越野汽車雙聯非圓行星齒輪差速器的研究

賈巨民 高 波

軍事交通學院，天津，300161

0 引言

越野汽車經常在壞路或無路地區行駛，為提高其越野通過性，一般采用多軸驅動。若前后軸之間未裝軸間差速器而呈剛性連接，則當汽車行駛時，前后車輪將以同樣的角速度旋轉。但在實際使用中，由于輪胎氣壓、載荷不盡一致，特別是在不平路面上行駛時，前后車輪在單位時間內所通過的行程不相等，從而引起車輪的滑轉或滑移，造成功率循環[1-2]。

在驅動軸之間安裝差速器可避免上述現象，但普通的齒輪差速器會顯著降低車輪的通過性，其原因在于分動器輸出扭矩按差速器傳動比定比地分配給各輸出軸，當其中一軸車輪打滑時，該軸車輪附著力減小，驅動力隨之減小，其他軸的驅動力也隨之按比例減小，導致車輛通過性降低。

為此，國外開發了變扭矩分配式分動器[1-2]，該分動器分為被動控制式和主動控制式兩種，前者有黏性式和高摩擦式，當前后輸出軸存在轉速差時會依靠內部黏性或摩擦阻力調整扭矩分配；后者一般為電子控制式，能根據傳感器測得的路面、轉速等信息經綜合處理后控制扭矩分配，以適應車輛的越野通過性要求。

目前國內越野車上采用的全時驅動分動器幾乎均為定扭矩分配比式，其中的差速器采用普通的圓柱行星齒輪傳動，基本不具備防滑功能。

為解決上述問題，文獻[3]提出了一種新型差速器概念模型，指出：如將組成差速器的三個齒輪改成非圓齒輪，即將差速器變成非圓行星齒輪差速器，則有可能不用改變分動器總體結構，依靠傳動的變速比效應自動調整輸出軸的轉矩分配，從而改善車輛的越野通過性。

上述模型中，非圓行星齒輪同時與中心輪和齒圈嚙合，結構簡單、緊湊，對原分動器改動小，但也存在兩點不足：一是存在平差效應，即無法保證行星齒輪與中心輪傳動比最大位置剛好是行星齒輪與齒圈傳動比最小位置，反之，也無法保證行星齒輪與中心輪傳動比最小位置剛好是行星齒輪與齒圈傳動比最大位置；二是很難在中心輪圓周均布多個行星輪用于提高承載能力并實現均載。

為此，本文提出一種新型雙聯非圓行星齒輪差速器。該差速器應用于越野汽車分動器中，可以實現兩輸出軸扭矩變比例分配，從而實現差速器的防滑功能，改善車輛的越野通過性。

1 結構原理

圖1為新型雙聯非圓行星齒輪差速器傳動示意圖，它主要由非圓中心輪1、非圓中心輪2、雙聯非圓行星齒輪3、行星架H等組成。運動及動力由行星架H輸入，非圓中心輪1、2分別與前后輸出軸Ⅰ、Ⅱ固連，當齒輪間存在相對運動時，前后兩根輸出軸Ⅰ、Ⅱ的傳動比不是定值，而是按照設定的規律周期變化。兩個中心齒輪結構完全相同，雙聯行星齒輪形狀一致，相位相差90°，共有三組，繞中心齒輪均布。

(a)雙聯齒輪機構原理圖

(b)輸出軸Ⅰ端齒輪1、3節曲線

(c)輸出軸Ⅱ端齒輪2、3節曲線H-行星架(輸入軸) Ⅰ、Ⅱ—輸出軸1.非圓中心輪 2.非圓中心輪 3.雙聯非圓行星輪圖1 雙聯非圓行星齒輪差速器傳動示意圖

分析傳動原理，可得該差速器轉化機構傳動比(輸出軸Ⅱ相對于輸出軸Ⅰ)：

(1)

式中，r1為非圓齒輪1的節曲線半徑；r2為非圓齒輪2的節曲線半徑；r31為與齒輪1嚙合的雙聯齒輪3的節曲線半徑；r32為與齒輪2嚙合的雙聯齒輪3的節曲線半徑；f(φ3)為行星齒輪轉角φ3(繞自身軸線)的周期函數。

差速器輸入扭矩將按上述傳動比規律成比例地分配給前后兩個輸出軸，從而實現變扭矩分配。

需要特別說明的是，非圓行星齒輪差速器在功能方面具有自適應性，即裝配好后，不再需要人工干預，而是根據不同車軸上車輪打滑狀況自動調節輸出扭矩分配，其輸出扭矩之比的最大值稱為鎖緊系數[2]。

2 非圓齒輪傳動設計

行星齒輪與中心齒輪的傳動比規律設計直接關系到差速器的使用性能，也是整個研究工作的出發點與歸宿，本文經研究給出如下傳動比公式：

(2)

式中，i31為行星齒輪3與中心齒輪1的傳動比；z1、z3分別為中心齒輪和行星齒輪的齒數；φ1為中心齒輪轉角；c為設計常數。

顯然，行星齒輪3與中心齒輪2的傳動比可表示為

(3)

則齒輪1與齒輪3的節曲線方程可表示為[4]

(4)

同理，齒輪2與齒輪3的節曲線方程為

(5)

式中，a為齒輪1、2與齒輪3的嚙合中心距。

3 示例

(a)輸出軸Ⅰ端齒輪1、3齒形

(b)輸出軸Ⅱ端齒輪2、3齒形圖2 齒形計算結果

圖3 新型差速器原理樣機

1.非圓行星齒輪差速器 2.圓柱行星齒輪差速器圖4 前后輸出軸傳動比

4 結論

(1)提出了一種新型非圓行星齒輪差速器，并進行了傳動原理分析，該差速器可以依靠傳動的變速比效應自動調整輸出扭矩的分配，實現防滑功能，改善車輛的越野通過性。

(2)差速器結構緊湊，兩個非圓中心齒輪形狀完全相同；雙聯非圓行星齒輪形狀一致，相位相差90°，采用三組雙聯行星齒輪實現均載，加工、裝配工藝性好。

(3)對于裝有差速鎖的車輛，本文提出的差速器仍然適用，在不太惡劣的路面上，依靠差速器本身的防滑功能基本夠用，在特別惡劣的路面上再使用差速鎖，可以做到優勢互補。

[1] 汽車工程手冊編輯委員會．汽車工程手冊[M]．北京：人民交通出版社，2002．

[2] 劉惟信．汽車車橋設計[M]．北京：清華大學出版社，2004．

[3] 賈巨民，高波．越野汽車分動器非圓行星差速器概念模型[J]．中國機械工程,2008，19(24)：3003-3005．

[4] 李福生，尹種芳，張遵連，等．非圓齒輪與特種齒輪傳動設計[M]．北京：機械工業出版社,1983．