變速比限滑差速器端曲面齒輪副限滑原理研究

王白王　馬鵬

摘 要 為改善非圓錐齒輪副限滑差速器的缺陷，在總結(jié)變速比限滑差速器的研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，通過(guò)分析差速器的工作原理，說(shuō)明非圓錐齒輪副限滑原理。通過(guò)對(duì)比端曲面齒輪副和非圓錐齒輪副的特點(diǎn)，說(shuō)明端曲面齒輪副限滑原理，從而證明端曲面齒輪副可以在限滑差速器中替代非圓錐齒輪副的作用。

關(guān)鍵詞 變速比限滑差速器 端曲面齒輪副 限滑原理

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1概述

1.1研究背景

普通差速器對(duì)于經(jīng)常行駛在平坦道路的汽車來(lái)說(shuō)，其性能已經(jīng)能夠滿足正常使用要求。但軍用汽車要經(jīng)常在泥濘路面、松軟路面、冰雪路面、甚至無(wú)路等惡劣路況下行駛，這樣將可能出現(xiàn)路面與汽車左右驅(qū)動(dòng)輪之間的附著條件相差過(guò)大，其中一側(cè)驅(qū)動(dòng)輪將無(wú)法從滑動(dòng)中脫出的情況，導(dǎo)致差速器不能正常使用。為解決上述問(wèn)題，需要使用具有限滑功能的差速器，使得左右驅(qū)動(dòng)輪分配的扭矩不同，以此增加汽車牽引力，保證軍用汽車具備良好的越野通過(guò)能力，以便為部隊(duì)快速機(jī)動(dòng)提供有力保障。

課題組針對(duì)軍用汽車差速器對(duì)限滑功能的需求，研制出一種新型變速比限滑差速器。該差速器雖然經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，但是仍然存在一些缺點(diǎn)沒(méi)有攻克：例如非圓錐齒輪設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，以現(xiàn)有的理論和方法計(jì)算繁瑣；現(xiàn)階段非圓錐齒輪還沒(méi)有統(tǒng)一的加工方法，加工成本較高，而且無(wú)法進(jìn)行齒面精加工，導(dǎo)致不能將新型變速比限滑差速器應(yīng)用于轎車中；作為小齒輪的行星齒輪端面有一定錐度，在端面上設(shè)計(jì)行星齒輪軸孔時(shí)，軸孔和齒根的最短距離不足2mm，削弱了齒根強(qiáng)度；在重型車輛上進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)時(shí)，半軸齒輪和行星齒輪強(qiáng)度不足，導(dǎo)致部分輪齒發(fā)生斷齒現(xiàn)象等。綜上所述，新型變速比限滑差速器存在的主要缺點(diǎn)大都是由于現(xiàn)階段非圓錐齒輪副自身的缺陷造成的，因此能否突破非圓錐齒輪副的限制，尋找可替代的齒輪副作為核心構(gòu)件，對(duì)進(jìn)一步提升新型變速比限滑差速器的性能具有重要意義。

1.2研究意義

端曲面齒輪副是一種新型的空間齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它由一個(gè)非圓柱齒輪和一個(gè)端曲面齒輪組成，運(yùn)動(dòng)學(xué)方面具有和非圓錐齒輪副相近的特性，可以傳遞相交軸的變傳動(dòng)比與動(dòng)力，在許多場(chǎng)合能夠替代非圓錐齒輪副進(jìn)行傳動(dòng)，相比非圓錐齒輪副主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)方便。端曲面齒輪副中的小齒輪是非圓柱齒輪，其設(shè)計(jì)方法成熟，能有效降低齒輪副的設(shè)計(jì)和計(jì)算難度。

（2）加工方便。非圓柱齒輪的加工方法較為成熟，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的批量生產(chǎn)；端曲面齒輪可以通過(guò)設(shè)計(jì)專門(mén)的非圓柱齒輪刀具加工，也能夠運(yùn)用滾刀或者齒條刀具加工，相對(duì)非圓錐齒輪副加工成本能夠有效降低。

（3）非圓柱齒輪作為行星齒輪。與非圓錐齒輪相比，非圓柱齒輪端面是一個(gè)圓面，因此在端面上設(shè)計(jì)行星齒輪軸孔時(shí)，軸孔距齒根部最短距離將增大，不會(huì)影響齒根強(qiáng)度。

（4）對(duì)軸向誤差不敏感。非圓柱齒輪軸向齒廓均相同，因此軸向的裝配誤差不會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)產(chǎn)生較大的沖擊和波動(dòng)。

因此設(shè)計(jì)出能滿足變速比限滑差速器使用要求的端曲面齒輪副，對(duì)提升軍用汽車越野通過(guò)能力具有一定的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1.3研究現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)，從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，變速比限滑差速器的相關(guān)研究陸續(xù)展開(kāi)，迄今為止取得了一系列的研究成果。1990年，西安交通大學(xué)王小椿教授首先在圓錐齒輪的基礎(chǔ)上，通過(guò)修改齒廓實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比以周節(jié)為周期的小幅度波動(dòng)，研制出一種單周節(jié)變速比限滑差速器；該差速器主要存在兩點(diǎn)缺陷：一是傳動(dòng)比的變化幅度較小，無(wú)法滿足汽車越野行駛的要求；二是傳動(dòng)比的變化周期過(guò)短，容易產(chǎn)生沖擊。經(jīng)過(guò)不斷的研究改進(jìn)，王小椿教授于2001年研制出一種三周節(jié)變速比限滑差速器，該差速器利用兩半軸齒輪之間傳動(dòng)比的周期性變化給差動(dòng)運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)勢(shì)壘，顯著增大了差速器的鎖緊系數(shù)，縮短了車輛制動(dòng)距離，提升了車輛牽引力。2003年，軍事交通學(xué)院賈巨民教授及其團(tuán)隊(duì)提出了一種利用保測(cè)地曲率映射原理設(shè)計(jì)非圓錐齒輪的方法，并基于該方法設(shè)計(jì)出一種非圓錐齒輪副變速比限滑差速器；該差速器可以在不改變圓錐齒輪差速器總體結(jié)構(gòu)情況下，依靠齒輪傳動(dòng)的變速比效應(yīng)增大其鎖緊系數(shù)，使得傳動(dòng)比變化周期不受單周節(jié)限制，變化范圍能夠顯著增大，克服了三周節(jié)變速比限滑差速器傳動(dòng)比變化周期短、變化范圍小、容易造成脈動(dòng)和沖擊的缺陷，提高了汽車的越野通過(guò)能力。在此差速器基礎(chǔ)上，2012年賈巨民教授又提出一種新型非圓錐齒輪限滑差速器，該差速器有兩個(gè)行星齒輪，兩個(gè)半軸齒輪，對(duì)稱安裝，行星齒輪轉(zhuǎn)一圈為一個(gè)周期，半軸齒輪轉(zhuǎn)一圈為兩個(gè)周期，克服了周節(jié)與齒數(shù)的限制，能夠最大限度地提高傳動(dòng)比的變化范圍（達(dá)到€？0%），顯著增大了差速器的鎖緊系數(shù)，進(jìn)一步提升了差速器的限滑能力。2016年賈巨民團(tuán)隊(duì)成員陳雨青利用螺旋錐齒輪的基本理論設(shè)計(jì)出一種螺旋非圓錐齒輪副，并將其應(yīng)用在變速比限滑差速器中作為核心構(gòu)件替代直齒非圓錐齒輪副，通過(guò)理論計(jì)算和相關(guān)試驗(yàn)表明螺旋非圓錐齒輪副應(yīng)用在差速器領(lǐng)域具有可行性，而且相比直齒非圓錐齒輪副具有更好的嚙合性能。

2限滑原理

2.1差速器工作原理

圖1所示為差速器原理簡(jiǎn)圖。在汽車行駛過(guò)程中，假設(shè)行星齒輪軸對(duì)行星齒輪的作用力為F，左半軸齒輪對(duì)行星齒輪作用的力為F1，產(chǎn)生的扭矩為T(mén)'1，右半軸齒輪對(duì)行星齒輪的力為F2，產(chǎn)生的扭矩為T(mén)'2，其中：

（1）

對(duì)行星齒輪進(jìn)行受力分析，因?yàn)樾行驱X輪處于平衡狀態(tài)，因此有

（2）

由牛頓第三定律可知行星齒輪會(huì)分別對(duì)左右半軸齒輪產(chǎn)生大小相等、方向相反的作用力F'1和F'2

對(duì)左半軸齒輪進(jìn)行受力分析，其受到的扭矩為

T1=F'1€譒左 （3）

對(duì)右半軸齒輪進(jìn)行受力分析，其受到的扭矩為

T2=F'2€譒右 （4）

由行星齒輪與半軸齒輪的傳動(dòng)規(guī)律可以得到：endprint

（5）

因此在不考慮內(nèi)摩擦的情況下，差速器的理論鎖緊系數(shù)

（6）

在普通差速器中，由于i2/i1=1，因此其幾乎不具備變扭矩分配的能力。在變速比限滑差速器中，i2/i1是根據(jù)行星齒輪的自轉(zhuǎn)而呈周期性變化的，使得變速比限滑差速器左右半軸齒輪分配的扭矩也是周期性變化的，從而起到限滑作用。在實(shí)際應(yīng)用中，由于差速器的齒輪副之間還存在內(nèi)摩擦，因此變速比限滑差速器的實(shí)際鎖緊系數(shù)將比理論鎖緊系數(shù)更大。

2.2非圓錐齒輪副限滑原理

當(dāng)非圓錐齒輪副限滑差速器處于平衡位置時(shí)，L1=L2、L左=L右，因此不進(jìn)行差速，左右半軸齒輪分配的扭矩相同。當(dāng)左側(cè)車輪速度大于右側(cè)車輪時(shí)，行星齒輪就會(huì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由于非圓錐齒輪副的特殊齒形，將使得L1>L2、L右>L左，導(dǎo)致左側(cè)車輪扭矩變小，右側(cè)車輪扭矩變大。當(dāng)右側(cè)車輪速度大于左側(cè)車輪時(shí)，同理可得行星齒輪會(huì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使得左側(cè)車輪扭矩變大，右側(cè)車輪扭矩變小。

2.3端曲面齒輪副限滑原理

通過(guò)上文的分析可以看出，非圓錐齒輪限滑差速器是通過(guò)非圓錐齒輪副特殊的齒形，使得快轉(zhuǎn)輪上行星齒輪力臂增大，半軸齒輪受力減小、同時(shí)力臂變短；與此同時(shí)，慢轉(zhuǎn)輪上的行星齒輪力臂變短，半軸齒輪受力增大、同時(shí)力臂變長(zhǎng)；這樣將使得快轉(zhuǎn)輪上分配的扭矩變小，慢轉(zhuǎn)輪上分配的扭矩變大，從而起到限滑作用。

如圖2所示是將端曲面齒輪副作為差速器核心構(gòu)件時(shí)齒輪副位置示意圖。從圖中可以看出，如果將非圓柱齒輪作為行星齒輪，端曲面齒輪作為半軸齒輪，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)行星齒輪力臂和半軸齒輪受力的周期性變化，因此只要選擇合適的傳動(dòng)比，端曲面齒輪副可以運(yùn)用在變速比限滑差速器中替代非圓錐齒輪副的作用。

3結(jié)語(yǔ)

（1）分析了變速比限滑差速器的研究背景，闡述了變速比限滑差速器端曲面齒輪副的研究意義，總結(jié)了變速比限滑差速器的研究現(xiàn)狀。

（2）從差速器的工作原理入手，分析了非圓錐齒輪副限滑差速器的限滑原理。在此基礎(chǔ)上，從齒形的角度說(shuō)明了端曲面齒輪副可以替代非圓錐齒輪副，因此設(shè)計(jì)變速比限滑差速器端曲面齒輪副是可行的。

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