汽車液力差速器的設(shè)計

高靜雪，張 坤，曹 真，董 梅，毛理想

（山東華宇工學(xué)院 機械工程學(xué)院，山東 德州 253034）

引言

運輸車輛的廣泛應(yīng)用對國民經(jīng)濟發(fā)展起著重要作用，特別是皮卡汽車、重卡、工程車輛等在遠(yuǎn)距離運輸、礦山開發(fā)等行業(yè)中，占據(jù)著主導(dǎo)地位，在國內(nèi)擁有極大的市場保有量。同時，對這些車輛的維修維護也在一定程度上增加了主機廠的生產(chǎn)成本和用戶的使用成本。由于這類車輛在工作過程中經(jīng)常面臨大扭矩的復(fù)雜工況，造成車輛驅(qū)動橋差速器齒輪因過載損壞率較高，更換差速器齒輪的成本一般較高。針對該問題，研究了與傳統(tǒng)機械式差速器不同的液力差速器，其采用的液力傳動技術(shù)替代了傳統(tǒng)差速器的剛性連接，利用液力變矩器的工作特性和工作原理，實現(xiàn)液力差速器傳遞扭矩和自動防滑差速的功能，同時實現(xiàn)過載保護，提高主速器和差速器的使用壽命，保證了汽車在各行駛工況下的正常工作[1]。

1 液力差速器結(jié)構(gòu)原理

以皮卡汽車為設(shè)計對象，在其整車技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用液力變矩器工作原理，展開液力差速器的參數(shù)計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計，皮卡汽車的主要參數(shù)如表1所示。傳統(tǒng)的液力變扭器有3個工作輪，即泵輪、渦輪和導(dǎo)輪，如圖1所示。發(fā)動機運轉(zhuǎn)時帶動液力變矩器的殼體和泵輪與之一同旋轉(zhuǎn)，泵輪 內(nèi)的液壓油在離心力的作用下，由泵輪葉片外緣沖向渦輪。并沿渦輪葉片流向?qū)л啠俳?jīng)導(dǎo)輪葉片流回泵輪葉片內(nèi)緣，形成循環(huán)的液流。導(dǎo)輪則位于泵輪和渦輪之間，并與泵輪和渦輪保持一定的軸向間隙，通過導(dǎo)輪固定套固定于變速器殼體。導(dǎo)輪的作用是改變渦輪上的輸出扭矩。葉片也是液力差速器設(shè)計的核心問題[2]。由于從渦輪葉片下緣流向?qū)л喌囊簤河腿杂邢喈?dāng)大的沖擊力，只要將泵輪、渦輪和導(dǎo)輪的葉片設(shè)計成一定的形狀和角度，就可以利用上述沖擊力來提高渦輪的輸出扭矩。

表1 皮卡汽車整車技術(shù)參數(shù)

圖1 液力變矩器基本結(jié)構(gòu)

液力差速器的動力傳遞方式由原來的齒輪嚙合改為液力傳動，動力傳遞原理與液力變矩器相同，其工作原理如圖2所示。液力差速器結(jié)構(gòu)主體由中間泵輪和兩側(cè)渦輪組成，傳統(tǒng)的機械式差速器殼體（主減速器從動錐齒輪盤）作為泵輪，渦輪作為兩側(cè)半軸齒輪輸出動力，發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩通過變速器傳遞后，通過中間泵輪帶動液力差速器的渦輪旋轉(zhuǎn)，兩側(cè)渦輪分別與驅(qū)動橋左右半軸相連，進而驅(qū)動車輪使汽車行駛。該結(jié)構(gòu)取消兩側(cè)車輪的剛性連接，運動過程中兩側(cè)車輪相互獨立。其各工況下的工作特性為以下三類：

圖2 液力差速器工作原理框圖

（1）汽車直線行駛工況：兩側(cè)渦輪轉(zhuǎn)速相等，泵輪轉(zhuǎn)矩被平均分配到兩側(cè)渦輪。

（2）汽車轉(zhuǎn)向行駛工況：兩側(cè)車輪出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差時，兩側(cè)車輪分別通過各自的渦輪與泵輪保持相對轉(zhuǎn)動，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的自動調(diào)整。

（3）有一側(cè)車輪附著條件不好，需要差速器鎖止實現(xiàn)防滑功能時：因為只要泵輪、渦輪之間存在轉(zhuǎn)速差，兩者之間即能實現(xiàn)扭矩傳遞，因此該工況下附著條件不好一側(cè)的車輪滑轉(zhuǎn)，其渦輪轉(zhuǎn)速與泵輪轉(zhuǎn)速一致，泵輪渦輪不傳遞扭矩；但另一側(cè)車輪附著良好，該側(cè)渦輪與泵輪之間有較大轉(zhuǎn)速差，泵輪上大部分轉(zhuǎn)矩傳遞到該側(cè)渦輪，驅(qū)動附著良好的車輪運動，實現(xiàn)汽車驅(qū)動。通過該過程，液力差速器無需設(shè)置差速鎖即可實現(xiàn)防滑功能，且不需駕駛員的干預(yù)。

通過該結(jié)構(gòu)，液力差速器能夠?qū)崿F(xiàn)自動差速與防滑功能，并能在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速，同時液力傳動具備過載保護功能，可以提高驅(qū)動橋的使用壽命。

2 液力差速器的參數(shù)設(shè)計

2.1 傳動流體基本性質(zhì)

液力差速器傳動介質(zhì)為液力流體，其有一定黏性，液體的黏性大小用動力黏度μ來表示，動力黏度是液體黏性的度量，μ愈大黏性也愈大。在實際工作中，為方便解決問題，引入了一個運動黏度γ，它是動力黏度μ和密度ρ的比值，即γ=μ/ρ(m2/s)。由于黏度的存在使液體與壁面發(fā)生粘滯力，從而對流體運動產(chǎn)生影響，在實際的使用過程中影響因素較為復(fù)雜，比如溫度，溫度對液體黏性影響很大，液體黏度隨溫度的升高而降低，這對液體傳動有較大的影響，圖3為不同液體的黏溫特性曲線。在計算過程中根據(jù)實際情況將其簡化為理想流體。假設(shè)的理想流體黏度很小，可以忽略不計，故流體對壁面沒有黏滯力，在任何表面上只有法向力而沒有切向力，從而使理想流體動壓力具有靜壓力的性質(zhì)。

圖3 不同液體的黏溫特性曲線

2.2 液力差速器傳動流體的運動形態(tài)

液力差速器的泵輪與變速器的輸出軸相連，充填在泵輪腔內(nèi)的工作液體隨泵輪同速轉(zhuǎn)動（即液體質(zhì)點繞工作輪軸線O1做牽連運動），與此同時液體質(zhì)點在流道內(nèi)沿著工作葉輪葉片做相對運動，這兩種運動合成了液體質(zhì)點的絕對運動-螺旋環(huán)流運動，如圖4所示。液力傳動元件之所以能傳遞能量完全依靠液體在工作腔內(nèi)做螺旋環(huán)流運動，所以沒有螺旋環(huán)流運動也就沒有液力傳動。因此液力差速器基本參數(shù)的設(shè)計計算，從分析螺旋環(huán)流運動的存在條件開始[3]。

圖4 液體在液力差速器工作葉輪中螺旋環(huán)流運動示意圖

2.3 液力差速器基本參數(shù)的計算

根據(jù)傳動流體的理想化假設(shè)，我們采取靜壓泄液式液力變矩器器標(biāo)準(zhǔn)形工作腔循環(huán)圓模型進行計算，標(biāo)準(zhǔn)模型如圖5所示。

圖5 靜壓泄液式液力變矩器工作腔

首先液力差速的實質(zhì)是離心式水泵與渦輪機的組合。當(dāng)動力機通過輸入軸帶動液力差速器泵輪旋轉(zhuǎn)時，充填在液力差速器工作腔內(nèi)的工作液體受離心力和工作葉片的雙重作用，從半徑較小的的泵輪入口被加速加壓拋向半徑較大的泵輪出口，同時，液體的動量矩獲得增量，即泵輪將動力機輸入的機械能轉(zhuǎn)化成了液體動能。當(dāng)具有液體動能的工作液體由泵輪出口沖向?qū)γ娴臏u輪時，液流便沖擊渦輪葉片使之與泵輪同方向轉(zhuǎn)動，即液體動能又轉(zhuǎn)化成了機械能，驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)并帶動工作機做功[3]。

首先為了保證汽車動力性能，按該車額定功率工況計算，此時液力差速器傳遞的最大功率為Pe=120 kW，傳遞的最高轉(zhuǎn)速為nmax=5600/0.725=7724 r/min。

假如泵輪與傳動軸或變速器輸出相連，不計摩擦鼓風(fēng)及軸承損傷設(shè)計工況下：確定差速器的泵輪的比轉(zhuǎn)速nsB=60 r/min，確定泵輪所建立的能頭HB：泵輪傳給工作液體的功率由工作腔循環(huán)流量q和液體流過泵輪后獲得的決定能頭nB決定[4-5]，由式得：

確定循環(huán)流量q：

由式得：

確定循環(huán)圓內(nèi)徑與外徑的比值：對應(yīng)得到循環(huán)圓內(nèi)徑與外徑（循環(huán)圓直徑）D的比值con，即比值con根據(jù)傳遞功率的要求參考現(xiàn)有的性能接近設(shè)計要求的液力差速器結(jié)構(gòu)預(yù)先選取循環(huán)圓內(nèi)徑d0，現(xiàn)有液力耦合器的con值一般在0.23～0.54之間。根據(jù)傳遞功率的要求，參考現(xiàn)有性能接近設(shè)計要求的液力差速器結(jié)構(gòu)預(yù)先確定一個循環(huán)圓內(nèi)徑d0。

確定軸面速度Vm，根據(jù)所選的比轉(zhuǎn)速查得α=0.075

式中：Vm為軸面速度m/s；α為進口速度系數(shù)，由比轉(zhuǎn)速確定。

確定工作輪進口和出口處的軸面過流斷面面積F1和F2：

式中：F1、F2工作輪進口和出口處的軸面過流斷面面積，m2：

確定泵輪進口半徑RB1：

確定泵輪進口液體圓周速度uB1：

由式得：

確定泵輪出口半徑RB2由式得：

確定泵輪出口處流道寬度bB2：

由式得：

確定循環(huán)圓有效直徑：

圓整后取D=250 mm，循環(huán)圓內(nèi)徑與循環(huán)圓有效直徑的比d0/D=100/250=0.4與所選腔型的d0/D比較接近。

確定工作輪葉片數(shù)ZB，根據(jù)計算結(jié)果D=250 mm查表得ZB=30，ZT=28。

循環(huán)圓的其他幾何尺寸如下：

過渡圓半徑：

間隙Δ：

擋板直徑d2：

循環(huán)圓實際是工作液體在各工作輪內(nèi)循環(huán)流動是流道的軸面形狀，工作液體循環(huán)流動是一個封閉的軌跡，因而起名為循環(huán)圓[6]。

通過上述計算，得到該液力差速器的基本參數(shù)如表2所示。

表2 液力差速器基本參數(shù)表

3 結(jié)論

根據(jù)以上對液力差速器結(jié)構(gòu)原理的闡述和具體參數(shù)的計算，以最終求得的數(shù)據(jù)結(jié)果為基礎(chǔ)，利用三維模型軟件UG建立了該液力差速器的三維模型效果圖，如圖6所示。

圖6 汽車液力差速器三維模型效果圖[7]

該結(jié)構(gòu)的液力差速器可以在汽車行駛過程中實現(xiàn)自動差速與防滑，有效提高汽車驅(qū)動橋的可靠性，通過計算得到的液力差速器基本參數(shù)，可以為后續(xù)結(jié)構(gòu)性能仿真和樣機制作提供數(shù)據(jù)依據(jù)。該結(jié)構(gòu)應(yīng)用過程中尚存在液力傳動效率較低的問題，也是今后重點研究的問題。