摘 要汽車驅動橋是汽車的主要部件之一，其基本的功用是增大由傳動軸或直接由變速器傳來的轉矩，再將轉矩分配給左右驅動車輪，并使左右驅動車輪具有汽車行駛運動所要求的差速功能。汽車差速器位于驅動橋內(nèi)部，為滿足汽車轉彎時內(nèi)外側車輪或兩驅動橋直接以不同角度旋轉，并傳遞扭矩的需求，在傳遞扭矩時應能夠根據(jù)行駛的環(huán)境自動分配扭矩，提高了汽車通過性。其質(zhì)量，性能的好壞直接影響整車的安全性，經(jīng)濟性、舒適性、可靠性。隨著汽車技術的成熟，輕型車的不斷普及，人們根據(jù)差速器使用目的的不同，設計出多種類型差速器。與國外相比，我國的車用差速器開發(fā)設計不論在技術上，還是在成本控制上都存在不小的差距，尤其是目前興起的三維軟件設計方面，缺乏獨立開發(fā)與創(chuàng)新能力，這樣就造成設計手段落后，新產(chǎn)品上市周期慢，材料品質(zhì)和工藝加工水平也存在很多弱點。本文認真地分析了國內(nèi)外驅動橋中差速器設計的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，在論述汽車驅動橋的基本原理和運行機理的基礎上，提煉出了在差速器設計中應掌握的滿足汽車行駛的平順性和通過性、降噪技術的應用及零件的標準化、部件的通用化、產(chǎn)品的系列化等關鍵技術；闡述了汽車差速器的基本原理并進行了系統(tǒng)分析；根據(jù)經(jīng)濟、適用、舒適、安全可靠的設計原則和分析比較，確定了輕型車差速器總成及半軸的結構型式；輕型車差速器的結構設計強度計算運用了理論分析成果；最后運用CATIA軟件對汽車差速器進行建模設計，提升了設計水平，縮短了開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，設計完全合理，達到了預期的目標。關鍵詞 ： 驅動橋； 差速器； 半軸； 結構設計；AbstractAutomobile driving axle is one of the main components of cars, its basic function is increased by the transmission shaft or directly by coming from torque, again will torque distribution to drive wheels, and make about driving wheel has about vehicle movement required differential function. Auto differential drive to meet internal, located in car wheel or when turning inside and outside two axles directly with different point of view, and transfer the rotating torque transmission torque in demand, according to the environment should be driving torque, improve the automatic assignment car through sex. Its quality, performance will have a direct impact on the security of the vehicle, economy, comfort and reliability.As car technology maturity, the increasing popularity of small, people of different purposes according to differential, the design gives a variety of types differential. Compared with foreign countries, China's automotive differential development design whether in technology, or in the cost control there are large gap, especially at present the rise of 3d software design, lack of independent development and innovation ability, thus causing design means backward, new products listed cycle slow, materials quality and craft processing level also has many weaknesses.This paper conscientiously analyzes the differential drive axle design at home and abroad in the present situation and development trend of automobile driven axle, this basic principle and operation mechanism, carry on the basis of the differential practiced a meet the design should be mastered in smooth and automobile driving through sexual, noise reduction technology application and parts of standardization, parts of generalization, serialization of products, and other key technology; Expounds the basic principle and automotive differential system analysis; According to economic, applicable, comfortable, safe and reliable design principles and analysis comparison, determine the small differential assembly and half shaft structure type; Small differential structure design strength calculation using theoretical analysis results; Finally using CATIA software modeling design of automotive differential, promoted design level, shorten the development cycle, improve the product quality, design completely reasonable, can achieve the desired goals.Key words： Differential mechanism； Differential gear； Planetary gear； Semiaxis；畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日目 錄1 緒 論11.1 我國汽車驅動橋的現(xiàn)狀分析11.2 我國汽車零部件的發(fā)展趨勢21.3 本文研究主要內(nèi)容22 汽車驅動橋的總體結構與差速器分類32.1 汽車驅動橋的總體結構及原理簡介32.2 汽車驅動橋的設計要求52.3 差速器的組成與工作原理52.4 差速器的分類62.4.1 對稱錐齒輪式差速器72.4.2 滑塊凸輪式差速器102.4.3 蝸輪式差速器112.4.4 牙嵌式自由輪差速器113 普通圓錐齒輪式差速器設計133.1 普通圓錐齒輪式差速器的差速原理133.2 普通圓錐齒輪式差速器的結構143.3 普通圓錐齒輪式差速器的設計和計算143.3.1 行星齒輪數(shù)目的選擇153.3.2 行星齒輪球面半徑的確定153.3.3 行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)選擇173.3.4 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173.3.5 壓力角183.3.6 行星齒輪安裝孔的直徑及其深度183.3.7 差速器齒輪的幾何計算193.3.8 差速器齒輪的強度計算213.4 差速器的材料223.5 差速器殼體設計223.5.1 差速器殼參數(shù)設計234 半軸的設計254.1 結構形式分析254.2 半浮式半軸桿部半徑的確定254.3 半軸花鍵設計274.3.1 半軸的工作條件和性能要求294.3.2 選擇用鋼294.3.3 熱處理工藝分析305 基于CATIA的差速器建模315.1 CATIA軟件的介紹315.2 CATIA V5版本和應用領域介紹315.2.1 CATIA V5版本特點315.2.2 CATIA V5應用領域325.4 差速器的建模335.4.1 差速器零件建模345.4.2 差速器的裝配38總 結39參考文獻40致 謝41411 緒 論自改革開放以來我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，成為了我國的支柱產(chǎn)業(yè)。與之配套的汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)更是像雨后春筍一樣不斷涌現(xiàn)，呈現(xiàn)出欣欣向榮的境象，但與發(fā)達國家相比規(guī)模小，生產(chǎn)效率低、技術都較落后。缺乏自己的核心技術，缺乏創(chuàng)新能力，在國際競爭中還沒有任何優(yōu)勢可言，因此，我國汽車及汽車零部件企業(yè)必須加快步伐，自主創(chuàng)新，積極迎接挑戰(zhàn)，不斷提升產(chǎn)品技術含量，努力提高生產(chǎn)管理水平，降低產(chǎn)品制造成本，走出強企之路。1.1 我國汽車驅動橋的現(xiàn)狀分析汽車驅動橋是汽車的主要部件之一，其質(zhì)量、性能的好壞直接影響整車的安全性、經(jīng)濟性、舒適性，雖然我國車橋制造企業(yè)眾多，但與國外相比差距較大，沒有形成自已的核心競爭力，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）技術含量較低我國汽車車橋制造企業(yè)除少數(shù)企業(yè)規(guī)模較大外，普遍規(guī)模較小，生產(chǎn)能力強弱不均，技術力量參差不齊。不論是大中型企業(yè)還是小型企業(yè)其產(chǎn)品設計水平和工藝制造水平都相對落后，產(chǎn)品不能很好地與整車相匹配，不能完全滿足使用要求。2）開發(fā)模式落后我國汽車車橋制造企業(yè)的開發(fā)模式主要由測繪、引進、自主開發(fā)三種組成。在中小企業(yè)中，測繪市場銷路較好的產(chǎn)品是它們的主要開發(fā)模式。特別是一些小型企業(yè)或民營企業(yè)。這些企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量與原配套企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品相比其質(zhì)量較差，容易發(fā)生故障，嚴重時會引起車毀人亡的重大事故。3）技術創(chuàng)新能力不夠我國汽車零部件企業(yè)長期沒有重視技術創(chuàng)新能力，大中型企業(yè)普遍存在技術引進經(jīng)費占技術開發(fā)經(jīng)費的比例較高的問題。多數(shù)車橋企業(yè)對引進的技術只停留在消化階段，尤其對軟件消化吸收的速度很慢，對引進的硬件設備只停留在使用上。4）CAD應用落后計算機輔助設計(CAD：Computer Aided Design)技術一般指以計算機作為輔助工具的各種應用技術，是以計算機外圍設備及其系統(tǒng)軟件為基礎，包括二維繪圖設計、三維幾何造型設計、有限元分析(FEA)及優(yōu)化設計、數(shù)控加工編程(NCP)、仿真模擬及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)等內(nèi)容。汽車工業(yè)是最先用CAD技術的行業(yè)之一，目前在發(fā)達國家的汽車行業(yè)中，CAD技術已得到了普遍應用，并取得了巨大的經(jīng)濟效益，新的轎車產(chǎn)品的開發(fā)周期已縮短至23年，汽車CAD系統(tǒng)的軟硬件都已達到較高水平，并仍在向智能化，集成化和標準化的方向發(fā)展。然而，我國汽車零部件企業(yè)的CAD應用大部分只是停留在計算機繪圖階段，產(chǎn)品設計還局限于幾何尺寸設計。在產(chǎn)品設計過程中，計算機技術、先進軟件及在三維建模的基礎上對汽車車橋的有限元分析、動態(tài)仿真還極為落后。從某些方面來說這成了制約企業(yè)快速發(fā)展的主要因素。因此，CADCAMCAEPDM的應用就顯得尤為重要。1.2 我國汽車零部件的發(fā)展趨勢隨著電子計算機的出現(xiàn)和在工程設計中的應用，使汽車零部件設計技術飛躍發(fā)展，設計過程將完全改觀。汽車零部件結構參數(shù)及陛能參數(shù)等的優(yōu)化選擇與匹配，強度核算與壽命預測，產(chǎn)品有關方而的模擬計算或仿真分析、設計方案的選擇及定型，設計圖紙的繪制均可在計算機上進行。采用電子計算機作分析計算手段，由于其計算速度很快且數(shù)據(jù)容量很大，就可采用較為準確的多自由度的數(shù)學模型來模擬汽車零部件在各種工況下的運動，采用現(xiàn)代先進的數(shù)學方法進行分析，可取得較準確的結果，這就為設計人員分析各種方案和進行創(chuàng)造性的工作提供了很大的方便。今后CAD將與CAM、CAT(Computer Aided Test，計算機輔助測試)結合成CADMAT系統(tǒng)，更將顯示出其巨大的作用。我國在驅動橋的開發(fā)水平上與國外同類企業(yè)相比還比較落后，不適應新的發(fā)展，計算機輔助設計只局限于二維制圖，對所設計的產(chǎn)品不能進行建模和CAE分析，致使產(chǎn)品設計風險大，成本高，效率低。1.3 本文研究主要內(nèi)容(1)分析驅動橋國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，分析驅動橋的基本原理及運行機理提煉出驅動橋設計的關鍵技術；(2)根據(jù)經(jīng)濟、適用、舒適、安全、可靠的設計原則和分析比較，確定輕型車驅動橋的差速器及半軸的結構型式，并且對其差速器的主、從齒進行詳細設計和強度校核以滿足強度和降噪要求。(3)運用CATIA軟件對驅動橋的差速器及半軸進行建模分析，并驗證差速器設計的合理性。2 汽車驅動橋的總體結構與差速器分類2.1 汽車驅動橋的總體結構及原理簡介汽車的驅動后橋位于傳動系的末端1，其基本功用是增大由傳動軸或直接由變速器傳來的轉矩，再將轉矩分配給左、右驅動車輪，并使左、右驅動車輪具有汽車行駛運動所要求的差速功能；同時，驅動后橋還要承受作用于路面和車架或承載車身之間的鉛垂力、縱向力、橫向力及其力矩。一般的驅動后橋由主減速器總成，差速器總成，橋殼總成及半軸總成等零部件組成，如圖2-1所示。圖2-1 汽車后橋示意圖1-主減速前軸承；2-主動齒輪；3-主減速器后軸承；4一差速器；5-行星、半軸齒輪副6-半軸；7-制動器及制動鼓；8-半軸軸承；9-橋殼；10一差速器軸承：11一從動齒輪12一主減速器殼：13一凸緣驅動橋的結構型式與驅動車輪的懸架結構型式密切相關。當車輪采用非獨立懸架時，采用的非斷開式(整體式)驅動橋。普通的非斷開式驅動后橋的橋殼相當于一根聯(lián)接左、右驅動車輪的剛性空心梁，而主減速器，差速器及半軸都裝在其中。非斷開式驅動后橋的橋殼多采用整體式(如沖焊結構，鑄造結構)，也可以采用可分式的，但由于后者在維修，調(diào)整主減速器時拆裝的不便，故已很少采用。有些汽車為了提高其行駛平順性，舒適性而采用獨立懸架時，則采用斷開式驅動橋。這種驅動橋無剛性整體橋殼，如德國梅賽德斯奔馳200型轎車，左、右兩段橋殼僅由一銷軸相聯(lián)，且僅有一側的半軸為分段式的，可相對的主減速器做上、下擺動和雙鉸節(jié)式，如德國Audi 80 Quattro的后驅動橋左、右兩半軸均可相對主減速器做上、下擺動。汽車傳動系的總任務是傳遞發(fā)動機的動力，并使之適應于汽車行駛的需要。在一般汽車的機械式傳動中，有了變速器還不能完全解決發(fā)動機特性與汽車行駛需求間的矛盾和結構布置上的問題。首先是因為絕大多數(shù)的發(fā)動機在汽車上是縱向安置的，為使其轉矩能傳動給左、右驅動輪，必須由驅動橋的主減速器改變轉矩的傳遞方向，同時還得由驅動橋的差速器來解決左、右驅動車輪的差速要求及轉矩分配問題。其次是因為變速器的主要任務僅在于通過選擇適應的排擋數(shù)目及各擋傳動比，以使內(nèi)燃機的轉矩一轉速特性能適應汽車在各種行駛阻力下對動力性和燃料經(jīng)濟性要求，而驅動橋主減速器(有時還有輪邊減速器)的功用則在于當變速器處于最高擋位(通常為直接擋，有時還有超速擋)時，使汽車有足夠的牽引力，適當?shù)淖罡哕囁俸土己玫娜剂辖?jīng)濟性，為此，需將經(jīng)過變速器、傳動軸傳來的動力，通過驅動橋的主減速器作進一步增大轉矩，降低轉速的變化。困此，為了使汽車傳動系設計得合理，首先必須選擇好傳動系的傳動比，并恰當?shù)貙⑵浞峙浣o變速成器和驅動橋。當變速器處于直接擋位時，汽車的動力性及燃料經(jīng)濟性主要取決于主減速器比。在汽車的總布置設計時，應根據(jù)汽車的工作條件及發(fā)動機、傳動系、輪胎等的有關參數(shù)，選擇合適的主減速比來保證汽車具有良好的動力性和燃料經(jīng)濟性。采用優(yōu)化設計方法使傳動系各傳動比與發(fā)動性能參數(shù)作最佳匹配，可得到最佳效果。汽車在行駛過程中所遇到的道路情況是千變?nèi)f化的，此外，汽車本身在空、滿載之間軸負荷變化非常大，為了擴大汽車對這些不同使用條件的適用范圍，除了常見的具有唯一固定主減速比的單速主減速器外，在某些重型汽車上有時將主減速做成雙速的。雙速主減速器具有兩個固定的主減比，并可根據(jù)汽車行駛條件來選擇檔位。最簡單常見的是由一對螺旋錐齒輪或雙曲齒輪組成的單級減速器。在大型汽車上，為了得到大的主減速器比同時又不減小離地間隙，常采用另加一對斜齒(或人字形齒)圓柱齒輪或行星輪系的雙級主減速器的方法。有的重型汽車為了進一步增大驅動橋的減速比還增設了輪邊減速器。微型汽車驅動橋采用的是雙曲面齒輪。當汽車轉彎或在不平路面上行駛時，左、右車輪在同一時間內(nèi)所滾過的行程是不相等的，因此其轉速也應不同2。另外，即使汽車在平坦路面上直線行駛左、右輪行程相同，但有時也會由于輪胎外徑的制造誤差，輪胎磨損程度，輪胎氣壓或輪胎負荷的不同，而引起它們的滾動半徑不相等，導致轉速也不相同。因此，要求驅動橋在傳遞轉矩給左、右驅動車輪的同時，能使它們以適應上述運動系要求的不同角速度旋轉。這一要求是由差速器來實現(xiàn)的。簡單的對稱式圓錐行星齒輪差速器，由于其結構簡單，工作平穩(wěn)可靠，在各種汽車上都得到了廣泛的應用，微型車驅動橋就是采用的該種差速器。如果不計其不大的內(nèi)摩擦，則這種差速器是將轉矩平均地分配到左、右半軸上，因此，裝用這種簡單的對稱式圓錐行星齒輪差速器的汽車，當左、右驅動車輪與道路的附著系數(shù)不同是一個驅動車輪滑轉而失去牽引力時，另一個附著驅動車輪也得喪失牽引功能?，F(xiàn)在有些汽車生產(chǎn)廠家為了提高汽車的通過性，增加其產(chǎn)品競爭能力，采用差速鎖將左、右半軸鎖在一起，或采用具有高摩擦副的凸輪式，蝸輪式和帶有摩擦片的齒輪式以及自動輪式等自鎖式差速器，以便使驅動橋的轉矩盡可能多地傳給不滑轉的驅動車輪，以充分利用這一驅動車輪的附著力來產(chǎn)生足夠的牽引力，使汽車能夠繼續(xù)行駛。在普通的驅動橋上，如果驅動車輪不是轉向輪，則車輪直接由聯(lián)接差速器和輪轂的半軸來驅動。這時，半軸由于其外端支承的不同而承受不同的載荷。根據(jù)所承受載荷的不同半軸分為全浮式、半浮式和34浮式三種。全浮式半軸的外端和用兩個軸承支承于橋殼上的輪轂相聯(lián)。由于引起彎矩的所有載荷都經(jīng)過這些軸承傳遞，因此半軸只承受轉矩，但實際上由于加工精度及裝配精度的影響及橋殼、軸承等的支承剛度不足等原因，使全浮式半軸在使用條件下仍可能承受不大的、可忽略不計的彎矩。具有全浮式半軸的外端支承在位于橋殼內(nèi)的軸承上。因此，它不僅承受轉矩，而且承受作用車輪與路面間的鉛垂力、縱向力、橫向力所引起的彎矩。34浮式半軸的支承關系與全浮式是一樣的，只是輪轂用個軸承支承在橋殼上，這時由于輪轂的支承剛度較差，因此半軸不僅承受轉矩，而且承受部份彎矩。微型車后橋采用半浮式半軸。驅動橋不僅是汽車的動力傳遞機構，而且也是汽車的行使機構，還起著支承汽車荷重的作用。2.2 汽車驅動橋的設計要求驅動橋是汽車傳動系統(tǒng)中主要總成之一。驅動橋的設計是否合理直接關系到汽車使用性能的好環(huán)。因此，設計中要保證：所選擇的主減速比應保證汽車在給定使用條件下有最佳的動力性能和燃料經(jīng)濟性：(1)當左、右兩車輪的附著系數(shù)不同時，驅動橋必須能合理的解決左右車輪的轉矩分配問題，以充分利用汽車的牽引力；(2)具有必要的離地間隙以滿足通過性的要求：(3)驅動橋的各零部件在滿足足夠的強度和剛度的條件下，應力求做到質(zhì)量輕，特別是應盡可能做到非簧載質(zhì)量，以改善汽車的行駛平順性；(4)能承受和傳遞作用于車輪上的各種力和轉矩：(5) 齒輪及其它傳動部件應工作平穩(wěn)，噪聲?。?6)對傳動件應進行良好的潤滑，傳動效率要高；(7)結構簡單，拆裝調(diào)整方便：(8)設計中應盡量滿足“三化”。即產(chǎn)品系列化、零部件通用化、零件設計標準化的要求。2.3 差速器的組成與工作原理普通差速器由行星齒輪、行星輪架（差速器殼）、半軸齒輪等零件組成3。發(fā)動機的動力經(jīng)傳動軸進入差速器，直接驅動行星輪架，再由行星輪帶動左、右兩條半軸，分別驅動左、右車輪。差速器的設計要求滿足：（左半軸轉速）+（右半軸轉速）=2（行星輪架轉速）。當汽車直行時，左、右車輪與行星輪架三者的轉速相等處于平衡狀態(tài)，而在汽車轉彎時三者平衡狀態(tài)被破壞，導致內(nèi)側輪轉速減小，外側輪轉速增加。 汽車在行駛過程中左，右車輪在同一時間內(nèi)所滾過的路程往往不等。當轉彎時，由于外側輪有滑拖的現(xiàn)象，內(nèi)側輪有滑轉的現(xiàn)象，兩個驅動輪此時就會產(chǎn)生兩個方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然導致兩邊車輪的轉速不同，從而破壞了三者的平衡關系，并通過半軸反映到半軸齒輪上，迫使行星齒輪產(chǎn)生自轉，使外側半軸轉速加快，內(nèi)側半軸轉速減慢，從而實現(xiàn)兩邊車輪轉速的差異，提高車子的通過性。驅動橋兩側的驅動輪若用一根整軸剛性連接，則兩輪只能以相同的角度旋轉。這樣，當汽車轉向行駛時，由于外側車輪要比內(nèi)側車輪移過的距離大，將使外側車輪在滾動的同時產(chǎn)生滑拖，而內(nèi)側車輪在滾動的同時產(chǎn)生滑轉。即使是汽車直線行駛，也會因路面不平或雖然路面平直但輪胎滾動半徑不等（輪胎制造誤差、磨損不同、受載不均或氣壓不等）而引起車輪的滑動。車輪滑動時不僅加劇輪胎磨損、增加功率和燃料消耗，還會使汽車轉向困難、制動性能變差。為使車輪盡可能不發(fā)生滑動，在結構上必須保證各車輪能以不同的角度轉動。差速器的這種調(diào)整是自動的，這里涉及到“最小能耗原理”，也就是地球上所有物體都傾向于耗能最小的狀態(tài)。例如把一粒豆子放進一個碗內(nèi)，豆子會自動停留在碗底而絕不會停留在碗壁，因為碗底是能量最低的位置（位能），它自動選擇靜止（動能最?。┒粫粩噙\動。同樣的道理，車輪在轉彎時也會自動趨向能耗最低的狀態(tài)，自動地按照轉彎半徑調(diào)整左右輪的轉速。差速器用來在兩輸出軸間分配轉矩，并保證兩輸出軸有可能以不同的角速度轉動，差速器構造有多種形式。2.4 差速器的分類差速器結構形式有多種，它分為對稱錐齒輪式差速器，滑塊凸輪式差速器，渦輪式差速器，對稱錐齒輪式差速器又可分為普通錐齒輪式差速器、 摩擦片式差速器和強制鎖止式差速器。普通齒輪式差速器的傳動機構為齒輪式，齒輪差速器要圓錐齒輪式和圓柱齒輪式兩種，汽車上廣泛采用的差速器為對稱錐齒輪式差速器，具有結構簡單、質(zhì)量較小等優(yōu)點，應用廣泛。強制鎖止式差速器就是在對稱式錐齒輪差速器上設置差速鎖。當一側驅動輪滑轉時，可利用差速鎖使差速器不起差速作用。差速鎖在軍用汽車上應用較廣。普通的對稱式圓錐行星齒輪差速器由差速器左、右殼，2個半軸齒輪，4個行星 齒輪(少數(shù)汽車采用3個行星齒輪，小型、微型汽車多采用2個行星齒輪)，行星齒輪 軸(不少裝4個行星齒輪的差逮器采用十字軸結構)，半軸齒輪及行星齒輪墊片等組成。由于其結構簡單、工作平穩(wěn)、制造方便、用在公路汽車上也很可靠等優(yōu)點，最廣泛地用在轎車、客車和各種公路用載貨汽車上。2.4.1 對稱錐齒輪式差速器汽車上廣泛采用的差速器為對稱錐齒輪式差速器，具有結構簡單、質(zhì)量較小等優(yōu)點，應用廣泛。他又可分為普通錐齒輪式差速器、摩擦片式差速器和強制鎖止式差速器等1)普通錐齒輪式差速器由于普通錐齒輪式差速器結構簡單、工作平穩(wěn)可靠，所以廣泛應用于一般使用條件的汽車驅動橋中。圖2-2為其示意圖，圖中為差速器殼的角速度；、分別為左、右兩半軸的角速度；為差速器殼接受的轉矩；為差速器的內(nèi)摩擦力矩；、分別為左、右兩半軸對差速器的反轉矩。圖2-2 差速器工作示意圖根據(jù)運動分析可得 (2-1)顯然，當一側半軸不轉時，另一側半軸將以兩倍的差速器殼體角速度旋轉；當差速器殼體不轉時，左右半軸將等速反向旋轉。根據(jù)力矩平衡可得 (2-2)差速器性能常以鎖緊系數(shù)k是來表征，定義為差速器的內(nèi)摩擦力矩與差速器殼接受的轉矩之比，由下式確定 (2-3)結合式(22)可得 (2-4)定義快慢轉半軸的轉矩比kb=T2/T1,則kb與k之間有 ; (2-5)普通錐齒輪差速器的鎖緊系數(shù)是;一般為005015，兩半軸轉矩比kb=111135，這說明左、右半軸的轉矩差別不大，故可以認為分配給兩半軸的轉矩大致相等，這樣的分配比例對于在良好路面上行駛的汽車來說是合適的。但當汽車越野行駛或在泥濘、冰雪路面上行駛，一側驅動車輪與地面的附著系數(shù)很小時，盡管另一側車輪與地面有良好的附著，其驅動轉矩也不得不隨附著系數(shù)小的一側同樣地減小，無法發(fā)揮潛在牽引力，以致汽車停駛。2)摩擦片式差速器為了增加差速器的內(nèi)摩擦力矩，在半軸齒輪7與差速器殼1之間裝上了摩擦片2(圖23)。兩根行星齒輪軸5互相垂直，軸的兩端制成V形面4與差速器殼孔上的V形面相配，兩個行星齒輪軸5的V形面是反向安裝的。每個半軸齒輪背面有壓盤3和主、從動摩擦片2，主、從動摩擦片2分別經(jīng)花鍵與差速器殼1和壓盤3相連。當傳遞轉矩時，差速器殼通過斜面對行星齒輪軸產(chǎn)生沿行星齒輪軸線方向的軸向力，該軸向力推動行星齒輪使壓盤將摩擦片壓緊。當左、右半軸轉速不等時，主、從動摩擦片間產(chǎn)生相對滑轉，從而產(chǎn)生摩擦力矩。此摩擦力矩Tr，與差速器所傳遞的轉矩丁。成正比，可表示為示為 (2-6)式中，為摩擦片平均摩擦半徑；為差速器殼V形面中點到半軸齒輪中心線的距離；為摩擦因數(shù)；為摩擦面數(shù)；為V形面的半角。摩擦片式差速器的鎖緊系數(shù)可達0.6，可取4。這種差速器結構簡單，工作平穩(wěn)，可明顯提高汽車通過性。3）強制鎖止式差速器當一個驅動輪處于附著系數(shù)較小的路面時，可通過液壓或氣動操縱，嚙合接合器(即差速鎖)將差速器殼與半軸鎖緊在一起，使差速器不起作用，這樣可充分利用地面的附著系數(shù)，使牽對于裝有強制鎖止式差速器的42型汽車，假設一驅動輪行駛在低附著系數(shù)甲的路面上，另一驅動輪行駛在高附著系數(shù)的路面上，這樣裝有普通錐齒輪差速器的汽車所能發(fā)揮的最大牽引力為 (2-7)式中，為驅動橋上的負荷。如果差速器完全鎖住，則汽車所能發(fā)揮的最大牽引力為 (2-8)可見，采用差速鎖將普通錐齒輪差速器鎖住，可使汽車的牽引力提高倍，從而提高了汽車通過性。當然，如果左、右車輪都處于低附著系數(shù)的路面，雖鎖住差速器，但牽引力仍超過車輪與地面間的附著力，汽車也無法行駛。強制鎖止式差速器可充分利用原差速器結構，其結構簡單，操作方便。目前，許多使用范圍比較廣的重型貨車上都裝用差速鎖。2.4.2 滑塊凸輪式差速器圖24為雙排徑向滑塊凸輪式差速器。差速器的主動件是與差速器殼1連接在一起的套，套上有兩排徑向孔，滑塊2裝于孔中并可作徑向滑動?；瑝K兩端分別與差速器的從動元件內(nèi)凸輪4和外凸輪3接觸。內(nèi)、外凸輪分別與左、右半軸用花鍵連接。當差速器傳遞動力時，主動套帶動滑塊并通過滑塊帶動內(nèi)、外凸輪旋轉，同時允許內(nèi)、外凸輪轉速不等。理論上凸輪形線應是阿基米德螺線，為加工簡單起見，可用圓弧曲線代替。 滑塊凸輪式差速器址一種高摩擦自鎖差速器，其結構緊湊、質(zhì)量小。但其結構較復雜，對零件材料、機械加工、熱處耶、化學處理等方面均有較高的技術要求。2.4.3 蝸輪式差速器蝸輪式差速器(圖25)也是一種高摩擦自鎖差速器。蝸桿2、4同時與行星蝸輪3與半軸蝸輪1、5嚙合，從而組成一行星齒輪系統(tǒng)。這種差速器半軸的轉矩比為 (2-9)式中，為蝸桿螺旋角；為摩擦角。 蝸輪式差速器的半軸轉矩比可高達567900，鎖緊系數(shù)是達0708。但在如此高的內(nèi)摩擦情況下，差速器磨損快、壽命短。當把降到265300，降到045050時，可提高該差速器的使用壽命。由于這種差速器結構復雜，制造精度要求高，因而限制了它的應用。2.4.4 牙嵌式自由輪差速器牙嵌式自由輪差速器(圖2-6)是自鎖式差速器的一種。裝有這種差速器的汽車在直線行駛時，主動環(huán)可將由主減速器傳來的轉矩按左、右輪阻力的大小分配給左、右從動環(huán)(即左、右半軸)。當一側車輪懸空或進入泥濘、冰雪等路面時，主動環(huán)的轉矩可全部或大部分分配給另一側車輪。當轉彎行駛時，外側車輪有快轉的趨勢，使外側從動環(huán)與主動環(huán)脫開，即中斷對外輪的轉矩傳遞；內(nèi)側車輪有慢轉的趨勢，使內(nèi)側從動環(huán)與主動環(huán)壓得更緊，即主動環(huán)轉矩全部傳給內(nèi)輪。由于該差速器在轉彎時是內(nèi)輪單邊傳動，會引起轉向沉重，當拖帶掛車時尤為突出。此外，由于左、右車輪的轉矩時斷時續(xù)，車輪傳動裝置受的動載荷較大，單邊傳動也使其受較大的載荷。 牙嵌式自由輪差速器的半軸轉矩比是可變的，最大可為無窮大。該差速器工作可靠，使用壽命長，鎖緊性能穩(wěn)定，制造加工也不復雜。3 普通圓錐齒輪式差速器設計汽車在行駛過程中左，右車輪在同一時間內(nèi)所滾過的路程往往不等，例如，轉彎時內(nèi)、外兩側車輪行程顯然不同，即外側車輪滾過的距離大于內(nèi)側的車輪；由于路面波形不同也會造成兩側車輪滾過的路程不等；即使在平直路面上行駛，由于輪胎氣壓、輪胎負荷、胎面磨損程度不同以及制造誤差等因素的影響，也會引起左、右車輪因滾動半徑的不同而使左、右車輪行程不等。如果驅動橋的左、右車輪剛性連接，則行駛時不可避免地會產(chǎn)生驅動輪在路面上的滑移或滑轉。這不僅會加劇輪胎的磨損與功率和燃料的消耗，而且可能導致轉向和操縱性能惡化。為了防止這些現(xiàn)象的發(fā)生，汽車左、右驅動輪間都裝有輪間差速器，從而保證了驅動橋兩側車輪在行程不等時具有不同的旋轉角速度，滿足了汽車行駛運動學要求。差速器用來在兩輸出軸間分配轉矩，并保證兩輸出軸有可能以不同的角速度轉動。差速器有多種形式，在此設計普通對稱式圓錐行星齒輪差速器。3.1 普通圓錐齒輪式差速器的差速原理6圖3-1 差速器差速原理 如圖3-1所示，對稱式錐齒輪差速器是一種行星齒輪機構。差速器殼3與行星齒輪軸5連成一體，形成行星架。因為它又與主減速器從動齒輪6固連在一起，固為主動件，設其角速度為w0；半軸齒輪1和2為從動件，其角速度為和。A、B兩點分別為行星齒輪4與半軸齒輪1和2的嚙合點。行星齒輪的中心點為C，A、B、C三點到差速器旋轉軸線的距離均為。當行星齒輪只是隨同行星架繞差速器旋轉軸線公轉時，顯然，處在同一半徑上的A、B、C三點的圓周速度都相等（圖3-1），其值為。于是,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。當行星齒輪4除公轉外，還繞本身的軸5以角速度自轉時，嚙合點A的圓周速度為，嚙合點B的圓周速度為，于是 （3-1）即 （3-2） 若角速度以每分鐘轉數(shù)表示，則 （3-3）式（3-3）為兩半軸齒輪直徑相等的對稱式圓錐齒輪差速器的運動特征方程式，它表明左右兩側半軸齒輪的轉速之和等于差速器殼轉速的兩倍，而與行星齒輪轉速無關。因此在汽車轉彎行駛或其它行駛情況下，都可以借行星齒輪以相應轉速自轉，使兩側驅動車輪以不同轉速在地面上滾動而無滑動。有式（3-3）還可以得知：當任何一側半軸齒輪的轉速為零時，另一側半軸齒輪的轉速為差速器殼轉速的兩倍；當差速器殼的轉速為零（例如中央制動器制動傳動軸時），若一側半軸齒輪受其它外來力矩而轉動，則另一側半軸齒輪即以相同的轉速反向轉動。3.2 普通圓錐齒輪式差速器的結構普通的對稱式圓錐齒輪差速器由差速器左右殼，兩個半軸齒輪，四個行星齒輪，行星齒輪軸，半軸齒輪墊片及行星齒輪墊片等組成7。如圖3-2所示。由于其具有結構簡單、工作平穩(wěn)、制造方便、用于公路汽車上也很可靠等優(yōu)點，故廣泛用于各類車輛上。圖3-2 普通圓錐齒輪式差速器1-軸承；2-差速器左殼；3-鎖止墊片；4-半軸齒輪；5行星齒輪墊片； 6-行星齒輪；7-減速器齒輪； 8-差速器右殼；9-十字軸；10-螺栓3.3 普通圓錐齒輪式差速器的設計和計算由于在差速器殼上裝著主減速器從動齒輪，所以在確定主減速器從動齒輪尺寸時，應考慮差速器的安裝。差速器的輪廓尺寸也受到主減速器從動齒輪軸承支承座及主動齒輪導向軸承座的限制。本設計中選擇的汽車基本參數(shù)如下表3-1所示：表3-1 汽車的基本參數(shù)參數(shù)名稱數(shù)值單位汽車布置方式前置后驅總長4320mm寬1750mm軸距2620mm前輪距1455mm后輪距1430mm整備質(zhì)量1480kg總質(zhì)量2100kg發(fā)動機型式汽油直列四缸排量1.6L最大功率76.0/5200KW最大轉矩158/4000NM壓縮比8.7:1離合器摩擦式離合器變速器檔數(shù)五檔手動輪胎類型與規(guī)格185R14km/h轉向器液壓助力轉向前輪制動器盤后輪制動器鼓前懸架類型雙叉骨獨立懸架后懸架類型螺旋彈簧最高車速140km/h3.3.1 行星齒輪數(shù)目的選擇行星齒輪數(shù)n需根據(jù)承載情況來選擇，在承載不大的情況下n可以取兩個，由于輕型轎車的承載較小，因此，采用2個行星齒輪。3.3.2 行星齒輪球面半徑的確定 圓錐行星齒輪差速器的結構尺寸，通常取決于行星齒輪的背面的球面半徑，它就是行星齒輪的安裝尺寸，實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度。 球面半徑可按如下的經(jīng)驗公式確定： mm (3-4) 式中：行星齒輪球面半徑系數(shù)，可取2.522.99，對于有2個行星齒輪的輕型汽車取大值，=2.99； 計算轉矩，取和的較小值，計算轉矩的計算 （3-5） 式中車輪的滾動半徑， =0.398m 變速器量高檔傳動比, =1根據(jù)所選定的主減速比值，就可基本上確定主減速器的減速型式（單級、雙級等以及是否需要輪邊減速器），并使之與汽車總布置所要求的離地間隙相適應。把=5200r/n , =140km/h , =0.398m , =1代入（3-5）計算出 =5.91從動錐齒輪計算轉矩 （3-6） 式中：計算轉矩，Nm；發(fā)動機最大轉矩； =158 計算驅動橋數(shù)，=1；變速器傳動比，=3.704；主減速器傳動比，=5.91；變速器傳動效率，=0.96；液力變矩器變矩系數(shù)，=1；由于猛接離合器而產(chǎn)生的動載系數(shù)，=1；變速器最低擋傳動比，=1；代入式（4-6），有： =3320.4 Nm主動錐齒輪計算轉矩=896.4Nm根據(jù)上式=2.99=44.6mm （3-7） 所以預選其節(jié)錐距=43mm3.3.3 行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)選擇為了獲得較大的模數(shù)從而使齒輪有較高的強度，應使行星齒輪的齒數(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)汽車的半軸齒輪與行星齒輪的齒數(shù)比/在1.52.0的范圍內(nèi)。 差速器的各個行星齒輪與兩個半軸齒輪是同時嚙合的，因此，在確定這兩種齒輪齒數(shù)時，應考慮它們之間的裝配關系，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)，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圍，否則，差速器將無法安裝，即應滿足的安裝條件為： (3-8) 式中：，左右半軸齒輪的齒數(shù)，對于對稱式圓錐齒輪差速器來說，= 行星齒輪數(shù)目； 任意整數(shù)。在此=12，=18，滿足以上要求。3.3.4 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， =33.69° （3-9） =90°-=56.31° （3-10） 再按下式初步求出圓錐齒輪的大端端面模數(shù)m， m=4.16 （3-11） 查閱文獻3， 取m=4mm，得 =48mm， =4×18=72mm3.3.5 壓力角目前，汽車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)以提高輪齒的強度，在此選22.5°的壓力角。3.3.6 行星齒輪安裝孔的直徑及其深度行星齒輪的安裝孔的直徑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度，通常?。?（3-12） （3-13） （3-14）式中：差速器傳遞的轉矩，N·m；在此取3320.4N·m， 行星齒輪的數(shù)目；在此為2， 行星齒輪支承面中點至錐頂?shù)木嚯x，mm，0.5，為半軸齒輪齒面寬中點處的直徑，而0.8； -支承面的許用擠壓應力，在此取69 MPa，根據(jù)上式， （3-15） （3-16）3.3.7 差速器齒輪的幾何計算8 差速器直齒錐齒輪的計算按機械設計手冊的要求計算如下表3-2：表3-2 汽車差速器直齒錐齒輪的幾何尺寸計算用表序號項目計算公式計算結果1行星齒輪齒數(shù)，應盡量取最小值2半軸齒輪齒數(shù)=1425，且需滿足式（3-6）3模數(shù)4齒面寬;10m5工作齒高6全齒高7壓力角8軸交角=90°9節(jié)圓直徑； ; 10節(jié)錐角，11節(jié)錐距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；;20節(jié)錐頂點至齒輪外緣距離,;21理論弧齒厚 ；;22齒側間隙23弦齒厚；24弦齒高；3.3.8 差速器齒輪的強度計算差速器齒輪的尺寸受結構限制，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)，只有當汽車轉彎或左右輪行駛不同的路程時，或一側車輪打滑而滑轉時，差速器齒輪才能有嚙合傳動的相對運動。因此，對于差速器齒輪主要應進行彎曲強度校核。輪齒彎曲強度為： (3-17) 式中：差速器一個行星齒輪傳給一個半軸齒輪的轉矩，其計算式 在此 =498.06N·m； 差速器的行星齒輪數(shù)； 半軸齒輪齒數(shù)； 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，當時，在此0.629 載荷分配系數(shù)，當兩個齒輪均用騎馬式支承型式時，1.001.1；其他方式支承時取1.101.25。支承剛度大時取最小值。 質(zhì)量系數(shù)，對于汽車驅動橋齒輪，當齒輪接觸良好，周節(jié)及徑向跳動精度高時，可取1.0; 計算汽車差速器齒輪彎曲應力用的綜合系數(shù)，由3-3 ,可查得=0.225圖3-3 彎曲計算用綜合系數(shù)根據(jù)上式=478.6MPa980 MPa所以，差速器齒輪滿足彎曲強度要求。3.4 差速器的材料差速器齒輪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。汽車驅動橋內(nèi)差速器齒輪的工作條件是相當惡劣的，與傳動系其它齒輪比較，具有工作作用時間長、變化多、有沖擊等特點。因此，傳動系中的差速器齒輪往往是個薄弱環(huán)節(jié)。差速器齒輪的材料應滿足以下的要求： 1）具有高的彎曲疲勞強度和表面接觸疲勞強度，齒面具有高的硬度以保證有較高的耐磨性； 2）輪齒心部應有適當?shù)捻g性，以適應沖擊載荷，避免在沖擊載荷下齒根折斷； 3）使用的鋼材鍛造性能、切削加工性能及熱處理性能良好，熱處理變形小或者變形規(guī)律易控制。 汽車主減速器與差速器齒輪基本上都采用滲碳合金鋼制造【9】。常用的鋼號有20CrMnTi，22CrMnMo，20MnVb和20MnVn2TiB。滲碳合金銅的優(yōu)點是表面可得到含碳量很高的硬化層，有相當高的耐磨性和抗壓性，而心部較軟，有較好的韌性。因此，這種材料的抗彎強度、表面接觸強度和承受沖擊的能力都較高。由于鋼本身的含碳量較低，所以其鍛造性能及切削加工性能均較好。滲碳合金鋼的主要缺點是熱處理費用較高，表面硬化層以下的基底較軟，在承受很大壓力時可能產(chǎn)生塑性變形，如果滲透層與心部的含碳量相差過多，便會引起表面硬化層的剝落。 近年來，采用精鑄、精鍛的錐齒輪在汽車驅動橋中已有較多的使用，它具有省材料、生產(chǎn)率高、無切削或少切削等優(yōu)點，但缺點是齒形精度較差。為改善新齒輪的磨合狀況防止其在運行初期出現(xiàn)早期磨損、擦傷、膠合或咬死，錐齒輪副(或僅是大齒輪)在熱處理及精加工(如磨齒或配對研磨)后均作厚度為0.0050.020mm的磷化處理或鍍銅、鍍錫。這種鍍層不能用來補償零件的公差尺寸，也不取代潤滑。齒面噴九處理有可能提高壽命25。對于滑動速度高的齒輪可進行滲硫處理，以提高其耐磨性。由于滲硫處理溫度較低，所以齒輪不會產(chǎn)生變形。滲硫后摩擦系數(shù)可顯著降低，即使?jié)櫥瑮l件較差，也能防止齒面擦傷、咬死和膠合。 綜上所述，差速器齒輪選用材料為20CrMnTi，它的工藝流程為：下料鍛造正火機械加工調(diào)制切齒輪。 3.5 差速器殼體設計 差速器殼體位于減速器的中心，相對于減速器意義重大，其一，差速器支撐主減速器的從動錐齒輪，動力經(jīng)過主動錐齒輪后，傳遞到從動錐齒輪，接著傳遞到差速器，一般會將從動錐齒輪與差速器殼體連接在一起，這樣既可以節(jié)省主減速器空間，有能夠提高傳遞效率，將其結構簡單化；其二，差速器殼體可以當做行星支架，在差速器中，有半軸齒輪，行星齒輪，十字軸和行星支架，差速器殼體將其他零件包裝起來，保護其內(nèi)部行星齒輪與半軸齒輪，向它們提供支撐，差速器殼體作為