汽车差速器的设计与分析毕业设计.doc

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摘 要

本次毕业设计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，通过利用CATIA软件对差速器进行建模工作，也让我在学习方面得到了提高。

关键词：半轴，差速器，齿轮结构

II
目 录
1.引言 1
1.1汽车差速器研究的背景及意义 1
1.2汽车差速器国内外研究现状 1
1.2.1国外差速器生产企业的研究现状 1
1.2.2我国差速器行业市场的发展以及研究现状 2
1.3汽车差速器的功用及其分类 3
1.4毕业设计初始数据的来源与依据 4
1.5本章小结 5
2.差速器的设计方案 6
2.1差速器的方案选择及结构分析 6
2.2差速器的工作原理 7
2.3本章小结 9
3.差速器非标准零件的设计 10
3.1对称式行星齿轮的设计计算 10
3.1.1对称式差速器齿轮参数的确定 10
3.1.2差速器齿轮的几何计算图表 15
3.1.3差速器齿轮的强度计算 16
3.1.4差速器齿轮材料的选择 18
3.1.5差速器齿轮的设计方案 18
3.2差速器行星齿轮轴的设计计算 19
3.2.1行星齿轮轴的分类及选用 19
3.2.2行星齿轮轴的尺寸设计 19
3.2.3行星齿轮轴材料的选择 19
3.3差速器垫圈的设计计算 20
3.3.1半轴齿轮平垫圈的尺寸设计 20
3.3.2行星齿轮球面垫圈的尺寸设计 20
3.4本章小结 21
4.差速器标准零件的选用 22
4.1螺栓的选用和螺栓的材料 22
4.2螺母的选用和螺母的材料 22
4.3差速器轴承的选用 22
4.4十字轴键的选用 23
4.5本章小结 23
5.差速器总成的装配和调整 24
5.1差速器总成的装配 24
5.2差速器零部件的调整 24
5.3本章小结 24
附图 25
参考文献 26
致谢 27

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，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”[1]。汽车转弯行驶时，内、外两侧车轮在同一时间内要移动不同的距离，外轮移动的距离比内轮大。差速器的作用就是将主减速器传来的动力传给左、右两半轴，并在转弯行驶时允许左、右两半轴以不同转速旋转（差速）[2]。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2008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。
目前国内重型汽车的差速器产品的技术基本源自美国、德国、日本等几个传统的工业国家，我国现有的技术基本上是引进国外的基础上发展的，而且已经有了一定的规模。但是目前我国差速器的自主开发能力仍然很弱，影响了整车新车的开发，在差速器的技术开发上还有很长的路要走[3]。
1.2汽车差速器国内外研究现状
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[4]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。
1.2.1国外差速器生产企业的研究现状
国外的那些差速器生产企业的研究水平已经很高，而且还在不断的进步。年销售额达18亿美金的伊顿公司汽车集团[5]是全球化的汽车零部件制造供应商，在发动机气体管理，变速箱，牵引力控制和安全排放控制领域居全球领先地位，对汽车差速器的内部各零件的加工制造要用精密制造方法[6]。零件主要产品包括发动机气体管理部分及动力控制系统，其中属于动力控制系统的差速器产品在同类产品中居领先地位。伊顿公司开发了新型的锁式差速器，它的工作原理与其他差速器的不同之处：当一侧轮子打滑时，普通开式差速器几乎不能提供任何有效扭矩给车辆，而伊顿的锁式差速器则可以在发现车轮打滑[7]，锁定动力传递百分之百的扭矩到不打滑车轮，足以克服各种困难路面给车辆带来的限制。在牵引力测试、连续弹坑、V型沟等试验中，两驱车在装有伊顿锁式差速器后，越野性能及通过性能甚至超过了四驱动的车辆，通过有限元软件的分析，就可以知道各个车轮的受力情况[8]。因为只要驱动轮的任何一侧发生打滑空转以后，伊顿锁式差速器会马上锁住动力，并把全部动力转移到另一有附着力的轮上，使车辆依然能正常向前或向后行驶。毫无疑问，更强的越野性和安全性[9]是差速器的最终目标。
1.2.2我国差速器行业市场的发展以及研究现状
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，在这个转型和调整的关键时刻，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，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科技产品方向发展，国企企业新增投资项目逐渐增多[10]。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[11]，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[12]。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[13]。
这里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2009年批量生产，2010年达到验收。LMC常互锁差速器[14]用于0.5---1.5吨级车辆，它能有效地提高车辆的通过性、越野型、可靠性、安全性和经济性[15]，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，具备传动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，车轮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[16]，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。
1.3汽车差速器的功用及其分类
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。在 驱动桥的左右车轮之间设置差速器，称为轮间差速器，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。
现在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，还有各种各样的功能多样的差速器，如：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、行星圆柱齿轮差速器。
1.4毕业设计初始数据的来源与依据
本次设计选用的是二汽生产的东风EQ1090E型载货汽车作为毕业设计原始数据的来源和依据。二汽集团应广大东风汽车客户的各种改进意见和建议，从EQ1090开始投产就在不断的改进和提高技术性能、节源性能和稳定性能，到现在EQ1090E型载货汽车全面完成了向一个新的高质量水平、高性能水平的过渡和转换。汽车载重量是汽车最基本、最重要的技术参数之一，是汽车整体设计的基本依据，在汽车可靠性和经济性上，载重量都将起主导作用。EQ1090E型载货汽车规定的载重量为5000千克。参考的数据有：
1.汽车的满载总质量为9290kg;
2.发动机的额定功率为99kw(当发动机转速为3000rmin时)；
3.发动机的额定转矩为353（当发动机转速在1200～1400rmin时），最大转矩158；
4.汽车的最高车速（满载，无拖挂）为90km。
3.3.2行星齿轮球面垫圈的尺寸设计
由行星齿轮十字轴轴颈的直径为，根据装配关系选择球形垫圈的安装孔直径为，厚度h为,选用的材料是Q235A。
3.4本章小结
本章主要针对差速器的非标准零件进行了设计计算，比如行星齿轮，半轴齿轮，垫圈，还有十字轴。通过这一系列的计算，得到了详细准确的设计参数，为CATIA的差速器建模工作奠定了基础。
4.差速器标准零件的选用
4.1螺栓的选用和螺栓的材料
螺栓的种类很多，随着机械及其他相关行业的发展，对螺栓的要求也越来越高，既要要求螺栓具有较高的强度又要其精密度高。目前常见的螺栓有六角头螺栓（全螺纹）、六角头铰制孔用螺栓、六角头螺杆带孔螺栓等[18]。
而东风EQ1090E型载货汽车在1984年以前的连接后桥从动锥齿轮和左差速器壳的12个M12×1.5的螺栓改为M14×1.5的螺栓。1984年以前的连接螺栓拧紧后容易发热松动，松动的原因为大齿轮与差速器左壳之间没有传动销，螺栓的拧紧力矩不足[仅为78498],拧紧力矩所造成的从动齿轮与差速器左壳贴合面之间的摩擦力矩，不足以承受由于汽车行驶工况经常变化，所导致的交变载荷，造成贴合面间的松动。因此，从动齿轮与差速器左壳之间的连接螺栓要有足够大的拧紧力矩，大的拧紧力矩要求较大直径的连接螺栓。因此，在生产条件的允许下，将连接螺栓加大为M14×1.5，拧紧力矩加大为137.2～156.8，使情况有了较大的改善，而现在使用的是六角头螺栓，尺寸为 M14×1.5，细牙螺纹。即为GBT 5782 M14×1.5.
现在生产螺栓的原材料一般是碳素钢、不锈钢、铜三种，为了加强螺栓的强度，此次选用的是碳素Q235A钢。
4.2螺母的选用和螺母的材料
我们所接触到的螺母有六角薄螺母、六角开槽螺母。在机械行业、汽车行业以及相关行业经过几年的发展，螺母的种类和型号也越来越齐全。根据差速器已选定尺寸为 M14×1.5的螺栓，所以由装配关系选择差速器螺母应该为M14的，性能等级为8级的，不经过表面处理、A级的I型六角螺母：即是GBT6170 M14.符合东风EQ1090E型载货汽车的螺栓要求。
现在一般生产的螺母原材料一般是碳素钢、不锈钢和铜三种，为了加强螺栓的强度，此次选用的是碳素45钢。
4.3差速器轴承的选用
轴承是支撑着轴的零件，可以引导轴的旋转，也可以承受轴上空转的零件。根据装配关系和连接零件的形状选用的轴承为角接触球轴承。由差速器和半轴的计算数据可取差速器轴承外径为左右，内径为左右，参考《机械设计课程设计手册》选
4.4十字轴键的选用
键主要用作轴和轴上零件之间的周向固定以传递扭矩，此处行星齿轮与十字轴的固选取平键的尺寸为8×7mm,键的长度为20mm，材料选择45钢。
4.5本章小结
本章针对差速器上的一些标准零件，结合已经设计的非标准零件的参数，参考查阅机械设计课程设计手册，选取了符合尺寸要求，装配要求，配合要求的螺栓，螺母以及圆锥滚子轴承。
5.差速器总成的装配和调整
5.1差速器总成的装配
设计完差速器的组成部件就要对差速器进行装配。工业上装配步骤如下：
(1) 用压力机将轴承的内圈压入左右差速器的半轴轴颈上；
(2) 把左差速器壳放在工作台上，在与行星齿轮和半轴齿轮相配合的工作面上涂抹机油，将半轴齿轮平面垫圈连同半轴齿轮一起装入，将已装好行星齿轮和球面垫圈的的十字轴装入左差速器壳的十字槽中，并使行星齿轮与半轴齿轮啮合。
行星齿轮上装上右边的半轴齿轮、平面垫圈，将差速器右壳合到左壳上，注意对准壳体上的合件标记，从右向左插入螺栓，在螺栓左端套上锁片，用螺母紧固，半轴齿轮支承端面与支承垫圈间的间隙应不大于。
(3) 将从动锥齿轮装到差速器左壳上，用螺栓锁紧。
5.2差速器零部件的调整
齿轮啮合间隙的调整：正确的齿轮啮合间隙范围为，而一对齿轮的齿轮间隙变动范围为。如：一对齿轮的最小齿轮间隙为，则最大间隙只能为，若最大齿轮间隙为，则最小齿轮间隙为等。齿轮的啮合间隙的调整可用移动差速器轴承的调整螺母来达到。由于差速器轴承的预紧度已经预先调好，因此调整啮合间隙时，一侧的调整螺母松或紧多少。另一侧的调整螺母也要松或紧多少，以便差速器轴承的预紧度保持不变[19]。
5.3本章小结
针对差速器中的非标准零件和标准零件在装配过程中的配合尺寸的要求，本章做出了一些说明，以使差速器整体装配时能够顺利进行，最后还介绍了差速器中一些零部件调整的规范要求。
附图
差速器装配图如下图所示：

参考文献
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[19]庞学慧,武文革.互换性与测量技术基础.北京：电子工业出版社，2009
致谢
此次论文历时一个多月，能够顺利完成并非我一个人的努力，论文从开始选题到现在的顺利完成，首先我要感谢我的指导老师高玉霞，在她的身上我学到了对待知识和学习的态度，她给了我很多帮助，也在我设计遇到不解的时候给我指导和答疑，为我论文的顺利完成指出了很好的方向；还要感谢和我分在一组的同学的帮助，感谢他们在给我提供资料的同时也给了我撰写论文的意见和建议。另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我获得很多的专业知识，这也是论文得以完成的基础，也要感谢学校提供和创造很多让我们顺利完成论文的查阅资料的完善条件。
在此还要郑重地感谢我的父母，给我创造上大学的条件，让我不断地进步与成熟，让我拥有更多的资本去完成和完善我以后的人生。
4.1结构设计
4.1.1主减速器齿轮的类型
双曲面齿轮与弧齿锥齿轮相比具有一下优点：当双曲面齿轮与螺旋锥齿轮尺寸相同时，双曲面齿轮传动有更大的传动比。
当传动比一定，从动齿轮尺寸相同时，双曲面主动齿轮比相应的螺旋锥齿轮有
较大的直径，较高的轮齿强度以及较大的主动齿轮轴和轴承刚度。当传动比一
定，主动齿轮尺寸相同时，双曲面从动齿轮直径比相应的螺旋锥齿轮为小，因
而有较大的离地间隙。
在工作过程中，可改善齿轮的磨合过程，使其具有更高的运转平稳性。
，重合度较大，不仅提高了传动平稳性，而且使齿轮的弯曲强度提高约30%。根据这些优点，主减速器齿轮选取双曲面齿轮。
4.1.2主、从动齿轮的支承方案
主动锥齿轮传递的转矩不是很大，所以我们选取悬臂式支承，这样既保证
了支承刚度又能使结构简单，方便制造。从动锥齿轮的支承选择跨置式的，这种支承可以增大支承度，使轴承负荷减小，齿轮啮合条件改善。