汽车差速器设计与分析机械毕业设计论文

　摘

　要

　在去年金融危机的影响下，汽车产业结构的重组给汽车的发展带来了新的机遇，与汽车相关的各行各业更加注重汽车的质量。差速器作为汽车必不可少的组成部分之一也在汽车市场上产生了激烈的竞争。此次就是针对汽车差速器这一零件进行设计的。本次设计主要对安装在驱动桥的两个半轴之间的差速器进行设计，主要涉及到了差速器非标准零件如齿轮结构和标准零件设计计算，同时也介绍了差速器的发展现状和差速器的种类。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了更透彻的了解。再设计出合理适用的差速器的同时也对差速器相关的行业有了一定得认识。通过绘制差速器的组件图也让我在学习方面得到了提高。

　 关键词：差速器、齿轮结构、设计计算

　Abstract

　In the last year under the impact of financial crisis, automotive industrial restructuring brought about by the development of motor vehicles to new opportunities, and automotive

　related businesses pay more attention to the quality of cars. Differential as an integral part of car, one of the automotive market also resulted in fierce competition. The differential is the spare parts for motor vehicles designed. The design of the main drivers on the installation of the bridge in between the two axle differential design, mainly related to the differential struct

　-ure of non-standard parts such as gear parts and standards for design and calculation, but also introduced the development of differential status and the type of differential. For differential selection and the principle of the program have also made a brief note. Reference in the desi

　-gn of a large amount of literature on the role of differential structure and have a more thoro

　-ugh understanding. Re-engineering the application of a reasonable differential at the same time also has been related industries must be aware of. Differential through the mapping component map also let me in the field of learning has been improved.

　 Keywords:differential, gear structure,design

　目

　录

　摘

　要 I

　Abstract II

　目

　录 I

　第一章

　概述 1

　1.1汽车差速器的发展现状 1

　1.2汽车差速器的功用及其分类 2

　1.3课题设计初始数据的来源与依据 6

　第二章

　差速器的设计方案 8

　2.1差速器的方案选择及结构分析 8

　2.2差速器的工作原理 9

　第三章

　差速器非标准零件的设计 12

　3.1对称式行星齿轮设计计算 12

　3.1.1对称式行星齿轮参数确定 12

　3.1.2差速器齿轮几何计算图表 13

　3.1.3差速器齿轮的材料 15

　3.1.4差速器齿轮强度的计算 15

　3.2差速器行星齿轮轴的设计计算 16

　3.2.1行星齿轮轴的分类及选用 16

　3.2.2行星齿轮轴的尺寸设计 17

　3.2.3行星齿轮轴的材料 17

　3.3差速器垫圈的设计计算 17

　3.3.1半轴齿轮平垫圈的尺寸设计 18

　3.3.2行星齿轮球面垫圈的尺寸设计 18

　第四章

　差速器标准零件的选用 19

　4.1螺栓的选用和螺栓的材料 19

　4.2螺母的选用何螺母的材料 19

　4.3差速器轴承的选用 19

　第五章差速器总成的装复和调整 21

　5.1差速器总成的装复 21

　5.2差速器的零部件的调整 21

　小结 22

　致

　谢 23

　参考文献 24

　第一章

　概述

　1.1汽车差速器的发展现状

　在汽车行业发展初期，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”。如图1-1所示普通差速器的结构分解图。

　 本世纪六七十年代，世界经济发展进入了一个高速增长期，而去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。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。由小到大是一个量变的过程，科学发展观对它的影响或许仅限于速度和时间，但是由大到强却是一个质变的过程，能否顺利完成这一个蜕变，科学发展观起着至关重要的作用。然而在这个转型和调整的关键时刻，提高汽车车辆、石油化工、电力通讯差速器的精度、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技术产品方向发展，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。下面图1-1为普通差速器的结构分解图。这次设计的轮边差速器主要是为克服轮间差速器安装调整不方便，还有因为要布置差速器也使从动齿轮的尺寸受到限制等缺点来设计的。轮边差速器是安装在驱动轮的轮毂内，差速器壳通过行星齿轮轴固定行星齿轮.行星齿轮与半轴齿轮齿合. 绝对直线行驶时.差速器壳和行星齿轮(行星齿轮与半轴齿轮不发生相对转动)一同随减速器被动齿轮转动.称为公转. 行星齿轮饶自身轴线转动称之自转.将两轮悬空.自转方向相反,转速相同. 在转弯时,行星齿轮自转的同时还和差速器壳一起公转.实现两边不等速。

　 这里我们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预计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、越野性、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，具备传统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：

　 （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，车辆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。

　 1.2 汽车差速器的功用

　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。而为了方便安装和调试差速器，还解决现在差速器的从动齿轮尺寸不受限制所以设计了安装在轮毂的差速器称为轮边差速器，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。

　 差速器按其结构不同可以分为以下几种形式：

　 1. 齿轮式

　汽车上广泛采用的是对称锥齿轮式差速器，它具有结构简单、

　质量小等优点。它又分为普通锥齿轮式差速器、摩擦片式差速器和强锁止式差速器等。

　 2. 凸轮式

　现在常见的是滑块凸轮式差速器，它是一种高摩擦自锁差速器，结构紧凑、质量小、但是结构较复杂。

　 3. 蜗轮式

　蜗轮式差速器也是一种高摩擦自锁差速器，这种差速器结构复杂，制造精度要求高，因而限制了它的应用。

　 4. 牙嵌式

　牙嵌式自由轮差速器是自锁式差速器的一种，该差速器工作可靠，使用寿命长，锁紧性能稳定，制造加工也不复杂。

　 1.3 差速器的主要结构形式介绍

　 (一)齿轮式差速器

　汽车上广泛采用的差速器为对称锥齿轮式差速器，具有结构简单、质量较小等优点，应用广泛。他又可分为普通锥齿轮式差速器、摩擦片式差速器和强制锁止式差速器等

　1．普通锥齿轮式差速器

　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ω0为差速器壳的角速度；ω1、ω2分别为左、右两半轴的角速度；To为差速器壳接受的转矩；Tr为差速器的内摩擦力矩；T1、T2分别为左、右两半轴对差速器的反转矩。

　 图1-2 普通锥齿轮式差速器

　普通锥齿轮差速器的锁紧系数是一般为0．05～0．15，两半轴转矩比kb=1．11～1．35，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减小，无法发挥潜在牵引力，以致汽车停驶。

　 2.摩擦片式差速器

　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(图1-3)。两根行星齿轮轴5互相垂直，轴的两端制成V形面4与差速器壳孔上的V形面相配，两个行星齿轮轴5的V形面是反向安装的。每个半轴齿轮背面有压盘3和主、从动摩擦片2，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1-3

　摩擦片式差速器

　摩擦片式差速器的锁紧系数k可达0．6，可达4。这种差速器结构简单，工作平稳，可明显提高汽车通过性。

　 3．强制锁止式差速器

　当一个驱动轮处于附着系数较小的路面时，可通过液压或气动操纵，啮合接合器(即差速锁)将差速器壳与半轴锁紧在一起，使差速器不起作用，这样可充分利用地面的附着系数，使牵对于装有强制锁止式差速器的4X2型汽车，采用差速锁将普通锥齿轮差速器锁住，可使汽车的牵引力提高倍，从而提高了汽车通过性。当然，如果左、右车轮都处于低附着系数的路面，虽锁住差速器，但牵引力仍超过车轮与地面间的附着力，汽车也无法行驶。

　 强制锁止式差速器可充分利用原差速器结构，其结构简单，操作方便。目前，许多使用范围比较广的重型货车上都装用差速锁。

　 (二)滑块凸轮式差速器

　图1-4为双排径向滑块凸轮式差速器。差速器的主动件是与差速器壳1连接在一起的套，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。

　 图1-4 滑块凸轮式差速器

　(三)蜗轮式差速器

　蜗轮式差速器(图1-5)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。

　 图1-5

　蜗轮式差速器

　(四)牙嵌式自由轮差速器

　牙嵌式自由轮差速器(图1-6)是自锁式差速器的一种。装有这种差速器的汽车在直线行驶时，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1-6 牙嵌式差速器

　牙嵌式自由轮差速器的半轴转矩比Ab是可变的，最大可为无穷大。该差速器工作可靠，使用寿命长，锁紧性能稳定，制造加工也不复杂。

　 1.4 课题设计初始数据

　表1-1 参数表

　参数名称

　数值

　车型               微型客车

　驱动形式           FR4×2

　发动机位置         前置

　最高车速           Umax=110km/h

　最大爬坡度         imax≥30%

　汽车总质量         ma=1410kg

　满载时前轴负荷率   40%

　外形尺寸           总长La×总宽Ba×总高Ha=3496×1445×1841mm3

　迎风面积           A≈0.85 Ba×Ha

　空气阻力系数

　       CD=0.6

　轴距               L=2200mm

　前轮距             B1=1440mm

　后轮距             B2=1420mm

　车轮半径           r=300mm

　离合器             单片干式摩擦离合器

　变速器             两轴式、四挡

　第二章

　差速器的设计方案

　2.1 差速器的方案选择及结构分析

　根据微型客车的类型，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。现设计简图如下：

　 图2-1差速器结构方案图

　如图2-1，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、2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。其具有结构简单、工作平稳、制造方便、安装方便、调试简单等优点。

　 2.1.1 差速器的结构分析

　（1）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；

　（2）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。当汽车行驶一定得里程。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。

　 （3）在中、重型汽车上由于需要传递的转矩较大，所以要安装4个行星齿轮，行星齿轮轴也要用十字轴。

　 （4）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。

　 2.2 差速器的工作原理

　差速器采用对称式锥齿轮结构，其原理如下图2-2所示。

　图2-2

　差速器差速原理图

　差速器壳3与行星齿轮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，故为主动件，设其角速度为ωo;半轴齿轮1和2为从动件，其角速度为ω1和ω2.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，其值为ωor.于是，ω1=ω2=ωo，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。

　 行星齿轮在公转的同时也在进行自传，如图当行星齿轮4除公转外，还绕本身的轴5以角速度ω4自转时，啮合点A的圆周速度为ω1r=ωor+ω4r4，啮合点B的圆周速度为ω2r=ωor--ω4r4.于是有

　ω1r+ω2r=（ωor+ω4r4）+(ωor--ω4r4)

　即

　 ω1+ω2=2ωo

　若角速度以每分钟转数n表示，则

　 n1+n2=2no

　（2-1）

　式（2-1）为两半轴齿轮直径相等的对称式齿轮差速器的运动性方程式。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他行驶情况下，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（2--1）可得知：①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；②当差速器壳转速为零时，若一侧半轴齿轮受到其他外来力矩而转动，则另一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ＭO：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ＭO平均分配给左、右两半轴齿轮，即Ｍ1=Ｍ2=Ｍ0／2。

　 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n1大于右半轴转速n2，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Ｍr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、右驱动车轮存在转速差时，Ｍ1=（Ｍ0--Ｍr）／2，Ｍ2=（Ｍ0+Ｍr）／2.左、右车轮上的转矩之差等于差速器的内摩擦力矩Ｍr。

　 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=（Ｍ2--Ｍ1）／Ｍ0=Ｍr／Ｍ0

　差速器内摩擦力矩Ｍr和其输入转矩Ｍ0（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Ｍ2／Ｍ1定义为转矩比，以

　Kb=Ｍ2／Ｍ1=(1+K) ／(1-K)

　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Kb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弯行驶时，都是令人满意。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车轮与路面上车轮与路面之间附着力很小，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。

　 在图2-3容易看出汽车在直线行驶时候两半轴的转速相等和在转弯行驶时实现两半轴转速不等：

　图2-3 差速器工作时转矩变化图

　 当汽车在直线行驶时，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，传递给左右车轮的转矩也是相等的。此时左右车轮的转速时相等的。

　 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。

　第三章

　差速器非标准零件的设计

　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。轮边差速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。

　 3.1对称式行星齿轮设计计算

　对于安装在半轴之间的差速器它的尺寸受到轴承座的限制，而影响差速器尺寸的主要就是齿轮的尺寸，所以如何把齿轮设计得更加优化就显得更加重要。如下图3-1为行星齿轮初步方案图。

　 图3-1行星齿轮的方案图

　3.1.1对称式行星齿轮参数确定

　1.行星齿轮齿数目n的确定

　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，反之就取四个。而微型客车选择的是两个行星齿轮，即n=2。

　 2.行星齿轮球面半径的确定RB以及节锥距A0的计算

　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锥齿轮的节锥距，因此在一定程度上也反映了差速器锥齿轮节锥距的大小和承载能力即是强度。

　 球面半径可按照如下公式确定：

　 mm

　 （3-1）

　上式中：

　KB——为行星齿轮球面半径系数。可取2.52~2.99，对于有2个行星齿轮的微型客车取小值；对于有四个行星齿轮的乘用车和矿用车取最大值；

　 T——为差速器计算转矩（N.m）,T=min［Tce,Tcs］;取Tce和Tcs的较小值；

　RB——为球面半径。

　转矩的计算

　 （3-2）

　上式中：

　rr——为车轮的滚动半径， 取rr=0.3m；

　igh——变速器最高档传动比。igh =1

　根据所选定的主减速比i0值，就可基本上确定主减速器的减速型式（单级、双级等以及是否需要轮边减速器），并使之与汽车总布置所要求的离地间隙相适应。

　 把nn=5200r/n ；vamax=110km/h； rr=0.3m ；

　igh=1代入（3-2）中

　计算出

　 io=5.35；

　从动锥齿轮计算转矩Tce

　（3-3）

　上式中：

　Tce——计算转矩，Nm；

　Temax——发动机最大转矩；Temax =158 Nm

　n——为驱动桥数，取1；

　if——为变速器传动比，if=3.704；

　i0——为主减速器传动比，i0=5.35；

　η——为变速器传动效率，η=0.96；

　k——为液力变矩器变矩系数，k =1；

　k d——为由于猛接离合器而产生的动载系数，k d=1；

　i1——为变速器最低挡传动比，i1=1；

　代入式（3—3）中，有：

　Tce=3005.4Nm

　主动锥齿轮计算转矩Tcs =8960.4Nm.T取较小值，即有T= Tce=3005.4Nm；

　将以上数据代入式（3-1）有

　=2.7=40mm

　而行星齿轮节锥距A0为：A0=（0.98~0.99）=（0.98~0.99）40=40mm

　所以预选其节锥距A=40mm

　3.行星齿轮与半轴齿轮齿数计算

　 (1)行星齿轮和半轴齿轮齿数的确定

　为了使轮齿获得较高的强度，希望取得较大的模数，但是尺寸会增大影响差速器的安装，于是又要求行星齿轮的齿数Z1应该取少一些，但Z1一般不少于10。半轴齿轮的齿数一般采用14～25之间，大多数汽车的行星齿轮与半轴齿轮的齿数Z2比Z1/Z2在1.5～2.0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Z2L、Z2R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：

　(3-4)

　 上式中：

　Z2L、Z2R ——为左右半轴齿轮的齿数，对于对称式圆锥齿轮差速器来说，Z2L=Z2R；

　——为行星齿轮数目；

　——任意整数。

　 根据上述可在此Z1=12；Z2=20 ， 满足以上要求。

　 （2）差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定

　首先可以根据下面公式求出行星齿轮与半轴齿轮的节锥角，；

　=

　 =90°-°

　 （3-5）

　将=12，=20代入上述式子中可求得

　 =30.96°

　；=59.04°

　 第二步再按下式求出圆锥齿轮的大端端面模数m

　 m====3.35

　查阅相关文献可取m=4mm

　最后而根据齿轮设计计算公式即有：

　 ;

　 d2=mz2=4×20=80mm

　4.压力角α

　目前，汽车差速器的齿轮大都采用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，在此选22.5°的压力角。某些总质量较大的商用车采用25°压力角以提高齿轮强度。

　 5.行星齿轮安装孔的直径及其深度L

　 行星齿轮的安装孔的直径与行星齿轮轴的名义尺寸相同，而行星齿轮的安装孔的深度就是行星齿轮在其轴上的支承长度，通常取：

　 （3-6）

　 （3-7）

　（3-8）

　上面式中：——为差速器传递的转矩，N·m；在此取3320.4N·m

　——为行星齿轮的数目；在此取为4

　——为行星齿轮支承面中点至锥顶的距离，mm，约为半轴齿轮齿宽中点处平均直径的一半即是 ≈0.5 d2’， d2’为半轴齿轮齿面宽中点处的直径，而d2’=0.8 d2；

　 ——为支承面的许用挤压应力，在此取69 MPa

　根据上式有

　d2’=0.8×80=64mm ； =0.5×64=32mm

　将上述计算出的结果代入到式（3-6）和（3-7）中即可得

　φ≈28mm

　； L=20.24≈20mm

　3.1.2差速器齿轮几何计算图表

　 表3-1 差速器几何计算图表

　序号

　名称

　计算公式

　计算结果

　1

　行星齿轮齿数

　≥10，应尽量取最小值

　=12

　2

　半轴齿轮齿数

　=14～25，且需满足式（1-4）

　=20

　3

　模数

　=4mm

　4

　齿面宽

　b=(0.25～0.30)A;b≤10m

　20mm

　5

　工作齿高

　=6.4mm

　6

　全齿高

　7.203

　7

　压力角

　22.5°

　8

　轴交角

　=90°

　9

　节圆直径

　；

　10

　节锥角

　，

　=30.96°，

　11

　节锥距

　=40mm

　12

　周节

　=3.1416

　=12.56mm

　13

　齿顶高

　;

　=4.14mm

　=2.25mm

　14

　齿根高

　=1.788-;

　=1.788-

　=3.012mm;

　=4.9mm

　15

　径向间隙

　=-=0.188+0.051

　=0.803mm

　16

　齿根角

　=;

　=4.32°; =6.98°

　17

　面锥角

　；

　=35.28°；=66.01°

　18

　根锥角

　；

　=26.64°=52.05°

　19

　外圆直径

　；

　mm

　mm

　20

　节圆顶点至齿轮外缘距离

　mm

　mm

　21

　理论弧齿厚

　 =5.92 mm

　=6.63 mm

　22

　齿侧间隙

　=0.245～0.330 mm

　=0.250mm

　23

　弦齿厚

　=5.269mm

　=6.49mm

　24

　弦齿高

　=4.29mm

　=2.32mm

　3.1.3差速器齿轮的材料

　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。要考虑齿轮的许用应力和弯曲强度，此次选用的齿轮材料为20CrMnTi。查阅《工程材料》相关资料可知此材料的许用应力为[210 MPa ~980MPa]。

　 3.1.4差速器齿轮强度的计算

　差速器齿轮的尺寸受结构限制，而且承受的载荷较大，它不像主减速器齿轮那样经常处于啮合状态，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。因此对于差速器齿轮主要应进行弯曲强度校核。轮齿弯曲强度为:

　 MPa

　(3-9)

　 上式中：

　——为差速器一个行星齿轮传给一个半轴齿轮的转矩，其计算式在此将取为498.06N·m；

　 ——为差速器的行星齿轮数；

　 b2、d2——分别为半轴齿轮齿宽及其大端分度圆直径mm；

　 ——为尺寸系数，反映材料的不均匀性，与齿轮尺寸和热处理有关，

　当ｍ时，，在此＝0.629；

　——为载荷分配系数，当两个齿轮均用骑马式支承型式时，＝1.00～1.1；其他方式支承时取1.10～1.25。支承刚度大时取最小值。

　——为质量系数，对于汽车驱动桥齿轮，当齿轮接触良好，周节及径向跳动精度高时，可取1.0；

　——为计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数，参照图3-2可取=0.225。

　 当T=min［Tce,Tcs］时，[]=980 Mpa；当T= Tcf时，[]=210Mpa。

　图3-2 弯曲计算用综合系数

　根据上式（3—9）可得：

　 ==478.6MPa〈980 MPa

　所以，差速器齿轮满足弯曲强度要求。

　 3.2差速器行星齿轮轴的设计计算

　3.2.1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，而载货的大质量的汽车传递的转矩较大，为了轴的使用寿命以及提高轴的承载能力，常用十字轴，由四个轴轴颈来分配转矩，可以有效的提高轴的使用寿命。

　此次设计主要参考微型客车，所以选用的是行星齿轮一字轴。

　 3.2.2行星齿轮轴的尺寸设计

　由行星齿轮的支承长度为≈20mm，根据安装时候的方便选择轴颈的长度为L1为45 mm；而行星齿轮安装孔的直径d1为22mm，所以轴颈的直径d2预选为22mm。

　 3.2.3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。

　 3.3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。

　 3.3.1半轴齿轮平垫圈的尺寸设计

　如下图3-4所示：为平垫圈的结构方案简图。

　 图3-4 平垫圈

　参考微型客车的半轴直径的数据为50mm,如图3-4（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50 mm，初步预选安装孔直径D2为50.5mm，由图3-4（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。

　3.3.2行星齿轮球面垫圈的尺寸设计

　 图3-5 球面垫圈

　由一字轴轴颈的直径为22mm，根据装配关系选择球形垫圈的安装孔直径D2为22mm，厚度h为1.1mm,选用的材料是聚甲醛塑料。

　 第四章

　差速器标准零件的选用

　4.1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。

　 而微型客车载货车在1984年以前的连接后桥从动锥齿轮和左差速器壳的12个M12×1.5的螺栓改为M14×1.5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[仅为784~98Nm],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M14×1.5，拧紧力矩加大为137.2~156.8 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 M14×1.5，细牙螺纹。即为GB/T 5782 M14×1.5.

　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。

　 4.2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 M14×1.5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.符合微型客车的螺栓要求。

　 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。

　 4.3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.

　第五章

　差速器总成的装配和调整

　5.1 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轴颈上；

　(2)

　把左差速器壳放在工作台上，在与行星齿轮38，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，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)

　将从动齿锥齿轮装到差速器左壳上，用螺栓锁紧。

　 5.2差速器的零部件的调整

　齿轮啮合间隙的调整：正确的齿轮啮合间隙范围为0.15~0.40 mm，而一对齿轮的齿轮间隙变动范围为0.15 mm。如：一对齿轮的最小齿轮间隙为0.15 mm，则最大间隙只能为0.30 mm，若最大齿轮间隙为0.40 mm，则最小齿轮间隙为0.25 mm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。

　 小结

　在大学的学习过程中，课程设计是一个重要的环节，是我们步入社会参与实际的汽车零件设计一次极好的演示，此次我做的设计从最初的选题，到差速器组成部分的设计计算、绘图直到完成设计。期间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改图纸等等，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。

　 在学校提供的实验设备和实验条件下，我反复的做了几次差速器的拆装实验，再结合查找的资料，让自己更深层次的了解了差速器的用途和工作原理，熟悉了差速器的非标准件的设计步骤，锻炼了自己独立成功完成实验的能力，培养了独立设计的能力。此次课程设计是对我所学公共基础知识和专业知识的一次实际检验和巩固，同时也为我走向现在汽车设计的工作岗位前的一次热身。

　 在设计中也碰到了很多问题，刚开始并不是很透彻地明白差速器的工作原理以及它在汽车行驶时是如何起到作用的，让设计很难进行；还有差速器行星锥齿轮的设计参数的选定以及选用，十字轴尺寸的设计和标准零件的选用都碰到了一些困难，但是经过查阅图书馆的资料和网上信息来熟悉零件的特点，再比较所选定零件的优劣性以及安装和调整难易程度来选用最合适的零件。每攻克一个难题都让我欣喜的同时也受益匪浅。

　 在完成课程设计的过程中也收获了很多，比如学会了查找相关资料的相关标准，也初步学会分析数据，提高了自己的绘图能力，懂得了许多经验公式的获得是前人不懈努力的结果。同时，仍然有很多课题需要后辈去努力完善。也学会了做事应有的态度和心态，对出现的任何问题和偏差都不要轻视，要童富国正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。在工作中要学会与人合作的态度，认真听取别人的意见，这样做起事情来就可以事半功倍。在收获很多的同时也暴露了自身的不足，对专业知识学得不够深不够透彻，只从表面去理解，缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解等等。这次设计是对自己大学四年所学知识的一次大检阅，使我明白自己的只是还很浅薄，虽然马上就要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人。

　 致

　谢

　此次论文历时一个多月，能够顺利完成并非我一个人的努力，论文从开始选题到现在的顺利完成，首先我要感谢我的指导老师XX，在他的身上我学到了对待知识和学习的态度，他给了我很多帮助，也在我失去信心的时候给了我克服困难的条件，为我的论文的顺利完成指出了很好的方向；还要感谢和我分在一组的同学的帮助，感谢他们在给我提供资料的同时也给了我撰写论文的意见和建议。另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我获得很多的专业知识，这也是论文得以完成的基础。也要感谢学校提供和创造很多让我们顺利完成论文的实验条件。

　 在此还要郑重地感谢我的父母，给我创造上大学的条件，让我不断地进步与成熟。让我拥有更多的资本去完成和完善我以后的人生。

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