離心式限速差速器設計及仿真分析

1、<p>　　全日制普通本科生畢業(yè)設計 </p><p>　　離心式限速差速器設計及仿真分析 </p><p>　　DESIGN AND SIMULATION ANALYSIS OF THE CENTRIFUGAL </p><p>　　LIMITED SLIP DIFFERENTIAL </p><p>　　湖南農業(yè)大學全日制普

2、通本科生畢業(yè)論文（設計）誠 信 聲 明 </p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文（設計）是本人在指導老師的指導下，進</p><p>　　行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。除文中已經注明引用的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結果由本

3、人承擔。 </p><p>　　畢業(yè)論文（設計）作者簽名： </p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　目 錄 </b></p><p>　　摘要……………………………………………………………………………………1 關鍵詞……………………………………………………………………………

4、……1 </p><p>　　前言…………………………………………………………………………………1 </p><p>　　研究目的及意義…………………………………………………………………6 </p><p>　　差速器……………………………………………………………………………7 </p><p>　　限滑（限速）差速器………………………………

5、……………………………3 </p><p>　　國內外研究現(xiàn)狀…………………………………………………………………3 </p><p>　　扭力感應式……………………………………………………………………7 </p><p>　　螺旋齒輪式……………………………………………………………………4 </p><p>　　滾珠鎖定式…………………………

6、…………………………………………8 </p><p>　　黏性耦合式……………………………………………………………………8 </p><p>　　機械式…………………………………………………………………………8 2 離心式限速差速器的基本原理及方案的確定……………………………………9 </p><p>　　對稱式圓錐行星齒輪差速器的差速原理………………………

7、………………9 </p><p>　　離心鎖止機構方案的確定………………………………………………………10 3 差速器齒輪主要參數(shù)的選擇與計算………………………………………………11 </p><p>　　3.1 差速器齒輪的基本參數(shù)的選擇…………………………………………………11 </p><p>　　行星齒輪數(shù)目的選擇………………………………………………

8、…………11 </p><p>　　行星齒輪球面半徑RB的確定…………………………………………………11 </p><p>　　行星齒輪與半軸齒輪的選擇…………………………………………………12 </p><p>　　差速器圓錐齒輪模數(shù)及半軸齒輪節(jié)圓直徑的初步確定……………………13 </p><p>　　壓力角α …………………………………

9、……………………………………13 </p><p>　　行星齒輪安裝孔的直徑?及其深度L………………………………………13 </p><p>　　差速器齒輪的強度計算…………………………………………………………16 </p><p>　　差速器齒輪的材料………………………………………………………………16 4 驅動半軸的設計……………………………………………

10、………………………17 </p><p>　　半浮式半軸桿部半徑的確定……………………………………………………17 </p><p>　　半軸花鍵的強度計算……………………………………………………………18 </p><p>　　半軸其他主要參數(shù)的選擇………………………………………………………19 </p><p>　　半軸的結構設計及材料與

11、熱處理………………………………………………19 5 離心鎖止機構的設計………………………………………………………………20 </p><p>　　離心飛錘結構形式的選擇………………………………………………………20 </p><p>　　離心飛錘的設計與計算…………………………………………………………20 </p><p>　　飛錘在靜態(tài)下重心位置的確定……

12、…………………………………………21 </p><p>　　飛錘介入轉速的確定…………………………………………………………21 </p><p>　　5.3 調速彈簧的設計…………………………………………………………………22 6 直齒圓錐齒輪的仿真分析…………………………………………………………23 </p><p>　　6.1 直齒圓錐齒輪參數(shù)化建模……

13、…………………………………………………20 </p><p>　　直齒圓錐齒輪建模原理………………………………………………………20 </p><p>　　直齒圓錐齒輪的基本參數(shù)……………………………………………………20 </p><p>　　6.2 錐齒輪建模方法…………………………………………………………………24 </p><p>　

14、　建模步驟………………………………………………………………………24 </p><p>　　齒輪模型的生成………………………………………………………………25 </p><p>　　6.3 齒輪有限元分析…………………………………………………………………26 </p><p>　　齒輪有限元分析概述…………………………………………………………26 </p>

15、;<p>　　有限元模型的建立及優(yōu)化處理………………………………………………27 </p><p>　　有限元分析……………………………………………………………………24 </p><p>　　6.4 小結………………………………………………………………………………29 </p><p>　　9 結論……………………………………………………………………

16、……………26 參考文獻………………………………………………………………………………26 致謝……………………………………………………………………………………27 </p><p>　　離心式限速差速器設計及仿真分析 </p><p>　　學 生：陳權瑞指導老師：李軍政 </p><p>　　(湖南農業(yè)大學工學院，長沙 410128) <

17、/p><p>　　摘 要：本文設計研究了離心式限速差速器，其目的是在普通差速器基礎上增加一套離心機構，使差速器在一定條件下鎖止差速從而限制車輪滑動，以應對特定情況。在設計過程中綜合運</p><p>　　用了機械原理、機械設計、Solidworks、AutoCAD 等知識，并利用 AutoCAD 軟件繪制裝配圖和零件圖。同時運用分析軟件結合汽車構造、汽車設計、材料力學等學科知識對離心式限速差

18、速器進行仿真分析。首先，本文將概述限滑差速器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，介紹其領域的最新發(fā)展狀況。其次，對差速器的行星齒輪、半軸齒輪和軸及軸承做詳細的設計計算，并進行受力分析、強度和剛度校核計算。然后進行對離心差速鎖止裝置進行設計，確定飛錘、彈簧、鎖止機構等的結構和參數(shù)，進行受力分析，強度和剛度校核，進行運動仿真分析。最后得出結論。 </p><p>　　關鍵詞：差速器；齒輪；飛錘；彈簧；鎖止機構</p>&

19、lt;p>　　Design and Simulation Analysis of The Centrifugal Limited Slip Differential</p><p>　　Student：Chen Quanrui Tutor：Li Junzheng </p><p>　　(College of engi

20、neering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) </p><p>　　Abstract：This design of the centrifugal speed differential, the aim is to increase the differential of a common centrifugal mechanism

21、 on the basis that the differential lock under certain conditions to limit the differential wheel slip in response to specific circumstances. In the design process, the integrated use of mechanical principles, mechanical

22、 design, Solidworks, AutoCAD, knowledge and use of AutoCAD software assembly drawing and parts diagram. While the use of analysis software combined</p><p>　　Key words： differentials ; gear ; flyweight ; spri

23、ng ; locking mechanism ; </p><p><b>　　1前言 </b></p><p>　　1.1 研究目的及意義 </p><p>　　雖然限速差速器的各種技術已經趨于成熟，且市面上各種形式的限速差速器種類十分豐富，但大多結構比較復雜，成本較高。而且在離心式限速差速器的研究方面幾乎是一片空白。</p>

24、<p>　　鑒此，開展離心式限速差速器的設計計算方法，限速性能，試驗方法，在實際中的應用的研究，具有重要的理論意義和實用價值。</p><p><b>　　1.2差速器 </b></p><p>　　圖 1 典型的差速器結構圖</p><p>　　Fig.1 The typical structure of the differe

25、ntial </p><p>　　1－軸承；2、8－差速器殼；3、5－調整墊片；6－行星齒輪； </p><p>　　7－從動錐齒輪；4－半軸齒輪；9－行星齒輪軸；10－螺栓 </p><p>　　差速器是一種能使旋轉運動自一根軸傳至兩根軸，并使后者相互間能以不同轉速旋轉的差動機構。一般由齒輪組成 ?1?。汽車、拖拉機上的差速器位于后橋內，由差速</p>

26、<p>　　殼、行星齒輪及半軸齒輪組成。</p><p>　　1.3限滑（限速）差速器 </p><p>　　由于差速器是藉由盆型齒輪及角齒輪驅動，內部包含邊齒輪及差速小齒輪。當車輛直行時，并無差速作用，差速小齒輪及邊齒輪整個會隨著盆齒輪公轉無差速作用，一旦車輛轉彎內、外輪阻力不一樣時，差速齒輪組因阻力的作用迫使產生自轉功能進而調整左、右輪速。既然左、右輪速的變化及調整是藉由

27、輪胎及地面阻抗來自由產生，那么后續(xù)的使用狀況就將造成車輛無法行駛的狀態(tài) ?2? 。</p><p>　　譬如說當車輛一輪掉入坑洞中，此車輪就毫無任何摩擦力可言，著地車輪相對卻有著極大的阻力，此時差速器的作用會讓所有動力回饋到低摩擦的輪子。掉入坑洞的車輪會不停轉動，而著地輪反而完全無動作，如此車輪就無法行駛。</p><p>　　限速差速器，也稱限滑差速器。顧名思義就是限制車輪滑動的一種改進

28、型差速器，</p><p>　　指兩側驅動輪轉速差值被允許在一定范圍內，以保證正常的轉彎等行駛性能的一類差速器。</p><p>　　1.4國內外研究現(xiàn)狀</p><p>　　限速差速器，尤其是汽車上運用的防滑差速器目前已十分成熟。主要的形式有 ?3?：</p><p>　　1.4.1扭力感應式 </p><p>　　

29、是采用螺旋齒輪組，一樣利用左、右雙組的摩擦力來限定滑差效應，由于螺旋齒輪采縱向和基座齒輪的橫向交錯，無離合器片的損耗，運用在后驅車輛，其故障率較低，維修保養(yǎng)亦趨于簡單，雖然在動力輸出方面未能有強大的表現(xiàn)，但實用原則為其最大之優(yōu)點。它是將普通差速器的齒輪從齒輪改成渦輪蝸桿，而安裝位置和形式并不變，借由蝸輪蝸桿傳動的自鎖功能（蝸桿可以向蝸輪傳遞扭矩，而蝸輪向渦桿施以扭矩時齒間摩擦力大于所傳遞的扭矩，而無法旋轉）來實現(xiàn)防滑功能。大名鼎鼎的奧迪

30、 quattro 就是采用這種結構，還有許多原廠高性能車種都是采用此種型式，像 RX-7 FD3S 的原廠限速差速器就相當有名。在扭力感應式限速差速器的特性方面，雖然其較少使用在運動用途上，但摩擦部分與機械式比較起來效果更好，而且維修上非常簡單，這是它的最大優(yōu)點。1.4.2螺旋齒輪式 </p><p>　　其內部構造依然采用螺旋齒輪，有別于扭力感應式的限速差速器是此螺旋齒輪限速差速器所配置的齒輪全為「橫向」，也就

31、是和輸出軸的運轉同一方向，利用行星齒輪大小減速比的功能達到限速功能，其最大的弱點在于限定鎖定扭力滑差的比例較小，但也因為維修及使用保養(yǎng)無需特別的注意，更不需要使用限速差速器專用油，因此原廠如 Honda 1.8 升 Type-R、Silvia S15…等較新款的前輪帶動車，也幾乎都是使用此型式之限速差速器，此等限速差速器還有一個現(xiàn)象，就是車輛頂高后，轉動驅動的左右兩輪，并不會一起前進或后退，因此在當年 TIS 1：9 房車賽規(guī)格的驗車過

32、程中，它算是可以瞞混過關的偷改武器！螺旋齒輪限速差速器內部的齒輪構造與扭力感應式限速差速器有些相似，同樣是將普通差速器的齒輪從直齒改成螺旋齒，不過不是利用二者摩擦力的不同，而是改變了齒輪的安裝位置和形式，通過只有螺旋齒輪才能實現(xiàn)的安裝位置和形式，利用齒輪的減速比來限制左右驅動輪轉速差的。這種限速差速器所能達到的最大轉速差比較小。而且，扭力感應型的齒輪配置為縱向，而此種螺旋齒輪限速差速器的則為橫向裝置。和機械式限速差速器相比，它的最大弱點

33、在于限制鎖定</p><p>　　1.4.3滾珠鎖定式 </p><p>　　這種設計的特殊之處，是當小圓球在彎曲的溝槽中移動時，被溝槽切斷的滾筒開始作動而發(fā)揮限滑的效果，尤其是其作動原理與一般品有很大的差異，目前并不算是主流的制品。在滾珠鎖定限速差速器的特性方面，因為它的構造相當特別，因此可以發(fā)揮十分圓滑的效果，反過來說此限速差速器并不適合喜歡在街上狂飆的人士，而最后可以死鎖差速器、并發(fā)

34、揮最高扭力，也是值得記上一筆之處，所以最適用于分秒必爭的比賽場合中。</p><p>　　1.4.4 黏性耦合式 </p><p>　　最早配置是用在 VAG (Audi/VW) 車系，其間由多片的離合器組，加上硅油組合而成，它是利用硅油摩擦受熱膨脹后，迫使離合器片接合來鎖定輪差，其結構可說是最簡單且體積小、造價低，是一款適用于大眾型式的限速差速器。大約十年前限速差速器還是屬于選用配備時，

35、最受歡迎的就是這種黏性耦合型式樣，就如大家所看到的，此限速差速器是由多個離合器片組合而成，透過硅油的噴入使左右輪胎產生回轉差，然后再利用硅油的黏性做鎖定。談到這里大家應該不難想象，此類構造的效果并非很好，因為硅油的黏度會依溫度產生性能上的差別，因此反應性算是最差，往好的方面想，這種限速差速器只是一款適合一般大眾使用的類型罷了。</p><p>　　1.4.5 機械式 </p><p>　　

36、在改裝車輛中最傳統(tǒng)也最常用，因此算是能見度最高的限速差速器，因為使用左、右兩個離合器片和壓板組，故亦稱為多板或多片離合器式限速差速器，此型式之限速差速器可藉由離合器片與壓板的排列組合來達到限滑百分比功能，從 25%~90%的能力皆可完成。但唯一的缺點就是較難照顧，其務必要使用限速差速器專用油來定期保養(yǎng)，長時間或劇烈操駕也可能需要更換修理包。而離合器片裝配不佳或置入時 Run in 方式不正確，也容易導致轉彎異音或離合器片損壞之現(xiàn)象。機械

37、式限速差速器響應速度快，靈敏度高，限滑比例可根據壓板和離合片的不同組合來實現(xiàn)，可調范圍廣，但造價高，耐久性不好，當離合器片磨損時，常會出現(xiàn)“嘎！嘎！”的噪音 ?4? ，因此需要做定期的維修，這也是其缺點之一。</p><p>　　2 離心式限速差速器的基本原理及方案的確定 </p><p>　　首先設定車輛的基本參數(shù)。</p><p>　　表 1 車輛的基本參數(shù)

38、</p><p>　　Tab.1 The basic parameters of the vehicle </p><p>　　在此，在普通對稱式圓錐行星齒輪差速器的基礎上進行設計。</p><p>　　2.1對稱式圓錐行星齒輪差速器的差速原理 </p><p>　　圖 2 差速器工作原理</p><p>　　Fi

39、g.2 The working principle of differential </p><p>　　如圖 2 所示，對稱式錐齒輪差速器是一種行星齒輪機構。差速器殼 3 與行星齒輪軸 5 連成一體，形成行星架。因為它又與主減速器從動齒輪 6 固連在一起，固為主動件，設其角速度為?0 ；半軸齒輪 1 和 2 為從動件，其角速度為?1和?2 。A、B 兩點分別為行星齒輪 4 與半軸齒輪 1 和 2 的嚙合點。行

40、星齒輪的中心點為 C，A、B、C 三點到差速器旋轉軸線的距離均為r。</p><p>　　當行星齒輪只是隨同行星架繞差速器旋轉軸線公轉時，顯然，處在同一半徑r上的 A、B、C 三點的圓周速度都相等，其值為?0 r。于是?1=?2 =?0 ，即差速器不起差速作用，而半軸角速度等于差速器殼 3 的角速度。</p><p>　　當行星齒輪 4 除公轉外，還繞本身的軸 5 以角速度?4 自轉時，嚙

41、合點 A 的圓周速度為?1 r=?0 r +?4 r，嚙合點 B 的圓周速度為?2 r =?0 r -?4 r。于是</p><p>　　?1 r+?2 r =（?0 r +?4 r）+(?0 r -?4 r ) </p><p>　　即?1+ ?2 =2?0（1）若角速度以每分鐘轉數(shù)n表示，則</p><p>　　n1 ? n2

42、? 2n0（2）式（2）為兩半軸齒輪直徑相等的對稱式圓錐齒輪差速器的運動特征方程式，它表明左右兩側半軸齒輪的轉速之和等于差速器殼轉速的兩倍，而與行星齒輪轉速無關。因此在汽車轉彎行駛或其它行駛情況下，都可以借行星齒輪以相應轉速自轉，使兩側驅動車輪以不同轉速在地面上滾動而無滑動。</p><p>　　由式(2）還可以得知：①當任何一側半軸齒輪的轉速為零時，另一側半軸齒輪的轉速為差速器殼轉速的兩倍；②當差速器殼的轉速為

43、零（例如中央制動器制動傳動軸時），若一側半軸齒輪受其它外來力矩而轉動，則另一側半軸齒輪即以相同的轉速反向轉動。</p><p>　　普通的對稱式圓錐齒輪差速器由差速器左右殼，兩個半軸齒輪，四個行星齒輪，行星齒輪軸，半軸齒輪墊片及行星齒輪墊片等組成。由于其具有結構簡單、工作平穩(wěn)、制造方便、用于公路汽車上也很可靠等優(yōu)點，故廣泛用于各類車輛上 ?5?。</p><p>　　2.2 離心鎖止機構

44、方案的確定 </p><p>　　在進行離心鎖止機構的設計時，參考了 VE 型柴油分配泵和 R801 調速器中的離心飛錘機構 ?6? 。</p><p>　　圖 3 VE 分配泵調速器離心飛錘結構示意圖</p><p>　　Fig.3 The schematic diagram of VE distribution pump governor flyweight

45、 structure </p><p>　　3 差速器齒輪主要參數(shù)的選擇與計算 </p><p>　　由于在差速器殼上裝著主減速器從動齒輪，所以在確定主減速器從動齒輪尺寸時，應考慮差速器的安裝。差速器的輪廓尺寸也受到主減速器從動齒輪軸承支承座及主動齒輪導向軸承座的限制。</p><p>　　3.1 差速器齒輪的基本參數(shù)的選擇 </p><p

46、>　　3.1.1.行星齒輪數(shù)目的選擇 </p><p>　　載貨汽車采用 2 個行星齒輪。</p><p>　　3.1.2.行星齒輪球面半徑RB的確定 </p><p>　　圓錐行星齒輪差速器的結構尺寸，通常取決于行星齒輪的背面的球面半徑RB它就是行星齒輪的安裝尺寸，實際上代表了差速器圓錐齒輪的節(jié)錐距，因此在一定程度上也表征了差速器的強度。</p>

47、<p>　　球面半徑RB可按如下的經驗公式確定：RB ? KB3 T mm 式中：KB ——行星齒輪球面半徑系數(shù)，可取 2.52～2.99，對于有 2 個行星齒輪的</p><p><b>　　載貨汽車取小值；</b></p><p>　　T——計算轉矩，取Tce 和Tcs 的較小值，N·m. 計算轉矩的計算&

48、lt;/p><p>　　r nr p i =0.3770 </p><p>　　vamax ghi (3) </p><p>　　式中：rr ——車輪的滾動半徑，rr ? 0.398migh——變速器高檔傳動比，igh ?1 根據所選定的主減速比i0 值，就可基本上確定主減速器的減速型式（單級、雙級等以

49、及是否需要輪邊減速器），并使之與汽車總布置所要求的離地間隙相適應。把</p><p>　　np ? 5200r / min , vamax ?140km/h , rr ? 0.398m , igh ?1代入公式（3）計算出i0 ? 5.91 從動錐齒輪計算轉矩Tcekd T emax k i1i f i0?</p><p><b>　　T ce ?n</b><

50、/p><p>　　(4) 式中：</p><p>　　Tce —計算轉矩，Nm；</p><p>　　Temax—發(fā)動機最大轉矩；Temax ?158N m?</p><p>　　n—計算驅動橋數(shù)，1；</p><p>　　i f —變速器傳動比，if ? 3.704；i0 —主減速器傳動比，

51、i0 =5.91 </p><p>　　η —變速器傳動效率，η =0.96； k—液力變矩器變矩系數(shù)，K=1；kd —由于猛接離合器而產生的動載系數(shù)，kd =1；i1 —變速器最低擋傳動比，i1 =1；</p><p><b>　　代入式（4），有：</b></p><p>　　Tce =3320.4 Nm </p><p

52、><b>　　主動錐齒輪計算轉矩</b></p><p>　　T=896.4Nm </p><p><b>　　根據上式</b></p><p>　　RB =2.7 3 3320..4 =40mm </p><p><b>　　所以預選其節(jié)錐距</b></p&g

53、t;<p><b>　　A0 =40mm </b></p><p>　　3.1.3行星齒輪與半軸齒輪的選擇 </p><p>　　為了獲得較大的模數(shù)從而使齒輪有較高的強度，應使行星齒輪的齒數(shù)盡量少。但一般不少于 10。半軸齒輪的齒數(shù)采用 14～25，大多數(shù)汽車的半軸齒輪與行星齒輪的齒數(shù)比z1/ z2在 1.5～2.0 的范圍內。</p>&

54、lt;p>　　差速器的各個行星齒輪與兩個半軸齒輪是同時嚙合的，因此，在確定這兩種齒輪齒數(shù)時，應考慮它們之間的裝配關系，在任何圓錐行星齒輪式差速器中，左右兩半軸齒輪的齒數(shù) z2L ，z2R 之和必須能被行星齒輪的數(shù)目所整除，以便行星齒輪能均勻地分布于半軸齒輪的軸線周圍，否則，差速器將無法安裝，即應滿足的安裝條件為：</p><p>　　z2L ? z2R ? I</p><p>　　n

55、 (5) </p><p>　　式中：z2L，z2R ——左右半軸齒輪的齒數(shù)，對于對稱式圓錐齒輪差速器來說z2L = z2R</p><p>　　n——行星齒輪數(shù)目；I ——任意整數(shù)。</p><p>　　在此Z1 ?36，Z2 ?60滿足以上要求。</p><p&g

56、t;　　3.1.4差速器圓錐齒輪模數(shù)及半軸齒輪節(jié)圓直徑的初步確定 首先初步求出行星齒輪與半軸齒輪的節(jié)錐角?1，?2</p><p>　　Z130.96o?1 ? 90o?2 ? 5 9 . 0 3o</p><p>　　?1 ? arctan ?</p><p><b>　　Z2</b></p><p>　　再按下式初

57、步求出圓錐齒輪的大端端面模數(shù) m</p><p>　　2A0 sin?1 ? 2A0 sin?2 ? 2*40.27sin30.96o ? 3.35 m?</p><p><b>　　Z1Z212</b></p><p>　　查閱文獻取 m=4mm </p><p>　　得d1 ? mz1 ? 4*

58、36 ?1 4 4 d2 ? mz2 ? 4*60 ? 2 4 0 </p><p>　　3.1.5 壓力角α </p><p>　　目前，汽車差速器的齒輪大都采用 22.5°的壓力角，齒高系數(shù)為 0.8。最小齒數(shù)可減少到 10，并且在小齒輪（行星齒輪）齒頂不變尖的條件下，還可以由切向修正加大半軸齒輪的齒厚，從而使行星齒輪與半軸齒輪趨于等強度。由于這種齒形的最小齒數(shù)比壓

59、力角為 20°的少，故可以用較大的模數(shù)以提高輪齒的強度。在此選 22.5°的壓力角。</p><p>　　3.1.6 行星齒輪安裝孔的直徑?及其深度L </p><p>　　行星齒輪的安裝孔的直徑?與行星齒輪軸的名義尺寸相同，而行星齒輪的安裝孔</p><p>　　的深度就是行星齒輪在其軸上的支承長度，通常?。篖 ?1.1?</p>

60、<p>　　2 T0?103T0?103 L??1.1? ???</p><p>　　??c??nl所以1.1??c?nl式中：</p><p>　　T0——差速器傳遞的轉矩，N·m；在此取 3320.4N·m n——行星齒輪的數(shù)目；在此為 4 </p><p>　　' l——行星齒輪支承面中點至錐頂?shù)木嚯x

61、，mm，l≈0.5d 2 ，d2 為半軸齒輪齒面寬中點處的直徑，而d2 ≈0.8d2 ；??c?——支承面的許用擠壓應力，在此取 69 MPa 根據上式d2 =0.8*240=192mm l =0.5×192=96mm </p><p><b>　　3320*103</b></p><p>　

62、　???10.7L=1.1*10.7=11.8 </p><p>　　1.1*69*4*96</p><p>　　差速器齒輪的幾何計算 ?7?表 2 汽車差速器直齒錐齒輪的幾何尺寸計算用表</p><p>　　Tab.2 Calculating table of geometries of differential straight bevel gear &

63、lt;/p><p><b>　　z1</b></p><p>　　?1 ? arctan?2 ? 90???1</p><p><b>　　z2</b></p><p><b>　　續(xù)表2 </b></p><p>　　節(jié)錐距 A0 ??=40mm

64、</p><p><b>　　周節(jié) </b></p><p><b>　　齒頂高 </b></p><p><b>　　齒根高 </b></p><p><b>　　徑向間隙 </b></p><p><b>　　齒根角

65、</b></p><p><b>　　面錐角 </b></p><p><b>　　根錐角 </b></p><p><b>　　外圓直徑 </b></p><p><b>　　節(jié)圓頂點至</b></p><p><

66、;b>　　齒輪外緣距</b></p><p><b>　　離 </b></p><p><b>　　理論弧齒厚 </b></p><p>　　齒側間隙 2sin?12sin?2</p><p>　　a2 ???? z2 ?2 ?</p><p>　　?o

67、1 ??1??2；?o2 ??2 ??1</p><p>　　?o2=66.01° </p><p>　　?R1=26.64° </p><p>　　?R1 ??1??1；?R2 ??2 ??2</p><p>　　?R2=52.05° </p><p>　　3.2 差速器齒輪的強度計算

68、</p><p>　　差速器齒輪的尺寸受結構限制，而且承受的載荷較大，它不像主減速器齒輪那樣經常處于嚙合狀態(tài)，只有當汽車轉彎或左右輪行駛不同的路程時，或一側車輪打滑而滑轉時，差速器齒輪才能有嚙合傳動的相對運動。因此對于差速 V 器齒輪主要應進行彎曲強度校核。輪齒彎曲強度?w為</p><p>　　2Tkks m 103</p><p>　　?w ?? kmbd J

69、</p><p>　　v2 2 n (6) 式中：T ——差速器一個行星齒輪傳給一個半軸齒輪的轉矩，</p><p><b>　　其計算式</b></p><p>　　T ?T 0 ?0.6 n在此T 為 498.06N·m；

70、</p><p>　　n——差速器的行星齒輪數(shù)；</p><p>　　z2——半軸齒輪齒數(shù)；</p><p>　　Ks——尺寸系數(shù)，反映材料的不均勻性，與齒輪尺寸和熱處理有關，m4</p><p>　　Ks ? 4Ks ? 4</p><p>　　當ｍ? 1.6時，25.4，在此25.4＝0.629 </p

71、><p>　　Km——載荷分配系數(shù)，當兩個齒輪均用騎馬式支承型式時，Km＝1.00～1.1；其他方式支承時取 1.10～1.25。支承剛度大時取最小值。</p><p>　　Kv ——質量系數(shù)，對于汽車驅動橋齒輪，當齒輪接觸良好，周節(jié)及徑向跳動精度高時，可取 1.0; </p><p>　　J ——計算汽車差速器齒輪彎曲應力用的綜合系數(shù)，由圖可查得J =0.225 彎曲

72、計算用綜合系數(shù)</p><p>　　根據上式?w= =478.6MPa〈980 MPa </p><p>　　所以，差速器齒輪滿足彎曲強度要求。</p><p>　　3.3 差速器齒輪的材料 </p><p>　　差速器齒輪和主減速器齒輪一樣，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、20CrMo

73、Ti、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。</p><p>　　4 驅動半軸的設計 </p><p>　　驅動半軸位于傳動系的末端，其基本功用是接受從差速器傳來的轉矩并將其傳給車輪。對于非斷開式驅動橋，車輪傳動裝置的主要零件為半軸；對于斷開式驅動橋和轉向驅動橋，車輪傳動裝置為萬向傳動裝置。</p>&l

74、t;p>　　根據設計要求確定半軸采用半浮式半軸結構，具體結構采用以突緣直接與車輪輪盤及制動鼓相聯(lián)接。</p><p>　　4.1 半浮式半軸桿部半徑的確定 </p><p>　　半軸的主要尺寸是它的直徑，設計與計算時首先應合理地確定其計算載荷。半軸的計算應考慮到以下三種可能的載荷工況：</p><p>　　縱向力 X2 最大時(X2＝Z2?)，附著系數(shù)預取 0

75、.8，沒有側向力作用；</p><p>　　側向力 Y2 最大時，其最大值發(fā)生于側滑時，為 Z2?1中，，側滑時輪胎與地面的側向附著系數(shù)?1，在計算中取 1.0，沒有縱向力作用；</p><p>　　垂向力 Z2 最大時，這發(fā)生在汽車以可能的高速通過不平路面時，其值為</p><p>　　(Z2-gw)kd，kd 是動載荷系數(shù)，這時沒有縱向力和側向力的作用。<

76、/p><p>　　由于車輪承受的縱向力、側向力值的大小受車輪與地面最大附著力的限制，即</p><p>　　Z2?? X22 ?Y22</p><p>　　故縱向力 X2 最大時不會有側向力作用，而側向力 Y2 最大時也不會有縱向力作用。</p><p>　　參考文獻初步確定半軸直徑在 0.040m。</p><p>　　

77、半浮式半軸設計應考慮如下三種載荷工況：</p><p>　?。?）縱向力Fx2 最大，側向力Fy2為 0：此時垂向力Fz2 ? m2' G2 /2，G2 取 10500N</p><p>　　縱向力最大值Fx2 ?Fx2??m2' G2?/2，計算時m2' 可取 1．2，?取 0．8。得Fx2 =6300N </p><p>　　Fy2=5

78、040N </p><p>　　半軸彎曲應力，和扭轉切應力?為</p><p>　　?32a Fx22 ? Fz22</p><p>　　??? ??d 3</p><p><b>　　?</b></p><p><b>　　?16Fx2rr</b></p&

79、gt;<p>　　???? ?d 3</p><p>　　式中，a 為輪轂支承軸承到車輪中心平面之間的距離，a 取 0.06m </p><p>　　?=77.08Mpa ?=199.63Mpa </p><p><b>　　22</b></p><p>　　合成應力?=

80、σ ?4τ =406Mpa 側向力Fy2最大，縱向力Fx2 =0，此時意味著發(fā)生側滑：外輪上的垂直反力Fz2o 。</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　和內輪上的垂直反力 FZ2i 分別為</p><p><b>　　hg</b></p><p>　　Fz20?G2 (0

81、.5? ?1)</p><p><b>　　{B2</b></p><p>　　Fz2i?G2-Fz2o</p><p>　　式中，hg 為汽車質心高度參考一般計算方法取 738.56mm；B2為輪距B2=1430m </p><p>　　?1為側滑附著系數(shù)，計算時可取 1.0。外輪上側向力Fy2o和內輪上側向力Fy

82、2i 分別為</p><p>　　{Fz20 ?Fz2o?1</p><p>　　Fz2i ?Fz2i?1</p><p>　　內、外車輪上的總側向力 Fy2為G2?1。這樣，外輪半軸的彎曲應力?0 和內輪半軸的彎曲應力?i 分別為</p><p>　　?32(Fy2orr ? Fz2oa)</p><p>　　?

83、??0 ??d 3</p><p><b>　　?</b></p><p>　　????i ? 32(Fy2?irdr ?3 Fz2ia) </p><p>　　?0 = 565.1mpa ?i =666.4 mpa </p>

84、<p>　　(3)汽車通過不平路面，垂向力 Fz2 最大，縱向力Fx2 ? 0，側向力Fy2?0：此時垂直</p><p><b>　　1</b></p><p>　　力最大值 Fz2為：F 2 2? kG r2</p><p>　　式中，是為動載系數(shù)，轎車：k ?1.75，貨車：k ? 2.0，越野車：k ? 2.5。</p&

85、gt;<p><b>　　半軸彎曲應力，為</b></p><p>　　32Fz2a 16kG2a 87.7Mpa</p><p>　　?? d3 ? d3 ?</p><p><b>　　??</b></p><p>　　故校核半徑取 0.04m 滿足合成應力在 600mpa -7

86、50mpa 范圍。</p><p>　　4.2 半軸花鍵的強度計算 </p><p>　　在計算半軸在承受最大轉矩時還應該校核其花鍵的剪切應力和擠壓應力。半軸花鍵的剪切應力為</p><p><b>　　T?103</b></p><p><b>　　?s ?</b></p><

87、p>　　??DB ?dA ??zLpb?</p><p><b>　　?4?（7）</b></p><p>　　半軸花鍵的擠壓應力為</p><p><b>　　T ?103</b></p><p><b>　　?c ? </b></p><p&

88、gt;　　z ? Lp ???[(DB ? d A )/4]?(DB ? d A )/2 （8）</p><p>　　式中 T——半軸承受的最大轉矩，T=3320.4Nm；</p><p>　　DB ——半軸花鍵(軸)外徑，DB =44mm；dA ——相配的花鍵孔內徑，dA =40mm； z——花鍵齒數(shù)，在此取 20；</p><p&

89、gt;　　Lp——花鍵工作長度，Lp=55mm；</p><p>　　b——花鍵齒寬，b=3.75 mm；</p><p>　　?——載荷分布的不均勻系數(shù)，取 0.75。</p><p>　　將數(shù)據代入式（7）、（8）得：?b =51.1Mpa ?c =95.8 MPa </p><p>　　根據要求當傳遞的轉矩最大時，半軸花鍵的切應力[?

90、s ]不應超過 71.05 MPa，擠壓應力</p><p>　　[?c ]不應超過 196 MPa，以上計算均滿足要求。</p><p>　　4.3 半軸其他主要參數(shù)的選擇 </p><p>　　查閱資料得花鍵其他參數(shù)：齒數(shù)：20 齒，模數(shù)：1.5, </p><p>　　4.4 半軸的結構設計及材料與熱處理 </p>&

91、lt;p>　　為了使半軸的花鍵內徑不小于其桿部直徑，常常將加工花鍵的端部做得粗些，并適當?shù)販p小花鍵槽的深度，因此花鍵齒數(shù)必須相應地增加，通常取 10 齒(轎車半軸)至 18 齒(載貨汽車半軸)。半軸的破壞形式多為扭轉疲勞破壞，因此在結構設計上應盡量增大各過渡部分的圓角半徑以減小應力集中。重型車半軸的桿部較粗，外端突緣也很大，當無較大鍛造設備時可采用兩端均為花鍵聯(lián)接的結構，且取相同花鍵參數(shù)以簡化</p><p&g

92、t;　　工藝。在現(xiàn)代汽車半軸上，漸開線花鍵用得較廣，但也有采用矩形或梯形花鍵的。</p><p>　　半軸多采用含鉻的中碳合金鋼制造，如 40Cr，40CrMnMo，40CrMnSi，40CrMoA，</p><p>　　35CrMnSi，35CrMnTi 等。40MnB 是我國研制出的新鋼種，作為半軸材料效果很好。半軸的熱處理過去都采用調質處理的方法，調質后要求桿部硬度為 HB388—4

93、44(突緣部分可降至 HB248)。近年來采用高頻、中頻感應淬火的口益增多。這種處理方法使半軸表面淬硬達 HRC52～63，硬化層深約為其半徑的 1／3，心部硬度可定為 HRC30 —35；不淬火區(qū)(突緣等)的硬度可定在 HB248～277 范圍內。由于硬化層本身的強度較高，加之在半軸表面形成大的殘余壓應力，以及采用噴丸處理、滾壓半軸突緣根部過渡圓角等工藝，使半軸的靜強度和疲勞強度大為提高，尤其是疲勞強度提高得十分顯著。由于這些先進工藝

94、的采用，不用合金鋼而采用中碳(40 號、45 號)鋼的半軸也日益增多。 </p><p>　　5 離心鎖止機構的設計 </p><p>　　5.1 離心飛錘結構形式的選擇 </p><p>　　表3 飛錘結構形式 </p><p>　　Tab.3 The fly hammer structure </p><p>

95、　　由上表可知，R801 型的飛錘具有結構簡單，機械效率高等優(yōu)點，故選用此型號 ?8?。</p><p>　　5.2 離心飛錘的設計與計算 </p><p>　　5.2.1離心飛錘介入轉速的確定</p><p>　　當車輪打滑時，比如一輪陷入泥坑或懸空時，動力全傳遞給附著力較低的車輪。設發(fā)動機轉速為每分鐘 5000 轉，變速器掛入一檔。則此時半軸齒輪的轉速為發(fā)動機轉

96、速比上一檔變速比與主減速比之積</p><p>　　5000?3.9*4.5? =285 r/m in </p><p>　　半軸齒輪與行星齒輪之比為 20:12 則可以求得應使離心飛錘介入時的行星齒輪轉速為</p><p>　　285*（20:12）=475 r/min </p><p>　　5.2.2 飛錘在靜態(tài)下重心位置的確定

97、</p><p>　　由于飛錘的形狀不規(guī)則，求解其重心比較困難。但利用 SolidWorks 中的質量特性，求解飛錘的重心就十分方便了。如圖 4 所示 ?9?。</p><p>　　圖 4 利用 Solidworks 確定飛錘重心</p><p>　　Fig.4 The fly hammer weight determined by Solidworks <

98、;/p><p>　　由上圖結合安裝位置，可得到飛錘質心到旋轉中心的距離為 r=34mm。將材質設定為鑄鋼，得其質量 m=0.25kg </p><p>　　已知轉速 n=475r/min=7.92r/s 可得到?=2?n=50 rad/s 則離心力F ? mr?2 ?0.25*0.34*50^2=212.5N </p><p>　　5.3 調

99、速彈簧的設計 </p><p>　　圖 5 R801 型飛錘及其調速彈簧位置示意圖</p><p>　　Fig.5 The R801 flying hammer and governor spring location diagram </p><p>　　在這種飛錘部件結構中，調速彈簧也裝在飛錘之中。飛錘的離心力和調速彈簧力直接平衡。所

100、以在飛錘銷處也不承受飛錘離心力和調速彈簧力。調速彈簧的外端由彈簧外座通過螺帽支承于固定在飛錘支架上的螺柱上，而內端則由彈簧內座通過帶有兩個刀口的彈簧座承受飛錘的離心力。</p><p>　　圖 6 飛錘起始位置</p><p>　　Fig.6 Starting position of the fly hammer </p><p>　　圖 7 飛錘極限位置&

101、lt;/p><p>　　Fig.7 Limit position of the fly hammer 通過面兩圖，容易得出飛錘的行程 x=0.2m </p><p>　　則F? ? m?2?r ? x?=337.5N </p><p>　　設彈簧剛度為 k，彈簧在起始位置壓縮量為 x0，聯(lián)立方程組求解：</p><p>　　??kx0 ? F

102、</p><p>　　?k(x0 ? x) ? F?</p><p>　　式中：F=212N ,F'=250N,x=0.2 </p><p>　　解得：k=627.5N/m，x0=0.338m </p><p>　　根據上面求出的結果。選用 YA 0.5×8×70—左 GB/T 2089 彈簧。</p&g

103、t;<p>　　6 直齒圓錐齒輪的仿真分析 </p><p>　　圓錐齒輪能夠傳遞任意兩相交軸間的運動和動力, 其中, 直齒圓錐齒輪是圓錐齒輪中最簡單的一種,其節(jié)錐齒線為徑向直線形, 輪齒走向沿圓錐母線方向,齒面節(jié)線通過節(jié)錐頂點, 其齒長上各點的螺旋角都是零度, 因此它的軸向力是各種齒線型式錐齒輪中最小的。直齒圓錐齒輪其特點是便于制作, 軸向力較小, 支承系統(tǒng)簡單, 甚至可以用滑動軸承, 可以減少安

104、裝空間。</p><p>　　對直齒圓錐齒輪的強度校核通常采用齒輪手冊中傳統(tǒng)的校核計算方法, 但隨著現(xiàn)代齒輪加工工藝的迅速發(fā)展, 尤其是齒輪精鍛技術的進步, 現(xiàn)在的汽車差速器采用精鍛齒輪的日益廣泛, 相比傳統(tǒng)工藝加工的齒輪, 這類齒輪的尺寸更小, 而強度更高, 所以傳統(tǒng)齒輪設計中采用的設計及校核方法顯得相對保守。為了更準確的對齒輪進行幾何設計和強度分析, 使用先進的 CAE 工具顯得愈加重要。本文利用 Solid

105、Works 軟件強大的實體建模與有限元功能對差速器行星齒輪和半軸齒輪進行了建模與有限元分析, </p><p>　　6.1 直齒圓錐齒輪參數(shù)化建模 </p><p>　　6.1.1 直齒圓錐齒輪建模原理 圓錐齒輪齒廓表面為球面漸開線, 其方程為</p><p>　　??? l( s i n?s i n?? c o s?c o s?c o s?)</p>

106、<p><b>　　?</b></p><p>　　?y ? l(? c o s?s i n?? s i n?c o s?s i n?)</p><p><b>　　?</b></p><p>　　?z ? l c o s?c o s?</p><p>　　式中參數(shù)的幾何關系見圖

107、8。</p><p>　　圖 8 球面漸開線形成過程中的幾何關系</p><p>　　Fig.8 The geometric relations of spherical involute in forming process </p><p>　　其中,l ? x2 ? y2 ? z2 , 為球面方程式;θ 為基錐角; φ 為 O'C 與 ON1 之間

108、的夾角;ψ 為 OA 與瞬時回轉軸 ON 1 之間的夾角。利用球面漸開線方程我們就能準確地求出球面漸開線齒廓表面的形狀。6.1.2 直齒圓錐齒輪的基本參數(shù) 直齒圓錐齒輪的基本參數(shù)參見表 2。</p><p>　　6.2 錐齒輪建模方法 </p><p>　　6.2.1 建模步驟</p><p>　　在采用 CAD/ CAM/ CAE 集成化軟件 SolidWork

109、s 進行錐齒輪參數(shù)化建模的過程中, 將 SolidWorks 的三維參數(shù)化造型、表達式處理、自由曲面掃描等功能有機結合起來。具體步驟如下 ?10?: </p><p>　　(1). 根據直齒圓錐齒輪的基本參數(shù)和幾何尺寸的計算公式, 算出所有建模所需的齒輪幾何參數(shù), 特別是基圓錐的幾何參數(shù)。</p><p>　　(2). 畫出直齒圓錐齒輪的基圓錐、齒根圓錐、分度圓錐、齒頂圓錐。</p&

110、gt;<p>　　(3). 根據球面漸開線齒廓面方程畫出齒輪的左、右齒廓面。</p><p>　　(4). 根據齒廓面的邊界線, 分別畫出齒輪的大端、小端、齒頂和齒根, 從而得到封閉的輪齒。</p><p>　　(5). 將這個輪齒沿分度圓錐進行拷貝, 從而得到完整的齒輪實體。</p><p>　　在具體建模過程中, 可以利用SolidWorks 知識

111、庫中的公式f ( x ) 將齒輪的重要基本參數(shù)( 如齒數(shù) z 、模數(shù) m、壓力角 a 、基圓半徑 rb、齒頂圓半徑 rk 、分度圓半徑 r、齒根圓半徑 rf ) 參數(shù)化表示, 利用 SolidWorks 建立關于球面漸開線齒廓面上坐標 x 、y、z 的參數(shù)方程。這種方法的好處在于齒輪參數(shù)改變時, 只需改變基本參數(shù)的取值, 漸開線齒廓就會自動更新。</p><p>　　6.2.2 齒輪模型的生成 </p>

112、;<p>　　利用上述方法生成的錐齒輪輪齒模型如圖9所示。 </p><p>　　圖 9 錐齒輪球面漸開線輪齒</p><p>　　Fig.9 Bevel gear with spherical involute tooth</p><p>　　在對輪齒根據設計要求進行沿分度圓錐拷貝后,便可以形成直齒圓錐齒輪的雛形。然后在根實際制造方法、安裝尺寸及

113、提高工作強度等方面的要求對齒輪模型進行后期完善( 如對于本例, 考慮鍛造方法和強度要求, 在輪齒間有一定厚度有加強筋, 從而在滿足裝配要求的前提下有效提高了工作強度) 。最后得到差速器行星齒輪和半軸齒輪的三維模型如圖 10、圖 11 所示, 其中半軸齒輪漸開線內花鍵的建模方法與前述一樣, 在此不再贅述。</p><p>　　圖 10 行星齒輪三維幾何模型</p><p>　　Fig.10

114、 3D geometric model of Planetary gear </p><p>　　圖 11 半軸齒輪三維幾何模型</p><p>　　Fig.11 3D geometric model of Half axle gear </p><p>　　6.3 齒輪有限元分析 </p><p>　　6.3.1 齒輪有限元分析概

115、述 </p><p>　　齒輪的有限元分析總體上可分成 3 個部分: 前處理部分, 分析計算部分以及后處理部分, 如圖 12 所示。前處理部分主要是生成有限元模型, 對幾何模型進行網格劃分、加載, 得到有限元模型的相關數(shù)據; 分析計算部分根據有限元模型的數(shù)據文件進行有限元分析; 后處理是有限元計算輸出結果的加工階段, 主要包括數(shù)據輸出和圖形顯示, 由于后兩個階段采用批處理方式和單純的輸出形式, 所以人工干預不多,