驱动桥差速器设计说明书

摘 要

汽车驱动桥是汽车的主要部件之一，其基本的功用是增大由传动轴或直接由变速器传来的转矩，再将转矩分配给左右驱动车轮，并使左右驱动车轮具有汽车行驶运动所要求的差速功能。汽车差速器位于驱动桥内部，为满足汽车转弯时内外侧车轮或两驱动桥直接以不同角度旋转，并传递扭矩的需求，在传递扭矩时应能够根据行驶的环境自动分配扭矩，提高了汽车通过性。其质量，性能的好坏直接影响整车的安全性，经济性、舒适性、可靠性。

随着汽车技术的成熟，轻型车的不断普及，人们根据差速器使用目的的不同，设计出多种类型差速器。与国外相比，我国的车用差速器开发设计不论在技术上，还是在成本控制上都存在不小的差距，尤其是目前兴起的三维软件设计方面，缺乏独立开发与创新能力，这样就造成设计手段落后，新产品上市周期慢，材料品质和工艺加工水平也存在很多弱点。

本文认真地分析了国内外驱动桥中差速器设计的现状及发展趋势，在论述汽车驱动桥的基本原理和运行机理的基础上，提炼出了在差速器设计中应掌握的满足汽车行驶的平顺性和通过性、降噪技术的应用及零件的标准化、部件的通用化、产品的系列化等关键技术；阐述了汽车差速器的基本原理并进行了系统分析；根据经济、适用、舒适、安全可靠的设计原则和分析比较，确定了轻型车差速器总成及半轴的结构型式；轻型车差速器的结构设计强度计算运用了理论分析成果；最后运用CATIA软件对汽车差速器进行建模设计，提升了设计水平，缩短了开发周期，提高了产品质量，设计完全合理，达到了预期的目标。

关键词 ： 驱动桥； 差速器； 半轴； 结构设计；

Automobile driving axle is one of the main components of cars, its basic function is increased by the transmission shaft or directly by coming from torque, again will torque distribution to drive wheels, and make about driving wheel has about vehicle movement required differential function. Auto differential drive to meet internal, located in car wheel or when turning inside and outside two axles directly with different point of view, and transfer the rotating torque transmission torque in demand, according to the environment should be driving torque, improve the automatic assignment car through sex. Its quality, performance will have a direct impact on the security of the vehicle, economy, comfort and reliability.

As car technology maturity, the increasing popularity of small, people of different purposes according to differential, the design gives a variety of types differential. Compared with foreign countries, China's automotive differential development design whether in technology, or in the cost control there are large gap, especially at present the rise of 3d software design, lack of independent development and innovation ability, thus causing design means backward, new products listed cycle slow, materials quality and craft processing level also has many weaknesses.

This paper conscientiously analyzes the differential drive axle design at home and abroad in the present situation and development trend of automobile driven axle, this basic principle and operation mechanism, carry on the basis of the differential practiced a meet the design should be mastered in smooth and automobile driving through sexual, noise reduction technology application and parts of standardization, parts of generalization, serialization of products, and other key technology; Expounds the basic principle and automotive differential system analysis; According to economic, applicable, comfortable, safe and reliable design principles and analysis comparison, determine the small differential assembly and half shaft structure type; Small differential structure design strength calculation using theoretical analysis results; Finally using CATIA software modeling design of automotive differential, promoted design level, shorten the development cycle, improve the product quality, design completely reasonable, can achieve the desired goals.

Key words： Differential mechanism； Differential gear； Planetary gear； Semiaxis；

目 录

1 绪 论 ..................................................................... 1

1.1 我国汽车驱动桥的现状分析 ................................................. 1

1.2 我国汽车零部件的发展趋势 ................................................. 2

1.3 本文研究主要内容 ......................................................... 2

2 汽车驱动桥的总体结构与差速器分类 ........................................... 2

2.1 汽车驱动桥的总体结构及原理简介 ........................................... 2

2.2 汽车驱动桥的设计要求 ..................................................... 5

2.3 差速器的组成与工作原理 ................................................... 5

2.4 差速器的分类 ............................................................. 6

2.4.1 对称锥齿轮式差速器 .................................................. 6

2.4.2 滑块凸轮式差速器 .................................................... 9

2.4.3 蜗轮式差速器 ....................................................... 10

2.4.4 牙嵌式自由轮差速器 ................................................. 11

3 普通圆锥齿轮式差速器设计 .................................................. 12

3.1 普通圆锥齿轮式差速器的差速原理 .......................................... 13

3.2 普通圆锥齿轮式差速器的结构 .............................................. 14

3.3 普通圆锥齿轮式差速器的设计和计算 ........................................ 14

3.3.1 行星齿轮数目的选择 ................................................. 15

3.3.2 行星齿轮球面半径的确定 ............................................. 15

3.3.3 行星齿轮与半轴齿轮齿数选择 ......................................... 16

3.3.4 差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定 ..................... 17

3.3.5 压力角 ............................................................. 17

3.3.6 行星齿轮安装孔的直径及其深度 ....................................... 18

3.3.7 差速器齿轮的几何计算 ............................................... 18

3.3.8 差速器齿轮的强度计算 ............................................... 20

3.4 差速器的材料 ............................................................ 21

3.5 差速器壳体设计 .......................................................... 22

3.5.1 差速器壳参数设计 ................................................... 23

4 半轴的设计 ................................................................ 24

4.1 结构形式分析 ............................................................ 24

4.2 半浮式半轴杆部半径的确定 ................................................ 25

4.3 半轴花键设计 ............................................................ 27

4.3.1 半轴的工作条件和性能要求 ........................................... 29

4.3.2 选择用钢 ........................................................... 29

4.3.3 热处理工艺分析 ..................................................... 29

5 基于CATIA的差速器建模 .................................................... 30

5.1 CATIA软件的介绍 ......................................................... 30

5.2 CATIA V5版本和应用领域介绍 .............................................. 31

5.2.1 CATIA V5版本特点 .................................................. 31

5.2.2 CATIA V5应用领域 .................................................. 32

5.4 差速器的建模 ............................................................ 33

5.4.1 差速器零件建模 ..................................................... 33

5.4.2 差速器的装配 ....................................................... 37

总 结 ..................................................................... 38

参考文献 ..................................................................... 39

致 谢 ...................................................................... 40

1 绪 论

自改革开放以来我国汽车产业发展迅猛，成为了我国的支柱产业。与之配套的汽车零部件生产企业更是像雨后春笋一样不断涌现，呈现出欣欣向荣的境象，但与发达国家相比规模小，生产效率低、技术都较落后。缺乏自己的核心技术，缺乏创新能力，在国际竞争中还没有任何优势可言，因此，我国汽车及汽车零部件企业必须加快步伐，自主创新，积极迎接挑战，不断提升产品技术含量，努力提高生产管理水平，降低产品制造成本，走出强企之路。

1.1 我国汽车驱动桥的现状分析

汽车驱动桥是汽车的主要部件之一，其质量、性能的好坏直接影响整车的安全性、经济性、舒适性，虽然我国车桥制造企业众多，但与国外相比差距较大，没有形成自已的核心竞争力，主要表现在以下几个方面：

1）技术含量较低

我国汽车车桥制造企业除少数企业规模较大外，普遍规模较小，生产能力强弱不均，技术力量参差不齐。不论是大中型企业还是小型企业其产品设计水平和工艺制造水平都相对落后，产品不能很好地与整车相匹配，不能完全满足使用要求。

2）开发模式落后

我国汽车车桥制造企业的开发模式主要由测绘、引进、自主开发三种组成。在中小企业中，测绘市场销路较好的产品是它们的主要开发模式。特别是一些小型企业或民营企业。这些企业生产的产品质量与原配套企业生产的产品相比其质量较差，容易发生故障，严重时会引起车毁人亡的重大事故。

3）技术创新能力不够

我国汽车零部件企业长期没有重视技术创新能力，大中型企业普遍存在技术引进经费占技术开发经费的比例较高的问题。多数车桥企业对引进的技术只停留在消化阶段，尤其对软件消化吸收的速度很慢，对引进的硬件设备只停留在使用上。

4）CAD应用落后

计算机辅助设计(CAD：Computer Aided Design)技术一般指以计算机作为辅助工具的各种应用技术，是以计算机外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析(FEA)及优化设计、数控加工编程(NCP)、仿真模拟及产品数据管理(PDM)等内容。汽车工业是最先用CAD技术的行业之一，目前在发达国家的汽车行业中，CAD技术已得到了普遍应用，并取得了巨大的经济效益，新的轿车产品的开发周期已缩短至2～3年，汽车CAD系统的软硬件都已达到较高水平，并仍在向智能化，集成化和标准化的方向发展。

然而，我国汽车零部件企业的CAD应用大部分只是停留在计算机绘图阶段，产品设计还局限于几何尺寸设计。在产品设计过程中，计算机技术、先进软件及在三维建模的基础上对汽车车桥的有限元分析、动态仿真还极为落后。从某些方面来说这成了制约企业快速发展的主要因素。因此，CAD／CAM／CAE／PDM的应用就显得尤为重要。

1.2 我国汽车零部件的发展趋势

随着电子计算机的出现和在工程设计中的应用，使汽车零部件设计技术飞跃发展，设计过程将完全改观。汽车零部件结构参数及陛能参数等的优化选择与匹配，强度核算与寿命预测，产品有关方而的模拟计算或仿真分析、设计方案的选择及定型，设计图纸的绘制均可在计算机上进行。采用电子计算机作分析计算手段，由于其计算速度很快且数据容量很大，就可采用较为准确的多自由度的数学模型来模拟汽车零部件在各种工况下的运动，采用现代先进的数学方法进行分析，可取得较准确的结果，这就为设计人员分析各种方案和进行创造性的工作提供了很大的方便。今后CAD将与CAM、CAT(Computer Aided Test，计算机辅助测试)结合成CADMAT系统，更将显示出其巨大的作用。

我国在驱动桥的开发水平上与国外同类企业相比还比较落后，不适应新的发展，计算机辅助设计只局限于二维制图，对所设计的产品不能进行建模和CAE分析，致使产品设计风险大，成本高，效率低。

1.3 本文研究主要内容

(1)分析驱动桥国内外现状及发展趋势，分析驱动桥的基本原理及运行机理提炼出驱动桥设计的关键技术；

(2)根据经济、适用、舒适、安全、可靠的设计原则和分析比较，确定轻型车驱动桥的差速器及半轴的结构型式，并且对其差速器的主、从齿进行详细设计和强度校核以满足强度和降噪要求。

(3)运用CATIA软件对驱动桥的差速器及半轴进行建模分析，并验证差速器设计的合理性。

2 汽车驱动桥的总体结构与差速器分类

2.1 汽车驱动桥的总体结构及原理简介

汽车的驱动后桥位于传动系的末端[1]，其基本功用是增大由传动轴或直接由变速器传来的转矩，再将转矩分配给左、右驱动车轮，并使左、右驱动车轮具有汽车行驶运动所要求的差速功能；同时，驱动后桥还要承受作用于路面和车架或承载车身之间的铅垂力、纵向力、横向力及其力矩。

一般的驱动后桥由主减速器总成，差速器总成，桥壳总成及半轴总成等零部件组成，如图2-1所示。

图2-1 汽车后桥示意图

1--主减速前轴承；2--主动齿轮；3--主减速器后轴承；4一差速器；5--行星、半轴齿轮副 6--半轴；7--制动器及制动鼓；8--半轴轴承；9--桥壳；10一差速器轴承：11一从动齿轮

12一主减速器壳：13一凸缘

驱动桥的结构型式与驱动车轮的悬架结构型式密切相关。当车轮采用非独立悬架时，采用的非断开式(整体式)驱动桥。普通的非断开式驱动后桥的桥壳相当于一根联接左、右驱动车轮的刚性空心梁，而主减速器，差速器及半轴都装在其中。非断开式驱动后桥的桥壳多采用整体式(如冲焊结构，铸造结构)，也可以采用可分式的，但由于后者在维修，调整主减速器时拆装的不便，故已很少采用。有些汽车为了提高其行驶平顺性，舒适性而采用独立悬架时，则采用断开式驱动桥。这种驱动桥无刚性整体桥壳，如德国梅赛德斯—奔驰200型轿车，左、右两段桥壳仅由一销轴相联，且仅有一侧的半轴为分段式的，可相对的主减速器做上、下摆动和双铰节式，如德国Audi 80 Quattro的后驱动桥左、右两半轴均可相对主减速器做上、下摆动。

汽车传动系的总任务是传递发动机的动力，并使之适应于汽车行驶的需要。在一般汽车的机械式传动中，有了变速器还不能完全解决发动机特性与汽车行驶需求间的矛盾和结构布置上的问题。首先是因为绝大多数的发动机在汽车上是纵向安置的，为使其转矩能传动给左、

右驱动轮，必须由驱动桥的主减速器改变转矩的传递方向，同时还得由驱动桥的差速器来解决左、右驱动车轮的差速要求及转矩分配问题。其次是因为变速器的主要任务仅在于通过选择适应的排挡数目及各挡传动比，以使内燃机的转矩一转速特性能适应汽车在各种行驶阻力下对动力性和燃料经济性要求，而驱动桥主减速器(有时还有轮边减速器)的功用则在于当变速器处于最高挡位(通常为直接挡，有时还有超速挡)时，使汽车有足够的牵引力，适当的最高车速和良好的燃料经济性，为此，需将经过变速器、传动轴传来的动力，通过驱动桥的主减速器作进一步增大转矩，降低转速的变化。困此，为了使汽车传动系设计得合理，首先必须选择好传动系的传动比，并恰当地将其分配给变速成器和驱动桥。当变速器处于直接挡位时，汽车的动力性及燃料经济性主要取决于主减速器比。在汽车的总布置设计时，应根据汽车的工作条件及发动机、传动系、轮胎等的有关参数，选择合适的主减速比来保证汽车具有良好的动力性和燃料经济性。采用优化设计方法使传动系各传动比与发动性能参数作最佳匹配，可得到最佳效果。

汽车在行驶过程中所遇到的道路情况是千变万化的，此外，汽车本身在空、满载之间轴负荷变化非常大，为了扩大汽车对这些不同使用条件的适用范围，除了常见的具有唯一固定主减速比的单速主减速器外，在某些重型汽车上有时将主减速做成双速的。双速主减速器具有两个固定的主减比，并可根据汽车行驶条件来选择档位。

最简单常见的是由一对螺旋锥齿轮或双曲齿轮组成的单级减速器。在大型汽车上，为了得到大的主减速器比同时又不减小离地间隙，常采用另加一对斜齿(或人字形齿)圆柱齿轮或行星轮系的双级主减速器的方法。有的重型汽车为了进一步增大驱动桥的减速比还增设了轮边减速器。微型汽车驱动桥采用的是双曲面齿轮。

当汽车转弯或在不平路面上行驶时，左、右车轮在同一时间内所滚过的行程是不相等的，因此其转速也应不同[2]。另外，即使汽车在平坦路面上直线行驶左、右轮行程相同，但有时也会由于轮胎外径的制造误差，轮胎磨损程度，轮胎气压或轮胎负荷的不同，而引起它们的滚动半径不相等，导致转速也不相同。因此，要求驱动桥在传递转矩给左、右驱动车轮的同时，能使它们以适应上述运动系要求的不同角速度旋转。这一要求是由差速器来实现的。简单的对称式圆锥行星齿轮差速器，由于其结构简单，工作平稳可靠，在各种汽车上都得到了广泛的应用，微型车驱动桥就是采用的该种差速器。如果不计其不大的内摩擦，则这种差速器是将转矩平均地分配到左、右半轴上，因此，装用这种简单的对称式圆锥行星齿轮差速器的汽车，当左、右驱动车轮与道路的附着系数不同是一个驱动车轮滑转而失去牵引力时，另一个附着驱动车轮也得丧失牵引功能。现在有些汽车生产厂家为了提高汽车的通过性，增加其产品竞争能力，采用差速锁将左、右半轴锁在一起，或采用具有高摩擦副的凸轮式，蜗轮式和带有摩擦片的齿轮式以及自动轮式等自锁式差速器，以便使驱动桥的转矩尽可能多地传给不滑转的驱动车轮，以充分利用这一驱动车轮的附着力来产生足够的牵引力，使汽车能够继续行驶。

在普通的驱动桥上，如果驱动车轮不是转向轮，则车轮直接由联接差速器和轮毂的半轴来驱动。这时，半轴由于其外端支承的不同而承受不同的载荷。

根据所承受载荷的不同半轴分为全浮式、半浮式和3／4浮式三种。全浮式半轴的外端和用两个轴承支承于桥壳上的轮毂相联。由于引起弯矩的所有载荷都经过这些轴承传递，因此半轴只承受转矩，但实际上由于加工精度及装配精度的影响及桥壳、轴承等的支承刚度不足等原因，使全浮式半轴在使用条件下仍可能承受不大的、可忽略不计的弯矩。具有全浮式半轴的外端支承在位于桥壳内的轴承上。因此，它不仅承受转矩，而且承受作用车轮与路面间的铅垂力、纵向力、横向力所引起的弯矩。3／4浮式半轴的支承关系与全浮式是一样的，只是轮毂用～个轴承支承在桥壳上，这时由于轮毂的支承刚度较差，因此半轴不仅承受转矩，而且承受部份弯矩。微型车后桥采用半浮式半轴。

驱动桥不仅是汽车的动力传递机构，而且也是汽车的行使机构，还起着支承汽车荷重的作用。

2.2 汽车驱动桥的设计要求

驱动桥是汽车传动系统中主要总成之一。驱动桥的设计是否合理直接关系到汽车使用性能的好环。因此，设计中要保证：

所选择的主减速比应保证汽车在给定使用条件下有最佳的动力性能和燃料经济性：

(1)当左、右两车轮的附着系数不同时，驱动桥必须能合理的解决左右车轮的转矩分配问题，以充分利用汽车的牵引力；

(2)具有必要的离地间隙以满足通过性的要求：

(3)驱动桥的各零部件在满足足够的强度和刚度的条件下，应力求做到质量轻，特别是应尽可能做到非簧载质量，以改善汽车的行驶平顺性；

(4)能承受和传递作用于车轮上的各种力和转矩：

(5) 齿轮及其它传动部件应工作平稳，噪声小；

(6)对传动件应进行良好的润滑，传动效率要高；

(7)结构简单，拆装调整方便：

(8)设计中应尽量满足“三化”。即产品系列化、零部件通用化、零件设计标准化的要求。

2.3 差速器的组成与工作原理

普通差速器由行星齿轮、行星轮架（差速器壳）、半轴齿轮等零件组成[3]。发动机的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。差速器的设计要求满足：（左半轴转速）+（右半轴转速）=2（行星轮架转速）。当汽车直行时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏，导致内侧轮转速减小，外侧轮转速增加。

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不等。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，提高车子的通过性。

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。

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的角速度转动，差速器构造有多种形式。

2.4 差速器的分类

差速器结构形式有多种，它分为对称锥齿轮式差速器，滑块凸轮式差速器，涡轮式差速器，对称锥齿轮式差速器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。普通齿轮式差速器的传动机构为齿轮式，齿轮差速器要圆锥齿轮式和圆柱齿轮式两种，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。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。普通的对称式圆锥行星齿轮差速器由差速器左、右壳，2个半轴齿轮，4个行星 齿轮(少数汽车采用3个行星齿轮，小型、微型汽车多采用2个行星齿轮)，行星齿轮 轴(不少装4个行星齿轮的差逮器采用十字轴结构)，半轴齿轮及行星齿轮垫片等组成。由于其结构简单、工作平稳、制造方便、用在公路汽车上也很可靠等优点，最广泛地用在轿车、客车和各种公路用载货汽车上。

2.4.1 对称锥齿轮式差速器

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2-2为其示意图，图中w0为差速器壳的角速度；w1、w2分别为左、右两半轴的角速度；T0为差速器壳接受的转矩；Tr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。