汽車用行星齒輪差速器的設(shè)計

馬云貴

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410132)

0 引言

汽車時常會遇到道路環(huán)境惡劣的情況，特別是在城市支路中更為常見。為了保證汽車具有良好的越野性能，越野汽車常常是使用多軸驅(qū)動的方法來確保其良好的越野性能［1］。若在汽車的前軸與后軸之間并沒有安裝差速器，而是采用剛性較大的接連機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，則在汽車運行過程當(dāng)中，理論上來講，其前輪與后輪之間會以相同的行進(jìn)速度工作［2］。而在實際情況中，因汽車前輪與后輪的氣壓不一致、汽車車身前后載荷不同等原因，尤其是在行進(jìn)道路條件惡劣的情況下，在相同的行進(jìn)時間里，其前輪與后輪所行進(jìn)的路徑長度一般都會存在差異，于是汽車的車輪會出現(xiàn)滑移或者滑轉(zhuǎn)等危險情況，以及引起功率循環(huán)［3］。

將差速器安置于汽車的驅(qū)動軸上，可以減輕甚至防止上述情況產(chǎn)生。目前常用的齒輪差速器雖可以減輕汽車滑移，但會使汽車的越野性能明顯下降，其原因是［4］:汽車的分動器以其差速器的傳動比來輸出扭矩，并將其分配于其驅(qū)動軸上，若其中一只輪胎出現(xiàn)滑移現(xiàn)象時，附著于該輪胎上的輸出力也會降低，其驅(qū)動力矩也降低，汽車其他車輪的驅(qū)動力矩也相應(yīng)地降低，從而使汽車的越野性能下降。

目前，國外已研發(fā)出了可實現(xiàn)變扭矩的分動器，而這類分動器可劃分為兩種形式［5］:被動控制類、主動控制類。(1)被動控制式的分動器常見的有黏性形式與高摩擦形式，當(dāng)前軸與后軸出現(xiàn)一定的轉(zhuǎn)速差時，以其內(nèi)部黏性力，或者其摩擦力來實現(xiàn)扭矩調(diào)節(jié)。(2)主動控制式的分動器，可以借助于傳感器來獲得道路路面以及汽車轉(zhuǎn)速等信息，經(jīng)處理器分析以后，來控制扭矩的輸出，進(jìn)而符合汽車的越野性能需要［6］。目前，在國產(chǎn)的一些越野型汽車上安裝使用的驅(qū)動分動器，基本上都是采用定扭矩分配形式，所采用的差速器基本上都是使用常規(guī)的行星齒輪來進(jìn)行傳動，沒有防滑的功能。

為了使前述問題得以解決，學(xué)者［4］設(shè)計了一種改進(jìn)的差速器，其將差速器中的齒輪采用非圓形的齒輪，也就是將常規(guī)的圓形齒輪差速器轉(zhuǎn)換成了非圓形齒輪的差速器，于是可以在保持分動器現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的同時，借助于齒輪傳動的變速比來實現(xiàn)扭矩的自動調(diào)節(jié)，使得汽車具有更好的越野性能。

在前面介紹的改進(jìn)的差速器中，其非圓形的齒輪、中心齒輪以及齒圈可實現(xiàn)很好的嚙合，其整體構(gòu)架緊湊、簡捷，同時也保存了原有分動器的框架，然而也存在一些不足的地方［7］:(1)該差速器具有一定的平差效應(yīng)，也就是在中心齒輪和行星齒輪之間具有最大傳動比的時候，不能確保行星齒輪和齒圈之間具有最小傳動比;同時在中心齒輪和行星齒輪之間具有最小傳動比的時候，不能確保行星齒輪和齒圈之間具有最大傳動比。(2)若想要在中心齒輪周邊多布置幾個行星齒輪來提升系統(tǒng)的承載能力，其實現(xiàn)難度極大，基本只能是理論上可實現(xiàn)，實際工程實踐可能性小。因而，本文設(shè)計出了一種改進(jìn)的雙聯(lián)的汽車用的齒輪差速器，將其用于汽車的分動器時，使得汽車前軸與后軸可實現(xiàn)變扭矩輸出，同時該差速器也具有良好的防滑性能，確保了汽車較好的越野性能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)為本文所設(shè)計的改進(jìn)的雙聯(lián)的汽車用齒輪的差速器傳動的原理圖，其主要由三部分構(gòu)成:(a)非圓形的中心齒輪;(b)雙聯(lián)的行星齒輪;(c)行星架H。

其中:1——非圓形的中心齒輪;2——非圓形的中心齒輪;3——雙聯(lián)行星齒輪;H——行星架;Ⅰ——扭矩輸出軸;Ⅱ——扭矩輸出軸。

動力與扭矩是由行星架H 端來實現(xiàn)輸入，而1#與2#非圓形中心齒輪與前輸出軸Ⅰ、后輸出軸Ⅱ?qū)崿F(xiàn)固定連接。當(dāng)齒輪之間具有一定的相對運動的情形出現(xiàn)時，前輸出軸Ⅰ與后輸出軸Ⅱ的傳動比是變化的，并且是以某一設(shè)定的變化規(guī)則運行的。于是在兩中心齒輪完全一致時，雙聯(lián)行星齒輪的外形也完全一致，只是相位差為90 度，且具有3 組，在中心齒輪周邊實現(xiàn)均勻布置。

分析系統(tǒng)傳動過程，可以得出其傳動比(扭矩輸出軸Ⅱ?qū)τ谂ぞ剌敵鲚SⅠ的傳動比)［8］:

其中:r1是1#齒輪節(jié)曲線半徑;r2是2#齒輪節(jié)曲線半徑;r31是與1#齒輪相嚙合部分的3#雙聯(lián)齒輪節(jié)曲線半徑;r32是與2#齒輪相嚙合部分的3#雙聯(lián)齒輪節(jié)曲線半徑;a3為行星齒輪的轉(zhuǎn)角;f(a3)是其轉(zhuǎn)角a3的函數(shù)。

輸入差速器的扭矩則會以方程(1)給出的傳動比形式，傳遞給前軸與后軸兩扭矩輸出軸，實現(xiàn)了扭矩的變比輸出。值得注意的是:該汽車用的差速器具有一定的自適應(yīng)功能，在安裝匹配完成以后，無需人工控制與操作，而是以汽車輪胎的實際滑移情況為依據(jù)，實現(xiàn)扭矩的自動調(diào)節(jié)。而其最大分配扭矩比則為該差速器的鎖緊系數(shù)。

2 齒輪設(shè)計

中心齒輪和行星齒輪之間的傳動比設(shè)計與差速器的性能息息相關(guān)，同時也是本文的研究中心，經(jīng)分析、研究，得到其傳動比:

其中:i31是3#齒輪和1#齒輪的傳動比;z1是中心齒輪齒數(shù);z3是行星齒輪齒數(shù);a1是中心齒輪轉(zhuǎn)角;c 是常數(shù)。

于是，3#齒輪和2#齒輪的傳動比為:

于是1#齒輪和3#齒輪節(jié)曲線方程:

同樣，2#齒輪和3#齒輪節(jié)曲線方程:

其中:a 是1#齒輪、2#齒輪和3#齒輪之間的嚙合距離。

3 實例論證

其設(shè)計參數(shù):c 取為0．3;z1取為18;z2取為18;z3取為12;借助于漸開線齒輪設(shè)計方法，進(jìn)行核算，其結(jié)果見圖2(a)、圖2(b)。

其所研制的樣機(jī)見圖3，其中1#齒輪、2#齒輪和3#齒輪之間的嚙合距離a 為100mm。其傳動比變化規(guī)律見圖4。

4 結(jié)論

(1)本文設(shè)計了一種改進(jìn)的汽車用差速器，對其傳動過程進(jìn)行了深入的分析，其借助于變速比效應(yīng)實現(xiàn)了扭矩的變比分配，具有很好的防滑性能，確保了汽車良好的越野性能。

(2)該差速器具有簡捷、緊湊的構(gòu)架，其兩中心齒輪外形一致，雙聯(lián)行星處理也具有相同的外形，其相位差為90 度，同時使用3 組齒輪，在中心齒輪周邊實現(xiàn)均勻布置。

(3)對于安裝有差速鎖的汽車，該差速器依舊具有效應(yīng)。在路面條件好的情況下，借助于差速器的防滑功能，可保證汽車的安全行駛;而在路面條件惡劣情況下，與差速鎖配合，使得汽車具有良好越野性能的同時，具有可靠的行駛安全性。

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［3］陳珂，殷國富，趙武．基于知識融合的汽車后橋差速器齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］．四川大學(xué)學(xué)報:工程科學(xué)版，2009，(4) :311～314．

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