普通圆锥齿轮差速器设计

汽车设计

课程设计说明书

（论文）

普通锥齿轮差速器设计

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2011年5月15日

摘要

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、工作平稳可靠、质量较小、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。本文参照传统差速器的设计方法进行了载货汽车差速器的设计。本文首先根据经验公式，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。本文是采用普通圆锥齿轮差速器作为载货汽车的差速器进行设计的。

关键字：对称式、锥齿轮、差速器、行星齿轮

1 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的要求；在多桥驱动汽车上还常装有轴间差速器，以提高通过性，同时避免在驱动桥间产生功率循环及由此引起的附加载荷，使传动系零件损坏、轮胎磨损和增加燃料消耗等。

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。差速器按其结构特征不同有多种形式，在此设计普通对称式锥齿轮差速器。

2 对称式锥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0ω；半轴齿轮1和2为从动件，其角速度为1ω和2ω。

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（图2-1），其值为0ωr 。于是1ω=2ω=0ω，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4ω自转时（图），啮合点A 的圆周速度为1ωr =0ωr +4ωr ，啮合点B 的圆周速度为2ωr =0ωr -4ωr 。于是

1ωr +2ωr =（0ωr +4ωr ）+(0ωr -4ωr )

即 1ω+ 2ω=20ω （2-1）

若角速度以每分钟转数n 表示，则

0212n n n =+ （2-2）

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。

由式2-2）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。

3 对称式锥齿轮差速器的结构

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。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。

4 对称式锥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。

4.1 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B R 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B R ，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B R 可按如下的经验公式确定：

3T K R B B mm (4-1)

式中：B K ——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

r p

0amax gh r n i =0.377v i （4-2）

式中r r ——车轮的滚动半径， r r =0.398m

i gh ——变速器量高档传动比。i gh =1

根据所选定的主减速比i 0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n n =5200r/n , amax v =140km/h , r r =0.398m , i gh =1代入（4-2）

计算出 i 0=5.91

从动锥齿轮计算转矩Tce

n i i i k T k T f e d ce η01max =

（4-3）

式中：

Tce —计算转矩，Nm ； T emax —发动机最大转矩；T emax =158 Nm

n —计算驱动桥数，1；

i f —变速器传动比，i f =3.704；

i 0—主减速器传动比，I 0=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；

K d —由于猛接离合器而产生的动载系数，K d =1；

i 1—变速器最低挡传动比，i 1=1；

代入式（4-3），有：

Tce=3320.4 Nm

主动锥齿轮计算转矩T=896.4Nm

根据上式B R =2.734..3320=40mm 所以预选其节锥距A 0=40mm

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1z /2z 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L z 2，R z 2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