馬云貴

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410132)

0 引言

汽車(chē)時(shí)常會(huì)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(jiàn)。為了保證汽車(chē)具有良好的越野性能，越野汽車(chē)常常是使用多軸驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)確保其良好的越野性能［1］。若在汽車(chē)的前軸與后軸之間并沒(méi)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(chē)運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，理論上來(lái)講，其前輪與后輪之間會(huì)以相同的行進(jìn)速度工作［2］。而在實(shí)際情況中，因汽車(chē)前輪與后輪的氣壓不一致、汽車(chē)車(chē)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(shí)間里，其前輪與后輪所行進(jìn)的路徑長(zhǎng)度一般都會(huì)存在差異，于是汽車(chē)的車(chē)輪會(huì)出現(xiàn)滑移或者滑轉(zhuǎn)等危險(xiǎn)情況，以及引起功率循環(huán)［3］。

將差速器安置于汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)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(chē)滑移，但會(huì)使汽車(chē)的越野性能明顯下降，其原因是［4］:汽車(chē)的分動(dòng)器以其差速器的傳動(dòng)比來(lái)輸出扭矩，并將其分配于其驅(qū)動(dòng)軸上，若其中一只輪胎出現(xiàn)滑移現(xiàn)象時(shí)，附著于該輪胎上的輸出力也會(huì)降低，其驅(qū)動(dòng)力矩也降低，汽車(chē)其他車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力矩也相應(yīng)地降低，從而使汽車(chē)的越野性能下降。

目前，國(guó)外已研發(fā)出了可實(shí)現(xiàn)變扭矩的分動(dòng)器，而這類(lèi)分動(dòng)器可劃分為兩種形式［5］:被動(dòng)控制類(lèi)、主動(dòng)控制類(lèi)。(1)被動(dòng)控制式的分動(dòng)器常見(jiàn)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(shí)，以其內(nèi)部黏性力，或者其摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)扭矩調(diào)節(jié)。(2)主動(dòng)控制式的分動(dòng)器，可以借助于傳感器來(lái)獲得道路路面以及汽車(chē)轉(zhuǎn)速等信息，經(jīng)處理器分析以后，來(lái)控制扭矩的輸出，進(jìn)而符合汽車(chē)的越野性能需要［6］。目前，在國(guó)產(chǎn)的一些越野型汽車(chē)上安裝使用的驅(qū)動(dòng)分動(dòng)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(lái)進(jìn)行傳動(dòng)，沒(méi)有防滑的功能。

為了使前述問(wèn)題得以解決，學(xué)者［4］設(shè)計(jì)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(dòng)器現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的同時(shí)，借助于齒輪傳動(dòng)的變速比來(lái)實(shí)現(xiàn)扭矩的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得汽車(chē)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(shí)現(xiàn)很好的嚙合，其整體構(gòu)架緊湊、簡(jiǎn)捷，同時(shí)也保存了原有分動(dòng)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(dòng)比的時(shí)候，不能確保行星齒輪和齒圈之間具有最小傳動(dòng)比;同時(shí)在中心齒輪和行星齒輪之間具有最小傳動(dòng)比的時(shí)候，不能確保行星齒輪和齒圈之間具有最大傳動(dòng)比。(2)若想要在中心齒輪周邊多布置幾個(gè)行星齒輪來(lái)提升系統(tǒng)的承載能力，其實(shí)現(xiàn)難度極大，基本只能是理論上可實(shí)現(xiàn)，實(shí)際工程實(shí)踐可能性小。因而，本文設(shè)計(jì)出了一種改進(jìn)的雙聯(lián)的汽車(chē)用的齒輪差速器，將其用于汽車(chē)的分動(dòng)器時(shí)，使得汽車(chē)前軸與后軸可實(shí)現(xiàn)變扭矩輸出，同時(shí)該差速器也具有良好的防滑性能，確保了汽車(chē)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(jì)的改進(jìn)的雙聯(lián)的汽車(chē)用齒輪的差速器傳動(dòng)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(dòng)力與扭矩是由行星架H 端來(lái)實(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)的情形出現(xiàn)時(shí)，前輸出軸Ⅰ與后輸出軸Ⅱ的傳動(dòng)比是變化的，并且是以某一設(shè)定的變化規(guī)則運(yùn)行的。于是在兩中心齒輪完全一致時(shí)，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(shí)現(xiàn)均勻布置。

分析系統(tǒng)傳動(dòng)過(guò)程，可以得出其傳動(dòng)比(扭矩輸出軸Ⅱ?qū)τ谂ぞ剌敵鲚SⅠ的傳動(dòng)比)［8］:

其中:r1是1#齒輪節(jié)曲線(xiàn)半徑;r2是2#齒輪節(jié)曲線(xiàn)半徑;r31是與1#齒輪相嚙合部分的3#雙聯(lián)齒輪節(jié)曲線(xiàn)半徑;r32是與2#齒輪相嚙合部分的3#雙聯(lián)齒輪節(jié)曲線(xiàn)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(huì)以方程(1)給出的傳動(dòng)比形式，傳遞給前軸與后軸兩扭矩輸出軸，實(shí)現(xiàn)了扭矩的變比輸出。值得注意的是:該汽車(chē)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(wú)需人工控制與操作，而是以汽車(chē)輪胎的實(shí)際滑移情況為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)扭矩的自動(dòng)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(jì)

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

其中:i31是3#齒輪和1#齒輪的傳動(dòng)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(dòng)比為:

于是1#齒輪和3#齒輪節(jié)曲線(xiàn)方程:

同樣，2#齒輪和3#齒輪節(jié)曲線(xiàn)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(shí)例論證

其設(shè)計(jì)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(kāi)線(xiàn)齒輪設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行核算，其結(jié)果見(jiàn)圖2(a)、圖2(b)。

其所研制的樣機(jī)見(jiàn)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(dòng)比變化規(guī)律見(jiàn)圖4。

4 結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的汽車(chē)用差速器，對(duì)其傳動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了深入的分析，其借助于變速比效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了扭矩的變比分配，具有很好的防滑性能，確保了汽車(chē)良好的越野性能。

(2)該差速器具有簡(jiǎn)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(shí)使用3 組齒輪，在中心齒輪周邊實(shí)現(xiàn)均勻布置。

(3)對(duì)于安裝有差速鎖的汽車(chē)，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(chē)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(chē)具有良好越野性能的同時(shí)，具有可靠的行駛安全性。

［1］王忠會(huì)，駱雨，賈毅．行星齒輪式橋間差速器的差速特性分析［J］．汽車(chē)技術(shù)，2005，(4) :56～59．

［2］海爭(zhēng)平．一種行星齒輪式防滑差速器的研究［J］．機(jī)械傳動(dòng)，2011，(2) :143～146．

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

［4］賈巨民，高波．越野汽車(chē)雙聯(lián)非圓行星齒輪差速器的研究［J］．中國(guó)機(jī)械工程，2012，23(3) :346～348．

［5］周新建，于孟，查小凈，吳健．差速器齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析［J］．機(jī)械傳動(dòng)，2010，(3) :176～178．

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［7］謝飛，宋傳學(xué)，王建華，王云成．基于CATIA 的差速器直齒圓錐齒輪參數(shù)化建模與有限元分析［J］．機(jī)械傳動(dòng)，2008，(4) :98～101．

［8］王云成，王建華，付鐵軍，張寶生．主動(dòng)控制式限滑差速器結(jié)構(gòu)分析及其性能評(píng)價(jià)［J］．汽車(chē)技術(shù)，2008，(7) :151～153．