汽車差速器設計【大眾途觀SUV車型】【三維proe】【6張CAD圖紙】

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Differential characteristics of its structure can be divided into gear, cam, turbo-wheeled freedom and jaw and other forms. The symmetrical design style bevel gear differential, which is mainly composed of the differential housing, planetary gears, axle gears, planetary gear shaft and bolts and other components. The design is mainly for automotive differential design. First, by making the structure and principle of differential analysis, based on the analysis in this structural scheme proposed differential; Next, the main technical parameters were calculated selection; then, for each of the main components were designed and school nuclear; and finally, through the AutoCAD drawing software to draw a differential assembly drawing and major components diagram and by the Pro/E design software to build a three-dimensional model of the differential. Through this design, the consolidation of the university is the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerances and interchangeability theory, mechanical drawing and the like; mastered the design of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD mapping software , Pro / E three-dimensional design software, for the future work of great significance in life. Keywords: Differential, Planetary gear, Pinion Shaft design 汽車差速器設計 1 第一章 緒 論 1.1研究背景及意義 差速器的作用就是使兩側車輪轉速不同。當汽車轉彎時，例如左轉彎，彎心在 左側，在相同的時間內右側車輪要比左側車輪走過的軌跡要長，所以右側車輪轉的 要更快一些。要達到這個效果，就得通過差速器來調節(jié)。差速器由差速器殼、行星 齒輪、行星齒輪軸和半軸齒輪等機械零件組成。 發(fā)動機的動力經變速器從動軸進入差速器后，直接驅動差速器殼，再傳遞到行 星齒輪，帶動左、右半軸齒輪，進而驅動車輪，左右半軸的轉速之和等于差速器殼 轉速的兩倍。當汽車直線行駛時，行星齒輪，左、右半軸齒輪和驅動車輪三者轉速 相同。當轉彎時，由于汽車受力情況發(fā)生變化，反饋在左右半軸上，進而破壞差速 器原有的平衡，這時轉速重新分配，導致內側車輪轉速減小，外側車輪轉速增加， 重新達到平衡狀態(tài)，同時，汽車完成轉彎動作。 差速器就是一種將發(fā)動機輸出扭矩一分為二的裝置，允許轉向時輸出兩種不同 的轉速。 差速器有三大功用：把發(fā)動機發(fā)出的動力傳輸到車輪上；充當汽車主減速齒輪， 在動力傳到車輪之前將傳動系的轉速減下來；將動力傳到車輪上，同時，允許兩輪 以不同的輪速轉動。 當汽車轉向時，車輪以不同的速度旋轉。在轉彎時，每個車輪駛過的距離不相 等，即內側車輪比外側車輪駛過的距離要短。因為車速等于汽車行駛的距離除以通 過這段距離所花費的時間，所以行駛距離短的車輪轉動的速度就慢。 汽車在行使過程中，左右車輪在同一時間內所滾過的路程往往是不相等的，左 右兩輪胎內的氣壓不等、胎面磨損不均勻、兩車輪上的負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，行使阻力不等等。這樣，如果驅動橋 的左、右車輪剛性連接，則不論轉彎行使或直線行使，均會引起車輪在路面上的滑 移或滑轉，一方面會加劇輪胎磨損、功率和燃料消耗，另一方面會使轉向沉重，通 過性和操縱穩(wěn)定性變壞。為此，在驅動橋的左右車輪間都裝有輪間差速器。 差速器是個差速傳動機構，用來在兩輸出軸間分配轉矩，并保證兩輸出軸有可 能以不同的角速度轉動，用來保證各驅動輪在各種運動條件下的動力傳遞，避免輪 汽車差速器設計 2 胎與地面間打滑。差速器按其結構特征可分為齒輪式、凸輪式、蝸輪式和牙嵌自由 輪式等多種形式。 1.2差速器的功用 汽車差速器是驅動轎的主件，簡單說它的作用就是在向兩邊半軸傳遞動力的同 時，允許兩邊半軸以不同的轉速旋轉，滿足兩邊車輪盡可能以純滾動的形式作不等 距行駛，減少輪胎與地面的摩擦。汽車在直線行駛時，左右車輪轉速幾乎相同，而 在轉彎時，左右車輪轉速不同，差速器能實現左右車輪轉速的自動調節(jié)，允許左右 車輪以不同的轉速旋轉。 汽車差速器是汽車傳動中的最重要的部件之一，它有三大作用：首先是將發(fā)動 機輸出的動力傳輸到車輪上；其次，將主減速器已經增加的扭矩一分為二的分配給 左右兩根半軸；最后，擔任汽車主減速齒輪，在動力傳輸至車輪前將傳動系的轉速 減下來，將動力傳到車輪上，同時允許兩側車輪以不同的輪速轉動3。差速器對提 高汽車行駛平穩(wěn)性和其通過性有著獨特的作用，是汽車設計的重點之一。 1.3差速器的結構 1.3.1差速器的類型 （1）開式差速器 開式差速器的結構，是典型的行星齒輪組結構，只不過太陽輪和外齒圈的齒數 是一樣的。在這套行星齒輪組里，主動輪是行星架，被動輪是兩個太陽輪。通過行 星齒輪組的傳動特性我們知道，如果行星架作為主動軸，兩個太陽輪的轉速和轉動 方向是不確定的，甚至兩個太陽輪的轉動方向是相反的。 車輛直行狀態(tài)下，這種差速器的特性就是，給兩個半軸傳遞的扭矩相同。在一 個驅動輪懸空情況下，如果傳動軸是勻速轉動，有附著力的驅動輪是沒有驅動力的， 如果傳動軸是加速轉動，有附著力的驅動輪的驅動力等于懸空車輪的角加速度和轉 動慣量的乘積。 車輛轉彎輪胎不打滑的狀態(tài)下，差速器連接的兩個半軸的扭矩方向是相反的， 給車輛提供向前驅動力的，只有內側的車輪，行星架和內側的太陽輪之間由等速傳 動變成了減速傳動，駕駛感覺就是彎道加速比直道加速更有力。 開式差速器的優(yōu)點就是在鋪裝路面上轉行行駛的效果最好。缺點就是在一個驅 汽車差速器設計 3 動輪喪失附著力的情況下，另外一個也沒有驅動力。 開式差速器的適用范圍是所有鋪裝路面行駛的車輛，前橋驅動和后橋驅動都可 以安裝。 （2）限滑差速器 限滑差速器用于部分彌補開式差速器在越野路面的傳動缺陷，它是在開式差速 器的機構上加以改進，在差速器殼的邊齒輪之間增加摩擦片，對應于行星齒輪組來 講，就是在行星架和太陽輪之間增加了摩擦片，增加太陽輪與行星架自由轉動的阻 力力矩。 限滑差速器提供的附加扭矩，與摩擦片傳遞的動力和兩驅動輪的轉速差有關。 在開式差速器結構上改進產生的 LSD，不能做到 100的限滑，因為限滑系數越高， 車輛的轉向特性越差。 LSD 具備開式差速器的傳動特性和機械結構。優(yōu)點就是提供一定的限滑力矩， 缺點是轉向特性變差，摩擦片壽命有限。 LSD 的適用范圍是鋪裝路面和輕度越野 路面。通常用于后驅車。前驅車一般不裝，因為 LSD 會干涉轉向，限滑系數越大， 轉向越困難。 1.3.2對稱式圓錐齒輪差速器結構 如圖 1-1 所示是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。 圖 1-1 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； 汽車差速器設計 4 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 1.4差速器差速原理 圖 1-2 差速器差速原理 如圖 1-2 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 ；半軸齒輪 1 和 2 為從動件，其角速度為 和 。012 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 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 上的 A、B、C 三點的圓周速度都相等（圖 1-2） ，其值為 。于是 = = ，r 0r120 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。 當行星齒輪 4 除公轉外，還繞本身的軸 5 以角速度 自轉時（圖） ，嚙合點 A4 的圓周速度為 = + ，嚙合點 B 的圓周速度為 = - 。于是1r04r 2r04r + =（ + ）+( - )12 04r 即 + =2 （1-1）120 若角速度以每分鐘轉數 表示，則n （1-2）021 式（1-2 ）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。 汽車差速器設計 5 有式（1-2 ）還可以得知：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；當差速器殼的轉速為零（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。 1.5設計參數和要求 設計技術參數如下： （1）車的最大速度：100km/h （2）輸入功率：P=100kw （3）齒輪轉速 n=1440r/min 其他相關參數選定如下： （3）主減速比：i0=3.526 （4）輪胎規(guī)格（前后）175/65 R14 （5）變速器速比：（3.545 1.8947 1.3103 0.9706 0.7436) 汽車差速器設計 6 第二章 差速器總體方案設計 2.1設計要求分析 已知設計技術參數如下： （1）車的最大速度：100km/h （2）輸入功率：P=100kw （3）齒輪轉速 n=1440r/min 從提供的設計參數來看，該汽車的最大車速為 100km/h，功率為 100KW，齒輪 轉速 1440r/min，屬于普通轎車。 2.2方案選擇 差速器按其結構特征可分為齒輪式、凸輪式、蝸輪式和牙嵌自由輪式等多種形 式。 普通汽車上廣泛采用的差速器為對稱錐齒輪式差速器，具有結構簡單、質量較 小等優(yōu)點，應用廣泛。它可分為普通錐齒輪式差速器、摩擦片式差速器和強制鎖止 式差速器。普通齒輪式差速器的傳動機構為齒輪式。齒輪差速器分圓錐齒輪式和圓 柱齒輪式兩種10 。 強制鎖止式差速器就是在對稱式錐齒輪差速器上設置差速鎖。當一側驅動輪滑 轉時，可利用差速鎖使差速器不起差速作用。差速鎖在軍用汽車上應用較廣。 對稱式錐齒輪差速器結構簡單，工作平穩(wěn)可靠，廣泛應用于一般使用條件的汽 車驅動橋上，根據給定的參數可知本次設計的為普通轎車上的差速器，因此初步選 定差速器的種類為行星錐齒輪差速器，安裝在驅動橋的兩個半軸之間，通過兩個半 軸把動力傳給車輪。設計簡圖如下： 汽車差速器設計 7 12345 圖 2-1 差速器結構方案圖 1差速器左殼 2半軸齒輪 3行星齒輪 4差速器右殼 5十字軸 如上圖 1-2 所示，對稱式行星錐齒輪主要是由差速器左、右殼 1 和 4，兩個半軸 齒輪 2，四個行星齒輪 3，十字軸 5 組成。動力傳輸到差速器殼 1，差速器殼帶動十 字軸 5 轉動，十字軸又帶動安裝在它四個軸頸上的行星齒輪 3 轉動，由于行星齒輪 與半軸齒輪相互嚙合，所以行星齒輪又將轉矩傳遞給半軸齒輪，半軸齒輪又與半軸 相連，于是傳給半軸，半軸又將動力傳送給驅動輪，驅動輪轉動來完成汽車的行駛 11。 2.3結構分析 （1）行星齒輪 3 的背面大都做成球面，與差速器殼 1 配合，保證行星齒輪具有 良好的對中性，以利于和兩個半軸齒輪 2 正確地嚙合； （2）由于行星齒輪 3 和半軸齒輪 2 是錐齒輪傳動，在傳遞轉矩時，沿行星齒輪 和半軸齒輪的軸線有很大的軸向作用力，而齒輪和差速器殼之間又有相對運動。為 減少齒輪和差速器殼之間的磨損，在半軸齒輪背面與差速器殼相應的摩擦面之間裝 有平墊圈，而在行星齒輪和差速器殼之間裝有球面墊圈。當汽車行駛到一定的里程， 墊圈磨損后可以通過更換墊圈來調整齒輪的嚙合間隙，以此來提高差速器的壽命。 （3）在中、重型汽車上由于需要傳遞的轉矩較大，所以要安裝四個行星齒輪， 行星齒輪軸也要用十字軸。 （4）為了保證行星齒輪和十字軸之間有良好的潤滑，在十字軸的軸頸銑出了一 個平面，以儲存潤滑油潤滑齒輪背面12。 汽車差速器設計 8 第三章 差速器齒輪及行星齒輪軸設計 3.1基本參數確定 3.1.1行星齒輪數 n 該車為小型轎車，但為確保差速器穩(wěn)定性，行星輪數應該為 4. 3.1.2行星齒輪球面半徑 BR 圓錐行星齒輪差速器的尺寸通常取決于行星齒輪的背面的球面半徑 ，它就是BR 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，在一定程度上表征 了差速器的強度 13。 球面半徑 可按如下的經驗公式確定：BR （3-1）3cBTKR 式中： 行星齒輪球面半徑系數，可取 2.52.99，對于有 4 個行星齒輪的轎BK 車取較大值； 計算轉矩，取 和 的較小值，Nm.cTceTs 從動錐齒輪計算轉矩 （3-2）nikfedce01max 汽車差速器設計 9 （3-3）m riGT2cs 式中： 發(fā)動機最大轉矩； = 130Nm；maxeTaxe 變速器最低檔傳動比 ；1i 54.31i 主減速一級傳動比 3.5；0 分動器傳動比，在此無；fi 上述傳動部分的效率，取 =0.9； 超載系數，對于一般載貨汽車、礦用汽車和越野汽車以及液力傳動dk 的各類汽車取 ； 1dk 液力變矩器變矩系數，在此無；k 該車的驅動橋數目；該車采用發(fā)動機前置前驅為 1；n 汽車滿載時一個驅動橋給水平地面的最大負荷，為 18709.8N2G 負荷轉移系數取 1.1；m 輪胎對路面的附著系數，對于安裝一般輪胎的公路用汽車，取 ；對越野汽車取 ；對于安裝專門的肪滑寬輪胎的高級85.00.1 轎車取 ；貨車為一般公路用車取 ；2.185.0 車輪的滾動半徑，0.2916m（輪胎型號：175/65 R14） ；r ， 分別為由所計算的主減速器從動齒輪到驅動輪之間的傳動效 mi 率和減速比（例如輪邊減速器等）, =0.98， =1。mi 代入式（2-2 ） （2-3 ） ，有： N6.150198.526.34.0ceT 4.923.872cs mriG 計算轉矩 的值取 和 的較小值，所以 Nm。cTcesT6.150cT 汽車差速器設計 10 根據式（3-1 ）可得到： m25.36.1509.23BR 圓整取： mRB34 若按照給定參數計算： N.6140C nPT 則： .25.69.3B 為了滿足車輛主要工況下負載，本次選定： mRB3 3.1.3齒輪齒數 Z1和 Z2 為了使輪齒有較高的強度，z1 一般不少于 10。半軸齒輪齒數 z2 在 1425 選用。 大多數汽車的半軸齒輪與行星齒輪的齒數比 在 1.52.0 的范圍內，且半軸齒輪齒 21z 數和必須能被行星齒輪齒數整除。 查閱資料，經方案論證，初定半軸齒輪與行星齒輪的齒數比 =2，半軸齒輪齒 21z 數 z2=24，行星齒輪的齒數 z1=12。 3.1.4齒輪節(jié)錐角 1、2 及節(jié)錐距半徑 A0 行星齒輪和半軸齒輪節(jié)錐角 1、2 分別為 1= 12zarctn 2= 1 rtz 將各參數分別代入上式有： 1=26.56，2=63.44 直齒錐齒輪節(jié)錐距半徑 A0 為 A0=(0.98-0.99) RB =33.3233.66 3.1.5齒輪模數 m 錐齒輪大端模數 m 為 汽車差速器設計 11 m= （3-4） 012Asinz 將各參數代入式（3-4） ，有：m=2.522.55 查閱文獻3，取模數 m=3 3.1.6壓力角 汽車差速齒輪大都采用壓力角 =2230，齒高系數為 0.8 的齒形。 3.1.7齒輪幾何尺寸計算 按照文獻3中的設計計算方法進行設計和計算，結果見表 3-1。 表 3-1 半軸齒輪與行星齒輪參數 序號 名稱 計算公式 計算結果 1 行星齒輪齒數 1z10，應盡量取最小值 1z=12 2 半軸齒輪齒數 2=1425，且需滿足式（1-4） 2=24 3 模數 mm=3mm 4 齒面寬 b=(0.250.30)A 0;b10m 10mm 5 工作齒高 hg6.1gh=4.8mm 6 全齒高 5785.415 7 壓力角 22.5 8 軸交角 =90 9 節(jié)圓直徑 1mzd； 2zd1=36, d2=72 10 節(jié)錐角 21arctn ， 190 1=26.56， 1=63.44 11 節(jié)錐距 210siidA0A=40mm 12 周節(jié) t=3.1416mt=9.425mm 13 齒頂高 21agah ; z 2137.04. 1ah =3.23mm2 =1.57mm 14 齒根高 1f=1.788m- ah; 1fh=2.13mm; 汽車差速器設計 12 2fh=1.788m- 2ah2fh=3.79mm 15 徑向間隙 c= - g=0.188 +0.051 c=0.615mm 16 齒根角 1= 01artnAhf; 022arctnhf1=3.05; 2=5.41 17 面錐角 21o；21o=31.97；2 =66.49 18 根錐角 11R； 2R1R=23.51 2R=58.03 19 外圓直徑 1cosaohd； 220do1=41.78 do1=73.4 3.2齒輪材料選擇 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 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用。初選差速器齒輪材料 為 20CrMoTi。 3.3齒輪強度計算 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 樣經常處于嚙合傳動狀態(tài)，只有當汽車轉彎或左、右輪行使不同的路程時，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，對于差速器齒 輪主要應進行彎曲強度計算。輪齒彎曲應力 w（ MPa）為 MPa （4-6 ）JmFzK Tvsow2310= 式中：T差速器一個行星齒輪給予一個半周齒輪的轉矩， Nm；其計算公式為 T= n j6.0 計算轉矩，取 1506.66Nm；j 汽車差速器設計 13 半軸齒輪數目；24；2z n行星齒輪數；4； J綜合系數，取 0.223； F計算齒輪的齒面寬， mm；10mm； m端面模數，3mm； ks、km 、kv 按照主減速器齒輪強度計算的有關轉矩選??；分別為：0.648,1,1 將各參數代入式（4-6）中，有： w=334MPa 因為, 差速器齒輪的 ww=980MPa，所以齒輪彎曲強度滿足要求。 3.4行星齒輪軸的設計 3.4.1行星齒輪軸的分類及選用 行星齒輪的種類有很多，而差速器齒輪軸的種類也很多，最常見的是一字軸和 十字軸，在小型汽車上由于轉矩不大，所以要用一字軸，而載貨的大質量的汽車傳 遞的轉矩較大，為了軸的使用壽命以及提高軸的承載能力，常用十字軸，由四個軸 軸頸來分配轉矩?？梢杂行У奶岣咻S的使用壽命。 此次設計選用十字軸。 3.4.2行星齒輪軸的尺寸設計 行星齒輪軸用直徑 d（mm）為 d= （4-5）dCnr.1 0T3 式中： T0差速器傳遞的轉矩，Nm；1506.66Nm n行星齒輪數；4 rd行星齒輪支承面中點到錐頂的距離 20mm； c支承面許用擠壓應力，取 69 MPa； 將各參數代入式（4-5）中，有： d=16mm 3.4.3行星齒輪軸的材料 汽車差速器設計 14 軸的選擇要滿足強度、熱平衡、軸伸部位承受徑向載荷等條件。 軸的常用材料主要有碳素鋼和合金鋼。碳素鋼價廉，對應力集中敏感性比合金 鋼低，應用較為廣泛，對重要或者承受較大的軸，宜選用 35、40、45 和 50 等優(yōu)質 碳素鋼，其中以 45 鋼最常用。所以此次選用的軸的材料為 45 鋼。 3.5差速器墊圈的設計計算 墊圈是墊在連接件與螺母之間的零件，一般為扁平形的金屬環(huán)，用來保護被接 件的表面不受螺母擦傷，分散螺母對被接件的壓力。墊圈的種類有：彈簧墊圈、平 墊圈、密封墊圈、球面墊圈等。墊圈的材料通常是軟鋼、青銅、尼龍、聚甲醛塑料。 在差速器傳遞轉矩的時候。行星齒輪和半軸齒輪要受到很大的軸向力，而齒輪 和差速器殼之間又有相對運動，所以要用墊圈以減少磨損。差速器要用到兩個墊圈， 一個墊圈是半軸齒輪支承墊圈為圓形平墊圈，連接件一個是軟質地的，一個是硬質 地較脆的，其主要作用是增大接觸面積，分散壓力，防止把質地遠的壓壞。另外一 個是差速器行星齒輪支承墊圈為球面墊圈。球面墊圈將行星齒輪和行星十字軸固定 在一起傳遞轉矩。 3.5.1半軸齒輪平墊圈的尺寸設計 如下圖 3-4 所示：為平墊圈的結構方案簡圖。 圖 3-1 平墊圈 半軸直徑的數據為 50mm,如圖 4-1（a）所示，按照裝配關系可選擇半軸齒輪平 墊圈的安裝孔直徑 D 要大于 50 mm，初步預選安裝孔直徑 D2 為 50.5mm，由圖 3- 4（b）根據安裝簡易程度選取墊圈的厚度 h 為 1.6mm.選用的材料是聚甲醛塑料。 3.5.2行星齒輪球面墊圈的尺寸設計 汽車差速器設計 15 圖 3-2 球面墊圈 由十字軸軸頸的直徑為 28mm，根據裝配關系選擇球形墊圈的安裝孔直徑 D2 為 28 mm，厚度 h 為 1.1mm,選用的材料是聚甲醛塑料。 第四章 差速器殼設計及螺栓的選擇 4.1結構及幾何尺寸 對稱式圓錐齒輪差速器結構為剖分式結構。具體尺寸根據齒輪及齒輪軸匹配， 通過 AutoCAD 在裝配圖中配匹得到如下： 汽車差速器設計 16 圖 4-1 差速器左殼 圖 4-2 差速器右殼 4.2材料的選擇 毛坯材料的確定一般應考慮零件在整個機器中的作用，零件的形狀、大小、生 產綱領以及工作環(huán)境，零件材料應具備主要機械性能指標。此外，還有材料的工藝 性、經濟性，也是該零件選擇材料時要考慮的因素。差速器殼起著支承、聯接，傳 汽車差速器設計 17 遞扭矩的作用，因而對強度、塑性、任性要求較高。故選擇鑄鐵材料?？紤]到鑄鐵 材料的工藝性和經濟性，因而選用目前廣泛使用的球墨鑄鐵5-7。 球墨鑄鐵具有較 高的強度，其抗拉強度也大大超過灰口鑄鐵，球墨鑄鐵具有良好的鑄造性、減摩性、 切削性和低的缺口敏感性，其生產工藝簡便，成本低廉，可選用 QT420-10。 4.3結構設計工藝性要求 砂型造型鑄件設計，不僅要考慮工作功能和力學性能的要求，還必須考慮合金 鑄造性能、鑄造工藝對鑄件結構的要求。鑄件結構設計是否合理，對鑄件質量、生 產率和制造成本都有很大影響。鑄件的結構，假如不能滿意合金鑄造性能的要求， 將可能產生澆不到、冷隔、縮孔、縮松、氣孔、裂紋和變形等缺陷。 流動性好的合金，充型能力強，鑄造時就不易產生澆不到、冷隔等缺陷，而且 能鑄出鑄件的最小壁厚也小。不同的合金，在一定的鑄造條件下能鑄出的最小壁厚 也不同。設計鑄件的壁厚時，一定要大寸：該合金的“最小答應壁厚” ，以保證鑄件 質量。鑄件的“最小允許壁厚“主要取決于合金種類、鑄造方法和鑄件的大小等。 表 51 為鑄件最小允許壁厚值。但是，鑄件壁也不宜太厚。厚壁鑄件晶粒粗大，組 織疏松，易產生縮孔和縮松，力學性能下降。鑄件艱載能力并不是隨截面積增大成 比例地增加。設計過厚的鑄件壁，將會造成金屬浪費。為了提高鑄件承載能力而不 增加壁厚，鑄件的結構設計應選用合理的截面形狀。 此外，鑄件內部的筋或壁，散熱條件比外壁差，冷卻速度慢。為防止內壁的晶 粒變粗和產生內應力，一般內壁的厚度應小于外壁。表 52 為鑄鐵件外壁、內壁和 加強筋的最大臨界壁厚。鑄件各部分壁厚若相差過大，厚壁處會產生金屬局部積聚 形成熱節(jié)，凝固收縮時在熱節(jié)處易形成縮孔、縮松等缺陷。此外，各部分冷卻速度 不同，易形成熱應力，致使鑄件薄壁與厚壁連接處產生裂紋。因此在設計鑄件時， 應盡可能使壁厚均勻，以防止上述缺陷產生。 檢查鑄件壁厚是否均勻時，應將鑄件的加工余量考慮在內。如果零件圖上各處 壁厚是均勻的，加上加工余量后，加工面上的鑄造厚度將增加，鑄件熱節(jié)卻很大 4.4加工工藝規(guī)程設計 4.3.1基準面的選擇 基面的選擇是工藝規(guī)程設計中的重要工作之一，基面選擇的正確與合理，可以 汽車差速器設計 18 使加工質量得到保證，生產率得以提高。否則，加工工藝過程中會問題百出，更有 甚者，還會造成零件大批報廢，使生產無法正常進行。 （1）粗基準的選擇 按照有關的粗基準選擇原則（保證某重要表面的加工余量均勻時，選該表面為 粗基準。若工件每個表面都要求加工，為了保證各表面都有足夠的余量，應選擇加 工余量最小的表面為粗基準，若工件必須保證不加工表面與加工表面之間的尺寸或 位置要求，如壁厚均勻，先取不加工表面做粗基準）可以取鑄件的大端作粗基準加 工小端面，再以小端面為基準加工大端面，也可以取鑄件的兩個凸臺作為粗基準， 先加工好端面和要求不高的 200 外圓。 （2）精基準的選擇 按照有關的精基準選擇原則（互為基準原則；基準統(tǒng)一原則；可靠方便原則） ， 對于本零件，外圓和內圓兩組加工表面相互之間有一定的精度要求，內圓粗加工時 可以先選擇加工好的端面作為加工基準，再以粗加工好的內圓表面為基準粗加工外 圓表面，然后以粗加工好外圓表面為基準精加工內圓，最后再以基準精加工好的內 圓精加工外圓。 后面加工零件肩上的行星輪軸孔可以用夾具以大端面為基準銑出兩側平面，再 用專用夾具以端面和平面為基準加工孔。 4.4.2毛坯的制造形式 零件材料為 QT420-10，球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，具有很高的強度，又有良好 的塑性和韌性，起綜合性能接近鋼，其鑄性能好，成本低廉，生產方便，工業(yè)中廣 泛應用。生產綱領：大批量生產，而且零件輪廓尺寸不大，故可以采用砂型機械造 型，這從提高生產率、保證加工精度上考慮，也是應該的。毛坯圖見附件。 4.4.3制訂工藝路線 制訂工藝路線的出發(fā)點，應當是使零件的幾何形狀、尺寸精度以及位置精度等 技術要求能得到合理的保證。在生產綱領已經確定為中批生產的條件下，考慮采用 普通機床配以專用夾具，多用通用刀具，萬能量具。部分采用專用刀具和專一量具。 并盡量使工序集中來提高生產率。除此以外，還應當考慮經濟效果，以便使生產成 本盡量下降。 （1）工藝線路方案一 汽車差速器設計 19 工序 1 鑄造。 工序 2 熱處理：正火。 工序 3 銑 200 外圓右端面（大頭） 。 工序 4 銑 50 外圓左端面（小頭） 。 工序 5 粗、半精車 200、154、150、50 外圓 工序 6 精車 200、154、150、50 外圓及端面。 工序 7 粗鏜 40、50、122、130 孔。 工序 8 精鏜內孔 40、122、130 孔 50 及內部端面，倒角。 工序 9 銑兩凸臺上平面。 工序 10 鉆 4 孔。 工序 11 鉆大端法蘭上 12 個 12.5 孔。 工序 12 鉆、鉸兩組 22、8 孔，8 孔倒角。 工序 13 去毛刺，檢查。 （2）工藝路線方案二 工序 1 鑄造。 工序 2 熱處理：退火。 工序 3 鉆大端法蘭上 12 個 12.5 孔。 工序 4 鉆、鉸兩組 22、8 孔，8 孔倒角。 工序 5 鉆 4 孔 工序 6 銑兩凸臺上平面。 工序 7 粗車、精車 200 及端面，倒角，鉆 40 孔， 工序 8 粗鏜 40、50 孔及端面、122、130 孔。 工序 9 粗、半精車 50、154 外圓及端面，車凸臺上 150 外圓。 工序 10 精鏜 50 及端面、122、130 孔，倒角。 工序 11 精車 50，154 外圓及端面，倒角。 工序 12 去毛刺，檢查。 （3）工藝方案的比較與分析 上述兩個方案的特點在于：方案一在銑床上先加工小端面，再以小端面定位加 工大端面，方案二是先鉆孔，車端面，然后以孔和大端面定位，加工其它部分。兩 相比較起來可以看出，工序一比較分散，適合大批量生產。方案二的加工不是很合 汽車差速器設計 20 理，鉆孔缺少必要的定位，精度誤差都比較大。在大批生產中，綜合考慮，我們選 擇工藝路線一。 4.5螺栓螺母的選擇與校核 設計螺紋連接，一般首先進行結構設計。根據需要連接固定零件的形狀、尺寸、 所受載荷及其他工作要求，確定所用螺紋緊固件的類型、布置和尺寸等。對承受載 荷較大的螺栓組要進行強度校核，并按計算結果對初步的結構設計作適當的調整。 4.5.1螺栓類型選擇 由于用于連接兩個較薄的零件。在被連接件上開有通孔，插人螺栓后在螺栓的 另一端擰上螺母。采用普通螺栓的釘桿與孔之間有間隙，通孔的加工要求較低，結 構簡單、裝拆方便，應用廣泛。殼體與機架螺栓的類型選用普通的螺栓連接。 4.5.2螺栓的選用 螺栓的種類很多，隨著機械及其他相關行業(yè)的發(fā)展，對螺栓的要求也越來越高， 既要要求螺栓具有較高的強度又要其精密度高。目前常見的螺栓有六角頭螺栓（全 螺紋） 、六角頭鉸制孔用螺栓、六角頭螺桿帶孔螺栓等21。而查解放 CA1092 型載 貨汽車數據得連接螺栓為 ，細牙螺紋，擰緊力矩為 137.2156.8 Nm，即為5.14M GB/T 5782 。5.14 現在生產螺栓的原材料一般是碳素鋼、不銹鋼、銅三種，為了加強螺栓的強度， 此次選用的是碳素鋼。 4.5.3螺母的選用 我們所學的螺母有六角薄螺母、六角開槽螺母。在機械行業(yè)、汽車行業(yè)以及相 關行業(yè)，經過幾年的發(fā)展，螺母的種類和型號也越來越齊全。根據差速器已選定的 尺寸為 的螺栓，所以由裝配關系選擇差速器螺母應該為 的，性能等級5.14M14M 為 8 級的，不經過表面處理的六角螺母，即：GB/T 6170 。符合解放 CA1092 型載貨汽車的螺栓要求?，F在一般生產的螺母原材料一般是碳素鋼、不銹鋼、銅三 種，為了加強螺栓的強度，此次選用的是碳素鋼。 4.5.4螺栓組的布置 布置螺栓組包括確定螺栓組中的螺栓數目并給出每個螺栓的位置。應力求使各 汽車差速器設計 21 螺栓受力均勻而且較小，避免螺栓受附加載荷，還應有利于加工和裝配等。 1）接合面處的零件形狀應盡量簡單，最好是方形、圓形或矩形、同一圓周上的 螺栓數目應采用 4、6、8、12 等，以便于加工時分度。應使螺栓組的形心與零件接 合面的形心重合，最好有兩個互相垂直的對稱軸，以便于加工和計算。常把接合面 中間挖空，以減少接合面加工量和接合面不平度的影響，還可以提高連接剛度。示 例如下： 圖 4-5 螺栓布置圖 2）受力矩的螺栓組，螺栓應遠離對稱軸，以減小螺栓受力。 3）受橫向力的螺栓組，沿受力方向布置的螺栓不宜超過 6 一 8 個，以免各螺 栓受力嚴重不均勻。 4）同一螺栓組所用的緊固件的形狀、尺寸、材料等應一致，以便于加工和裝配。 螺栓間的距離可參考表 3-2 如下： 表 3-2 螺栓間距參考值 汽車差速器設計 22 5）為裝配螺紋連接時，工具應有足夠的操作空間，應保證一定的扳手空間尺寸。 4.5.5螺栓的強度校核 進行螺栓組連接受力分析的目的是，根據連接的結構和受載情況，求出受力最 大的螺栓及其所受的力，以便進行螺栓連接的強度計算。 螺栓組連接主要受橫向載荷和傾覆力矩的復合作用，現在為了校核的方便，先 校核受橫向載荷的連接。應該保證連接預緊后，接合面間所產生的最大摩擦力必須 大于或等于橫向載荷。 根據前面的計算，螺栓組所受橫向載荷 =98KNF 假設各螺栓所需要的預緊力為 ，螺栓數目為 4，0 則其平衡的條件為 0 fFzisK 由此得預緊力 = = 212KN0 sfi1.3*9854 此時螺栓的所受的應力 = = =675Mpa 0FA2(.)N 此時螺栓不能滿足我們的要求，現在決定改用 4 個 M12 螺栓性能等級為 8.8 ， 取安全系數 s=1.5 螺栓的許用應力 = = =427Mpa s601.5Mpa 根據螺栓的布置圖 此時需要的預緊力不變， 212KN0F 此時螺栓所受的應力 = = =300Mpa 0A21(.3)4 滿足我們要求 汽車差速器設計 23 第五章 差速器基于 Pro/E的三維設計 5.1 Pro/E三維設計軟件概述 Pro/Engineer 操作軟件是美國參數技術公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一體 化的三維軟件。Pro/Engineer 軟件以參數化著稱，是參數化技術的最早應用者，在目 前的三維造型軟件領域中占有著重要地位。Pro/Engineer 作為當今世界機械 CAD/CAE/CAM 領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現今主流的 CAD/CAM/CAE 軟件之一，特別是在國內產品設計領域占據重要位置。 Pro/Engineer 和 WildFire 是 PTC 官方使用的軟件名稱，但在中國用戶所使用的 名稱中，并存著多個說法，比如 ProE、Pro/E、破衣、野火等等都是指 Pro/Engineer 軟件，proe2001、proe2.0、proe3.0、proe4.0、proe5.0、creo1.0creo2.0 等等都是指軟 件的版本。 Pro/E 第一個提出了參數化設計的概念，并且采用了單一數據庫來解決特征的相 關性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據自身的需要進行選擇，而不必 安裝所有模塊。Pro/E 的基于特征方式，能夠將設計至生產全過程集成到一起，實現 并行工程設計。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用到單機上。Pro/E 采用了 模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等， 保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。 （1）參數化設計 相對于產品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復雜的幾何模型， 都可以分解成有限數量的構成特征，而每一種構成特征，都可以用有限的參數完全 約束，這就是參數化的基本概念。但是無法在零件模塊下隱藏實體特征。 （2）基于特征建模 汽車差速器設計 24 Pro/E 是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的基于特 征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模 型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。 （3）單一數據庫（全相關） Pro/Engineer 是建立在統(tǒng)一基層上的數據庫上，不像一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系 統(tǒng)建立在多個數據庫上。所謂單一數據庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使 得每一個獨立用戶在為一件產品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在 整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)上。 例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有 任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨特的數據結構與工程設計的 完整的結合，使得一件產品的設計結合起來。這一優(yōu)點，使得設計更優(yōu)化，成品質 量更高，產品能更好地推向市場，價格也更便宜。 Pro/Engineer 是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數 化功能定義、實體零件及組裝造型，三維上色，實體或線框造型，完整工程圖的產 生及不同視圖展示（三維造型還可移動，放大或縮小和旋轉） 。Pro/Engineer 是一個 功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設計專用功能來實現，其中包括：筋 （Ribs） 、槽（ Slots） 、倒角（ Chamfers）和抽殼（Shells）等，采用這種手段來建立 形體，對于工程師來說是更自然，更直觀，無需采用復雜的幾何設計方式。這系統(tǒng) 的參數比功能是采用符號式的賦予形體尺寸，不象其他系統(tǒng)是直接指定一些固定數 值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關系，任何一個參數 改變，其他相關的特征也會自動修正。這種功能使得修改更為方便和可令設計優(yōu)化 更趨完美。造型不單可以在屏幕上顯示，還可傳送到繪圖機上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印機。Pro/Engineer 還可輸出三維和二維圖形給予其他應用軟件，諸如 有限元分析及后置處理等，這都是通過標準數據交換格式來實現，用戶更可配上 Pro/Engineer 軟件的其它模塊或自行利用 C 語言編程，以增強軟件的功能。它在單 用戶環(huán)境下（沒有任何附加模塊）具有大部分的設計能力，組裝能力（運動分析、 人機工程分析）和工程制圖能力（不包括 ANSI， ISO， DIN 或 JIS 標準） ，并且 支持符合工業(yè)標準的繪圖儀（HP，HPGL）和黑白及彩色打印機的二維和三維圖形 輸出。Pro/Engineer 功能如下： （1）特征驅動（例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼等） ； 汽車差速器設計 25 （2）參數化（參數=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等） ； （3）通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數之間（如表面積等） 的關系來進行設計； （4）支持大型、復雜組合件的設計（規(guī)則排列的系列組件，交替排列， Pro/PROGRAM 的各種能用零件設計的程序化方法等） 。 （5）貫穿所有應用的完全相關性（任何一個地方的變動都將引起與之有關的每 個地方變動） 。其它輔助模塊將進一步提高擴展 Pro/ENGINEER 的基本功能。 5.2三維設計 5.2.1半軸齒輪 半軸齒輪如下圖示： 圖 5-1 半軸齒輪 5.2.2行星齒輪 行星齒輪如下圖示： 汽車差速器設計 26 圖 5-2 行星齒輪 5.2.3行星齒輪軸 行星齒輪軸是十字軸結構，如下圖示： 圖 5-3 行星齒輪軸 5.2.4差速器殼 差速器殼體由左右半殼組成，如下： 汽車差速器設計 27 圖 5-4 差速器左右半殼 5.2.5三維裝配 汽車差速器設計 28 圖 5-5 差速器裝配 汽車差速器設計 29 結 論 本次設計對象為汽車差速器，汽車差速器是用來保證各驅動輪在各種運動條件 下的動力傳遞，避免輪胎與地面間打滑。本次設計首先，通過對差速器結構及原理 進行分析，在此分析基礎上提出了差速器的結構方案；接著，對主要技術參數進行 了計算選擇；然后，對各主要零部件進行了設計與校核；最后，通過 AutoCAD 制圖 軟件繪制了差速器裝配圖及主要零部件圖，并通過 Pro/E 三維設計軟件建立了差速 器的三維模型。 通過這次對汽車差速器理論知識和實際設計的相結合，鍛煉了我的綜合運用所 學專業(yè)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高了我查閱文獻資料、設計手冊、 設計規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以 及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經驗得到了豐富，并且意志品質 力，抗壓能力以及耐力也都得到了不同程度的提升。 汽車差速器設計 30 參考文獻 1 王望予.汽車設計 M第 4 版.北京:機械工業(yè)出版社,2004. 2 濮良貴，紀名剛 .機械設計M第 8 版.北京：高等教育出版社，2006.5. 2 陳家瑞. 汽車構造M. 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Nonlinear PID control to improve the control performance of axes pneumatic artificial muscle manipulator using neural networkJ. Mechatronics, 2006,16:577-587. 11 Kuhns H D, Mazzoleni C, Moosmuller H, et al. Remote sensing of PM, NO, CO and HC emission factors for on-road gasoline and diesel engine vehicles in Las Vegas, NVJ. Science of the Total Environment, 2004,322:123-137. 汽車差速器設計 31 致 謝 大學生活即將結束，在這短短的四年里，讓我結識了許許多多熱心的朋友、工 作嚴謹教學相幫的教師。畢業(yè)設計的順利完成也脫離不了他們的熱心幫助及指導老 師的精心指導，在此向所有給予我此次畢業(yè)設計指導和幫助的老師和同學表示最誠 摯的感謝。 首先，向本設計的指導老師表示最誠摯的謝意。在自己緊張的工作中，仍然盡 量抽出時間對我們進行指導，時刻關心我們的進展狀況，督促我們抓緊學習。老師 給予的幫助貫穿于設計的全過程，從借閱參考資料到現場的實際操作，他都給予了 指導，不僅使我學會書本中的知識，更學會了學習操作方法。也懂得了如何把握設 計重點，如何合理安排時間和論文的編寫，同時在畢業(yè)設計過程中，她和我們在一 起共同解決了設計中出現的各種問題。 其次，要向給予此次畢業(yè)設計幫助的老師們，以及同學們以誠摯的謝意，在整 個設計過程中，他們也給我很多幫助和無私的關懷，更重要的是為我們提供不少技 術方面的資料，在此感謝他們，沒有這些資料就不是一個完整的論文。 另外，也向給予我?guī)椭乃型瑢W表示感謝。 總之，本次的設計是老師和同學共同完成的結果，在設計的一個月里，我們合 作的非常愉快，教會了大我許多道理，是我人生的一筆財富，我再次向給予我?guī)椭?的老師和同學表示感謝！