非圓面齒輪副在限滑差速器中的應用設計

譚曉明+王白王

摘 要 變傳動比限滑差速器采用非圓錐齒輪副，使得分配給兩側車輪的轉矩不相等，提高了車輛的通過性。但非圓錐齒輪設計復雜，制造困難，傳動時穩定性較差，還經常出現斷齒現象。非圓面齒輪副綜合了非圓柱齒輪、非圓錐齒輪、面齒輪的傳動特性，可以實現空間中相交軸間的變速比傳動，滿足差速器的工作要求，因此可以替代傳統限滑差速器中的非圓錐齒輪副。非圓面齒輪副傳動時輪齒不受沿齒寬方向上的力，因而傳動平穩、振動小、噪音低，且強度高，容易批量生產，成本低。

關鍵詞 非圓面齒輪 限滑差速器 仿真

中圖分類號：U463.21 文獻標識碼：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

普通差速器對于經常行駛在城市平坦道路的車輛來說，其性能已經能夠滿足其使用要求。但是對于經常在松軟、泥濘等復雜路況行駛的軍用越野車輛來說，如果裝備普通差速器，那么會遇到驅動輪與地面摩擦力太小導致車輛無法前進。限滑差速器采用非圓錐齒輪副，當兩側車輪出現轉速差時，齒輪副就會偏離初始平衡位置，行星齒輪與兩側半軸齒輪的力臂長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車輪的扭矩，從而增加了地面給車輛的摩擦力，極大改善了越野汽車在嚴峻路況的通過性能。[6]但該限滑差速器的輪齒部分容易發生斷裂，因此需要進一步提高其輪齒的強度。此外，非圓錐齒輪設計、加工復雜，生產制造成本較高，且通用性較差，[1]因此需要突破非圓錐齒輪傳動局限性。

本文提出一種新的方案，在不改變差速器整體結構尺寸的基礎上，采用非圓面齒輪副。與非圓錐齒輪副對比，非圓面齒輪副擁有以下優勢：[2]加工簡便，容易實現低成本批量生產；傳動時不受齒寬方向上的力，因此嚙合平穩、噪音低；同等強度下，非圓面齒輪副重量輕。

1 限滑差速器工作原理

目前變傳動比限滑差速器的結構跟普通差速器相同，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，其實現的功能也不同。圖1所示為限滑差速器各個零件及其裝配位置。

當發動機運轉時，其輸出的扭矩經過動力傳動裝置傳給差速器殼。當汽車直線行駛時，齒輪組處于初始平衡位置，差速器殼帶動行星齒輪繞十字軸進行公轉，行星齒輪分別與兩側的半軸齒輪接觸并帶動其以相等角速度轉動。此時行星齒輪和左半軸齒輪的力臂長度等于行星齒輪和右半軸齒輪的力臂長度，行星齒輪分配給左、右半軸齒輪的轉矩大小也相等，行星齒輪只進行公轉、不發生自轉，規定此時為工況1。當左右輪胎受力不同時，在行星齒輪上就會產生一個內轉矩，打破了差速器齒輪副的動平衡狀態。行星齒輪在轉矩的作用下發生自轉，改變其初始位置：與地面附著力較好一側的半軸齒輪的力臂變小，相應獲得更大的轉矩，規定此時為工況2。當行星齒輪持續不間斷自轉時，其與半軸齒輪的相對位置也一直發生改變，與左、右半軸齒輪間的力臂長度和轉矩大小也周期變化。

2 齒輪副的基本原理與設計

使用MATLAB軟件計算輪廓各點坐標，然后導入SolidWorks進行三維建模，如圖4所示。

2.2 半軸齒輪設計與建模

SolidWorks現有功能無法實現對面齒輪進行直接建模，需要用宏指令進行編程：構建半軸齒輪毛坯模型，并與行星齒輪進行裝配，編輯刀具的走刀軌跡，實現行星齒輪和半軸齒輪毛坯的連續布爾減操作，利用展成法原理包絡出與非圓齒輪共軛的面齒輪。對半軸齒輪進行光滑處理，如圖5所示。

3 齒輪副有限元分析

3.1 模型導入及受力分析

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，轉換格式后導入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 應力分析結果

根據剛才受力分析對齒輪副施加載荷與約束，然后進行有限元分析，得到齒輪副不同位置的應力云圖，如圖6所示。

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

4 結語

本論文將當前處于理論研究階段的正交非圓面齒輪副應用在汽車限滑差速器中，結合該齒輪副的傳動特點，以提高汽車行駛的平穩性和齒輪副強度等為出發點，設計滿足工作要求的齒輪副，校驗了不同工況下強度，證明了該方案的可行性。

參考文獻

[1] 馬延會.變傳動比限滑差速器的齒輪設計[D].武漢：武漢理工大學，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，2012.

[3] 賈巨民，高波，索文莉，孫愛麗.越野汽車新型變速比差速器的研究[J].中國機械工程，2012.23（23）：2844-2847.

[4] 李福生.非圓齒輪與特種齒輪傳動設計[M].北京：機械工業出版社，1983.

[5] 姚貴升.汽車金屬材料應用手冊[M].北京：北京理工大學出版社，2000：37-43.endprint