普通锥齿轮差速器的设计

目 录摘要······························································1关键字····························································1第一部分 引言·······················································2对称式圆锥行星齿轮差速器的结构·····································2对称式圆锥行星齿轮差速器的差速原理·································5第二部分 普通锥齿轮差速器的设计····································52.1 客车车型数据··················································5 2.1.1 尺寸参数··················································52.1.2 质量参数 ·················································52.1.3 发动机技术参数 ········································5 2.1.4 传动系的传动比····································5 2.1.5 轮胎和轮辋规格············································62.1.6 车轮滚动半径 ·············································62.1.7 滚动阻力系数 f ···········································62.1.8 空气阻力系数和空气阻力····································62.2 对称式圆锥行星齿轮差速器的设计和计算···························62.2.1 差速器齿轮的基本参数的选择·································61.行星齿轮数目的选择·········································6 2.行星齿轮球面半径 的确BR定····································63.行星齿轮与半轴齿轮···········································74.差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定···············85.压力角·····················································86. 行星齿轮安装孔的直径 及其深度 L ····························92.2.2 差速器齿轮的几何计算·······································92.2.3 差速器齿轮的强度计算······································112.2.4 差速器齿轮的材料············································11第三部分 对称式圆锥行星齿轮差速器的 UG 图形··························· 14 第四部分 结论·····················································18 第五部分 参考文献················································19摘要此普通锥齿轮差速器的设计以 6109 客车车型数据为设计参数，对对称式圆锥行星齿轮差速器的差速原理以及结构进行了综述并在必要时附以原理图。通过差速器齿轮的基本参数的选择、几何计算确定此差速器的外形、结构，并进行强度计算，保证此圆锥行星齿轮差速器强度达到工作要求。最后，选择此差速器的材料和制造工艺。关键字普通锥齿轮差速器 行星齿轮 半轴齿轮 弯曲强度 一、引言汽车在行驶过程中左，右车轮在同一时间内所滚过的路程往往不等。例如，转弯时内、外两侧车轮行程显然不同，即外侧车轮滚过的距离大于内侧的车轮；汽车 在不平路面上行驶时，由于路面波形不同也会造成两侧车轮滚过的路程不等；即使在平直路面上行驶，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、右车轮因滚动半径的不同而使左、右车轮行程不等。如果驱动桥的左、右车轮刚性连接，则行驶时不可避免地会产生驱动轮在路面上的滑移或滑转。这不仅会加剧轮胎的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，汽车左、右驱动轮间都装有轮间差速器，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要求。差速器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。差速器有多种形式，在此设计普通对称式圆锥行星齿轮差速器。对称式圆锥行星齿轮差速器的差速原理图 2-1 差速器差速原理如图 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 ；半轴齿轮 1 和 2 为从动件，其角速度为 和01。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2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，处在同一半径上的 A、B、C 三点的圆周速度都相等（图 2-1） ，其值为 。于是r 0r= = ，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。120当行星齿轮 4 除公转外，还绕本身的轴 5 以角速度 自转时（图） ，啮合点 A4的圆周速度为 = + ，啮合点 B 的圆周速度为 = - 。于是1r04r2r04r+ =（ + ）+( - )120r404即 + =2 （2-121）若角速度以每分钟转数 表示， n即 （2-2） 021式（2-2）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。有式 2-2）还可以得知：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；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。对称式圆锥行星齿轮差速器的结构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。如图 3-2 所示。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。图 2-2 普通的对称式圆锥行星齿轮差速器1，12-轴承；2-螺母；3，14-锁止垫片；4-差速器左壳；5，13-螺栓；6-半轴齿轮垫片；7-半轴齿轮；8-行星齿轮轴；9-行星齿轮；10-行星齿轮垫片；11-差速器右壳二、普通锥齿轮差速器的设计2.1 6109 客车车型数据2.11 尺寸参数：见表 1表 1 6108 客车整车尺寸参数尺寸类型 项目 参数值总长 LB 9000总宽 BB 2470整车外形尺寸（mm）总高 HB 3300长 LB 8100宽 BB 2300车厢内部尺寸（mm）高 HB 1930轴距 L 4300底盘布置尺寸（mm） 前后轮距 B1/B2 1930/1790最小离地间隙hmin（mm）230接近角 （°） 9°通过性参数（整车整备静态）离去角 （°） 8.5°2.1.2 质量参数：见表 2表 2 6108 客车质量参数表类别 项目 参数值整车整备质量me（kg）8100质量参数乘员数 30(座)+15(立)+1 人最大总质量 ma (kg) 10500前轴 G1 5775最大轴载质量（kg） 后轴 G2 47252.1.3 发动机技术参数：见表 3 表 3 PE6T 发动机性能参数型号 PE6T额定功率 Pe (kw) 135额定功率转速 ne (rpm) 2500最大转矩 Ttq (nm) 710最大转矩时转速 nt (rpm) 1650全负荷最低燃油消耗量 b (kwh) 2202.1.4 传动系的传动比：见表 4表 4 变速器和主减速器的传动比档位 档(ig1)档(ig2)档(ig3)档(ig4)档(ig5)倒档速比 6.93 4.03 2.3651.40 1.00 6.93主减速器传动比ig06.1232.1.5 轮胎和轮辋规格：轮胎：9R22.52.1.6 车轮滚动半径：轮胎：9R22.5 rr0.495m2.1.7 滚动阻力系数 f：为计算方便，近似取 0.0152.1.8 空气阻力系数和空气阻力：本车的空气阻力系数 CD=0.7迎风面积 ABBHB=2.47×3.3=8.151(m2)式中：BB 为汽车总宽 2470mm；HB 为汽车总高 3300mm2.2 对称式圆锥行星齿轮差速器的设计和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。2.2.1 差速器齿轮的基本参数的选择1.行星齿轮数目的选择载货汽车采用 2 个行星齿轮。2.行星齿轮球面半径 的确定BR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，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BR此在一定程度上也表征了差速器的强度。球面半径 可按如下的经验公式确定：Bmm 12(2-3) 3TKRB式中： 行星齿轮球面半径系数，可取 2.522.99，对于有 2 个行星齿BK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（2-4） rp0amxghni=.37vi式中 车轮的滚动半径， =0.495mr righ变速器最高档传动比。i gh =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（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 nn=2500r/n , =64km/h , r =0.495m , igh=1 代入（2-4）amxv计算出 i =7.290从动锥齿轮计算转矩 Tce（2-5） nikTfedce01max式中：Tce计算转矩，Nm；Temax发动机最大转矩；T emax = 710Nmn计算驱动桥数，1；if变速器一档传动比；i f=6.93；i0主减速器传动比，I 0=6.123；变速器传动效率，=0.95；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，K d=1；i1变速器最低挡传动比，i 1=1；代入式（2-5） ，有：Tce=28620.6 Nm根据上式 = =31mm 预选其节锥距 A =30mmBR32860. 03.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 1425，大多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比 / 在 1.52.0 的范围内。1z2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 ， 之和必须能被行星齿轮的数目所整除，以便行星Lz2R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：(2-6) InzRL2式中： ， 左右半轴齿轮的齿数，对于对称式圆锥齿轮差速器来说，Lz2R=Lz2R行星齿轮数目；n任意整数。I在此 =12， =20 满足以上要求。1z24.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 ，12= = =90°- =59.03°211arctnzrta03.96o12再按下式初步求出圆锥齿轮的大端端面模数 mm= = = =10sinzA20sizsin3.9612.57查阅文献3 取 m=3mm得 mm =136dmz2mzd05.压力角 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，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，故可以用较大的模数以提高轮齿的强度。在此选 22.5°的压力角。6. 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：1.LnlTc302.lc1.30式中： 差速器传递的转矩，N·m；在此取 28620.6 Nm 0T行星齿轮的数目；在此为 4n行星齿轮支承面中点至锥顶的距离，mm， 0.5d ， d 为半轴齿轮齿l l'2'面宽中点处的直径，而 d 0.8 ；'22支承面的许用挤压应力，在此取 69 MPac根据上式 = mm =0.5× = mm'20.86d4l48269mm312.7m.91.67L2.2.2 差速器齿轮的几何计算表 3-1 汽车差速器直齿锥齿轮的几何尺寸计算用表序号 项目 计算公式 计算结果1 行星齿轮齿数 10，应尽量取最小值1z =121z2 半轴齿轮齿数 =1425，且需满足式（1-4）2 =2023 模数 m=3mmm4 齿面宽 b=(0.250.30)A ;b10m0 9m5 工作齿高 hg6.1= mmgh4.86 全齿高 5.78.m5.4157 压力角 22.5°8 轴交角 =90°9 节圆直径 ； 1zd2z136d2010 节锥角 ，211arctnz190=30.96°， .59211 节锥距 210sini2dA=30mm0A12 周节 =3.1416tm =9.4248mm13 齿顶高;21agahzha21237.04.=3.11mm1ah=1.69mm214 齿根高=1.788 - ; =1.788 -1fma2fhm=2.224m1fh=3.674mm2f15 径向间隙 = - =0.188 +0.051cg =0.239mmc16 齿根角 = 01artnAhf; 022arctnAhf1 =4. ° 123=6.98°17 面锥角 ；21o 12o= °1o7.94=263.8 根锥角 ；11R22R=26. °1R73=52.05°219 外圆直径；11cos2aohd20 mm014.3dmm268720 节圆顶点至齿 1'201sinhmm.3901轮外缘距离 2'102sinhdmm72.30221 理论弧齿厚 21tmhtsan''2 =5.92 mm1s=6.63 mm222 齿侧间隙 =0.2450.330 mmB=0.250mmB23 弦齿厚 263BdsSiii =5.269mm1S=6.49mm224 弦齿高 iiish4co2' =4.29mm1h=2.32mm22.2.3 差速器齿轮的强度计算差速器齿轮的尺寸受结构限制，而且承受的载荷较大，它不像主减速器齿轮那样经常处于啮合状态，只有当汽车转弯或左右轮行驶不同的路程时，或一侧车轮打滑而滑转时，差速器齿轮才能有啮合传动的相对运动。因此对于差速器齿轮主要应进行弯曲强度校核。轮齿弯曲强度 为wMPa (3-6) 3210smwvnTkbdJ式中： 差速器一个行星齿轮传给一个半轴齿轮的转矩，其计算式Tn6.0在此 为 差速器的行星齿轮数；830.47Nn半轴齿轮齿数；2z尺寸系数，反映材料的不均匀性，与齿轮尺寸和热处理有关，sK当 时， ，在此 0.5866.14.25mKs4325.sK载荷分配系数，当两个齿轮均用骑马式支承型式时，m1.001.1；mK其他方式支承时取 1.101.25。支承刚度大时取最小值。质量系数，对于汽车驱动桥齿轮，当齿轮接触良好，周节及径向v跳动精度高时，可取 1.0;计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数，由图 1-1 可查得J=0.265图 1-2 弯曲计算用综合系数根据上式 = = 980 MPaw3210846.210.58694.MPa所以，差速器齿轮满足弯曲强度要求。2.2.4 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。三、对称式圆锥行星齿轮差速器的 UG 图形锥齿轮差速器壳十字轴锥齿轮差速器半轴齿轮行星齿轮四、结论本次课程设计根据差速器设计的经验公式，以及差速器的工作原理和使用要求，通过对其工作原理的阐述、结构方案的比较、选择和计算，然后参考圆锥行星齿轮差速器的结构尺寸，确定出差速器齿轮的主要设计参数；最后对差速器齿轮的强度进行计算和校核。结构方面：考虑到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。计算方面：根据中型载重汽车（解放 ca1091)差速器的基本参数Temax,n,if,i0,k，然后按照基本经验公式运算得出 Tce, Tcs ,T，行星齿轮安装孔的直径及其深度 L 等尺寸参数，并进一步对差速器齿轮进行了强度校核。综上所述：本次设计的差速器具有结构简单、工作平稳、制造方便、用于公路汽车上也很可靠等特点，符合计划书及国家标准。从学习专业课开始之后，太多的课程都变成了考察，有许多的课程设计需要自己动手做，从公式的灵活运用，到数据得处理，尤其画图软件 UG 的的学习，从中我收获了很多，独立完成作业，自主学习这方面的能力也提高了不少。但是，对于画图软件 UG，我仅仅限于了解层次，只会画一些很简单的三维图，相比那些学得很好的同学，差之甚远。我有过反思，时间花得太少，又畏难，没有耐性，总是拿考研做借口，很多专业知识都落下了。我会努力学好，学好五、参考文献1王望予,汽车设计(第 4 版).北京：机械工业出版社,20042郑文伟，吴克坚机械原理. 北京：高等教育出版社，19963余志生,汽车理论,北京：机械工业出版社,20094陈家瑞.汽车构造. 北京：机械工业出版社，2010.75濮良贵,纪名刚.机械设计. 北京：高等教育出版社，2006.56骆素君,朱诗顺.机械课程设计简明手册. 北京：机械工业出版社，2006.8