沙鑫美,萬(wàn) 軼,呂小祥
(1.三江學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院,江蘇 南京210012;2.江蘇熱電工程設(shè)計(jì)院,江蘇 南京210012)
齒輪變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中,經(jīng)常會(huì)涉及差速機(jī)構(gòu),這些差速機(jī)構(gòu)往往是利用差動(dòng)齒輪系來(lái)實(shí)現(xiàn)差速目的。本文將從齒輪傳動(dòng)的基本原理出發(fā),對(duì)差動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)做論述。
一般來(lái)說(shuō),差動(dòng)齒輪系由三個(gè)構(gòu)件組成,即:兩個(gè)中心輪和一個(gè)行星架。分析時(shí),可任取其一作為輸出,余者作為輸入。若將一個(gè)中心輪(或齒圈成)固定,則稱(chēng)單輸入行星機(jī)構(gòu)。
差動(dòng)齒輪系在結(jié)構(gòu)上有直齒圓柱外嚙合齒輪、直齒圓柱內(nèi)嚙合齒輪、錐齒輪傳動(dòng)等形式,同一類(lèi)型的差動(dòng)機(jī)構(gòu),會(huì)因輸入輸出的不同組合,而構(gòu)成不同的傳動(dòng)方式。
圖1~3中分別為內(nèi)嚙合、外嚙合、錐齒輪三種傳動(dòng)方式。
圖2 外嚙合
圖1 內(nèi)嚙合
圖3 錐齒輪
圖1 ~3中,若將中心輪(或齒圈A)和行星架B作為輸入件,輸出件為中心輪C。
設(shè):A的轉(zhuǎn)速為nA,B轉(zhuǎn)速為nB,若求輸出件C轉(zhuǎn)速nC,可用運(yùn)動(dòng)分解原理。即:固定B,使A轉(zhuǎn)過(guò)nA轉(zhuǎn),則C轉(zhuǎn)的圈數(shù)為iCA·nA,而后固定A,使B轉(zhuǎn) nB轉(zhuǎn),則C轉(zhuǎn)的圈數(shù)為iCB·nB,此時(shí)C的總的轉(zhuǎn)數(shù)必等于nC,也就是說(shuō),輸出件的轉(zhuǎn)速等于兩輸入件轉(zhuǎn)速的線性組合:
式中:iCA為輸入件B固定時(shí)的傳動(dòng)比,該傳動(dòng)比可按普通齒輪傳動(dòng)的算法求出,而iCB為輸入件A固定時(shí)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比,應(yīng)采用行星機(jī)構(gòu)算法進(jìn)行分析。
考慮到在行星機(jī)構(gòu)中,中心輪轉(zhuǎn)速等于行星輪公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與自轉(zhuǎn)引起的轉(zhuǎn)速之差,故可以假設(shè)A固定時(shí)行星架轉(zhuǎn)速為nB,此時(shí)輸出件C轉(zhuǎn)過(guò)nC′。為便于直觀,仍采用上述運(yùn)動(dòng)分解法,意即分別考慮行星輪的公轉(zhuǎn)及自轉(zhuǎn)。即:首先使行星機(jī)構(gòu)一起轉(zhuǎn)nB轉(zhuǎn)(此時(shí)行星輪無(wú)自轉(zhuǎn)),輸出件C按公轉(zhuǎn)nB轉(zhuǎn);而后固定行星架,將輸入件A反向轉(zhuǎn)-nB轉(zhuǎn),使之退回到起始位置,以符合A為固定件的要求,此時(shí)中心輪C的轉(zhuǎn)動(dòng)由行星輪自轉(zhuǎn)引起,可按普通齒輪傳動(dòng)求出C的轉(zhuǎn)數(shù)等于iCA(-nB),其最后結(jié)果C的總轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)等于nC′,即:
因此,iCB=1-iCA為行星轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的傳動(dòng)比,將其代入(1)式,就得到差動(dòng)輪系運(yùn)動(dòng)方程式:
該式雖然是在中心輪C為輸出的假設(shè)下建立的,但該式全面闡明了各類(lèi)差動(dòng)機(jī)構(gòu)三個(gè)基本構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,所有其他輸入輸出組合形式的運(yùn)動(dòng)也可以從該式推導(dǎo)求得,應(yīng)該注意iCA是按照行星架固定時(shí)的普通齒輪系傳動(dòng)狀態(tài)下,中心輪C的轉(zhuǎn)速與A的轉(zhuǎn)速之比來(lái)確定的,當(dāng)C與A轉(zhuǎn)向相同時(shí)取正號(hào),轉(zhuǎn)向相反時(shí)取負(fù)號(hào),圖示三種典型機(jī)構(gòu)的iCA值及運(yùn)動(dòng)方程式如下:
對(duì)圖3:iCA=-1,nC=-nA+2nB
令nA=0代入以上各式便可得到該行星機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程。如果差動(dòng)機(jī)構(gòu)是更為復(fù)雜的多級(jí)傳動(dòng),其方法是將其分解成若干基本差動(dòng)機(jī)構(gòu),而后逐一分析其運(yùn)動(dòng)。
上述三種基本差速輪系均為周轉(zhuǎn)輪系,如果將行星架(轉(zhuǎn)臂)看成固定不動(dòng),即可以將周轉(zhuǎn)輪系轉(zhuǎn)化為假想的定軸輪系,稱(chēng)為原周轉(zhuǎn)輪系的“轉(zhuǎn)化輪系”。
下面將上述三個(gè)基本輪系的分析推廣到一般情形。設(shè)nG和nJ為單一周轉(zhuǎn)輪系中任意兩個(gè)齒輪G和J的轉(zhuǎn)速,在轉(zhuǎn)化輪系中,G、J分別為主動(dòng)輪和從動(dòng)輪,轉(zhuǎn)臂設(shè)為H,轉(zhuǎn)速為nH,可以得出如下關(guān)系:
式中,m為齒輪G至J間外嚙合齒輪的對(duì)數(shù)。
對(duì)上述三種基本差動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu),將其拓展或組合,即可設(shè)計(jì)出多種相對(duì)復(fù)雜的差速機(jī)構(gòu)。需要注意:在進(jìn)行混合輪系分析時(shí),需要把原來(lái)的混合輪系簡(jiǎn)化為定軸輪系以及單一周轉(zhuǎn)輪系,然后逐一分析傳動(dòng)關(guān)系并找到內(nèi)部聯(lián)系。其具體方法是:首先分析裝有動(dòng)軸的行星輪,而后找出用于支撐行星輪的轉(zhuǎn)臂,最后找出軸線與轉(zhuǎn)臂軸線重合、同時(shí)與行星輪嚙合的中心輪。實(shí)際上,對(duì)于混合輪系,在其分解為單一周轉(zhuǎn)輪系后,余者就是一個(gè)或多個(gè)定軸輪系。
以下將分別以實(shí)例分析內(nèi)嚙合、外嚙合、錐齒輪三種差速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
圖4所示為電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)的傳動(dòng)裝置[3],齒輪1為輸入,卷筒H為輸出。該輪系雙聯(lián)齒輪2-2′的軸線繞齒輪1、3固定軸轉(zhuǎn)動(dòng),因此屬于行星輪;支持其運(yùn)動(dòng)卷筒H屬于轉(zhuǎn)臂;與行星輪嚙合的齒輪1、3便是中心輪。為此,齒輪2-2′、轉(zhuǎn)臂H和齒輪1、3組成一個(gè)單一的周轉(zhuǎn)輪系,剩下的齒輪5、4、3′則是一個(gè)定軸輪系。
圖4 電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)的傳動(dòng)裝置
齒輪1、2、2′和H組成的單一周轉(zhuǎn)輪系的轉(zhuǎn)化輪系傳動(dòng)比為:
齒輪5、4和3′組成的定軸輪系的傳動(dòng)比:
以上劃分的兩個(gè)輪系間的聯(lián)系是:齒輪3和3′為同一構(gòu)件,轉(zhuǎn)臂H和齒輪5為同一構(gòu)件,故n3=n3′,n5=nH,可得:
根據(jù)上式即可計(jì)算電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)的傳動(dòng)比,同樣,可以通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算其中的各個(gè)齒輪,從而設(shè)計(jì)出卷?yè)P(yáng)機(jī)所需的傳動(dòng)比。
在介紹外嚙合差動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的基本原理時(shí),我們分析了圖2所示的結(jié)構(gòu),其中將中心輪A和轉(zhuǎn)臂B作為了輸入件,中心輪C為輸出件。現(xiàn)假設(shè)輪A為固定件,即nA=0,則可得:
如果齒輪A、B1、B2、C的齒數(shù)較為接近,則可見(jiàn)iCB將是一個(gè)非常大的傳動(dòng)比,可見(jiàn)利用這種外嚙合的輪系,可以用少數(shù)齒輪得到很大的傳動(dòng)比,這種輪系結(jié)構(gòu),比定軸輪系緊湊、輕便很多。但是,傳動(dòng)比大時(shí),它的效率很低,且反行程(齒輪C為主動(dòng)時(shí))將發(fā)生自鎖,這是其缺點(diǎn)。這種外嚙合行星輪系可在儀表中用來(lái)測(cè)量高速轉(zhuǎn)動(dòng)或作為精密的微調(diào)機(jī)構(gòu)。
圖5所示為一種齒輪差動(dòng)輪系調(diào)速機(jī)構(gòu)[4],運(yùn)用了外嚙合差動(dòng)齒輪系。
圖5 一種齒輪差動(dòng)輪系調(diào)速機(jī)構(gòu)
圖5 中,蝸桿1與蝸輪2構(gòu)成定軸輪系。因蝸桿傳動(dòng)自鎖性所致,即蝸桿是帶動(dòng)蝸輪的主動(dòng)構(gòu)件。7和8是直齒輪,齒輪3、4屬同一構(gòu)件,直齒輪5、6也是同一構(gòu)件,行星輪3、4、5、6空套于行星架H。上述齒輪和行星架構(gòu)成了差動(dòng)輪系。
不調(diào)速時(shí),由于蝸桿1不動(dòng)和蝸輪傳動(dòng)的自鎖性,1、2、7均無(wú)運(yùn)動(dòng),構(gòu)件H作為輸出件處于傳動(dòng)狀態(tài),從而構(gòu)成為行星輪系。
調(diào)速時(shí),蝸桿1帶動(dòng)2、7運(yùn)動(dòng),構(gòu)件H作為輸出滿(mǎn)足速度調(diào)整要求,此時(shí)結(jié)構(gòu)屬于差動(dòng)輪系。
由圖5可見(jiàn),由于該機(jī)構(gòu)屬于對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),即齒輪3與 4,3與 5,4與6分別對(duì)稱(chēng),故齒數(shù):z3=z5,z4=z6,從而消除了不平衡因素,確保差速器運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。
上述調(diào)速機(jī)構(gòu)具體應(yīng)用中可根據(jù)要求選擇齒輪齒數(shù),滿(mǎn)足不同產(chǎn)品的特殊要求,因而應(yīng)用廣泛。
錐齒輪差速機(jī)構(gòu)的一個(gè)典型應(yīng)用是汽車(chē)的前后橋差速器。
圖6所示為汽車(chē)后橋的差速器[5],當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)(轉(zhuǎn)動(dòng)中心為P),由于后軸右車(chē)輪比左車(chē)輪走過(guò)的弧長(zhǎng)一些,所以右車(chē)輪Ⅱ的轉(zhuǎn)速應(yīng)比左車(chē)輪Ⅰ的轉(zhuǎn)速高。如果左、右兩車(chē)輪均固連在同一軸上,則車(chē)輪與地面必定存在相對(duì)滑動(dòng),導(dǎo)致輪胎磨損。為此,可將后軸做成分別與左右兩車(chē)輪相連的兩個(gè)半根,同時(shí)在兩軸間安裝差動(dòng)器。動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)傳動(dòng)軸和齒輪5傳到活套在后軸上的齒輪4。因?qū)τ诘乇P(pán)來(lái)說(shuō),輪4和輪5的幾何軸線都是固定不動(dòng)的,所以它們是定軸輪系。中間齒輪2活套在齒輪4側(cè)面突出部分的小軸上,它同時(shí)與左、右兩軸的齒輪1和3嚙合。當(dāng)1和3之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),齒輪2隨齒輪4轉(zhuǎn)動(dòng)外,又繞自己的軸線轉(zhuǎn)動(dòng),所以是行星輪齒輪4是行星架,齒輪1和3都是中心輪,它們便組成了一個(gè)差動(dòng)輪系。由此可知,該減速裝置是一個(gè)定軸輪系和一個(gè)差動(dòng)輪系串聯(lián)而成的復(fù)合輪系。
圖6 汽車(chē)后橋的差速器
當(dāng)汽車(chē)在平坦道路上直線行駛時(shí),左右兩車(chē)輪滾過(guò)的路程相等,所以轉(zhuǎn)速也相等,因此得n1=n3=n4,表示輪1和輪3之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng),輪2不繞自己的軸線轉(zhuǎn)動(dòng),這時(shí)輪1、2、3如一整體,一起隨齒輪4轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)汽車(chē)向左轉(zhuǎn)彎時(shí),右車(chē)輪比左車(chē)輪轉(zhuǎn)得快,這時(shí)輪1和輪3之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),輪系才起到差速器的作用至于兩車(chē)輪的轉(zhuǎn)速究竟多大,則與它們之間的距離2及轉(zhuǎn)彎半徑r有關(guān)。這里,認(rèn)為兩車(chē)車(chē)輪直徑大小相等,它們與地面之間是純滾動(dòng),所以:
這樣,利用復(fù)合輪系將輪4的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)分解為輪1和輪3的兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)。
若設(shè)選定齒輪4和5的齒數(shù)為z4=2z5,則n5=2n4,因此可得:n1+n3=n5。
這表明該組輪系是一個(gè)加法機(jī)構(gòu)。當(dāng)使1轉(zhuǎn)動(dòng)n1周和3轉(zhuǎn)n3周時(shí),5的轉(zhuǎn)數(shù)就是它們的和。不僅如此,該機(jī)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)算。將上式移項(xiàng)后得:n1= n5-n3。
上式表明該輪系也可以進(jìn)行減法運(yùn)算,并且這也是“差速器”這個(gè)名稱(chēng)的由來(lái)。
本文從差動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的基本原理出發(fā),分析了內(nèi)嚙合、外嚙合、錐齒輪三種不同形式的差動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu),并以這三種形式為基礎(chǔ),舉例分析了這三種差動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用、設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)時(shí)的注意點(diǎn),在工程生產(chǎn)中,需要根據(jù)不同的差速機(jī)構(gòu)的應(yīng)用需求,選擇與之適應(yīng)差動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu),從而達(dá)到差速目的。應(yīng)當(dāng)指出,差速機(jī)構(gòu)是一類(lèi)比較靈活的機(jī)械結(jié)構(gòu),除了運(yùn)用本文中所列舉分析的差動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)差速目的,還可以利用其他的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)差速目的。但本文所分析的齒輪差速機(jī)構(gòu)是機(jī)械式的運(yùn)算裝置,其傳動(dòng)比準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠,且不受電磁干擾、電源波動(dòng)和斷電等的影響,故在目前的實(shí)踐工程中,利用差動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)差速目的,依然是各類(lèi)差速機(jī)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的。