摘要
汽车问世百余年，特别是从汽车产品的大批量生产及汽车工业的打发展以来，汽车已经对世界经济打发展和人类进入现代生活产生了无法估量的巨大影响，为人类社会的进步作出了不可磨灭的巨大贡献。为了使大家对汽车这一影响人类社会的产品有更全面、更深入的了解，以便把握住“汽车设计”技术的发展方向，通过对汽车的总体设计，汽车零部件的载荷和计算工况与计算方法，以及汽车各系统、各组成及主要零部件的结构分析和设计计算的概述，是大家对汽车的设计理论与设计技术有更好的认识与突破。汽车主减速器及差速器是汽车传动中最重要的部件之一。它能够将万向传动装置传来的发动机转矩传给驱动车轮，以实现降速增扭。
本次设计的是有关乘用车的主减速器和差速器，并要使其具有通过性。本次设计的内容包括有：方案选择，结构的优化与改进。齿轮与齿轮轴的设计与校核。并且在设计过程中，描述了主减速器的组成和差速器的差速原理和差速过程。方案确定主要依据原始设计参数，对比同类型的减速器及差速器，确定此轮的传动比，并对其中重要的齿轮进行齿面接触和齿轮弯曲疲劳强度的校核。而对轴的设计过程中着重齿轮的布置，并对其受最大载荷的危险截面进行强度校核。主减速器及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。
关键词：驱动桥；主减速器；差速器；半轴
Abstract
Vehicle drive axle at the end of the transmission system, the basic skills to use is to increase the transmission came directly from the drive shaft or torque, the torque distribution to the left and right wheels, and get differential requirements. In the drive axle, the realization of the usefulness of the main parts of this series are the main reducer, differential, axle, but also other transmission devices and axle. The main design principle of the drive axle was carefully understanding and statement, Santana 2000, the main reducer drive axle, differential, axle and other important components such as a detailed design. In the design process, according to the principles of automotive design and procedures, carried out a detailed calculation. In the design process, but also analysis of the components need to adopt the method, the feasibility of the program discussions, and possible faults of thinking, the last on the important parts and the assembly showing the way with engineering drawings.
Keywords：Drive axle ；Main reducer ；Differential ；Axle
目录
摘要....................................................................... I 目录.................................................................... II 第1章绪论 (1)
1.1选题的背景与意义 (1)
1.2 研究的基本内容 (1)
1.2.1 主减速器的作用 (2)
1.2.2 主减速器的工作原理 (2)
1.2.3 国内主减速器的状况 (2)
1.2.4 国内与国外差距 (2)
1.3 课题研究内容 (3)
1.3.1主减速器的结构分析 (3)
1.3.2 差速器的结构分析 (3)
第2章主减速器的设计 (5)
2.2主减速器的方案确定 (5)
2.3主减速器从动齿轮支承方案确定...................................................................................... (5)
2.3.1主动双曲面锥齿轮 (5)
2.3.2从动双曲面锥齿轮 (4)
2.4基本参数的选择与计算载荷的确......................................................................................
(5)
2.4.1 齿轮计算载荷的确定 (5)
2.4.2 主减速器基本参数的选择...................................................................................... (8)
2.4.3 主减速器准双面圆锥齿轮的集合计算 (10)
2.4.4 主减速器齿轮的热处理...................................................................................... .. (17)
第3章差速器的设计 (19)
3.1 差速器概
述..................................................................................
(19)
3.2 差速器的结构形式选
择..................................................................................
(20)
3.3 差速器齿轮的基本参数选
择..................................................................................
(20)
3.3.1 行星齿轮数目的选择.................................................................................... .. (20)
R的选 3.3.2 行星齿轮球面半径
B 择.................................................................................... (22)
3.3.3 行星齿轮与半轴齿轮齿数的选择 (21)
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 (21)
3.3.5 压力角...................................................................................... . (21)
3.3.6 行星齿轮轴直径d及支承长度L (22)
3.4 差速器齿轮的集合计算 (22)
3.5 差速器齿轮的强度计算 (24)
第4章轴的设计 (25)
4.1 主动锥齿轮轴的设计 (25)
4.1.1 锥齿轮齿面上的作用力 (25)
4.1.2 齿宽中点处的圆周力 (26)
4.1.3 锥齿轮轴向力和径向力 (26)
4.1.4 轴和轴承的计算 (27)
4.1.5 齿轮轴承径向载荷的计算 (28)
4.1.6 主动锥齿轮轴参数设计 (28)
4.1.7 主动锥齿轮轴的校核 (29)
4.2 行星齿轮轴的设计 (31)
4.2.1 普通平键的选择 (31)
4.2.2 圆柱销的选择 (31)
4.2.3 计算载荷的确定 (31)
4.2.4 行星齿轮轴的强度计算 (32)
第5章结论 (33)
参考文献 (34)
致谢 (35)
第1章绪论
1.1选题的背景与意义
主减速器和差速器是汽车是驱动桥的中的一部分,是传动系统的重要组成部分.主减速器的功用是增大转矩同时降低转速,差速器的作用是能使同一个驱动桥上的两个车轮以不同的速率旋转.单级主减速器通常由主动齿轮从动齿轮组成,在双级主减速器中，通常还要加一对圆柱齿轮或一组行星齿轮。在轮边减速器中则通常采用普通平行轴式布置的斜齿圆柱齿轮传动或行星齿轮传动。主减速器采用的最广泛的是螺旋锥齿轮和双曲面面齿轮。而差速器则普遍采用普通直齿锥齿轮在某些公共汽车和重型汽车上有时也选用蜗轮传动。
通过学校的学习，我对汽车的构造及总成有了很大了解，同时，结合课堂学习的理论知识，对于进行汽车设计有了一定的理论基础，现对程乘用汽车的主减速器和差速器进行设计，加深对汽车知识的了解。
1.2 研究的基本内容
1.2.1主减速器的作用
在一般汽车的机械式传动中，有了变速器还不能解决发动机特性与汽车行驶要求间的矛盾和结构布置上的问题。而主减速器是在汽车传动系中起降低转速，增大转矩作用的主要部件。当发动机纵置时还具有改变转矩旋转方向的作用。它是依靠齿数少的齿轮带齿数多的齿轮来实现减速的，采用圆锥齿轮传动则可以改变转矩旋转方向。汽车正常行驶时，发动机的转速通常比较高，如果将很高的转速只靠变速箱来降低下来，那么变速箱内齿轮副的传动比则需要很大，齿轮的半径也相应加大，也就是说变速箱的尺寸会加大。另外，转速下降，扭矩必然增加，也加大了变速箱与变速箱后一级传动机构的传动负荷。所以，在动力向左右驱动轮分流的差速器之前设置一个主减速器。
1.2.2主减速器的工作原理
从变速器或分动器经万向传动装置输入驱动桥的转矩首先传到主减速器，主减速器的一对齿轮增大转矩并相应降低转速，以及当发动机纵置时还具有改变转矩的旋转方向，他是依靠齿数少的齿轮带动齿数多的齿轮来实现减速的。
1.2.3国内主减速器的状况
现在国家大力发展高速公路网，环保、舒适、快捷成为汽车市场的主旋律。对整车
主要总成之一的驱动桥而言，小速比、大扭矩、成本低逐渐成为汽车主减速器技术的发展趋势。
1.2.4国内与国外差距
我国的车用减速器开发设计不论在技术上、制造工艺上，还是在成本控制上都存在不小的差距，尤其是齿轮制造技术缺乏独立开发与创新能力，技术手段落后(国外己实现计算机编程化、电算化)。目前比较突出的问题是，行业整体新产品开发能力弱、工艺创新及管理水平低，企业管理方式较为粗放，相当比例的产品仍为中低档次，缺乏有国际影响力的产品品牌，行业整体散乱情况依然严重。这需要我们加快技术创新、技术进步的步伐，提高管理水平，加快与国际先进水平接轨，开发设计适应中国国情的高档车用减速器总成，由仿制到创新，早日缩小并消除与世界先进水平的差距。
1.3 课题研究内容
汽车主减速器是汽车驱动桥中的一个重要部件，汽车驱动桥处于动力传动系的末端，其基本功能是增大由传动轴或变速器传来的转矩，并将动力合理的分配给左、右驱动轮，另外还承受作用于路面和车架或车身之间的垂直立、纵向力和横向力。驱动桥一般由主减速器、差速器、半轴和驱动桥壳组成。
1.3.1主减速器的结构分析
(1)主减速器作用
主减速器的作用将变速器输出的动力再次减速，以增加转矩，之后将动力传递给差速器。
(2)主减速器分①单级主减速器：大部分汽车的主减速器为单级主减速器，减速型式为锥形齿轮式：其中锥形齿轮式主减速器，广泛的应用于后驱汽车的后轿中，变速器输出动力经过传动轴传给主动锥齿轮，经从动锥齿轮减速后传给差速器。普通斜齿轮式主减速器应用于前驱汽车的变速器中。②双级主减速器：在重型货车上，常采用双级主减速器，第一级为锥形齿轮减速，第二级为普通斜齿轮减速。主减速器的齿轮有弧齿锥齿轮，双曲面齿轮，圆柱齿轮和蜗轮蜗杆等形式。
1.3.2差速器的结构分析
(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，即允许左右车轮以不同的转速旋转。
(2)差速器的结构形式和工作原理
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。
行星齿轮的自转：差速器工作时，查阅汽车车桥设计，经方案论证，差速器结构形式选择
对称式圆锥行星齿轮差速器。
根据机械原理书本公式：
1n n /n n 4341-=--）（）（ （式1.1） )r (r n /n 31L L +-=
）（ （式1.2） 当直线行驶时，r 趋于无穷大，此时31n n =，差速器的工作原理汽车在转弯时每个车轮
行驶的距离不相等，既内侧车轮行驶的距离比外侧车轮要短，差速器的作用就是调节这个
距离差使汽车能平稳行驶。
图1-1差速器的工作原理
第2章主减速器的设计
2.1 主减速器概述
汽车主减速器有单级式、双级式等几种。由于单级式主减速器结构简单、质量小、尺寸紧凑以及造价低。广泛用在主减速比io〈7.6的各种中、小型汽车上。这次设计的为家庭乘用车，所以主传动比不到7.6，故这次设计采用单级主减速器。单级主减速器有螺旋锥齿轮、双曲面齿轮等两种形式。主减速器的齿轮有弧齿锥齿轮、双曲面齿轮、圆柱齿轮和蜗轮蜗杆等形式。
2.2 主减速器方案的选择
因为如果保持主动齿轮轴径不变，则双曲面从动齿轮直径比螺旋锥齿轮小。所以一般情况下，当要求传动比大于 4.5而轮廓尺寸又有限时，采用双曲面齿轮传动更合理。
2.3 主减速器主从动齿轮的支承方案
2.3.1 主动双曲面锥齿轮
对于在轿车和装载质量在2T以下的载货汽车上，由于载荷较小，主减速器主动齿轮的轴线偏转角的绝对值不大，所以主动锥齿轮最好采用结构简单，布置方便及成本较低的悬臂式支承，这样既保证了支承刚度又能使结构简单，又方便制造。
2.3.2 从动双曲面锥齿轮
从动锥齿轮的支承选择跨置式的，这种支承可以增大支承刚度，使轴承负荷减小，齿轮啮合条件改善。
2.4 基本参数的选择与计算载荷的确定
2.4.1 齿轮计算载荷的确定
由于汽车行驶时传动系载荷的不稳定性，因此要准确地算出主减速器齿轮的计算载荷是比较困难的。通常是将发动机最大转矩配以传动系最低挡传动比时和驱动车轮在良好路面上开始滑转时这两种情况下作用在主减速器从动齿轮上的转矩的较小者，作为载货汽车和越野汽车在强度计算中用以验算主减速器从动齿轮最大应力的载荷。
T：
（1）、按发动机最大转矩和最低挡传动比确定从动锥齿轮的计算转矩
ce
max 100/ce e T T T i i k n η=???? m N ? （式2.1）
式中 :
1i ——变速器前进挡最大传动比，在此取3.778；
0i ——主减速器传动比在此取4.111；
max e T ——发动机的输出的最大转矩，在此取220m N ?；
0k ——由于猛结合离合器而产生冲击载荷时的超载系数，对于一般的载货汽车，矿
用汽车和越野汽车以及液力传动及自动变速器的各类汽车取0k =1.0，当性能系数p f >0时可
取0k =2.0； ???
???????????<>??? ??=16T g m 0.195 016T g m 0.195 T g m 0.195-161001emax a emax a emax a 当当p f （式2.2） a m ——汽车满载时的总质量在此取1975kg ；
所以由式（2.2）得： 0.195×220101975? =17.5056>16
即p f <0 所以0k =1.0；
n ——该汽车的驱动桥数目在此取1；
T η——传动系上传动部分的传动效率，在此取0.9；
根据以上参数可以由(2.1）得：ce T =1
9.0111.4778.3220????=3074.5m N ?； （2）、按驱动轮打滑转矩确定从动锥齿轮的计算转矩cs T ：
cs T = LB
r 2i r ?LB G η? (式2.3) 式中 ：
2G ——汽车满载时一个驱动桥给水平地面的最大负荷，在此取14350N ；
?——轮胎对路面的附着系数，对于安装一般轮胎的公路用汽车，取?=0.85；对越
野汽车取?=1.0，对于安装专门的肪滑宽轮胎的高级轿车取?=1.25；在此取?=0.85；
r r ——车轮的滚动半径，在此选用轮胎型号为215/60R16，滚动半径为 0.332m ；
LB η，LB i ——分别为所计算的主减速器从动锥齿轮到驱动车轮之间的传动效率和
传动比，取LB η0.9，由于没有轮边减速器取LB i 1.0；
所以由公式(2.2)得：
cs T =LB
r 2i r ?LB G η? =19.0322.085.014350???=4364m N ? （3）、按汽车日常行驶平均转矩确定从动锥齿轮的计算转矩cf T
汽车的类型很多，行驶工况又非常复杂，轿车一般在高速轻载条件下工作，而矿用
汽车和越野汽车则常在高负荷低车速条件下工作，没有简单的公式可算出汽车的正常持续
使用转矩。但对于公路车国内来说，使用条件较非公路车辆稳定，其正常持续转矩根据所
谓平均比牵扯引力的值来确定，即主减速器从动齿轮的平均计算转矩： ()() N a T r cf R H P LB LB G G r T f f f m i n
η++??=
+? （式2.4） 式中：
a G ——汽车满载时的总重量，在此取19750N ； T G ——所牵引的挂车满载时总重量，但仅用于牵引车的计算，所以这里为0；
R f ——道路滚动阻力系数，计算时对于轿车可取0.010~0.015；对于载货汽
车可取0.015~0.020；对于越野汽车可取0.020~0.035，此时取0.013；
H f ——－汽车正常使用时的平均爬坡能力系数，通常对轿车取0.08载货汽车和城市
车取0.05~0.09；对长途公共汽车取0.06—0.10；对越野汽车取0.09－0.30，此时取
0.08；
p f ——汽车的性能系数在此取0；
LB η，LB i ——分别为所计算的主减速器从动锥齿轮到驱动车轮之间的传动效率和传动
比，LB η取0.9，由于没有轮边减速器LB i 取1.0；
n ——该汽车的驱动桥数目在此取1；
r r ——车轮的滚动半径，在此选用轮胎型号为215/60R16，滚动半径为0.322m
所以由式（式2.4）得：
() )(P H R LB LB r T a cf f f f n
i r G G T +=+??+η =）（）（008.013.01
9.010322.019750++???+=1484m N ? 2.4.2主减速器基本参数的选择
（1）主、从动锥齿轮齿数1z 和2z
选择主、从动锥齿轮齿数时应考虑如下因素：
①为了磨合均匀，1z ，2z 之间应避免有公约数；
②为了得到理想的齿面重合度和高的轮齿弯曲强度，主、从动齿轮齿数和应不小于40；
③为了啮合平稳，噪声小和具有高的疲劳强度对于商用车1z 一般不小于6；
④主传动比0i 较大时，1z 尽量取得小一些，以便得到满意的离地间隙；
⑤对于不同的主传动比，1z 和2z 应有适宜的搭配，对比参考资料，取1z =8、2z =38。
（2）从动锥齿轮大端分度圆直径2D 和端面模数m
对于单级主减速器，增大尺寸2D 会影响驱动桥壳的离地间隙，减小2D 又会影响跨置
式主动齿轮的前支承座的安装空间和差速器的安装。
2D 可根据经验公式初选，即 322c D T K D = （式2.5）
2D K ——直径系数，一般取13.0～16.0；
c T ——从动锥齿轮的计算转矩m N ?，为ce T 和cs T 中的较小者取其值为3074.5m N ?；
由式（2.5）得：
2D =（13.0～16.0）35.3074=（189～232.7）mm ；
初选2D =200mm 则齿轮端面模数t m =2D /2z =200/38=5.27mm
2D =t m 2z =38?5.27=200.26mm
校核t m =5.27是否合适，其中0.30.4m K =
故此处t m = 3c m T K =（0.3～0.4）=35.3074=4.36～ 5.82 ，因此满足校核。
（3）主、从动齿轮齿面宽F 的选择。
齿面过宽并不能增大齿轮的强度和寿命，反而会导致因锥齿轮轮齿小端齿沟变窄引起
的切削刀头顶面过窄及刀尖圆角过小，这样不但会减小了齿根圆角半径，加大了集中应力，还降低了刀具的使用寿命。此外，安装时有位置偏差或由于制造、热处理变形等原因使齿
轮工作时载荷集中于轮齿小端会引起轮齿小端过早损坏和疲劳损伤。
另外,由于双曲面齿轮的几何特性,双曲面小齿轮齿面宽比大齿轮齿面宽要大。一般
取c F =0.1552d =0.155?200.26=31.04mm ，小齿轮齿面宽z F =1.1c F =1.1?31.04=34.14mm
（4）小齿轮偏移距及偏移方向的选择
对于轿车、轻型客车、货车、E 值不应超过从动齿轮节锥距0A 的40%，或接近于2d 的20%。
故偏移距E 可取 %20≈E 2D =40.05mm
故偏移距E 取40.05mm
（5）螺旋角β的选择
双曲面齿轮传动由于有了偏移距E ，使主、从动齿轮的中点螺旋角不等，且主动齿轮
的大，从动齿轮的小。但是，在选择螺旋角的时，应考虑它对齿面重叠系数轮齿强度和轴
向力的影响。螺旋角应足够大，但螺旋角过大会使轴向力过大，因此兼顾考虑。 汽车主减速器锥齿轮的平均螺旋角为35°～40°，而商用车选用较小的值以防止轴向力过
大，通常取35°，在此初选用为35°。汽车主减速器双曲面齿轮大小齿轮中点处的平均
螺旋角β多为35°～40°。
（6）螺旋方向
主、从动锥齿轮的螺旋方向是相反的。螺旋方向与锥齿轮的旋转方向影响其所受的
轴向力的方向，当变速器挂前进挡时，应使主动锥齿轮的轴向力离开锥顶方向，这样可使
主、从动齿轮有分离的趋势，防止轮齿因卡死而损坏。所以主动锥齿轮选择为左旋，从锥
顶看为逆时针运动，这样从动锥齿轮为右旋，从锥顶看为顺时针，驱动汽车前进。
（7）法向压力角α
法向压力角大一些可以增加轮齿强度，减少齿轮不发生根切得最少齿数。但对于小尺
寸的齿轮，压力角大易使齿顶变尖及刀尖宽度过小，并使齿轮端面重合度下降。因此，对于小负荷工作的齿轮，一般采用小压力角，可使齿轮运转平稳，噪声低。对于双曲面齿轮，从动齿轮轮齿两侧的压力角是相等的，但是主动齿轮轮齿两侧的压力角是不相等的。选取平均压力角时，乘用车为19°或20°，商用车为20°或22°33′。本设计是乘用车越野车，因此法向压力角为为20°。
2.4.3 主减速器准双曲面圆锥齿轮的集合计算
（1）大齿轮齿顶角2θ与齿根角2δ
标准收缩齿和双重收缩齿各有其优缺点，采用哪种收缩齿应按具体情况而定。双重收缩齿的优点在于能提高小齿轮粗切工序的效率。双重收缩齿的轮齿参数，其大、小齿轮根锥角的选定是考虑到用一把使用上最大的刀顶距的粗切刀。
表 2.1 主减速器锥齿轮的几何尺寸参数表