變速比限滑差速器端曲面齒輪副限滑原理研究

王白王　馬鵬

摘 要 為改善非圓錐齒輪副限滑差速器的缺陷，在總結變速比限滑差速器的研究現狀基礎上，通過分析差速器的工作原理，說明非圓錐齒輪副限滑原理。通過對比端曲面齒輪副和非圓錐齒輪副的特點，說明端曲面齒輪副限滑原理，從而證明端曲面齒輪副可以在限滑差速器中替代非圓錐齒輪副的作用。

關鍵詞 變速比限滑差速器 端曲面齒輪副 限滑原理

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A

1概述

1.1研究背景

普通差速器對于經常行駛在平坦道路的汽車來說，其性能已經能夠滿足正常使用要求。但軍用汽車要經常在泥濘路面、松軟路面、冰雪路面、甚至無路等惡劣路況下行駛，這樣將可能出現路面與汽車左右驅動輪之間的附著條件相差過大，其中一側驅動輪將無法從滑動中脫出的情況，導致差速器不能正常使用。為解決上述問題，需要使用具有限滑功能的差速器，使得左右驅動輪分配的扭矩不同，以此增加汽車牽引力，保證軍用汽車具備良好的越野通過能力，以便為部隊快速機動提供有力保障。

課題組針對軍用汽車差速器對限滑功能的需求，研制出一種新型變速比限滑差速器。該差速器雖然經過不斷改進，但是仍然存在一些缺點沒有攻克：例如非圓錐齒輪設計非常復雜，以現有的理論和方法計算繁瑣；現階段非圓錐齒輪還沒有統一的加工方法，加工成本較高，而且無法進行齒面精加工，導致不能將新型變速比限滑差速器應用于轎車中；作為小齒輪的行星齒輪端面有一定錐度，在端面上設計行星齒輪軸孔時，軸孔和齒根的最短距離不足2mm，削弱了齒根強度；在重型車輛上進行實車試驗時，半軸齒輪和行星齒輪強度不足，導致部分輪齒發(fā)生斷齒現象等。綜上所述，新型變速比限滑差速器存在的主要缺點大都是由于現階段非圓錐齒輪副自身的缺陷造成的，因此能否突破非圓錐齒輪副的限制，尋找可替代的齒輪副作為核心構件，對進一步提升新型變速比限滑差速器的性能具有重要意義。

1.2研究意義

端曲面齒輪副是一種新型的空間齒輪傳動機構，它由一個非圓柱齒輪和一個端曲面齒輪組成，運動學方面具有和非圓錐齒輪副相近的特性，可以傳遞相交軸的變傳動比與動力，在許多場合能夠替代非圓錐齒輪副進行傳動，相比非圓錐齒輪副主要有以下優(yōu)點：

（1）設計方便。端曲面齒輪副中的小齒輪是非圓柱齒輪，其設計方法成熟，能有效降低齒輪副的設計和計算難度。

（2）加工方便。非圓柱齒輪的加工方法較為成熟，已經能夠實現高精度的批量生產；端曲面齒輪可以通過設計專門的非圓柱齒輪刀具加工，也能夠運用滾刀或者齒條刀具加工，相對非圓錐齒輪副加工成本能夠有效降低。

（3）非圓柱齒輪作為行星齒輪。與非圓錐齒輪相比，非圓柱齒輪端面是一個圓面，因此在端面上設計行星齒輪軸孔時，軸孔距齒根部最短距離將增大，不會影響齒根強度。

（4）對軸向誤差不敏感。非圓柱齒輪軸向齒廓均相同，因此軸向的裝配誤差不會導致傳動產生較大的沖擊和波動。

因此設計出能滿足變速比限滑差速器使用要求的端曲面齒輪副，對提升軍用汽車越野通過能力具有一定的理論研究意義和工程應用價值。

1.3研究現狀

在國內，從20世紀90年代初開始，變速比限滑差速器的相關研究陸續(xù)展開，迄今為止取得了一系列的研究成果。1990年，西安交通大學王小椿教授首先在圓錐齒輪的基礎上，通過修改齒廓實現傳動比以周節(jié)為周期的小幅度波動，研制出一種單周節(jié)變速比限滑差速器；該差速器主要存在兩點缺陷：一是傳動比的變化幅度較小，無法滿足汽車越野行駛的要求；二是傳動比的變化周期過短，容易產生沖擊。經過不斷的研究改進，王小椿教授于2001年研制出一種三周節(jié)變速比限滑差速器，該差速器利用兩半軸齒輪之間傳動比的周期性變化給差動運動形成一個勢壘，顯著增大了差速器的鎖緊系數，縮短了車輛制動距離，提升了車輛牽引力。2003年，軍事交通學院賈巨民教授及其團隊提出了一種利用保測地曲率映射原理設計非圓錐齒輪的方法，并基于該方法設計出一種非圓錐齒輪副變速比限滑差速器；該差速器可以在不改變圓錐齒輪差速器總體結構情況下，依靠齒輪傳動的變速比效應增大其鎖緊系數，使得傳動比變化周期不受單周節(jié)限制，變化范圍能夠顯著增大，克服了三周節(jié)變速比限滑差速器傳動比變化周期短、變化范圍小、容易造成脈動和沖擊的缺陷，提高了汽車的越野通過能力。在此差速器基礎上，2012年賈巨民教授又提出一種新型非圓錐齒輪限滑差速器，該差速器有兩個行星齒輪，兩個半軸齒輪，對稱安裝，行星齒輪轉一圈為一個周期，半軸齒輪轉一圈為兩個周期，克服了周節(jié)與齒數的限制，能夠最大限度地提高傳動比的變化范圍（達到€？0%），顯著增大了差速器的鎖緊系數，進一步提升了差速器的限滑能力。2016年賈巨民團隊成員陳雨青利用螺旋錐齒輪的基本理論設計出一種螺旋非圓錐齒輪副，并將其應用在變速比限滑差速器中作為核心構件替代直齒非圓錐齒輪副，通過理論計算和相關試驗表明螺旋非圓錐齒輪副應用在差速器領域具有可行性，而且相比直齒非圓錐齒輪副具有更好的嚙合性能。

2限滑原理

2.1差速器工作原理

圖1所示為差速器原理簡圖。在汽車行駛過程中，假設行星齒輪軸對行星齒輪的作用力為F，左半軸齒輪對行星齒輪作用的力為F1，產生的扭矩為T'1，右半軸齒輪對行星齒輪的力為F2，產生的扭矩為T'2，其中：

（1）

對行星齒輪進行受力分析，因為行星齒輪處于平衡狀態(tài)，因此有

（2）

由牛頓第三定律可知行星齒輪會分別對左右半軸齒輪產生大小相等、方向相反的作用力F'1和F'2

對左半軸齒輪進行受力分析，其受到的扭矩為

T1=F'1€譒左 （3）

對右半軸齒輪進行受力分析，其受到的扭矩為

T2=F'2€譒右 （4）

由行星齒輪與半軸齒輪的傳動規(guī)律可以得到：endprint

（5）

因此在不考慮內摩擦的情況下，差速器的理論鎖緊系數

（6）

在普通差速器中，由于i2/i1=1，因此其幾乎不具備變扭矩分配的能力。在變速比限滑差速器中，i2/i1是根據行星齒輪的自轉而呈周期性變化的，使得變速比限滑差速器左右半軸齒輪分配的扭矩也是周期性變化的，從而起到限滑作用。在實際應用中，由于差速器的齒輪副之間還存在內摩擦，因此變速比限滑差速器的實際鎖緊系數將比理論鎖緊系數更大。

2.2非圓錐齒輪副限滑原理

當非圓錐齒輪副限滑差速器處于平衡位置時，L1=L2、L左=L右，因此不進行差速，左右半軸齒輪分配的扭矩相同。當左側車輪速度大于右側車輪時，行星齒輪就會順時針旋轉，由于非圓錐齒輪副的特殊齒形，將使得L1>L2、L右>L左，導致左側車輪扭矩變小，右側車輪扭矩變大。當右側車輪速度大于左側車輪時，同理可得行星齒輪會逆時針旋轉，使得左側車輪扭矩變大，右側車輪扭矩變小。

2.3端曲面齒輪副限滑原理

通過上文的分析可以看出，非圓錐齒輪限滑差速器是通過非圓錐齒輪副特殊的齒形，使得快轉輪上行星齒輪力臂增大，半軸齒輪受力減小、同時力臂變短；與此同時，慢轉輪上的行星齒輪力臂變短，半軸齒輪受力增大、同時力臂變長；這樣將使得快轉輪上分配的扭矩變小，慢轉輪上分配的扭矩變大，從而起到限滑作用。

如圖2所示是將端曲面齒輪副作為差速器核心構件時齒輪副位置示意圖。從圖中可以看出，如果將非圓柱齒輪作為行星齒輪，端曲面齒輪作為半軸齒輪，同樣能夠實現行星齒輪力臂和半軸齒輪受力的周期性變化，因此只要選擇合適的傳動比，端曲面齒輪副可以運用在變速比限滑差速器中替代非圓錐齒輪副的作用。

3結語

（1）分析了變速比限滑差速器的研究背景，闡述了變速比限滑差速器端曲面齒輪副的研究意義，總結了變速比限滑差速器的研究現狀。

（2）從差速器的工作原理入手，分析了非圓錐齒輪副限滑差速器的限滑原理。在此基礎上，從齒形的角度說明了端曲面齒輪副可以替代非圓錐齒輪副，因此設計變速比限滑差速器端曲面齒輪副是可行的。

參考文獻

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