賽車(chē)差速器端蓋設(shè)計(jì)與制造研究

陳春林，岑延清，劉琰，黃海峰

(1.上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.廣西工學(xué)院鹿山學(xué)院，廣西 柳州 545616）

根據(jù)賽車(chē)行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求和實(shí)際的車(chē)輪、道路以及它們之間的相互關(guān)系表明，賽車(chē)在行駛過(guò)程中，左右車(chē)輪在同一時(shí)間內(nèi)所滾過(guò)的行程往往是有差別的。例如，轉(zhuǎn)彎時(shí)外側(cè)車(chē)輪的行程總要比內(nèi)側(cè)的長(zhǎng)。另外，即使賽車(chē)作直線(xiàn)行駛，也會(huì)由于左右車(chē)輪在同一時(shí)間內(nèi)所滾過(guò)的路面垂向波形的不同，或由于左右車(chē)輪輪胎氣壓、輪胎負(fù)荷、胎面磨損程度的不同以及制造誤差等因素，引起左右車(chē)輪外徑不同或滾動(dòng)半徑不相等而導(dǎo)致車(chē)輪行程不等。在左右車(chē)輪行程不等的情況下，如果采用一根整體的驅(qū)動(dòng)車(chē)輪軸將動(dòng)力傳給左右車(chē)輪，則會(huì)由于左右驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速雖相等而行程卻又不同的這一運(yùn)動(dòng)學(xué)上的矛盾，引起某一驅(qū)動(dòng)車(chē)輪產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)或滑移。這不僅會(huì)使輪胎過(guò)早磨損、無(wú)益地消耗功率和燃料及使驅(qū)動(dòng)車(chē)輪軸超載等，還會(huì)因?yàn)椴荒馨此蟮乃矔r(shí)中心轉(zhuǎn)向而使操縱性變壞。此外，由于車(chē)輪與路面間尤其在轉(zhuǎn)彎時(shí)有大的滑轉(zhuǎn)或滑移，易使賽車(chē)在轉(zhuǎn)向時(shí)失去抗側(cè)滑能力而使穩(wěn)定性變壞。

為了消除由于左右車(chē)輪在運(yùn)動(dòng)學(xué)上的不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的這些弊病，可以在賽車(chē)左右驅(qū)動(dòng)輪間都裝有差速器，差速器保證了賽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋兩側(cè)車(chē)輪在行程不等時(shí)，具有以不同速度旋轉(zhuǎn)的特性，從而滿(mǎn)足了賽車(chē)行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求。賽車(chē)使用的差速器結(jié)構(gòu)型式為螺旋齒輪LSD，其結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 螺旋齒輪LSD差速器結(jié)構(gòu)示意圖

圖1所示的螺旋齒輪LSD差速器帶有與其它部件連接的螺栓孔，而目前我們?cè)O(shè)計(jì)的賽車(chē)使用的螺旋齒輪LSD差速器是從國(guó)外采購(gòu)回來(lái)的，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 目前正在使用的螺旋齒輪LSD差速器結(jié)構(gòu)示意圖

圖1與圖2螺旋齒輪LSD差速器的區(qū)別是：圖2上的螺旋齒輪LSD差速器無(wú)螺栓連接孔。所以我們需要在螺旋齒輪LSD差速器上加工制造出螺栓連接孔才能與其它部件連接，只有這樣才能發(fā)揮出螺旋齒輪LSD差速器在賽車(chē)上的作用和價(jià)值。

1 差速器端蓋的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)源由

圖2所采用的螺旋齒輪LSD差速器是總長(zhǎng)僅為200 mm的不等圓圓柱體組成的兩端小中間大的不規(guī)則體，通過(guò)M6螺栓與其它部件連接的差速器面最寬為19 mm，且僅有9 mm的寬度是平面，其余的是朝外傾角為40°的斜面，這樣特征的面占所有連接面的二分之一，另外的二分之一連接面為最窄的連接面，僅有9 mm的寬度，并且壁厚僅為3 mm。在差速器9 mm寬且非常薄的平面上均布鉆M6螺栓連接孔，螺栓連接孔會(huì)在一定程度上降低螺旋齒輪LSD差速器的強(qiáng)度，且會(huì)存在漏油的潛在失效模式。差速器連接面為圖3所示的剖面線(xiàn)表示區(qū)域。

所以，必須設(shè)計(jì)出能代替在螺旋齒輪LSD上鉆螺栓孔，且與螺旋齒輪LSD連為一體，并起到不影響螺旋齒輪LSD強(qiáng)度的過(guò)渡零件，這就是設(shè)計(jì)差速器端蓋的由來(lái)。

圖3 差速器連接面解析圖

1.2 解決方案

我們?cè)O(shè)計(jì)的差速器端蓋需要解決的技術(shù)問(wèn)題是：

（1）此端蓋能代替螺栓孔起到與差速器連接的作用且不影響差速器的強(qiáng)度。

（2）保證差速器在工作中不存在漏油現(xiàn)象。

解決上述技術(shù)問(wèn)題采取的技術(shù)方案是：采用差速器上現(xiàn)有的三個(gè)均布的圓弧面進(jìn)行配合，保證差速器端蓋與差速器裝拆方便且固定牢靠無(wú)軸向竄動(dòng)；在差速器端蓋上鉆螺栓連接孔作為與其它部件連接時(shí)用。

1.3 解決措施

針對(duì)以上技術(shù)上述方案提出的要求，具體的解決措施是：

（1）將差速器上的圓弧面進(jìn)行白光掃描測(cè)繪。

（2）將白光掃描形成的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成三維實(shí)體數(shù)模。

（3）按照差速器上三個(gè)均布的圓弧面進(jìn)行配合的要求，將差速器三維實(shí)體數(shù)模裝配到差速器端蓋三維實(shí)體數(shù)模上。

（4）抽取差速器上三個(gè)均布的圓弧面。

（5）用抽取到的差速器上圓弧面來(lái)修剪與之配合的差速器端蓋上的圓弧面。

（6）將修剪的差速器端蓋上的圓弧面進(jìn)行數(shù)控加工。

下圖4為按以上步驟要求完成的差速器端蓋的三維實(shí)體數(shù)模。

圖4 差速器端蓋三維實(shí)體數(shù)模

下圖5為差速器端蓋的二維尺寸標(biāo)注圖。

2 差速器端蓋的制造

圖5 差速器端蓋二維尺寸標(biāo)注圖

差速器端蓋采用45#鋼材進(jìn)行加工制造。差速器端蓋的制造工藝為：下料（160 mm×160 mm×26 mm）→粗車(chē)（差速器外表面）→精車(chē)（差速器外表面）→鉆孔→鉆圓孔倒角→去毛剌→數(shù)控加工圓弧面。

其中，數(shù)控加工圓弧面是差速器端蓋制造的核心工藝。為了保證差速器端蓋與差速器裝拆輕便且無(wú)卡滯現(xiàn)象，且裝配到位的差速器端蓋與差速器無(wú)軸向竄動(dòng)且連接牢靠無(wú)間隙，差速器端蓋圓弧面數(shù)控加工采用四道工步來(lái)完成：

（1）差速器端蓋圓弧面數(shù)控加工工步

此工步采用Φ6銑刀粗車(chē)下圖6所示剖面線(xiàn)表示的區(qū)域。

圖6 差速器端蓋圓弧面數(shù)控加工第一工步

（2）差速器端蓋圓弧面數(shù)控加工工步

此工步采用Φ6銑刀粗車(chē)下圖7所示的三個(gè)圓弧面：

圖7 差速器端蓋圓弧面數(shù)控加工第二工步

（3）差速器端蓋圓弧面數(shù)控加工工步。

此工步采用Φ4銑刀精車(chē)圖7所示的三個(gè)圓弧面。

（4）差速器端蓋圓弧面數(shù)控加工工步。

此工步采用Φ2銑刀精銑圖7所示的三個(gè)圓弧面，按照差速器端蓋圓弧面三維實(shí)體數(shù)模形狀要求加工成比原實(shí)體數(shù)模小0.04 mm的圓弧面。

經(jīng)過(guò)三道數(shù)控制造加工工步完成的差速器端蓋圓弧面表面粗糙度達(dá)到0.8。

下圖8所示為制造加工完成的差速器端蓋。

圖8 制造加工完成的差速器端蓋

3 實(shí)施驗(yàn)證

差速器端蓋安裝在差速器上的使用過(guò)程：

（1）將差速器豎起放在平面上，如圖9所示。

圖9 豎直放置的差速器

（2）將差速器端蓋套入差速器一端。

（3）將差速器端蓋上的圓弧面與差速器上的圓弧面的位置一一對(duì)齊。（見(jiàn)圖10（b））。

（4）將差速器端蓋輕輕放下就可保證圓弧面與差速器圓弧面完全接觸。（見(jiàn)圖10（a））。

圖10 裝配到位的差速器端蓋

此結(jié)構(gòu)已進(jìn)行實(shí)際操作驗(yàn)證，連接效果良好，使用方便可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

賽車(chē)差速器端蓋設(shè)計(jì)與制造研究的技術(shù)創(chuàng)新歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）采用差速器上現(xiàn)有的三個(gè)均布的圓弧面進(jìn)行配合，凹凸面的公差值為0.04 mm。

（2）在差速器端蓋上鉆螺栓連接孔作為與其它部件連接時(shí)用。

（3）轉(zhuǎn)矩傳遞平穩(wěn)，與差速器連接可靠，裝拆方便且無(wú)軸向竄動(dòng)。

（4）密封性好，不存在漏油潛在失效模式。