賈巨民 高 波 索文莉 孫愛麗

軍事交通學(xué)院，天津，300161

0 引言

越野汽車要經(jīng)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(biāo)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(zhuǎn)矩，并保證兩輸出軸有可能以不同角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，其形式與性能直接關(guān)系到整車的通過性。

目前，我國越野汽車驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)矩大致平均分配給左右驅(qū)動(dòng)輪。當(dāng)汽車在好路上行駛時(shí)，這樣的分配無論對于直線行駛還是轉(zhuǎn)彎行駛都是滿意的，但當(dāng)一側(cè)車輪處于附著系數(shù)很小的滑溜地面時(shí)，盡管另一側(cè)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(dāng)一個(gè)車輪處于附著力較小的路面時(shí)，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(shí)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?fàn)恳_(dá)到可能的最大值。汽車行駛中駛?cè)腚y行路段前，可操縱差速鎖將差速器鎖住，駛過難行路段后，應(yīng)及時(shí)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(nèi)機(jī)械元件的內(nèi)摩擦力來增加鎖緊系數(shù)。這種差速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高，易磨損。由于需對驅(qū)動(dòng)橋體結(jié)構(gòu)做較大改動(dòng)，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(zhuǎn)速差進(jìn)行工作，使左右半軸扭矩互無影響。當(dāng)一側(cè)車輪打滑時(shí)，它能自動(dòng)地將快轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)車輪的半軸與差速器分開，讓快轉(zhuǎn)輪自由轉(zhuǎn)動(dòng)，并將全部扭矩都傳給慢轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)車輪。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，磨損和沖擊比較嚴(yán)重。

（4）變速比差速器。差速器錐齒輪副若采用變傳動(dòng)比，則能在不改變驅(qū)動(dòng)橋總體結(jié)構(gòu)的前提下，依靠變傳動(dòng)比傳動(dòng)的勢壘效應(yīng)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(dòng)形式，行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)之比為1∶2，行星齒輪轉(zhuǎn)一圈為一個(gè)變化周期，半軸齒輪轉(zhuǎn)一圈為2個(gè)變化周期，一個(gè)差速器內(nèi)有2個(gè)半軸齒輪，2個(gè)行星齒輪，對稱安裝。顯然，這種新的傳動(dòng)形式的傳動(dòng)比變化周期已達(dá)極限，可以獲得最大的傳動(dòng)比變化范圍，從而獲得更大的鎖緊系數(shù)，進(jìn)一步提高車輛的越野通過能力。

1 結(jié)構(gòu)形式與嚙合原理

圖1為新型差速器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 差速器結(jié)構(gòu)

圖2所示為行星齒輪與半軸齒輪傳動(dòng)關(guān)系，顯然有

圖2 行星齒輪與半軸齒輪傳動(dòng)

傳動(dòng)比

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

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

本文選用的傳動(dòng)比規(guī)律表達(dá)式為

圖3 非圓節(jié)錐

2 設(shè)計(jì)與計(jì)算方法

2.1 節(jié)曲線

文獻(xiàn)［5］給出的設(shè)計(jì)計(jì)算方法仍然適用于本文節(jié)曲線的設(shè)計(jì)，即應(yīng)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(jīng)線的交角；s為節(jié)曲線弧長。

映射后得到的平面曲線表達(dá)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(dòng)相當(dāng)于圖4中節(jié)曲線的純滾動(dòng)。

2.2 平面齒輪齒形

進(jìn)一步，以平面映射節(jié)曲線為基礎(chǔ)，可以進(jìn)行齒形研究。下面以漸開線齒形為例進(jìn)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(diǎn)，則齒形上相應(yīng)點(diǎn)b的方程可表示為［6］

式中，ra為節(jié)曲線a點(diǎn)處的矢徑；lab為齒形上b點(diǎn)的法矢量。

圖5 齒形計(jì)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(diǎn)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(yīng)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(chǔ)，可以進(jìn)一步借助平面非圓齒輪傳動(dòng)的有關(guān)原理進(jìn)行非圓錐齒輪傳動(dòng)的重合度、根切和壓力角等有關(guān)內(nèi)容的研究，其設(shè)計(jì)制造原理與技術(shù)亦可借鑒。

設(shè)計(jì)完成的平面齒形還需要映射到球面上，從而形成三維實(shí)體，文獻(xiàn)［5］給出了映射原理與計(jì)算方法。

3 實(shí)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(dòng)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(dòng)實(shí)體模型

圖7 差速器齒輪樣件

將新差速器裝在驅(qū)動(dòng)橋中進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，如圖8所示，結(jié)果表明，新差速器的實(shí)際鎖緊系數(shù)達(dá)到了3.15，可以顯著提高車輛的越野通過能力。實(shí)車分離路面牽引力試驗(yàn)也驗(yàn)證了上述結(jié)論。

圖8 臺(tái)架試驗(yàn)

4 結(jié)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(dòng)比以行星齒輪轉(zhuǎn)一圈為一個(gè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)原理，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，新型差速器達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，鎖緊系數(shù)達(dá)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(huì).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(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［3］王小椿，吳序堂，彭煒.高性能變傳動(dòng)比差速器的研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1990，24（2）：1-8.

［4］賈巨民，高波，喬永衛(wèi)，越野汽車變傳動(dòng)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(dòng)設(shè)計(jì)分析方法［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，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(dòng)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.