汽车设计课程设计

雨燕1.3L乘用车普通锥齿轮差速器及半浮式半轴

设计说明书

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雨燕1.3L乘用汽车差速器的设计。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雨燕1.3L乘用汽车的差速器进行设计的。

半浮式半轴以靠近外端的轴颈直接支承在置于桥壳外端内孔中的轴承上，而端部则以具有锥面的轴颈及键与车轮毂相固定，或以突缘直接与车轮轮盘及制动鼓相联接，因此，半浮式半轴除传递转矩外，还要承受车轮传来的垂向力、纵向力（驱动力或制动力）及侧向力所引起的弯矩。可见，半浮式半轴承受的载荷复杂，但它具有结构简单、质量小、尺寸紧凑、造价低廉等优点。用吞质量较小、使用条件较好、承载负荷也不大的轿车和轻型载货汽车。雨燕1.3L小型乘用车的结构紧凑，整备质量小，适合选用半浮式半轴。

关键字：对称式、锥齿轮、差速器、行星齿轮、半浮式半轴

引言：根据汽车行驶运动学的要求和实际的车轮、道路以及它们之间的相互关系表明：汽车在行驶过程中左右车轮在同一时间内所滚过的行程往往是有差别的。例如，转弯时外侧车轮的行程总要比内侧的长。另外，即使汽车作直线行驶，也会由于左右车轮在同一时间内所滚过的路面垂向波形的不同，或由于左右车轮轮胎气压、轮胎负荷、胎面磨损程度的不同以及制造误差等因互引起左右车轮外径不同或滚动半径不相等而要求车轮行程不等 。在左右车轮行程不等的情况下，如果采用一根整体的驱动车轮轴将动力传给左右车轮，则会由于左右驱动车轮的转速虽相等而行程却又不同的这一运动学上的矛盾，引起某一红运车轮产生滑移。这不仅会使轮胎过早磨损、无益地消耗功率和燃料及使驱动 车轮轴超载等，还会加为不能按所要求的瞬时中心转向而使操纵性变坏。此外，由于车轮与路面间尤其在转弯时有大的滑转或滑移，易使汽车在转向时失去搞侧滑能力而使稳定性变坏，从而满足了汽车行驶运动学的要求。

同样情况也发生在多桥驱动中，前、后驱动槰这间，中、后驱动桥之间等会加车轮

滚动半径不同而导致驱动桥间的功率循环，从而使传动系的载荷增大，损伤其零件，增加轮胎的磨损和燃料的消耗等，因此一些多桥驱动的汽车上也装了轴间差速器。

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。

雨燕1.3L乘用车的基本配置如下表格所示

一、普通锥齿轮差速器设计

1、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，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。

2、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。

3、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。

3.1 差速器齿轮的基本参数的选择

1.行星齿轮数目的选择

雨燕小型乘用汽车采用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 Kbd mm (4-1)

式中：Kb——行星齿轮球面半径系数，可取2.5～2.97，对于有2个行星齿轮的轿车取大值；

Td——计算转矩，取Tce和Tcs的较小值，N·m.

行星齿轮凶锥距A0为

A0 (0.98~0.99)Rb

转矩的计算 rrna

i0 0.377vamaxigh （4-2）

式中rr——车轮的滚动半径，查GB/T 2978-1997《汽车轮胎系列》表6得rr=0.293 m

igh——变速器量高档传动比，雨燕13.L是四档变速器，所以 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=4500 r/n , vamax=163 km/h , rr=0.293 m , igh=1代入（4-2） 计算出 i0=3.05

从动锥齿轮计算转矩 kdTemaxki1ifi0 Tce （4-3） 式中：

Tce—计算转矩，Nm；

Temax—发动机最大转矩；Temax=110 Nm

n—计算驱动桥数，n=1；

if—变速器传动比，if=3.704；

i0—主减速器传动比，i0=3.05；

—变速器传动效率， =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=1193.0 Nm

Tce主动锥齿轮计算转矩T==1193.0/3.704=322.08 Nm ir

根据上式Rb=2.7.0=15.6 mm，A0 (0.98~0.99)Rb，查资料[2]363页表9-19，预选其节锥距A0=15.29 mm。

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

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 z112=arctan=30.96° 2=90°- 1=59.03° 20z2

再按下式初步求出圆锥齿轮的大端端面模数m

m=2A02A02 15.29sin 1=sin 2=sin30.96 =1.31 z1z212

查阅文献[6]第297页表7-11 标准模数（GB/T 1357—1987） 取m=1.25 mm

得d1 mz1 1.25 12=15mm d2 mz2=1.25×20=25mm

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 nl2

T0 103

1.1 cnl

式中：T0——差速器传递的转矩，N·m；在此取1193.0 N·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

1193.0 103

≈11.1 mm L 1.1 11.1≈12.2mm 1.1 69 4 32

3.2 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

w csm

kvmb2d2Jn (4-5)

0T 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n，

T＝178.95 N·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=0.5

Km——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;

b2、d2分别为半轴齿轮齿宽及其大端分度圆直径（mm）

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。

4、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。

二、半浮式半轴设计

半轴的主要尺寸是它的直径，设计与计算时首先应合理地确定其计算载荷。

半轴的计算应考虑到以下三种可能的载荷工况：

（1）纵向力X2（驱动力或制动力）最大时（X2 Z2 ），附着系数 取0.8，没有侧向力作用；

（2）侧向力Y2最大时，其最大值发生于侧滑时，为Z2 1，侧滑时轮胎与地面的侧向附着系数 1在计算中取0.1，没有纵向力作用；

（3）垂向力最大时，这发生在汽车以可能的高速通过不平路面时，其值为 Z2 gw kd，kd是动载荷系数，这时没有纵向力和侧向力的作用。

由于车轮承受的纵向力X2，侧向力Y2值的大小受车轮与地面最大附着力的限制，即有

Z2 2X2 Y22

故纵向力X2最大时不会有侧向力作用，而侧向力Y2最大时也不会有纵向力作用。

1.半浮式半轴的设计计算

半浮式半轴的设计计算，应根据上述三种载荷工况进行。

''对左右半轴来说，垂向力Z2L，Z2R为 m'GZ Z Z2 gw gw '

2L'2R

式中 G2——满载静止汽车的驱动桥对水平地面的载荷，N；

m'——汽车加速和减速时的质量转移系数，对于前驱动桥可取m1' 1.4~1.7；

' 对于后驱动桥可取m2 1.2~1.4；

gw——侧车轮（包括轮毂、制动器等）本身对水平地面的载荷，N。

纵向力应按最大附着力计算，即

X2L X2R m'G2

式中 ——轮胎与地面的附着系数，取 ＝0.8.

对于驱动车轮来说，当按发动机最大转矩Temax及传动系最低档传动比iTL计算所得的纵向力（见下式）小于按最大附着为所决定的纵向力时，则应按下式计算，即

X2L或X2R TemaxiTL T/rr

式中 ——差速器的转矩分配系数，

档传动比与主减速比之乘积； T20 1，对于普通圆锥齿轮差速器分动器低

T——汽车传动系效率，计算时可忽略不计或取国0.9；

rr——轮胎的滚动半径，m。

左、右半轴所承受的合成弯矩M (N m)为

'22'22M b(Z2) X b(Z) XL2L2R2R

式中 b——见下图(a)。

转矩为

T X2Lrr X2Rrr

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。

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

[6]大连理工大学工程图学教研室.机械制图(第六版）.北京：高等教育出版社,2007.7

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