汽車差速器設(shè)計+錐齒輪設(shè)計,汽車,差速器,設(shè)計,齒輪 第四節(jié) 差速器設(shè)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(fù)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(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驅(qū)動橋中。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、右兩半軸對差速器的反轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)運(yùn)動分析可得 +＝2 (5—23) 顯然，當(dāng)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(dāng)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 (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 (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，這樣的分配比例對于在良好路面上行駛的汽車來說是合適的。但當(dāng)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(dāng)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(dāng)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 (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)簡單，工作平穩(wěn)，可明顯提高汽車通過性。 3．強(qiáng)制鎖止式差速器 當(dāng)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?fàn)繉τ谘b有強(qiáng)制鎖止式差速器的4X2型汽車，假設(shè)一驅(qū)動輪行駛在低附著系數(shù)甲的路面上，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)揮的最大牽引力為 (5 - 29) 式中，為驅(qū)動橋上的負(fù)荷。 如果差速器完全鎖住，則汽車所能發(fā)揮的最大牽引力為 (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倍，從而提高了汽車通過性。 當(dāng)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(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。滑塊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(dāng)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(yīng)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(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，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(dāng)一側(cè)車輪懸空或進(jìn)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(dāng)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(dāng)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(fù)雜。 二、普通錐齒輪差速器齒輪設(shè)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(yàn)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=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。某些重型貨車和礦用車采用壓力角，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度L為 (5-40) (二)差速器齒輪強(qiáng)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(dāng)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(yùn)動。因此，對于差速器齒輪主要應(yīng)進(jìn)行彎曲強(qiáng)度計算。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為半軸齒輪計算轉(zhuǎn)矩(N·m)，；、、按主減速器齒輪強(qiáng)度計算的有關(guān)數(shù)值選取。 當(dāng)時，；當(dāng)時，。 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(yīng)用于四輪驅(qū)動汽車上，而且也應(yīng)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(dāng)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(guān)。 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(dāng)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(dāng)某一車輪(如前輪)嚴(yán)重打滑時，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)動力。 在有些汽車中，用粘性聯(lián)秈臘取代了軸間差速器。當(dāng)汽車正常行駛時，前、后輪轉(zhuǎn)速基本相等，粘性聯(lián)軸器不工作，此時相當(dāng)于前輪驅(qū)動。當(dāng)汽車加速或爬坡時，汽車質(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)軸器開始工作，將部分轉(zhuǎn)矩傳給后橋，使之產(chǎn)生足夠驅(qū)動力幫助前輪恢復(fù)正常的附著狀態(tài)，提高了它的動力性。由于粘性傳動不如機(jī)械傳動可靠，所能傳遞的轉(zhuǎn)矩較小，故該形式主要用于轎車和輕型汽車中。