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

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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

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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?0；半轴齿轮1和2为从动件，其角速度为?1和?2。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，

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

?1r+?2r=（?0r+?4r）+(?0r-?4r)

即 ?1+ ?2=2?0 （2-1）

若角速度以每分钟转数n表示，则

n1?n2?2n0 （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。

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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RB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

RB，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RB可按如下的经验公式确定：

RB?KB3T mm (4-1)

式中：KB——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

i0=0.377rrnpvamaxigh （4-2）

式中rr——车轮的滚动半径， rr=0.398m

igh——变速器量高档传动比。igh =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=5200r/n , vamax=140km/h , rr=0.398m , igh=1代入（4-2） 计算出 i0=5.91 从动锥齿轮计算转矩Tce

Tce?

kTdemaxkiii?n1f0 （4-3）

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式中：

Tce—计算转矩，Nm；

Temax—发动机最大转矩；Temax =158 Nm n—计算驱动桥数，1； if—变速器传动比，if=3.704； i0—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；

Kd—由于猛接离合器而产生的动载系数，Kd=1； i1—变速器最低挡传动比，i1=1； 代入式（4-3），有：

Tce=3320.4 Nm 主动锥齿轮计算转矩T=896.4Nm

..4=40mm 所以预选其节锥距A0=40mm 根据上式RB=2.7333203.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z1/z2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z2L，z2R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，即应满足的安装条件为：

z2L?z2R?I (4-4) n式中：z2L，z2R——左右半轴齿轮的齿数，对于对称式圆锥齿轮差速器来说，

z2L=z2R

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n——行星齿轮数目； I——任意整数。

在此z1=12，z2=20 满足以上要求。

4.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?1，?2 ?1?arctanz110=arctan=30.96° ?1=90°-?2=59.03°

18z2 再按下式初步求出圆锥齿轮的大端端面模数m m=

2A02A02?40.27sin?1=sin?2=sin30.96?=3.35 z1z212 查阅文献[3] 取m=4mm

得d1?mz1?4?12=48mm d2?mz2=4×20=80mm 5.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。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：

L?1.1?

T0?103 L??1.1??

??c??nl2T0?103??

1.1??c?nl 7

式中：T0——差速器传递的转矩，N·m；在此取3320.4N·m n——行星齿轮的数目；在此为4

l——行星齿轮支承面中点至锥顶的距离，mm， l≈0.5d'2， d'2为半轴齿

轮齿面宽中点处的直径，而d'2≈0.8d2；

??c?——支承面的许用挤压应力，在此取69 MPa

'根据上式 d2?0.8?80=64mm l=0.5×64=32mm

3320.4?103 ??≈18.4mm L?1.1?18.4≈20mm

1.1?69?4?324.2 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?w为

2Tkskm3???10 w MPa (4-5)

kvmb2d2Jn式中：T——差速器一个行星齿轮传给一个半轴齿轮的转矩，其计算式

T0?0.6T?

n在此T为498.06N·m；

n——差速器的行星齿轮数； z2——半轴齿轮齿数；

Ks——尺寸系数，反映材料的不均匀性，与齿轮尺寸和热处理有关，

当ｍ?1.6时，Ks?4m4，在此Ks?4＝0.629 25.425.4Km——载荷分配系数，当两个齿轮均用骑马式支承型式时，Km＝1.00

～1.1；

其他方式支承时取1.10～1.25。支承刚度大时取最小值。

Kv——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

跳动精度高时，可取1.0;

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J——计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数，由图4-1可查得J=0.225

图4-1 弯曲计算用综合系数

2?103?498.06?1.1?0.629根据上式?w==478.6MPa〈980 MPa

20?20?80?0.225所以，差速器齿轮满足弯曲强度要求。

此节内容图表参考了著作文献[1]中差速器设计一节。

5 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。

结 论

本次课程设计根据给出的设计要求和原始设计参数，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、结构方案的比较和选择、相关参数的计算，大致确定了差速器的基本结构和主要尺寸以及制造相关零部件所用的材料。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z2L，z2R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。

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计算方面：根据中型载重汽车（6109客车)差速器的基本参数Temax,n,if,i0,η,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。

由于自己的水平有限，本次设计中可能有很多错误和遗漏，希望各位老师批评指正。

参考文献

[1]余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社，2000 [2]刘惟信.汽车设计.北京：清华大学出版社，2001.7

[3]吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册（第三版）.高等教育出版社，2006.11 [4]刘惟信.汽车车桥设计.北京：清华大学出版社，2004.4

[5]李东江，李和，张大成.东南富利卡汽车维修手册.北京理工大学，2003.5

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/b2c6.html