離心式限速差速器設(shè)計(jì)及仿真分析

1、 全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 離心式限速差速器設(shè)計(jì)及仿真分析 DESIGN AND SIMULATION ANALYSIS OF THE CENTRIFUGAL LIMITED SLIP DIFFERENTIAL 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠(chéng) 信 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 畢業(yè)論文（

2、設(shè)計(jì)）作者簽名： 年 月 日 目 錄 摘要1 關(guān)鍵詞1 1 前言1 1.1 研究目的及意義6 1.2 差速器7 1.3 限滑（限速）差速器3 1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀3 1.4.1 扭力感應(yīng)式7 1.4.2 螺旋齒輪式4 1.4.3 滾珠鎖定式8 1.4.4 黏性耦合式8 1.4.5 機(jī)械式8 2 離心式限速差速器的基本原理及方案的確定9 2.1 對(duì)稱(chēng)式圓錐行星齒輪差速器的差速原理9 2.2 離心鎖止機(jī)構(gòu)方案的確定10 3 差速器齒輪主要參數(shù)的選擇與計(jì)算11 3.1 差速器齒輪的基本參數(shù)的選擇11 3.1.1 行星齒輪數(shù)目的選擇11 3.1.2 行星齒輪球面半徑RB的確定11 3.1.3 行星齒

3、輪與半軸齒輪的選擇12 3.1.4 差速器圓錐齒輪模數(shù)及半軸齒輪節(jié)圓直徑的初步確定13 3.1.5 壓力角 13 3.1.6 行星齒輪安裝孔的直徑f及其深度L13 3.2 差速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算16 3.3 差速器齒輪的材料16 4 驅(qū)動(dòng)半軸的設(shè)計(jì)17 4.1 半浮式半軸桿部半徑的確定17 4.2 半軸花鍵的強(qiáng)度計(jì)算18 4.3 半軸其他主要參數(shù)的選擇19 4.4 半軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料與熱處理19 5 離心鎖止機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)20 5.1 離心飛錘結(jié)構(gòu)形式的選擇20 5.2 離心飛錘的設(shè)計(jì)與計(jì)算20 5.2.1 飛錘在靜態(tài)下重心位置的確定21 5.2.2 飛錘介入轉(zhuǎn)速的確定21 5.3 調(diào)速?gòu)椈傻脑O(shè)計(jì)

4、22 6 直齒圓錐齒輪的仿真分析23 6.1 直齒圓錐齒輪參數(shù)化建模20 6.1.1 直齒圓錐齒輪建模原理20 6.1.2 直齒圓錐齒輪的基本參數(shù)20 6.2 錐齒輪建模方法24 6.2.1 建模步驟24 6.2.2 齒輪模型的生成25 6.3 齒輪有限元分析26 6.3.1 齒輪有限元分析概述26 6.3.2 有限元模型的建立及優(yōu)化處理27 6.3.3 有限元分析24 6.4 小結(jié)29 9 結(jié)論26 參考文獻(xiàn)26 致謝27 離心式限速差速器設(shè)計(jì)及仿真分析 學(xué) 生：陳權(quán)瑞指導(dǎo)老師：李軍政 (湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128) 摘 要：本文設(shè)計(jì)研究了離心式限速差速器，其目的是在普通差速器基

5、礎(chǔ)上增加一套離心機(jī)構(gòu)，使差速器在一定條件下鎖止差速?gòu)亩拗栖?chē)輪滑動(dòng)，以應(yīng)對(duì)特定情況。在設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合運(yùn)用了機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、Solidworks、AutoCAD 等知識(shí)，并利用 AutoCAD 軟件繪制裝配圖和零件圖。同時(shí)運(yùn)用分析軟件結(jié)合汽車(chē)構(gòu)造、汽車(chē)設(shè)計(jì)、材料力學(xué)等學(xué)科知識(shí)對(duì)離心式限速差速器進(jìn)行仿真分析。首先，本文將概述限滑差速器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，介紹其領(lǐng)域的最新發(fā)展?fàn)顩r。其次，對(duì)差速器的行星齒輪、半軸齒輪和軸及軸承做詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，并進(jìn)行受力分析、強(qiáng)度和剛度校核計(jì)算。然后進(jìn)行對(duì)離心差速鎖止裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定飛錘、彈簧、鎖止機(jī)構(gòu)等的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，進(jìn)行受力分析，強(qiáng)度和剛度校核，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析

6、。最后得出結(jié)論。 關(guān)鍵詞：差速器；齒輪；飛錘；彈簧；鎖止機(jī)構(gòu) Design and Simulation Analysis of The Centrifugal Limited Slip Differential Student：Chen Quanrui Tutor：Li Junzheng (College of engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract：This design of the centrifugal speed differential, the aim is to

7、increase the differential of a common centrifugal mechanism on the basis that the differential lock under certain conditions to limit the differential wheel slip in response to specific circumstances. In the design process, the integrated use of mechanical principles, mechanical design, Solidworks,

8、AutoCAD, knowledge and use of AutoCAD software assembly drawing and parts diagram. While the use of analysis software combined automotive construction, automotive design, materials and other disciplines of knowledge of the mechanics of centrifugal speed differential simulation analysis. First, this

9、paper will outline the current situation and development trend of limited-slip differential, the latest developments in their field. Secondly, the planetary gear differential, axle gears and shafts and bearings do detailed design calculations and stress analysis, strength and stiffness checking calc

10、ulations. Then subjected to differential centrifugation locking means designed to determine the structure and parameters Flyweight spring, the locking mechanism or the like, is analyzed, checking the strength and stiffness, motion simulation. Finally concluded. Key words： differentials ; gear ; flyw

11、eight ; spring ; locking mechanism ; 1 前言 1.1 研究目的及意義 雖然限速差速器的各種技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，且市面上各種形式的限速差速器種類(lèi)十分豐富，但大多結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本較高。而且在離心式限速差速器的研究方面幾乎是一片空白。 鑒此，開(kāi)展離心式限速差速器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，限速性能，試驗(yàn)方法，在實(shí)際中的應(yīng)用的研究，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 1.2差速器 圖 1 典型的差速器結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 The typical structure of the differential 1軸承；2、8差速器殼；3、5調(diào)整墊片；6行星齒輪； 7從動(dòng)錐齒輪；4半軸齒輪

12、；9行星齒輪軸；10螺栓 差速器是一種能使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自一根軸傳至兩根軸，并使后者相互間能以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的差動(dòng)機(jī)構(gòu)。一般由齒輪組成 1。汽車(chē)、拖拉機(jī)上的差速器位于后橋內(nèi)，由差速殼、行星齒輪及半軸齒輪組成。 1.3限滑（限速）差速器 由于差速器是藉由盆型齒輪及角齒輪驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部包含邊齒輪及差速小齒輪。當(dāng)車(chē)輛直行時(shí)，并無(wú)差速作用，差速小齒輪及邊齒輪整個(gè)會(huì)隨著盆齒輪公轉(zhuǎn)無(wú)差速作用，一旦車(chē)輛轉(zhuǎn)彎內(nèi)、外輪阻力不一樣時(shí)，差速齒輪組因阻力的作用迫使產(chǎn)生自轉(zhuǎn)功能進(jìn)而調(diào)整左、右輪速。既然左、右輪速的變化及調(diào)整是藉由輪胎及地面阻抗來(lái)自由產(chǎn)生，那么后續(xù)的使用狀況就將造成車(chē)輛無(wú)法行駛的狀態(tài) 2 。 譬如說(shuō)當(dāng)車(chē)輛一輪掉入坑洞

13、中，此車(chē)輪就毫無(wú)任何摩擦力可言，著地車(chē)輪相對(duì)卻有著極大的阻力，此時(shí)差速器的作用會(huì)讓所有動(dòng)力回饋到低摩擦的輪子。掉入坑洞的車(chē)輪會(huì)不停轉(zhuǎn)動(dòng)，而著地輪反而完全無(wú)動(dòng)作，如此車(chē)輪就無(wú)法行駛。 限速差速器，也稱(chēng)限滑差速器。顧名思義就是限制車(chē)輪滑動(dòng)的一種改進(jìn)型差速器，指兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差值被允許在一定范圍內(nèi)，以保證正常的轉(zhuǎn)彎等行駛性能的一類(lèi)差速器。 1.4國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 限速差速器，尤其是汽車(chē)上運(yùn)用的防滑差速器目前已十分成熟。主要的形式有 3： 1.4.1扭力感應(yīng)式 是采用螺旋齒輪組，一樣利用左、右雙組的摩擦力來(lái)限定滑差效應(yīng)，由于螺旋齒輪采縱向和基座齒輪的橫向交錯(cuò)，無(wú)離合器片的損耗，運(yùn)用在后驅(qū)車(chē)輛，其故障率較

14、低，維修保養(yǎng)亦趨于簡(jiǎn)單，雖然在動(dòng)力輸出方面未能有強(qiáng)大的表現(xiàn)，但實(shí)用原則為其最大之優(yōu)點(diǎn)。 它是將普通差速器的齒輪從齒輪改成渦輪蝸桿，而安裝位置和形式并不變，借由蝸輪蝸桿傳動(dòng)的自鎖功能（蝸桿可以向蝸輪傳遞扭矩，而蝸輪向渦桿施以扭矩時(shí)齒間摩擦力大于所傳遞的扭矩，而無(wú)法旋轉(zhuǎn)）來(lái)實(shí)現(xiàn)防滑功能。大名鼎鼎的奧迪 quattro 就是采用這種結(jié)構(gòu)，還有許多原廠高性能車(chē)種都是采用此種型式，像 RX-7 FD3S 的原廠限速差速器就相當(dāng)有名。在扭力感應(yīng)式限速差速器的特性方面，雖然其較少使用在運(yùn)動(dòng)用途上，但摩擦部分與機(jī)械式比較起來(lái)效果更好，而且維修上非常簡(jiǎn)單，這是它的最大優(yōu)點(diǎn)。 1.4.2螺旋齒輪式 其內(nèi)部構(gòu)造依然

15、采用螺旋齒輪，有別于扭力感應(yīng)式的限速差速器是此螺旋齒輪限速差速器所配置的齒輪全為橫向，也就是和輸出軸的運(yùn)轉(zhuǎn)同一方向，利用行星齒輪大小減速比的功能達(dá)到限速功能，其最大的弱點(diǎn)在于限定鎖定扭力滑差的比例較小，但也因?yàn)榫S修及使用保養(yǎng)無(wú)需特別的注意，更不需要使用限速差速器專(zhuān)用油，因此原廠如 Honda 1.8 升 Type-R、Silvia S15等較新款的前輪帶動(dòng)車(chē)，也幾乎都是使用此型式之限速差速器，此等限速差速器還有一個(gè)現(xiàn)象，就是車(chē)輛頂高后，轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的左右兩輪，并不會(huì)一起前進(jìn)或后退，因此在當(dāng)年 TIS 1：9 房車(chē)賽規(guī)格的驗(yàn)車(chē)過(guò)程中，它算是可以瞞混過(guò)關(guān)的偷改武器！ 螺旋齒輪限速差速器內(nèi)部的齒輪構(gòu)造與

16、扭力感應(yīng)式限速差速器有些相似，同樣是將普通差速器的齒輪從直齒改成螺旋齒，不過(guò)不是利用二者摩擦力的不同，而是改變了齒輪的安裝位置和形式，通過(guò)只有螺旋齒輪才能實(shí)現(xiàn)的安裝位置和形式，利用齒輪的減速比來(lái)限制左右驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差的。這種限速差速器所能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速差比較小。而且，扭力感應(yīng)型的齒輪配置為縱向，而此種螺旋齒輪限速差速器的則為橫向裝置。和機(jī)械式限速差速器相比，它的最大弱點(diǎn)在于限制鎖定的扭力范圍較小，但維修、使用上沒(méi)有什么特別麻煩之處。 1.4.3滾珠鎖定式 這種設(shè)計(jì)的特殊之處，是當(dāng)小圓球在彎曲的溝槽中移動(dòng)時(shí)，被溝槽切斷的滾筒開(kāi)始作動(dòng)而發(fā)揮限滑的效果，尤其是其作動(dòng)原理與一般品有很大的差異，目前并不算

17、是主流的制品。在滾珠鎖定限速差速器的特性方面，因?yàn)樗臉?gòu)造相當(dāng)特別，因此可以發(fā)揮十分圓滑的效果，反過(guò)來(lái)說(shuō)此限速差速器并不適合喜歡在街上狂飆的人士，而最后可以死鎖差速器、并發(fā)揮最高扭力，也是值得記上一筆之處，所以最適用于分秒必爭(zhēng)的比賽場(chǎng)合中。 1.4.4 黏性耦合式 最早配置是用在 VAG (Audi/VW) 車(chē)系，其間由多片的離合器組，加上硅油組合而成，它是利用硅油摩擦受熱膨脹后，迫使離合器片接合來(lái)鎖定輪差，其結(jié)構(gòu)可說(shuō)是最簡(jiǎn)單且體積小、造價(jià)低，是一款適用于大眾型式的限速差速器。大約十年前限速差速器還是屬于選用配備時(shí)，最受歡迎的就是這種黏性耦合型式樣，就如大家所看到的，此限速差速器是由多個(gè)離合器

18、片組合而成，透過(guò)硅油的噴入使左右輪胎產(chǎn)生回轉(zhuǎn)差，然后再利用硅油的黏性做鎖定。談到這里大家應(yīng)該不難想象，此類(lèi)構(gòu)造的效果并非很好，因?yàn)楣栌偷酿ざ葧?huì)依溫度產(chǎn)生性能上的差別，因此反應(yīng)性算是最差，往好的方面想，這種限速差速器只是一款適合一般大眾使用的類(lèi)型罷了。 1.4.5 機(jī)械式 在改裝車(chē)輛中最傳統(tǒng)也最常用，因此算是能見(jiàn)度最高的限速差速器，因?yàn)槭褂米?、右兩個(gè)離合器片和壓板組，故亦稱(chēng)為多板或多片離合器式限速差速器，此型式之限速差速器可藉由離合器片與壓板的排列組合來(lái)達(dá)到限滑百分比功能，從 25%90%的能力皆可完成。但唯一的缺點(diǎn)就是較難照顧，其務(wù)必要使用限速差速器專(zhuān)用油來(lái)定期保養(yǎng)，長(zhǎng)時(shí)間或劇烈操駕也可能需要

19、更換修理包。而離合器片裝配不佳或置入時(shí) Run in 方式不正確，也容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎異音或離合器片損壞之現(xiàn)象。 機(jī)械式限速差速器響應(yīng)速度快，靈敏度高，限滑比例可根據(jù)壓板和離合片的不同組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，可調(diào)范圍廣，但造價(jià)高，耐久性不好，當(dāng)離合器片磨損時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)“嘎！嘎！”的噪音 4 ，因此需要做定期的維修，這也是其缺點(diǎn)之一。 2 離心式限速差速器的基本原理及方案的確定 首先設(shè)定車(chē)輛的基本參數(shù)。 表 1 車(chē)輛的基本參數(shù) Tab.1 The basic parameters of the vehicle 參數(shù)名稱(chēng) 數(shù)值 單位 車(chē)輛前后軸距 2620 mm 前輪距 1455 mm 后輪距 1430 mm 總質(zhì)

20、量 1500 Kg 最大功率 76.0 Kw 最大扭矩 158 Nm 最高車(chē)速 140 Km/h 一檔變速比 3.9 主減速比 4.5 在此，在普通對(duì)稱(chēng)式圓錐行星齒輪差速器的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2.1對(duì)稱(chēng)式圓錐行星齒輪差速器的差速原理 圖 2 差速器工作原理 Fig.2 The working principle of differential 如圖 2 所示，對(duì)稱(chēng)式錐齒輪差速器是一種行星齒輪機(jī)構(gòu)。差速器殼 3 與行星齒輪軸 5 連成一體，形成行星架。因?yàn)樗峙c主減速器從動(dòng)齒輪 6 固連在一起，固為主動(dòng)件，設(shè)其角速度為w0 ；半軸齒輪 1 和 2 為從動(dòng)件，其角速度為w1和w2 。A、B 兩點(diǎn)分

21、別為行星齒輪 4 與半軸齒輪 1 和 2 的嚙合點(diǎn)。行星齒輪的中心點(diǎn)為 C，A、B、C 三點(diǎn)到差速器旋轉(zhuǎn)軸線的距離均為r。 當(dāng)行星齒輪只是隨同行星架繞差速器旋轉(zhuǎn)軸線公轉(zhuǎn)時(shí)，顯然，處在同一半徑r上的 A、B、C 三點(diǎn)的圓周速度都相等，其值為w0 r。于是w1=w2 =w0 ，即差速器不起差速作用，而半軸角速度等于差速器殼 3 的角速度。 當(dāng)行星齒輪 4 除公轉(zhuǎn)外，還繞本身的軸 5 以角速度w4 自轉(zhuǎn)時(shí)，嚙合點(diǎn) A 的圓周速度為w1 r=w0 r +w4 r，嚙合點(diǎn) B 的圓周速度為w2 r =w0 r -w4 r。于是 w1 r+w2 r =（w0 r +w4 r）+(w0 r -w4 r )

22、即 w1+ w2 =2w0 （1）若角速度以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)n表示，則 n1 + n2 = 2n0 （2） 式（2）為兩半軸齒輪直徑相等的對(duì)稱(chēng)式圓錐齒輪差速器的運(yùn)動(dòng)特征方程式，它表明左右兩側(cè)半軸齒輪的轉(zhuǎn)速之和等于差速器殼轉(zhuǎn)速的兩倍，而與行星齒輪轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。因此在汽車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛或其它行駛情況下，都可以借行星齒輪以相應(yīng)轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)，使兩側(cè)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪以不同轉(zhuǎn)速在地面上滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)。 由式(2）還可以得知：當(dāng)任何一側(cè)半軸齒輪的轉(zhuǎn)速為零時(shí)，另一側(cè)半軸齒輪的轉(zhuǎn)速為差速器殼轉(zhuǎn)速的兩倍；當(dāng)差速器殼的轉(zhuǎn)速為零（例如中央制動(dòng)器制動(dòng)傳動(dòng)軸時(shí)），若一側(cè)半軸齒輪受其它外來(lái)力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)，則另一側(cè)半軸齒輪即以相同的轉(zhuǎn)速反向轉(zhuǎn)動(dòng)。 普通的對(duì)稱(chēng)

23、式圓錐齒輪差速器由差速器左右殼，兩個(gè)半軸齒輪，四個(gè)行星齒輪，行星齒輪軸，半軸齒輪墊片及行星齒輪墊片等組成。由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作平穩(wěn)、制造方便、用于公路汽車(chē)上也很可靠等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛用于各類(lèi)車(chē)輛上 5。 2.2 離心鎖止機(jī)構(gòu)方案的確定 在進(jìn)行離心鎖止機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，參考了 VE 型柴油分配泵和 R801 調(diào)速器中的離心飛錘機(jī)構(gòu) 6 。 圖 3 VE 分配泵調(diào)速器離心飛錘結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.3 The schematic diagram of VE distribution pump governor flyweight structure 3 差速器齒輪主要參數(shù)的選擇與計(jì)算 由于在差速器殼上裝著

24、主減速器從動(dòng)齒輪，所以在確定主減速器從動(dòng)齒輪尺寸時(shí)， 應(yīng)考慮差速器的安裝。差速器的輪廓尺寸也受到主減速器從動(dòng)齒輪軸承支承座及主動(dòng)齒輪導(dǎo)向軸承座的限制。 3.1 差速器齒輪的基本參數(shù)的選擇 3.1.1.行星齒輪數(shù)目的選擇 載貨汽車(chē)采用 2 個(gè)行星齒輪。 3.1.2.行星齒輪球面半徑RB的確定 圓錐行星齒輪差速器的結(jié)構(gòu)尺寸，通常取決于行星齒輪的背面的球面半徑RB 它就是行星齒輪的安裝尺寸，實(shí)際上代表了差速器圓錐齒輪的節(jié)錐距，因此在一定程度上也表征了差速器的強(qiáng)度。 球面半徑RB可按如下的經(jīng)驗(yàn)公式確定：RB = KB3 T mm 式中：KB 行星齒輪球面半徑系數(shù)，可取 2.522.99，對(duì)于有 2 個(gè)

25、行星齒輪的載貨汽車(chē)取小值； T計(jì)算轉(zhuǎn)矩，取Tce 和Tcs 的較小值，N·m. 計(jì)算轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 r nr p i =0.3770 vamax ghi (3) 式中：rr 車(chē)輪的滾動(dòng)半徑，rr = 0.398m igh變速器高檔傳動(dòng)比，igh =1 根據(jù)所選定的主減速比i0 值，就可基本上確定主減速器的減速型式（單級(jí)、雙級(jí)等以及是否需要輪邊減速器），并使之與汽車(chē)總布置所要求的離地間隙相適應(yīng)。把np = 5200r / min , vamax =140km/h , rr = 0.398m , igh =1代入公式（3）計(jì)算出i0 = 5.91 從動(dòng)錐齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tce kd T emax

26、 k i1i f i0hT ce =n (4) 式中： Tce 計(jì)算轉(zhuǎn)矩，Nm； Temax發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；Temax =158N m× n計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋數(shù)，1； i f 變速器傳動(dòng)比，if = 3.704； i0 主減速器傳動(dòng)比，i0 =5.91 變速器傳動(dòng)效率， =0.96； k液力變矩器變矩系數(shù)，K=1； kd 由于猛接離合器而產(chǎn)生的動(dòng)載系數(shù)，kd =1； i1 變速器最低擋傳動(dòng)比，i1 =1； 代入式（4），有： Tce =3320.4 Nm 主動(dòng)錐齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)矩 T=896.4Nm 根據(jù)上式 RB =2.7 3 3320.4 =40mm 所以預(yù)選其節(jié)錐距 A0 =40mm 3.1

27、.3行星齒輪與半軸齒輪的選擇 為了獲得較大的模數(shù)從而使齒輪有較高的強(qiáng)度，應(yīng)使行星齒輪的齒數(shù)盡量少。但一般不少于 10。半軸齒輪的齒數(shù)采用 1425，大多數(shù)汽車(chē)的半軸齒輪與行星齒輪的齒數(shù)比z1/ z2在 1.52.0 的范圍內(nèi)。 差速器的各個(gè)行星齒輪與兩個(gè)半軸齒輪是同時(shí)嚙合的，因此，在確定這兩種齒輪齒數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮它們之間的裝配關(guān)系，在任何圓錐行星齒輪式差速器中，左右兩半軸齒輪的齒數(shù) z2L ，z2R 之和必須能被行星齒輪的數(shù)目所整除，以便行星齒輪能均勻地分布于半軸齒輪的軸線周?chē)?，否則，差速器將無(wú)法安裝，即應(yīng)滿足的安裝條件為： z2L + z2R = I n (5) 式中：z2L，z2R 左右半軸

28、齒輪的齒數(shù)，對(duì)于對(duì)稱(chēng)式圓錐齒輪差速器來(lái)說(shuō) z2L = z2R n行星齒輪數(shù)目； I 任意整數(shù)。 在此Z1 =36，Z2 =60 滿足以上要求。 3.1.4差速器圓錐齒輪模數(shù)及半軸齒輪節(jié)圓直徑的初步確定 首先初步求出行星齒輪與半軸齒輪的節(jié)錐角g1，g2 Z130.96o g1 = 90o g2 = 5 9 . 0 3o g1 = arctan =Z2 再按下式初步求出圓錐齒輪的大端端面模數(shù) m 2A0 sing1 = 2A0 sing2 = 2*40.27sin30.96o = 3.35 m=Z1Z212查閱文獻(xiàn)取 m=4mm 得 d1 = mz1 = 4*36 =1 4 4 d2 = mz2

29、= 4*60 = 2 4 0 3.1.5 壓力角 目前，汽車(chē)差速器的齒輪大都采用 22.5°的壓力角，齒高系數(shù)為 0.8。最小齒數(shù)可減少到 10，并且在小齒輪（行星齒輪）齒頂不變尖的條件下，還可以由切向修正加大半軸齒輪的齒厚，從而使行星齒輪與半軸齒輪趨于等強(qiáng)度。由于這種齒形的最小齒數(shù)比壓力角為 20°的少，故可以用較大的模數(shù)以提高輪齒的強(qiáng)度。在此選 22.5°的壓力角。 3.1.6 行星齒輪安裝孔的直徑f及其深度L 行星齒輪的安裝孔的直徑f與行星齒輪軸的名義尺寸相同，而行星齒輪的安裝孔的深度就是行星齒輪在其軸上的支承長(zhǎng)度，通常取：L =1.1f 2 T0´

30、;103T0´103 Lf=1.1f =f= sc´nl 所以 1.1scnl 式中： T0差速器傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·m；在此取 3320.4N·m n行星齒輪的數(shù)目；在此為 4 ' l行星齒輪支承面中點(diǎn)至錐頂?shù)木嚯x，mm， l0.5d 2 ， d2 為半軸齒輪齒面寬中點(diǎn)處的直徑，而d2 0.8d2 ； sc支承面的許用擠壓應(yīng)力，在此取 69 MPa 根據(jù)上式 d2 =0.8*240=192mm l =0.5×192=96mm 3320*103 f=10.7L=1.1*10.7=11.8 1.1*69*4*96 差速器齒輪的幾何計(jì)算 7 表

31、 2 汽車(chē)差速器直齒錐齒輪的幾何尺寸計(jì)算用表 Tab.2 Calculating table of geometries of differential straight bevel gear 序號(hào) 項(xiàng)目 計(jì)算公式 計(jì)算結(jié)果 1 行星齒輪齒數(shù) z110，應(yīng)盡量取最小值 z1=36 2 半軸齒輪齒數(shù) z2=1425，且需滿足式（1-4） z2=60 3 模數(shù) m m=4mm 4 齒面寬 b=(0.250.30)A0;b10m 45mm 5 工作齒高 hg =1.6m hg =6.4mm 6 全齒高 h=m+1.2m 8.8 7 壓力角 a 22.5° 8 軸交角 å=90&#

32、176; 90 9 節(jié)圓直徑 d1 = mz1； d2 = mz2 d1=144 d2 = 240 10 節(jié)錐角 1 =30.98° 2=59.03° z1g1 = arctang2 = 90°-g1z2 序號(hào) 項(xiàng)目 計(jì)算公式 計(jì)算結(jié)果 21dd0A 續(xù)表2 11 節(jié)錐距 A0 =40mm 40 12 周節(jié) 13 齒頂高 14 齒根高 15 徑向間隙 16 齒根角 17 面錐角 18 根錐角 19 外圓直徑 節(jié)圓頂點(diǎn)至20 齒輪外緣距離 21 理論弧齒厚 t =3.1416m ha1 = hg -ha2 ; t =12.56mm éùê

33、;úhê0.430.37 úmha1=4.14mm ha2=2.25mm 22 齒側(cè)間隙 2sing12sing2 êç÷ úêëè z1 ø úû hf =1.2m 4.8 c=h-hg =0.188m+0.051 c=0.803mm harctan f 2d1 = A0 hf 2d2 = arctanA0 d1 = 4.32° d2=6.98° go1=35.28° a2 =ê+æ z2 ö2 

34、0;go1 =g1+d2；go2 =g2 +d1 go2=66.01° gR1=26.64° gR1 =g1-d1；gR2 =g2 -d2 do1 =d1+ 2ha1cosg1 d02 =d2 + 2ha2cosg2 d 01 =151mm d 2 = 242mm d 2c01 = -h1' sing12 d 1c02 = -h2' sing22 c01=151mm c02 =114mm s1 = t -s2 ts1=5.92 mm s2=6.63 mm s2 = -(h1' -h2' )tana-tm2 B =0.2450.330 mm B

35、 =0.250mm gR2=52.05° 3.2 差速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 差速器齒輪的尺寸受結(jié)構(gòu)限制，而且承受的載荷較大，它不像主減速器齒輪那樣經(jīng)常處于嚙合狀態(tài)，只有當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎或左右輪行駛不同的路程時(shí)，或一側(cè)車(chē)輪打滑而滑轉(zhuǎn)時(shí)，差速器齒輪才能有嚙合傳動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此對(duì)于差速 V 器齒輪主要應(yīng)進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核。輪齒彎曲強(qiáng)度sw為 2Tkks m 103sw =´ kmbd J v2 2 n (6) 式中：T 差速器一個(gè)行星齒輪傳給一個(gè)半軸齒輪的轉(zhuǎn)矩， 其計(jì)算式 T =T 0 ´0.6 n 在此T 為 498.06N·m； n差速器的行星齒輪數(shù)； z2半軸齒輪

36、齒數(shù)； Ks尺寸系數(shù)，反映材料的不均勻性，與齒輪尺寸和熱處理有關(guān)， m4Ks = 4Ks = 4 當(dāng)³ 1.6時(shí)， 25.4 ，在此 25.4 0.629 Km載荷分配系數(shù)，當(dāng)兩個(gè)齒輪均用騎馬式支承型式時(shí)，Km1.001.1；其他方式支承時(shí)取 1.101.25。支承剛度大時(shí)取最小值。 Kv 質(zhì)量系數(shù)，對(duì)于汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋齒輪，當(dāng)齒輪接觸良好，周節(jié)及徑向跳動(dòng)精度高時(shí)，可取 1.0; J 計(jì)算汽車(chē)差速器齒輪彎曲應(yīng)力用的綜合系數(shù)，由圖可查得J =0.225 彎曲計(jì)算用綜合系數(shù) 根據(jù)上式sw= =478.6MPa980 MPa 所以，差速器齒輪滿足彎曲強(qiáng)度要求。 3.3 差速器齒輪的材料 差速器齒

37、輪和主減速器齒輪一樣，基本上都是用滲碳合金鋼制造，目前用于制造差速器錐齒輪的材料為 20CrMnTi、20CrMoTi、22CrMnMo 和 20CrMo 等。由于差速器齒輪輪齒要求的精度較低，所以精鍛差速器齒輪工藝已被廣泛應(yīng)用。 4 驅(qū)動(dòng)半軸的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)半軸位于傳動(dòng)系的末端，其基本功用是接受從差速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩并將其傳給車(chē)輪。對(duì)于非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋，車(chē)輪傳動(dòng)裝置的主要零件為半軸；對(duì)于斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋，車(chē)輪傳動(dòng)裝置為萬(wàn)向傳動(dòng)裝置。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定半軸采用半浮式半軸結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)采用以突緣直接與車(chē)輪輪盤(pán)及制動(dòng)鼓相聯(lián)接 。 4.1 半浮式半軸桿部半徑的確定 半軸的主要尺寸是它的直徑，設(shè)計(jì)與計(jì)算

38、時(shí)首先應(yīng)合理地確定其計(jì)算載荷。半軸的計(jì)算應(yīng)考慮到以下三種可能的載荷工況： （1） 縱向力 X2 最大時(shí)(X2Z2j)，附著系數(shù)預(yù)取 0.8，沒(méi)有側(cè)向力作用； （2） 側(cè)向力 Y2 最大時(shí)，其最大值發(fā)生于側(cè)滑時(shí)，為 Z2j1中，側(cè)滑時(shí)輪胎與地面的側(cè)向附著系數(shù)j1，在計(jì)算中取 1.0，沒(méi)有縱向力作用； （3） 垂向力 Z2 最大時(shí)，這發(fā)生在汽車(chē)以可能的高速通過(guò)不平路面時(shí)，其值為(Z2-gw)kd，kd 是動(dòng)載荷系數(shù)，這時(shí)沒(méi)有縱向力和側(cè)向力的作用。 由于車(chē)輪承受的縱向力、側(cè)向力值的大小受車(chē)輪與地面最大附著力的限制，即 Z2j= X22 +Y22 故縱向力 X2 最大時(shí)不會(huì)有側(cè)向力作用，而側(cè)向力 Y2

39、 最大時(shí)也不會(huì)有縱向力作用。 參考文獻(xiàn)初步確定半軸直徑在 0.040m。 半浮式半軸設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如下三種載荷工況： （1）縱向力Fx2 最大，側(cè)向力Fy2為 0：此時(shí)垂向力Fz2 = m2' G2 /2，G2 取 10500N縱向力最大值Fx2 =Fx2j=m2' G2j/2，計(jì)算時(shí)m2' 可取 12，j取 08。得Fx2 =6300N Fy2=5040N 半軸彎曲應(yīng)力，和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力t為 ì32a Fx22 + Fz22ïïs =pd 3íï16Fx2rr ïît= pd 3 式中，a 為輪轂支承軸承到

40、車(chē)輪中心平面之間的距離，a 取 0.06m s=77.08Mpa t=199.63Mpa 22合成應(yīng)力s= +4 =406Mpa 側(cè)向力Fy2最大，縱向力Fx2 =0，此時(shí)意味著發(fā)生側(cè)滑：外輪上的垂直反力Fz2o 。(2)和內(nèi)輪上的垂直反力 FZ2i 分別為 hgFz20=G2 (0.5+ j1)B2 Fz2i=G2-Fz2o 式中，hg 為汽車(chē)質(zhì)心高度參考一般計(jì)算方法取 738.56mm；B2為輪距 B2=1430m j1為側(cè)滑附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)可取 1.0。外輪上側(cè)向力Fy2o和內(nèi)輪上側(cè)向力Fy2i 分別為 Fz20 =Fz2oj1 Fz2i =Fz2ij1 內(nèi)、外車(chē)輪上的總側(cè)向力 Fy2為

41、G2j1。這樣，外輪半軸的彎曲應(yīng)力d0 和內(nèi)輪半軸的彎曲應(yīng)力di 分別為 ì32(Fy2orr - Fz2oa)ïïs0 =pd 3íïïîsi = 32(Fy2pirdr +3 Fz2ia) s0 = 565.1mpa si =666.4 mpa (3)汽車(chē)通過(guò)不平路面，垂向力 Fz2 最大，縱向力Fx2 = 0，側(cè)向力Fy2=0：此時(shí)垂直 1力最大值 Fz2為：F 2 2 = kG r2 式中，是為動(dòng)載系數(shù)，轎車(chē)：k =1.75，貨車(chē)：k = 2.0，越野車(chē)：k = 2.5。 半軸彎曲應(yīng)力，為 32Fz2a 16kG2a

42、 87.7Mpa s= d3 = d3 =pp 故校核半徑取 0.04m 滿足合成應(yīng)力在 600mpa -750mpa 范圍。 4.2 半軸花鍵的強(qiáng)度計(jì)算 在計(jì)算半軸在承受最大轉(zhuǎn)矩時(shí)還應(yīng)該校核其花鍵的剪切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力。半軸花鍵的剪切應(yīng)力為 T´103ts =æçDB +dA ö÷zLpbf è4ø （7） 半軸花鍵的擠壓應(yīng)力為 T ´103sc = z × Lp ×j×(DB + d A )/4×(DB - d A )/2 （8） 式中 T半軸承受的最大轉(zhuǎn)矩，T=3320.

43、4Nm； DB 半軸花鍵(軸)外徑，DB =44mm； dA 相配的花鍵孔內(nèi)徑，dA =40mm； z花鍵齒數(shù)，在此取 20； Lp花鍵工作長(zhǎng)度，Lp=55mm； b花鍵齒寬，b=3.75 mm； j載荷分布的不均勻系數(shù)，取 0.75。 將數(shù)據(jù)代入式（7）、（8）得：tb =51.1Mpa sc =95.8 MPa 根據(jù)要求當(dāng)傳遞的轉(zhuǎn)矩最大時(shí)，半軸花鍵的切應(yīng)力ts 不應(yīng)超過(guò) 71.05 MPa，擠壓應(yīng)力sc 不應(yīng)超過(guò) 196 MPa，以上計(jì)算均滿足要求。 4.3 半軸其他主要參數(shù)的選擇 查閱資料得花鍵其他參數(shù)： 齒數(shù)：20 齒， 模數(shù)：1.5, 4.4 半軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料與熱處理 為了使半軸

44、的花鍵內(nèi)徑不小于其桿部直徑，常常將加工花鍵的端部做得粗些，并適當(dāng)?shù)販p小花鍵槽的深度，因此花鍵齒數(shù)必須相應(yīng)地增加，通常取 10 齒(轎車(chē)半軸)至 18 齒(載貨汽車(chē)半軸)。半軸的破壞形式多為扭轉(zhuǎn)疲勞破壞，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量增大各過(guò)渡部分的圓角半徑以減小應(yīng)力集中。重型車(chē)半軸的桿部較粗，外端突緣也很大，當(dāng)無(wú)較大鍛造設(shè)備時(shí)可采用兩端均為花鍵聯(lián)接的結(jié)構(gòu)，且取相同花鍵參數(shù)以簡(jiǎn)化工藝。在現(xiàn)代汽車(chē)半軸上，漸開(kāi)線花鍵用得較廣，但也有采用矩形或梯形花鍵的。 半軸多采用含鉻的中碳合金鋼制造，如 40Cr，40CrMnMo，40CrMnSi，40CrMoA，35CrMnSi，35CrMnTi 等。40MnB 是我

45、國(guó)研制出的新鋼種，作為半軸材料效果很好。半軸的熱處理過(guò)去都采用調(diào)質(zhì)處理的方法，調(diào)質(zhì)后要求桿部硬度為 HB388444(突緣部分可降至 HB248)。近年來(lái)采用高頻、中頻感應(yīng)淬火的口益增多。這種處理方 法使半軸表面淬硬達(dá) HRC5263，硬化層深約為其半徑的 13，心部硬度可定為 HRC30 35；不淬火區(qū)(突緣等)的硬度可定在 HB248277 范圍內(nèi)。由于硬化層本身的強(qiáng)度較高，加之在半軸表面形成大的殘余壓應(yīng)力，以及采用噴丸處理、滾壓半軸突緣根部過(guò)渡圓角等工藝，使半軸的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度大為提高，尤其是疲勞強(qiáng)度提高得十分顯著。由于這些先進(jìn)工藝的采用，不用合金鋼而采用中碳(40 號(hào)、45 號(hào))鋼的

46、半軸也日益增多。 5 離心鎖止機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 5.1 離心飛錘結(jié)構(gòu)形式的選擇 表3 飛錘結(jié)構(gòu)形式 Tab.3 The fly hammer structure 由上表可知，R801 型的飛錘具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械效率高等優(yōu)點(diǎn)，故選用此型號(hào) 8。 5.2 離心飛錘的設(shè)計(jì)與計(jì)算 5.2.1離心飛錘介入轉(zhuǎn)速的確定 當(dāng)車(chē)輪打滑時(shí)，比如一輪陷入泥坑或懸空時(shí)，動(dòng)力全傳遞給附著力較低的車(chē)輪。設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為每分鐘 5000 轉(zhuǎn)，變速器掛入一檔。則此時(shí)半軸齒輪的轉(zhuǎn)速為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比上一檔變速比與主減速比之積 5000(3.9*4.5) =285 r/m in 半軸齒輪與行星齒輪之比為 20:12 則可以求得應(yīng)使離心飛錘介入時(shí) 的行星齒輪轉(zhuǎn)速為 285*（20:12）=475 r/min 5.2.