明有大的内摩擦损失，但后者仅仅在左、右车轮有显著的转速差时才发生，在一般的情况下这种转速差不大，因此差速器的摩擦损失功率也不显著。当左、右驱动车轮转速相等时，差速器的摩擦损失功率为零。汽车以最小转弯半径转向时，差速器的摩擦损失功率达到最大值。差速器的传动效率是指动力经差速器壳传给左、右半轴的效率，即 （2.12） 图2.2给出的是当汽车转弯的时候后驱动桥的运动学简图。图中为外侧车轮的转速；为内侧车轮的转速；B为轮距；R为后驱动桥中间一点的转弯半径；为驱动车轮或半轴与差速器的转速差。图2.2 汽车转弯时后驱动桥的运动学简图由图2.2可知： （2.13）由此得: （2.14） （2.15） (2.16） （2.17）将它们代入式（2.12），得整理后得到差速器的传动效率的表达式为:（2.18） 由式（2.18）可知，差速器的传动效率区别于差速器的效率，后者仅与差速器的结构有关，而前者还与汽车后驱动桥中间点的转弯半径R以及轮距B有关，并随R的变化而改变。分析式（2.18）可以看出，即使差速器的效率很低，差速器的传动效率依然会得到较高的数值。这就是为什么有些高摩擦式自锁差速器的效率虽然很低，但仍然被采用的原因。 由于本设计选择普通对称锥齿轮差速器，而且本次我设定的锁紧系数为1.1，所以为0.9，为0.99。2.5差速器行星齿轮的力矩分析及转矩计算1) 差速器行星齿轮的力矩分析 差速器内摩擦主要由三部分组成，一是行星齿轮自转时与行星齿轮轴之间以及行星齿轮背球面与差速器壳之间因相对运动产生的摩擦力,方向与行星自转方向相反；二是行星轮支撑滑动轴承产生的摩擦力矩,方向与行星自转方向相反；三是两半轴轮背面同差速器壳之间产生的摩擦力矩， ,大小相等，其中外轮与地面对车轮的附加阻力引起的阻力矩方向相反，内轮则与附加阻力引起的阻力矩方向相同。 由于差速器在工作中齿轮的转速较低，可忽略速度对摩擦力的影响。各部分摩擦力与摩擦系数的关系符合以下关系： （2.19）式中N为相对运动面正压力。 输入转矩已知，行星齿轮和半轴齿轮参数已知时，,可由计算得到。设行星齿轮压力角，节锥角，安装孔直径，球面直径d，背球球半径，节圆半径，半轴齿轮节锥角，锥顶圆直径，支撑轴外径，节圆半径。行星齿轮上同半轴齿轮捏合齿面受力分析如图2.3所示图2.3 同半轴齿轮捏合齿面受力分析图中 -行星齿轮齿面正压力 -行星齿轮齿面正压力的径向分量 -行星齿轮正压力轴向分量 -输入转矩在行星齿轮轮齿与半轴齿轮轮齿啮合点上的等效圆周力，图中大小为 （2.20）其中为差速器壳传递到行星齿轮上的力矩。， ， ， 之间的关系如方程组所示 （2.21）根据方程组（2.21）可知 （2.22）令： （2.23） 则行星齿轮背球面上承受的正压力可以用下式简化计算（2.24）根据经典摩擦力学理论知识，行星齿轮背球与差速器之间产生的摩擦力为： （2.25）摩擦力矩为： （2.26） 将式（2.23），（2.24），（2.25）代入（2.26）得： （2.27）式（2.23）即为行星齿轮背球面产生的摩擦力力矩的计算模型。同理，行星齿轮滑动轴承产生的摩擦力为： （2.28）摩擦力矩为：（2.29）式（2.29）即为行星齿轮滑动轴承产生摩擦力矩的计算模型。2）差速器转矩计算 由于汽车行驶时传动系载荷的不稳定性，因此要准确地计算出主减速器齿轮比较困难。通常是将发动机最大转矩配以传动系最低档传动比时和驱动车轮在良好路面上开始滑转时这两种情况下作用在主减速器从动齿轮上的转矩（, ）的较小者，作为载货汽车和越野汽车在强度计算中用以验算主减速器从动齿轮最大应力的计算载荷。由于主减速器与差速器属于刚性连接，因此所得的值也同样可以验算差速器最大应力的计算载荷。方程如下： (2.30) (2.31)发动机最大转矩，已知汽车发动机最大转矩为137Nm由发动机至所计算的主减速器从动齿轮之间的传动系最低挡传动比；这里等于35.52；传动系上传动部分的传动效率，取等于0.9；对于一般载货汽车、矿用汽车和越野汽车以及液力传动及自动变速的汽车取等于1；n该汽车的驱动桥数目。这里n等于1；汽车满载时一个驱动桥给水平地面的最大负荷，N；对后桥来说还应该考虑到汽车加速度时的负荷增加量；设计汽车空载时的质量为1880千克，前轴载荷为9230N，后轴载荷为9570N；允许满载时的总质量为4075千克，前轴载荷为13400N，后轴载荷为27350N。所以这里的取27350N。轮胎对地面的附着系数，对于安装一般轮胎的公路用汽车，取;车轮的滚动半径，m；这里取0.39米；， 分别为所计算的主减速器从动齿轮到驱动车轮之间的传动效率和减速比（例如轮边减速等）。这里取0.9，取1。将以上参数代入式（2.30）与式（2.31） Nm; Nm所以取小值，即4354.96 Nm。 以上两结果是汽车最大转矩而不是正常持续转矩，不能作为疲劳损坏的依据。汽车的类型很多，行驶工况有非常复杂，轿车一般在高速轻载条件下工作，而矿用汽车和越野汽车则在高负荷低车速低条件下工作，没有简单的公式可算出汽车的正常持续使用转矩。对于公路汽车而言，使用条件比较稳定，主减速器从动齿轮的平均转矩可按下式计算： （2.32） 汽车满载时的总重力，N 所牵引的挂车的满载总重力，N，仅用于牵引车的计算； 道路滚动阻力系数，对于货车取0.0150.020，本设计取=0.020； 汽车正常使用时的平均爬坡能力系数，货车取0.050.09，本设计取=0.05； 汽车的性能系数： 当时，取=0。 本次设计=0 所以，由式（2.32）可得： Nm 由式（2.26）和式（2.27）求得的计算载荷是从动齿轮的最大转矩，不同于式（2.28）求得的平均计算载荷。当计算齿轮最大应力时，平均计算载荷取前面两种的较小值，即=4354.96 Nm。2.6差速器齿轮的基本参数选择及齿轮参数计算a. 差速器齿轮的基本参数选择1）行星齿轮数n 行星齿轮数n需根据承载情况来选择。通常情况下，轿车：n2；货车或越野车：n4。少数汽车采用3个行星齿轮。本课题中，针对SUES-06型汽车为轻型载重汽车这一特性，选择的行星齿轮数n=4。2）行星齿轮球面半径 圆锥行星齿轮差速器的结构尺寸，通常取决于行星齿轮背面的球面半径，它就是行星齿轮的安装尺寸，实际上也代表了差速器圆锥齿轮的节锥距，因此在一定程度上也表征了差速器的强度。球面半径可以按照如下的经验公式来确定： （2.33） 为行星齿轮球面半径系数，2.522.99，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的轿车及四个行星齿轮的越野车和矿用车取大值； 为差速器计算转矩（Nm）， Nm将以上数据代入式（2.33）得=54mm。 行星齿轮节锥距: （2.34）这里选择。3) 行星齿轮和半轴齿轮齿数、 为了使齿轮有较高的强度，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应取少些，但一般不少于10。半轴齿轮齿数在1425选用。大多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比在1.52.0的范围内。在这里行星齿轮的齿数选择10，而半轴齿轮齿数选择16。半轴齿轮与行星齿轮的齿数比等于1.6，符合以上要求。 差速器的各个行星齿轮与两个半轴齿轮是同时啮合的，因此在确定这两种齿轮的齿数时，应考虑它们之间的装配关系。在任何圆锥行星齿轮式差速器中，左、右两半轴齿轮的齿数、之和，必须能被行星齿轮的数目所整除，以便行星齿轮能均匀地分布半轴齿轮的轴线周围，否则差速器将无法安装。 即应满足的安装条件（2.35）式中：、左、右半轴齿轮的齿数，对于对称式圆锥行星齿轮差速器来说,；n行星齿轮数目；I任意整数。 ，n等于4，因此,满足上述安装条件。4) 差速器圆锥齿轮模数以及半轴齿轮节圆直径的初步确定 首先初步求出行星齿轮与半轴齿轮的节锥角、； .(2.36) .（2.37） 在这里已知、=16，将它们代入上述两，得： =35.56， =64.44 再按照下式初步求出圆锥齿轮的大端端面模数m： (2.38） 而式中已经初步确定了:50.96 mm， 、=16， =35.56， =64.44。将它们代入上式，得m=5.4。 求出模数后，节圆直径d即可根据齿数z及模数m由下式求得： （2.39 ） 将m=5.4,、=16分别代入上式，得差速器行星齿轮节圆=54mm，半轴齿轮节圆=86.4mm。5） 压力角 目前大都选用2230的压力角，齿高系数为0.8，最少齿数可减少到10，并且在小齿轮（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向于等强度。由于这种齿行的最少齿数比压力角为的少，因此可以用比较大的模数以提高齿轮的强度。某些重型货车和矿用汽车也可以采用压力角。由于这里设定SUES-06型汽车为轻型载货汽车，所以选用的差速器齿轮压力角为2230。6） 行星齿轮安装孔的直径及支承长度L 行星齿轮安装孔的直径与行星齿轮轴的名义直径相同，而行星齿轮安装孔的深度L就是行星齿轮在其轴上的支承长度。通常取.（2.40） （2.41） .（2.42） 式中:为差速器壳传递的转矩（Nm）； n为行星齿轮数； l为行星齿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69MPa； 根据上述，已知： ，n=4，代入式（2.38），得， 。b. 差速器齿轮参数计算接下来说明一些齿轮中的几何计算问题:1） 齿轮齿数z：已知行星齿轮与半轴齿轮齿数分别为，。2） 模数m：已知行星齿轮与半轴齿轮齿数3） 齿面宽F：F=（0.250.30); 行星齿轮与半轴齿轮齿面宽为12.8mm。4） 齿工作高：=1.6m，行星齿轮与半轴齿轮齿工作高为8.64mm。5） 齿全高h:6） 轴交角：。7） 周节t：mm。8） 齿顶高：；。9） 齿根高： ；。10） 径向间隙c：。11） 齿根角：；。12） 面锥角：；。13） 根锥角：；14） 外圆直径：，得，。15） 节锥顶点至齿轮外缘的距离：；16） 理论齿厚S：。其中，根据以及的值查表以确定切向修正系数；，。17） 齿端间隙B：根据模数为5.4查表，取高精度，得到B的范围是：0.1520.203；在这里选择。18） 弦齿厚：，推出,。19） 弦齿高：,推出，。2.7差速器齿轮的强度计算 差速器齿轮主要进行弯曲强度计算，而对于疲劳寿命在不予考虑，这是因为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，行星齿轮在差速器的工作中经常只起等臂推力杆的作用。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。汽车差速器齿轮的弯曲应力（MPa）为（2.43） 式中：T差速器一个行星齿轮给予一个半轴齿轮的转矩，Nm；其计算式为： （2.44） 按照与计算转矩，由上述已知它们的值分别为4354.96 Nm与946.4 Nm； n为行星齿轮数；已经选定n是4个； 半轴齿轮齿数， =16； J为计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数，取法见参考文献；这里根据差速器齿轮的齿数=10，=16查出0.226； m差速器齿轮模数，m=5.4； F差速器计算齿轮的齿面宽，根据上面计算F=12.8； 超载系数,=1； 尺寸系数，反映材料性质的不均匀性，与齿轮尺寸与热处理等有关。当端面模数1.6时，所以=0.68； 载荷分配系数，这里取1.10； 质量系数，对于汽车驱动桥齿轮，当齿轮接触接触良好、周节及径向跳动精度高时，可取=1； 按照以上方式用进行计算后所得的弯曲应力不应大于210.90 MPa；按照两种计算转矩中的较小值进行计算时，弯曲应力不大于980 MPa；将以上数据代入式（2.39），得分别等于157.35 MPa 和724.08 MPa。因此计算符合要求。 上述汽车差速器直齿锥齿轮的设计计算方法，使用与在直齿锥齿轮刨齿机上用成对刨刀滚切加工（切除非腰鼓形轮齿），或在直齿锥齿轮铣齿机上用成对原盘铣刀滚切加工（切出腰鼓形轮齿）的汽车差速器齿轮。在现代汽车大批量生产中，有时还采用生产效率更高、用弧刃圆盘拉刀加工、齿形接近于圆弧的Revacycle锥齿轮。这种齿轮在齿高方向的收缩齿型属于双重收缩齿；而齿轮两侧的齿廓曲线为用同一曲率半径但不同心的弧刃圆盘拉刀回转拉削时所形成的近似圆弧。这种齿轮也具有腰鼓形轮齿，而且具有齿数少（如=511）而且无根齿、齿顶不会变尖和齿根强度比较高等优点。但刀具复杂，齿轮模数也不能过大，一般m6.35，所以仅用于大批量生产的中等模数的汽车、拖拉机差速器锥齿轮。2.8差速器的材料选择和参数的设定1）差速器齿轮材料 由于汽车差速器和主减速器还有双曲面齿轮目前都用渗碳合金钢制造目前用于制造差速器锥齿轮20CrMnTi,22CrMnMo,20CrNiMo,20MnVB和20Mn2TiB。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。 此次设计汽车差速器齿轮的所用材料为20CrMnTi。2）差速器行星齿轮轴的设计计算a.行星齿轮轴的尺寸设计 由行星齿轮的支承长度为，；而行星齿轮安装孔的直径为，所以轴颈的直径预选为。b.行星齿轮轴的材料 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。所以此次选用的轴的材料为45钢。3)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，防止把质地远的压坏。另外一个是差速器行星齿轮支承垫圈为球面垫圈。球面垫圈将行星齿轮和行星十字轴固定在一起传递转矩。a.半轴齿轮平垫圈的尺寸设计 如下图所示：为平垫圈的结构方案简图。 图3-4 平垫圈 半轴直径的数据为58mm,如上图（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D要大于58 mm，初步预选安装孔直径D2为58.5mm，由图（b）根据安装简易程度选取垫圈的厚度h为1.6mm.选用的材料是聚甲醛塑料。 b.行星齿轮球面垫圈的尺寸设计 球面垫圈 由一字轴轴颈的直径为22.37mm，根据装配关系选择球形垫圈的安装孔直径22.37为22mm，厚度h为1.1mm,选用的材料是聚甲醛4)螺栓的选用和螺栓的材料 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。而载货车在1984年以前的连接后桥从动锥齿轮和左差速器壳的12个M121.5的螺栓改为M141.5的螺栓。1984年以前的连接螺栓拧紧后容易发热松动，松动的原因为大齿轮与差速器左壳之间没有传动销，螺栓的拧紧力矩不足仅78498Nm,拧紧力矩所造成的从动齿轮与差速器左壳贴合面之间的摩擦力矩，不足以承受由于汽车行驶工况经常变化，所导致的交变载荷，造成贴合面间的松动。因此，从动齿轮与差速器左壳之间的连接螺栓要有足够大的拧紧力矩，大的拧紧力矩要求较大直径的连接螺栓。因此，在生产条件的允许下，将连接螺栓加大为M141.5，拧紧力矩加大为137.2156.8 Nm，使情况有了较大的改善，而现在使用的是六角头螺栓，尺寸为 M141.5，细牙螺纹。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，此次选用的是碳素钢。5)螺母的选用和螺母的材料 我们课本上所学的螺母有六角薄螺母、六角开槽螺母。在机械行业、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。根据差速器已选定的尺寸为 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及的I型六角螺母：即是GB/T6170 M14.符合载货车螺栓要求。 现在一般生产地螺母原材料一般是碳素钢、不锈钢、铜三种，为了加强螺栓的强度，此次选用的是碳素钢。6)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圆锥滚子轴承。由差速器和半轴的计算数据可取差速器轴承外径为80 mm左右，内径为50 mm左右。参考机械设计课程设计手册选取的圆锥滚子轴承的型号是7510E GB/T 297-1994.2.9小结 了解了差速器的相关知识，那么就得开始进行设计了，本章首先确定了差速器的设计方案，然后进行了差速器设计的相关计算，完成相关零件的设计。第三章 差速器建模3.1差速器总成的建模 差速器总成由行星齿轮轴以及薄钢板、行星齿轮零件、差速器螺栓防松垫片、后桥半轴齿轮、后桥差速器壳（右）、后桥差速器壳（左）、后桥差速器行星齿轮、后桥差速器轴承盖、行星齿轮止推垫圈、轴承调整螺母、轴承调整螺母锁片组成。其中要求建模的后桥差速器零件包括后桥差速器轴承盖、后桥差速器行星齿轮、后桥差速器壳、后桥半轴齿轮和差速器螺栓放松垫片，轴承螺母垫片，轴承调整螺母等零件；要求建模的差速器装置零件包括后桥差速器壳（左），轴承调整螺母，行星齿轮轴等零件。以下部件大多有复杂的尺寸或外形，进行三维建模有一定的难度，现对其中的几个部件的建模特点进行简单阐述。1）螺母建模特点 轴承调整螺母形状较为复杂，尤其是其上下表面并非是一对平行的平面，而是有很多的相似特征，其模型中滚珠较多，初步建模思想是用草图拉伸，然后做出一个滚珠的特征，通过镜像阵列的方式完成其他滚珠的建模。如图3.1所示。图3.1 轴承调整螺母建模2）轴承调整螺母锁片建模特点 轴承调整螺母锁片形状看似简单，但由于不是在同一个基准面内，所以首先在底面由草图绘制拉伸出实体，然后建立与之地面垂直的基准平面，在此由绘制草图来完成拉伸实体。在建立与底面垂直的基准平面时，根据零件的尺寸，确定另一基准平面的位置，以确保零件尺寸的完整，如图3.2所示。图3.2 轴承调整螺母锁片3) 行星齿轮轴建模特点 行星齿轮轴的外形并不难，看上去是一根轴。但是，在其上有键槽等特征，不是简单的草图拉伸即可完成，需要在一根轴上去除材料得到一根需要的行星齿轮轴，如图3.3所示。图3.3 行星齿轮轴建模3.2差速器的建模过程 鉴于差速器中零部件比较多，所以以下就对轴承调整螺母锁片和轴承调整螺母的建模过程进行详细介绍1)轴承调整螺母锁片建模 下面就以轴承调整螺母锁片建模过程来说明本次设计的建模过程。首先进入startModeling，选择进行草图的绘制，依据二维图形要设计要求，在此绘制轴承调整螺母垫片图形。建立基准平面YC-XC，在此平面上绘制二维图形：图3.4 绘制二维平面图完成二维图形绘制之后，点击鼠标右键弹出以下图形：图3.5 二维图确认 此时选择finish Sketch结束二维图形绘制，进行下一步拉伸实体。选择命令，此时会弹出以下界面，给定拉伸的深度值图3.6 拉伸菜单