差速器毕业设计.docx
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差速器毕业设计
摘要I
AbstractII
1引言3
1.1差速器的作用3
1.2差速器的工作原理3
1.3差速器的方案选择及结构分析7
1.3.1差速器的方案选择7
1.3.2差速器的结构分析7
2差速器的设计8
2.1差速器设计初始数据的来源与依据8
2.2差速器齿轮的基本参数的选择8
2.3差速器齿轮的几何尺寸计算12
2.3.1差速器直齿锥齿轮的几何参数12
2.3.2差速器齿轮的材料选用13
2.3.3差速器齿轮的强度计算14
3差速器行星齿轮轴的设计计算15
3.1行星齿轮轴的分类及选用15
3.2行星齿轮轴的尺寸设计16
3.3行星齿轮轴材料的选择16
3.4差速器垫圈的设计计算16
3.4.1半轴齿轮平垫圈的尺寸设计17
3.4.2行星齿轮球面垫圈的尺寸设计17
4差速器标准零件的选用17
4.1螺栓的选用和螺栓的材料17
4.2螺母的选用和螺母的材料18
4.3差速器轴承的选用18
4.4十字轴键的选用18
5半轴的设计18
5.1半轴的选型18
5.2半轴的设计计算19
5.2.1半轴的受力分析19
5.2.2半轴计算载荷的确定20
5.2.3半轴杆部直径初选21
5.2.4半轴的强度计算21
5.2.5半轴的材料22
6差速器总成的装配和调整23
6.1差速器总成的装配23
6.2差速器总成的装配23
解放CA1092型汽车差速器的设计
摘要
本文参照传统差速器的设计方法进行了解放CA1092型载货汽车差速器的设计,首先根据经验公式进行计算,参考圆锥行星齿轮差速器的结构尺寸,确定出差速器齿轮的主要设计参数,然后对差速器齿轮的强度进行计算和校核,最后进行一些标准件的选用和非标准件的设计。
文章对差速器的工作原理和方案选择也作出了简略说明。
关键词汽车/差速器/设计
LIBERATIONCA1092CARSDIFFERENTIALDESIGN
Abstract
Thisarticlereferstothetraditionaldifferentialdesignmethods,conductedaliberatedCA1092-typetruckdifferentialdesign.First,calculatedaccordingtotheempiricalformula,referencestructuresizeconetheplanetarygeardifferential,determinedthemaindesignparametersofthedifferentialgear.Thencalculatethestrengthofthedifferentialgearandcheck.Finally,someofthestandardpartsselectionanddesignofnon-standard.Articlesontheworkingprincipleandschemeselectiondifferentialsalsomadeabriefexplanation.
KEYWORDSautomobile/differential/design
1引言
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”。
汽车在行驶过程中,左右车轮在同一时间内所滚过的路程往往是不相等的,左右两轮胎内的气压不等、胎面磨损不均匀、两车轮上的负荷不均匀而引起车轮滚动半径不相等;左右两车轮接触的路面条件不同,行驶阻力不等等。
如果驱动桥的左、右车轮刚性连接,则不论转弯行驶或者直线行驶,均会引起车轮在路面上的滑移或滑转,一方面会加剧轮胎磨损、功率和燃料消耗,另一方面会使转向沉重,通过性和操纵稳定性变坏。
为此,在驱动桥的左右车轮间都装有轮间差速器[1]。
差速器是个差速传动机构,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的角速度转动,用来保证各驱动轮在各种运动条件下的动力传递,避免轮胎与地面间打滑[2]。
近几年来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发展。
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就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,它能解决在其它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[3]。
1.1差速器的作用
汽车在直线行驶时,左右车轮转速几乎相同,而在转弯时,左右车轮转速不同,差速器能实现左右车轮转速的自动调节,允许左右车轮以不同的转速旋转。
汽车差速器是汽车传动中的最重要的部件之一,它有三大作用:
首先是将发动机输出的动力传输到车轮上;其次,将主减速器已经增加的扭矩一分为二的分配给左右两根半轴;最后,担任汽车主减速齿轮,在动力传输至车轮前将传动系的转速减下来,将动力传到车轮上,同时允许两侧车轮以不同的轮速转动[4]。
差速器对提高汽车行驶平稳性和其通过性有着独特的作用,是汽车设计的重点之一。
1.2差速器的工作原理
差速器的这种调整是自动的,这里涉及到“最小能耗原理”,也就是地球上所有物体都倾向于耗能最小的状态。
例如把一粒豆子放进一个碗内,豆子会自动停留在碗底而绝不会停留在碗壁,因为碗底是能量最低的位置(位能),它自动选择静止(动能最小)而不会不断运动。
同样的道理车轮在转弯时也会自动趋向能耗最低的状态,自动地按照转弯半径调整左右轮的转速。
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。
驱动桥两侧的驱动轮若用一根整轴刚性连接,则两轮只能以相同的角度旋转。
这样,当汽车转向行驶时,由于外侧车轮要比内侧车轮移过的距离大,将使外侧车轮在滚动的同时产生滑拖,而内侧车轮在滚动的同时产生滑转。
即使是汽车直线行驶,也会因路面不平或虽然路面平直但轮胎滚动半径不等(轮胎制造误差、磨损不同、受载不均或气压不等)而引起车轮的滑动。
车轮滑动时不仅加剧轮胎磨损、增加功率和燃料消耗,还会使汽车转向困难、制动性能变差。
为使车轮尽可能不发生滑动,在结构上必须保证各车轮能以不同的角度转动。
差速器采用对称式圆锥齿轮结构,其原理如下图所示:
图1-2差速器差速原理图
如上图所示,对称式圆锥齿轮差速器是一种行星齿轮结构。
差速器壳3与行星齿轮轴5连成一体,形成行星架。
因为它又与主减速器从动齿轮6连在一起,故为主动件,假设其角速度为°;半轴齿轮1和2为从动件,其角速度为!
和2。
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°r。
于是!
2°,即差
速器起不到差速的作用,而半轴角速度等于差速器壳3的角速度。
当行星齿轮4除公转外,还绕本身的轴5以角速度4自转时,啮合点A的圆周速度为J°r4「,啮合点B的圆周速度为°r4r。
于是便有
ir2r°r°r4r
即
1220(1-1)
如果角速度以每分钟转数n来表示,则
①n22n°(1-2)
上式为两半轴齿轮直径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者其它行驶的情况下,也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[5]。
由式(1-2)还可以得知:
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当差速器壳的转速为零(例如中央制动器制动传动轴时),另一侧半轴齿轮受其它外来力矩而转动时,另一侧半轴齿轮即以相同的转速反向转动⑹。
对称式圆锥齿轮差速器的转矩分配:
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M。
平均
分配给左、右两个半轴齿轮,即M1M2M0.2
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ni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、右驱动车轮存在转速差时,MiMoMr.2,M2MoMr「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
KM2M1.MMr..M0(1-3)
差速器内摩擦力矩Mr和其输入转矩Mo(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Mz.^Mr定义为转矩比,以
目前广泛使用的对称式圆锥齿轮差速器的内摩擦力矩很小,其锁紧系数
K0.05~0.15,转矩比Kb1.1~1.4,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较好的路面上直线或者转弯行驶时,都是令人满意的。
但是当汽车在较坏的路面行驶时,却严重影响了通过能力⑺。
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,而在好的路面上的车轮静止不动。
这是因为在泥泞路面上的车轮比在好的路面上的车轮与路面之间的附着力小,路面只能对半轴
作用很小的反作用转矩,虽然另一车轮与好的路面之间的附着力较小,但是由于对称式圆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⑹。
当汽车直线行驶时,此时行星齿轮轴将转矩平均分配给两半轴齿轮,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,所以此时左右车轮的转速也相等。
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的分配,必然会出现一个转速大,另一个转速小的现象,
此时汽车就平稳地完成了转弯行驶[9]
1.3差速器的方案选择及结构分析
差速器按其结构特征可分为齿轮式、凸轮式、蜗轮式和牙嵌自由轮式等多种形式。
普通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。
它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。
普通齿轮式差速器的传动机构为齿轮式。
齿轮差速器分圆锥齿轮式和圆柱齿轮式两种[10]0
强制锁止式差速器就是在对称式锥齿轮差速器上设置差速锁。
当一侧驱动轮
滑转时,可利用差速锁使差速器不起差速作用。
差速锁在军用汽车上应用较广。
1.3.1差速器的方案选择
对称式锥齿轮差速器结构简单,工作平稳可靠,广泛应用于一般使用条件的汽车驱动桥上,根据解放CA1092型载货汽车的类型,初步选定差速器的种类为行星锥齿轮差速器,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。
设计简图如下:
=5
图1-1差速器结构方案图
如图所示,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、四个行星齿轮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[11]0
1.3.2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。
当汽车行驶一定的里程,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,所以要安装四个行星齿轮,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[12]。
2差速器的设计
2.1差速器设计初始数据的来源与依据
本次设计选用的是解放CA1092载货汽车作为课题设计的原始数据的来源和依据。
从解放CA1092开始投产就在不断的改进和提高技术性能、节源性能和稳定性能,到现在解放CA1092载货汽车全面完成了向一个新的高质量水平、高
性能水平的过渡和转换。
汽车载重量是汽车最基本、最重要的技术参数之一,是汽车整体设计的基本依据,在汽车可靠性和经济性的基础上,载重量将起到主导作用。
解放CA1092型汽车规定的载重量为4350千克。
参考的数据有:
(1)发动机额定功率为99kw(当发动机转速为3000r/min);
(2)发动机额定扭矩为373Nm(当发动机转速为1300r/min);
(3)变速器的传动效率0.9;
(4)变速器传动比:
7.64;4.834;2.856;1.895;1.337,;1.0;倒档:
7.107;
2.2差速器齿轮的基本参数的选择
(1)行星齿轮数目的选择
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2个,反之则取4个。
解放CA1092采用4个行星齿轮。
(2)行星齿轮球面半径RB(mm)的确定
圆锥行星齿轮差速器的尺寸通常取决于行星齿轮的背面的球面半径RB,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,在一定程度上表征了差速器的强度[13]o
球面半径Rb可按如下的经验公式确定:
RbKb3T;(2-1)
式中:
Kb――行星齿轮球面半径系数,可取2.52〜2.99,对于有4个行星齿轮的载货汽车取最小值;
「一一计算转矩,取⑴和G的较小值,Nm
从动锥齿轮计算转矩Tee
(2-2)
TTemaxk0itl
]ee
n
式中:
Tee计算转矩,Nm;
Temax一一发动机最大转矩;Temax=373Nm;
n计算驱动桥数,1;
iti由发动机到所计算的主减速器从动齿轮之间的传动系最低档传动比,itl=6.29;
――变速器传动效率,=0.9;
k°由于猛接离合器而产生的动载系数,k°=1;
代入式(2-2),有:
Tce=2111.55Nm
根据式1,Rb=2.5532111.55=32.71mm,取整为34mm
Rb确定后,即可根据以下公式预选节锥距:
在此取
A0=0.98RB=34mm
(3)行星齿轮与半轴齿轮齿数的选择
为了获得较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14〜25,大多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比z2..Z在1.5〜2.0的范围内[14]。
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:
(2-4)
Z2L=Z2R;
Z2LZ2Ri
n
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,
n――行星齿轮数目;
I――任意整数。
在此z-i=12,z2=20满足以上要求。
(4)差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定
首先初步求出行星齿轮与半轴齿轮的节锥角1,2
乙12
1=arctan—=arctan=30.96°
Z220
290159.04°
再按下式初步求出圆锥齿轮的大端端面模数m
^sin1=^sin2=^^4sin59.04=292
Z1z220
根据标准值取为3mm
d1mz1=31236mm
d2mz232060mm
⑸压力角
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,故可以用较大的模数以提高齿轮的强度。
在此选22.5的压力角[15]。
(6)行星齿轮安装孔的直径及其深度L
行星齿轮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撑长度,通常取
(2-5)
(2-6)
(2-7)
L1.1
L1.12」
cnl
T。
103
1.1cnl
式中:
T°――差速器传递的转矩,Nm;
n――行星齿轮数;
l行星齿轮支承面中点到锥顶的距离,mm。
I0.5d2,d?
是半轴齿
轮齿面宽中点处的直径,d20.8d2;
c——支承面的许用挤压应力,取为69MPa。
根据上式I24mm
2101.54103,
17mm
1.169424
L1.11719mm
所以,行星齿轮安装孔的直径为17mm,深度L为19mm。
2.3差速器齿轮的几何尺寸计算
2.3.1差速器直齿锥齿轮的几何参数
序号
项目
计算公式
计算结果
1
行星齿轮齿数
乙10应尽量取最小值
z112
2
半轴齿轮齿数
Z214~25且须满足式1-1
Z220
3
模数
m
m3mm
4
齿面宽
F(0.25~0.30)A0F10m
F10.2mm
5
齿工作咼
hg1.6m
hg4.8mm
6
齿全高
h1.788m0.051
h5.415mm
7
压力角
22.5
8
轴交角
90
90
9
节圆直径
d1mz1;d2mz2
d136mm;d260mm
10
节锥角
z1
1=arctan—;2901
Z2
130.96;259.04
11
节锥距
Ad1d2
A034mm
A0
2sin12sin2
12
周节
t3.1416m
t9.42mm
ha1hgha2
ha13.11mm
13
齿顶高
-c“0.370
ha20.43m
ha21.69mm
互
乙
hf11.788mha1
hf12.254mm
14
齿根高
hf21.788mha2
hf23.674mm
15
径向间隙
ch
hg
0.188m
0.051
c
0.615
mm
hf1
1arctan
A
16
齿根角
143.79;
26.17
hf2
2arctan——
A
17
面锥角
011
2
;02
21
0137.13;0262.83
18
根锥角
R11
1
;R2
22
R127.17;R256.66
d°1
d1
2ha1cos
1
d°1
41.33
mm
19
外圆直径
d02
d2
2ha2cos
2
d02
61.74
mm
d?
节锥顶点至齿
01
2
-ha1sin
1
01
28.4
mm
20
轮外缘距离
02
d1
h^sin
2
02
16.55
mm
2
S1
tS2
S1
5.16
mm
21
理论弧齿厚
t
S2—
ha1
ha2tan
m
S2
4.26
mm
2
22
齿侧间隙
B
0.245~0.330
B
0.250
mm
Sx1
S1
s3
B
Sx1
5.08
2
6d1
2
mm
23
弦齿厚
Sx2
S2
S23
B
Sx1
4.20
mm
2
6d2
2
h>d
ha1
.2
S-icos
1
hx1
3.1327
4d1
mm
24
弦齿高
hx2
ha2
.2
S2cos
4d2
2
hx2
1.73
mm
232差速器齿轮的材料选用
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多为20CrMnTi、20CrMoTi、22CrMnMo和20CrMo等。
由于差速器齿轮轮齿要求的精度比较低,所以精锻差速器齿轮工艺已经被广泛应
用[16]0
233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,而对于疲劳寿命则不予考虑,这是由于行星齿轮在差速器的工作中经常只起等臂推力杆的作用,仅在左、右驱动车轮有转速差时行星齿轮和半轴齿轮之间才有相对滚动的缘故。
汽车差速器齿轮的弯曲应力为
(2-8)
2103TK°KsKm
2
KvFz2mJ
式中:
T――差速器一个行星齿轮传给一个半轴齿轮的转矩,其计算公式
tCG
T-0一-,在此T315.381N・m;n
n――差速器的行
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