1、 毕业设计说明书（论文）作 者:学 号：1101504109学 院: 交通工程学院专 业: 车辆工程题 目: 车用普通锥齿轮式差速器的设计指导者： 评阅者： 2014 年 06 月副教授毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要本次毕业论文的设计主要是锥齿轮式差速器，锥齿轮式差速器是最普通的差速器，安装在两半轴之间。此次设计主要涉及到差速器行星齿轮和半轴齿轮的参数计算、材料选择和强度校核，同时也简要说明了差速器的原理。在设计中参考了大量文献、翻阅了大量机械设计手册，对差速器的结构有了更深刻的了解和对锥齿轮有了进一步的认识，最后，通过利用 Pro/E 软件对锥齿轮式差速器进行建模
2、工作和生成二维图。关键词 锥齿轮，差速器，齿轮结构 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title Design of Common Bevel Gear Differential Car Abstract The paper is mainly about the design of bevel gear differential, which is the most common differential and installed between two axles. The design is probably about the parameter calcul
3、ation, the choose of material and the check of strength of differentials planetary gear and axle gear. Whats more, the principle of differential is briefly explained. Many documents and Mechanical Design Handbooks were consulted in the process of design, and they have contributed to a deeper underst
4、anding of the bevel gear and the structure of differentials. Finally, I modeling the bevel gear differentials by using Pro/Engineer, generation of two-dimensional maps.Keywords bevel gear,differential,gear structure淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页目 录1 绪论 .11.1 背景和意义 .11.2 汽车锥齿轮式差速器的概述 .11.2.1
5、 汽车锥齿轮式差速器的差速原理 .21.3 本文研究的内容 .42 锥齿轮式差速器参数的计算、强度校核和材料选择 .42.1 初始数据的来源与依据 .42.2 锥齿轮式差速器齿轮参数的确定 .52.3 差速器齿轮的几何计算图表 .92.4 锥齿轮式差速器齿轮材料的选择 .102.5 差速器齿轮的强度计算 .112.6 半轴直径的初选及强度计算 .122.7 半轴花键的计算 .132.8 十字轴的计算 .133 锥齿轮式差速器的实体建模 .143.1 建模工具的选择 .143.2 锥齿轮式差速器建模的过程 .153.2.1 一些零件的建模过程 .154 锥齿轮式差速器的虚拟装配 .18结论 .2
6、0致谢 .21参考文献 .22淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 0 页 共 22 页1 绪论1.1 背景和意义在汽车行业发展的初期，法国雷诺汽车公司的创始人雷诺先生最先发明了汽车差速器，汽车差速器作为汽车必不可少的部件之一曾经被汽车专家们誉为“小零件大功用” 1。差速器之所以有如此的美名，在于汽车转弯行驶时，由于汽车的内、外两侧车轮在同一时间内要移动不同的距离，而外轮移动的距离要比内轮转过的路程大，就会造成汽车转弯困难，而差速器就可以解决此类问题。那么什么是差速器？简单一点的说就是由六个齿轮所组成。复杂一点，就是由一组行星齿轮组成，核心是两个行星齿轮和两个与左
7、右后轮传动轴相连接的半轴齿轮。为了节省空间和材料，现代的差速器很少使用经典的平面齿轮了，更多的是使用曲齿圆锥齿轮、交错轴斜齿轮、准双曲面齿轮甚至蜗杆来代替平面齿轮，但基本的六个齿轮的结构一直延续了下来。为了节省空间，现代的差速器很少使用经典的平面齿轮了，更多的是使用曲齿圆锥齿轮、交错轴斜齿轮、准双曲面齿轮甚至蜗杆，但基本的六个齿轮的结构一直延续了下来。在此基础上有发明了限滑差速器、机械式限滑差速器、螺旋齿轮限滑差速器、滚珠锁定限滑差速器等，而锥齿轮式差速器由于技术成熟、安全、可靠、结构简单等优点，一直被延续的使用下来。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、
8、右两半轴以不同转速旋转（差速作用）。它对提高汽车的燃油经济性、安全性和汽车各的零件的使用寿命具有非常重大的意义。在本世纪六七十年代，世界经济发展进入了一个高速增长期，而在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，人类的富裕使人们享受生活，追求乐趣，有额外的钱购买汽车，所以轿车的销量逐年上升，在世界各处都有非常广阔的前景和市场 2。目前国内重型汽车的差速器产品的技术基本上都源自于美国、德国、日本、法国等几个传统的工业强国，而我国现有的技术基本上是在引进国外的基础上引进和发展起来的，而且已经有了初步的发展规模，并在此基础上有了一定的创新。但是目前我国差速器的自主开发能力仍然
9、很弱，影响了整车新车的开发，在差速器的技术开发上还是有很长的路要走 3。1.2 汽车锥齿轮式差速器的概述淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 22 页目前国产轿车及其它类汽车基本都采用了对称式锥齿轮式普通差速器。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（如图 1-1）。图 1-1 普通的锥齿轮式差速器1-轴承；2-螺母；3-锁止垫片；4-差速器左壳；5-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；12-轴承；13-螺栓；14-锁止垫片大多数汽
10、车采用行星锥齿轮式差速器，普通锥齿轮差速器由两个或者四个圆锥行星齿轮、行星齿轮轴、两个圆锥半轴齿轮与左右差速器壳等构成。切诺基的开式差速器的结构，是非常典型的行星齿轮组结构，只不过太阳轮和外齿圈的齿数是一样的。在这套行星齿轮组里，主动轮是行星架，被动轮是两个太阳轮。通过行星齿轮组的传动特性我们知道，如果行星架作为主动轴，两个太阳轮的转速和转动方向是不确定的，甚至两个太阳轮的转动方向是相反的。车辆在直线行驶时，差速器给两个半轴传递的扭矩相同。在一个驱动轮悬空情况下，如果传动轴是匀速转动，有附着力的驱动轮是没有驱动力的，如果传动轴是加速转动，有附着力的驱动轮的驱动力等于悬空车轮的角加速度和转动惯量
11、的乘积。车辆转弯而且轮胎不打滑的状态下，和差速器连接的两个半轴的扭矩方向是相反的，给车辆提供向前的驱动力只有内侧的车轮，行星架和内侧的太阳轮之间由等速传动变成了减速传动，驾驶感觉就是弯道加速比直道加速更有力。开式差速器的优点就是在铺装路面上转行行驶的效果最好。缺点就是在一个驱动轮丧失附着力的情况下，另外一个也没有驱动力，开式差速器的适用范围是所有铺装路面行驶的车辆，前桥驱动和后桥驱动都可以安装 4。淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 22 页1.2.1 汽车锥齿轮式差速器的差速原理如图 1-2 所示，对称式锥齿轮差速器是一种行星齿轮机构。差速器壳 3
12、 与行星齿轮轴 5 连成一体，形成了行星架。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 两012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图 1-2 锥齿轮式差速器的工作原理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 上r的 A、B、C 三点的圆周速度都相等（图 1-2 左） ，其值为 。于是 = = ，即差0r120速器不会起到差速的作用，所以半轴角速度等于差速器壳 3 的角速度。当行星齿轮 4 除公
13、转外，还绕本身的轴 5 以角速度 自转时（图 1-2） ，啮合点4A 的圆周速度为 = + ，啮合点 B 的圆周速度为 = - 。就会有 1r04r2r04r+ =（ + ）+( - )1r20404即 + =2 （1-1）120若角速度以每分钟转数用 表示，则有n（1-0212）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，淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 22 页使两侧驱动车
14、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：a 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；b 当差速器壳的转速为零，若一侧半轴齿轮受其它外来力矩而转动，则另一侧半轴齿轮即以相同的转速反向转动 5。1.3 本文研究的内容差速器结构设计是其零部件三维建模的基础，必须要综合考虑匹配的车型、空气的阻力、变 速 器 和 主 减 速 器 的 传 动 比 、 动力总成特性参数、汽车通过性参数、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的规范，查阅设计公式图表进行差速器齿轮（包括半轴齿轮、行星齿轮）的基本参数（包括各齿轮齿数、压
15、力角、模数、行星齿轮安装尺寸等）选择和计算，再进行差速器齿轮几何尺寸计算与强度的校核。由于行星齿轮在差速器工作中经常只起到等臂推力杆的作用，因此仅在左、右车轮有转速差时行星齿轮和半轴齿轮间才会有相对滚动，故可对差速器齿轮不考虑其疲劳寿命，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一般可选为 40Cr、20CrMoTi 和20CrMo 等。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，壳体厚度应可能尽量的小，以减轻总体重量，节约成本，提高经济性。同时差速器壳体的结构参数大小还与半轴的结构参数有关，特别是与半轴的直径的关系最为密切。如半轴与差速器连接处的花键的
16、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 6。2 锥齿轮式差速器参数的计算、强度校核和材料选择2.1 初始数据的来源与依据 本次设计必须知道汽车的载重量、发动机的额定功率、最大转矩、最高时速和变速箱的传动比；主减速器传动比。知道这些我才能对差速器的尺寸进行选择和材料的确定，本设计选取的货车满载时的总质量为9290kg，发动机的额定功率为99kw(当发动机转速为3000r/min时)；发动机的额定转矩为353 （当发动机转速mN在12001400r/min时） ，最大转矩158 ；货车的最高速度为90km/h；额定载质量mN为5000kg。此次选用五档变速器，为了满足设计要求，我初选
17、一档变速器传动比为7.31，我再按照汽车传动系各档的传动比是按照等比级数分配的，本设计相邻两档的比值为1.62.所以二档为7.31/1.62=4.51,依次可得三档、四档、五档的传动比分淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 22 页别为2.79、1.72、1。倒档为7.66。本次设计选用的主减速器传动比为6.33。2.2 锥齿轮式差速器齿轮参数的确定 1.行星齿轮数目 的确定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。本次设计的载货汽车承载能力强，应该选择四个行星齿轮，即 。4n2.行星齿轮球面半径 的确定以及节锥
18、距 的计算bR0A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：0Ab（2-1）3dTBKR在上式中： 是行星齿轮球面半径的系数， 可取范围 2.52.96， b bK对于有四个行星齿轮的轿车和公路用货车最好取小值，对于有两个行星齿轮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，可取=2.7。bK是差速器计算转矩， ,dTmindGGesTTN是球面半径，单位：bR（1）转矩的计算从动锥齿轮计算转矩 Ge（2-2）max10defGeKTin上式中： 是计算转矩，单位：e N是动载系数，对于性能系数 的汽
19、车(一般货车，越野车，矿用汽车)一dK0jf般取动载系数 1d为液力变矩器变矩系数，取 1K是发动机的最大转矩，已知 maxeTmax58eTN是分动器传动比， fi fi淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 22 页为变速器的一档传动比，本次设计的载货汽车变速器一档传动比是1i 17.3i是主减速器传动比，本次设计的载货汽车采用双曲线齿轮，单级减速器，主0减速器传动比 06.3i是驱动桥数， n1n是从发动机到主减速器从动齿轮之间的传动效率， 96代入式 （2-2）中，可得 1587.31.0718.GeT Nm（2）从动锥齿轮计算转矩 s计算公式为
20、：（2-3）2rGsmTi在上式中： 是计算转矩，GsT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2m1.21.4，货车为 1.11.2，此处 取 1.1。2是满载状态下一个驱动桥上的静负荷，对于 式载货汽车，为了保证其在2 42泥泞路面上的通行能力，提高在地面上的驱动能力，常将满载时前轴负荷控制在总轴荷的 26%27%之间，故 29073681GN是主减速器从动锥齿轮到车轮间的传动比，已知为 。mi 3.125mi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， 1m是轮胎与地面间的附着系数，对一般轮胎的公路用车，可取 0.8是轮胎的滚动半径，查表可以得到 。r 0.398r代入公式（2-3） ，得 6781.575.2GsTN因为 ，取eGs mTGesd 61),min(将以上数据代入式（2-1）中，得：32.7018.65.7bR
