越野汽车新型变速比差速器的研究

贾巨民 高 波 索文莉 孙爱丽

军事交通学院，天津，300161

0 引言

越野汽车要经常在泥泞、松软路面甚至无路地区行驶，通过性是其最重要的性能指标之一。差速器作为汽车的重要部件，其作用是在两输出轴间分配转矩，并保证两输出轴有可能以不同角速度转动，其形式与性能直接关系到整车的通过性。

目前，我国越野汽车驱动桥还普遍采用对称圆锥齿轮差速器，其两半轴齿轮大小相同，可将转矩大致平均分配给左右驱动轮。当汽车在好路上行驶时，这样的分配无论对于直线行驶还是转弯行驶都是满意的，但当一侧车轮处于附着系数很小的滑溜地面时，尽管另一侧车轮与地面有良好的附着，也无法发挥潜在的牵引力，致使汽车无法行驶。

解决上述问题的途径是采用防滑差速装置，增大锁紧系数。常用的方法主要有［1-2］：

（1）采用差速锁。当一个车轮处于附着力较小的路面时，可操纵差速锁将差速器壳与半轴锁紧在一起，使差速器不起差速作用，此时的锁紧系数为无穷大，这样可充分利用左右轮的附着力，使牵引力达到可能的最大值。汽车行驶中驶入难行路段前，可操纵差速锁将差速器锁住，驶过难行路段后，应及时将差速锁松开，以避免出现因无差速作用带来的不良后果。

（2）摩擦式差速器。其原理是利用差速器内机械元件的内摩擦力来增加锁紧系数。这种差速器结构复杂，加工精度要求高，易磨损。由于需对驱动桥体结构做较大改动，故一般无法在已定型的车辆上安装，其适用范围受到限制。

（3）自由轮式差速器。自由轮式差速器根据左右车轮的转速差进行工作，使左右半轴扭矩互无影响。当一侧车轮打滑时，它能自动地将快转驱动车轮的半轴与差速器分开，让快转轮自由转动，并将全部扭矩都传给慢转驱动车轮。缺点是结构复杂，磨损和冲击比较严重。

（4）变速比差速器。差速器锥齿轮副若采用变传动比，则能在不改变驱动桥总体结构的前提下，依靠变传动比传动的势垒效应增大其锁紧系数，提高车辆的越野通过性。

基于上述研究，本文提出一种新的传动形式，行星齿轮与半轴齿轮齿数之比为1∶2，行星齿轮转一圈为一个变化周期，半轴齿轮转一圈为2个变化周期，一个差速器内有2个半轴齿轮，2个行星齿轮，对称安装。显然，这种新的传动形式的传动比变化周期已达极限，可以获得最大的传动比变化范围，从而获得更大的锁紧系数，进一步提高车辆的越野通过能力。

1 结构形式与啮合原理

图1为新型差速器结构示意图。

图1 差速器结构

图2所示为行星齿轮与半轴齿轮传动关系，显然有

图2 行星齿轮与半轴齿轮传动

传动比

式中，φ1、φ2分别为行星齿轮与半轴齿轮转角；δ1、δ2分别为行星齿轮与半轴齿轮节锥角。

对于定传动比传动，δ1、δ2均为定值，其运动相当于一对节圆锥的纯滚动；而对于变传动比传动，δ1、δ2变成φ1（或φ2）的函数，其运动相当于一对非圆节锥的纯滚动。

本文选用的传动比规律表达式为

图3 非圆节锥

2 设计与计算方法

2.1 节曲线

文献［5］给出的设计计算方法仍然适用于本文节曲线的设计，即应用保测地曲率的映射原理，首先将球面节曲线映射到平面上，即保证

式中，κg为球面曲线的测地曲率；κr为平面曲线的相对曲率。

球面曲线的测地曲率可表示为

式中，τ为球面曲线和经线的交角；s为节曲线弧长。

映射后得到的平面曲线表达式为

式中，s0、s1、ψ0、x0、y0为系数，由边界条件确定。

按上述方法获得的平面映射节曲线如图4所示。

图4 球面节曲线在平面上伸展－－映射节曲线

非圆锥齿轮副的啮合传动相当于图4中节曲线的纯滚动。

2.2 平面齿轮齿形

进一步，以平面映射节曲线为基础，可以进行齿形研究。下面以渐开线齿形为例进行说明。

如图5所示，先看右齿形，齿轮节曲线已给出，a为其上一点，则齿形上相应点b的方程可表示为［6］

式中，ra为节曲线a点处的矢径；lab为齿形上b点的法矢量。

图5 齿形计算原理

根据齿形法线法原理，有

式中，αn为齿条刀具齿形角。

从图4的形成原理可知

即节曲线上任一点的切线方向t与x轴的夹角为ψ，再根据渐开线齿形加工原理，则矢量lab与x轴的夹角为（αn＋ψ），代入式（8）即得右齿形方程：

同理，可得出左齿形方程：

将上述方法用于配对齿轮，即可求出对应齿槽齿形。上述方法不限于渐开线齿形。

以平面映射节曲线和平面齿轮齿形为基础，可以进一步借助平面非圆齿轮传动的有关原理进行非圆锥齿轮传动的重合度、根切和压力角等有关内容的研究，其设计制造原理与技术亦可借鉴。

设计完成的平面齿形还需要映射到球面上，从而形成三维实体，文献［5］给出了映射原理与计算方法。

3 实例

图6系笔者为某车型研制的差速器，z1＝9，z2＝18，齿形选用渐开线，压力角αn＝25°，传动比按式（3）选取。图7为加工出的齿轮样件。

图6 差速器齿轮传动实体模型

图7 差速器齿轮样件

将新差速器装在驱动桥中进行了台架试验，如图8所示，结果表明，新差速器的实际锁紧系数达到了3.15，可以显著提高车辆的越野通过能力。实车分离路面牵引力试验也验证了上述结论。

图8 台架试验

4 结论

（1）提出了一种新型变速比差速器，行星齿轮与半轴齿轮齿数之比为1∶2，传动比以行星齿轮转一圈为一个变化周期，将变速比的思想发挥到了极致。

（2）给出了这种差速器锥齿轮的设计原理与方法，包括节锥与节曲线、平面映射原理和齿形设计原理，并进行了实例验证。

（3）试验结果表明，新型差速器达到了设计预期，锁紧系数达到3.15，可以显著提高车辆的越野通过性。

［1］汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［2］刘惟信.汽车车桥设计［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［3］王小椿，吴序堂，彭炜.高性能变传动比差速器的研究［J］.西安交通大学学报，1990，24（2）：1-8.

［4］贾巨民，高波，乔永卫，越野汽车变传动比差速器的研究［J］.汽车工程，2003，25（5）：498-500.

［5］贾巨民，高波，赵德龙.基于保测地曲率映射的非圆锥齿轮传动设计分析方法［J］.机械工程学报，2008，44（4）：53-57.

［6］李福生，尹种芳，张遵连，等.非圆齿轮与特种齿轮传动设计［M］.北京：机械工业出版社，1983.