汽车差速器的设计.docx

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汽车差速器的设计

汽车差速器的设计

摘要：

本设计首先根据差速器的结构和工作原理，对差速器的设计方案做出了选择,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选用，同时也介绍了差速器的发展现状和差速器的种类等。

在设计中参考了大量的文献，通过利用CREO软件对差速器进行建模工作，可以更直观的反应设计结构。

关键词：

行星齿轮、半轴、差速器

1.引言

1.1.汽车差速器研究的背景及意义

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，差速器作为汽车必不可少的部件之一，曾被汽车行业誉为“小零件大功用”。

汽车在行驶的过程中，左、右车轮在同一时间内所滚动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。

如果驱动桥的左、右车轮为刚性连接，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。

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

1.2.汽车差速器研究现状

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。

国外的差速器生产企业的研究水平相对较，而且还在不断的进步。

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，在这个阶段，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，差速器的种类趋于多元化，功用趋于完整化。

1.3.汽车差速器的作用

汽车差速器是驱动轿的主件，简单说它的作用就是在向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。

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：

第一是将发动机输出的动力传输到车轮上；第二是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；第三是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。

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。

1.4.汽车差速器的分类

差速器按其结构不同可以分为以下几种形式：

1.4.1.齿轮式

汽车上广泛采用的是对称锥齿轮式差速器，它具有结构简单、质量小等优点。

它又分为普通锥齿轮式差速器、摩擦片式差速器和强锁止式差速器等。

图1-1锥形齿轮差速器

1.4.2.凸轮式

现在常见的是滑块凸轮式差速器，它是一种高摩擦自锁差速器，结构紧凑、质量小、但是结构较复杂。

图1-2轴向滑块凸轮式差速器

1.4.3.蜗轮式

蜗轮式差速器也是一种高摩擦自锁差速器，这种差速器结构复杂，制造精度要求高，因而限制了它的应用。

1.4.4.牙嵌式

牙嵌式自由轮差速器是自锁式差速器的一种，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。

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”，也就是车轮在转弯时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。

当汽车转弯时，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。

即使是汽车直线行驶，也会因为路面不平或轮胎滚动半径不等（轮胎制造误差、磨损不同、受载不均或气压不相同等问题）而引起车轮的滑动或滑拖。

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。

汽车差速器工作原理如图2-1所示，汽车处于直线行驶状态，行星齿轮只是随同行星架绕差速器旋转轴线公转，两半轴齿轮同速转动，汽车直线行驶。

当汽车转弯时，行星齿轮既有公转，又有自转，使两半轴齿轮以不同转速转动，允许两轮以不同转速转动。

图2-1差速器差速原理图

如图2-1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固连在一起，固为主动件，设其角速度为w0；半轴齿轮1和2为从动件，其角速度为w1和w2。

A、B两点分别为行星齿轮4与半轴齿轮1和2的啮合点，行星齿轮的中心点为C，A、B、C三点到差速器旋转轴线的距离均为r。

汽车直线行驶时，行星齿轮只是随同行星架绕差速器旋转轴线公转时，没有自转。

当行星齿轮只是随同行星架绕差速器旋转轴线公转时，处在同一半径r上的A、B、C三点的圆周速度都相等。

于是w1=w2=w0，即w1+w2=2w0，即差速器不起差速作用，而半轴角速度等于差速器壳的角速度。

对称式锥齿轮差速器的转矩分配M0：

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M0平均分配给左、右两半轴齿轮，即M1=M2=M0/2。

此时行星齿轮轴5将转距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。

此时左右车轮的转速是相等的。

当汽车转向时，行星齿轮4除公转外，还绕轴5以角速度自转时，啮合点A的圆周速度为w1r=w0r+w4r，啮合点B的圆周速度为w2r=w0r-w4r。

于是

W1r+w2r=（w0r+w4r）+（w0r-w4r）

即w1+w2=2w0

若角速度以每分钟转数n表示，则

n1+n2=2n0

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、右半轴齿轮附加作用了大小相等而方向相反的两个圆周力，因此当左、右驱动车轮存在转速差时，M1=（M0-Mr）/2，M2=（M0+Mr）/2，左、右车轮上的转矩之差等于差速器的内摩擦力矩Mr。

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。

3.差速器的方案设计

3.1.速器的方案选择及结构分析

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3-1差速器结构方案图

如图3-1，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。

其具有结构简单、工作平稳、制造方便、安装方便、调试简单等优点。

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。

当汽车行驶一定得里程。

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。

3.2.差速器的非标准件设计

由于差速器壳上装有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。

差速器的非标准零件主要有从动锥齿轮（对称式锥齿轮）、行星齿轮轴（十字轴）等

3.2.1.对称式行星齿轮设计

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。

如下图3-1为行星齿轮初步方案图。

图3-2行星齿轮的方案图

（1）行星齿轮齿数目n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，反之就取四个。

选择两个行星齿轮即n=4。

（2）行星齿轮球面半径RB的确定及节锥距A0的计算

行星齿轮差速器的结构尺寸，通常取决于行星齿轮的背面的球面半径，它就是行星齿轮的安装尺寸，实际上代表了差速器锥齿轮的节锥距，因此在一定程度上也反映了差速器锥齿轮节锥距的大小和承载能力即是强度。

球面半径可按照如下公式确定：

mm

io=5.91；

从动锥齿轮计算转矩Tce

Tce=3320.4Nm

=2.7=40mm

所以预选其节锥距A=40mm

（3）行星齿轮与半轴齿轮齿数计算

①行星齿轮和半轴齿轮齿数的确定

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：

在此Z1=12；Z2=20，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

首先可以根据下面公式求出行星齿轮与半轴齿轮的节锥角，；

=

=90°-°

求得：

=30.96°；=59.04°

求出圆锥齿轮的大端端面模数m

m====3.35

;d2=mz2=4×20=80mm

（4）压力角α

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，还可以由切向修正增加半轴齿轮的齿厚，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，在此选22.5°的压力角。

某些总质量较大的商用车采用25°压力角以提高齿轮强度。

（5）行星齿轮安装孔的直径及其深度L

行星齿轮的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承长度，通常取：

d2’=0.8×80=64mm；=0.5×64=32mm

φ≈28mm；L=20.24≈20mm

（6）差速器齿轮的材料

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为20CrMnTi、20CrMoTi、22CrMnMo和20CrMo等。

由于差速器齿轮轮齿要求的精度较低，所以精锻差速器齿轮工艺已被广泛应用。

要考虑齿轮的许用应力和弯曲强度，此次选用的齿轮材料为20CrMnTi。

查阅《工程材料》相关资料可知此材