汽车差速器设计与分析机械毕业设计论文差速器毕业设计.docx
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汽车差速器设计与分析机械毕业设计论文|差速器毕业设计
汽车差速器设计与分析机械毕业设计论文摘
要在去年金融危机的影响下,汽车产业结构的重组给汽车的发展带来了新的机遇,与汽车相关的各行各业更加注重汽车的质量。
差速器作为汽车必不可少的组成部分之一也在汽车市场上产生了激烈的竞争。
此次就是针对汽车差速器这一零进行设计的。
本次设计主要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如齿轮结构和标准零设计计算,同时也介绍了差速器的发展现状和差速器的种类。
对于差速器的方案选择和工作原理也作出了简略的说明。
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。
再设计出合理适用的差速器的同时也对差速器相关的行业有了一定得认识。
通过绘制差速器的组图也让我在学习方面得到了提高。
关键词:
差速器、齿轮结构、设计计算
AbstractInthelastyearundertheimpactoffinancialcrisis,automotiveindustrialrestructuringbroughtaboutbythedevelopmentofmotorvehiclestonewopportunities,andautomotiverelatedbusinessespaymoreattentiontothequalityofcars.Differential
asanintegralpartofcar,oneoftheautomotivemarketalsoresultedinfiercepetition.The
differentialisthesparepartsformotorvehiclesdesigned.The
designofthemaindriversontheinstallationofthebridgeinbetweenthetwoaxledifferentialdesign,mainlyrelatedtothedifferentialstruct-ureofnon-standardpartssuchasgearpartsandstandardsfordesignandcalculation,butalsointroducedthedevelopmentofdifferentialstatusandthetypeofdifferential.For
differentialselectionandtheprincipleoftheprogramhavealsomadeabriefnote.Reference
inthedesi-gnofalargeamountofliteratureontheroleofdifferentialstructureandhaveamorethoro-ughunderstanding.Re-engineering
theapplicationofareasonabledifferentialatthesametimealsohasbeenrelatedindustriesmustbeawareof.Differential
throughthemappingponentmapalsoletmeinthefieldoflearninghasbeenimproved.
Keywords:
differential,gearstructure,design目录摘要IAbstractII目录I第一章概述
1
1.1汽车差速器的发展现状
1
1.2汽车差速器的功用及其分类
2
1.3课题设计初始数据的来源与依据6第二章差速器的设计方案8
2.1差速器的方案选择及结构分析8
2.2差速器的工作原理9第三章差速器非标准零的设计
123.1对称式行星齿轮设计计算
123.1.1对称式行星齿轮参数确定
123.1.2差速器齿轮几何计算图表
133.1.3差速器齿轮的材料
153.1.4差速器齿轮强度的计算
153.2差速器行星齿轮轴的设计计算
163.2.1行星齿轮轴的分类及选用
163.2.2行星齿轮轴的尺寸设计
173.2.3行星齿轮轴的材料
173.3差速器垫圈的设计计算
173.3.1半轴齿轮平垫圈的尺寸设计
183.3.2行星齿轮球面垫圈的尺寸设计
18第四章差速器标准零的选用
194.1螺栓的选用和螺栓的材料
194.2螺母的选用何螺母的材料
194.3差速器轴承的选用
19第五章差速器总成的装复和调整
215.1差速器总成的装复
215.2差速器的零部的调整
21小结
22致谢
23参考文献
24第一章概述
1.1汽车差速器的发展现状在汽车行业发展初期,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之一曾被汽车专家誉为“小零大功用”。
如图1-1所示普通差速器的结构分解图。
本世纪六七十年代,世界经济发展进入了一个高速增长期,而去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。
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。
由小到大是一个量变的过程,科学发展观对它的影响或许仅限于速度和时间,但是由大到强却是一个质变的过程,能否顺利完成这一个蜕变,科学发展观起着至关重要的作用。
然而在这个转型和调整的关键时刻,提高汽车车辆、石油化工、电力通讯差速器的精度、可靠性是中国差速器行业的紧迫任务。
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技术产品方向发展,国企企业新增投资项目逐渐增多。
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,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。
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。
下面图1-1为普通差速器的结构分解图。
这次设计的轮边差速器主要是为克服轮间差速器安装调整不方便,还有因为要布置差速器也使从动齿轮的尺寸受到限制等缺点来设计的。
轮边差速器是安装在驱动轮的轮毂内,差速器壳通过行星齿轮轴固定行星齿轮.行星齿轮与半轴齿轮齿合.
绝对直线行驶时.差速器壳和行星齿轮(行星齿轮与半轴齿轮不发生相对转动)一同随减速器被动齿轮转动.称为公转.
行星齿轮饶自身轴线转动称之自转.将两轮悬空.自转方向相反,转速相同.在转弯时,行星齿轮自转的同时还和差速器壳一起公转.实现两边不等速。
这里我们着重介绍一下一种新型差速器为LMC常互锁差速器:
LMC常互锁差速器是由湖北力鸣汽车差速器公司投资5000万元生产的新型差速器预计2021年批量生产,2021年达到验收。
LMC常互锁差速器用于0.5---1.5吨级车辆,它能有效地提高车辆的通过性、越野性、可靠性、安全性和经济性,能够满足很多不同条和不同情况下的车辆要求。
这种纯机械、非液压、非液粘、非电控的中央差速分动装置,已申报了美、英、日、韩、俄罗斯等19个国家的专利保护,这一技术不仅仅是一项中国发明,也是一项世界发明。
LMC常互锁差速器是由多种类的齿轮系统及相应的轴、壳体组成,具备传统汽车的前轮和后轮轮间差速器、前后桥轴间差速器。
LMC常互锁差速分动器通过四支传动轴和轮边减速器带动四个车轮,实现每个车轮独立驱动,在有两个车轮打滑的情况下仍能正常行驶,在冰雪路面、泥泞路面、无路路面上有
其独特优势,可以彻底解决传统四驱汽车的不足:
如不能高速行驶;车轮打滑不能正常行驶;不能实现轴间差速;高油耗问题、功率循环问题;四驱转换麻烦等。
装有LMC常互锁差速分动器的车辆具有以下优点:
(1)提高车辆的通过性:
具有混合差速,LMC常互锁差速分动器可实现轮间、轴间、对角任意混合差速和锁止,任何情况下单个车轮、对角线双轮不会发生滑转,即使单个车轮悬空,车辆仍有驱动力而能正常行驶。
(2)提高汽车的传动系的寿命和可靠性:
因实现了任意差速,消除了功率循环,克服了分时四驱在四驱状态下传动系统因内耗而产生的差速器、传动轴、分动器等机磨损,甚至于致命性的损坏,延长了传动系统的使用寿命。
(3)提高车辆的安全性:
行车安全、转弯容易、加速性好、制动稳定、操纵轻便安全,无需增加操纵机构。
(4)具有良好的经济性:
功能领先、制造成本低,维修简便、节油,经济环保,产品适用性广。
LMC常互锁差速分动器的研发是在经济刺激的影响下产生的产品,符合我国国情的需要。
1.2汽车差速器的功用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。
图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。
而为了方便安装和调试差速器,还解决现在差速器的从动齿轮尺寸不受限制所以设计了安装在轮毂的差速器称为轮边差速器,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。
差速器按其结构不同可以分为以下几种形式:
1.齿轮式
汽车上广泛采用的是对称锥齿轮式差速器,它具有结构简单、质量小等优点。
它又分为普通锥齿轮式差速器、摩擦片式差速器和强锁止式差速器等。
2.凸轮式
现在常见的是滑块凸轮式差速器,它是一种高摩擦自锁差速器,结构紧凑、质量小、但是结构较复杂。
3.蜗轮式
蜗轮式差速器也是一种高摩擦自锁差速器,这种差速器结构复杂,制造精度要求高,因而限制了它的应用。
4.牙嵌式
牙嵌式自由轮差速器是自锁式差速器的一种,该差速器工作可靠,使用寿命长,锁紧性能稳定,制造加工也不复杂。
1.3差速器的主要结构形式介绍
(一)齿轮式差速器汽车上广泛采用的差速器为对称锥齿轮式差速器,具有结构简单、质量较小等优点,应用广泛。
他又可分为普通锥齿轮式差速器、摩擦片式差速器和强制锁止式差速器等
1.普通锥齿轮式差速器
由于普通锥齿轮式差速器结构简单、工作平稳可靠,所以广泛应用于一般使用条的汽车驱动桥中。
图1-2为其示意图,图中ω0为差速器壳的角速度;ω1、ω2分别为左、右两半轴的角速度;To为差速器壳接受的转矩;Tr为差速器的内摩擦力矩;T1、T2分别为左、右两半轴对差速器的反转矩。
图1-2普通锥齿轮式差速器普通锥齿轮差速器的锁紧系数是一般为0.05~0.15,两半轴转矩比kb=1.11~1.35,这说明左、右半轴的转矩差别不大,故可以认为分配给两半轴的转矩大致相等,这样的分配比例对于在良好路面上行驶的汽车来说是合适的。
但当汽车越野行驶或在泥泞、冰雪路面上行驶,一侧驱动车轮与地面的附着系数很小时,尽管另一侧车轮与地面有良好的附着,其驱动转矩也不得不随附着系数小的一侧同样减小,无法发挥潜在牵引力,以致汽车停驶。
2.摩擦片式差速器为了增加差速器的内摩擦力矩,在半轴齿轮7与差速器壳1之间装上了摩擦片2(图1-3)。
两根行星齿轮轴5互相垂直,轴的两端制成V形面4与差速器壳孔上的V形面相配,两个行星齿轮轴5的V形面是反向安装的。
每个半轴齿轮背面有压盘3和主、从动摩擦片2,主、从动摩擦片2分别经花键与差速器壳1和压盘3相连。
图1-3摩擦片式差速器摩擦片式差速器的锁紧系数k可达0.6,可达4。
这种差速器结构简单,工作平稳,可明显提高汽车通过性。
3.强制锁止式差速器
当一个驱动轮处于附着系数较小的路面时,可通过液压或气动操纵,啮合接合器(即差速锁)将差速器壳与半轴锁紧在一起,使差速器不起作用,这样可充分利用地面的附着系数,使牵对于装有强制锁止式差速器的4X2型汽车,采用差速锁将普通锥齿轮差速器锁住,可使汽车的牵引力提高倍,从而提高了汽车通过性。
当然,如果左、右车轮都处于低附着系数的路面,虽锁住差速器,但牵引力仍超过车轮与地面间的附着力,汽车也无法行驶。
强制锁止式差速器可充分利用原差速器结构,其结构简单,操作方便。
目前,许多使用范围比较广的重型货车上都装用差速锁。
(二)滑块凸轮式差速器图1-4为双排径向滑块凸轮式差速器。
差速器的主动是与差速器壳1连接在一起的套,套上有两排径向孔,滑块2装于孔中并可作径向滑动。
滑块两端分别与差速器的从动元内凸轮4和外凸轮3接触。
内、外凸轮分别与左、右半轴用花键连接。
当差速器传递动力时,主动套带动滑块并通过滑块带动内、外凸轮旋转,同时允许内、外凸轮转速不等。
理论上凸轮形线应是阿基米德螺线,为加工简单起见,可用圆弧曲线代替。
图1-4滑块凸轮式差速器(三)蜗轮式差速器
蜗轮式差速器(图1-5)也是一种高摩擦自锁差速器。
蜗杆2、4同时与行星蜗轮3与半轴蜗轮1、5啮合,从而组成一行星齿轮系统。
图1-5蜗轮式差速器(四)牙嵌式自由轮差速器
牙嵌式自由轮差速器(图1-6)是自锁式差速器的一种。
装有这种差速器的汽车在直线行驶时,主动环可将由主减速器传来的转矩按左、右轮阻力的大小分配给左、右从动环(即左、右半轴)。
当一侧车轮悬空或进入泥泞、冰雪等路面时,主动环的转矩可全部或大部分分配给另一侧车轮。
当转弯行驶时,外侧车轮有快转的趋势,使外侧从动环与主动环脱开,即中断对外轮的转矩传递;内侧车轮有慢转的趋势,使内侧从动环与主动环压得更紧,即主动环转矩全部传给内轮。
由于该差速器在转弯时是内轮单边传动,会引起转向沉重,当拖带挂车时尤为突出。
此外,由于左、右车轮的转矩时断时续,车轮传动装置受的动载荷较大,单边传动也使其受较大的载荷。
图1-6牙嵌式差速器
牙嵌式自由轮差速器的半轴转矩比Ab是可变的,最大可为无穷大。
该差速器工作可靠,使用寿命长,锁紧性能稳定,制造加工也不复杂。
1.4课题设计初始数据表1-1参数表参数名称数值车型 微型客车驱动形式 FR4×2发动机位置 前置最高车速 Umax=110km/h最大爬坡度 imax≥30%汽车总质量 ma=1410kg满载时前轴负荷率 40%外形尺寸 总长La×总宽Ba×总高Ha=3496×1445×1841mm3迎风面积 A≈0.85 Ba×Ha空气阻力系数 CD=0.6轴距 L=2200mm前轮距 B1=1440mm后轮距 B2=1420mm车轮半径 r=300mm离合器 单片干式摩擦离合器变速器 两轴式、四挡
第二章差速器的设计方案
2.1差速器的方案选择及结构分析根据微型客车的类型,初步选定差速器的种类为对称式行星锥齿轮差速器,安装在驱动桥的两个半轴之间,通过两个半轴把动力传给车轮。
现设计简图如下:
图2-1差速器结构方案图如图2-1,对称式行星锥齿轮主要是差速器左右壳1和4,两个半轴齿轮2、2个行星齿轮3、十字轴5。
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轮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。
其具有结构简单、工作平稳、制造方便、安装方便、调试简单等优点。
2.1.1差速器的结构分析
(1)行星齿轮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;
(2)由于行星齿轮3和半轴齿轮2是锥齿轮传动,在传递转矩时,沿行星齿轮和半轴齿轮的轴线有很大的轴向作用力,而齿轮和差速器壳之间又有相对运动。
为减少齿轮和差速器壳之间的磨损,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。
当汽车行驶一定得里程。
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。
(3)在中、重型汽车上由于需要传递的转矩较大,所以要安装4个行星齿轮,行星齿轮轴也要用十字轴。
(4)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。
2.2差速器的工作原理差速器采用对称式锥齿轮结构,其原理如下图2-2所示。
图2-2差速器差速原理图差速器壳3与行星齿轮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,故为主动,设其角速度为ωo;半轴齿轮1和2为从动,其角速度为ω1和ω2.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,其值为ωor.于是,ω1=ω2=ωo,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。
行星齿轮在公转的同时也在进行自传,如图当行星齿轮4除公转外,还绕本身的轴5以角速度ω4自转时,啮合点A的圆周速度为ω1r=ωor+ω4r4,啮合点B的圆周速度为ω2r=ωor--ω4r4.于是有ω1r+ω2r=(ωor+ω4r4)+(ωor--ω4r4)即
ω1+ω2=2ωo若角速度以每分钟转数n表示,则
n1+n2=2no
(2-1)
式(2-1)为两半轴齿轮直径相等的对称式齿轮差速器的运动性方程式。
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他行驶情况下,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--1)可得知:
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当差速器壳转速为零时,若一侧半轴齿轮受到其他外来力矩而转动,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MO:
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MO平均分配给左、右两半轴齿轮,即M1=M2=M0/2。
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,M1=(M0--Mr)/2,M2=(M0+Mr)/2.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K=(M2--M1)/M0=Mr/M0差速器内摩擦力矩Mr和其输入转矩M0(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Kb=M2/M1=(1+K)/(1-K)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K=0.05~0.15,转矩比Kb为1.1~1.4.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。
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车轮与路面上车轮与路面之间附着力很小,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。
在图2-3容易看出汽车在直线行驶时候两半轴的转速相等和在转弯行驶时实现两半轴转速不等:
图2-3差速器工作时转矩变化图当汽车在直线行驶时,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时相等的。
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。
第三章差速器非标准零的设计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的差速器,所以尺寸受到轴承座的限制。
轮边差速器的非标准零主要有从动锥齿轮(对称式锥齿轮)、行星齿轮轴(十字轴)等等。
3.1对称式行星齿轮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,所以把齿轮设计得更加优化就显得更加重要。
如下图3-1为行星齿轮初步方案图。
图3-1行星齿轮的方案图3.1.1对称式行星齿轮参数确定
1.行星齿轮齿数目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,反之就取四个。
而微型客车选择的是两个行星齿轮,即n=2。
2.行星齿轮球面半径的确定RB以及节锥距A0的计算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锥齿轮的节锥距,因此在一定程度上也反映了差速器锥齿轮节锥距的大小和承载能力即是强度。
球面半径可按照如下公式确定:
mm
(3-1)
上式中:
KB——为行星齿轮球面半径系数。
可取2.52~2.99,对于有2个行星齿轮的微型客车取小值;对于有四个行星齿轮的乘用车和矿用车取最大值;
T——为差速器计算转矩(N.m),T=min[Tce,Tcs];取Tce和Tcs的较小值;
RB——为球面半径。
转矩的计算
(3-2)
上式中:
rr——为车轮的滚动半径,取rr=0.3m;
igh——变速器最高档传动比。
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
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