差速器课程设计说明书

本次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，同时也对整车的参数、结构做了简单的选择计算。

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CAＤ软件对差速器进行作图，也让我在学习方面得到了提高。

关键字：差速器半轴设计校核
1.１差速器的功用和分类 (4)
1.２原始数据及设计要求 (4)
1.2.1原始数据 (4)
1.2.2设计要求 (4)
2.总布置设计 (5)
2.1轴数确定 (5)
2.2驱动形式 (5)
2.3布置形式 (5)
3确定汽车主要参数 (6)
3.1主要尺寸 (6)
3.2轴荷分配 (6)
4.选定发动机参数 (6)
5.离合器选择与计算 (7)
5.1离合器的选择 (7)
5.2离合器主要参数计算 (7)
6.确定传动系最小传动比 (8)
7.最大传动比的确定 (8)
8.驱动桥结构形式 (8)
9.对称式行星齿轮差速器的设计计算 (8)
9.1.1行星齿轮数目n的确定 (9)
9.1.2行星齿轮球面半径
R的确定以及节锥距的计算 (9)
b
9.2行星齿轮的设计和选择 (11)
9.2.1行星齿轮和半轴齿轮齿数的确定 (11)
9.2.2差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定. 12
9.2.4行星齿轮安装孔的孔径d和孔长度L的确定 (12)
9.2.5差速器齿轮的几何计算图表 (13)
9.2.6差速器齿轮的强度计算 (15)
9.3差速器齿轮材料的选择 (16)
9.4差速器行星齿轮轴的设计计算 (17)
9.4.1行星齿轮轴的分类及选用 (17)
9.4.2行星齿轮轴的尺寸设计 (17)
9.4.3行星齿轮轴材料的选择 (18)
9.5差速器标准零件的选用 (18)
参考文献 (19)
致谢 (20)
1.引言
1.１差速器的功用和分类
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。

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。

1.２原始数据及设计要求
1.2.1原始数据
序号
额定装
载质量
(kg)
最大总
质量
(kg)
最大车
速
(km/h)
比功率
(kw/t)
比转矩
(N.m/t)
3 1000 21001002139
1.2.2设计要求
（1）根据已知数据，确定轴数，驱动形式，布置形式，注意国家道路交通法规规定和汽车设计规范。

（2）确定汽车主要参数。

1）主要尺寸，可从参考资料中获取。

2）进行汽车轴荷分配。

（3）选定发动机功率、转速、扭矩，可参考已有车型。

（4）离合器的结构形式选择，主要参数计算。

（5）确定传动系最小传动比，即主减速器传动比。

（6）确定传动系最大传动比，从而计算出变速器最大传动比。

（7）机械式变速器型式选择，主要参数计算，设置合理的档位数，计算出各档的速比。

（8）驱动桥结构型式，根据主减速器的速比，确定采用单级或双级主减速器。

2.总布置设计
2.1轴数确定
因为汽车最大总质量为2100kg，小于19t，所以采用结构简单、制造成本低廉的两轴方案。

2.2驱动形式
因为总质量较小，所以采用结构简单、制造成本低的4×2驱动形式。

2.3布置形式
为充分发挥前置发动机后桥驱动的优势：便于发动机的维修，离合器、变速器操纵机构简单，前、后车桥载荷分配合理，牵引性能比前置前驱型式优越，转向轮是从动轮，转向机构结构简单、便于维修等，选择前置发动机后桥驱动。

3确定汽车主要参数3.1主要尺寸
1）轴距、轮距
汽车总质量m
a =2.1t，1.8<m
a
<6.0,根据教材表1-2，选择轴距
L=2800mm，轮距B
1=1420，B
2
=1400mm。

2)外廓尺寸
两轴式货车m
a <3500kg，选择L
a
=6000mm，B
a
=2500mm，
H
a
=4000mm
3）前悬、后悬
轻型、中型货车后悬一般控制在1200～2200mm，所以取后悬
L
R =1800mm，则前悬L
F
=L
a
－L
R
－L=6000－1600－2800=1400mm
3.2轴荷分配
汽车满载情况下总质量m
a
=2.1t，根据教材表1-6，选择前轴40%，后轴60%。

4.选定发动机参数
（1）发动机最大功率
P
max
e
≥21×2.1=44.1kw
（2）发动机转矩
选择柴油发动机，则发动机转矩T
b
≥39⨯2.1=81.9N·m （3）发动机转速
b p T P n ⨯≤
9550=9
.811
.449550⨯=5142r/min 可取上述数值。

5.离合器选择与计算
5.1离合器的选择
由于所设计商用车总质量小于6t ，所以可以选择单片膜片弹簧离合器
5.2离合器主要参数计算
1）后备系数β
根据教材表2-1，总质量小于6t ，取β=1.5 2）单位压力0p
选择粉末冶金材料，可以取0p =0.4 3)摩擦片外径、内径、厚度 外径可根据经验公式max e D T K D =， 取D K =17，代入上式9.8117⨯=D =154mm 取d/D=0.6，则d=D 6.0⨯=154×0.6=92.4mm 取厚度b=3.2mm
4）摩擦因数、摩擦面数、离合器间隙
摩擦面数Z=2；选择铁基粉末冶金材料，摩擦因数f=0.4；离合器间隙mm t 3=∆
6.确定传动系最小传动比
该汽车可采用单级主减速器，以直接挡为最高挡， 选择轮胎为215/70R15 0.332 ，对应轮胎的滚动半径大约为 r r =（215×70%+15×25.4/2)=342mm=0.34m 根据公式u a =0.377
i i nr g ， 其中，u a =100km/h , r=0.34m , i g =1 , n=5142r/min 代入公式可得 i 0=6.6
则系统的最小传动比为主减速器传动比i min = i 0=6.6
7.最大传动比的确定
根据公式 t
tq g i T r
f G i ηαα0max max max 1)sin cos (+=
，
其中G=mg=2100×9.8=20580N , f=0.02 , max α=16.7 , r=0.34m , T m ax tq =81.9N ·m ,i 0=6.6 , t η=90% 带入上式 可得
i 1g =4.4
则传动系最大传动比为i max =i 1g · i 0=4.4×6.6=29
8.驱动桥结构形式
采用非断开式驱动桥，单级弧齿锥齿轮主减速器。

9.对称式行星齿轮差速器的设计计算
9.1对称式差速器齿轮参数的确定
9.1.1行星齿轮数目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，反之则取四个。

此汽车选择四个行星齿轮即4n =。

9.1.2行星齿轮球面半径b R 的确定以及节锥距的计算
行星齿轮背面的球面半径b R 是行星齿轮的基本尺寸参数，其反映
了差速器圆锥齿轮节锥距0A 的大小和承载能力。

b R 可以根据如下经验公式确定：
3b b d
R K T =⋅
式中：b K 是行星齿轮球面半径系数b K ，=2.5～2.97，对于有四个行星货车取2.7.
T d 是差速器计算转矩，
()min ,d Gm Ge Gs T T T T ==,N m
⋅
b R 是球面半径
从动锥齿轮计算转矩Ge T
max 10d e f Ge K T K i i i T n
η
⋅⋅⋅⋅⋅⋅=
上式中：Ge T 是计算转矩，N m ⋅,
d
K 是由于猛接离合器而产生的动载系数，对于性能系数
j f =的
汽车(一般货车，矿用汽车，越野车)，取1d K =
max
e T 是发动机最大转矩， T m ax e =81.9N ·m
K 是液力变矩器变矩系数，1K =
1
i 是变速器一档传动比，i 1=4.4 f
i 是分动器传动比，
1
f i =
i 是主减速器传动比，i 0=6.6
η是从发动机到主减速器从动齿轮之间的传动效率，%90=η
n 是驱动桥数，1n =
代入上式中，得T εG =
1
9
.06.631.719.811⨯⨯⨯⨯⨯=3556N ·m
从动锥齿轮计算转矩Gs T
22r
Gs m m
G m r T i ϕη⋅⋅=
上式中：Gs T 是计算转矩，
2
G 是满载状态下一个驱动桥上的静负荷，G 2=20580N ×
60%=12348N
2
m 是汽车在发出最大加速度时的后桥负荷转移系数，一般乘用车
为1.2～1.4，货车为1.1～1.2,此处2m 取1.1。

ϕ是轮胎与地面间的附着系数，对一般轮胎的公路用车，可取
0.85ϕ=，r r 是轮胎的滚动半径,r r
=0.34m
m
i 是主减速器从动锥齿轮到车轮间的传动比，i m =1。

m
η是主减速器从动齿轮到车轮间的传动效率，当无轮边减速器
时，1m η=，
代入式中，得T Gs =
1
34
.085.01.112348⨯⨯⨯=3925N ·m
T T Ge Gs >，T d
=min （T Gs
,T εG
）=3556N ·m
将以上数据代入式（3-1）中，得： R b =2.7×33556=41.2mm
将b R 圆整为42mm,锥齿轮的节锥距0A 一般稍小于b R ，即
()()00.98
0.9952.9253.46
b A R m m ==
A 0=(0.98~0.99)R b =(41.16~41.58)mm 所以预选其节锥距A 0=41m 9.2行星齿轮的设计和选择
9.2.1行星齿轮和半轴齿轮齿数的确定
为了使齿轮有较高的强度，希望取较大的模数，因此行星齿轮的齿数1Z 应该尽可能少，但一般不少于10，半轴齿轮的齿数2Z 一般采用14～25之间。

汽车半轴齿轮与行星齿轮的齿数之比大多在1.5～2的范围内。

为了使四个行星齿轮能同时与两个半轴齿轮啮合，两个半轴齿轮的齿数和必须能被行星齿轮数整除，否则差速器齿轮不能装配。

综上所述，即21/ 1.52Z Z = ,
22L R
Z Z I n +=
上式中：
1Z 是差速器行星齿轮的齿数， 2
Z 是差速器半轴齿轮的齿数，
2L
Z 和2R Z 分别是差速器左、右半轴齿轮的齿数，对于对称式锥齿
轮差速器来说，22L R Z Z =，
n 是行星齿轮的数目，4n =,
I
是任意整数
根据上述可在此取1210,18Z Z ==满足以上要求。

9.2.2差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定
1）初步确定行星齿轮节锥角1γ和半轴齿轮节锥角2γ
11210arctan arctan 2918Z Z γ⎛⎫⎛⎫
===︒
⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
22118arctan arctan 6110Z Z γ⎛⎫⎛⎫
===︒
⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
2）确定圆锥齿轮大端端面模数m
()()0110222/sin 2/sin 5.14m A Z A Z mm
γγ===
大端端面模数m 按圆锥齿轮的标准模数系列选取，查表得
mm m 5.5=
3）确定半轴齿轮的节圆直径
11 5.51055d mZ mm
==⨯= 22 5.51899d mZ mm
==⨯=
9.2.3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。

行星齿轮的最小齿数可减少到10，并且在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，在此选22.5︒的压力角。

9.2.4行星齿轮安装孔的孔径d 和孔长度L 的确定
行星齿轮安装孔的孔径d 与行星齿轮轴的名义尺寸相同，而行星齿轮安装孔的长度L 就是行星齿轮在其轴上的支承长度，通常取：
1.1L d =
行星齿轮安装孔的孔径d 和孔长度L 的选择要保证挤压强度要求：
[]
310d
c c
d T r n L d δδ=
⨯≤⋅⋅⋅
即
[]
3
10d
d c T d r n L δ≥
⨯⋅⋅⋅
由上面各式可得：
[]
3
101.1d d c T d r n δ⨯≥
⋅⋅
上式中：d T 是差速器的计算转矩，T d =3556N ·m
d
r 是行星齿轮轴孔中心到节锥顶点的距离，约为半轴齿轮齿面宽
中点处平均直径的一半，即20.5d r d '≈，2d '
为半轴齿轮齿面宽中点处的直径，而220.8d d '≈，即20.89979.2d mm '
=⨯=，0.579.239.6d r mm =⨯=
n 是行星齿轮数目，4n =
[]c δ是许用挤压应力，[]298/c N mm δ=
L 是行星齿轮安装孔的长度，
d 是行星齿轮安装孔的孔径
将上述各计算结果代入上式中，可得：
3
7018.61020.271.139.6498d mm
⨯≥=⨯⨯⨯
则d 取22mm ,24L mm =
9.2.5差速器齿轮的几何计算图表
差速器几何计算图表
序号
名称 符号 计算公式
计算结果
1
行星齿轮齿数 1Z
110
Z ≥,
应尽量取最小值
110
Z =
2
半轴齿轮齿数 2Z
21425
Z = ,且需满足
式（3-4）（3-5）
218
Z =
3 模数 m
mm m 5.5= 4 齿面宽 b ()00.250.30;10b A b m
=≤
mm b 15=
5 工作齿高 h g
1.6g h m
=
8.8g h mm
=
6 全齿高 h
1.7880.051h m =+ mm h 885.9=
7 压力角 α
︒=5.22α
8 轴交角
90∑=︒ 90∑=︒
9 节圆直径 d
1122
;d mZ d mZ ==
1255;99d mm d mm
==
10
节锥角
γ
1
12
21
arctan
;90Z Z γγγ==︒-
1229;61γγ=︒=︒
11 节锥距 0
A
12
0122sin 2sin d d A γγ=
=
053A mm
=
12 周节 t 3.1416t m = 17.28t =
13
齿顶高
a
h
122221;
0.370.43a g a a h h h h m Z Z =-⎡⎤⎢⎥
⎢⎥
=+⎢⎥
⎛⎫⎢
⎥ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣
⎦ 12 5.81;2.99a a h mm h mm
==
14 齿根高 f
h
1122
1.788;1.788f a f a h m h h m h =-=-
12 4.024;6.844f f h mm h mm
==
9.2.6差速器齿轮的强度计算
差速器的行星齿轮和半轴齿轮虽然一直处于啮合状态，但是它们并不是一直处于相对转动状态，只是在左右车轮转速不同时才发生相对转动。

而在汽车正常行驶中，这种情况还是相对较少的。

因此，这些齿轮齿面的接触疲劳破坏一般并不发生，主要是轮齿弯曲破坏问题。

在汽车设计中只进行轮齿弯曲强度计算，轮齿弯曲应力为
3
22210s m
w v T K K K m b d J n δ⋅⋅⋅=
⨯⋅⋅⋅⋅
上式中：w δ是弯曲应力，2
/N mm
T
是半轴齿轮计算转矩，0.60.67018.64211.16d T T N m ==⨯=⋅
15 径向间隙 c
0.1880.051
g c h h m =-=+
1.085c mm =
16
齿根角
δ
1102
20arctan ;
arctan
f f h A h A δδ==
12 4.34;7.36δδ=︒=︒
17 面锥角 0
γ 01120221;γγδγγδ=+=+ 010236.36;65.34γγ=︒=︒
18 根锥角 R
γ 111222;R R γγδγγδ=-=-
1224.66;53.64R R γγ=︒=︒
19 齿顶圆直径 a
d 11112222
2cos ;2cos a a a a d d h d d h γγ=+=+
1265.16;101.90a a d mm d mm
== 20 齿根圆直径 f
d
11112222
2cos ;2cos f f f f d d h d d h γγ=-=-
1247.96;92.36f f d mm d mm
==
21 分度圆齿厚 s
2m
s π=
8.64s mm =
22
齿侧间隙
B
0.2450.330B mm =
0.270B mm =
T=0.6T d =0.6×3556=2133.6N ·m
s
K 是齿根弯曲强度和齿面接触强度的尺寸系数，它反映了材料性
质的不均匀性，与齿轮尺寸及热处理等因素有关，当 1.6m mm ≥时，
()0.25/25.4s K m =，所以
0.25
5.50.682
25.4s K ⎛⎫
== ⎪⎝⎭
m
K 是齿面载荷分配系数，跨置式1 1.1m K = ；悬臂式 1.1 1.25m K = ，
此处取1m K =，
v
K 是质量系数，与齿轮精度及齿轮分度圆上的切线速度对齿间载
荷的影响有关，当接触好，周节及同心度准确时，取1v K =,
m 是差速器行星齿轮和半轴齿轮的模数， 5.5m mm =，
2
b 是半轴齿轮的齿宽， 215b mm =
2
d 是半轴齿轮的大端分度圆直径，299d mm =
J 是综合系数，可取0.2253
n 是行星齿轮的数目， 4n =
代入上式中，可得：
4
2253.099155.511
628.06.21332⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=
ωδ=780Mpa<980Mpa
所以，差速器齿轮满足弯曲强度要求。

9.3差速器齿轮材料的选择
汽车的差速器齿轮基本上都用渗碳合金钢制造，用于制造差速器齿轮的材料有18CrMnTi ，20CrMoTi ，22CrMnMo 和20CrMo 等。

为了减少镍铬元素的消耗，近年来我国采用的新材料有20MnVB 和20MnTiB 。

渗碳合金钢的优点是表面硬，耐磨性和抗压性高，而芯部
较软，韧性好，耐冲击。

因此这种材料可以满足齿轮工作的要求。

另外。

由于钢本身的含碳量较低，它们的锻造及切削性能都较好。

因此，汽车差速器齿轮的材料选择20CrMnTi 的渗碳合金钢。

9.4差速器行星齿轮轴的设计计算
9.4.1行星齿轮轴的分类及选用
行星齿轮的种类有很多，而差速器齿轮轴的种类也很多，最常见的是一字轴和十字轴，为了延长轴的使用寿命以及提高轴的承载能力，常选用十字轴，由四个轴的轴颈来分配转矩。

此次设计选用的是行星齿轮十字轴。

如图所示：
十字轴的结构方案图
9.4.2行星齿轮轴的尺寸设计
由行星齿轮的支承长度24L mm =，根据安装时候的方便选择轴颈的长度1L 为50mm ；而行星齿轮安装孔的孔径22d mm =，所以轴颈的直
径1d预选为22mm。

9.4.3行星齿轮轴材料的选择
轴的选择要满足强度、热平衡、轴伸部位承受径向载荷等条件。

轴的常用材料主要有碳素钢和合金钢。

碳素钢价廉，对应力集中敏感性比合金钢低，应用较为广泛，对重要或者承受较大的轴，宜选用35、40、45和50等优质碳素钢，其中以45钢最常用。

所以此次选用的轴的材料为45钢。

9.5差速器标准零件的选用
(1)螺栓的选用和螺栓的材料
连接后桥从动锥齿轮和左差速器壳的螺栓全部使用六角头螺栓，尺寸为M14×1.5，细牙螺纹。

即GB/T 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。

(2)螺母的选用和螺母的材料
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GB/T6170 M14.
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。

（3）差速器轴承的选用
选用的轴承为圆锥滚子轴承。

由差速器和半轴的计算数据可取差
速器轴承外径为80mm左右，内径为50mm左右，参考《机械设计课程设计手册》选取轴承的型号是7010CGB/T 297---1994.
（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定选择普通平键。

由十字轴的半径要求，参考《机械设计课程设计手册》GB/T1096-2003选取平键的尺寸为8×7mm,键的长度为20mm，材料选择45钢。

参考文献
[1]王霄锋.汽车底盘设计.北京:清华大学出版社,2010.200
[2]蔡兴旺,付晓光.汽车构造与原理（第2版下册).北京:机械工业出社,2011.72
[3]王望予.汽车设计（第4版).北京:机械工业出版社,2013
[4]余志生.汽车理论.北京:机械工业出版社,2011
[5]刘云.工程材料应用基础.北京:机械工业出版社,2011
[6]濮良贵,纪名刚.机械设计.北京：高等教育出版社，2006
[7]吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册.北京：高等教育出版社，2010
[8]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
[9]刘鸿文.材料力学（第五版）.北京：高等教育出版社，2010
[10]刘洋，张娜，甘海泉.浅谈汽车设计中的“设计”[J].国际工业设计研讨会暨第十八届全国工业设计学术年会论文集，2013.10
[11]徐满年.汽车总体设计和产品设计师的要求[J],汽车工程师，2013
[12]肖文颖,王书翰.普通锥齿轮差速器行星齿轮的力学分析[J],科技资讯，2007
[13]汽车总体设计概述[J].汽车观察，2011
[14]黄晓云, 张凤赐, 张国忠.基于现代化技术的汽车总体设计参数选择方法[J].中国工程机械学报，2004
[15]马骏.对称式锥齿轮差速器差速原理的动力分析[J].西安矿业学院学报，1998
[16]周新建，于孟，查小净,吴健.差速器齿轮机构的运动学及动力学分析[J].华东交通大学，2010
致谢
此次课程设计历时半个月，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杨世文，给了我很多帮助，还有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，这也是设计得以完成的基础，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。