普通錐齒輪差速器的設(shè)計(jì)

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目 錄摘要······························································1關(guān)鍵字····························································1第一部分 引言·······················································2對稱式圓錐行星齒輪差速器的結(jié)構(gòu)·····································2對稱式圓錐行星齒輪差速器的差速原理·································5第二部分 普通錐齒輪差速器的設(shè)計(jì)····································52.1 客車車型數(shù)據(jù)··················································5 2.1.1 尺寸參數(shù)··················································52.1.2 質(zhì)量參數(shù) ·················································52.1.3 發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù) ········································5 2.1.4 傳動系的傳動比····································5 2.1.5 輪胎和輪輞規(guī)格············································62.1.6 車輪滾動半徑 ·············································62.1.7 滾動阻力系數(shù) f ···········································62.1.8 空氣阻力系數(shù)和空氣阻力····································62.2 對稱式圓錐行星齒輪差速器的設(shè)計(jì)和計(jì)算···························62.2.1 差速器齒輪的基本參數(shù)的選擇·································61.行星齒輪數(shù)目的選擇·········································6 2.行星齒輪球面半徑 的確BR定····································63.行星齒輪與半軸齒輪···········································74.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···············85.壓力角α·····················································86. 行星齒輪安裝孔的直徑 及其深度 L ?····························92.2.2 差速器齒輪的幾何計(jì)算·······································92.2.3 差速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算······································112.2.4 差速器齒輪的材料············································11第三部分 對稱式圓錐行星齒輪差速器的 UG 圖形··························· 14 第四部分 結(jié)論·····················································18 第五部分 參考文獻(xiàn)················································19摘要此普通錐齒輪差速器的設(shè)計(jì)以 6109 客車車型數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)參數(shù)，對對稱式圓錐行星齒輪差速器的差速原理以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜述并在必要時(shí)附以原理圖。通過差速器齒輪的基本參數(shù)的選擇、幾何計(jì)算確定此差速器的外形、結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，保證此圓錐行星齒輪差速器強(qiáng)度達(dá)到工作要求。最后，選擇此差速器的材料和制造工藝。關(guān)鍵字普通錐齒輪差速器 行星齒輪 半軸齒輪 彎曲強(qiáng)度 一、引言汽車在行駛過程中左，右車輪在同一時(shí)間內(nèi)所滾過的路程往往不等。例如，轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)、外兩側(cè)車輪行程顯然不同，即外側(cè)車輪滾過的距離大于內(nèi)側(cè)的車輪；汽車 在不平路面上行駛時(shí)，由于路面波形不同也會造成兩側(cè)車輪滾過的路程不等；即使在平直路面上行駛，由于輪胎氣壓、輪胎負(fù)荷、胎面磨損程度不同以及制造誤差等因素的影響，也會引起左、右車輪因滾動半徑的不同而使左、右車輪行程不等。如果驅(qū)動橋的左、右車輪剛性連接，則行駛時(shí)不可避免地會產(chǎn)生驅(qū)動輪在路面上的滑移或滑轉(zhuǎn)。這不僅會加劇輪胎的磨損與功率和燃料的消耗，而且可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向和操縱性能惡化。為了防止這些現(xiàn)象的發(fā)生，汽車左、右驅(qū)動輪間都裝有輪間差速器，從而保證了驅(qū)動橋兩側(cè)車輪在行程不等時(shí)具有不同的旋轉(zhuǎn)角速度，滿足了汽車行駛運(yùn)動學(xué)要求。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的角速度轉(zhuǎn)動。差速器有多種形式，在此設(shè)計(jì)普通對稱式圓錐行星齒輪差速器。對稱式圓錐行星齒輪差速器的差速原理圖 2-1 差速器差速原理如圖 2-1 所示，對稱式錐齒輪差速器是一種行星齒輪機(jī)構(gòu)。差速器殼 3 與行星齒輪軸 5 連成一體，形成行星架。因?yàn)樗峙c主減速器從動齒輪 6 固連在一起，固為主動件，設(shè)其角速度為 ；半軸齒輪 1 和 2 為從動件，其角速度為 和0?1?。A、B 兩點(diǎn)分別為行星齒輪 4 與半軸齒輪 1 和 2 的嚙合點(diǎn)。行星齒輪的中心2?點(diǎn)為 C，A、B、C 三點(diǎn)到差速器旋轉(zhuǎn)軸線的距離均為 。r當(dāng)行星齒輪只是隨同行星架繞差速器旋轉(zhuǎn)軸線公轉(zhuǎn)時(shí)，顯然，處在同一半徑上的 A、B、C 三點(diǎn)的圓周速度都相等（圖 2-1） ，其值為 。于是r 0?r= = ，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。1?20當(dāng)行星齒輪 4 除公轉(zhuǎn)外，還繞本身的軸 5 以角速度 自轉(zhuǎn)時(shí)（圖） ，嚙合點(diǎn) A4?的圓周速度為 = + ，嚙合點(diǎn) B 的圓周速度為 = - 。于是1?r04r2r04r+ =（ + ）+( - )120?r404即 + =2 （2-121）若角速度以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) 表示， n即 （2-2） 021??式（2-2）為兩半軸齒輪直徑相等的對稱式圓錐齒輪差速器的運(yùn)動特征方程式，它表明左右兩側(cè)半軸齒輪的轉(zhuǎn)速之和等于差速器殼轉(zhuǎn)速的兩倍，而與行星齒輪轉(zhuǎn)速無關(guān)。因此在汽車轉(zhuǎn)彎行駛或其它行駛情況下，都可以借行星齒輪以相應(yīng)轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)，使兩側(cè)驅(qū)動車輪以不同轉(zhuǎn)速在地面上滾動而無滑動。有式 2-2）還可以得知：①當(dāng)任何一側(cè)半軸齒輪的轉(zhuǎn)速為零時(shí)，另一側(cè)半軸齒輪的轉(zhuǎn)速為差速器殼轉(zhuǎn)速的兩倍；②當(dāng)差速器殼的轉(zhuǎn)速為零（例如中央制動器制動傳動軸時(shí)） ，若一側(cè)半軸齒輪受其它外來力矩而轉(zhuǎn)動，則另一側(cè)半軸齒輪即以相同的轉(zhuǎn)速反向轉(zhuǎn)動。對稱式圓錐行星齒輪差速器的結(jié)構(gòu)普通的對稱式圓錐齒輪差速器由差速器左右殼，兩個(gè)半軸齒輪，四個(gè)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。如圖 3-2 所示。由于其具有結(jié)構(gòu)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(diǎn)，故廣泛用于各類車輛上。圖 2-2 普通的對稱式圓錐行星齒輪差速器1，12-軸承；2-螺母；3，14-鎖止墊片；4-差速器左殼；5，13-螺栓；6-半軸齒輪墊片；7-半軸齒輪；8-行星齒輪軸；9-行星齒輪；10-行星齒輪墊片；11-差速器右殼二、普通錐齒輪差速器的設(shè)計(jì)2.1 6109 客車車型數(shù)據(jù)2.1．1 尺寸參數(shù)：見表 1表 1 6108 客車整車尺寸參數(shù)尺寸類型 項(xiàng)目 參數(shù)值總長 LB 9000總寬 BB 2470整車外形尺寸（mm）總高 HB 3300長 LB 8100寬 BB 2300車廂內(nèi)部尺寸（mm）高 HB 1930軸距 L 4300底盤布置尺寸（mm） 前后輪距 B1/B2 1930/1790最小離地間隙hmin（mm）230接近角 α（°） 9°通過性參數(shù)（整車整備靜態(tài)）離去角 β（°） 8.5°2.1.2 質(zhì)量參數(shù)：見表 2表 2 6108 客車質(zhì)量參數(shù)表類別 項(xiàng)目 參數(shù)值整車整備質(zhì)量me（kg）8100質(zhì)量參數(shù)乘員數(shù) 30(座)+15(立)+1 人最大總質(zhì)量 ma (kg) 10500前軸 G1 5775最大軸載質(zhì)量（kg） 后軸 G2 47252.1.3 發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)：見表 3 表 3 PE6T 發(fā)動機(jī)性能參數(shù)型號 PE6T額定功率 Pe (kw) 135額定功率轉(zhuǎn)速 ne (rpm) 2500最大轉(zhuǎn)矩 Ttq (n?m) 710最大轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)速 nt (rpm) 1650全負(fù)荷最低燃油消耗量 b (kw?h) 2202.1.4 傳動系的傳動比：見表 4表 4 變速器和主減速器的傳動比檔位 Ⅰ檔(ig1)Ⅱ檔(ig2)Ⅲ檔(ig3)Ⅳ檔(ig4)Ⅴ檔(ig5)倒檔速比 6.93 4.03 2.3651.40 1.00 6.93主減速器傳動比ig06.1232.1.5 輪胎和輪輞規(guī)格：輪胎：9R22.52.1.6 車輪滾動半徑：輪胎：9R22.5 rr≈0.495m2.1.7 滾動阻力系數(shù) f：為計(jì)算方便，近似取 0.0152.1.8 空氣阻力系數(shù)和空氣阻力：本車的空氣阻力系數(shù) CD=0.7迎風(fēng)面積 A≈BB?HB=2.47×3.3=8.151(m2)式中：BB 為汽車總寬 2470mm；HB 為汽車總高 3300mm2.2 對稱式圓錐行星齒輪差速器的設(shè)計(jì)和計(jì)算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(shí)，應(yīng)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(dǎo)向軸承座的限制。2.2.1 差速器齒輪的基本參數(shù)的選擇1.行星齒輪數(shù)目的選擇載貨汽車采用 2 個(gè)行星齒輪。2.行星齒輪球面半徑 的確定BR圓錐行星齒輪差速器的結(jié)構(gòu)尺寸，通常取決于行星齒輪的背面的球面半徑，它就是行星齒輪的安裝尺寸，實(shí)際上代表了差速器圓錐齒輪的節(jié)錐距，因BR此在一定程度上也表征了差速器的強(qiáng)度。球面半徑 可按如下的經(jīng)驗(yàn)公式確定：Bmm 12(2-3) 3TKRB?式中： ——行星齒輪球面半徑系數(shù)，可取 2.52～2.99，對于有 2 個(gè)行星齒BK輪的載貨汽車取小值；T——計(jì)算轉(zhuǎn)矩，取 Tce 和 Tcs 的較小值，N·m.計(jì)算轉(zhuǎn)矩的計(jì)算（2-4） rp0amxghni=.37vi式中 ——車輪的滾動半徑， =0.495mr righ——變速器最高檔傳動比。i gh =1根據(jù)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(yīng)。把 nn=2500r/n , =64km/h , r =0.495m , igh=1 代入（2-4）amxv計(jì)算出 i =7.290從動錐齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)矩 Tce（2-5） nikTfedce?01max?式中：Tce—計(jì)算轉(zhuǎn)矩，Nm；Temax—發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；T emax = 710Nmn—計(jì)算驅(qū)動橋數(shù)，1；if—變速器一檔傳動比；i f=6.93；i0—主減速器傳動比，I 0=6.123；η—變速器傳動效率，η=0.95；k—液力變矩器變矩系數(shù)，K=1；Kd—由于猛接離合器而產(chǎn)生的動載系數(shù)，K d=1；i1—變速器最低擋傳動比，i 1=1；代入式（2-5） ，有：Tce=28620.6 Nm根據(jù)上式 = =31mm 預(yù)選其節(jié)錐距 A =30mmBR32860. 03.行星齒輪與半軸齒輪的選擇為了獲得較大的模數(shù)從而使齒輪有較高的強(qiáng)度，應(yīng)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 / 在 1.5～2.0 的范圍內(nèi)。1z2差速器的各個(gè)行星齒輪與兩個(gè)半軸齒輪是同時(shí)嚙合的，因此，在確定這兩種齒輪齒數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮它們之間的裝配關(guān)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) ， 之和必須能被行星齒輪的數(shù)目所整除，以便行星Lz2R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(yīng)滿足的安裝條件為：(2-6) InzRL??2式中： ， ——左右半軸齒輪的齒數(shù)，對于對稱式圓錐齒輪差速器來說，Lz2R=Lz2R——行星齒輪數(shù)目；n——任意整數(shù)。I在此 =12， =20 滿足以上要求。1z24.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= = =90°- =59.03°211arctnz??rta03.96o1?2再按下式初步求出圓錐齒輪的大端端面模數(shù) mm= = = =10sin?zA20si?zsin3.961??2.57查閱文獻(xiàn)[3] 取 m=3mm得 mm =136dmz??2mzd?0?5.壓力角 α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(qiáng)度。由于這種齒形的最小齒數(shù)比壓力角為 20°的少，故可以用較大的模數(shù)以提高輪齒的強(qiáng)度。在此選 22.5°的壓力角。6. 行星齒輪安裝孔的直徑 及其深度 L?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的深度就是行星齒輪在其軸上的支承長度，通常取：?1.?L??nlTc??302.lc?1.30?式中： ——差速器傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·m；在此取 28620.6 Nm 0T——行星齒輪的數(shù)目；在此為 4n——行星齒輪支承面中點(diǎn)至錐頂?shù)木嚯x，mm， ≈0.5d ， d 為半軸齒輪齒l l'2'面寬中點(diǎn)處的直徑，而 d ≈0.8 ；'22——支承面的許用擠壓應(yīng)力，在此取 69 MPa??c?根據(jù)上式 = mm =0.5× = mm'20.86d??4l482≈69mm312.7m.9??1.67L??2.2.2 差速器齒輪的幾何計(jì)算表 3-1 汽車差速器直齒錐齒輪的幾何尺寸計(jì)算用表序號 項(xiàng)目 計(jì)算公式 計(jì)算結(jié)果1 行星齒輪齒數(shù) ≥10，應(yīng)盡量取最小值1z =121z2 半軸齒輪齒數(shù) =14～25，且需滿足式（1-4）2 =2023 模數(shù) m=3mmm4 齒面寬 b=(0.25～0.30)A ;b≤10m0 9m5 工作齒高 hg6.1?= mmgh4.86 全齒高 5.78.?m5.4157 壓力角 ?22.5°8 軸交角 =90°?9 節(jié)圓直徑 ； 1zd?2z136d?2010 節(jié)錐角 ，211arctnz?190???=30.96°， ??.59211 節(jié)錐距 210sini2?dA?=30mm0A12 周節(jié) =3.1416tm =9.4248mm13 齒頂高;21agah??zha?????????????21237.04.=3.11mm1ah=1.69mm214 齒根高=1.788 - ; =1.788 -1fma2fhm=2.224m1fh=3.674mm2f15 徑向間隙 = - =0.188 +0.051cg =0.239mmc16 齒根角 = 01artnAhf; 022arctnAhf??1? =4. °; 1?23=6.98°17 面錐角 ；21????o 12????o= °1o?7.94=263.8 根錐角 ；11????R22????R=26. °1R?73=52.05°219 外圓直徑；11cos2?aohd??20 mm014.3d?mm268720 節(jié)圓頂點(diǎn)至齒 1'201sin??h??mm.3901?輪外緣距離 2'102sin??hd??mm72.302??21 理論弧齒厚 21t??mhts?????an''2 =5.92 mm1s=6.63 mm222 齒側(cè)間隙 =0.245～0.330 mmB=0.250mmB23 弦齒厚 263BdsSiii??? =5.269mm1?S=6.49mm224 弦齒高 iiish4co2' ???=4.29mm1?h=2.32mm22.2.3 差速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)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)常處于嚙合狀態(tài)，只有當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎或左右輪行駛不同的路程時(shí)，或一側(cè)車輪打滑而滑轉(zhuǎn)時(shí)，差速器齒輪才能有嚙合傳動的相對運(yùn)動。因此對于差速器齒輪主要應(yīng)進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核。輪齒彎曲強(qiáng)度 為w?MPa (3-6) 3210smwvnTkbdJ???式中： ——差速器一個(gè)行星齒輪傳給一個(gè)半軸齒輪的轉(zhuǎn)矩，其計(jì)算式Tn6.0??在此 為 ——差速器的行星齒輪數(shù)；830.47Nn——半軸齒輪齒數(shù)；2z——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(guān)，sK當(dāng)ｍ 時(shí)， ，在此 ＝0.5866.1?4.25mKs?4325.sK?——載荷分配系數(shù)，當(dāng)兩個(gè)齒輪均用騎馬式支承型式時(shí)，m＝1.00～1.1；mK其他方式支承時(shí)取 1.10～1.25。支承剛度大時(shí)取最小值。——質(zhì)量系數(shù)，對于汽車驅(qū)動橋齒輪，當(dāng)齒輪接觸良好，周節(jié)及徑向v跳動精度高時(shí)，可取 1.0;——計(jì)算汽車差速器齒輪彎曲應(yīng)力用的綜合系數(shù)，由圖 1-1 可查得J=0.265圖 1-2 彎曲計(jì)算用綜合系數(shù)根據(jù)上式 = = 〈980 MPaw?3210846.210.5869??4.MPa所以，差速器齒輪滿足彎曲強(qiáng)度要求。2.2.4 差速器齒輪的材料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、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(yīng)用。三、對稱式圓錐行星齒輪差速器的 UG 圖形錐齒輪差速器殼十字軸——錐齒輪差速器半軸齒輪行星齒輪四、結(jié)論本次課程設(shè)計(jì)根據(jù)差速器設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式，以及差速器的工作原理和使用要求，通過對其工作原理的闡述、結(jié)構(gòu)方案的比較、選擇和計(jì)算，然后參考圓錐行星齒輪差速器的結(jié)構(gòu)尺寸，確定出差速器齒輪的主要設(shè)計(jì)參數(shù)；最后對差速器齒輪的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和校核。結(jié)構(gòu)方面：考慮到差速器的各個(gè)行星齒輪與兩個(gè)半軸齒輪是同時(shí)嚙合的，因此，在確定這兩種齒輪齒數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮它們之間的裝配關(guān)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)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。計(jì)算方面：根據(jù)中型載重汽車（解放 ca1091)差速器的基本參數(shù)Temax,n,if,i0,η,k，然后按照基本經(jīng)驗(yàn)公式運(yùn)算得出 Tce, Tcs ,T，行星齒輪安裝孔的直徑及其深度 L 等尺寸參數(shù)，并進(jìn)一步對差速器齒輪進(jìn)行了強(qiáng)度校核。綜上所述：本次設(shè)計(jì)的差速器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作平穩(wěn)、制造方便、用于公路汽車上也很可靠等特點(diǎn)，符合計(jì)劃書及國家標(biāo)準(zhǔn)。從學(xué)習(xí)專業(yè)課開始之后，太多的課程都變成了考察，有許多的課程設(shè)計(jì)需要自己動手做，從公式的靈活運(yùn)用，到數(shù)據(jù)得處理，尤其畫圖軟件 UG 的的學(xué)習(xí)，從中我收獲了很多，獨(dú)立完成作業(yè)，自主學(xué)習(xí)這方面的能力也提高了不少。但是，對于畫圖軟件 UG，我僅僅限于了解層次，只會畫一些很簡單的三維圖，相比那些學(xué)得很好的同學(xué)，差之甚遠(yuǎn)。我有過反思，時(shí)間花得太少，又畏難，沒有耐性，總是拿考研做借口，很多專業(yè)知識都落下了。我會努力學(xué)好ＵＧ，學(xué)好Ｍａｔｌａｂ……五、參考文獻(xiàn)[1]王望予,《汽車設(shè)計(jì)》(第 4 版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004[2]鄭文偉，吳克堅(jiān)《機(jī)械原理》. 北京：高等教育出版社，1996[3]余志生,《汽車?yán)碚摗?北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009［4］陳家瑞.《汽車構(gòu)造》. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.7［5］濮良貴,紀(jì)名剛.《機(jī)械設(shè)計(jì)》. 北京：高等教育出版社，2006.5［6］駱?biāo)鼐?朱詩順.《機(jī)械課程設(shè)計(jì)簡明手冊》. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.8