差速器设计标准 (3).doc
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1、汽车设计课程设计说明书题目:汽车后桥传动系统设计摘要一般车辆广泛使用的才差速器为对称式圆锥齿轮差速器,是由一系列部件组成的机械系统,包含有行星齿轮轴,半轴齿轮(2个),行星齿轮(4个),差速器(包含有左、右两个壳),行星及半轴齿轮垫片等部分,其特点为结构简单、可靠性高、制造工艺成熟、工况稳定,作为一种成熟的设计形式广泛用于车辆制造领域。本文以传差速器为模型,深入研究了相关设计方法,以货车(2吨)车型的各项参数为依据,通过确定选择差速器齿轮基本参数、设计几何算法确定此差速器的外形、结构,并进行强度计算,保证此圆锥行星齿轮差速器强度达到工作要求。最后,选择差速器的材料和制造工艺。关键词:差速器、行
2、星齿轮、圆锥齿轮目 录第一部分 差速器设计及驱动半轴设计1 车型数据 32 普通圆锥齿轮差速器设计42.1 对称式圆锥行星齿轮差速器的差速原理 4 2.2 对称式圆锥行星齿轮差速器的结构42.3 对称式圆锥行星齿轮差速器的设计和计算52.3.1 差速器齿轮的基本参数的选择52.3.2 差速器齿轮的几何计算92.3.3 差速器齿轮的强度计算102.3.4差速器齿轮的材料123 驱动半轴的设计 143.1 半浮式半轴杆部半径的确定143.2 半轴花键的强度计算163.3 半轴其他主要参数的选择173.4半轴的结构设计及材料与热处理17第二部分 6109客车总体设计要求 19 1. 6109客车车型
3、数据 191.1尺寸参数 191.2质量参数 19 1.3发动机技术参数 191.3传动系的传动比 191.5轮胎和轮辋规格 202. 动力性计算 202.1发动机使用外特性 20 2.2车轮滚动半径 20 2.3滚动阻力系数f 202.4空气阻力系数和空气阻力 202.5机械效率 20 2.6计算动力因数 20 2.7确定最高车速 22 2.8确定最大爬坡度 22 2.9确定加速时间 23 3.燃油经济性计算 23 4.制动性能计算234.1最大减速度234.2制动距离S234.3上坡路上的驻坡坡度i1max:244.4下坡路上的驻坡坡度i2max:24 5. 稳定性计算 24 5.1纵向倾
4、覆坡度:245.2横向倾覆坡度 24 N 结束语 24 参考文献 26 第一部分 凸块式滑动齿轮差速器的设计1 车型数据1.1参数表参数名称 数值 单位汽车布置方式 前置后驱 总长 4320 mm 总宽 1750 mm 轴距 2620 mm前轮距 1455 mm后轮距 1430 mm整备质量 1480 kg总质量 2100 kg发动机型式 汽油 直列 四缸 排量 1.993 L最大功率 76.0/5200 KW最大转矩 158/4000 NM 压缩比 8.7:1离合器 摩擦式离合器 变速器档数 五档 手动轮胎类型与规格 185R14 km/h转向器 液压助力转向前轮制动器 盘后轮制动器 鼓 前
5、悬架类型 双叉骨独立悬架后悬架类型 螺旋弹簧最高车速 140 km/h2 凸块式滑动齿轮差速器设计汽车在正常的行驶路段,由于路面不可能做到绝对平面及其弯道等复杂路况的存在,同一时段里两侧车轮通过的路程(以轮胎表面线速度计算)必然不相同。如:转弯时车轮以滚动过的痕迹计算,外侧滚动长度明显大于内侧;车轮行驶在不平路面,路面高低、波形、起伏的差异必然造成车轮滚动距离不相等;即使汽车行驶于平直路面,轮胎载荷的不平衡、气压的差异、轮胎胎面磨损、路面参数的差异以及制造工艺、材料特性误差等因素也必然引起两侧车轮行程不相等。若在两侧车轮间采用刚性驱动桥连接,则会必然引起驱动轮侧向滑移或偏离行驶方向的滑转,长久
6、下去会严重磨损轮胎品质,增大功率损失,浪费燃料,进而严重影响操纵品质。汽车驱动轮间的差速器的作用就是通过在驱动桥两侧车轮间形成柔性连接,形成两侧不同的旋转角速度,确保汽车正常行驶的基本操作品质工况,满足运动学要求。差速器的定义为通过在两输出轴间协调合理配置转矩力矩,从而使输出轴根据实际工况的变化调整两侧旋转角速度,保证汽车行驶要求的部件。本文以对称式圆锥行星齿轮差速器进行分析设计。2.1 滑动齿轮差速器的差速原理图2-1 差速器差速原理 图2-1所示差速器采用对称式锥齿轮布局,行星齿轮轴5和差速器壳3以行星架结构相连。主动件为上述结构连接于主减速器从动齿轮6,以角速度转动;从动件为半轴齿轮,其
7、以角速度、转动。行星齿轮4与两个半轴齿轮啮合于A、B点,A、B两点与行星齿轮中心C点距离差速器旋转时的中心轴线相等,设置为。 当行星架带动行星齿轮以差速器旋转轴线为中心轴线进行公转运动时,线速度的计算公式为。A、B、C由于距离中心旋转轴线的距离相同,因此圆周速度(线速度)一样(如图2-1),故=,所以机构没有起到差速功能,半轴角速度为壳3角速度。当行星齿轮4在公转同时还进行自转运动时情况则发生了变化,设自转以角速度围绕轴5转动时,A点圆周速度为与两者线速度之和,B点的圆周速度为与两者线速度之差。+=(+)+(-) 得 + =2 (2-1) 以每分钟转数0(单位:转/分钟)表示角速度,则 (2-
8、2)即为此类对称式形制的差速器具有的运动特征方程式,其条件为两半轴齿轮直径相等。通过特征方程式可以看到两侧齿轮转速之和与行星齿轮转速无关,其值为两倍的差速器壳转速。从而得出结论:汽车转弯行驶及其他工况时,此差速器都可以利用行星齿轮自转实现两侧驱动车轮的转速差动,确保地面上无滑动。同时还可以得知:当其中一侧半轴齿轮的零转速时,另一侧仍保持以差速器壳的两倍转速;当出现例如传动轴被中央制动器制动的情况时,差速器壳转速降为零,此时如果一侧半轴齿轮因力矩发生转动,则另一侧以同转速向相反侧转动。2.2 对称式圆锥行星齿轮差速器结构一般形制的对称式圆锥齿轮差速器由五个主要部分组成,即:行星齿轮轴,半轴齿轮(
9、2个),行星齿轮(4个),差速器(包含有左、右两个壳),行星及半轴齿轮垫片等部分。如下图所示。其特点为结构简单、可靠性高、制造工艺成熟、工况稳定,作为一种成熟的设计形式广泛用于车辆制造领域。图2-2 普通的对称式圆锥行星齿轮差速器2.3 对称式圆锥行星齿轮差速器的设计和计算主减速器从动齿轮安装在差速器壳上,因此本着方便差速器安装的原则,根据主动齿轮导向轴承座、主减速器从动齿轮支承座的最大限制,应合理选择确定主减速器从动齿轮尺寸。2.3.1 差速器齿轮的基本参数的选择1.行星齿轮数目的选择 一般载货用的载重型汽车采用2个。 2.行星齿轮球面半径的确定 一般由行星齿轮的背面的球面半径决定齿轮差速器
10、的结构特征和尺寸,行星齿轮的安装尺寸实质上反应了圆锥齿轮的节锥距,所以表征了强度特性。 由经验公式计算: mm 12(2-3) 其中:通常取值2.522.99,载货汽车的行星齿轮球面半径系数通常取小值;, T以Tce和Tcs的较小值(Nm)计算转矩,转矩计算公式: (2-4) 其中=0.398m,为车轮滚动半径,igh=1,为变速器量高档传动比。根据i0(主减速比值)可得出选型结论即单双级、轮边减速器是否设置等结论,从而确定减速型式,并与汽车总布置相适应,保持所要求的离地间隙。代入公式=140km/h , r=0.398m ,nn=5200r/n , igh=1得 i=5.91计算从动锥齿轮转
11、矩Tce (2-5) 其中:Tce计算转矩,Nm;Temax=158 Nm发动机最大转矩;N=1计算驱动桥数;if=3.704变速器传动比;i0 =5.91主减速器传动比;=0.96变速器传动效率;k=1液力变矩器变矩系数;Kd=1猛接离合器的动载系数;i1=1变速器最低挡传动比;代入式(2-5),得:Tce=3320.4 Nm计算主动锥齿轮转矩T=896.4Nm=2.7=40mm 所以确定选择节锥距40mm。3.行星齿轮与半轴齿轮的选择在满足要求的情况下适当减少行星齿轮齿数可以获得较大的模数,确保齿轮强度,但最低不得少于10。通常汽车的半轴齿轮/行星齿轮,即/取值在1.52.0,因此半轴齿数
12、范围为1425。半轴齿轮同时啮合行星齿轮的特点决定了确定齿轮齿数时需要重点考虑装配关系,其+(两侧半轴齿轮的齿数)必须是行星齿轮的整数倍,保证行星齿轮在半轴齿轮轴线做到均匀分布,保证安装正常进行,即安装条件为: (2-6) 其中:,为两侧半轴齿轮的齿数,对称式形制差速器的= 行星齿轮数目; 任意整数。本次设计取值=12,=20,满足要求。4.差速器圆锥齿轮的模数选定及半轴齿轮节圆直径的初步确定 先求出行星齿轮节锥角与半轴齿轮的节锥角 =30.96 =90-=59.03 再求出圆锥齿轮的大端端面模数m m=3.35 经过查阅文献3得出m=4mm代入公式可得=48mm =420=80mm 5.压力
13、角齿轮压力角一般采用22.5,齿高系数为0.8。最小齿数为10,在行星齿轮齿顶不变尖的条件下,可自切向对半轴齿轮的齿厚进行修正,保证行星齿轮与半轴齿轮强度相同。由于这种齿形选择的最小齿数一般大于压力角20对应的最小齿数,因此一般选择22.5的压力角,提高强度则采用选用大模数。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: 式中:差速器传递的转矩,Nm;在此取3320.4Nm 行星齿轮的数目;在此为4 行星齿轮支承面中点至锥顶的距离,mm, 0.5d, d为半轴齿轮齿面宽中点处的直径,而d0.
14、8; 支承面的许用挤压应力,在此取69 MPa根据上式 =64mm =0.564=32mm 18.4mm 20mm2.3.2 差速器齿轮的几何计算表3-1汽车差速器直齿锥齿轮的几何尺寸计算用表序号项目计算公式计算结果1行星齿轮齿数10,应尽量取最小值=122半轴齿轮齿数=1425,且需满足式(1-4)=203模数=4mm4齿面宽b=(0.250.30)A;b10m20mm 续表 序号项目计算公式计算结果5工作齿高=6.4mm6全齿高7.2037压力角22.58轴交角=909节圆直径; 10节锥角,=30.96,11节锥距=40mm12周节=3.1416=12.56mm13齿顶高;=4.14mm
15、=2.25mm14齿根高=1.788-;=1.788-=3.012mm;=4.9mm15径向间隙=-=0.188+0.051=0.803mm16齿根角=;=4.32; =6.9817面锥角;=35.28=66.0118根锥角;=26.64=52.0519外圆直径;mmmm20节圆顶点至齿轮外缘距离mmmm续表序号项目计算公式计算结果21理论弧齿厚 =5.92 mm=6.63 mm22齿侧间隙=0.2450.330 mm=0.250mm23弦齿厚=5.269mm=6.49mm24弦齿高=4.29mm=2.32mm2.3.3 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
16、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。轮齿弯曲强度为 MPa (3-6) 式中:差速器一个行星齿轮传给一个半轴齿轮的转矩,其计算式=498.06Nm; 差速器的行星齿轮数; 半轴齿轮齿数;尺寸系数,反映材料的不均匀性,与齿轮尺寸和热处理有关,当时,在此0.629载荷分配系数,当两个齿轮均用骑马式支承型式时,1.001.1;其他方式支承时取1.101.25。支承刚度大时取最小值。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
17、; 计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数,由图1-1可查得=0.225图1-2 弯曲计算用综合系数根据上式=478.6MPa980 MPa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。2.3.4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。3 驱动半轴的设计 驱动半轴位于传动系的末端,其基本功用是接受从差速器传来的转矩并将其传给车轮。对于非断开式驱动桥,车轮传动
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