汽车差速器设计论文.doc

摘 要 差速器是旅行车必不可少的总成。在旅行车行驶过程中，由于轮胎气压，道路状况，轮胎磨损的不同和转弯，在很多情况下内侧轮胎的行驶速度比外侧的慢。差速器不仅可以解决上述问题，而且对于提高旅行车的转向性和操纵稳定性有重要的作用。本文对各类差速器的优缺点作了较为详细的比较分析。 本次毕业设计主要是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的设计计算，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。关键词：半轴，差速器，齿轮结构AbstractDifferential is an essential assembly of vehicle. Due to difference in pressure of tires, road conditions, wear of tires and turning etc, inner wheels rotate slower than outer wheels in many situations. And differential can not only deal with the problem above, but also play an important role in enhancing motor vehicles steering performance and operating stability .In this paper, a more detailed comparative analysis has been made of the advantages and disadvantages of various types of differential. The design of the main drivers on the installation of the bridge in between the two axle differential design, mainly related to the differential structure 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 design of a large amount of literature on the role of differential structure and have a more thorough understanding. Keywords: Axle, differential mechanism, gear struck目 录摘 要IAbstractII1.引言11.1汽车差速器研究的背景及意义11.2汽车差速器国内外研究现状11.2.1国外差速器生产企业的研究现状11.2.2我国差速器行业市场的发展以及研究现状21.3汽车差速器的功用及其分类31.4毕业设计初始数据的来源与依据51.5本章小结62.差速器的设计方案72.1差速器的方案选择及结构分析72.2差速器的工作原理82.3本章小结103.差速器非标准零件的设计113.1对称式行星齿轮的设计计算113.1.1对称式差速器齿轮参数的确定113.1.2差速器齿轮的几何计算图表163.1.3差速器齿轮的强度计算173.1.4差速器齿轮材料的选择193.1.5齿轮的润滑193.1.6差速器齿轮的设计方案193.2差速器行星齿轮轴的设计计算203.2.1行星齿轮轴的分类及选用203.2.2行星齿轮轴的尺寸设计203.2.3行星齿轮轴材料的选择213.3差速器垫圈的设计计算213.3.1半轴齿轮平垫圈的尺寸设计213.3.2行星齿轮球面垫圈的尺寸设计223.4本章小结224.差速器标准零件的选用234.1螺栓的选用和螺栓的材料234.2螺母的选用和螺母的材料234.3差速器轴承的选用234.4十字轴键的选用244.5本章小结245.差速器总成的装配和调整255.1差速器总成的装配255.2差速器零部件的调整255.3本章小结25参考文献26致谢27II中北大学2015届毕业论文1.引言1.1汽车差速器研究的背景及意义汽车在行驶过程中,左右两侧的车轮在相同时间内的路程常常不等;比如，转弯时内侧和外侧车轮行程明显是不同的（外侧车轮滚过的距离大于内侧的车轮），汽车行驶在不平的路面上时，路面波形的不同也会导致两侧车轮转过的路程不相等；而且行驶在平直路面上，受到轮胎的负荷、胎面的磨损程度、轮胎的气压不同和制造误差等等因素的影响，会引起左、右车轮滚动半径的不同，因此左、右车轮的行程也不相等。如果刚性连接驱动桥的左、右车轮，则行驶时会驱动轮产生在路面上的滑移或者滑转不可避免,这不仅会使功率、燃料的消耗和轮胎的磨损加剧，还可能恶化转向和操纵的性能。所以，任何汽车两侧的轮间都装有差速器，进而使得两侧车轮具有不同的角速度（路程不相等时），并且满足汽车行驶运动学的要求3。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”1。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）2。本世纪六七十年代，世界的经济发展已经进入一个高速增长阶段，而2008年的全球金融危机又让汽车产业有了发展的机遇，在世界各处开始有广阔的市场。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3。1.2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4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。1.2.1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。年销售额达到18亿美金的伊顿公司汽车集团5是全球化汽车零部件供应商，在发动机气体管理，变速箱，牵引力控制以及安全排放控制领域全球领先，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6。主要零件产品包含了动力控制系统和发动机气体管理部分，之中属于动力控制系统类差速器产品在同类产品中处于领先地位。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7，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8。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9是差速器的最终目标。1.2.2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，国家政策鼓励汽车差速器产业朝着高科技产品方向发展，国内的企业逐渐增加投资项目10。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11，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12。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13。 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14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15，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： （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，车轮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16，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。1.3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，使左右车轮以不同的角速度转动，保证了两侧驱动车轮在地面上作纯滚动运动。图1.1汽车转弯时驱动轮运动示意图汽车行驶时，两侧轮在同一时间内所转动的路程往往不等。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，行程明显不相等，内侧车轮滚过的距离小于外侧车轮；汽车行驶在不平的道路上时，路面波形的不同也会导致两侧车轮滚过的路程不相等；即使行驶在平直的路面，受到轮胎负荷、轮胎气压、胎面磨损程度的不同以及制造误差等因素的影响，左、右车轮滚动半径变得不同而使左、右车轮行驶不等。如果钢性连接驱动桥的左、右车轮，行驶时则不可避免地会产生驱动轮在路面上滑移或者滑转。这样不仅会使轮胎磨损与功率和燃料的消耗加剧，还可能使转向和操纵性能的恶化。安装差速器后，在行程不等时，驱动桥两侧车轮能够以不同的旋转角速度转动，车辆的行驶运动学要求得到了满足。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。现在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，还有各种各样的功能多样的差速器，如：摩擦片式自锁齿轮差速器、凸轮式差速器、自由轮差速器等等。简单齿轮差速器包括圆柱齿轮差速器及圆锥齿轮差速器。圆柱齿轮差速器宽度较圆锥齿轮差速器小，但其直径较大。为了增加差速器的内摩擦力矩，在半轴齿轮与差速器壳之间装上了摩擦片。两根行星齿轮轴互相垂直，轴的两端制成V形面与差速器壳孔上的V形面相配，两个行星齿轮轴的V形面是反向安装的。每个半轴齿轮背面有压盘和主、从动摩擦片，主、从动摩擦片分别经花键与差速器壳和压盘相连。根据压紧方式不同，摩擦式差速器又可分下列几种：1)由半轴齿轮与行星齿轮啮合产生的轴向力使摩擦片压紧。2)由牙嵌啮合产生轴向力使摩擦片压紧，当半轴齿轮的转矩通过牙嵌传给带内花键的压盘时牙嵌产生轴向压紧力。3)由行星轮轴与差速器壳V形斜面联接及锥齿轮啮合产生的轴向力使摩擦片压紧。由于差速器壳V形槽位置的加工误差，以及两侧摩擦片厚度不相等，会使两侧摩擦力矩变化很大，导致锁紧系数变化很大，因此在制造中必须严格控制有关零件的加工精度。4)利用弹簧力压紧摩擦片式差速器，此类差速器的锁紧系数是变值，轻载时锁紧系数大，重载时锁紧系数小，由于差速器尺寸的限制，这类差速器较难达到大的锁紧系数。凸轮式差速器的主动件是与差速器壳连接在一起的套，套上有2排径向孔，滑块装于孔中并且可作径向的滑动。滑块两端分别与差速器的从动元件内、外凸轮接触。内、外凸轮分别与左、右半轴用花键连接。差速器传递动力时，主动套通过滑块带动内、外凸轮旋转，允许内、外凸轮转速不相等。理论上凸轮形线应该是阿基米德螺线，为加工简单，可以用圆弧曲线替代。采用自由轮差速器时，当一侧半轴的转速高于差速器壳体转速时，其动力传递自动切断，动力完全由另一侧半轴传递，传递动力一侧半轴转矩受这侧附着力限制，差速器的锁紧系数则为无限大。牙嵌式自由轮差速器属于自锁式差速器。装有这种差速器的车在直线行驶时，主动环可将转矩（主减速器传来）按照左、右轮阻力的大小分配给左从动环和右从动环。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。牙嵌式自由轮差速器的半轴转矩比是可变的，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毕业设计初始数据的来源与依据本设计主要对6400旅行车差速器的结构设计，包括齿轮传动部分，进行相关的计算与校核。设计中所采用的相关参数：地盘整备质量： （kg） 700地盘干质量： （kg） 620 整车整备质量： （kg） 1260整车总质量： （kg） 1880最高车速： （km/h） 120最小转弯半径 （m） 4.2最大爬坡度 （%） 37轴距 （mm） 2080轮距（前/后） （mm） 1350/1355轴荷（前/后） （kg） 668（53%） 592（47%）发动机的额定功率为49kw(当发动机转速为1500r/min时)；发动机的最大转矩158； 变速器各档传动比为一 档二 档三 档四 档五 档倒 档7.314.312.451.541.007.66主减速器形式为双曲线齿轮单级减速式，主减速比为6.33；车轮轮辋形式为7.0-20等厚辐盘式，轮胎为普通斜交帘线的标准轮辋轮胎，轮胎规格(GB516-82)9.00-20，10层级。1.5本章小结 本章主要阐述了汽车差速器的研究背景以及发展现状，并且详细介绍了差速器的功用以及分类，最后参考收集了有关本次毕业设计所需的数据资料等，为毕业设计的顺利完成提供了可靠的依据。2.差速器的设计方案2.1差速器的方案选择及结构分析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6400旅行车的类型，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。设计简图如下： 图2.1差速器结构方案图如图，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。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6400旅行车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。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 如图2.2所示，对称式锥齿轮差速器是一种行星齿轮机构。行星齿轮轴5和差速器壳3连成一体，形成了行星架。由于它又与主减速器从动齿轮6固连在一起，因此为主动件，设其角速度为；从动件半轴齿轮1和2的角速度分别为和。行星齿轮4与半轴齿轮1和2的啮合点为A、B。C是行星齿轮的中心点，r是A、B、C三点到差速器旋转轴线的距离。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，处在同一半径上的A、B、C三点的圆周速度都相等（图2-1），其值为。于是，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。当行星齿轮4除公转外，还绕本身的轴5以角速度自转时（图），啮合点A的圆周速度为，啮合点B的圆周速度为。于是 即 （2-1）若以每分钟的转数表示角速度，则 （2-2）式（2-2）是对称式圆锥齿轮差速器的运动特征方程式（两半轴齿轮直径相等），公式说明两侧半轴齿轮转速两倍于差速器壳转速，并且和行星齿轮转速没有关系。因此在汽车转弯行驶或其它行驶情况下，都能通过行星齿轮以对应的转速自转，两侧驱动车轮就能以不同速度在地上无滑动的完全滚动。由式（ 2-2 ）还可以得到：任何一侧半轴齿轮转速等于零时，另外的半轴齿轮其转速2倍于差速器壳转速；差速器壳的转速等于零（例如中央制动器制动传动轴的时候），若一侧半轴齿轮受到其它的外来力矩而转动，则另外一侧半轴齿轮将以相等的转速反向转动。对称式锥齿轮差速器的转矩分配：由主减速器传来的转矩，经由6400差速器外壳、6400行星齿轮轴以及6400行星齿轮传导给半轴齿轮。6400差速器的行星齿轮就相当于一个等臂杠杆，而6400差速器左右两个半轴齿轮半径也是相等的。因而，当差速器行星齿轮无自转时，将转矩平均地分配给左、右两个半轴齿轮，得到。当两个半轴齿轮以不相同的转速，朝一样的方向运转，假设左半轴转速大于右半轴转速，则行星齿轮将按顺时针的方向绕行星齿轮轴自转。这时，行星齿轮孔和十字轴的轴颈之间，齿轮的背部和差速器外壳之间都会产生摩擦。行星齿轮所受到的摩擦力矩方向与行星齿轮的转向相反，这个摩擦力矩使得行星齿轮对两个半轴齿轮附加了方向相反、大小相等的2个圆周力，所以当两侧车轮有转动速度差时， 两侧车轮转矩差为差速器内摩擦力矩。常以锁紧系数K衡量差速器内转矩分配特性、摩擦力矩的大小 （2-3）差速器内摩擦力矩和其输入转矩（差速器壳体上的力矩）之比定义为差速器锁紧系数。快慢半轴的转矩之比定义为转矩比，以 （2-4）目前，一般的对称式锥齿轮差速器的内摩擦力矩很小，其锁紧系数取值范围为0.050.15，转矩比范围为1.11.4，可以这样认为，无论两侧驱动车轮转速是否相等，基本上总是平均分配转矩。汽车在好的路面上直线或者转弯行驶时,这样的分配比例都是令人满意的。却严重影响了汽车在坏的路面行驶的通过能力。比如，汽车的一个车轮处于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。因为在泥泞路面上的车轮和路面之间的附着力小于好路面上的车轮和路面之间的，所以路面仅能对半轴产生非常小的反作用转矩。因对称式锥齿轮差速器具有转矩平均分配的特性，即使另一车轮与好路面间的附着力较大，也使这一个车轮所分配到的转矩只能和传到滑转车轮上的转矩相同，致使总驱动力不能克服行驶的阻力，车辆失去了前进的动力。当汽车直线行驶时，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是相等的。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。2.3本章小结 针对这次毕业设计的课题，本章就差速器的工作原理做了详细的说明，并且结合6400旅行车的特点以及特性，进行了差速器的方案选择，已达到设计出合适的差速器的目的。3.差速器非标准零件的设计 对称式锥齿轮差速器的具体详细结构如下： 图3.1普通的对称式锥齿轮差速器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。轮间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对称式行星齿轮的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。3.1.1对称式差速器齿轮参数的确定 1.行星齿轮数目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，反之则取四个。而6400旅行车选择的是四个行星齿轮即。2. 行星齿轮球面半径的确定以及节锥距的计算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： （3-1）上式中：是行星齿轮球面半径系数，=2.52.97，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以及有四个行星齿轮的越野车和矿用车，取大值。此处，取2.7. 是差速器计算转矩，, 是球面半径，转矩的计算从动锥齿轮计算转矩 （3-2）上式中：是计算转矩，,是由于猛接离合器而产生的动载系数，对于性能系数的汽车(一般货车，矿用汽车，越野车)，取是发动机最大转矩， =353N.m是液力变矩器变矩系数， 是变速器一档传动比，6400旅行车变速器一档传动比是分动器传动比， 是主减速器传动比，6400旅行车采用双曲线齿轮，单级减速器，主减速器传动比是从发动机到主减速器从动齿轮之间的传动效率， 是驱动桥数， 代入式 （3-2） 中，得 从动锥齿轮计算转矩 （3-3）上式中：是计算转矩，是满载状态下一个驱动桥上的静负荷，对于式货车，为了保证在泥泞路面上的通行能力，提高地面驱动力，常将满载时前轴负荷控制在总轴荷的26%27%，故 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1.21.4，货车为1.11.2,此处取1.1。是轮胎与地面间的附着系数，对一般轮胎的公路用车，可取，是轮胎的滚动半径，6400旅行车采用普通斜交帘线的标准轮辋轮胎，查表得。是主减速器从动锥齿轮到车轮间的传动比，。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，代入式 （3-3） 中，得 ， 将以上数据代入式（3-1）中，得： 将圆整为54mm,锥齿轮的节锥距一般稍小于，即 所以预选其节锥距 3.行星齿轮与半轴齿轮的设计和选择（1）确定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，故行星齿轮的齿数应该尽可能少（但一般不少于10），半轴齿轮的齿数一般采用1425之间。汽车半轴齿轮与行星齿轮的齿数之比大多在范围1.52。为了使四个行星齿轮能同时与两个半轴齿轮啮合，两个半轴齿轮的齿数和必须能被行星齿轮数整除，否则差速器齿轮不能装配。综上所述，即, （3-4） （3-5）上式中：是差速器行星齿轮的齿数，是差速器半轴齿轮的齿数，和分别是差速器左、右半轴齿轮的齿数，对于对称式锥齿轮差速器来说，是行星齿轮的数目，,是任意整数根据上述可在此取满足以上要求。（2）差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定初步确定行星齿轮节锥角和半轴齿轮节锥角 （3-6）确定圆锥齿轮大端端面模数 （3-7）大端端面模数按圆锥齿轮的标准模数系列选取，查表得确定半轴齿轮的节圆直径 （3-8）4.压力角 目前，汽车差速器的齿轮大都采用的压力角，齿高系数为0.8。行星齿轮的最小齿数可减少到10，并且在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的少，在此选的压力角。5.行星齿轮安装孔的孔径和孔长度的确定行星齿轮安装孔的孔径与行星齿轮轴的名义尺寸相同，而行星齿轮安装孔的长度就是行星齿轮在其轴上的支承长度，通常取： （3-9）行星齿轮安装孔的孔径和孔长度的选择要保证挤压强度要求： （3-10） 即由上面各式可得： （3-11）上式中：是差速器的计算转矩， 是行星齿轮轴孔中心到节锥顶点的距离，约为半轴齿轮齿面宽中点处平均直径的一半，即，为半轴齿轮齿面宽中点处的直径，而，即， 是行星齿轮数目， 是许用挤压应力， 是行星齿轮安装孔的长度，是行星齿轮安装孔的孔径将上述各计算结果代入式（3-11）中，可得： 则取,3.1.2差速器齿轮的几何计算图表表3.1 差速器几何计算图表序号名称符号计算公式计算结果1行星齿轮齿数,应尽量取最小值2半轴齿轮齿数,且需满足式（3-4）（3-5）3模数4齿面宽5工作齿高6全齿高7压力角8轴交角9节圆直径10节锥角11节锥距12周节13齿顶高14齿根高15径向间隙16齿根角17面锥角18根锥角19齿顶圆直径20齿根圆直径21分度圆齿厚22齿侧间隙3.1.3差速器齿轮的强度计算差速器的行星齿轮和半轴齿轮一直处于啮合状态，只是在左右车轮转速不同时才发生相对转动，它们并不是一直处于相对转动状态。而在汽车正常行驶中，这种情况还是相对较少的。因此，这些齿轮齿面的接触疲劳破坏一般并不发生，主要是轮齿弯曲破坏问题。在汽车设计中只进行轮齿弯曲强度计算，轮齿弯曲应力为 （3-12）上式中：是弯曲应力， 是半轴齿轮计算转矩， 是齿根弯曲强度和齿面接触强度的尺寸系数，它反映了材料性质的不均匀性，与齿轮尺寸及热处理等因素有关，当时，所以 是齿面载荷分配系数，跨置式；悬臂式，此处取，是质量系数，与齿轮精度及齿轮分度圆上的切线速度对齿间载荷的影响有关，当接触好，周节及同心度准确时，取,是差速器行星齿轮和半轴齿轮的模数，是半轴齿轮的齿宽， 是半轴齿轮的大端分度圆直径， 是综合系数，参照图3.2查得可取0.2253图3.2弯曲计算用综合系数是行星齿轮的数目， 代入式（3-12）中，可得： 所以，差速器齿轮满足弯曲强度要求。3.1.4差速器齿轮材料的选择差速器的齿轮材料应满足的要求如下：（1）齿轮具有较高的弯曲疲劳强度（2）避免在冲击载荷下发生齿根折断，轮齿芯部应当有适当的韧性以适应冲击载荷（3）钢材的性能（锻造、切削、热处理）应该比较好，变形规律要容易控制或热处理变形要小，（4）齿轮材料的选择应该适应我国情况，选用含有鉬、硅、锰、钒、硼、钛等元素的合金钢，少用镍铬合金钢。汽车的差速器齿轮基本上都用渗碳合金钢制造，用于制造差速器齿轮的材料有18CrMnTi，20CrMoTi，22CrMnMo和20CrMo等。为了减少镍铬元素的消耗，近年来我国采用的新材料有20MnVB和20MnTiB。渗碳合金钢的优点是表面硬，耐磨性和抗压性高，而芯部较软，韧性好，耐冲击。因此这种材料可以满足齿轮工作的要求。另外。由于钢本身的含碳量较低，它们的锻造及切削性能都较好。因此，汽车差速器齿轮的材料选择20CrMnTi的渗碳合金钢。3.1.5齿轮的润滑1采用浸油润滑，因为低速级周向速度，故浸油高度约为6分之1大齿轮半径，取35mm。2. 润滑油的选择：齿轮与轴承用同种润滑油较为便利，考虑到该装置用于小型设备，选用L-AN15润滑油。3.1.6差速器齿轮的设计方案根据以上各项计算，初步确定行星齿轮和半轴齿轮的设计方案如下： (a) (b)图3.3行星齿轮和半轴齿轮的设计方案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，而大质量的汽车传递的转矩较大，为了延长轴的使用寿命以及提高轴的承载能力，常选用十字轴，由四个轴的轴颈来分配转矩。此次设计主要参考6400旅行车，所以选用的是行星齿轮十字轴。如图3.4所示： 图3.4十字轴的结构方案图3.2.2行星齿轮轴的尺寸设计由行星齿轮的支承长度，根据安装时候的方便选择轴颈的长度为；而行星齿轮安装孔的孔径，所以轴颈的直径预选为。3.2.3行星齿轮轴材料的选择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17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，防止把质地软的压坏。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齿轮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3.5所示：为平垫圈的结构方案简图。图3.5 平垫圈参考6400旅行车的半轴直径的数据为,如图3.5（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要大于，初步预选安装孔直径为，由图3.5（b）根据安装的简易程度选取垫圈的厚度h为.选用的材料是65Mn。3.3.2行星齿轮球面垫圈的尺寸设计 由行星齿轮十字轴轴颈的直径为，根据装配关系选择球形垫圈的安装孔直径为，厚度h为,选用的材料是Q235A。3.4本章小结 本章主要针对差速器的非标准零件进行了设计计算，比如行星齿轮，半轴齿轮，垫圈，还有十字轴。通过这一系列的计算，得到了详细准确的设计参数，为CATIA的差速器建模工作奠定了基础。4.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