譚曉明+王白王

摘 要 變傳動(dòng)比限滑差速器采用非圓錐齒輪副，使得分配給兩側(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)矩不相等，提高了車(chē)輛的通過(guò)性。但非圓錐齒輪設(shè)計(jì)復(fù)雜，制造困難，傳動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性較差，還經(jīng)常出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象。非圓面齒輪副綜合了非圓柱齒輪、非圓錐齒輪、面齒輪的傳動(dòng)特性，可以實(shí)現(xiàn)空間中相交軸間的變速比傳動(dòng)，滿足差速器的工作要求，因此可以替代傳統(tǒng)限滑差速器中的非圓錐齒輪副。非圓面齒輪副傳動(dòng)時(shí)輪齒不受沿齒寬方向上的力，因而傳動(dòng)平穩(wěn)、振動(dòng)小、噪音低，且強(qiáng)度高，容易批量生產(chǎn)，成本低。

關(guān)鍵詞 非圓面齒輪 限滑差速器 仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.12.025

Abstract The variable ratio limited slip differential applying non-circular bevel gear can change the torque delivered to both sides of the wheel， which can improve the traffic ability characteristic. But there are many disadvantages such as complex design theory， difficult manufacturing， and poor stability. What's worse， the gear may breaks while doing real vehicle tests.Non-circular face gear pair incorporating the characteristic of non-circular gear， non-circular bevel gear and face gear can achieve variable ration transmission between two intersecting axis， which meets the needs of transmission of the limited slip differential. So it's reasonable to apply non-circular face gear pair to the limited slip differential. Compared with non-circular gear， non-circular face gear pair has many advantages such as more stable transmission， smaller vibration， lower noise and higher carrying capacity. What's more， it's easy to make volume production cheaply.

Keywords face gear； limited-slip differential； simulation

0 引言

普通差速器對(duì)于經(jīng)常行駛在城市平坦道路的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，其性能已經(jīng)能夠滿足其使用要求。但是對(duì)于經(jīng)常在松軟、泥濘等復(fù)雜路況行駛的軍用越野車(chē)輛來(lái)說(shuō)，如果裝備普通差速器，那么會(huì)遇到驅(qū)動(dòng)輪與地面摩擦力太小導(dǎo)致車(chē)輛無(wú)法前進(jìn)。限滑差速器采用非圓錐齒輪副，當(dāng)兩側(cè)車(chē)輪出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差時(shí)，齒輪副就會(huì)偏離初始平衡位置，行星齒輪與兩側(cè)半軸齒輪的力臂長(zhǎng)度和作用力大小不再相等，增大了分配給與地面附著較好一側(cè)車(chē)輪的扭矩，從而增加了地面給車(chē)輛的摩擦力，極大改善了越野汽車(chē)在嚴(yán)峻路況的通過(guò)性能。[6]但該限滑差速器的輪齒部分容易發(fā)生斷裂，因此需要進(jìn)一步提高其輪齒的強(qiáng)度。此外，非圓錐齒輪設(shè)計(jì)、加工復(fù)雜，生產(chǎn)制造成本較高，且通用性較差，[1]因此需要突破非圓錐齒輪傳動(dòng)局限性。

本文提出一種新的方案，在不改變差速器整體結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，采用非圓面齒輪副。與非圓錐齒輪副對(duì)比，非圓面齒輪副擁有以下優(yōu)勢(shì)：[2]加工簡(jiǎn)便，容易實(shí)現(xiàn)低成本批量生產(chǎn)；傳動(dòng)時(shí)不受齒寬方向上的力，因此嚙合平穩(wěn)、噪音低；同等強(qiáng)度下，非圓面齒輪副重量輕。

1 限滑差速器工作原理

目前變傳動(dòng)比限滑差速器的結(jié)構(gòu)跟普通差速器相同，都由差速器殼、半軸齒輪、行星齒輪、行星齒輪軸等組成，只是齒輪的形狀有所不同，其實(shí)現(xiàn)的功能也不同。圖1所示為限滑差速器各個(gè)零件及其裝配位置。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其輸出的扭矩經(jīng)過(guò)動(dòng)力傳動(dòng)裝置傳給差速器殼。當(dāng)汽車(chē)直線行駛時(shí)，齒輪組處于初始平衡位置，差速器殼帶動(dòng)行星齒輪繞十字軸進(jìn)行公轉(zhuǎn)，行星齒輪分別與兩側(cè)的半軸齒輪接觸并帶動(dòng)其以相等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)行星齒輪和左半軸齒輪的力臂長(zhǎng)度等于行星齒輪和右半軸齒輪的力臂長(zhǎng)度，行星齒輪分配給左、右半軸齒輪的轉(zhuǎn)矩大小也相等，行星齒輪只進(jìn)行公轉(zhuǎn)、不發(fā)生自轉(zhuǎn)，規(guī)定此時(shí)為工況1。當(dāng)左右輪胎受力不同時(shí)，在行星齒輪上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)矩，打破了差速器齒輪副的動(dòng)平衡狀態(tài)。行星齒輪在轉(zhuǎn)矩的作用下發(fā)生自轉(zhuǎn)，改變其初始位置：與地面附著力較好一側(cè)的半軸齒輪的力臂變小，相應(yīng)獲得更大的轉(zhuǎn)矩，規(guī)定此時(shí)為工況2。當(dāng)行星齒輪持續(xù)不間斷自轉(zhuǎn)時(shí)，其與半軸齒輪的相對(duì)位置也一直發(fā)生改變，與左、右半軸齒輪間的力臂長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)矩大小也周期變化。

2 齒輪副的基本原理與設(shè)計(jì)

使用MATLAB軟件計(jì)算輪廓各點(diǎn)坐標(biāo)，然后導(dǎo)入SolidWorks進(jìn)行三維建模，如圖4所示。

2.2 半軸齒輪設(shè)計(jì)與建模

SolidWorks現(xiàn)有功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)面齒輪進(jìn)行直接建模，需要用宏指令進(jìn)行編程：構(gòu)建半軸齒輪毛坯模型，并與行星齒輪進(jìn)行裝配，編輯刀具的走刀軌跡，實(shí)現(xiàn)行星齒輪和半軸齒輪毛坯的連續(xù)布爾減操作，利用展成法原理包絡(luò)出與非圓齒輪共軛的面齒輪。對(duì)半軸齒輪進(jìn)行光滑處理，如圖5所示。

3 齒輪副有限元分析

3.1 模型導(dǎo)入及受力分析

將半軸齒輪和行星齒輪模型在差速器的極限位置組裝成裝配體，轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入workbench中。定義齒輪的材料屬性為20CrMnTi，其淬透性高，具有較高的低溫沖擊韌性；加工性能好，加工變形小，抗疲勞性能好。[5]

3.2 應(yīng)力分析結(jié)果

根據(jù)剛才受力分析對(duì)齒輪副施加載荷與約束，然后進(jìn)行有限元分析，得到齒輪副不同位置的應(yīng)力云圖，如圖6所示。

20CrMnTi的抗拉強(qiáng)度為1080MPa。通過(guò)有限元分析結(jié)果可以得出齒輪副所受最大應(yīng)力為854MPa，因此該非圓面齒輪副滿足使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本論文將當(dāng)前處于理論研究階段的正交非圓面齒輪副應(yīng)用在汽車(chē)限滑差速器中，結(jié)合該齒輪副的傳動(dòng)特點(diǎn)，以提高汽車(chē)行駛的平穩(wěn)性和齒輪副強(qiáng)度等為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)滿足工作要求的齒輪副，校驗(yàn)了不同工況下強(qiáng)度，證明了該方案的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬延會(huì).變傳動(dòng)比限滑差速器的齒輪設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[2] 郭玉.曲線齒端面齒輪的理論分析與加工仿真研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[3] 賈巨民，高波，索文莉，孫愛(ài)麗.越野汽車(chē)新型變速比差速器的研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2012.23（23）：2844-2847.

[4] 李福生.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.

[5] 姚貴升.汽車(chē)金屬材料應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2000：37-43.endprint