汽車(chē)差速器設(shè)計(jì)+錐齒輪設(shè)計(jì)

汽車(chē)差速器設(shè)計(jì)+錐齒輪設(shè)計(jì),汽車(chē),差速器,設(shè)計(jì),齒輪 第四節(jié) 差速器設(shè)計(jì) 汽車(chē)在行駛過(guò)程中，左、右車(chē)輪在同一時(shí)間內(nèi)所滾過(guò)的路程往往是不相等的，如轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)側(cè)車(chē)輪行程比外側(cè)車(chē)輪短；左右兩輪胎內(nèi)的氣壓不等、胎面磨損不均勻、兩車(chē)輪上的負(fù)荷不均勻而引起車(chē)輪滾動(dòng)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(dòng)橋的左、右車(chē)輪剛性連接，則不論轉(zhuǎn)彎行駛或直線行駛，均會(huì)引起車(chē)輪在路面上的滑移或滑轉(zhuǎn)，一方面會(huì)加劇輪胎磨損、功率和燃料消耗，另一方面會(huì)使轉(zhuǎn)向沉重，通過(guò)性和操縱穩(wěn)定性變壞。為此，在驅(qū)動(dòng)橋的左、右車(chē)輪間都裝有輪間差速器。在多橋驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)上還常裝有軸間差速器，以提高通過(guò)性，同時(shí)避免在驅(qū)動(dòng)橋間產(chǎn)生功率循環(huán)及由此引起的附加載荷、傳動(dòng)系零件損壞、輪胎磨損和燃料消耗等。 差速器用來(lái)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(dòng)。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(chē)上廣泛采用的差速器為對(duì)稱錐齒輪式差速器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量較小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)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(qiáng)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(jiǎn)單、工作平穩(wěn)可靠，所以廣泛應(yīng)用于一般使用條件的汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋中。圖5—19為其示意圖，圖中ω0為差速器殼的角速度；ω1、ω2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(duì)差速器的反轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)運(yùn)動(dòng)分析可得 +＝2 (5—23) 顯然，當(dāng)一側(cè)半軸不轉(zhuǎn)時(shí)，另一側(cè)半軸將以兩倍的差速器殼體角速度旋轉(zhuǎn)；當(dāng)差速器殼體不轉(zhuǎn)時(shí)，左右半軸將等速反向旋轉(zhuǎn)。 根據(jù)力矩平衡可得 (5 - 24) 差速器性能常以鎖緊系數(shù)k是來(lái)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 (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 (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=1．11～1．35，這說(shuō)明左、右半軸的轉(zhuǎn)矩差別不大，故可以認(rèn)為分配給兩半軸的轉(zhuǎn)矩大致相等，這樣的分配比例對(duì)于在良好路面上行駛的汽車(chē)來(lái)說(shuō)是合適的。但當(dāng)汽車(chē)越野行駛或在泥濘、冰雪路面上行駛，一側(cè)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪與地面的附著系數(shù)很小時(shí)，盡管另一側(cè)車(chē)輪與地面有良好的附著，其驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩也不得不隨附著系數(shù)小的一側(cè)同樣地減小，無(wú)法發(fā)揮潛在牽引力，以致汽車(chē)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(gè)行星齒輪軸5的V形面是反向安裝的。每個(gè)半軸齒輪背面有壓盤(pán)3和主、從動(dòng)摩擦片2，主、從動(dòng)摩擦片2分別經(jīng)花鍵與差速器殼1和壓盤(pán)3相連。 當(dāng)傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，差速器殼通過(guò)斜面對(duì)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(dòng)行星齒輪使壓盤(pán)將摩擦片壓緊。當(dāng)左、右半軸轉(zhuǎn)速不等時(shí)，主、從動(dòng)摩擦片間產(chǎn)生相對(duì)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 (5 - 28) 式中，為摩擦片平均摩擦半徑；為差速器殼V形面中點(diǎn)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(dá)0．6，可達(dá)4。這種差速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作平穩(wěn)，可明顯提高汽車(chē)通過(guò)性。 3．強(qiáng)制鎖止式差速器 當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪處于附著系數(shù)較小的路面時(shí)，可通過(guò)液壓或氣動(dòng)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?fàn)繉?duì)于裝有強(qiáng)制鎖止式差速器的4X2型汽車(chē)，假設(shè)一驅(qū)動(dòng)輪行駛在低附著系數(shù)甲的路面上，另一驅(qū)動(dòng)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(chē)所能發(fā)揮的最大牽引力為 (5 - 29) 式中，為驅(qū)動(dòng)橋上的負(fù)荷。 如果差速器完全鎖住，則汽車(chē)所能發(fā)揮的最大牽引力為 (5 - 30) 可見(jiàn)，采用差速鎖將普通錐齒輪差速器鎖住，可使汽車(chē)的牽引力提高倍，從而提高了汽車(chē)通過(guò)性。 當(dāng)然，如果左、右車(chē)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(guò)車(chē)輪與地面間的附著力，汽車(chē)也無(wú)法行駛。 強(qiáng)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(jiǎn)單，操作方便。目前，許多使用范圍比較廣的重型貨車(chē)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(dòng)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(dòng)?；瑝K兩端分別與差速器的從動(dòng)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(dāng)差速器傳遞動(dòng)力時(shí)，主動(dòng)套帶動(dòng)滑塊并通過(guò)滑塊帶動(dòng)內(nèi)、外凸輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)允許內(nèi)、外凸輪轉(zhuǎn)速不等。理論上凸輪形線應(yīng)是阿基米德螺線，為加工簡(jiǎn)單起見(jiàn)，可用圓弧曲線代替。 圖5—22為滑塊受力圖?；瑝K與內(nèi)凸輪、外凸輪和主動(dòng)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(diǎn)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，β1β2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(diǎn)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 (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(fù)雜，禮零件材料、機(jī)械加工、熱處耶、化學(xué)處理等方面均有較高的技術(shù)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(shí)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，β為蝸桿螺旋角；ρ為摩擦角。 蝸輪式差速器的半軸轉(zhuǎn)矩比kb可高達(dá)5．67～9．00，鎖緊系數(shù)是達(dá)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(dāng)把kb降到2．65～3．00，k降到0．45～0．50時(shí)，可提高該差速器的使用壽命。由于這種差速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，因而限制了它的應(yīng)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(chē)在直線行駛時(shí)，主動(dòng)環(huán)可將由主減速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩按左、右輪阻力的大小分配給左、右從動(dòng)環(huán)(即左、右半軸)。當(dāng)一側(cè)車(chē)輪懸空或進(jìn)入泥濘、冰雪等路面時(shí)，主動(dòng)環(huán)的轉(zhuǎn)矩可全部或大部分分配給另一側(cè)車(chē)輪。當(dāng)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，外側(cè)車(chē)輪有快轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，使外側(cè)從動(dòng)環(huán)與主動(dòng)環(huán)脫開(kāi)，即中斷對(duì)外輪的轉(zhuǎn)矩傳遞；內(nèi)側(cè)車(chē)輪有慢轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，使內(nèi)側(cè)從動(dòng)環(huán)與主動(dòng)環(huán)壓得更緊，即主動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)矩全部傳給內(nèi)輪。由于該差速器在轉(zhuǎn)彎時(shí)是內(nèi)輪單邊傳動(dòng)，會(huì)引起轉(zhuǎn)向沉重，當(dāng)拖帶掛車(chē)時(shí)尤為突出。此外，由于左、右車(chē)輪的轉(zhuǎn)矩時(shí)斷時(shí)續(xù)，車(chē)輪傳動(dòng)裝置受的動(dòng)載荷較大，單邊傳動(dòng)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(wú)窮大。該差速器工作可靠，使用壽命長(zhǎng)，鎖緊性能穩(wěn)定，制造加工也不復(fù)雜。 二、普通錐齒輪差速器齒輪設(shè)計(jì) (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(lái)選擇。通常情況下，轎車(chē)：n=2；貨車(chē)或越野車(chē)：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(yàn)公式來(lái)確定 式中，Kb為行星齒輪球面半徑系數(shù)，Kb =2．5～3．0，對(duì)于有四個(gè)行星齒輪的轎車(chē)和公路用貨車(chē)取小值，對(duì)于有兩個(gè)行星齒輪的轎車(chē)及四個(gè)行星齒輪的越野車(chē)和礦用車(chē)取大值；Td為差速器計(jì)算轉(zhuǎn)矩(N·m)，Td=min[Tce,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(qiáng)度，希望取較大的模數(shù)，但尺寸會(huì)增大，于是又要求行星齒輪的齒數(shù)Z1應(yīng)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(chē)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(gè)或四個(gè)行星齒輪能同時(shí)與兩個(gè)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γ1、γ2及模數(shù)m 行星齒輪和半軸齒輪節(jié)錐角γ1、γ2分別為 錐齒輪大端端面模數(shù)m為 (5 - 39) 5．壓力角 汽車(chē)差速齒輪大都采用壓力角為、齒高系數(shù)為0.8的齒形。某些重型貨車(chē)和礦用車(chē)采用壓力角，以提高齒輪強(qiáng)度。 6．行星齒輪軸直徑d及支承長(zhǎng)度L 行星齒輪軸直徑d(mm)為 (5-40) 式中，為差速器傳遞的轉(zhuǎn)矩(N·m)，n為行星齒輪數(shù)；為行星齒輪支承面中點(diǎn)到錐頂?shù)木嚯x(mm)，約為半軸齒輪齒寬中點(diǎn)處平均直徑的一半；為支承面許用擠壓應(yīng)力，取98MPa。行星齒輪在軸上的支承長(zhǎng)度L為 (5-40) (二)差速器齒輪強(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)常處于嚙合傳動(dòng)狀態(tài)，只有當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎或左、右輪行駛不同的路程時(shí)，或一側(cè)車(chē)輪打滑而滑轉(zhuǎn)時(shí)，差速器齒輪才能有嚙合傳動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)于差速器齒輪主要應(yīng)進(jìn)行彎曲強(qiáng)度計(jì)算。輪齒彎曲應(yīng)力(MPa)為 (5-40) 式中，n為行星齒輪數(shù)；J為綜合系數(shù)，取法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[10]；、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(jì)算轉(zhuǎn)矩(N·m)，；、、按主減速器齒輪強(qiáng)度計(jì)算的有關(guān)數(shù)值選取。 當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，。 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(yīng)用。 三、粘性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)及在汽車(chē)上的布置 粘性聯(lián)軸器是一種利用液體粘性傳遞動(dòng)力的裝置。它以其優(yōu)良的性能不僅廣泛應(yīng)用于四輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)上，而且也應(yīng)用于兩輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)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(jiǎn)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(dòng)；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(dòng)。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(dòng)裝置，是依靠硅油的粘性阻力來(lái)傳遞動(dòng)力，即通過(guò)內(nèi)、外葉片間硅油的油膜剪切力來(lái)傳遞動(dòng)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(dāng)A軸與月軸之間有轉(zhuǎn)速差時(shí)，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(guān)。 2．粘性聯(lián)軸器在車(chē)上的布置 根據(jù)全輪驅(qū)動(dòng)形式的不同，粘性聯(lián)軸器在汽車(chē)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(dòng)裝置的簡(jiǎn)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(guò)空心軸2與右側(cè)的前橋差速器6殼體相連，右齒輪通過(guò)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(dāng)前、后橋差速器殼體轉(zhuǎn)速相近時(shí)，粘性聯(lián)軸器內(nèi)、外葉片轉(zhuǎn)速相近，它并不起限動(dòng)作用，此時(shí)軸間差速器將轉(zhuǎn)矩按固定比例分配給前、后橋。當(dāng)某一車(chē)輪(如前輪)嚴(yán)重打滑時(shí)，前橋差速器殼的轉(zhuǎn)速升高，粘性聯(lián)軸器的內(nèi)、外葉片轉(zhuǎn)速差增大，阻力矩增大，軸間差速器中與后橋相連的轉(zhuǎn)速較低的齒輪就獲得了較大的轉(zhuǎn)矩，使附著條件較好的后輪產(chǎn)生與附著條件相適應(yīng)的較大的驅(qū)動(dòng)力。 在有些汽車(chē)中，用粘性聯(lián)秈臘取代了軸間差速器。當(dāng)汽車(chē)正常行駛時(shí)，前、后輪轉(zhuǎn)速基本相等，粘性聯(lián)軸器不工作，此時(shí)相當(dāng)于前輪驅(qū)動(dòng)。當(dāng)汽車(chē)加速或爬坡時(shí)，汽車(chē)質(zhì)心后移，前輪將出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速升高，前、后輪出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差，粘性聯(lián)軸器開(kāi)始工作，將部分轉(zhuǎn)矩傳給后橋，使之產(chǎn)生足夠驅(qū)動(dòng)力幫助前輪恢復(fù)正常的附著狀態(tài)，提高了它的動(dòng)力性。由于粘性傳動(dòng)不如機(jī)械傳動(dòng)可靠，所能傳遞的轉(zhuǎn)矩較小，故該形式主要用于轎車(chē)和輕型汽車(chē)中。