車輛工程畢業(yè)設計16汽車差速器設計+錐齒輪設計

第四節(jié) 差速器設計 汽車在行駛過程中，左、右車輪在同一時間內(nèi)所滾過的路程往往是不相等的，如轉(zhuǎn)彎時內(nèi)側(cè)車輪行程比外側(cè)車輪短；左右兩輪胎內(nèi)的氣壓不等、胎面磨損不均勻、兩車輪上的負荷不均勻而引起車輪滾動半徑不相等；左右兩輪接觸的路面條件不同，行駛阻力不等等。這樣，如果驅(qū)動橋的左、右車輪剛性連接，則不論轉(zhuǎn)彎行駛或直線行駛，均會引起車輪在路面上的滑移或滑轉(zhuǎn)，一方面會加劇輪胎磨損、功率和燃料消耗，另一方面會使轉(zhuǎn)向沉重，通過性和操縱穩(wěn)定性變壞。為此，在驅(qū)動橋的左、右車輪間都裝有輪間差速器。在多橋驅(qū)動的汽車上還常裝有軸間 差速器，以提高通過性，同時避免在驅(qū)動橋間產(chǎn)生功率循環(huán)及由此引起的附加載荷、傳動系零件損壞、輪胎磨損和燃料消耗等。 差速器用來在兩輸出軸間分配轉(zhuǎn)矩，并保證兩輸出軸有可能以不同角速度轉(zhuǎn)動。差速器按其結(jié)構(gòu)特征可分為齒輪式、凸輪式、蝸輪式和牙嵌自由輪式等多種形式。 一、差速器結(jié)構(gòu)形式選擇 (一 )齒輪式差速器 汽車上廣泛采用的差速器為對稱錐齒輪式差速器，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量較小等優(yōu)點，應用廣泛。他又可分為普通錐齒輪式差速器、摩擦片式差速器和強制鎖止式差速器等 1普通錐齒輪式差速器 由于普通錐齒輪式差速器 結(jié)構(gòu)簡單、工作平穩(wěn)可靠，所以廣泛應用于一般使用條件的汽車驅(qū)動橋中。圖 5 19 為其示意圖，圖中 0 為差速器殼的角速度； 1、2 分別為左、右兩半軸的角速度；To 為差速器殼接受的轉(zhuǎn)矩； Tr 為差速器的內(nèi)摩擦力矩； T1、 T2 分別為左、右兩半軸對差速器的反轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)運動分析可得 1+2 20(5 23) 顯然，當一側(cè)半軸不轉(zhuǎn)時，另 一側(cè)半軸將以兩倍的差速器殼體角速度旋轉(zhuǎn)；當差速器殼體不轉(zhuǎn)時，左右半軸將等速反向旋轉(zhuǎn)。 根據(jù)力矩平衡可得 T0T2T1 T0T1-T2 (5 - 24) 差速器性能常以鎖緊系數(shù) k 是來表征，定義為差速器的內(nèi)摩擦力矩與差速器殼接受的轉(zhuǎn)矩之比，由下式確定 結(jié)合式 (5 24)可得 k) -0 .5 T 0 ( 1T1k)0 .5 T 0 ( 1T2 (5 - 26) 定義快慢轉(zhuǎn)半軸的轉(zhuǎn)矩比 kb=T2/T1,則 kb 與 k 之間有 kk11kb kbk 11kb (5 - 27) 普通錐齒輪差速器的鎖緊系數(shù)是一般為 0 05 0 15，兩半軸轉(zhuǎn)矩比 kb=1 111 35，這說明左、右半軸的轉(zhuǎn)矩差別不大，故可以認為分配給兩半軸的轉(zhuǎn)矩大致相等，這樣的分配比例對于在良好路面上行駛的汽車來說是合適的。但當汽車越野行駛或在泥濘、冰雪路面上行駛，一側(cè)驅(qū)動車輪與地面的附著系數(shù)很小時，盡管另一側(cè)車輪與地面有良好的附著，其驅(qū)動轉(zhuǎn)矩也不得不隨附著系數(shù)小的一側(cè)同樣地減小，無法發(fā)揮潛在牽引力 ，以致汽車停駛。 2.摩擦片式差速器 為了增加差速器的內(nèi)摩擦力矩，在半軸齒輪 7 與差速器殼 1 之間裝上了摩擦片2(圖 5 20)。兩根行星齒輪軸 5 互相垂直，軸的兩端制成 V 形面 4 與差速器殼孔上的 V 形面相配，兩個行星齒輪軸 5 的 V 形面是反向安裝的。每個半軸齒輪背面有壓盤 3 和主、從動摩擦片 2，主、從動摩擦片 2 分別經(jīng)花鍵與差速器殼 1 和壓盤 3 相連。 當傳遞轉(zhuǎn)矩時，差速器殼通過斜面對行星齒輪軸產(chǎn)生沿行星齒輪軸線 方向的軸向力，該軸向力推動行星齒輪使壓盤將摩擦片壓緊。當左、右半軸轉(zhuǎn)速 不等時，主、從動摩擦片間產(chǎn)生相對滑轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生摩擦力矩。此摩擦力矩 Tr，與差速器所傳遞的轉(zhuǎn)矩丁。成正比，可表示為 示為 tanz fT0Trdfr r (5 - 28) 式中， fr 為摩擦片平均摩擦半徑；dr為差速器殼 V 形面中點到半軸齒輪中心線的距離； f 為摩擦因數(shù)； z為摩擦面數(shù)； 為 V 形面的半角。 摩擦片式差速器的鎖緊系數(shù) k可達 0 6，bk可達 4。這種差速器結(jié)構(gòu)簡單，工作平穩(wěn)，可明顯提高汽車通過性。 3強制鎖止式差速器 當一個驅(qū)動輪處于附著系數(shù)較小的路面時，可通過液壓或氣動操縱，嚙合接合器 (即差速鎖 )將差速器殼與半軸鎖緊在一起，使差速器不起作用，這樣可充分利用地面的附著系數(shù)，使牽 對于裝有強制鎖止式差速器的 4X2 型汽車，假設一驅(qū)動輪行駛在低附著系數(shù)甲 min 的路面上，另一驅(qū)動輪行駛在高附著系數(shù) 的路 面上，這樣裝有普通錐齒輪差速器的汽車所能發(fā)揮 的最大牽引力tF為 m in2m in2m in2 22 GGGFt (5 - 29) 式中， 2G 為驅(qū)動橋上的負荷。 如果差速器完全鎖住，則汽車所能發(fā)揮的最大牽引力 tF為 )(222 m i n2m i n22 GGGtF (5 - 30) 可見，采用差速鎖將普通錐齒輪差速器鎖住，可使汽車的牽引力提高 minmin 2/ 倍，從而提高了汽車通過性。 當然，如果左、右車輪都處于低附著系數(shù)的路面，雖鎖住差速器，但牽引力仍超過車輪與地面間的附著力，汽車也無法行駛。 強制鎖止式差速器可充分利用原差速器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。目前，許多使用范圍比較廣的重型貨車上都裝用差速鎖。 (二 )滑塊凸輪式差速器 圖 5 21為雙排徑向滑塊凸輪式差速器。 差速器的主動件是與差速器殼 1連接在一起的套，套上有兩排徑向孔，滑塊 2裝于孔中并可作徑向滑動?；瑝K兩端分別與差速器的從動元件內(nèi)凸輪 4和外凸輪 3接觸。內(nèi)、外凸輪分別與左、右半軸用花鍵連接。當差速器傳 遞動力時，主動套帶動滑塊并通過滑塊帶動內(nèi)、外凸輪旋轉(zhuǎn)，同時允許內(nèi)、外凸輪轉(zhuǎn)速不等。理論上凸輪形線應是阿基米德螺線，為加工簡單起見，可用圓弧曲線代替。 圖 5 22為滑塊受力圖。滑塊與內(nèi)凸輪、外凸輪和主動套之間的作用力分別為Fl、 F2和 F，由于接觸面間的摩擦，這些力與接觸點法線方向均偏斜一摩擦角戶。由 F1、 F2和 F構(gòu)成的力三角形可知 式中， 1 2分別為內(nèi)、外凸輪形線的升角。 左、右半軸受的轉(zhuǎn)矩 Tl和 T2分別為 中， r1、 r2分別為滑塊與內(nèi)、外凸輪接觸點的半徑。 將式 (5 31)代人式 (5 32)可得 因此，凸塊式差速器左、右半軸的轉(zhuǎn)矩比 kb為 )s in ( )2c o s ( r)s in ( )2-c o s ( r121212 bk(5 - 34) 滑塊凸輪式差速器址一種高摩擦自鎖差速器，其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小。但其結(jié)構(gòu)較復雜，禮零件材料、機械加工、熱處耶、化學處理等方面均有較高的技術要求。 (三 )蝸輪式差速器 蝸輪式差速器 (圖 5 23)也是一種高摩擦自鎖差速器。蝸桿 2、 4同時與行星蝸輪 3與半軸蝸輪 1、 5嚙合，從而組成一行星齒輪系統(tǒng)。這種差速器半軸的轉(zhuǎn)矩比為 式中，為蝸桿螺旋 角；為摩擦角。 蝸輪式差速器的半軸轉(zhuǎn)矩比 kb可高達 5 67 9 00，鎖緊系數(shù)是達 0 7 0 8。但在如此高的內(nèi)摩擦情況下，差速器磨損快、壽命短。當把 kb降到 2 65 3 00， k降到 0 45 0 50時，可提高該差速器的使用壽命。由于這種差速器結(jié)構(gòu)復雜，制造精度要求高，因而限制了它的應用。 (四 )牙嵌式自由輪差速器 牙嵌式自由輪差速器 (圖 5 24)是自鎖式差速器的一種。裝有這種差速器的汽車在直線行駛時，主動環(huán)可將由主減速器傳來的轉(zhuǎn)矩按左、右輪阻力的大小分配給左、右從動環(huán) (即左、右半軸 )。 當一側(cè)車輪懸空或進入泥濘、冰雪等路面時，主動環(huán)的轉(zhuǎn)矩可全部或大部分分配給另一側(cè)車輪。當轉(zhuǎn)彎行駛時，外側(cè)車輪有快轉(zhuǎn)的趨勢，使外側(cè)從動環(huán)與主動環(huán)脫開，即中斷對外輪的轉(zhuǎn)矩傳遞；內(nèi)側(cè)車輪有慢轉(zhuǎn)的趨勢，使內(nèi)側(cè)從動環(huán)與主動環(huán)壓得更緊，即主動環(huán)轉(zhuǎn)矩全部傳給內(nèi)輪。由于該差速器在轉(zhuǎn)彎時是內(nèi)輪單邊傳動，會引起轉(zhuǎn)向沉重，當拖帶 掛車時尤為突出。此外，由于左、右車輪的轉(zhuǎn)矩時斷時續(xù)，車輪傳動裝置受的動載荷較大，單邊傳動也使其受較大的載荷。 牙嵌式自由輪差速器的半軸轉(zhuǎn)矩比 Ab是可變的，最大可為無窮大。該差速器工作可靠，使用壽命長 ，鎖緊性能穩(wěn)定，制造加工也不復雜。 二、普通錐齒輪差速器齒輪設計 (一 )差速器齒輪主要參數(shù)選擇 1行星齒輪數(shù) n 行星齒輪數(shù) n需根據(jù)承載情況來選擇。通常情況下，轎車： n=2；貨車或越野車：n=4。 2行星齒輪球面半徑 Rb 行星齒輪球面半徑 Rb反映了差速器錐齒輪節(jié)錐距的大小和承載能力，可根據(jù)經(jīng)驗公式來確定 式中， Kb為行星齒輪球面半徑系數(shù)， Kb =2 5 3 0，對于有四個行星齒輪的轎車和公路用貨車取小值，對于有兩個行星齒輪的轎車及四個行星齒輪的越野車和礦用車取大 值； Td為差速器計算轉(zhuǎn)矩 (N m)， Td=minTce,Tcs: Rb 為球面半徑 (mm)。 行星齒輪節(jié)錐距 A0為 3行星齒輪和半軸齒輪齒數(shù) Z1、 Z2 為了使輪齒有較高的強度，希望取較大的模數(shù)，但尺寸會增大，于是又要求行星齒輪的齒數(shù) Z1應取少些，但 Z1一般不少于 10。半軸齒輪齒數(shù) Z2在 14 25選用。大多數(shù)汽車的半軸齒輪與行星齒輪的齒數(shù)比 Z2 Z1在 1 5 2 0的范圍內(nèi)。 為使兩個或四個行星齒輪能同時與兩個半軸齒輪嚙合，兩半軸齒輪齒數(shù)和必須能被行星齒輪數(shù)整除，否則差速齒輪不能裝配。 4行星齒輪和半軸齒輪節(jié)錐角 1、 2及模數(shù) m 行星齒輪和半軸齒輪節(jié)錐角 1、 2分別為 錐齒輪大端端面模數(shù) m為 22 011 0 s in2s in2 zAzAm (5 - 39) 5壓力角 汽車差速齒輪大都采用壓力角為 3022 、齒高系數(shù)為 0.8 的齒形。某些重型貨車和礦用車采用 25 壓力角，以提高齒輪強度。 6行星齒輪軸直徑 d 及支承長 度 L 行星齒輪軸直徑 d(mm)為 (5-40) 式中，0T為差速器傳遞的轉(zhuǎn)矩 (N m)， n 為行星齒輪數(shù)；dr為行星齒輪支承面中點到錐頂?shù)木嚯x (mm)，約為半軸齒輪齒寬中點處平均直徑的一半； c為支承面許用擠壓應力，取 98MPa。行星齒輪在軸上的支承長度 L 為 (5-40) (二 )差速器齒輪強度計算差速器齒輪的尺寸受結(jié)構(gòu)限制，而且承受的載荷較大，它不像主減速器齒輪那樣經(jīng)常處于嚙合傳動狀態(tài)，只有當汽車轉(zhuǎn)彎或左、右輪行駛不同的路程時，或一側(cè)車輪打滑而滑轉(zhuǎn)時，差速器齒輪才能有嚙合傳動的相對運動。因此，對于差速器齒輪主要應進行彎曲強度計算。輪齒彎曲應力w(MPa)為 (5-40) 式中， n為行星齒輪數(shù)； J為綜合系數(shù)，取法見參考文獻 10； 2b 、 2d 分別為半軸齒輪齒寬及其大端分度圓直徑 (mm)； T為半軸齒輪計算轉(zhuǎn)矩 (N m)，06.0 TT ；vk、sk、mk按主減速器齒輪強度計算的有關數(shù)值選取。 當 ,min0 csce TTT 時， 9 8 0w M P a ；當cFTT 0時 ， 2 1 0w M Pa 。 差速器齒輪與主減速器齒輪一樣，基本上都是用滲碳合金鋼制造， 目前用于制造差速器錐齒輪的材料為 20CrMnTi、 20CrMoTi、 22CrMnMo和 20CrMo等。由于差速器齒輪輪齒要求的精度較低，所以精鍛差速器齒輪工藝已被廣泛應用。 三、粘性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)及在汽車上的布置 粘性聯(lián)軸器是一種利用液體粘性傳遞動力的裝置。它以其優(yōu)良的性能不僅廣泛應用于四輪驅(qū)動汽車上，而且也應用于兩輪驅(qū)動汽車上。 1粘性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)和工作原理 粘性聯(lián)軸 器結(jié)構(gòu)簡圖如圖 5 25所示。內(nèi)葉片 2與 A軸 1以花鍵連接，葉片可在軸上滑動；外葉片 6與殼體 3也以花鍵連接，但葉片內(nèi)有隔環(huán) 7，防止外葉片軸向移動。隔環(huán)的厚度決定了內(nèi)、外葉片的間隙。葉片上各自加工有孔或槽，殼體內(nèi)充人作為粘性工作介質(zhì)的硅油 4，用油封密封。 粘性聯(lián)軸器屬于液體粘性傳動裝置，是依靠硅油的粘性阻力來傳遞動力，即通過內(nèi)、外葉片間硅油的油膜剪切力來傳遞動力。一般在密封的殼體內(nèi)填充了占其空間80 90的硅油 (其余是空氣 )，高粘度的硅油存在于內(nèi)、外葉片的間隙內(nèi)。當 A軸與月軸之間有轉(zhuǎn)速差時，內(nèi)、外葉片間 將產(chǎn)生剪切阻力，使轉(zhuǎn)矩由高速軸傳遞到低速軸。它所能傳遞的轉(zhuǎn)矩與聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)、硅油粘度及輸入軸、輸出軸的轉(zhuǎn)速差有關。 2粘性聯(lián)軸器在車上的布置 根據(jù)全輪驅(qū)動形式的不同，粘性聯(lián)軸器在汽車上有不同的布置形式。 圖 5 26為粘性聯(lián)軸器作為軸間差速器限動裝置的簡圖。軸間差速器殼體上的齒輪 1與變速器輸出軸上的齒輪相嚙合，殼體內(nèi)的左齒輪通過空心軸 2與右側(cè)的前橋差速器 6殼體相連，右齒輪通過空心軸 4和齒輪 7等與后橋差速器殼上的齒輪相連。粘性聯(lián)軸器 5的殼體與空心軸 4相連，內(nèi)葉片連接在空心軸 2上，這樣它就與軸間差 速器3并聯(lián)在一起，內(nèi)、外葉片的轉(zhuǎn)速分別反映了前、后差速器殼體的轉(zhuǎn)速。 當前、后橋差速器殼體轉(zhuǎn)速相近時，粘性聯(lián)軸器內(nèi)、外葉片轉(zhuǎn)速相近，它并不起限動作用，此時軸間差速器將轉(zhuǎn)矩按固定比例分配給前、后橋。當某一車輪 (如前輪 )嚴重打滑時，前橋差速器殼的轉(zhuǎn)速升高，粘性聯(lián)