牙嵌式差速器.docx

牙嵌式差速器.docx

《牙嵌式差速器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《牙嵌式差速器.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

牙嵌式差速器

摘要

在去年金融危机的影响下，汽车产业结构的重组给汽车的发展带来了新的机遇，与汽车相关的各行各业更加注重汽车的质量。

差速器作为汽车必不可少的组成部分之一也在汽车市场上产生了激烈的竞争。

此次就是针对汽车差速器这一零件进行设计的。

本次设计主要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。

再设计出合理适用的差速器的同时也对差速器相关的行业有了一定得认识。

通过绘制差速器的组件图也让我在学习方面得到了提高。

关键词：

差速器、卡盘、齿轮结构、设计计算

Abstract

Inthelastyearundertheimpactoffinancialcrisis,automotiveindustrialrestructuringbroughtaboutbythedevelopmentofmotorvehiclestonewopportunities,andautomotive

relatedbusinessespaymoreattentiontothequalityofcars.Differentialasanintegralpartofcar,oneoftheautomotivemarketalsoresultedinfiercecompetition.Thedifferentialisthesparepartsformotorvehiclesdesigned.Thedesignofthemaindriversontheinstallationofthebridgeinbetweenthetwoaxledifferentialdesign,mainlyrelatedtothedifferentialstruct

-ureofnon-standardpartssuchasgearpartsandstandardsfordesignandcalculation,butalsointroducedthedevelopmentofdifferentialstatusandthetypeofdifferential.Fordifferentialselectionandtheprincipleoftheprogramhavealsomadeabriefnote.Referenceinthedesi

-gnofalargeamountofliteratureontheroleofdifferentialstructureandhaveamorethoro

-ughunderstanding.Re-engineeringtheapplicationofareasonabledifferentialatthesametimealsohasbeenrelatedindustriesmustbeawareof.Differentialthroughthemappingcomponentmapalsoletmeinthefieldoflearninghasbeenimproved.

Keywords:

differential,gearstructure,design

第一章概述

1.1汽车差速器的发展现状

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”。

如图1-1所示普通差速器的结构分解图。

本世纪六七十年代，世界经济发展进入了一个高速增长期，而去年开始的全球金融危机又让汽车产业在危机中有了发展的机遇，在世界各处都有广阔的市场。

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。

由小到大是一个量变的过程，科学发展观对它的影响或许仅限于速度和时间，但是由大到强却是一个质变的过程，能否顺利完成这一个蜕变，科学发展观起着至关重要的作用。

然而在这个转型和调整的关键时刻，提高汽车车辆、石油化工、电力通讯差速器的精度、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，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方向发展，国企企业新增投资项目逐渐增多。

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，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。

下面图1-1为普通差速器的结构分解图。

这次设计的轮边差速器主要是为克服轮间差速器安装调整不方便，还有因为要布置差速器也使从动齿轮的尺寸受到限制等缺点来设计的。

轮边差速器是安装在驱动轮的轮毂内，差速器壳通过行星齿轮轴固定行星齿轮.行星齿轮与半轴齿轮齿合.绝对直线行驶时.差速器壳和行星齿轮（行星齿轮与半轴齿轮不发生相对转动）一同随减速器被动齿轮转动.称为公转.行星齿轮饶自身轴线转动称之自转.将两轮悬空.自转方向相反,转速相同.在转弯时,行星齿轮自转的同时还和差速器壳一起公转.实现两边不等速。

这里我们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预计2009年批量生产，2010年达到验收。

LMC常互锁差速器用于0.5---1.5吨级车辆，它能有效地提高车辆的通过性、越野性、可靠性、安全性和经济性，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，具备传统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，车辆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，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。

1.2汽车差速器的功用

差速器的功用是当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时，使左右驱动车轮以不同的角速度滚动，以保证两侧驱动车轮与地面间作纯滚动运动。

图1-1汽车转弯时驱动轮运动示意图

汽车行驶时，左右轮在同一时间内所滚动的路程往往不等。

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，行程显然不同，即外侧车轮滚过的距离大于内测车轮；汽车在不平的路面行驶时，由于路面波形不同也会造成两侧车轮滚过的路程不等；即使在平直的路面行驶，由于轮胎气压、轮胎负荷、胎面磨损程度不同以及制造误差等因素的影响，也会引起左、右车轮因滚动半径不同而使左、右车轮行驶不等。

如果驱动桥的左、右车轮钢性连接，则行驶时不可避免地会产生驱动轮在路面上滑移或是滑转。

这样不仅会加剧轮胎磨损与功率和燃料的消耗。

而且可能导致转向和操纵性能恶化。

为了防止这些现象的发生，汽车就要安装差速器，从而保证了驱动桥两侧车轮在行程不等时具有不同的旋转角速度，满足了汽车行驶运动学的要求。

而为了方便安装和调试差速器，还解决现在差速器的从动齿轮尺寸不受限制所以设计了安装在轮毂的差速器称为轮边差速器，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。

差速器按其结构不同可以分为以下几种形式：

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。

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。

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。

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。

1.3差速器的主要结构形式介绍

（一）齿轮式差速器

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。

他又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等

1．普通锥齿轮式差速器

由于普通锥齿轮式差速器结构简单、工作平稳可靠，所以广泛应用于一般使用条件的汽车驱动桥中。

图1-2为其示意图，图中ω0为差速器壳的角速度；ω1、ω2分别为左、右两半轴的角速度；To为差速器壳接受的转矩；Tr为差速器的内摩擦力矩；T1、T2分别为左、右两半轴对差速器的反转矩。

图1-2普通锥齿轮式差速器

普通锥齿轮差速器的锁紧系数是一般为0．05～0．15，两半轴转矩比kb=1．11～1．35，这说明左、右半轴的转矩差别不大，故可以认为分配给两半轴的转矩大致相等，这样的分配比例对于在良好路面上行驶的汽车来说是合适的。

但当汽车越野行驶或在泥泞、冰雪路面上行驶，一侧驱动车轮与地面的附着系数很小时，尽管另一侧车轮与地面有良好的附着，其驱动转矩也不得不随附着系数小的一侧同样减小，无法发挥潜在牵引力，以致汽车停驶。

2.摩擦片式差速器

为了增加差速器的内摩擦力矩，在半轴齿轮7与差速器壳1之间装上了摩擦片2（图1-3）。

两根行星齿轮轴5互相垂直，轴的两端制成V形面4与差速器壳孔上的V形面相配，两个行星齿轮轴5的V形面是反向安装的。

每个半轴齿轮背面有压盘3和主、从动摩擦片2，主、从动摩擦片2分别经花键与差速器壳1和压盘3相连。

图1-3摩擦片式差速器

摩擦片式差速器的锁紧系数k可达0．6，

可达4。

这种差速器结构简单，工作平稳，可明显提高汽车通过性。

3．强制锁止式差速器

当一个驱动轮处于附着系数较小的路面时，可通过液压或气动操纵，啮合接合器（即差速锁）将差速器壳与半轴锁紧在一起，使差速器不起作用，这样可充分利用地面的附着系数，使牵对于装有强制锁止式差速器的4X2型汽车，采用差速锁将普通锥齿轮差速器锁住，可使汽车的牵引力提高

倍，从而提高了汽车通过性。

当然，如果左、右车轮都处于低附着系数的路面，虽锁住差速器，但牵引力仍超过车轮与地面间的附着力，汽车也无法行驶。

强制锁止式差速器可充分利用原差速器结构，其结构简单，操作方便。

目前，许多使用范围比较广的重型货车上都装用差速锁。

（二）滑块凸轮式差速器

图1-4为双排径向滑块凸轮式差速器。

差速器的主动件是与差速器壳1连接在一起的套，套上有两排径向孔，滑块2装于孔中并可作径向滑动。

滑块两端分别与差速器的从动元件内凸轮4和外凸轮3接触。

内、外凸轮分别与左、右半轴用花键连接。

当差速器传递动力时，主动套带动滑块并通过滑块带动内、外凸轮旋转，同时允许内、外凸轮转速不等。

理论上凸轮形线应是阿基米德螺线，为加工简单起见，可用圆弧曲线代替。

图1-4滑块凸轮式差速器

（三）蜗轮式差速器

蜗轮式差速器（图1-5）也是一种高摩擦自锁差速器。

蜗杆2、4同时与行星蜗轮3与半轴蜗轮1、5啮合，从而组成一行星齿轮系统。

图1-5蜗轮式差速器

（四）牙嵌式自由轮差速器

牙嵌式自由轮差速器（图1-6）是自锁式差速器的一种。

装有这种差速器的汽车在直线行驶时，主动环可将由主减速器传来的转矩按左、右轮阻力的大小分配给左、右从动环（即左、右半轴）。

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，当拖带挂车时尤为突出。

此外，由于左、右车轮的转矩时断时续，车轮传动装置受的动载荷较大，单边传动也使其受较大的载荷。

图1-6牙嵌式差速器

牙嵌式自由轮差速器的半轴转矩比Ab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课题设计初始数据

表1-1参数表

参数名称数值

车型            SUV越野类

驱动形式           FR4×2

发动机位置         前置

最高车速           Umax=1800km/h

最大爬坡度         imax≥30%

汽车总质量         ma=1410kg

满载时前轴负荷率   40%

外形尺寸           总长La×总宽Ba×总高Ha=3496×1445×1841mm3

迎风面积           A≈0.85 Ba×Ha

空气阻力系数       CD=0.6

轴距              L=2200mm

前轮距             B1=1440mm

后轮距             B2=1420mm

车轮半径           r=300mm

离合器             单片干式摩擦离合器

第二章差速器的设计方案

2.1差速器的方案选择及结构分析

根据SUV越野车的类型，初步选定差速器的种类为牙嵌式自由轮差速器，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。

现设计简图如下：

图2-1差速器结构方案图

如图2-1， 整机直线行驶，主、从动环同转，左右从动环输出的力矩不相等，其大小由两侧驱动轮的阻力大小来决定。

整机转向，在内侧轮从动环与主动环同转并传递全部动力，外侧从动轮转速高于内侧从动轮但不传力中，实现内外侧偏转轮有统一的转向中心。

2.1.1差速器的结构分析

（1）主动环与中心环通过卡环轴向定位，又通过一个加长齿与中心环整个外圆周均布的某个凹槽相联。

（2）主动环加长齿插入消声环的开口中，消声环齿在差速器不差速时全部嵌入中心环外圆的凹槽中。

（3）主、从动环之间的传力齿使主动环与左右从动环同转，弹簧力使三者压紧，倒梯形（小梯度）端面齿在等速下可实现差力。

（4）外侧从动环转速较高而不承受扭力，外偏转轮滑移趋势使滑移力传入差速器后，右从动环与中心环端面啮合齿使右从动环相对于中心环作斜面运动，从动环从中心环啮合齿中滑脱出来，外侧轮空转。

2.2差速器的工作原理

牙嵌式差速器的结构如图2.2所示，

图2.2差速器的结构示意图

图2.3牙嵌式差速器装配示意图

图2.3牙嵌式差速器装配示意图，各零件相互位置见图2.3十字轴固定于左右差速器壳十字槽内，中央接盘外圆轴向键槽与十字轴内孔轴向键配合，靠卡簧固定在十字轴内孔中央;它不能轴向移动，但能相对十字轴作微量转动，十字轴两端面沿圆周分布有许多倒梯形断面的径向传力齿，相应接合子端面外边缘有同样的齿。

中央接盘两端面沿圆周上分布有许多径向的梯形齿，沿半径方向，齿的一部分与接合子相对端面内边缘梯形齿对应，另一部分与活动接合子相对端面的梯形齿对应，活动接合子是具有缺口的弹性齿圈，其缺口对准十字轴内孔的键，撑开后安装于接合子端面内外齿圈之间的凹槽中，不能相对于接合子轴向移动，但由于其弹性，可相对于接合子做有阻滞的转动，挡圈自身外齿可通过接合子内孔的齿进入接合子内孔的止挡槽中，转过一定角度，即被挡住，相对于接合子不能轴向移动，接头齿轮轴径一端与差速器壳体孔为间隙配合，另一端外齿与接合子内齿啮合，回位弹簧一端装在挡圈内孔中，另一端安装于接头齿轮端的凹槽中，始终处于压缩状态，衬套起支承作用。

汽车直线行驶过程主、从动环之间的传力齿使主动环与左右从动环同转，弹簧力使三者压紧，倒梯形（小梯度）端面齿在等速下可实现差力。

汽车转向的过程中外侧从动环转速较高而不承受扭力，外偏转轮滑移趋势使滑移力传入差速器后，右从动环与中心环端面啮合齿使右从动环相对于中心环作斜面运动，从动环从中心环啮合齿中滑脱出来，外侧轮空转。

但右弹簧力将右从动环拉回，齿间摩擦力与弹簧力不断作用结果将使传力齿磨损加剧，并产生噪音。

利用消声环将外侧从动环约束，防止其因在差速中因不断脱出与回位产生噪音，并可减轻主从动环接触齿间的磨损。

第三章差速器非标准零件的设计

由于差速器壳上装着主减速器的从动卡盘，所以差速器的从动卡盘尺寸受到主减速器齿轮轴承支承座轴承座的限制。

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。

牙嵌式差速器的非标准零主要有从动卡盘（对称式锥齿轮）、齿轮轴（十字轴）等等。

3.1牙嵌式差速器的动力分析

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3.1为带牙嵌式自由轮差速器的驱动桥转向行驶工作原理简图,由此可以分析该种差速器的运动学和动力学原理.

图3　差速器的运动学原理

1为主动锥齿轮;2为从动锥齿轮

图3所示轮式驱动桥的中央传动,主动锥齿轮1带动从动锥齿轮2旋转构成主减速器,与两个半轴连

接的从动环a和b与中心环c及差速器壳体H（H与从动锥齿轮2固结）共同组成牙嵌式自由轮差速器.

从运动学的观点看,牙嵌式自由轮差速器不同于行星齿轮差速器,其左、右半轴转速之平均值不恒等于差速器壳体的转速.这种差速器在车辆转向行驶差速时,其慢转侧半轴的转速nb仍然等于差速器壳体的转速nH,而快转侧半轴的转速na将高于差速器壳体的转速.由图3可以列出其运动学方程式为

nb=nH

na=nH（R+l）/（R-l）

（1）

式中:

R为车辆的转弯半径;l为驱动桥轮距之半.

于是可得到快转侧从动环与中心环的转速差为

na-nb=2nHl/（R-l）

（2）

这种差速器的从动环与主动环之间并不像行星齿轮那样连续差速,左右两个车轮的扭矩传递是时断时续的,从而引起了半轴和最终传动装置的载荷波动较大,单边传动也使其承受了较大的载荷.

由于自由轮差速器的不连续差速,每一次差速时快转侧驱动轮行走的路程只能是按差速器主、从动环传力齿中心角的倍数来增加的.每一次差速,快转侧驱动轮从动的最短路程为

ΔSmin=2πrk/zim（3）

式中:

rk为驱动轮的动力半径;im为最终传动的传动比;z为主、从动环传力齿数.从动力学的观点看,牙嵌式自由轮差速器也不同于行星齿轮差速器.它在两半轴差速时,其全部的扭矩都传给了慢转半轴,而另一个半轴只作随动,可表达为

Mb=MH

Ma=0（4）

　　这也就是牙嵌式自由轮差速器的动力学方程式.MH为差速器壳体接受的扭矩,Ma,Mb为两半轴对差速器的反扭矩.当车辆差速行驶时,这种牙嵌式自由轮差速器的锁紧力矩为Ma-Mb=MH,锁紧系数K=（Mb-Ma）/（Ma+Mb）=1,其含义是锁紧扭矩达到了传递扭矩的100%,因此也称之为自锁差速器.即便是一个驱动轮完全失去了附着能力,也不能影响另一个驱动轮牵引能力的发挥.

3.1.1主动环啮合齿参数确定

1.主动环半径的确定

主动环与从动环啮合齿为大间隙倒梯形（小梯度）端面齿，可以使传力可靠，牙嵌式差速器的结构尺寸，通常取决于十字轴半径，它就是主动环的安装尺寸，实际上代表了差速器主动环的节距，因此在一定程度上承载能力即是强度。

环面半径可按照如下公式确定：

mm（3-1）

上式中：

KB——为齿轮球面半径系数。

可取2.52~2.99，

T——为差速器计算转矩（N.m）,T=min［Tce,Tcs］;取Tce和Tcs的较小值；

RB——为环面半径。

转矩的计算

（3-2）

上式中：

rr——为车轮的滚动半径，取rr=0.3m；

igh——变速器最高档传动比。

igh=1

根据所选定的主减速比i0值，就可基本上确定主减速器的减速型式，并使之与汽车总布置所要求的离地间隙相适应。

把nn=5200r/n；vamax=110km/h；rr=0.3m；igh=1代入（3-2）中；

从动环计算转矩Tce

（3-3）

上式中：

Tce——计算转矩，Nm；

Temax——发动机最大转矩；Temax=158Nm

n——为驱动桥数，取1；

if——为变速器传动比，if=3.704；

i0——为主减速器传动比，i0=5.35；

η——为变速器传动效率，η=0.96；

k——为液力变矩器变矩系数，k=1；

kd——为由于猛接离合器而产生的动载系数，kd=1；

i1——为变速器最低挡传动比，i1=1；

代入式（3—3）中，有：

Tce=3005.4Nm

主动环齿计算转矩Tcs=8960.4Nm.T取较小值，即有T=Tce=9005.4Nm；

将以上数据代入式（3-1）有

=2.7

=141mm

A0=（0.98~0.99）

=（0.98~0.99）141=139mm

所以预选其主动环直径A

=139mm

2主动环啮合齿（牙）数计算

（1）主动环和从动环牙数的确定

为了使轮齿获得较高的强度，希望取得较大的模数，但是尺寸会增大影响差速器的安装，于是又要求主动环的的齿数Z1应该取少一些，但Z1一般不少于10。

差速器的主动环与从动环同时啮合的，因此，在确定这两种齿数时，应考虑它们之间的装配关系，否则，差速器将无法安装，即应满足的安装条件为：

（3-4）

上式中：

Z2L、Z2R——为左右半轴齿轮的齿数，对于对称式圆锥齿轮差速器来说，Z2L=Z2R；

——从动环数目；

——任意整数。

根据上述可在此Z1=20；Z2=20，满足以上要求。

3.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，还可以由切向修正加大半轴齿轮的齿厚，因为本次设计