对称式锥齿轮差速器结构设计

摘差速器是汽车转向过程中所必须的传动机构，差速器在乘用车上使用较频繁，损坏较严重。所以对于差速器的结构设计，相关参数的优化设计、性能设计等都非常重要。本文首先介绍了差速器技术的应用背景及国内外研究动态。对差速器的工作原理、结构、作用及种对称式圆锥行星齿轮差速器能把扭矩大致平均的分配给半轴，并允许车轮有相对转动。对差速器进行了详细的设计计算，从而确定了差速器各个零部件如半轴齿轮、行星齿轮、十字轴等的详细参数，确定了各零部件的选用材料，并校核了各个零部件的强度。简述了依据汽车设计规范对差速器各零件进行结构设计的主要思路，利用绘图软件则有助于及时发现和解决结构设计中的问题，从而缩短差速器产品的研发周期，降低设计成本。介绍了差速器典型零部件的加工工艺过程。关键词：半轴，差速器，齿轮结构Thedifferentialisthenecessarytransmissionmechanisminthesteeringprocess.Thedifferentialisfrequentlyusedonheavydutytrucks,andthedamageismoreserious.Therefore,itisveryimportantforthestructuraldesignofdifferential,theoptimumdesignofrelevantparametersandtheperformancedesign.Thispaperfirstintroducestheapplicationbackgroundofdifferentialtechnologyandtheresearchtrendsathomeandabroad.Theworkingprinciple,structure,functionandtypeofdifferentialareintroducedindetail.Aftermakingvariouscomparisons,itisdeterminedthatthesymmetricalconicalplanetarygeardifferentialisthedesigntype.Thesymmetricalconicalplanetarygeardifferentialcandistributethetorqueroughlytothehalfaxleandallowthewheelstorotaterelatively.Thedetaileddesignandcalculationofthedifferentialarecarriedout,andthedetailedparametersofthedifferentialpartsofthedifferential,suchashalfaxlegear,planetarygearandcrossshaft,aredetermined,theselectedmaterialsforeachcomponentaredetermined,andthestrengthofeachcomponentischecked.Themainideasofthestructuraldesignofthedifferentialpartsofthedifferentialaredescribedinthispaper.Thedrawingsoftwarehelpstofindandsolvetheproblemsinthestructuraldesignintime,thusshorteningtheresearchanddevelopmentcycleofthedifferentialproductsandreducingthedesigncost.Theprocessingtechnologyoftypicalpartsofdifferentialisintroduced.Keywords:semishaft,differential,gear 引 汽车差速器研究的背景及意 汽车差速器国内外研究现 国外差速器生产企业的研究现 我国差速器行业市场的发展以及研究现 汽车差速器的功用及其分 毕业设计初始数据的来源与依 本章小 差速器的设计方 差速器的方案选择及结构分 差速器的工作原 错误!未定义书签本章小 差速器非标准零件的设 对称式行星齿轮的设计计 对称式差速器齿轮参数的确 差速器齿轮的几何计算图 差速器齿轮的强度计 差速器齿轮材料的选 差速器齿轮的设计方 错误!未定义书签差速器行星齿轮轴的设计计 行星齿轮轴的分类及选 行星齿轮轴的尺寸设 行星齿轮轴材料的选 差速器垫圈的设计计 半轴齿轮平垫圈的尺寸设 行星齿轮球面垫圈的尺寸设 本章小 差速器标准零件的选 螺栓的选用和螺栓的材 螺母的选用和螺母的材 差速器轴承的选 十字轴键的选 本章小 差速器总成的装配和调 差速器总成的装 差速器零部件的调 本章小 参考文 致 引言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]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。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。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，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]。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。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。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。毕业设计初始数据的来源与依据1、课题内容对称式行星锥齿轮主要是差速器左右壳，两个半轴齿轮、四个行星齿轮、十字轴。动力传输到差速器壳，差速器壳带动十字轴5转动。十字轴又带动安装在它四个轴颈上的行星齿轮转动，行星齿轮与半轴齿轮相互啮合，所以又将转矩传递给半轴齿轮，半轴齿轮与半轴相连，半轴又将动力传给驱动轮，完成汽车的行驶。要求学生完成对称式锥齿轮差速器结构设计，计算、二维图设计、主要零件有限元分析。.2、车型基本参数基本参数对应数值基本参数对应数值发动机最大功率变速器一档传动比发动机最大功率转速变速器二档传动比发动机最大扭矩变速器三档传动比发动机最大扭矩转速变速器四档传动比最高车速变速器五档传动比满载总质量变速器倒档传动比主减速器传动比本章小结本章主要阐述了汽车差速器的研究背景以及发展现状，并且详细介绍了差速器的功用以及分类，最后参考收集了有关本次毕业设计所需的数据资料等，为毕业设计的顺利完成提供了可靠的依据。差速器的设计方案差速器的方案选择及结构分析2.1差速器结构方案图对称式行星锥齿轮主要是差速器左右壳14，两个半轴齿轮2、四个行星齿轮35。动力传输到差速器壳1，差速器壳带动十字轴5转动。十字轴又带动安装在它四个轴颈上的行星齿3转动，行星齿轮与半轴齿轮相互啮合，所以又将转矩传递给半轴齿轮，半轴齿轮与半轴相连，半轴又将动力传给驱动轮，完成汽车的行驶。差速器的结构分析：3的背面大都做成球面，与差速器壳1配合，保证行星齿轮具有良好的对中性，以利于和两个半轴齿轮2正确地啮合；由于行星齿轮32是锥齿轮传动，在传递转矩时，沿行星齿轮和半轴齿轮的轴在半轴齿轮背面与差速器壳相应的摩擦面之间装有平垫圈，而在行星齿轮和差速器壳之间装有球面垫圈。当汽车行驶一定的里程，垫圈磨损后可以通过更换垫圈来调整齿轮的啮合间隙，以提高差速器的寿命。在中、重型汽车上由于需要传递的转矩较大，所以要安装四个行星齿轮，行星齿轮轴也要用十字轴。为了保证行星齿轮和十字轴之间有良好的润滑，在十字轴的轴颈铣出了一个平面，以储存润滑油润滑齿轮背面。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w012为从动件，其角速度为w1w2。A、B两点分别为行星齿轮4与半轴齿轮12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rA、B、C三点的圆周速度都相等（2-1，其值为w0rw1w2w0，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。4除公转外，还绕本身的轴5w4自转时（图，啮合点A的圆周速度为w1rw0rw4rBw2rw0rw4r。于是

（2-若角速度以每分钟转数n表示，则

n1n2

（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。对称式锥齿轮差速器的转矩分配M0：由主减速器传来的转矩，经由差速器壳、行星齿轮轴和行星齿轮传给半轴齿轮。行星齿轮相当于一个等臂杠杆，而两个半轴齿轮的半径也是相等的。因此，当行星齿轮没有自转时，总是将转矩M0平均分配给左、右两半轴齿轮，即M1M2M0/2。当两半轴齿轮以不同的转速朝相同的方向转动时，设左半轴转速n1大于右半轴转速n2，则行星齿轮将按顺时针的方向绕行星齿轮轴自转。此时行星齿轮孔与行星齿轮轴轴颈间以及齿轮背部与差速器壳之间都产生摩擦。行星齿轮所受的摩擦力矩Mr方向与行星齿轮的转向相反，此摩擦力矩使行星齿轮分别对左、右半轴齿轮附加作用了大小相等而方向相反的两个圆周力，因此当左、右驱动车轮存在转速差时，M1M0Mr2M2M0Mr2左、右车轮上的转矩之差等于差速器的内摩擦力矩Mr为了衡量差速器内摩擦力矩的大小及转矩分配特性，常以锁紧系数K表示KM2M1/MMr/

（2-差速器内摩擦力矩MrM0（差速器壳体上的力矩之比定义为差速器锁紧系数K。快慢半轴的转矩之比M2/M1定义为转矩比，以

（2-目前广泛使用的对称式锥齿轮差速器的内摩擦力矩很小，其锁紧系数K0.050.15，转矩比Kb为1.11.4，可以认为，无论左、右驱动车轮转速是否相等，其转矩基本上总是平均分配的。这样的分配比例对于汽车在好的路面上直线或转弯行驶时，都是令人满意的。但是当汽车在坏的路面行驶时，却严重影响了通过能力。例如，当汽车的一个驱动车轮接触到泥泞或冰雪路面的时候，在泥泞路面上的车轮原地滑转，而在好路面上的车轮静止不动。这是因为在泥泞路面上的车轮比在好路面上的车轮与路面之间附着力小，路面只能对半轴作用很小的反作用很小的反作用转矩，虽然另一车轮与好路面间的附着力较大，但因对称式锥齿轮差速器具有转矩平均分配的特性，使这一个车轮分配到的转矩只能与传到滑转的驱动车轮上的很小的转矩相等，致使总的驱动力不足以克服行驶阻力，汽车便不能前进。当汽车直线行驶时，此时行星齿轮轴将转距平均分配两半轴齿轮，两半轴齿轮转速恒等于差速器壳的转速，传递给左右车轮的转矩也是相等的。此时左右车轮的转速是相等的。而当汽车转弯行驶时，其中一个半轴转动一个角，两半轴的转矩就得不到平均分配，必然出现一个转速大，一个转速小，此时汽车就平稳地完成了转弯行驶。本章小结针对这次毕业设计的课题，本章就差速器的工作原理做了详细的说明，并且结合小型小型汽车的特点以及特性，进行了差速器的方案选择，已达到设计出合适的差速器的目的。差速器非标准零件的设计对称式锥齿轮差速器的具体详细结构如下图3-1：3.1普通的对称式锥齿轮差速器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；1-差速器右壳由于差速器壳上装着主减速器的从动齿轮，所以差速器的从动锥齿轮尺寸受到主减速器从动齿轮轴承支承座以及主动齿轮导向轴承座的限制。而因为此次设计的是安装在驱动桥的两个半轴之间（对称式锥齿轮、行星齿轮轴（十字轴）等等。对称式行星齿轮的设计计算对于安装在半轴之间的差速器，它的尺寸受到轴承座的限制，而影响差速器尺寸的主要就是齿轮的尺寸，所以如何把齿轮设计得更加优化就显得更加重要。对称式差速器齿轮参数的确定行星齿轮数目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。而小型汽车选择的是四个行星齿轮即n4。行星齿轮球面半径Rb的确定以及节锥距A0的计算行星齿轮背面的球面半径Rb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A0的大小和承载能力。Rb可以根据如下经验公式确定：RbKb3

（3-Kb是行星齿轮球面半径系数，Kb2.5~2.79，对于有四个行星齿轮的轿车和公路用小型汽车取小值，对于有两个行星齿轮的轿车以及有四个行星齿轮的越野车和矿用车，取大值。此处，Kb取2.7.TdTdTGmminTGe,TGsNRb转矩的计算从动锥齿轮计算转矩

KdTemaxKi1ifi0n

（3-TGe是计算转矩，NmKd是由于猛接离合器而产生的动载系数，对于性能系数fj0的汽车(一般小型汽车，矿用汽车，越野车)Kd1Temax是发动机最大转矩；K是液力变矩器K1i1是变速器一档传动比，小型汽车变速器一档传动比i17.31if是分动器传if1i0是主减速器传动比，小型汽车采用双曲线齿轮，单级减速器，主减速器传动比i06.33；是从发动机到主减速器从动齿轮之间的传动效率，96nn代入式（3-2）中，得

115817.3116.330.967018.6N1从动锥齿轮计算转矩

G2m2

（3-TGs是计算转矩；G2是满载状态下一个驱动桥上的静负荷，对于小型轿车，为了保证在泥泞路面上的通行能力，提高地面驱动力，常将满载时前轴负荷控制在总轴荷的26~27m2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1.2~1.41.1~1.2,此处m2取1.1是轮胎与地面间的附着系数，对一般轮胎的公路用车，可取0.85rr是轮胎的滚动半径，小型汽车采用普通斜交帘线的标准轮辋轮胎，查表得rr0.398mim是主减速器从动锥齿im3.125；m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，m1，代入式（3-3）中，得：TGs

Tdmin(TGs,TGe)TGe7018.6Nm将以上数据代入式（3-1）中，得：

A0Rb，

A0(0.98~0.99)Rb(52.92~A0行星齿轮与半轴齿轮的设计和选择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Z1应该尽可能少，但一般10，半轴齿轮的齿数Z2一般采用14~15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Z1:Z21.5:2 （3-Z2LZ2Rn

（3-式中：Z1是差速器行星齿轮的齿数；Z2是差速器半轴齿轮的齿数；Z2L和Z2R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，Z2LZ2Rn是行星齿轮的数目，n4;I是任意整数。根据上述可在此取Z110Z218满足以上要求。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1和半轴齿轮节锥角Z1 101arctanZarctan18

（3-2 arctanZ2arctan18 Z 1 <2>确定圆锥齿轮大端端面模数m2A0/Z1sin12A0/Z2sin2大端端面模数m按圆锥齿轮的标准模数系列选取，查表得m

（3-<3>确定半轴齿轮的节圆直径d1mZ15.51055mmd2mZ25.51899mm

（3-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。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。行星齿轮安装孔的孔径dL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：L

（3-c行星齿轮安装孔的孔径dL的选择要保证挤压强度要求：cc

103

（3- d

rdnLc

由上面各式可得：

d

（3- 1.1rdncT 1.1rdncT为半轴齿轮齿面宽中点处平均直径的一半，即r0.5dd为半轴齿轮齿面宽中点处的直径，而 d20.8d2，即d20.89979.2mmrd0.579.239.6mmn是行星齿轮数目，n4 是许用挤压应力，98Nmm2L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式（3-11 根据本设计要求，d22mm,L差速器齿轮的几何计算图表3.1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Z110应尽量取最小值Z12半轴齿轮齿数Z2 25,且需满足式4（3-Z23模数mm4齿面宽bb bb5工作齿高hghg6全齿高hh1.788mh9.8857压力角8轴交角续表9节圆直径dd1mZ1;d2d155mm;d2节锥角arctanZ1 229012节锥距A 2sin 2sin 周节ttt齿顶高ha1hgha2 .430.37a 2Z 1ha2齿根高hhf11.788mha1;hf21.788mhahf14.024mm;hf2径向间隙cchhg0.188mc齿根角arctanhf 0arctanhf 012面锥角01120220102根锥角R111R22R1R2齿顶圆直径da1d12ha1cos1;da2d22ha2cosda165.16mm;da2101.90mm齿根圆直径ddf1d12hf1cos1;df2d22hf2cosdf147.96mm;df2续表分度圆齿厚ss2s齿侧间隙BB B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 2TKs

（3- KmbdJ wd式中：是弯曲应力，Nmm2；T是半轴齿轮计算转矩，Twd

0.67018.64211.16NKs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m1.6mm时，Ksm/ ，所

Ks25.4

Km是齿面载荷分配系数，跨置式Km1~1.1Km1.1~1.25Km1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Kv1m是差速器行星齿轮和半轴齿轮的模数，m5.5mmb2是半轴齿轮的齿宽，b215mmd2是半轴齿轮的大端分度圆直径，d299mmJ是综合系数，参照图3.2Jn是行星齿轮的数目，

n

3.2弯曲计算用综合系数代入式（3-12）中，可得：24211.160.682 780MPa980MPa 15.515990.2253所以，差速器齿轮满足弯曲强度要求。差速器齿轮材料的选择（1）（2）在轮齿芯部应该具有适当的韧性以适应冲击载荷，避免在冲击载荷下齿根折断，（3）钢材的锻造性能，切削性能及热处理性能应该比较好，热处理变形要小或变形规律要容易控制，（4）选择齿轮材料要适应我国情况，少用镍铬等合金钢，选用锰、钒、硼、钛、鉬、硅等元素的合金钢。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，20CrMoi22CrMnMo20CrMo20MnVB20MnTiB。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。差速器行星齿轮轴的设计计算行星齿轮轴的分类及选用行星齿轮的种类有很多，而差速器齿轮轴也有很多种类，最常见的是一字轴和十字轴，小型汽车一般用一字轴，因为小型汽车的转矩不大，而载货常选用十字轴，因为大质量的汽车传递的转矩较大，使用长轴能够提高周的承载能力和延长轴的寿命由四个轴的轴颈来分配转矩。此次设计主要参考小型汽车，所以选用的是行星齿轮十字轴。如图3.4所示：3.4十字轴的结构方案图行星齿轮轴的尺寸设计L24mmL150mm；而行星齿轮安装孔的孔径d22mm，所以轴颈的直径d122mm。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、4550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。十字轴的强度校核在计算半轴在承受最大转矩时还应该校核其花键的剪切应力和挤压应力。半轴花键的剪切应力为TTDBda）

（3-半轴花键的挤压应力为 TczLp[(DBdA)/c

d

)/

（3-T十字轴承受的最大转矩，T=1667.95Nm；DB半轴花键(轴)外径；dA——相配的花键孔内径；z—花键齿数Lp——花键工作长度；b——花键齿宽——载荷分布的不均匀系数，取0.75。将数据带入式（3-13（3-14）s=33.27c=62.39根据要求当传递的转矩最大时，十字轴的切应力[s]不应超过71.05MPa，挤压应力c]不应超过196MPa，以上计算均满足要求。差速器垫圈的设计计算垫圈[17]是垫在连接件与螺母之间的零件，一般为扁平形的金属环，用来保护被接件的表面不受螺母擦伤，分散螺母对被接件的压力。垫圈的种类有：弹簧垫圈、平垫圈、密封垫圈、球面垫圈等。垫圈的材料通常是软钢、青铜、尼龙、聚甲醛塑料。在差速器传递转矩的时候，行星齿轮和半轴齿轮要受到很大的轴向力，而齿轮和差速器壳之间又有相对运动，所以要用垫圈以减少磨损。差速器要用到两个垫圈，一个垫圈是半轴齿轮支承垫圈为圆形平垫圈，连接件一个是软质地的，一个是硬质地较脆的，其主要作用是增大接触面积，分散压力，防止把质地软的压坏。另外一个是差速器行星齿轮支承垫圈为球面垫圈，球面垫圈将行星齿轮和行星齿轮十字轴固定在一起传递转矩。半轴齿轮平垫圈的尺寸设计3.5所示：为平垫圈的结构方案简图。3.5平垫圈参考小型汽车的半轴直径的数据为50mm,3.5（a）所示，按照装配关系可选择半轴齿轮平垫圈的安装孔直径D50mm，初步预选安装孔直径D250.5mm3.5（b）根据安装的简易程度选取垫圈的厚度h为8mm.选用的材料是65Mn。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D222mmh7mm,选用的材料是Q235A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CATIA的差速器建模工作奠定了基础。差速器标准零件的选用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]。而小型汽车在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784 98Nm],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137.2~156.8Nm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GB/T5782M14×1.5.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。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、AI型六角螺母：即是GB/T6170M14.符合小型汽车的螺栓要求。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。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》选取的圆锥滚子轴承的型号是33010GB/T297---1994其尺寸为d

DT

50mm80mm

28mmFa

52.53Ne

0.37,Y1.6Cr

载荷支反力FNH1FNV1FNH2FNV2径向载荷

Fr1312.46N,Fr281 Fr1312.46轴向力

Fd

Fr

2811.1253.42Fa1Fd1Fa97.6452.53Fa2Fd2Fa1150.170.48e轴承当量动载荷

FrFaFr

253.470.31ePr10.4Fr1YFa10.4312.461.6150.17Pr2Fr2Pr

P2PP2Pr r365.262

验算轴承寿命

Lh

(rp

175200h16r故所选轴承满足寿命要求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。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。差速器总成的装配和调整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：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0.5mm。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0.15~0.40mm，而一对齿轮的齿轮间隙变0.15mm0.15mm0.30mm，若最大齿轮间隙为0.40mm，则最小齿轮间隙为0.25mm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]。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。6差速器锥齿轮齿根应力分析6.1如上6.1是标准渐开线齿轮的一个齿的截面图形，da——齿顶圆，d——分度圆，db——渐开线基圆，df——齿根圆。渐开线齿廓啮合传动具有如下几个优点：能保证定传动比传动并且具有可分性，对于每一个具体齿轮来说，其基圆半径为常数，两轮基圆半径的比值为定值，故渐开线齿轮能保证定传动比传动。渐开线齿廓之间的正压力方向不变，在齿轮传动过程中，两个啮合齿廓的正压力始终沿啮合线方向，故其传力方向不变，这对于齿轮传动的平稳性是有利的。由于渐开线齿廓还有加工刀具简单、工艺成熟等优点，故其应用特别广泛。但是，在实际啮合过程中，齿轮受到压力时必然会有微小的变形，这时齿轮的啮合就由理想状态下的线接触变成面接触。因此在分析单个齿的齿根应力的时候运用这种思想，试建模和分析过程大大简化。齿轮啮合过程中啮合点始终是在分度圆的径向的一个小的范围内，故在建模的时候将分度圆偏移一段距离之后便在齿廓截面上的齿廓曲线上形成了一小段曲线，在分析过程中就可以对这条曲线施加载荷，如下图所示：6.2同样的道理，当模型上升到体的高度上时，啮合线便会被抽象成为一个在理想啮合线周围的微小的啮合面，受到的压力也可以近似的认为是加在这个平面上。一个齿廓截面的二维平面分析建模proe创建一个齿的齿廓曲线保存为IGS格式，选择“基准曲线和点”选项。6.3模型导出ansysIGS格式文件就可以得到创建的齿廓曲线。定义单元类型将分析设置为结构分析，如图6.4structural选定适合具体分析的单元类型。再此选择8节点的二维单元“8node82”。命令：preprocessor>element打开单元类型对话框如图6.4选择分析类型6.5添加单元类型对话框6.6选择单元类型add按钮，将打开libraryofelementtype(单元类型库)6.6C.然后在左边的列表框中选择solid选项，选择实体单元类型。在右边的列表框中选择“8node82”选项，选择8节点单元PLANE82OK按钮，将该单元添加，并关闭单元类型对话框，同时返回到第一步打开的单元类型对话框。定义材料属性从主菜单中选择preprocessor>materialprops>materialmodeldefinematerialmodelbehavior(定义材料模型属性)窗口，如图6.7：6.7定义材料属性依次双击structural>linear>elastic>isotropic，展开材料属性的树形结构。将打开1号材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框，如图6.8：6.8定义单行模量及泊松比EX文本框中输入材料的弹性模量2.06e11PRXY文本框中输入泊松比0.3OK按钮，关闭对话框，并返回到定义材料模型属性窗口，在此窗口的左边一栏出现刚刚定义的参考号1的材料属性，关掉此对话框。划分网格从主菜单中选择preprocessor>meshing>meshtool，将打开网格划分工具对话框，如图6.9meshareasmesh，打开面选择对话框，要求选择要划分的面。单击此齿廓截面。ansysansysOK。在工具栏单击“savedb”保存数据。划分后的面如图6.10：图6.9划分工 图6.10网格划分完施加约束条件从主菜单中选择mainmenu：solution>defineloads>apply>structural>displacement>onlines命令，打开线选择对话框，要求选择欲施加约束的线。选择齿廓截面的底部的线（齿根圆的一部分，单击“Apply”按钮，打开applyU,Roton对话框，如图6.11添加约束选择“alldof”选项，单击OK按钮，限制所有的自由度。施加载荷从主菜单中选择mainmenu：solution>defineloads>apply>structural>pressure>onlines命令，打6.12L40：选择这条曲线后单击“apply”applyPRESonlinesvalue的文本框中输入压力值，单击OK按钮，如图6.13：单击“savedb”按钮保存数据库。6.13施加载荷求解从主菜单中选择mainmenu：solution>solve>currentLS如图6.14所示，要求查看列出的求解选项。3.14求解选项查看列表中的信息确认无误后，单击OK按钮，开始求解。求解完成后打开如图3.15所示的提示求解完成的对话框。3.15分析完成单击“close”按钮，关闭提示求解完成对话框。3.1.8查看结果求解完成后就可以利用ansys软件生成的结果文件进行后处理。显示变形形状从主菜单中选择mainmenu：generalpostproc>plotresults>deformedShape命令，打开plotdeformedShape对话框，如图3.16所示：6.16查看变形量命令def+undeformed选项，表示变形前后的形状对比，单击OK按钮即可看到变形形状，如6.17：3.17vonmises等效应力从主菜单中选择mainmenu：generalpostproc>plotresults>contourplot>nodalsolu命令，打开contournodalsolutiondata对话框。itemtobecontoured域左边的列表中选择stress选项。在下边的列表框中选择vonmisesstress选项，如图6.18所示。defshapeonly单选按钮。OK按钮，图形窗口中显示出vonmises等效应力分布图，如图6.19所示。6.18查看等效应力6.19应力等值线图直齿圆锥齿轮单个齿的齿根应力分析模型的导入proe建立起单个齿的锥齿轮，单击工具栏上的ansys10.0ANSYSGEOM选项，ansys被打开，模型已经被导入，单击ansys工具栏上的plotvolume选项显示体积，就可以看到在proe中创建的模型。定义单元类型将分析设置为结构分析，如图6.4structural选定适合具体分析的单元类型。再此选择8节点的二维单元“8node82”。命令：preprocessor>element打开单元类型对话框如图6.20添加单元类型对话框6.21选择单元类型add按钮，将打开libraryofelementtype(单元类型库)6.21C.然后在左边的列表框中选择solid选项，选择实体单元类型。在右边的列表框中选择“brick8node45”选项。OK按钮，将该单元添加，并关闭单元类型对话框，同时返回到第一步打开的单元类型对话框。定义材料属性从主菜单中选择preprocessor>materialprops>materialmodeldefinematerialmodelbehavior(定义材料模型属性)窗口，如图6.22：6.22定义材料属性依次双击structural>linear>elastic>isotropic，展开材料属性的树形结构。将打开1号材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框，如图6.23：6.23定义弹性模量及泊松比EX文本框中输入材料的弹性模量2.06e11PRXY文本框中输入泊松比0.3OK按钮，关闭对话框，并返回到定义材料模型属性窗口，在此窗口的左边一栏出现刚刚定义的参考号1的材料属性，关掉此对话框。3.2.4划分网格从主菜单中选择preprocessor>meshing>meshtool，将打开网格划分工具对话框，如图6.24meshareasmesh，打开面选择对话框，要求选择要划分的面。单击此齿廓截面。ansysansysOK。在工具栏单击“savedb”保存数据。划分后的面如图6.25：图6.24划分工 图3.25划分后的一个6.2.5施加约束条件从主菜单中选择mainmenu：solution>defineloads>apply>structural>displacement>onareas命令，打开线选择对话框，要求选择欲施加约束的面，如图6.26选择齿廓截面的底部的面，单击“Apply”按钮，打开applyU,Rotonareas对话框，如图6.26选取约束面6.27限制自由度选择“alldof”选项，单击OK按钮，限制所有的自由度。6.2.6施加载荷从主菜单中选择mainmenu：solution>define structural>pressure>onareas命令打开线选择对话框，要求选择欲施加