不對稱式面齒輪差速器的構造及原理

劉珂路， 任愛華， 孫國興， 孫傳瓊

(1 湖北汽車工業學院汽車工程系， 湖北 十堰 442002； 2 湖北汽車工業學院機械工程系， 湖北 十堰 442002)

全時(常接合式)四輪驅動汽車的動力傳動系統中需要裝置三個差速器[1-2]：在前后驅動軸上各有一個輪間差速器，前后驅動軸之間還有一個裝在分動器內的軸間差速器(中央差速器)．輪間差速器用于吸收左右驅動輪的轉速差和向左右驅動輪分配相等的轉矩，通常采用對稱式錐齒輪差速器[1-2]．軸間差速器用來吸收前后橋的轉速差以防止產生功率循環，并向前后橋按一定比率分配驅動轉矩．在正常情況下，四輪驅動汽車在具有相同附著系數的路面上行駛時，前后輪附著力與前后橋軸荷成正比．因此，為保證汽車有足夠的驅動力，提高其爬坡能力與行駛中的操縱穩定性，軸間差速器的轉矩分配通常是與前后橋軸荷相適應的，大多為不對稱式(不等轉矩式)分配．常用的不對稱式軸間差速器按其構成型式有不對稱式圓錐行星齒輪差速器、單行星式圓柱齒輪差速器和雙行星式圓柱齒輪差速器等三類[1-3]，本文介紹一種由面齒輪傳動構成的新型不對稱式軸間差速器．

1 面齒輪傳動原理

面齒輪傳動(Face Gear Drive)是一種圓柱齒輪與圓錐齒輪相嚙合的齒輪傳動，可以應用于兩輪軸線正交與非正交的場合．當兩輪軸線正交(軸夾角等于90°)時，圓錐齒輪的輪齒分布在一個圓平面上，錐齒輪即成為面齒輪，從而泛稱為面齒輪傳動．面齒輪傳動的原理如圖1所示[4]．面齒輪傳動具有很多獨特優點，已成功應用于直升飛機傳動系統中[5]．

1-面齒輪； 2-直齒圓柱齒輪圖 1 面齒輪傳動原理

2 面齒輪傳動的特點

面齒輪傳動與錐齒輪傳動一樣，都是傳遞包含一定軸間交角的運動．相對于錐齒輪傳動，面齒輪傳動具有以下特點[5-6]：

1)小齒輪為圓柱齒輪，其軸間移動產生的位置誤差對傳動性能幾乎沒有影響，不需要防位錯設計，不會引起嚴重的偏載現象，面齒輪傳動機構的安裝時間相對大大減少；

2)小齒輪采用直齒圓柱齒輪時，無軸向作用力，可以簡化支撐，減輕重量，結構更緊湊；

3)小齒輪為直齒圓柱齒輪，具有互換性；

4)面齒輪傳動在理論上能夠保證定傳動比傳動，振動和噪聲較低；

5)面齒輪具有統一的理論齒面，便于加工制造、檢測及維修；

6)重合度較大(可達2.0以上)，有利于增加傳動的平穩性、提高承載能力和使用壽命；

7)加工面齒輪要求刀具尺寸參數與實際嚙合的圓柱齒輪相同，這樣會增加刀具數量；

8)面齒輪的輪齒具有在半徑較大位置處產生齒頂變尖而在半徑小處產生根切的特殊現象，因此面齒輪的齒寬不能設計得太寬，傳動強度因此受到限制．

3 不對稱式面齒輪差速器的構造

美國發明專利US5472385和US2007167272分別公開了一種由面齒輪傳動組成的不對稱式行星齒輪差速器，前者有6個直齒圓柱行星齒輪，后者只有2個直齒圓柱行星齒輪(圖2)．圓柱齒輪行星輪3同時與面齒輪大太陽輪1和面齒輪小太陽輪2相嚙合，行星輪軸4與差速器殼5連成一體形成行星架H，從而組成差動輪系1―3―2―H．

1-面齒輪大太陽輪； 2-面齒輪小太陽輪；3-圓柱齒輪行星輪；4-行星輪軸；5-差速器殼； 6-差速器端蓋圖 2 不對稱式面齒輪差速器的構造

4 不對稱式面齒輪軸間差速器的差動條件

圖3a對應圖2的構造；圖3b則對應圖2大太陽輪與小太陽輪互換位置后的構造．在由太陽輪1、行星輪3、太陽輪2和行星架H組成的差動輪系1-3-2-H中，三個基本構件1、2和H的軸線重合，按周轉輪系傳動比的計算公式可得[7]

(1)

由式(1)得

(2)

式中：ω0為差速器殼的角速度，差速器即行星架，且ω0=ωH．

式(2)即是不對稱式面齒輪軸間差速器的差動條件方程．

1-前傳動軸面齒輪太陽輪；2-后傳動軸面齒輪太陽輪；3-圓柱齒輪行星輪；4-行星架(行星輪軸-差速器殼組合件)圖 3 不對稱式面齒輪軸間差速器的機構及轉矩分配示意圖

5 不對稱式面齒輪軸間差速器的轉矩分配

圖3中由變速器輸入差速器的轉矩T0，經差速器殼-行星輪軸(即行星架H)傳至行星齒輪3后，再分兩路分別傳給前傳動軸面齒輪太陽輪1輸出轉矩T1和后傳動軸面齒輪太陽輪2輸出轉矩T2．圓柱齒輪行星輪3相當于一個等臂杠桿，因此由行星輪3分別作用于前、后傳動軸面齒輪1和2上的圓周力Ft1與Ft2的大小相等(忽略摩擦阻力的影響，Ft1=Ft2=Ft)，圓周力Ft(Ft1、Ft2)的方向垂直于圖3紙面．根據力系平衡條件可求得T1、T2和T0之間的關系如下[8]：

(3)

T1+T2=T0;

(4)

(5)

(6)

式(5)和式(6)即是不對稱式面齒輪軸間差速器的轉矩分配方程．

6 結束語

面齒輪傳動有許多獨特的優點，而面齒輪存在加工刀具數量多和齒寬受到限制的不足之處將隨著加工制造技術的進步而得以彌補．通過不對稱式面齒輪軸間差速器的轉矩分配分析得出其轉矩分配比率即是前后傳動軸面齒輪兩平均半徑的比值R1/R2．由于這種差速器從設計上易于調整兩個面齒輪的半徑大小來滿足所需的轉矩分配比率，同時又具有結構簡單緊湊的特點，因此，不對稱式面齒輪差速器與通常采用的不對稱式圓柱齒輪差速器相比，更適合于全時四輪驅動汽車的軸間差速器，具有很好的應用前景．

[參考文獻]

[1] 汽車工程手冊編輯委員會.汽車工程手冊.基礎篇[M].北京:人民交通出版社,2001:171.

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[3] 陳家瑞.汽車構造(下冊)[M].第二版.北京:機械工業出版社,2005:136.

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[5] 王 志,石照耀.面齒輪傳動的特點及研究進展[J].工具技術,2009,43(10):10-14.

[6] 姜雄濤.平面齒輪滾齒加工[J].金屬加工冷加工,2010(14):33-34.

[7] 鄭文緯,吳克堅.機械原理[M].第七版.北京:高等教育出版社,1997:245-246.

[8] 南京工學院,西安交通大學.理論力學(上冊)[M].北京:人民教育出版社,1979:155-156.