不對(duì)稱(chēng)式面齒輪差速器的構(gòu)造及原理

劉珂路， 任愛(ài)華， 孫國(guó)興， 孫傳瓊

(1 湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程系， 湖北 十堰 442002； 2 湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系， 湖北 十堰 442002)

全時(shí)(常接合式)四輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中需要裝置三個(gè)差速器[1-2]：在前后驅(qū)動(dòng)軸上各有一個(gè)輪間差速器，前后驅(qū)動(dòng)軸之間還有一個(gè)裝在分動(dòng)器內(nèi)的軸間差速器(中央差速器)．輪間差速器用于吸收左右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差和向左右驅(qū)動(dòng)輪分配相等的轉(zhuǎn)矩，通常采用對(duì)稱(chēng)式錐齒輪差速器[1-2]．軸間差速器用來(lái)吸收前后橋的轉(zhuǎn)速差以防止產(chǎn)生功率循環(huán)，并向前后橋按一定比率分配驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩．在正常情況下，四輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)在具有相同附著系數(shù)的路面上行駛時(shí)，前后輪附著力與前后橋軸荷成正比．因此，為保證汽車(chē)有足夠的驅(qū)動(dòng)力，提高其爬坡能力與行駛中的操縱穩(wěn)定性，軸間差速器的轉(zhuǎn)矩分配通常是與前后橋軸荷相適應(yīng)的，大多為不對(duì)稱(chēng)式(不等轉(zhuǎn)矩式)分配．常用的不對(duì)稱(chēng)式軸間差速器按其構(gòu)成型式有不對(duì)稱(chēng)式圓錐行星齒輪差速器、單行星式圓柱齒輪差速器和雙行星式圓柱齒輪差速器等三類(lèi)[1-3]，本文介紹一種由面齒輪傳動(dòng)構(gòu)成的新型不對(duì)稱(chēng)式軸間差速器．

1 面齒輪傳動(dòng)原理

面齒輪傳動(dòng)(Face Gear Drive)是一種圓柱齒輪與圓錐齒輪相嚙合的齒輪傳動(dòng)，可以應(yīng)用于兩輪軸線正交與非正交的場(chǎng)合．當(dāng)兩輪軸線正交(軸夾角等于90°)時(shí)，圓錐齒輪的輪齒分布在一個(gè)圓平面上，錐齒輪即成為面齒輪，從而泛稱(chēng)為面齒輪傳動(dòng)．面齒輪傳動(dòng)的原理如圖1所示[4]．面齒輪傳動(dòng)具有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于直升飛機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中[5]．

1-面齒輪； 2-直齒圓柱齒輪圖 1 面齒輪傳動(dòng)原理

2 面齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)

面齒輪傳動(dòng)與錐齒輪傳動(dòng)一樣，都是傳遞包含一定軸間交角的運(yùn)動(dòng)．相對(duì)于錐齒輪傳動(dòng)，面齒輪傳動(dòng)具有以下特點(diǎn)[5-6]：

1)小齒輪為圓柱齒輪，其軸間移動(dòng)產(chǎn)生的位置誤差對(duì)傳動(dòng)性能幾乎沒(méi)有影響，不需要防位錯(cuò)設(shè)計(jì)，不會(huì)引起嚴(yán)重的偏載現(xiàn)象，面齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝時(shí)間相對(duì)大大減少；

2)小齒輪采用直齒圓柱齒輪時(shí)，無(wú)軸向作用力，可以簡(jiǎn)化支撐，減輕重量，結(jié)構(gòu)更緊湊；

3)小齒輪為直齒圓柱齒輪，具有互換性；

4)面齒輪傳動(dòng)在理論上能夠保證定傳動(dòng)比傳動(dòng)，振動(dòng)和噪聲較低；

5)面齒輪具有統(tǒng)一的理論齒面，便于加工制造、檢測(cè)及維修；

6)重合度較大(可達(dá)2.0以上)，有利于增加傳動(dòng)的平穩(wěn)性、提高承載能力和使用壽命；

7)加工面齒輪要求刀具尺寸參數(shù)與實(shí)際嚙合的圓柱齒輪相同，這樣會(huì)增加刀具數(shù)量；

8)面齒輪的輪齒具有在半徑較大位置處產(chǎn)生齒頂變尖而在半徑小處產(chǎn)生根切的特殊現(xiàn)象，因此面齒輪的齒寬不能設(shè)計(jì)得太寬，傳動(dòng)強(qiáng)度因此受到限制．

3 不對(duì)稱(chēng)式面齒輪差速器的構(gòu)造

美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利US5472385和US2007167272分別公開(kāi)了一種由面齒輪傳動(dòng)組成的不對(duì)稱(chēng)式行星齒輪差速器，前者有6個(gè)直齒圓柱行星齒輪，后者只有2個(gè)直齒圓柱行星齒輪(圖2)．圓柱齒輪行星輪3同時(shí)與面齒輪大太陽(yáng)輪1和面齒輪小太陽(yáng)輪2相嚙合，行星輪軸4與差速器殼5連成一體形成行星架H，從而組成差動(dòng)輪系1―3―2―H．

1-面齒輪大太陽(yáng)輪； 2-面齒輪小太陽(yáng)輪；3-圓柱齒輪行星輪；4-行星輪軸；5-差速器殼； 6-差速器端蓋圖 2 不對(duì)稱(chēng)式面齒輪差速器的構(gòu)造

4 不對(duì)稱(chēng)式面齒輪軸間差速器的差動(dòng)條件

圖3a對(duì)應(yīng)圖2的構(gòu)造；圖3b則對(duì)應(yīng)圖2大太陽(yáng)輪與小太陽(yáng)輪互換位置后的構(gòu)造．在由太陽(yáng)輪1、行星輪3、太陽(yáng)輪2和行星架H組成的差動(dòng)輪系1-3-2-H中，三個(gè)基本構(gòu)件1、2和H的軸線重合，按周轉(zhuǎn)輪系傳動(dòng)比的計(jì)算公式可得[7]

(1)

由式(1)得

(2)

式中：ω0為差速器殼的角速度，差速器即行星架，且ω0=ωH．

式(2)即是不對(duì)稱(chēng)式面齒輪軸間差速器的差動(dòng)條件方程．

1-前傳動(dòng)軸面齒輪太陽(yáng)輪；2-后傳動(dòng)軸面齒輪太陽(yáng)輪；3-圓柱齒輪行星輪；4-行星架(行星輪軸-差速器殼組合件)圖 3 不對(duì)稱(chēng)式面齒輪軸間差速器的機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)矩分配示意圖

5 不對(duì)稱(chēng)式面齒輪軸間差速器的轉(zhuǎn)矩分配

圖3中由變速器輸入差速器的轉(zhuǎn)矩T0，經(jīng)差速器殼-行星輪軸(即行星架H)傳至行星齒輪3后，再分兩路分別傳給前傳動(dòng)軸面齒輪太陽(yáng)輪1輸出轉(zhuǎn)矩T1和后傳動(dòng)軸面齒輪太陽(yáng)輪2輸出轉(zhuǎn)矩T2．圓柱齒輪行星輪3相當(dāng)于一個(gè)等臂杠桿，因此由行星輪3分別作用于前、后傳動(dòng)軸面齒輪1和2上的圓周力Ft1與Ft2的大小相等(忽略摩擦阻力的影響，F(xiàn)t1=Ft2=Ft)，圓周力Ft(Ft1、Ft2)的方向垂直于圖3紙面．根據(jù)力系平衡條件可求得T1、T2和T0之間的關(guān)系如下[8]：

(3)

T1+T2=T0;

(4)

(5)

(6)

式(5)和式(6)即是不對(duì)稱(chēng)式面齒輪軸間差速器的轉(zhuǎn)矩分配方程．

6 結(jié)束語(yǔ)

面齒輪傳動(dòng)有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，而面齒輪存在加工刀具數(shù)量多和齒寬受到限制的不足之處將隨著加工制造技術(shù)的進(jìn)步而得以彌補(bǔ)．通過(guò)不對(duì)稱(chēng)式面齒輪軸間差速器的轉(zhuǎn)矩分配分析得出其轉(zhuǎn)矩分配比率即是前后傳動(dòng)軸面齒輪兩平均半徑的比值R1/R2．由于這種差速器從設(shè)計(jì)上易于調(diào)整兩個(gè)面齒輪的半徑大小來(lái)滿足所需的轉(zhuǎn)矩分配比率，同時(shí)又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的特點(diǎn)，因此，不對(duì)稱(chēng)式面齒輪差速器與通常采用的不對(duì)稱(chēng)式圓柱齒輪差速器相比，更適合于全時(shí)四輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的軸間差速器，具有很好的應(yīng)用前景．

[參考文獻(xiàn)]

[1] 汽車(chē)工程手冊(cè)編輯委員會(huì).汽車(chē)工程手冊(cè).基礎(chǔ)篇[M].北京:人民交通出版社,2001:171.

[2] 劉惟信.汽車(chē)車(chē)橋設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:378.

[3] 陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造(下冊(cè))[M].第二版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:136.

[4] 姬存強(qiáng),魏冰陽(yáng),鄧效忠,等.正交面齒輪的設(shè)計(jì)與插齒加工試驗(yàn)[J].機(jī)械傳動(dòng),2010,34(2):58-61.

[5] 王 志,石照耀.面齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)及研究進(jìn)展[J].工具技術(shù),2009,43(10):10-14.

[6] 姜雄濤.平面齒輪滾齒加工[J].金屬加工冷加工,2010(14):33-34.

[7] 鄭文緯,吳克堅(jiān).機(jī)械原理[M].第七版.北京:高等教育出版社,1997:245-246.

[8] 南京工學(xué)院,西安交通大學(xué).理論力學(xué)(上冊(cè))[M].北京:人民教育出版社,1979:155-156.