越野汽車新型變速比差速器的研究

賈巨民 高 波 索文莉 孫愛麗

軍事交通學院，天津，300161

0 引言

越野汽車要經常在泥濘、松軟路面甚至無路地區(qū)行駛，通過性是其最重要的性能指標之一。差速器作為汽車的重要部件，其作用是在兩輸出軸間分配轉矩，并保證兩輸出軸有可能以不同角速度轉動，其形式與性能直接關系到整車的通過性。

目前，我國越野汽車驅動橋還普遍采用對稱圓錐齒輪差速器，其兩半軸齒輪大小相同，可將轉矩大致平均分配給左右驅動輪。當汽車在好路上行駛時，這樣的分配無論對于直線行駛還是轉彎行駛都是滿意的，但當一側車輪處于附著系數(shù)很小的滑溜地面時，盡管另一側車輪與地面有良好的附著，也無法發(fā)揮潛在的牽引力，致使汽車無法行駛。

解決上述問題的途徑是采用防滑差速裝置，增大鎖緊系數(shù)。常用的方法主要有［1-2］：

（1）采用差速鎖。當一個車輪處于附著力較小的路面時，可操縱差速鎖將差速器殼與半軸鎖緊在一起，使差速器不起差速作用，此時的鎖緊系數(shù)為無窮大，這樣可充分利用左右輪的附著力，使牽引力達到可能的最大值。汽車行駛中駛入難行路段前，可操縱差速鎖將差速器鎖住，駛過難行路段后，應及時將差速鎖松開，以避免出現(xiàn)因無差速作用帶來的不良后果。

（2）摩擦式差速器。其原理是利用差速器內機械元件的內摩擦力來增加鎖緊系數(shù)。這種差速器結構復雜，加工精度要求高，易磨損。由于需對驅動橋體結構做較大改動，故一般無法在已定型的車輛上安裝，其適用范圍受到限制。

（3）自由輪式差速器。自由輪式差速器根據(jù)左右車輪的轉速差進行工作，使左右半軸扭矩互無影響。當一側車輪打滑時，它能自動地將快轉驅動車輪的半軸與差速器分開，讓快轉輪自由轉動，并將全部扭矩都傳給慢轉驅動車輪。缺點是結構復雜，磨損和沖擊比較嚴重。

（4）變速比差速器。差速器錐齒輪副若采用變傳動比，則能在不改變驅動橋總體結構的前提下，依靠變傳動比傳動的勢壘效應增大其鎖緊系數(shù)，提高車輛的越野通過性。

基于上述研究，本文提出一種新的傳動形式，行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)之比為1∶2，行星齒輪轉一圈為一個變化周期，半軸齒輪轉一圈為2個變化周期，一個差速器內有2個半軸齒輪，2個行星齒輪，對稱安裝。顯然，這種新的傳動形式的傳動比變化周期已達極限，可以獲得最大的傳動比變化范圍，從而獲得更大的鎖緊系數(shù)，進一步提高車輛的越野通過能力。

1 結構形式與嚙合原理

圖1為新型差速器結構示意圖。

圖1 差速器結構

圖2所示為行星齒輪與半軸齒輪傳動關系，顯然有

圖2 行星齒輪與半軸齒輪傳動

傳動比

式中，φ1、φ2分別為行星齒輪與半軸齒輪轉角；δ1、δ2分別為行星齒輪與半軸齒輪節(jié)錐角。

對于定傳動比傳動，δ1、δ2均為定值，其運動相當于一對節(jié)圓錐的純滾動；而對于變傳動比傳動，δ1、δ2變成φ1（或φ2）的函數(shù)，其運動相當于一對非圓節(jié)錐的純滾動。

本文選用的傳動比規(guī)律表達式為

圖3 非圓節(jié)錐

2 設計與計算方法

2.1 節(jié)曲線

文獻［5］給出的設計計算方法仍然適用于本文節(jié)曲線的設計，即應用保測地曲率的映射原理，首先將球面節(jié)曲線映射到平面上，即保證

式中，κg為球面曲線的測地曲率；κr為平面曲線的相對曲率。

球面曲線的測地曲率可表示為

式中，τ為球面曲線和經線的交角；s為節(jié)曲線弧長。

映射后得到的平面曲線表達式為

式中，s0、s1、ψ0、x0、y0為系數(shù)，由邊界條件確定。

按上述方法獲得的平面映射節(jié)曲線如圖4所示。

圖4 球面節(jié)曲線在平面上伸展－－映射節(jié)曲線

非圓錐齒輪副的嚙合傳動相當于圖4中節(jié)曲線的純滾動。

2.2 平面齒輪齒形

進一步，以平面映射節(jié)曲線為基礎，可以進行齒形研究。下面以漸開線齒形為例進行說明。

如圖5所示，先看右齒形，齒輪節(jié)曲線已給出，a為其上一點，則齒形上相應點b的方程可表示為［6］

式中，ra為節(jié)曲線a點處的矢徑；lab為齒形上b點的法矢量。

圖5 齒形計算原理

根據(jù)齒形法線法原理，有

式中，αn為齒條刀具齒形角。

從圖4的形成原理可知

即節(jié)曲線上任一點的切線方向t與x軸的夾角為ψ，再根據(jù)漸開線齒形加工原理，則矢量lab與x軸的夾角為（αn＋ψ），代入式（8）即得右齒形方程：

同理，可得出左齒形方程：

將上述方法用于配對齒輪，即可求出對應齒槽齒形。上述方法不限于漸開線齒形。

以平面映射節(jié)曲線和平面齒輪齒形為基礎，可以進一步借助平面非圓齒輪傳動的有關原理進行非圓錐齒輪傳動的重合度、根切和壓力角等有關內容的研究，其設計制造原理與技術亦可借鑒。

設計完成的平面齒形還需要映射到球面上，從而形成三維實體，文獻［5］給出了映射原理與計算方法。

3 實例

圖6系筆者為某車型研制的差速器，z1＝9，z2＝18，齒形選用漸開線，壓力角αn＝25°，傳動比按式（3）選取。圖7為加工出的齒輪樣件。

圖6 差速器齒輪傳動實體模型

圖7 差速器齒輪樣件

將新差速器裝在驅動橋中進行了臺架試驗，如圖8所示，結果表明，新差速器的實際鎖緊系數(shù)達到了3.15，可以顯著提高車輛的越野通過能力。實車分離路面牽引力試驗也驗證了上述結論。

圖8 臺架試驗

4 結論

（1）提出了一種新型變速比差速器，行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)之比為1∶2，傳動比以行星齒輪轉一圈為一個變化周期，將變速比的思想發(fā)揮到了極致。

（2）給出了這種差速器錐齒輪的設計原理與方法，包括節(jié)錐與節(jié)曲線、平面映射原理和齒形設計原理，并進行了實例驗證。

（3）試驗結果表明，新型差速器達到了設計預期，鎖緊系數(shù)達到3.15，可以顯著提高車輛的越野通過性。

［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］王小椿，吳序堂，彭煒.高性能變傳動比差速器的研究［J］.西安交通大學學報，1990，24（2）：1-8.

［4］賈巨民，高波，喬永衛(wèi)，越野汽車變傳動比差速器的研究［J］.汽車工程，2003，25（5）：498-500.

［5］賈巨民，高波，趙德龍.基于保測地曲率映射的非圓錐齒輪傳動設計分析方法［J］.機械工程學報，2008，44（4）：53-57.

［6］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(yè)出版社，1983.