汽车差速器三维建模设计

差速器设计

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，如转弯时内侧车轮行程比外侧车轮短；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；左右两轮接触的路面条件不同，行驶阻力不等等。这样，如果驱动桥的左、右车轮刚性连接，则不论转弯行驶或直线行驶，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。在多桥驱动的汽车上还常装有轴间差速器，以提高通过性，同时避免在驱动桥间产生功率循环及由此引起的附加载荷、传动系零件损坏、轮胎磨损和燃料消耗等。

差速器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角速度转动。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。

一、差速器结构形式选择

(一)齿轮式差速器

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。他又可分为普通

锥齿轮式差速器、摩擦片式差速器

和强制锁止式差速器等

1．普通锥齿轮式差速器

由于普通锥齿轮式差速器结

构简单、工作平稳可靠，所以广泛

应用于一般使用条件的汽车驱动

桥中。图5—19为其示意图，图中

ω0为差速器壳的角速度；ω1、ω

2分别为左、右两半轴的角速度；

To为差速器壳接受的转矩；T r为差速器的内摩擦力矩；T1、T2分别为左、右两半轴对差速器的反转矩。

根据运动分析可得

ω1+ω2＝2ω0 (5—23)

显然，当一侧半轴不转时，另一侧半轴将以两倍的差速器壳体角速度旋转；当

差速器壳体不转时，左右半轴将等速反向旋转。

根据力矩平衡可得

T0T2T1T0T1-T2{

=+= (5 - 24)

差速器性能常以锁紧系数k 是来表征，定义为差速器的内摩擦力矩与差速器壳接受的转矩之比，由下式确定

结合式(5—24)可得

k)

-0.5T0(1T1k)0.5T0(1T2{=+= (5 - 26)

定义快慢转半轴的转矩比k b =T2/T1,则kb 与k 之间有

k k -+=11kb kb

k +-=11kb (5 - 27) 普通锥齿轮差速器的锁紧系数是一般为0．05～0．15，两半轴转矩比k b=1．11～

1．35，这说明左、右半轴的转矩差别不大，故可以认为分配给两半轴的转矩大致相等，这样的分配比例对于在良好路面上行驶的汽车来说是合适的。但当汽车越野行驶或在泥泞、冰雪路面上行驶，一侧驱动车轮与地面的附着系数很小时，尽管另一侧车轮与地面有良好的附着，其驱动转矩也不得不随附着系数小的一侧同样地减小，无法发挥潜在牵引力，以致汽车停驶。

2.摩擦片式差速器

为了增加差速器的内摩擦力矩，在半轴齿轮7与差速器壳1之间装上了摩擦片2(图5—20)。两根行星齿轮轴5互相垂直，轴的两端制成V 形面4与差速器壳孔上的V 形面相配，两个行星齿轮轴5的V 形面是反向安装的。每个半轴齿轮背面有压盘3和主、从动摩擦片2，主、从动摩擦片2分别经花键与差速器壳1和压盘3相连。

当传递转矩时，差速器壳通过斜面对行星齿轮轴产生沿行星齿轮轴线方向的轴向力，该轴向力推动行星齿轮使压盘将摩擦片压紧。当左、右半轴转速不等时，主、从动摩擦片间产生相对滑转，从而产生摩擦力矩。此摩擦力矩Tr ，与差速器所传递

的转矩丁。成正比，可表示为示为

β tan z f T 0T r d f

r r = (5 - 28)

式中，f r 为摩擦片平均摩擦半径；

d r 为差速器壳V 形面中点到半轴齿

轮中心线的距离；f 为摩擦因数；z

为摩擦面数；β为V 形面的半角。

摩擦片式差速器的锁紧系数k

可达0．6，b k 可达4。这种差速器

结构简单，工作平稳，可明显提高汽

车通过性。

3．强制锁止式差速器

当一个驱动轮处于附着系数较小的路面时，可通过液压或气动操纵，啮合接合器(即差速锁)将差速器壳与半轴锁紧在一起，使差速器不起作用，这样可充分利用地面的附着系数，使牵对于装有强制锁止式差速器的4X2型汽车，假设一驱动轮行驶在低附着系数甲min ?的路面上，另一驱动轮行驶在高附着系数?的路面上，这样装有普通锥齿轮差速器的汽车所能发挥的最大牵引力t F 为

m in 2m in 2m in 22

2???G G G Ft =+= (5 - 29) 式中，2G 为驱动桥上的负荷。

如果差速器完全锁住，则汽车所能发挥的最大牵引力't F 为

)(2

22`min 2min 22????+=+=G G G t F (5 - 30)

可见，采用差速锁将普通锥齿轮差速器锁住，可使汽车的牵引力提高()min min 2/???+倍，从而提高了汽车通过性。 当然，如果左、右车轮都处于低附着系数的路面，虽锁住差速器，但牵引力仍

超过车轮与地面间的附着力，汽车也无法行驶。

强制锁止式差速器可充分利用原差速器结构，其结构简单，操作方便。目前，许多使用范围比较广的重型货车上都装用差速锁。

(二)滑块凸轮式差速器

图5—21为双排径向滑块凸轮式差速器。

差速器的主动件是与差速器壳1连接在一起的套，套上有两排径向孔，滑块2装于孔中并可作径向滑动。滑块两端分别与差速器的从动元件内凸轮4和外凸轮3接触。内、外凸轮分别与左、右半轴用花键连接。当差速器传递动力时，主动套带动滑块并通过滑块带动内、外凸轮旋转，同时允许内、外凸轮转速不等。理论上凸轮形线应是阿基米德螺线，为加工简单起见，可用圆弧曲线代替。

图5—22为滑块受力图。滑块与内凸轮、外凸轮和主动套之间的作用力分别为

Fl 、F2和F ，由于接触面间的摩擦，这些力与接触点法线方向均偏斜一摩擦角户。由F1、F2和F 构成的力三角形可知

式中，β1β2分别为内、外凸轮形线的升角。

左、右半轴受的转矩Tl 和T2分别为

中，r1、r2分别为滑块与内、外凸轮接触点的半径。

将式(5—31)代人式(5—32)可得

因此，凸块式差速器左、右半轴的转矩比k b 为

)sin(β)2cos(βr )

sin(β)2-cos(βr 121212ρρρρ-++=b k (5 - 34)

滑块凸轮式差速器址一种高摩擦自锁差速器，其结构紧凑、质量小。但其结构较复杂，礼零件材料、机械加工、热处耶、化学处理等方面均有较高的技术要求。

(三)蜗轮式差速器

蜗轮式差速器(图5—23)也是一种高摩擦自锁差速器。蜗杆2、4同时与行星蜗轮3与半轴蜗轮1、5啮合，从而组成一行星齿轮系统。这种差速器半轴的转矩比为

式中，β为蜗杆螺旋角；ρ为摩擦角。

蜗轮式差速器的半轴转矩比kb可高达5．67～9．00，锁紧系数是达0．7～0．8。但在如此高的内摩擦情况下，差速器磨损快、寿命短。当把kb降到2．65～3．00，k 降到0．45～0．50时，可提高该差速器的使用寿命。由于这种差速器结构复杂，制造精度要求高，因而限制了它的应用。

(四)牙嵌式自由轮差速器

牙嵌式自由轮差速器(图5—24)是自锁Array式差速器的一种。装有这种差速器的汽

车在直线行驶时，主动环可将由主减速

器传来的转矩按左、右轮阻力的大小分

配给左、右从动环(即左、右半轴)。当

一侧车轮悬空或进入泥泞、冰雪等路

面时，主动环的转矩可全部或大部分

分配给另一侧车轮。当转弯行驶时，

外侧车轮有快转的趋势，使外侧从动

环与主动环脱开，即中断对外轮的转矩传递；内侧车轮有慢转的趋势，使内侧从动环与主动环压得更紧，即主动环转矩全部传给内轮。由于该差速器在转弯时是内轮单边传动，会引起转向沉重，当拖带挂车时尤为突出。此外，由于左、右车轮的转矩时断时续，车轮传动装置受的动载荷较大，单边传动也使其受较大的载荷。

牙嵌式自由轮差速器的半轴转矩比Ab是可变的，最大可为无穷大。该差速器工作可靠，使用寿命长，锁紧性能稳定，制造加工也不复杂。

二、普通锥齿轮差速器齿轮设计

(一)差速器齿轮主要参数选择

1．行星齿轮数n

行星齿轮数n需根据承载情况来选择。通常情况下，轿车：n=2；货车或越野车：n=4。

2．行星齿轮球面半径 Rb

行星齿轮球面半径Rb反映了差速器锥齿轮节锥距的大小和承载能力，可根据经

验公式来确定

行星齿轮节锥距A0为

为了使轮齿有较高的强度，希望取较大的模数，但尺寸会增大，于是又要求行

星齿轮的齿数Z1应取少些，但Z1一般不少于10。半轴齿轮齿数Z2在14～25选用。大

多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比Z2／Z1在1．5～2．0的范围内。

为使两个或四个行星齿轮能同时与两个半轴齿轮啮合，两半轴齿轮齿数和必须能被行星齿轮数整除，否则差速齿轮不能装配。

4．行星齿轮和半轴齿轮节锥角γ1、γ2及模数m

行星齿轮和半轴齿轮节锥角γ1、γ2分别为

锥齿轮大端端面模数m 为

22

0110sin 2sin 2γγz A z A m == (5 - 39) 5．压力角α

汽车差速齿轮大都采用压力角为'3022?、齿高系数为0.8的齿形。某些重型货车和矿用车采用?25压力角，以提高齿轮强度。

6．行星齿轮轴直径d 及支承长度L

行星齿轮轴直径d(mm)为

(5-40)

式中，0T 为差速器传递的转矩(N ·m)，n 为行星齿轮数；d r 为行星齿轮支承面中点到锥顶的距离(mm)，约为半轴齿轮齿宽中点处平均直径的一半；][c δ为支承面许用挤压应力，取98MPa 。行星齿轮在轴上的支承长度L 为

(5-40)

(二)差速器齿轮强度计算差速器齿轮的尺寸受结构限制，而且承受的载荷较大，它不像主减速器齿轮那样经常处于啮合传动状态，只有当汽车转弯或左、右轮行驶不同的路程时，或一侧车轮打滑而滑转时，差速器齿轮才能有啮合传动的相对运动。因此，对于差速器齿轮主要应进行弯曲强度计算。轮齿弯曲应力w σ(MPa)为

(5-40)

式中，n 为行星齿轮数；J 为综合系数，取法见参考文献[10]；2b 、2d 分别为半轴齿轮齿宽及其大端分度圆直径(mm)； T 为半轴齿轮计算转矩(N ·m)，06.0T T =；v k 、s k 、m k 按主减速器齿轮强度计算的有关数值选取。

当],min[0cs ce T T T =时，[]980w MPa σ=；当cF T T =0时，[]210w MPa σ=。 差速器齿轮与主减速器齿轮一样，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为20CrMnTi 、20CrMoTi 、22CrMnMo 和20CrMo 等。由于差速器齿轮轮齿要求的精度较低，所以精锻差速器齿轮工艺已被广泛应用。

三、粘性联轴器结构及在汽车上的布置

粘性联轴器是一种利用液体粘性传递动力的装置。它以其优良的性能不仅广泛应用于四轮驱动汽车上，而且也应用于两轮驱动汽车上。

1．粘性联轴器结构和工作原理

粘性联轴器结构简图如图5—25所示。内叶片2与A 轴1以花键连接，叶片可在轴上滑动；外叶片6与壳体3也以花键连接，但叶片内有隔环7，防止外叶片轴向移动。隔环的厚度决定了内、外叶片的间隙。叶片上各自加工有孔或槽，壳体内充人作为粘性工作介质的硅油4，用油封密封。

粘性联轴器属于液体粘性传动装置，是依靠硅油的粘性阻力来传递动力，即通过内、外叶片间硅油的油膜剪切力来传递动力。一般在密封的壳体内填充了占其空间80％～90％的硅油(其余是空气)，高粘度的硅油存在于内、外叶片的间隙内。当A 轴与月轴之间有转速差时，内、外叶片间将产生剪切阻力，使转矩由高速轴传递到低速轴。它所能传递的转矩与联轴器的结构、硅油粘度及输入轴、输出轴的转速差有关。

2．粘性联轴器在车上的布置

根据全轮驱动形式的不同，粘性联轴器在汽车上有不同的布置形式。

图5—26为粘性联轴器作为轴间差速器限动装置的简图。轴间差速器壳体上的齿轮1与变速器输出轴上的齿轮相啮合，壳体内的左齿轮通过空心轴2与右侧的前桥差速器6壳体相连，右齿轮通过空心轴4和齿轮7等与后桥差速器壳上的齿轮相连。粘性联轴器5的壳体与空心轴4相连，内叶片连接在空心轴2上，这样它就与轴间差速器3并联在一起，内、外叶片的转速分别反映了前、后差速器壳体的转速。

当前、后桥差速器壳体转速相近时，粘性联轴器内、外叶片转速相近，它并不起限动作用，此时轴间差速器将转矩按固定比例分配给前、后桥。当某一车轮(如前轮)严重打滑时，前桥差速器壳的转速升高，粘性联轴器的内、外叶片转速差增大，阻力矩增大，轴间差速器中与后桥相连的转速较低的齿轮就获得了较大的转矩，使附着条件较好的后轮产生与附着条件相适应的较大的驱动力。

在有些汽车中，用粘性联籼腊取代了轴间差速器。当汽车正常行驶时，前、后轮转速基本相等，粘性联轴器不工作，此时相当于前轮驱动。当汽车加速或爬坡时，汽车质心后移，前轮将出现打滑现象，转速升高，前、后轮出现转速差，粘性联轴器开始工作，将部分转矩传给后桥，使之产生足够驱动力帮助前轮恢复正常的附着状态，提高了它的动力性。由于粘性传动不如机械传动可靠，所能传递的转矩较小，故该形式主要用于轿车和轻型汽车中。