差速器毕业设计 论文

摘 要 .............................................................................................................................................. I Abstract ........................................................................................................................................... II

1 引言....................................................................................................................................... 3

1.1 差速器的作用 ......................................................................................................... 3 1.2 差速器的工作原理 ................................................................................................. 3 1.3 差速器的方案选择及结构分析 ............................................................................... 7

1.3.1 差速器的方案选择 ....................................................................................... 7 1.3.2差速器的结构分析 ........................................................................................ 7

2 差速器的设计 ....................................................................................................................... 8

2.1 差速器设计初始数据的来源与依据 ....................................................................... 8 2.2 差速器齿轮的基本参数的选择 ............................................................................... 8 2.3 差速器齿轮的几何尺寸计算 ................................................................................. 12

2.3.1 差速器直齿锥齿轮的几何参数 ................................................................. 12 2.3.2 差速器齿轮的材料选用 ............................................................................. 13 2.3.3 差速器齿轮的强度计算 ............................................................................. 14

3 差速器行星齿轮轴的设计计算 ......................................................................................... 15

3.1 行星齿轮轴的分类及选用 ..................................................................................... 15 3.2 行星齿轮轴的尺寸设计 ......................................................................................... 16 3.3 行星齿轮轴材料的选择 ......................................................................................... 16 3.4 差速器垫圈的设计计算 ......................................................................................... 16

3.4.1 半轴齿轮平垫圈的尺寸设计 ..................................................................... 17 3.4.2 行星齿轮球面垫圈的尺寸设计 ................................................................. 17

4 差速器标准零件的选用 ..................................................................................................... 17

4.1 螺栓的选用和螺栓的材料 ..................................................................................... 17 4.2 螺母的选用和螺母的材料 ..................................................................................... 18 4.3 差速器轴承的选用 ................................................................................................. 18 4.4 十字轴键的选用 ..................................................................................................... 18 5 半轴的设计 ......................................................................................................................... 18

5.1 半轴的选型 ............................................................................................................. 18 5.2 半轴的设计计算 ..................................................................................................... 19

5.2.1 半轴的受力分析 ......................................................................................... 19 5.2.2 半轴计算载荷的确定 ................................................................................. 20 5.2.3 半轴杆部直径初选 ..................................................................................... 21 5.2.4 半轴的强度计算 ......................................................................................... 21 5.2.5 半轴的材料 ................................................................................................. 22

6 差速器总成的装配和调整 ................................................................................................. 23

6.1 差速器总成的装配 ................................................................................................. 23 6.2 差速器总成的装配 ................................................................................................. 23

解放CA1092型汽车差速器的设计

摘 要

本文参照传统差速器的设计方法进行了解放CA1092型载货汽车差速器的设计，首先根据经验公式进行计算，参考圆锥行星齿轮差速器的结构尺寸，确定出差速器齿轮的主要设计参数，然后对差速器齿轮的强度进行计算和校核，最后进行一些标准件的选用和非标准件的设计。文章对差速器的工作原理和方案选择也作出了简略说明。

关键词 汽车/差速器/设计

I

LIBERATION CA1092 CARS DIFFERENTIAL DESIGN

Abstract

This article refers to the traditional differential design methods, conducted a liberated CA1092-type truck differential design. First, calculated according to the empirical formula, reference structure size cone the planetary gear differential, determined the main design parameters of the differential gear. Then calculate the strength of the differential gear and check. Finally, some of the standard parts selection and design of non-standard. Articles on the working principle and scheme selection differentials also made a brief explanation.

KEY WORDS automobile/ differential / design

II

1 引言

在汽车行业发展初期，法国雷诺汽车公司的创始人雷诺发明了汽车差速器，汽车差速器作为汽车必不可少的部件之一曾被汽车专家誉为“小零件大功用”。

汽车在行驶过程中，左右车轮在同一时间内所滚过的路程往往是不相等的，左右两轮胎内的气压不等、胎面磨损不均匀、两车轮上的负荷不均匀而引起车轮滚动半径不相等；左右两车轮接触的路面条件不同，行驶阻力不等等。如果驱动桥的左、右车轮刚性连接，则不论转弯行驶或者直线行驶，均会引起车轮在路面上的滑移或滑转，一方面会加剧轮胎磨损、功率和燃料消耗，另一方面会使转向沉重，通过性和操纵稳定性变坏。为此，在驱动桥的左右车轮间都装有轮间差速器[1]。

差速器是个差速传动机构，用来在两输出轴间分配转矩，并保证两输出轴有可能以不同的角速度转动，用来保证各驱动轮在各种运动条件下的动力传递，避免轮胎与地面间打滑[2]。

近几年来中国汽车差速器市场发展迅速，产品产出持续扩张，国家产业政策鼓励汽车差速器产业向高技术产品发展。差速器的种类趋于多元化，功用趋于完整化，目前汽车上最常用的就是对称式锥齿轮差速器，还有现在各种各样的功能多样的差速器，如：轮间差速器、防滑差速器、强制锁止式差速器、高摩擦自锁式差速器、托森差速器。其中的托森差速器是一种新型差速器机构，它能解决在其它差速器内差动转矩较小时不能起差速作用的问题和转矩较大时不能自动将差速器锁死的问题[3]。

1.1 差速器的作用

汽车在直线行驶时，左右车轮转速几乎相同，而在转弯时，左右车轮转速不同，差速器能实现左右车轮转速的自动调节，允许左右车轮以不同的转速旋转。汽车差速器是汽车传动中的最重要的部件之一，它有三大作用：首先是将发动机输出的动力传输到车轮上；其次，将主减速器已经增加的扭矩一分为二的分配给左右两根半轴；最后，担任汽车主减速齿轮，在动力传输至车轮前将传动系的转速减下来，将动力传到车轮上，同时允许两侧车轮以不同的轮速转动[4]。差速器对提高汽车行驶平稳性和其通过性有着独特的作用，是汽车设计的重点之一。

1.2 差速器的工作原理

3

差速器的这种调整是自动的，这里涉及到“最小能耗原理”，也就是地球上所有物体都倾向于耗能最小的状态。例如把一粒豆子放进一个碗内，豆子会自动停留在碗底而绝不会停留在碗壁，因为碗底是能量最低的位置（位能），它自动选择静止（动能最小）而不会不断运动。同样的道理车轮在转弯时也会自动趋向能耗最低的状态，自动地按照转弯半径调整左右轮的转速。

当转弯时，由于外侧轮有滑拖的现象，内侧轮有滑转的现象，两个驱动轮此时就会产生两个方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然导致两边车轮的转速不同，从而破坏了三者的平衡关系，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。

驱动桥两侧的驱动轮若用一根整轴刚性连接，则两轮只能以相同的角度旋转。这样，当汽车转向行驶时，由于外侧车轮要比内侧车轮移过的距离大，将使外侧车轮在滚动的同时产生滑拖，而内侧车轮在滚动的同时产生滑转。即使是汽车直线行驶，也会因路面不平或虽然路面平直但轮胎滚动半径不等（轮胎制造误差、磨损不同、受载不均或气压不等）而引起车轮的滑动。

车轮滑动时不仅加剧轮胎磨损、增加功率和燃料消耗，还会使汽车转向困难、制动性能变差。为使车轮尽可能不发生滑动，在结构上必须保证各车轮能以不同的角度转动。

差速器采用对称式圆锥齿轮结构，其原理如下图所示：

ω6A4CBω0ω0ω1ω2ACBAC4B1ω424435图1-2 差速器差速原理图

4

ω如上图所示，对称式圆锥齿轮差速器是一种行星齿轮结构。差速器壳3与行星齿轮轴5连成一体，形成行星架。因为它又与主减速器从动齿轮6连在一起，故为主动件，假设其角速度为0；半轴齿轮1和2为从动件，其角速度为1和2。A、B两点分别为行星齿轮4与半轴齿轮1和2的啮合点。行星齿轮的中点为C，A、B、C三点到差速器旋转轴线的距离均为r。

当行星齿轮只是随同行星架绕差速器旋转轴线公转时，显然，处在同一半径r上的A、B、C三点的圆周速度都相等，其值为0r。于是120，即差速器起不到差速的作用，而半轴角速度等于差速器壳3的角速度。

当行星齿轮4除公转外，还绕本身的轴5以角速度4自转时，啮合点A的圆周速度为1r0r4r，啮合点B的圆周速度为2r0r4r。于是便有

1r2r0r4r0r4r

即

1220 （1-1）

如果角速度以每分钟转数n来表示，则

n1n22n0 （1-2）

上式为两半轴齿轮直径的对称式圆锥齿轮差速器的运动特征方程式，它表明左、右两侧半轴齿轮的转速之和等于差速器壳转速的两倍，而与行星齿轮转速无关。因此在汽车转弯行驶或者其它行驶的情况下，也都可以借行星齿轮以相应转速自转，使两侧驱动车轮以不同转速在地面上滚动而无滑动[5]。

由式（1-2）还可以得知：①当任何一侧半轴齿轮的转速为零时，另一侧半轴齿轮的转速为差速器壳转速的两倍；②当差速器壳的转速为零（例如中央制动器制动传动轴时），另一侧半轴齿轮受其它外来力矩而转动时，另一侧半轴齿轮即以相同的转速反向转动[6]。

对称式圆锥齿轮差速器的转矩分配：由主减速器传来的转矩，经由差速器壳、行星齿轮轴和行星齿轮传给半轴齿轮。行星齿轮相当于一个等臂杠杆，而两个半轴齿轮的半径也是相等的。因此，当行星齿轮没有自转时，总是将转矩M0平均分配给左、右两个半轴齿轮，即M1M2M02。

5

当两半轴齿轮以不同的转速朝相同的方向转动时，设左半轴转速n1大于右半轴转速n2，则行星齿轮将按顺时针的方向绕行星齿轮轴自转。此时行星齿轮孔与行星齿轮轴轴颈间以及齿轮背部与差速器壳之间都产生摩擦。行星齿轮所受的摩擦力矩Mr方向与行星齿轮的转向相反，此摩擦力矩使行星齿轮分别对左、右驱动车轮存在转速差时，M1M0Mr2，M2M0Mr2，左、右车轮上的转矩之差等于差速器的内摩擦力矩Mr。

为了衡量差速器内摩擦力矩的大小及转矩分配特性，常以锁紧系数K表示

KM2M1MMrM0 （1-3）

差速器内摩擦力矩Mr和其输入转矩M0（差速器壳体上的力矩）之比定义为差速器锁紧系数K。快慢半轴的转矩之比M2M1定义为转矩比，以

KbM2M11K1K （1-4）

目前广泛使用的对称式圆锥齿轮差速器的内摩擦力矩很小，其锁紧系数可以认为无论左、右驱动车轮转速是否相K0.05~0.15,转矩比Kb1.1~1.4，

等，其转矩基本上总是平均分配的。这样的分配比例对于汽车在较好的路面上直线或者转弯行驶时，都是令人满意的。但是当汽车在较坏的路面行驶时，却严重影响了通过能力[7]。例如，当汽车的一个驱动车轮接触到泥泞或冰雪路面的时候，在泥泞路面上的车轮原地滑转，而在好的路面上的车轮静止不动。这是因为在泥泞路面上的车轮比在好的路面上的车轮与路面之间的附着力小，路面只能对半轴作用很小的反作用转矩，虽然另一车轮与好的路面之间的附着力较小，但是由于对称式圆锥齿轮差速器具有转矩平均分配的特性，使这一个车轮分配到的转矩只能与传到滑转的驱动车轮上的很小的转矩相等，致使总的驱动力不足以克服行驶阻力，汽车便不能前进[8]。

当汽车直线行驶时，此时行星齿轮轴将转矩平均分配给两半轴齿轮，两半轴齿轮转速恒等于差速器壳的转速，传递给左右车轮的转矩也是相等的，所以此时左右车轮的转速也相等。而当汽车转弯行驶时，其中一个半轴转动一个角，两半轴的转矩就得不到平均的分配，必然会出现一个转速大，另一个转速小的现象，

6

此时汽车就平稳地完成了转弯行驶[9]。

1.3 差速器的方案选择及结构分析

差速器按其结构特征可分为齿轮式、凸轮式、蜗轮式和牙嵌自由轮式等多种形式。

普通汽车上广泛采用的差速器为对称锥齿轮式差速器，具有结构简单、质量较小等优点，应用广泛。它可分为普通锥齿轮式差速器、摩擦片式差速器和强制锁止式差速器。普通齿轮式差速器的传动机构为齿轮式。齿轮差速器分圆锥齿轮式和圆柱齿轮式两种[10]。

强制锁止式差速器就是在对称式锥齿轮差速器上设置差速锁。当一侧驱动轮滑转时，可利用差速锁使差速器不起差速作用。差速锁在军用汽车上应用较广。

1.3.1 差速器的方案选择

对称式锥齿轮差速器结构简单，工作平稳可靠，广泛应用于一般使用条件的汽车驱动桥上，根据解放CA1092型载货汽车的类型，初步选定差速器的种类为行星锥齿轮差速器，安装在驱动桥的两个半轴之间，通过两个半轴把动力传给车轮。设计简图如下：

12345

图1-1 差速器结构方案图

如图所示，对称式行星锥齿轮主要是差速器左右壳1和4，两个半轴齿轮2、四个行星齿轮3、十字轴5。动力传输到差速器壳1，差速器壳带动十字轴5转动。十字轴又带动安装在它四个轴颈上的行星齿轮3转动，行星齿轮与半轴齿轮相互啮合，所以又将转矩传递给半轴齿轮，半轴齿轮与半轴相连，半轴又将动力传给驱动轮，完成汽车的行驶[11]。

1.3.2差速器的结构分析

7

（1）行星齿轮3的背面大都做成球面，与差速器壳1配合，保证行星齿轮具有良好的对中性，以利于和两个半轴齿轮2正确地啮合；

（2）由于行星齿轮3和半轴齿轮2是锥齿轮传动，在传递转矩时，沿行星齿轮和半轴齿轮的轴线有很大的轴向作用力，而齿轮和差速器壳之间又有相对运动。为减少齿轮和差速器壳之间的磨损，在半轴齿轮背面与差速器壳相应的摩擦面之间装有平垫圈，而在行星齿轮和差速器壳之间装有球面垫圈。当汽车行驶一定的里程，垫圈磨损后可以通过更换垫圈来调整齿轮的啮合间隙，以提高差速器的寿命。

（3）在中、重型汽车上由于需要传递的转矩较大，所以要安装四个行星齿轮，行星齿轮轴也要用十字轴。

（4）为了保证行星齿轮和十字轴之间有良好的润滑，在十字轴的轴颈铣出了一个平面，以储存润滑油润滑齿轮背面[12]。

2 差速器的设计

2.1 差速器设计初始数据的来源与依据

本次设计选用的是解放CA1092载货汽车作为课题设计的原始数据的来源和依据。从解放CA1092开始投产就在不断的改进和提高技术性能、节源性能和稳定性能，到现在解放CA1092载货汽车全面完成了向一个新的高质量水平、高性能水平的过渡和转换。汽车载重量是汽车最基本、最重要的技术参数之一，是汽车整体设计的基本依据，在汽车可靠性和经济性的基础上，载重量将起到主导作用。解放CA1092型汽车规定的载重量为4350千克。参考的数据有：

（1）发动机额定功率为99kw（当发动机转速为3000r/min）； （2）发动机额定扭矩为373 Nm（当发动机转速为1300r/min）； （3）变速器的传动效率0.9；

（4）变速器传动比：7.64；4.834；2.856；1.895；1.337,；1.0；倒档：7.107；

2.2 差速器齿轮的基本参数的选择

(1) 行星齿轮数目的选择

行星齿轮数目需要根据承载情况来选择，在承载不大的情况下可以取2个，反之则取4个。解放CA1092采用4个行星齿轮。

8

(2) 行星齿轮球面半径RB（mm）的确定

圆锥行星齿轮差速器的尺寸通常取决于行星齿轮的背面的球面半径RB，它就是行星齿轮的安装尺寸，实际上代表了差速器圆锥齿轮的节锥距，在一定程度上表征了差速器的强度[13]。

球面半径RB可按如下的经验公式确定：

RBKB3Tj （2-1）

式中：KB——行星齿轮球面半径系数，可取2.52～2.99，对于有4个行星齿轮的载货汽车取最小值；

Tj——计算转矩，取Tce和Tcs的较小值，N·m.

从动锥齿轮计算转矩Tce

TceTemaxk0itl （2-2） n式中：

Tce——计算转矩，N·m；

Temax——发动机最大转矩；Temax= 373 N·m； n——计算驱动桥数，1；

itl——由发动机到所计算的主减速器从动齿轮之间的传动系最低档传动

比，itl=6.29；

——变速器传动效率，=0.9；

k0——由于猛接离合器而产生的动载系数，k0=1；

代入式（2-2），有：

Tce=2111.55 N·m

根据式1，RB= 2.5532111.55= 32.71mm，取整为34mm

RB确定后，即可根据以下公式预选节锥距：

9

A0=（0.98~0.99）RB （2-3）

在此取

A0=0.98RB=34mm

(3) 行星齿轮与半轴齿轮齿数的选择

为了获得较大的模数从而使齿轮有较高的强度，应使行星齿轮的齿数尽量少，但一般不少于10。半轴齿轮的齿数采用14～25，大多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比z2z1在1.5～2.0的范围内[14]。

差速器的各个行星齿轮与两个半轴齿轮是同时啮合的，因此，在确定这两种齿轮齿数时，应考虑它们之间的装配关系，在任何圆锥行星齿轮式差速器中，左右两半轴齿轮的齿数z2L，z2R之和必须能被行星齿轮的数目所整除，以便行星齿轮能均匀地分布于半轴齿轮的轴线周围，否则，差速器将无法安装，即应满足的安装条件为：

z2Lz2RI （2-4） n式中：左右半轴齿轮的齿数，对于对称式圆锥齿轮差速器来说，z2L=z2R；

n——行星齿轮数目；

I——任意整数。

在此z1=12，z2=20满足以上要求。

(4) 差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定

首先初步求出行星齿轮与半轴齿轮的节锥角1，2

1=arc tan

z112= arc tan=30.96° z220290159.04°

再按下式初步求出圆锥齿轮的大端端面模数m

m2A02A234sin1=0sin2=sin59.04°=2.92 Z1z220根据标准值取为3mm

10

得

d1mz1=31236 mm d2mz232060mm

(5) 压力角

目前，汽车差速器的齿轮大都采用22.5°的压力角，齿高系数为0.8。最小齿数可减少到10，并且在小齿轮（行星齿轮）齿顶不变尖的条件下，还可以由切向修正加大半轴齿轮的齿厚，从而使行星齿轮与半轴齿轮趋于等强度。由于这种齿形的最小齿数比压力角为20°的少，故可以用较大的模数以提高齿轮的强度。在此选22.5°的压力角[15]。

(6) 行星齿轮安装孔的直径及其深度L

行星齿轮安装孔的直径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撑长度，通常取

L1.1 （2-5）

T0103 （2-6） L1.1cnl2T0103 （2-7）

1.1cnl式中：T0——差速器传递的转矩，N·m；

n——行星齿轮数；

l——行星齿轮支承面中点到锥顶的距离，mm。l0.5d2，d2是半轴齿

轮齿面宽中点处的直径，d20.8d2；

c——支承面的许用挤压应力，取为69MPa。

根据上式l24mm

2101.5410317mm

1.169424L1.11719mm

11

所以，行星齿轮安装孔的直径为17 mm，深度L为19 mm。

2.3 差速器齿轮的几何尺寸计算

2.3.1 差速器直齿锥齿轮的几何参数

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 项目 行星齿轮齿数 半轴齿轮齿数 模数 齿面宽 齿工作高 齿全高 压力角 轴交角 节圆直径 节锥角 计算公式 z110 应尽量取最小值 z214~25 且须满足式1-1 m 计算结果 z112 z220 m3 mm F10.2 mm hg4.8 mm F(0.25~0.30)A0 F10m hg1.6m h1.788m0.051 h5.415 mm  90 d1mz1；d2mz2 22.5 90 d136 mm；d260 mm 1=arc tanz1；2901 z2130.96；259.04 11 12 节锥距 周节 A0d1d2 2sin12sin2A034 mm t3.1416m ha1hgha2t9.42 mm 13 齿顶高 ha20.3700.43m 2z2z1ha13.11 mm ha21.69 mm hf11.788mha1hf12.254 mm hf23.674 mm 14 齿根高 hf21.788mha2 12

15 径向间隙 chhg0.188m0.051 c0.615 mm 1arctan16 齿根角 hf1A0hf2A0 143.79；26.17 2arctan17 18 面锥角 根锥角 0112；0221 0137.13；0262.83 R111；R222 d01d12ha1cos1R127.17；R256.66 d0141.33 mm d0261.74 mm 19 外圆直径 d02d22ha2cos2 20 节锥顶点至齿轮外缘距离 01d2ha1sin12d1ha2sin2 20128.4 mm 0216.55 mm 02S1tS2S15.16 mm S24.26 mm 21 理论弧齿厚 S2tha1ha2tanm 222 齿侧间隙 B0.245~0.330 Sx1S1S132B0.250 mm Sx15.08 mm 23 弦齿厚 6d1S2B2B 232Sx2S26d22Sx14.20 mm 24 弦齿高 Scos1hx1ha114d1hx2Scos2 ha224d22hx13.1327 mm hx21.73 mm 2.3.2 差速器齿轮的材料选用

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多为20CrMnTi、20CrMoTi、22CrMnMo和20CrMo等。

13

由于差速器齿轮轮齿要求的精度比较低，所以精锻差速器齿轮工艺已经被广泛应用[16]。

2.3.3 差速器齿轮的强度计算

差速器齿轮主要进行弯曲强度计算，而对于疲劳寿命则不予考虑，这是由于行星齿轮在差速器的工作中经常只起等臂推力杆的作用，仅在左、右驱动车轮有转速差时行星齿轮和半轴齿轮之间才有相对滚动的缘故。

汽车差速器齿轮的弯曲应力为

2103TK0KSKm MPa （2-8） wKvFz2m2J式中：T——差速器一个行星齿轮传给一个半轴齿轮的转矩，其计算公式

TT00.6，在此T315.381 N·m； n n——差速器的行星齿轮数； z2——半轴齿轮齿数；

Ks——尺寸系数，反应材料的不均匀性，与齿轮尺寸和热处理有关，当

m1.6时，Ks4

m30.59； ，在此Ks425.425.4Km——载荷分配系数，当两个齿轮均用骑马式支承型式时，

Km1.00~1.1；其他方式支承时取1.10~1.25。支承刚度大时取最小值；

Kv——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；

J——计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数，由下图查得

J0.231

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图2-1 弯曲计算用综合系数

2103315.38110.591.1877.47 MPa980 MPa 根据上式w110.220320.231所以，差速器齿轮满足弯曲强度要求。

3 差速器行星齿轮轴的设计计算

3.1 行星齿轮轴的分类及选用

行星齿轮轴的种类有很多，而差速器齿轮轴的种类也很多，最常见的时一字轴和十字轴，在小型汽车上由于转矩不大，所以要用一字轴，而载货的大质量的汽车传递的转矩较大，为了轴的使用寿命以及提高轴的承载能力，常用十字轴，由四个轴轴颈来分配转矩。可以有效的提高轴的使用寿命[17]。此次设计选用的时行星齿轮十字轴。如图所示

15

d2L1d1图3-1 十字轴的结构方案图

3.2 行星齿轮轴的尺寸设计

由行星齿轮的支承长度为L1.11719 mm，根据安装时候的方便选择轴颈的长度L1为45 mm；而行星齿轮安装孔的孔径17 mm，所以轴颈的直径1预选为17 mm。

3.3 行星齿轮轴材料的选择

轴的选择要满足强度、热平衡、轴伸部位承受径向载荷等条件。

轴的常用材料主要有碳素钢和合金钢。碳素钢价廉，对应力集中敏感性比合金钢低，应用较为广泛，对重要或者承受较大的轴，宜选用35、40、45和50等优质碳素钢，其中以45钢最常用。所以此次选用的轴的材料为45钢[18]。

3.4 差速器垫圈的设计计算

垫圈是垫在连接件与螺母之间的零件，一般为扁平形的金属环，用来保护被接件的表面不受螺母擦伤，分散螺母对被接件的压力。垫圈的种类有：弹簧垫圈、平垫圈、密封垫圈、球面垫圈等。垫圈的材料通常是软钢、青铜、尼龙、聚甲醛塑料[19]。

在差速器传递转矩的时候，行星齿轮和半轴齿轮要受到很大的轴向力，而齿轮和差速器之间又有相对运动，所以要用垫圈来减少磨损。差速器要用到两个垫圈，一个垫圈是半轴齿轮支承垫圈，选取为圆形平垫圈，其中一个是软质地的，一个是硬质地较脆的，其主要作用是增大接触面积，分散压力，防止压坏。另一个是差速器行星齿轮支承垫圈为球面垫圈，垫圈将行星齿轮和行星十字轴固定在

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一起传递转矩[20]。

3.4.1 半轴齿轮平垫圈的尺寸设计

如下图所示：为平垫圈的结构方案简图

D1D2h(a)图3-2 平垫圈

(b)

参考解放CA1092型载货汽车的半轴直径的数据为50 mm，如图所示，按照装配关系可选择半轴齿轮平垫圈的安装孔直径D要大于50 mm，初步预选安装孔直径D2为50.5 mm，由图根据安装的简易程度选取垫圈的厚度h为8 mm，选用的材料是65Mn。

3.4.2 行星齿轮球面垫圈的尺寸设计

hD2D1

图3-3 球面垫圈

由行星齿轮十字轴轴颈的直径为17 mm，根据装配关系选择球型垫圈的安装孔，直径D2为17 mm，厚度h为7mm，选用的材料是Q235A。

4 差速器标准零件的选用

4.1 螺栓的选用和螺栓的材料

螺栓的种类很多，随着机械及其他相关行业的发展，对螺栓的要求也越来越高，既要要求螺栓具有较高的强度又要其精密度高。目前常见的螺栓有六角头螺

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栓（全螺纹）、六角头铰制孔用螺栓、六角头螺杆带孔螺栓等[21]。而查解放CA1092型载货汽车数据得连接螺栓为M141.5，细牙螺纹，拧紧力矩为137.2~156.8 N·m，即为GB/T 5782 M141.5。

现在生产螺栓的原材料一般是碳素钢、不锈钢、铜三种，为了加强螺栓的强度，此次选用的是碳素钢。

4.2 螺母的选用和螺母的材料

我们所学的螺母有六角薄螺母、六角开槽螺母。在机械行业、汽车行业以及相关行业，经过几年的发展，螺母的种类和型号也越来越齐全。根据差速器已选定的尺寸为M141.5的螺栓，所以由装配关系选择差速器螺母应该为M14的，性能等级为8级的，不经过表面处理的六角螺母，即：GB/T 6170M14。符合解放CA1092型载货汽车的螺栓要求。

现在一般生产的螺母原材料一般是碳素钢、不锈钢、铜三种，为了加强螺栓的强度，此次选用的是碳素钢。

4.3 差速器轴承的选用

轴承是支撑着轴的零件，同时可以引导轴的旋转，也可以承受轴上空转的零件。根据装配关系和连接零件的形状来选用的轴承，在此选择的轴承为圆锥滚子轴承[22]。由差速器和半轴的计算数据可取差速器轴承外径为140 mm左右，内径为80 mm左右。参考《机械设计课程设计手册》，选取的圆锥滚子轴承的型号是30216 GB/T 297—1994。

4.4 十字轴键的选用

键主要用作轴和轴上零件之间的周向固定以传递扭矩，此处行星齿轮与十字轴的固定选择普通平键[23]。由十字轴的半径要求，参考《机械设计课程设计手册》GB/T1096—2003，选取平键的尺寸为87mm，键的长度为20mm，材料选择45钢。

5 半轴的设计

5.1 半轴的选型

驱动车轮的传动装置位于汽车传动系的末端，其功用其功用是将转矩由差速器的半轴轮传给驱动车轮。驱动车轮的结构形式与驱动桥的驱动桥形式与驱动形

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式密切相关，在一般的非断开式驱动桥上，驱动车轮的传动装置就是半轴。半轴的形式主要取决于半轴的支撑形式。普通非断开式驱动桥的半轴，根据其外表支 撑形式或者受力状况的不同分为半浮式，34浮式和全浮式三种。

半浮式半轴承受的载荷较复杂，但是机构简单、质量小、尺寸紧凑、造价低廉，故被质量较小、使用条件好、承载负荷也不大的轿车和微型客货车所采用。

34浮式半轴的优点是结构简单轻便，因此可用于轿车和微型、轻型客货车。全

浮式半轴的驱动桥外端结构比较复杂，制造成本高，但其工作可靠，故广泛应用于各种载货汽车、越野汽车和客车上[24]。根据各种半轴的特点分析，所以选用全浮式半轴。

5.2 半轴的设计计算

5.2.1 半轴的受力分析

图5-1 全浮式半轴及受力简图

半轴的主要尺寸是它的直径，计算时首先应合理地确定作用在半轴上的载荷，应考虑以下三种可能的载荷工况：

(1) 纵向力X2（制动力或者驱动力）最大时（X2Z2v），附着系数v取0.8，没

有侧向力作用；

(2) 侧向力Y2最大时为Z2v（发生于侧滑时），没有纵向力作用，地面与轮胎的侧

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向力附着系数v1在侧滑时计算取1.0；

(3) 垂向力最大时（在汽车以高速通过不平整路况发生时），其值为Z2gwkd，

其中gw为车轮对地面的垂直载荷，kd为动载荷系数，这时不考虑纵向力和侧向力的作用。

由于车轮承受的纵向力X2，侧向力Y2的值的大小受车轮与地面最大附着力的限制，即有Z2X2Y2

22故纵向力最大时没有侧向力作用，而侧向力最大时也没有纵向力作用。

5.2.2 半轴计算载荷的确定

全浮式半轴只承受转矩，其计算转矩T可由式（5-3）求得，其中X2L，X2R的计算，可根据以下方法计算，并取两者中的较小者。 （1） 若按最大附着力计算，即：

X2LX2Rm'G2 （5-1）

2式中：

v——轮胎与地面的附着系数取0.8；

m'——汽车加速或者减速时的质量转移系数，对于后驱动桥可取1.2～1.4，在此取1.3。

根据上式（5-1）得：

X2LX2R1.30.892655.45248180.834 N

（2）若按发动机最大转矩计算，即：

X2LX2RTemaxirr （5-2）

式中：

——差速器的转矩分配系数，对于普通圆锥行星齿轮差速器取0.6；

Temax——发动机最大转矩；；Temax= 373 N·m；

——汽车传动效率，计算时取0.9；

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i——传动系最低档传动比；

rr——轮胎的滚动半径。

根据上式得：

X2LX2R19462.93 N

TX2LrrX2Rrr （5-3）

m T9617.805 N·

5.2.3 半轴杆部直径初选

全浮式半轴杆部直径的初选可按下式进行：

T103d3(2.05~2.18)3T （5-4）

0.196式中：

d——半轴杆部直径，mm； ——半轴扭转许用应力，MPa。 根据公式（5-4）得：

d(2.05~2.18)21.266(43.596~43.361) mm

根据强度要求在此d取46 mm.半轴杆部直径应小于或者等于半轴花键的底径，以便使各部分达到基本强度。

5.2.4 半轴的强度计算

(1) 半轴的扭转应力计算（MPa）

T16103 （5-5）

d3503.237 MPa (490~588) MPa

(2) 半轴扭转角的计算

式中：

180Tl103 （5-6） GIp 21

l——半轴长度，900 mm；

G——材料的剪切弹性模量，取80 MPa；

Ip——半轴横截面的极惯性矩，Ip439573.215 mm4。

0.00001418

(3) 半轴花键的计算

半轴和半轴齿轮一般采用渐开线花键连接，花键内径不小于其杆部直径，所以选用压力角30，齿数20，模数3的圆柱渐开线花键，并对花键进行挤压应力和键齿切应力验算。

①半轴花键的剪切应力s（MPa）

T103 （5-7） sDBdAzLpb4式中：

DB——半轴花键的外径，在此取57 mm； dA——相配花键孔内径，在此取51.25 mm； z ——花键齿数，在此取18；

Lp——花键工作长度，在此取100 mm； b——花键齿宽，在此取4.712 mm；

——载荷分布的不均匀系数，计算时取0.75。

s55.869 MPa < 73 MPa

②半轴花键的挤压应力c（MPa）

T103 （5-8） cDBdADBdAzLp42c91.566 MPa < 200 MPa

所以半轴设计符合要求。

5.2.5 半轴的材料

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为了避免半轴花键槽对半轴强度的影响，设计时将半轴加工花键部分直径大于半轴杆部直径，并适当减小花键深度。由于半轴损坏多为疲劳破坏，在结构设计时尽量增大各过渡圆角半径，减小应力集中现象。

半轴多采用含铬的中碳合金钢制造，如40Cr、40CrMnMo、40CrMnSi、40CrMoA、35CrMnSi、35CrMnTi等。半轴的热处理过去都采用调质处理的方法，由于感应淬火可以保证半轴表面有适当的硬化层，由于硬化层本身强度较高，加之半轴表面形成大的残余压应力，从而使半轴的静强度和疲劳强度大为提高，尤其是疲劳强度更为提高，所以该半轴采用高频感应淬火，杆部表面硬度在52～62HRC 范围内，杆心部硬度在30～35HRC 范围之间,花键部分表面硬度在50～55HRC 范围内，不淬火部分硬度在248～277HB 范围之间，半轴杆部表面硬化层深度为其半径的1/4～1/3 左右。由于硬化层本身的强度就比较高，加之在半轴表面形成大的残余压应力，以及采用喷丸处理、滚压半轴突缘根部过渡圆角等工艺，使半轴的静强度和疲劳强度大为提高。本设计中选用40Cr作为半轴材料，经渗碳处理[25]。

6 差速器总成的装配和调整

6.1 差速器总成的装配

设计完差速器的组成部件就要对差速器进行装配。工业上装配的步骤如下： （1） 用压力机将轴承的内圈压入左右差速器的半轴轴颈上；

（2） 把差速器壳放在工作台上，在与行星齿轮和半轴齿轮相配合的工作面上涂

抹机油，将半轴齿轮平面垫圈连同半轴齿轮一起装入，将已装好行星齿轮和球面垫圈的十字轴装入左差速器壳的十字槽中，并使行星齿轮与半轴齿轮啮合。行星齿轮上装上右边的半轴齿轮、平面垫圈，将差速器右壳合到左壳上，注意对准壳体上的合件标记，从右向左插入螺栓，在螺栓左端套上锁片，用螺母左端套上锁片，用螺母紧固，半轴齿轮支撑断面与支承垫圈间的间隙应不大于0.5 mm。

（3） 将从动锥齿轮装到差速器左壳上，用螺栓锁紧[26]。

6.2 差速器总成的装配

齿轮啮合间隙的调整方法：正确的齿轮啮合间隙范围应该为0.15~0.4 mm，而一对齿轮的齿轮间隙变动范围为0.15 mm。如：一对啮合齿轮的最小齿轮间隙

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为0.15 mm，则最大间隙只能为0.30 mm，若最大齿轮间隙为0.40 mm，则最小齿轮间隙为0.25 mm等。齿轮的啮合间隙的调整可用移动差速器轴承的调整螺母老达到。由于差速器轴承的预紧度已经预先调好，因此调整啮合间隙时，一侧的调整螺母松或者是紧多少，另一侧的调整螺母也要松或者是紧多少，以便差速器轴承的预紧度保持不变[27]。

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