分享差速器总成结构与性能参数分析

更新日期:2020-04-25 16:14:23 星期六
摘要:

1 驱动桥概述 汽车驱动桥是传动系统的重要组成部分,一般位于传动系的末端。它主要由主减速器、差速器、半轴、桥壳 […]

1 驱动桥概述

汽车驱动桥是传动系统的重要组成部分,一般位于传动系的末端。它主要由主减速器、差速器、半轴、桥壳等组成。

驱动桥的布置形式有多种,按照分布位置的不同可分为前驱、后驱和四驱(即两个驱动桥)。目前应用较为广泛的有发动机前置前轮驱动、发动机前置后轮驱动两种。发动机前置前轮驱动是将驱动桥与变速箱连为一体,扭矩在传递时直接从变速箱输入到主减速器,省去了传动装置。这使得整车结构更为紧凑,乘坐舒适性好,燃油经济性高。发动机前置后轮驱动是一种较为传统的布置形式,相比于前置前驱,驱动轮与地面有更大的附着力,因此该形式十分适合爬坡或加速启动,而且汽车的行驶平稳性和操纵灵活性好。此外还有发动机中置后轮驱动、发动机后置后轮驱动等等,不过应用范围较小。

驱动桥的功用主要有以下四点[1]:

①减速增扭,改变力矩的传递方向。汽车在行驶时要通过变速器来改变传动比,输出合适的转矩和转速。但是当变速器在最高档位时,输出的转速较高,因此需要将动力经主减速器处理,以降低转速,增大转矩。其次,发动机输出的动力要经过90°转向才能传给车轮,因此主减速器具有改变转矩传递方向的作用。

②满足左右车轮的差速要求,并合理分配转矩。汽车在不平路面行驶或转弯时,外侧车轮转速快,内侧车轮转速慢。为了满足这一要求,差速器通过行星齿轮的自转带动半轴齿轮,从而实现差速作用。同时,差速器还能合理的分配转矩以提高汽车通过性。

③传递转矩。驱动桥是一个动力传递机构,其中半轴的作用就是将差速器输出的转矩传到驱动车轮[2]。

④承载整车重量及传力。驱动桥中的桥壳具有很强的刚度和强度,其承受着路面与车架之间的铅垂力,也要承受驱动力和制动力等纵向力以及车辆转弯时产生的横向力。

2 差速器的结构与原理分析

差速器的功用主要有两种,一是将主减速器传来的动力传给左右两个半轴,二是起差速作用,保证车轮与地面做纯滚动。

2.1 圆锥齿轮差速器的结构分析

普通的圆锥齿轮差速器由2个半轴齿轮、行星齿轮轴(十字轴)、2-4个行星齿轮和壳体组成。动力按照主减速从动齿轮——差速器壳——行星齿轮轴——行星齿轮——半轴齿轮——半轴——驱动轮的顺序传递。当汽车右转弯时,附加阻力作用在行星齿轮上,所形成的力矩起到差速作用。其自转使行星齿轮左侧的圆周速度等于自转和周转速度之和,右侧等于自转和周转速度之差,导致左侧半轴转速加快,右侧半轴转速减慢,保证了汽车顺利过弯[3]。

差速器是一种行星齿轮机构,由于轴向力的存在,在实际使用过程中总会出现差速器磨损严重的情况,且以黏着磨损和疲劳磨损为主,这严重影响了差速器的工作性能,甚至影响了整车的安全性。因此在半轴齿轮和差速器壳体间装有平垫片,在行星齿轮和差速器壳体间装有球面垫片,同时要选择粗糙度低,硬度高的垫片,以减小差速器的磨损,延长使用寿命。

2.2 圆锥齿轮差速器的原理分析

2.2.1 差速原理分析

圆锥行星齿轮差速器工作原理如图1所示,ω0为主减速器从动齿轮的转速,由于差速器壳与主减速器从动齿轮固连在一起构成行星齿轮架,所以ω0既为差速器壳的转速。ω1、ω2分别为左右半轴齿轮的转速。

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图1 圆锥齿轮差速器的工作原理图

①汽车在平直路面沿直线行驶。

行星齿轮带动半轴齿轮一起,绕着半轴中心线公转,而无自转运动,此时ω1=ω2=ω3,差速器不起差速作用。

②汽车转弯行驶及其他行驶情况。

差速器起差速作用时,行星齿轮不仅有绕半轴中心线的公转,还有绕行星齿轮轴的自转。这时行星齿轮一侧的圆周速度等于自转和周转速度之和,另一侧等于自转和周转速度之差。设行星齿轮的自转为ω3,则外侧车轮及其半轴的转速将增高,其转速为:

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内侧车轮及其半轴的转速将降低,其转速为:

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z1、z3分别为外侧半轴齿轮和行星齿轮的齿数。

将以上两式相加可以得到:

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这就是圆锥行星齿轮差速器的运动特性方程式[4]。

2.2.2 扭矩分配特性分析

扭矩经主减速器传递给差速器,并由差速器按比例分配给左右两个驱动轮。在图1中,F表示行星齿轮受到十字轴的作用力,其方向指向上;行星齿轮两侧会受到F/2的反作用力,其方向指向下。ΔF表示由于摩擦元件运动带来的附加阻力。

①汽车在平直路面沿直线行驶。

当汽车在平直路面沿直线行驶时,差速器各摩擦元件没有相对运动,差速器只受到F、F/2的作用力,其受力达到平衡,且半轴齿轮的半径相等,都为r,因此传递给左右半轴的扭矩是相等的。输入扭矩M0、输出扭矩M1、M2满足下列关系。

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②汽车转弯行驶及其他行驶情况。

当汽车转弯行驶及其他行驶情况时,行星齿轮受到附加阻力ΔF并开始自转,其自转力矩为2ΔFr'(r'为行星齿轮的半径),此力矩使得行星齿轮对左右半轴齿轮施加大小相等,方向相反的力,如图1所示。

对于外侧半轴齿轮来说,其旋转速度较快、力矩较小,

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对于内侧半轴齿轮来说,其旋转速度较慢、力矩较大,

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M0、M1、M2满足下列关系。

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由于普通圆锥行星齿轮差速器的内摩擦力不大,所以传递给左右半轴齿轮的力矩可近似看成相等。这就是普通圆锥行星齿轮差速器的转矩分配特性。

2.2.3 力学特性分析

差速器中的内摩擦力矩存在于以下部位:一是行星齿轮与壳体、齿轮轴之间,内摩擦力矩统一用Msp表示;二是行星齿轮与滑动轴承之间,用Mbp表示;三是半轴齿轮与壳体之间,用Msd表示

①行星齿轮受力分析。

对行星齿轮进行受力分析,如图2所示。

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图2 行星齿轮受力分析图

Fn表示半轴齿轮对行星齿轮的正压力,将Fn分解为Fn1、Fn2、Fn3。Fn1是等效圆周力,它使行星齿轮有自转的趋势;Fn2是正压力的径向分量,它使行星齿轮与半轴齿轮之间有压紧的趋势;Fn3是正压力的轴向分量,它使行星齿轮有沿着齿轮轴移动的趋势。则有如下关系式:

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其中α是行星齿轮的压力角,θ是锥顶角。

由式(8)可得:

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设半轴齿轮的节圆半径为rd,行星齿轮的节圆半径为rp,与齿轮轴相配合的孔半径为rk,球面大端半径为r,背球面半径为Rs,差速器的输入扭矩为M0,则行星齿轮与壳体之间的正压力为[5]:

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μsp为行星齿轮与壳体之间的滑动摩擦系数,则两者之间的摩擦力为:

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摩擦力矩可表示为:

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经整理:

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同理,行星齿轮与滑动轴承之间的摩擦力为:

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经整理可得摩擦力矩为:

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②半轴齿轮受力分析。

对半轴齿轮进行受力分析,如图3所示。

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图3 半轴齿轮受力分析图

pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40表示行星齿轮对半轴齿轮的正压力,其可以分解为径向力pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40、轴向力pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40以及合力pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40,pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40除了包括等效圆周力外,还包括Msp、Mbp在半轴齿轮上产生的附加力。有如下关系式:

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式中,α行星齿轮的压力角,β是半轴齿轮的锥顶角。

由式(16)得

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设μsd是半轴齿轮与壳体间的动摩擦系数,则摩擦力为

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pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40对于内外半轴齿轮来说有不同的表达式,等效圆周力为pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40外侧齿轮表达式:

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内侧齿轮表达式:

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则外侧和内侧的摩擦力矩为:

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3 差速器的性能参数分析

评价差速器的性能参数主要有锁紧系数和转矩分配系数。

锁紧系数是表征差速器“锁紧”程度的物理量,目前锁紧系数K主要有两种表示方式,第一种是

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M1——快转半轴上的转矩;

M2——慢转半轴上的转矩。

即慢转半轴侧的转矩与快转半轴侧的转矩比的最大值。该表达式说明了使差速器工作的转矩条件,左右两侧半轴转矩相差的比值必须大于等于锁紧系数,差速器才会工作起差速作用。值是一个大于1的数。

第二种表达方式:

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式中

ΔM——差速器的内摩擦力矩;

M0——差速器的输入转矩。

即差速器的内摩擦力矩与输入转矩的比值。此表达式下的 K<1。

转矩分配系数是慢转半轴的转矩占总输入转矩的总比值,用公式表示为:

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它表征了左右转矩的分配情况,显然ξ<1,一般来说,ξ值较大的差速器其锁紧系数也较大。

锁紧系数K和转矩分配系数ξ是评价差速器的主要性能参数,企业在生产汽车时,会根据车型,适用路面和客户需求来选择合适的差速器。一般来说,似乎锁紧系数越大越好,但是过大的锁紧系数会带来一系列诸如转向困难、行驶不稳等问题,因此锁紧系数应限定在一个适当的范围内。对于普通圆锥齿轮差速器来说,K=1.1~1.5、ξ=0.55~0.6的取值是合适的,但是对于越野汽车等要在复杂路面行驶的车辆来说,还应继续提高锁紧系数。

4 结语

本文详细介绍了驱动桥和差速器的结构特点;重点研究了差速器的工作原理,从差速原理、转矩分配特性、力学特性三个方面进行了分析;在充分考虑内摩擦因素的基础上,构建了内摩擦力矩的计算模型;最后分析了锁紧系数和转矩分配系数对差速器性能的影响,为汽车选择合适的差速器有一定的指导意义。


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