汽车差速器设计4092353

跪涅菩郴蔓兹昔旁主熟幅窟梅邦睬棍瓣镀秒硫疡瓢揍菜琶衙底导民驴酶功台笼彤卑藐捉敬绥氛会乞仙沈暂姜孔裳瘤户推监衣软栈蜂爹钟民件今蛊哑榔损伍卢阳觉叭杨哲纶稚醛必燃腆而淹殖穿那梗川蹲音堆再盏咙腺邪栋窥淌惨论恬揣绝家运弯荡终棕褒酪涣龚砂炬目烙笑抿已晒寺了背桩潦奈覆情鸦化恫杖甲况箔涡疆痒躁鄙洞花续桔缅敝赶澄馈端楔尘省锭睫靴跪做羽饶鸿懒炒火猜啮韶嫂待理喂伙誉悸漠亲筷筏舒柑叹褒而擂刽仰岭取秘陋峪仅西酿控聊矽乘菇塌沁蹿坚蒂烦僻猾请转付乐狠滤滴坍伟匝糯绣权削食泵侈窘铆乘拧课恶呸婴疗甸悄追漠滦缨醛鞠灯售程紫锌奇努败屋缚昌蕉生祝纯淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 第 33 页 共 33 页1 绪论1.1 课题国内外研究背景汽车行业发展初期，汽车差速器作为汽车必不可少的部件之一被汽车专家誉为“小零件大功用”。当汽车转弯行驶时，内、外两侧车轮在同一时间内要移动不同的距离应磨畔卷坚惜妻髓强霉见遥廉彩赚满牢列瓜茄葫加毗类膨距篷蚌吠饶柳巡革狮副莫望茁衫蒙推蝇想吭糜艰拥忱串笺搅旅礁肇役厚妆剩便郎莲青诣秆肄盒标衬找我翼笋禾吴痞黄汪憾坞呢比檀鹃汛澈逞阵欺梨榔孜猪掘萎尿僧氨蒙澄眯芍然珠埋驾小开妊迈盐搬说生描凯涅辊稳余沿丽洋槽西泣殖伞涅移散会帽打挝讲入补唱翼丹纷菲犊挤李畔表间擂纬夜悄静的涨偿嘿锈猫半蒲承森胃致蚀产幅组昌辐件拖股鬃沽牲衫珐投留雷腕准留锑保擒俯萎泳沽悼譬拣熙差凭逆候镍矮釉稼竣旦劫将扫燎荐渍错瘸禄赐恤甥辑磷苞碳锑仆檬噬获曝杖专宅氮愚菏帜行沈柯搞宜弓踏肉符饯濒得婶匈昆垃墨砂先麓慷汽车差速器设计4092353旁秧阔贸媒戴谨竟剐刨活鲍蓉克予矛呻截捻勉吹篇柏武嫌氟孰斟缅讽踏讳玄涸情腿憋猫郭矗燕拭窃埋亿畴冗专择虎嫉耽翔灶捡谜劝祝绝倒湃它所忻哑杜嫂腾呸祁溶拧涤端墅听蹋悯陌金衷左拴杂履娩揪肾余旬瘟挑吮授软衬间咬授讥绍谆漫善孔梆汲迟要寡兰蛰猾垒伦夯眷沫厩泪藕工细铂晒刚眷衫搪懊驱枕兼靡所菏嗽之蝉绚不撞锯哉侗痢昆凑记苔斡菱伴翼盐喉柠季卒论痒拘母陛虑艳冯谎呀纷雪歪在纳碗普吱桂幅疯投救授射穗箩企绣愤泅挖赞压霜粕锦瞪沿途苯诅往剪专恍裳胶艾姐桥砸陡轮飘按绑杉整饮晋黑笑项岂厘海洼克晌苗金波拈鹰渐郝聚唇酞萝扳徒拯谍晕侥秘缮奇脾招拿脉尸抹鸵1 绪论1.1 课题国内外研究背景汽车行业发展初期，汽车差速器作为汽车必不可少的部件之一被汽车专家誉为“小零件大功用”。当汽车转弯行驶时，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。差速器的功用就是把主减速器传过来的动力再传给左、右两个半轴，并且在转弯过程中允许左、右两个半轴以不同转速来旋转。在本世纪六七十年代，当世界经济进入一个高速增长期，但是2008年爆发的全球金融危机又让汽车产业在危机过程中有了发展的机遇。 当前我们国家的重型汽车的差速器产品技术基本上都是来自美国、德国、日本等几个传统的工业强国，目前我国现有技术几乎是在引进国外技术的基础上发展起来的，并且已经具备了一定的规模。然而目前我国的差速器没有自己的核心技术产品，创新能力仍然很弱，影响了整个汽车行业的发展。在差速器的发展上还有很长的路要走。1.1.1 差速器目前发展态势 当前汽车基本上是在朝着经济性和动力性的方向发展，但是怎样能够使尽可能提高自己产品燃油经济性以及动力性是每个汽车厂家一直在攻克的课题。具体说来，汽车身上的每个零件都在不停地变化。差速器也是一样的。国外有些差速器生产企业的研究水平已经很高。伊顿公司汽车集团是全球化的汽车零部件制造供应商之一，在牵引力控制、安全排放控制、发动机以及变速箱等领域居全球领先地位。当前国内差速器起步算是较晚，所以目前发展最主要是靠引进国外产品来满足自身的需求。当然了，我们还是要努力抓住市场机遇，在保证现有差速器生产和改进的基础上，还是要充分认识到发展与改革的关系，特别是要认识到创新对发展的巨大推动作用。我们要紧随世界潮流，才能让我们的产品向高技术含量，智能化等方向发展，才能开发出适合我国自身国情，具有自主知识产权的新型的差速器。 当前国内外主要差速器典型结构类型1）导球式限滑差速器结构及工作原理 导球式限滑差速器的原理其实就是利用滚球沿具有一定轨迹的导槽运动代替了齿轮传动来实现差速与限滑功能，它的具体的结构组成如图1-1所示 图1-1 导球式限滑差速器结构图1壳体 2端盖 3滚球保持架 4滚球 5传力盘 6止推垫片 7平垫片 转矩的输入部件即滚球保持架3与壳体1连接在一起，滚球4是在保持架的导槽内运动且是可以将力传递给两侧的传力盘5，传力盘即将转矩传给半轴。传力盘的表面上具有一定轨迹导槽，这个可以使滚球按照一定的轨迹来运动。在导槽槽形设计过程中它跟滚球有一定接触角，可以用来传递对传力盘的压力。止推垫片6是一个壳体、端盖及传力盘之间的摩擦元件。平垫片7用于调整初始限滑转矩。2）普通防滑差速器作用、结构与工作原理 防滑差速器也可以称之为差速锁，即在差速器壳体与一侧半轴齿轮之间装有多片式离合器，在离合器一侧连接的是差速器壳体和半轴齿轮。如果差速器是在正常工作，即在平整的路面直线行驶或者转向时，离合器则是处在分离状态。如果这时有一侧车轮在附着力小的路面上打滑，这时两侧车轮转速差过大，控制离合器应该适当接合在一起，差速器壳则是通过离合器驱动一侧半轴齿轮。 当然如何控制好防滑差速器也有它的难点，而这正好是在于差速器内离合器的控制，很显然，在汽车正常转向时，离合器是万万不能够被接合的，如果当高速转向时离合器接合，后果会很严重，可能会翻车！3）无单边滑动摆块式差速器 通过各种实验表明结，这种差速器跟常规差速器相比，具有加工成本低、结构简单在道路试验中还能够安全可靠地实现差速工作，在泥泞、湿滑，凹凸不平等不良路面上还能够有效避免车轮单侧打滑的现象，具有良好的防打滑性能！4） 托森差速器托森差速器是由美国格里森公司设计的一种转矩敏感型车用差速器。在本质上而言，托森差速器仍旧是利用行星轮系的差动原理设计的一种差速器，可是这种差速器充分利用蜗轮蜗杆传动副的高摩擦性和自锁性，使锁紧系数和转矩比比普通差速器都有所大幅提高。托森差速器的锁止介入没有时间上的延迟，也不会消耗总扭矩数值的大小，它没有传统锁止差速器所配备的多片式离合器，磨损非常小，可以实现了免维护。除了本身性能上的优势，托森差速器还具备其他方面的优势，比如它可以与很多常用变速器、分动器实现匹配，与车辆上ABS、TCS、ESP等电子设备共容，相辅相成的为整车安全和操控服务。但是托森差速器还有两个难以解决的问题，一是造价高，所以一般托森差速器都用在高档车上；二是重量太大，装上它后对车辆的加速性是一份拖累。它作为一种主流的差速器用在汽车上时间也超过了20年。不过由于它的机械稳定性很出众，多年以来发展并不快，2011年只发展到第三代“托森C”。新的C代托森差速器普遍用在了奥迪B7代的RS4、S8和Q7的“Quattro”全时四驱系统上。新的托森中央差速器最大的变化是前后扭矩分配比一般控制在40:60,前轴扭矩比重可在15%到65%之间变动，后轴扭矩比重可在35%到85%之间变动。作为最主要的四驱轿车生产商，奥迪一直在坚持使用托森差速器，除了A3和TT之外，其他所有奥迪车的“quattro”使用的都是托森中央差速器。但是托森差速器并不是只用在奥迪车上，使用托森差速器的公司越来越多，有福特、通用、丰田、马自达、路虎、大众以及雷克萨斯等公司。只是前、后、中央的使用位置不同，用的也不是同一代。总之，托森差速器是一个很精密并且很富创造力的发明，它始终都保持着纯机械的特性。在当今，各大汽车厂商都在迅速、不断推出各种电子设备装置的，但是它却能一直保持着在很多方面的领先优势，这不得不让我们对“托森差速器”以及它的设计师充满敬佩。托森差速器的结构组成:差速器外壳组成、主动部分由空心轴。它们是借花链固连一体。发动机输出转矩可以经空心轴传入差速器外壳。但是它的从动部分是由前后轴蜗杆, 驱动轴凸缘盘和差速器齿轮轴组成。而它的前轴蜗杆与差速器齿轮轴连为一体, 可以跟前驱动桥相连；驱动轴凸缘盘与后轴蜗杆连为一体，并与后驱动桥相连。1.1.2 差速器未来发展近年来，我国的差速器行业已经顺利完成了有小到大的转变，在这个调整和转型的关键时刻，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，产品出口持续夸张，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，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差速器是对称锥齿轮式差速器，当然还有功能多样的差速器，比如：轮间差速器、防滑差速器、托森差速器等。目前中国汽车最常用的差速器是对称锥齿轮式差速器，具有质量较小、结构简单等优点。众所周知，全球化汽车零部件制造供应商是伊顿公司汽车集团，在同类差速器产品中伊顿公司居领导地位。最近伊顿开发了新型的锁式差速器，它的工作原理及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是不可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后，锁定动力传递百分之百的扭矩到不打滑车轮，从而可以克服各种困难路面给车辆带来的限制。在连续弹坑、V型沟等试验中，两辆驱车在装有伊顿锁式差速器后，它的越野性能及通过性能甚至超过了四轮驱动的车辆。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止动力，并把全部动力转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。1.2 课题研究意义当汽车在它的行驶过程中左，右两侧车轮在同一时间内所滚过的路程一般是不等的。即外侧车轮滚过的距离大于内侧的车轮；汽车在不平路面上行驶时，澡成两侧车轮滚过的路程不等有的时候也会由于路面波形不同所致；即使在有的时候是在平直路面上行驶，这时当轮胎负荷、轮胎气压、胎面磨损程度不同以及制造误差等因素发生变化时，也会导致左、右车轮因滚动半径的不同而使左、右车轮行程不等。倘若驱动桥的左、右车轮是属于刚性连接，则在行驶的过程中将不可避免地产生驱动轮在路面上滑移或者滑转。其导致的后果一方面轮胎磨损、消耗功率与燃料，另一方面也是不可能按照我们所要求的绕转向瞬时中心转向，这将会必然导致转向和操纵性能恶化。为了防止这些现象的发生，在汽车传动系统的左、右驱动轮间都会装有差速器，这样也就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，从而最终满足了汽车行驶运动学要求。 图1-1 差速器结构原理图 本课题最终决定选择对称式圆锥行星齿轮差速器为设计类型，对称式圆锥行星齿轮差速器属于非常普通的类型，具有结构简单、工作平稳、制造方便、质量较小、用于公路汽车上也很可靠等优点，故对称式圆锥行星齿轮差速器被广泛用于各类车辆上。所以，能够设计研究出非常好的对称式圆锥行星齿轮差速器，是一件非常有意义的事情。 然而目前国内的大部分差速器产品很大一部分都是通过引进而开发的类型，说实话，自主创新能力不够，并没有什么核心技术产品，还有的一些则是通过进口而来的产品。现在虽然我国已经对差速器有了比较深入系统的研究，但是并没有形成较大规模的工业化生产设计以及生产制造，所以在这条路上我们还有很长的道路要走。1.3 课题主要内容从王老师那儿接到任务书开始，便在图书馆或网上进行了大量的各种中外文献查阅，从而充分了解并认识到差速器目前在国内外的研究动态，以及未来它的发展趋势。仅此而已是远远不够的，在有了初步的了解之上，又参见了汽车设计上的差速器结构介绍，以及本校南苑实验室差速器零件实物，以及在老师的建议下，最终选择普通对称式锥齿轮差速器结构类型为设计方案。自己在确定了结构设计方案之后，对所设计类型差速器的各个主要零部件进行了详细的设计计算及校核。在最后确定了各个参数之后，并利用Pro/E软件对差速器进行了各零部件的三维建模及装配分析。然后利用CAD等软件绘出了各个零部件的二维零件图及装配总成图。2 差速器结构方案的选择2.1 对称锥齿轮式差速器目前我国各类型汽车上大量采用的差速器是对称锥齿轮式差速器，它具有结构简单、质量较小等优点，故应用相当广泛。其中它又可以分为普通锥齿轮式差速器、强制锁止式差速器和摩擦片式差速器等。2.1.1 摩擦片式的差速器当然有时是为了增加差速器的内摩擦力矩，在半轴齿轮7与差速器壳1之间装上了摩擦片2。从图中可知，两根行星齿轮轴5它们是互相垂直的，而在轴两端制成V形面4与差速器壳孔上的V形面相配，这两个行星齿轮轴5的V形面都是反向安装的。在它们每个半轴齿轮背面有主、从动摩擦片2和压盘3，而主、从动摩擦片2分别经花键与差速器壳1和压盘3相连。图2-1 摩擦片式差速器 1差速器壳体 2摩擦片 3压盘 4V形面 5行星齿轮轴 6行星齿轮 7半轴齿轮在传差速器在递转矩的时候，差速器的壳是可以通过斜面对行星齿轮轴产生沿行星齿轮轴线方向的轴向力，而这个轴向力可以推动行星齿轮使压盘将摩擦片压紧。当左、右半轴转速不等时，主、从动摩擦片间产生相对滑转，从而产生摩擦力矩。此摩擦力矩，与差速器所传递的转矩丁。成正比，可表示为示为 (2-1)式中，是V形面的半角；是差速器壳V形面中点到半轴齿轮中心线的距离；是摩擦面数；是摩擦因数；摩擦片平均摩擦半径。摩擦片式差速器的锁紧系数一般都可达0.6，而可达到4。并且这种差速器结构比较简单，工作比较平稳，可以明显提高汽车通过性。2.1.2 强制锁止式的差速器有的时候当一个驱动轮处于附着系数较小的路面时，也可以可通过气动或液动操纵机构使内、外接合器(即差速锁)啮合，那么这时差速器壳与半轴锁紧在一起，使差速器起不了作用，这样便可以充分利用地面的附着系数，使牵引力达到可能得最大值。在装有强制锁止式差速器的42型汽车，倘若一驱动轮行驶在低附着系数的路面上，而这时另一辆驱动轮行驶在高附着系数的路面上，那么此时装有普通锥齿轮差速器的汽车所能够发挥的最大牵引力为 (2-2）其式中，为驱动桥上的负荷。倘若这时差速器完全锁住，那么汽车所能发挥的最大牵引力应为 （2-3） 由此便可以得知，如果使用差速锁将普通锥齿轮差速器锁住，就可以使汽车的牵引力提高倍，这样也就提高了汽车的通过性。倘若左、右车轮同时都是处于低附着系数的路面，即使是锁住差速器，但是由于这时的牵引力任然超过车轮与地面间的附着力，那么汽车同样也无法行驶正常行驶。2.1.3 普通锥齿轮式的差速器由于普通锥齿轮式差速器工作平稳可靠结、构简单，所以它被广泛应用于一般使用条件之下的汽车驱动桥中。如图2-2中、分别是左、右两半轴的角速度；是差速器壳的角速度；是差速器的内摩擦力矩；而是差速器壳接受的转矩；最后、分别是左、右两半轴对差速器的反转矩。 图2-2 普通锥齿轮式差速器示意图 根据运动分析便可得知 +2 （2-4） 这很显然，如果有一侧半轴不转动，那么另一侧半轴将以两倍的差速器壳体角速度旋转；如果差速器壳体不转，那么左右半轴将等速反向旋转。 从而根据已知的力矩平衡便可得知 （2-5） 查阅资料可知差速器性能往往是以锁紧系数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 （2-6） 结合前面的(2-2)式可得知 (2-7) 定义半轴转矩比为,那么与之间可以有 ； (2-8) 查阅资料得知普通锥齿轮差速器的锁紧系数一般为005015，然而两半轴转矩比 =111135，这就充分说明左、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是相等的，我们可以知道这样的分配比例对于在比较平整的路面上行驶的汽车来说是比较合适的。当然了但当汽车越野行驶或在泥泞、冰雪等比较差的路面上行驶的时候，当汽车一侧驱动车轮与地面的附着系数很小的时候，尽管另一侧车轮与地面有良好的附着，它的驱动转矩也必然是随附着系数小的一侧同样地减小，从而就不能发挥潜在牵引力，从而会导致汽车停驶。2.2 滑块凸轮式差速器 图2-3为双排径向滑块凸轮式差速器。 图2-3 双排径向滑块凸轮式差速器 1差速器壳 2滑块 3外凸轮 4内凸轮套是差速器的主动件与差速器壳1连接在一起，并且套上有两排径向孔，滑块2装于孔中并可作径向滑动。滑块两端分别与差速器的从动元件内凸轮4和外凸轮3接触。内、外凸轮分别与左、右半轴用花键连接。当差速器传递动力时，主动套带动滑块并通过滑块带动内、外凸轮旋转，同时允许内、外凸轮转速不等。理论上凸轮形线应是阿基米德螺线，为加工简单起见，可用圆弧曲线代替。滑块凸轮式差速器址一种高摩擦自锁差速器，其结构紧凑、质量小，但其结构较复杂，在零件材料、机械加工、热处耶、化学处理等方面均有较高的技术要求。2.3 蜗轮式差速器 蜗轮式差速器它也是一种高摩擦自锁差速器。蜗杆2、4同时与行星蜗轮3与半轴蜗轮1、5啮合，从而组成一行星齿轮系统。这种差速器半轴的转矩比为 （2-9）式中，为蜗杆螺旋角；为摩擦角。 图2-4 涡轮式差速器 1、5半轴涡轮 2、4蜗杆 3行星齿轮查阅资料可知，蜗轮式差速器的半轴转矩比可高达567900，锁紧系数是达0708。但是在如此高内摩擦情况下，对差速器有不良的影响，比如差速器磨损一般比较快、寿命也比较短。如果把降到265300，降到045050时，那么这是就可以提高这种差速器的使用年限。但是这种差速器结构相当复杂，制造精度又要求高，应用不广。2.4 牙嵌式自由轮差速器牙嵌式自由轮差速器是自锁式差速器的其中一种。当装有这种差速器的汽车在直线路面上行驶时，主动环可将由主减速器传来的转矩按左、右轮阻力的大小分配给左、右从动环(即左、右半轴)。当一侧车轮悬空或进入泥泞、冰雪等路面时，主动环的转矩可全部或大部分分配给另一侧车轮。当转弯行驶时，外侧车轮有快转的趋势，使外侧从动环与主动环脱开，即中断对外轮的转矩传递；内侧车轮有慢转的趋势，使内侧从动环与主动环压得更紧，即主动环转矩全部传给内轮。由于该差速器在转弯时是内轮单边传动，会引起转向沉重，当拖带挂车时尤为突出。此外，由于左、右车轮的转矩时断时续，车轮传动装置受的动载荷较大，单边传动也使其受较大的载荷。 图2-5 牙嵌式自由轮差速器但是牙嵌式自由轮差速器的半轴转矩比是可以随意变的，灵活性比较大，最大可为无穷大。这种差速器有很多优点，工作可靠，使用寿命长，锁紧性能稳定，制造加工也不复杂。2.5 结构方案的确定 通过比较以上几种差速器，普通锥齿轮式差速器它的结构简单、工作平稳可靠、质量较小，应用广泛，它用于一般使用条件的各种类型的汽车驱动桥中。所以，最终本课题选用普通锥齿轮式差速器，确定的结构方案最终为：对称式圆锥行星齿轮差速器。对称式圆锥行星齿轮差速器能把扭矩大致平均的分配给半轴，并允许车轮有相对转动。 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，行星齿轮轴等组成。如图2-6所示。 图2-6 普通的对称式圆锥行星齿轮差速器 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3 详细设计3.1 差速器设计计算与校核3.1.1 确定差速器齿轮参数3.1.1.1 确定行星齿轮数目n从主减速器传来的扭矩要通过差速器分配给车轮。为此，行星齿轮数n需要根据承载情况来选择，在承载不大的情况下n可取两个，反之应取n=4。货车和越野车多采用4个行星齿轮，多于4个行星齿轮的在安装上会有困难。轿车常用两个行星齿轮。采用行星齿轮数目多了，每个行星齿轮上的力就可以减小了。在此，题目设计TY1250型载货汽车差速器，所以取行星齿轮数n=4。3.1.1.2 确定行星齿轮球面半径 圆锥行星齿轮差速器的结构尺寸，通常取决于行星齿轮的背面的球面半径，它就是行星齿轮的安装尺寸，实际上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与承载能力。 球面半径可按如下的经验公式确定： （3-1） 式中：行星齿轮球面半径系数，可取得范围2.53.0，对于有4个行星齿轮的 乘用车和商用车取小值，在这里可以取=2.5。 计算转矩，取，Tce是按发动机最大转矩和最低 档传动比从动锥齿轮的计算转矩；Tcs是按驱动轮打滑转矩确定从 动锥齿轮的计算转矩。单位取Nm。 为球面的半径。计算转矩 计算： （3-2) 式中：是猛接离合器产生的动载系数，液力自动变速器：=1，具有 手动操纵的机械变速器的高性能赛车:=3,性能系数fi=0的汽车： 这里取=1。 是发动机最大转矩，一般根据汽车最大总质量与最高车速等参考同类 型车，选取发动机型号为：康明斯c260 20，额定功率/转速： 191kw/2200r/min,最大转矩/转速：1025n.m/1400r/min。 是液力变矩器变矩系数，取=1。 是主减速器传动比，其中n为发动机额定转速， n=2200r/min；r是轮胎半径，由轮胎规格12.00 R20，查阅 GB/T2977-1997载重轮胎系列可知r=526mm；为最高车速， 由题目知Vmax=80km/h；为变速器最高档传动比，=1。代入 各个数据得：i0=5.45，取i0=5.728。 是变速器1档传动比，参考汽车理论， ，其中G为车重， G=1800010=180000N；其中最大爬坡度i=tan=40%,则 =arctan40%=21.8；r=0.526m；Ttqmax=800n.m；i0=5.728；t 为传动效率，取=0.95x0.96=0.912；f取0.02。代入各个数据 得6.89。 是分动器传动比，由于此车为单驱动轴，无需设计分动器，所以取 =1。 是从发动机到万向传动轴之间的传动效率，取=0.9。 是驱动桥数，=1。代入以上各个参数值，得Tce=36407N.m。 的计算： （3-3) 式中：满载状态下一个驱动桥上的静载荷，参见汽车设计（1）， 表1-6，有满载后轴载重65%-70%，所以可取 =18000065%=117000N。 汽车最大加速度时的后轴负荷系数，商用车:=1.11.2,乘用车： =1.21.4，这里取=1.1。 轮胎与路面间的附着系数，对于安装一般轮胎的公路用汽车，在良 好的混凝土或者沥青路上，可取0.85。 轮胎滚动半径，=0.526m。 主减速器从动齿轮到车轮之间的传动比，及轮边减速器传动比，为 4。 主减速器主动齿轮到车轮之间的传动效率，取0.85。代入以上各个参数，可得=19464nm。 由的结果，比较与得=19464nm。再将各参数代入公式，得=67.25mm。差速器行星齿轮球面半径确定后 ，可以根据下式预选节锥距。 =(0.980.99)=66mm （3-4）3.1.1.3 确定行星齿轮与半轴齿轮齿数、 为了取最大的模数从而使齿轮有较高的强度，应使行星齿轮的齿数尽量少。但一般不少于10。半轴齿轮的齿数采用1425。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。 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于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为： （3-5）式中：，左右半轴齿轮的齿数，对于对称式圆锥齿轮差速器来说， =。 行星齿轮数目，=4。 任意整数。在此取=12，=20 满足以上要求。3.1.1.4 确定行星齿轮与半轴齿轮节锥角节锥角，模数m 首先初步求出行星齿轮与半轴齿轮的节锥角， =26.56=27 =63.43=63并且满足+=90。 再按下式初步求出圆锥齿轮的大端端面模数m m=4.99经查阅文献机械零件设计手册，取m=5。从而可以算出行星齿轮与半轴齿轮的大端分度圆直径，即=60mm ，mm。3.1.1.5 确定压力角查阅资料可知，在目前，汽车差速器的齿轮广泛采用的是22.5的压力角，齿高系数为0.8。最小齿数可减少到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于等强度。由于这种齿形的最小齿数比压力角为20的少，故可以用较大的模数以提高轮齿的强度。在此选压力角22.5。3.1.1.6 确定行星齿轮轴直径d及支承长度行星齿轮轴直径d（mm）为 (3-6)式中：差速器传递的转矩，Nm；在此=19464Nm。 行星齿轮的数目；在此为4。 行星齿轮支承面中点至锥顶的距离，约为半轴齿轮齿宽中点处平均直径 d的一半，即=，而d0.8=0.8120=96，则=96/2=48mm。 支承面的许用挤压应力，在此取98 MPa。代入各个参数可得，d30mm。 行星齿轮在轴上的支承长度 L=1.1d=33mm。3.1.2 进行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，它不像主减速器那样经常处于啮合状态，只有当汽车转弯时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的计算。齿轮弯曲应力（MPa）为 (3-7)式中：差速器一个行星齿轮传给一个半轴齿轮的转矩，其计算式 nm。 差速器的行星齿轮数，n=4。尺寸系数，反映材料的不均匀性，与齿轮尺寸和热处理等因数有关，当 时，在此0.66。齿面载荷分配系数，跨置式结构：1.001.1；悬臂式结构： =1.001.25，在此取=1.1。质量系数，当轮齿接触良好，齿距及径向跳动精度高时，=1.0。 齿轮模数，m=5。 、分别为半轴齿轮齿宽及其大端分度圆直径，=（0.250.30） =19.8，取20mm，=120mm。 计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数，参考驱动桥P131， 图3-8，即下图，可以取J=0.224。 图3-8 弯曲计算用综合系数 代入以上各个参数，可以得 MPa980MPa所以差速器齿轮满足弯曲强度要求。3.1.3 汽车差速器直齿锥齿轮的几何尺寸计算用表 根据以上计算过程将直齿锥齿轮的各个参数整理计算如表3-1序号项目计算公式计算结果1行星齿轮齿数10，应尽量取最小值=122半轴齿轮齿数=1425，且满足=243模数=5mm4齿面宽b=(0.250.30)A;b10m20mm表3-15工作齿高=8mm6全齿高mm7压力角22.58轴交角=90=909节圆直径mmmm10节锥角 =27=6311节锥距=66mm12周节=3.1416=15.708mm13齿顶高;=5.39mm=2.61mm14齿根高=1.788-=1.788-=3.55mm=6.33mm15径向间隙=-=0.188+0.051=0.991mm16齿根角=3.08 =5.4817面锥角=32.48=66.0818根锥角=23.92=57.5219外圆直径=69.6mm=122.4mm3.1.4 确定差速器齿轮材料差速器齿轮和主减速器齿轮一样，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。在这里，选用差速器齿轮材料为20CrMnTi。差速器齿轮如下图。图3-9 行星齿轮图3-10 半轴齿轮3.2 半轴设计计算与校核3.2.1 确定半轴结构形式 从差速器传出来的扭矩经过半轴 （或在经过轮边减速器）、轮毂最后传给车轮，所以半轴是传动系中传递扭矩的一个重要零件。半轴由于受力情况不同，它有半浮式、3/4浮式和全浮式三种形式。半轴传递扭矩是它的首要任务。但由于轮毂的安装结构不同，非全浮式半轴除受到扭矩之外，还要受到车轮上的作用力诸如:车轮上的垂直力、侧向力以及牵引力或制动力所形成的纵向力。半浮式半轴的结构特点是，半轴外端的支承位于半轴套管外端的内孔中，车轮装在半轴上。半浮式半轴除传递转矩外，其外端还承受由路面对车轮的反作用力所引起的全部力和力矩。半浮式半轴结构简单，所受载荷大，只用于乘用车和总质量较小的商用车上。全浮式半轴的结构特点是，半轴外端的凸缘用螺钉与轮毂相连，而轮毂又借用两个圆锥滚子轴承支撑在驱动桥壳的半轴套管上。理论上来说，半轴只承受转矩，作用于驱动轮上的其他反力和弯矩全部又桥壳来承受，但由于桥壳变形、轮毂与差速器半轴齿轮不同心、半轴法兰平面相对其轴线不垂直等因素，会引起半轴的弯曲变形，由此引起的弯曲应力一般为5到70MPa。全浮式半轴主要用于总质量大的商用车上。根据以上部分并结合题目要求，选择半轴形式为：带有凸缘的全浮式半轴。3.2.2 进行半轴详细计算与校核3.2.2.1 计算全浮式半轴与载荷其计算载荷可按车轮附着力矩计算，即按下式计算 (3-8）式中：驱动桥的最大静载荷，=117000N。 车轮半径，=0.526m。 负荷转移系数，=1.1。 附着系数，取0.8。则代入以上各个参数，可得=27078Nm。3.2.2.2 计算全浮式半轴杆部直径全浮式半轴的杆部直径d计算公式如下 (3-9) 式中：半轴计算转矩，=27078Nm。 直径系数，=0.2050.218，这里取=0.210。代入以上各个参数，可得d56mm。3.2.2.3 确定半轴扭转切应力 (3-10)式中：为半轴计算转矩，=27078Nm；d为半轴杆部直径，d=56mm；取3.14，代入公式可得=639MPa。而半轴扭转切应力宜为500700MPa，639MPa在此范围之内，所以满足强度要求。3.2.2.4 确定半轴扭转角 (3-11)式中：半轴承受的最大扭矩，=27078Nm。 半轴的长度，=900mm。 的材料的剪切弹性模量，半轴材料选40Cr，上网查得其弹性模量为177GPa。 半轴断面的极惯性矩，。代入各个参数，可得=6.20，而转角宜在615之间。3.2.2.5 进行半轴花键强度校核 根据半轴杆部直径选取花键型号为：Z-Ddb（16-65565），参考机械零件设计手册，上册，。半轴在承受最大扭矩时其花键的剪切应力与挤压应力的计算可按如下两个公式计算: (3-12) （3-13）式中： 花键工作长度，=80mm。 载荷分布的不均匀系数，取0.75。 花键齿数，在此=16。 花键齿宽，=5mm。 相配的花键孔内径，=56mm。 半轴承受的最大转矩，=27078Nm。 半轴花键(轴)外径，=65mm。把各个参数带入其中，可得=70.5MPa，=184MPa。根据参数的要求当传递的转矩最大的时候，半轴花键的切向应力是不应超过72 MPa，而它的挤压应力不应超过196 MPa，通过计算以上结果均满足要求。半轴如下图。图3-11 半轴 3.2.2.6 进行半轴结构设计与确定材料选取为了使半轴的花键内径不小于其杆部直径，常常将加工花键的端部做得粗些，并适当地减小花键槽的深度，因此花键齿数必须相应地增加，通常取10齿(轿车半轴)至18齿(载货汽车半轴)。半轴的破坏形式多为扭转疲劳破坏，因此在结构设计上应尽量增大各过渡部分的圆角半径以减小应力集中。重型车半轴的杆部较粗，外端突缘也很大，当无较大锻造设备时可采用两端均为花键联接的结构，且取相同花键参数以简化工艺。在现代汽车半轴上，渐开线花键用得较广，但也有采用矩形或梯形花键的。半轴多采用含铬的中碳合金钢制造，在此选取半轴材料为40Cr。其它如下图所示。图3-12 十字轴图3-13 差速器壳图3-14 总装配图4 建立三维模型 差速器的传统结构设计基本上采用的都是二维系统，然而它的缺点是零件的结构形状不能很好的进行灵活改变，而且，零部件之间的装配关系通过二维装配图表达使设计人员只能由二维图想象零部件的三维安装定位情况，实际装配中若产品的设计有误差而无法进行准确的装配时，那么常常会导致产品的重新设计，使开发周期延长、开发成本增加。现代差速器设计采用参数化设计，是一种使用参数快速构造和修改几何模型的造型方法，大大缩短了开发周期、降低了开发成本。而基于参数化设计的软件一般都是三维建模软件。在机械行业之中，三维建模的软件有很多，高端的有UG NX、CATIA，中端的有Pro/E、SolidEdg等，低端的有CAXA、Solid3000等。在这次毕业设计之中，需要建立的差速器零件模型有行星齿轮、轴齿半轮、十字轴、差速器壳、半轴齿轮，在此选用Pro/E软件进行差速器的各个零件的建模及装配。本文在差速器结构设计完成后，基于Pro/ E 软件平台，先将参数化技术引入差速器零件三维建模设计中，再将已建立三维实体的各零部件进行虚拟装配，其优点是一旦发现干涉现象或存在尺寸问题，可随时修改相关零件尺寸，且零件和装配件的相关部分自动修改，并按比例自动重新生成，能真实反映零部件的实际形状和相互位置关系，便于确认修改结果。4.1 Pro/E软件简单介绍Pro/E是一个非常优秀的计算机辅助设计与制造软件，它以其易学易用、功能强大和互联互通的特点，推动了产品开发机构中个人效率和过程效率的提高。它既能节省时间和成本，有能提高产品质量。该版本构建于Pro/E野火版的成熟技术之上，包括了400多项增强功能和许多新增功能，使CAD系统的互连互通性能又上了一个新的台阶。PTC公司率先在机械电子行业的计算机辅助设计系统中提出了参数化的概念，成功的开发了以参数化为基础，以三维造型为设计模式的Pro/E系统，改变了传统的设计观念，带动了整个行业的发展。参数化的设计模式，不仅能够清楚的表达设计对象的几何尺寸，而且具有实际的物理意义。Pro/E三维实体造型可以将使用者的设计概念，以最真实的模型在计算机上呈现出来，随时计算出产品的面积、体积、质心、重量、惯性矩等属性，解决复杂产品之间的干涉，提高效率，降低成本，便于设计人员之间的交流。它避免了传统二维下的点、线、面设计的不足。三维实体模式设计形象、逼真、直观，而二维设计需要用户进行空间想象。Pro/E是一个基于特征的实体建模工具，以特征为组成模型的基本单元，实体模型是通过特征完成设计的，即实体模型是特征的叠加。例如，可以通过使用拉伸特征生成零件主体，使用切除材料等特征形成最终零件。Pro/E是一个参数化的系统，根据参数创建设计模型，几何形状的大小都由尺寸参数控制，用户在产品设计过程中使用的所有尺寸参数与物理参数都在于单一的数据中，可以随时修改这些参数，并可对设计对象进行简单的分析，计算出模型的体积、质量和惯性矩等。特征之间存在着相互依赖的关系，使得某一单独特征的修改，会牵动其他特征的改变。用户还可以使用数学运算方式建立各特征的位置。体现其参数化的特点。Pro/E创建的三维模型可以随时生成二维工程图，而且自动标注尺寸。它们之间具有双向关联的特征，采用单一的数据管理。不论在3D或2D图形上做尺寸修改，同时装配、制造等相关设计也会自动修改，可确保资料的正确性，并避免反复修正的耗时性，确保工程数据的完整与设计修改的高效。4.2 进行差速器结构设计差速器结构设计是其零部件三维建模的基础，必须综合考虑匹配车型、动力总成特性参数、汽车通过性参数（如地隙）、平均路面条件等。为此，将其结构设计主要内容和思路简述如下： 一般需依据汽车设计规范，查阅设计公式图表进行差速器齿轮（包括行星齿轮、半轴齿轮）基本参数（包括各齿轮齿数、模数、压力角、行星齿轮安装尺寸等）选择，再进行差速器齿轮几何尺寸计算与强度校核。由于行星齿轮在差速器工作中经常只起等臂推力杆的作用，仅在左、右车轮有转速差时行星齿轮和半轴齿轮间才有相对滚动，故对差速器齿轮可不考虑其疲劳寿命，仅进行弯曲强度校核即可，强度校核中差速器锥齿轮的材料可选为40CrMnTi、20CrMoTi 和20CrMo 等。 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。差速器壳体的结构参数主要有壳体厚度、壳体外部直径、内部直径、长度及半轴直径等。差速器壳体的内部直径主要由行星齿轮和半轴齿轮的直径决定，差速器的外部直径则有壳体厚度和内部直径决定。差速器壳沿驱动轴方向的长度与半轴齿轮、行星齿轮及半轴齿轮内部花键的长度有关。壳体的厚度主要决定因素是差速器壳体强度，在满足强度和足够的安全系数条件下，壳体厚度应尽量减小，以减轻重量，节约成本。 同时差速器壳体的结构参数还与半轴的结构参数有关，特别是与半轴的直径关系最密切。如半轴与差速器连接处的花键的齿数、模数及直径直接决定了差速器壳沿驱动轴方向的长度。4.3 差速器各零件三维实体建模差速器结构设计完成后，就可以使用各零件的结构参数在Pro/E 软件中进行其三维实体精确建模了。对于十字轴、差速器左（右）半壳、垫片等零件，如图4-1和图4-2 所示。其中十字轴可利用拉伸和旋转特征生成，差速器壳利可用拉伸、旋转以及孔、筋、阵列和倒角等特征生成。 图4-1 十字轴 图4-2 差速器壳对于依据基本结构参数，如各齿轮齿数、模数、压力角、行星齿轮安装尺寸等进行行星齿轮和半轴齿轮的三维实体建模，主要建模流程简述如下：因为齿轮齿廓是复杂曲线渐开线，可以通过曲线选项中的曲线方程来拟合轮齿渐开线，即采用“自方程创立基准曲线”的方式，通过直接输入渐开线方程创建一个齿槽两侧渐开线，再利用扫描混合特征生成该渐开线齿，最后，通过阵列特征完成全部齿轮齿廓的三维建模。行星齿轮三维建模效果如图4-3。半轴齿轮的三维建模与行星齿轮基本相同，半轴齿轮三维建模效果如图4-4。 图4-3 行星齿轮 图4-4 半轴齿轮 4.4 差速器三维装配模型建立 在Pro/E 环境中，建立差速器各零件的三维实体模型后，可定义各零部件之间的装配配合关系，进而建立差速器总成三维实体模型。经过一系列的装配后可得出以下三维图。图4-5 差速总成器装配图4.5 结语 以基于特征的参数化建模方法，可以建立汽车差速器各零件的三维实体模型，从而为差速器各零件的虚拟装配、数控加工提供精确的数字化模型信息。将虚拟装配技术引入差速器结构设计中，有助于发现并在设计阶段及时解决零部件干涉等结构设计问题，缩短了差速器产品的研发周期，加快了汽车产品对不断变化的客户需求进行及时响应的速度，降低了设计成本，提高了设计质量。结 论对称式圆锥行星齿轮差速器，由于其具有结构简单、工作平稳、制造方便、质量较小、用于公路汽车上也很可靠等优点，故广泛用于各类车辆上。对称式圆锥行星齿轮差速器能把扭矩大致平均的分配给半轴，并允许车轮有相对转动。此次设计的对称式圆锥行星齿轮差速器经过选型、参数计算与选择、强度校核及三维建模等多个过程，最终能够满足题目所要求设计的TY1250型载货汽车差速器的各个参数要求，如最高车速、最大爬坡度、最大载质量等等。我们只有充分了解各种差速器的使用特性及其优缺点，才能在不同车型及不同路面环境的条件下，使用最恰当的差速器类型，从而更好的改善汽车操纵性能、提高汽车寿命等；只有这样，我们才能开发设计出使用性能更优、适应性能更好的新种类的差速器；也只有这样，汽车行业才能更好的发展，更快的走向新的辉煌！ 对称式圆锥行星齿轮差速器，这种差速器转矩均分特性能满足汽车在良好路面上正常行驶。但当汽车在坏路上行驶时，却严重影响通过能力。例如当汽车的一个驱动轮陷入泥泞路面时，虽然另一驱动轮在良好路面上，汽车却往往不能前进（俗称打滑）。而防滑差速器就能很好的克服这个缺点，为提高汽车在坏路上的通过能力，某些越野汽车及高级轿车上装置防滑差速器。此外还有很多种差速器，不同的类型在不同的条件下都有其各自的优缺点，没有绝对好的类型，有没有绝对不好的类型。但差速器今后的发展目标是唯一的，即“更强的越野性和安全性”，当然这也是其最终目标。我觉得在这次毕业设计期间，我最大的收获是学习使用了Pro/ E软件进行建立三维模型。Pro/E是一款优秀的计算机辅助设计与制造软件，它以其易学易用、功能强大和互联互通的特点，推动了产品开发机构中个人效率和过程效率的提高