离心式限速差速器设计及仿真分析Word格式.docx
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1.4.5机械式…………………………………………………………………………82离心式限速差速器的基本原理及方案的确定……………………………………9
2.1对称式圆锥行星齿轮差速器的差速原理………………………………………9
2.2离心锁止机构方案的确定………………………………………………………103差速器齿轮主要参数的选择与计算………………………………………………11
3.1差速器齿轮的基本参数的选择…………………………………………………11
3.1.1行星齿轮数目的选择…………………………………………………………11
3.1.2行星齿轮球面半径RB的确定…………………………………………………11
3.1.3行星齿轮与半轴齿轮的选择…………………………………………………12
3.1.4差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定……………………13
3.1.5压力角α………………………………………………………………………13
3.1.6行星齿轮安装孔的直径及其深度L………………………………………13
3.2差速器齿轮的强度计算…………………………………………………………16
3.3差速器齿轮的材料………………………………………………………………164驱动半轴的设计……………………………………………………………………17
4.1半浮式半轴杆部半径的确定……………………………………………………17
4.2半轴花键的强度计算……………………………………………………………18
4.3半轴其他主要参数的选择………………………………………………………19
4.4半轴的结构设计及材料与热处理………………………………………………195离心锁止机构的设计………………………………………………………………20
5.1离心飞锤结构形式的选择………………………………………………………20
5.2离心飞锤的设计与计算…………………………………………………………20
5.2.1飞锤在静态下重心位置的确定………………………………………………21
5.2.2飞锤介入转速的确定…………………………………………………………21
5.3调速弹簧的设计…………………………………………………………………226直齿圆锥齿轮的仿真分析…………………………………………………………23
6.1直齿圆锥齿轮参数化建模………………………………………………………20
6.1.1直齿圆锥齿轮建模原理………………………………………………………20
6.1.2直齿圆锥齿轮的基本参数……………………………………………………20
6.2锥齿轮建模方法…………………………………………………………………24
6.2.1建模步骤………………………………………………………………………24
6.2.2齿轮模型的生成………………………………………………………………25
6.3齿轮有限元分析…………………………………………………………………26
6.3.1齿轮有限元分析概述…………………………………………………………26
6.3.2有限元模型的建立及优化处理………………………………………………27
6.3.3有限元分析……………………………………………………………………24
6.4小结………………………………………………………………………………29
9结论…………………………………………………………………………………26参考文献………………………………………………………………………………26致谢……………………………………………………………………………………27
学生：
XXX指导老师：
XXX
（湖南农业大学工学院，）
摘要：
本文设计研究了离心式限速差速器，其目的是在普通差速器基础上增加一套离心机构，使差速器在一定条件下锁止差速从而限制车轮滑动，以应对特定情况。
在设计过程中综合运
用了机械原理、机械设计、Solidworks、AutoCAD等知识，并利用AutoCAD软件绘制装配图和零件图。
同时运用分析软件结合汽车构造、汽车设计、材料力学等学科知识对离心式限速差速器进行仿真分析。
首先，本文将概述限滑差速器的现状和发展趋势，介绍其领域的最新发展状况。
其次，对差速器的行星齿轮、半轴齿轮和轴及轴承做详细的设计计算，并进行受力分析、强度和刚度校核计算。
然后进行对离心差速锁止装置进行设计，确定飞锤、弹簧、锁止机构等的结构和参数，进行受力分析，强度和刚度校核，进行运动仿真分析。
最后得出结论。
关键词：
差速器；
齿轮；
飞锤；
弹簧；
锁止机构
DesignandSimulationAnalysisofTheCentrifugalLimitedSlipDifferential
Student：
XXXTutor：
（Collegeofengineering,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China）
Abstract：
Thisdesignofthecentrifugalspeeddifferential,theaimistoincreasethedifferentialofacommoncentrifugalmechanismonthebasisthatthedifferentiallockundercertainconditionstolimitthedifferentialwheelslipinresponsetospecificcircumstances.Inthedesignprocess,theintegrateduseofmechanicalprinciples,mechanicaldesign,Solidworks,AutoCAD,knowledgeanduseofAutoCADsoftwareassemblydrawingandpartsdiagram.Whiletheuseofanalysissoftwarecombinedautomotiveconstruction,automotivedesign,materialsandotherdisciplinesofknowledgeofthemechanicsofcentrifugalspeeddifferentialsimulationanalysis.First,thispaperwilloutlinethecurrentsituationanddevelopmenttrendoflimited-slipdifferential,thelatestdevelopmentsintheirfield.Secondly,theplanetarygeardifferential,axlegearsandshaftsandbearingsdodetaileddesigncalculationsandstressanalysis,strengthandstiffnesscheckingcalculations.ThensubjectedtodifferentialcentrifugationlockingmeansdesignedtodeterminethestructureandparametersFlyweightspring,thelockingmechanismorthelike,isanalyzed,checkingthestrengthandstiffness,motionsimulation.Finallyconcluded.
Keywords：
differentials;
gear;
flyweight;
spring;
lockingmechanism;
1前言
1.1研究目的及意义
虽然限速差速器的各种技术已经趋于成熟，且市面上各种形式的限速差速器种类十分丰富，但大多结构比较复杂，成本较高。
而且在离心式限速差速器的研究方面几乎是一片空白。
鉴此，开展离心式限速差速器的设计计算方法，限速性能，试验方法，在实际中的应用的研究，具有重要的理论意义和实用价值。
1.2差速器
图1典型的差速器结构图
Fig.1Thetypicalstructureofthedifferential
1－轴承；
2、8－差速器壳；
3、5－调整垫片；
6－行星齿轮；
7－从动锥齿轮；
4－半轴齿轮；
9－行星齿轮轴；
10－螺栓
差速器是一种能使旋转运动自一根轴传至两根轴，并使后者相互间能以不同转速旋转的差动机构。
一般由齿轮组成1。
汽车、拖拉机上的差速器位于后桥内，由差速
壳、行星齿轮及半轴齿轮组成。
1.3限滑（限速）差速器
由于差速器是藉由盆型齿轮及角齿轮驱动，内部包含边齿轮及差速小齿轮。
当车辆直行时，并无差速作用，差速小齿轮及边齿轮整个会随着盆齿轮公转无差速作用，一旦车辆转弯内、外轮阻力不一样时，差速齿轮组因阻力的作用迫使产生自转功能进而调整左、右轮速。
既然左、右轮速的变化及调整是藉由轮胎及地面阻抗来自由产生，那么后续的使用状况就将造成车辆无法行驶的状态2。
譬如说当车辆一轮掉入坑洞中，此车轮就毫无任何摩擦力可言，着地车轮相对却有着极大的阻力，此时差速器的作用会让所有动力回馈到低摩擦的轮子。
掉入坑洞的车轮会不停转动，而着地轮反而完全无动作，如此车轮就无法行驶。
限速差速器，也称限滑差速器。
顾名思义就是限制车轮滑动的一种改进型差速器，
指两侧驱动轮转速差值被允许在一定范围内，以保证正常的转弯等行驶性能的一类差速器。
1.4国内外研究现状
限速差速器，尤其是汽车上运用的防滑差速器目前已十分成熟。
主要的形式有3：
1.4.1扭力感应式
是采用螺旋齿轮组，一样利用左、右双组的摩擦力来限定滑差效应，由于螺旋齿轮采纵向和基座齿轮的横向交错，无离合器片的损耗，运用在后驱车辆，其故障率较低，维修保养亦趋于简单，虽然在动力输出方面未能有强大的表现，但实用原则为其最大之优点。
它是将普通差速器的齿轮从齿轮改成涡轮蜗杆，而安装位置和形式并不变，借由蜗轮蜗杆传动的自锁功能（蜗杆可以向蜗轮传递扭矩，而蜗轮向涡杆施以扭矩时齿间摩擦力大于所传递的扭矩，而无法旋转）来实现防滑功能。
大名鼎鼎的奥迪quattro就是采用这种结构，还有许多原厂高性能车种都是采用此种型式，像RX-7FD3S的原厂限速差速器就相当有名。
在扭力感应式限速差速器的特性方面，虽然其较少使用在运动用途上，但摩擦部分与机械式比较起来效果更好，而且维修上非常简单，这是它的最大优点。
1.4.2螺旋齿轮式
其内部构造依然采用螺旋齿轮，有别于扭力感应式的限速差速器是此螺旋齿轮限速差速器所配置的齿轮全为「横向」，也就是和输出轴的运转同一方向，利用行星齿轮大小减速比的功能达到限速功能，其最大的弱点在于限定锁定扭力滑差的比例较小，但也因为维修及使用保养无需特别的注意，更不需要使用限速差速器专用油，因此原厂如Honda1.8升Type-R、SilviaS15…等较新款的前轮带动车，也几乎都是使用此型式之限速差速器，此等限速差速器还有一个现象，就是车辆顶高后，转动驱动的左右两轮，并不会一起前进或后退，因此在当年TIS1：
9房车赛规格的验车过程中，它算是可以瞒混过关的偷改武器！
螺旋齿轮限速差速器内部的齿轮构造与扭力感应式限速差速器有些相似，同样是将普通差速器的齿轮从直齿改成螺旋齿，不过不是利用二者摩擦力的不同，而是改变了齿轮的安装位置和形式，通过只有螺旋齿轮才能实现的安装位置和形式，利用齿轮的减速比来限制左右驱动轮转速差的。
这种限速差速器所能达到的最大转速差比较小。
而且，扭力感应型的齿轮配置为纵向，而此种螺旋齿轮限速差速器的则为横向装置。
和机械式限速差速器相比，它的最大弱点在于限制锁定的扭力范围较小，但维修、使用上没有什么特别麻烦之处。
1.4.3滚珠锁定式
这种设计的特殊之处，是当小圆球在弯曲的沟槽中移动时，被沟槽切断的滚筒开始作动而发挥限滑的效果，尤其是其作动原理与一般品有很大的差异，目前并不算是主流的制品。
在滚珠锁定限速差速器的特性方面，因为它的构造相当特别，因此可以发挥十分圆滑的效果，反过来说此限速差速器并不适合喜欢在街上狂飙的人士，而最后可以死锁差速器、并发挥最高扭力，也是值得记上一笔之处，所以最适用于分秒必争的比赛场合中。
1.4.4黏性耦合式
最早配置是用在VAG（Audi/VW）车系，其间由多片的离合器组，加上硅油组合而成，它是利用硅油摩擦受热膨胀后，迫使离合器片接合来锁定轮差，其结构可说是最简单且体积小、造价低，是一款适用于大众型式的限速差速器。
大约十年前限速差速器还是属于选用配备时，最受欢迎的就是这种黏性耦合型式样，就如大家所看到的，此限速差速器是由多个离合器片组合而成，透过硅油的喷入使左右轮胎产生回转差，然后再利用硅油的黏性做锁定。
谈到这里大家应该不难想象，此类构造的效果并非很好，因为硅油的黏度会依温度产生性能上的差别，因此反应性算是最差，往好的方面想，这种限速差速器只是一款适合一般大众使用的类型罢了。
1.4.5机械式
在改装车辆中最传统也最常用，因此算是能见度最高的限速差速器，因为使用左、右两个离合器片和压板组，故亦称为多板或多片离合器式限速差速器，此型式之限速差速器可藉由离合器片与压板的排列组合来达到限滑百分比功能，从25%~90%的能力皆可完成。
但唯一的缺点就是较难照顾，其务必要使用限速差速器专用油来定期保养，长时间或剧烈操驾也可能需要更换修理包。
而离合器片装配不佳或置入时Runin方式不正确，也容易导致转弯异音或离合器片损坏之现象。
机械式限速差速器响应速度快，灵敏度高，限滑比例可根据压板和离合片的不同组合来实现，可调范围广，但造价高，耐久性不好，当离合器片磨损时，常会出现“嘎！
嘎！
”的噪音4，因此需要做定期的维修，这也是其缺点之一。
2离心式限速差速器的基本原理及方案的确定
首先设定车辆的基本参数。
表1车辆的基本参数
Tab.1Thebasicparametersofthevehicle
参数名称
数值
单位
车辆前后轴距
2620
mm
前轮距
1455
后轮距
1430
总质量
1500
Kg
最大功率
76.0
Kw
最大扭矩
158
Nm
最高车速
140
Km/h
一档变速比
3.9
主减速比
4.5
在此，在普通对称式圆锥行星齿轮差速器的基础上进行设计。
2.1对称式圆锥行星齿轮差速器的差速原理
图2差速器工作原理
Fig.2Theworkingprincipleofdifferential
如图2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0；
半轴齿轮1和2为从动件，其角速度为1和2。
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。
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r上的A、B、C三点的圆周速度都相等，其值为0r。
于是1=2=0，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4自转时，啮合点A的圆周速度为1r=0r+4r，啮合点B的圆周速度为2r=0r-4r。
于是
1r+2r=（0r+4r）+（0r-4r）
即1+2=20
（1）若角速度以每分钟转数n表示，则
n1n22n0
（2）式
（2）为两半轴齿轮直径相等的对称式圆锥齿轮差速器的运动特征方程式，它表明左右两侧半轴齿轮的转速之和等于差速器壳转速的两倍，而与行星齿轮转速无关。
因此在汽车转弯行驶或其它行驶情况下，都可以借行星齿轮以相应转速自转，使两侧驱动车轮以不同转速在地面上滚动而无滑动。
由式
（2）还可以得知：
①当任何一侧半轴齿轮的转速为零时，另一侧半轴齿轮的转速为差速器壳转速的两倍；
②当差速器壳的转速为零（例如中央制动器制动传动轴时），若一侧半轴齿轮受其它外来力矩而转动，则另一侧半轴齿轮即以相同的转速反向转动。
普通的对称式圆锥齿轮差速器由差速器左右壳，两个半轴齿轮，四个行星齿轮，行星齿轮轴，半轴齿轮垫片及行星齿轮垫片等组成。
由于其具有结构简单、工作平稳、制造方便、用于公路汽车上也很可靠等优点，故广泛用于各类车辆上5。
2.2离心锁止机构方案的确定
在进行离心锁止机构的设计时，参考了VE型柴油分配泵和R801调速器中的离心飞锤机构6。
图3VE分配泵调速器离心飞锤结构示意图
Fig.3TheschematicdiagramofVEdistributionpumpgovernorflyweightstructure
3差速器齿轮主要参数的选择与计算
由于在差速器壳上装着主减速器从动齿轮，所以在确定主减速器从动齿轮尺寸时，应考虑差速器的安装。
差速器的轮廓尺寸也受到主减速器从动齿轮轴承支承座及主动齿轮导向轴承座的限制。
3.1差速器齿轮的基本参数的选择
3.1.1.行星齿轮数目的选择
载货汽车采用2个行星齿轮。
3.1.2.行星齿轮球面半径RB的确定
圆锥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RB它就是行星齿轮的安装尺寸，实际上代表了差速器圆锥齿轮的节锥距，因此在一定程度上也表征了差速器的强度。
球面半径RB可按如下的经验公式确定：
RBKB3Tmm式中：
KB——行星齿轮球面半径系数，可取2.52～2.99，对于有2个行星齿轮的
载货汽车取小值；
T——计算转矩，取Tce和Tcs的较小值，N·
m.计算转矩的计算
rnrpi=0.3770
vamaxghi（3）
式中：
rr——车轮的滚动半径，rr0.398migh——变速器高档传动比，igh1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（单级、双级等以及是否需要轮边减速器），并使之与汽车总布置所要求的离地间隙相适应。
把
np5200r/min,vamax140km/h,rr0.398m,igh1代入公式（3）计算出i05.91从动锥齿轮计算转矩TcekdTemaxki1ifi0
Tce
n
（4）式中：
Tce—计算转矩，Nm；
Temax—发动机最大转矩；
Temax158Nm
n—计算驱动桥数，1；
if—变速器传动比，if3.704；
i0—主减速器传动比，i0=5.91
η—变速器传动效率，η=0.96；
k—液力变矩器变矩系数，K=1；
kd—由于猛接离合器而产生的动载系数，kd=1；
i1—变速器最低挡传动比，i1=1；
代入式（4），有：
Tce=3320.4Nm
主动锥齿轮计算转矩
T=896.4Nm
根据上式
RB=2.733320..4=40mm
所以预选其节锥距
A0=40mm
3.1.3行星齿轮与半轴齿轮的选择
为了获得较大的模数从而使齿轮有较高的强度，应使行星齿轮的齿数尽量少。
但一般不少于10。
半轴齿轮的齿数采用14～25，大多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比z1/z2在1.5～2.0的范围内。
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：
z2Lz2RI
n（5）
z2L，z2R——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
n——行星齿轮数目；
I——任意整数。
在此Z136，Z260满足以上要求。
3.1.4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初步求出行星齿轮与半轴齿轮的节锥角1，2
Z130.96o190o25
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