防滑差速器毕业论文2

目 录第一章 绪 论 111 差速器与防滑差速器的作用原理 .112 国内外防滑差速器发展现状 .2121 防滑差速器国外研究现状 .21. 2. 2 国内概况 .31.3 研究目的及意义 .41. 4 差速器的分类 .41.4.1 几种常见的防滑差速器的工作原理及优缺点 .51.5 本课题的研究的主要内容 .14第二章 防滑差速器的总体设计 162.1 对称式圆锥行星齿轮差速器原理 .1622 防滑差速器的结构型式选择 .20221 常见的防滑差速器的工作原理及优缺点 .202. 2. 2 选型结论 29第三章 差速器的结构设计 303.1 差速器齿轮材料选择 303.2 差速器齿轮的基本参数选择 .30全 文 结 论 34参考文献 35谢 辞 361第一章 绪 论11 差速器与防滑差速器的作用原理汽车行驶过程中，车轮与路面存在着两种相对运动状态：即车轮沿路面的滚动和滑动。滑动将加速轮胎的磨损，增加转向阻力，增加汽车的动力消耗。因此，希望在汽车行驶过程中，尽量使车轮沿路面滚动而不是滑动，以减少车轮与路面之间的滑磨现象。为了使车轮相对路面的滑磨尽可能地减少，同一驱动桥的左右两侧驱动轮不能由一根整轴直接驱动，而应由两根半轴分别驱动，使两轮有可能以不同转速旋转，尽可能地接近于纯滚动。两根半轴则由主传动器通过差速器驱动。传通行星齿轮防滑差速器是对普通差速器的革新与改进，它克服了普通差速器只能平均分配扭矩的缺点，可以使大部分甚至全部扭矩传给另外一个不滑转的驱动轮，以充分利用这一驱动轮的附着力而产生足够的牵引力，大大提高了汽车在双附着系数路面上的动力性和通过性，显著改善了汽车的操纵稳定性，有效地提高了汽车的行驶安全性是普通差速器的理想替代产品。因此，防滑差速器首先在越野汽车、中型和重型汽车、多功能汽车、工程机械以及拖拉机等车辆上得到广泛应用，近年轿车和商务车也有采用了。12 国内外防滑差速器发展现状121 防滑差速器国外研究现状国外对防滑差速器的研究开发比较早，早在 20 世纪 60 年代，为提高赛车的动力性和操纵稳定性，已有采用防滑差速器的例子。从图 11 中可以看出，进入 20 世纪 90 年代以来，有关防滑差速器的专利数量有大幅度的提高，这说明国外对于防滑差速器的研究非常重视，也非常深2入。 (1)转矩感应式防滑差速器根据输入转矩决定差动限制转矩的方式，从实现机构上可分为外螺旋式防滑差速器和多片摩擦式防滑差速器。多片摩擦式防滑差速器应用较广，它是依靠湿式多片离合器产生差动转矩，有转矩比例式、预压式及转矩比例式加预压式三种形式。在日本，转矩比例加预压式的装车率最高，它是依靠小齿轮轴两端的凸轮机构使压圈扩张。从而使设在半轴齿轮与差速器之间的湿式多片离合器产生摩擦力。但是前述机构在单侧齿轮仍然滑转的情况下，对半轴齿轮的驱动转矩也明显减小，所以用碟形弹簧给湿式多片离合器施加预压。典型产品有机械摩擦片式、锥盘式、蜗轮式等，如图 12 所示。(2)转速感应式防滑差速器这是一种差动限制转矩随着转速差的增加而增加的防滑差速器，被广泛应用的是粘性装置的防滑差速器。一旦产生转速差就可以依靠硅油的粘度、填充率、片的直径、件数等多种设计参数的不同而产生不同的防滑作用。该种防滑差速器工作平滑，能很好地提高驱动、转弯、制动等诸性能的均衡，并且也可应用于前轮驱动车或后轮驱动车上。典型产品有粘性联轴式、Gerodisc 式等，如图13 所示。(3)主动控制式防滑差速器这是一种用电子装置控制最大差动转矩的防滑差速器，可以使两侧驱动轮获得最佳驱动附着效果。这种装置在奔驰车或波尔舍车上均有应用。其构造同前述的多片摩擦式相似，其特征是可由外部控制湿式多片离合器的压紧力，因此在差速器罩壳上设有油压活塞。由于活塞上的油压由外部调节阀控制，所以能获得任意的最大差动限制转矩。虽然其技术难度比较大，成本比较高，但是以其优越的性能，在国外的汽车上得到了广泛的应用。典型产品有电磁控制式、电子控制式等，如图 14 所示。31. 2. 2 国内概况与国外相比，国内的防滑差速器研究起步较晚，尚无自主产品问世。应用比较广泛的都是一些机械式的，比如用于大众高尔夫轿车上的摩擦片式自锁差速器、用于中型和重型汽车上的牙嵌式自由轮差速器、用于奥迪 80 和奥迪 90 轿车上的托森差速器、用于高尔夫一辛克罗型轿车上的粘性联轴差速器等等，但是电予控制式防滑差速器却几乎没有应用。在这一点上，我国和国外的差距比较明显。1.3 研究目的及意义防滑差速器使汽车左右驱动轮之间驱动力得到了更好的匹配，消除了一般汽车存在的寄生功率及由此引起的功率损失。它在大幅度提高汽车动力性与通过性的同时，极大地改善了汽车行驶时的操纵稳定性、转向安全性及制动性等性能，是汽车传动系中极为理想的传动装置。防滑差速器在汽车上的应用越来越广泛，是一个有着广泛应用前景的产品。为了适应我国汽车工业的发展，迫切4需要开发适用的防滑差速器，开发适用的防滑差速器无疑将产生巨大的经济效益和社会效益，对促进我国汽车工业的发展、增强国产汽车的产品竞争力是非常重要的。国外已有各种形式的防滑差速器产品，但国内非常缺少成熟的防滑差速器配套产品，引进产品中虽也有装置了防滑差速器，但相关技术却未能引进或很难得到引进。随着我国汽车工业发展和技术进步的要求，对于防滑差速器的开发与应用研究项目开始提出，很多企业也有防滑差速器的开发计划。目前关于防滑差速器方面的技术资料很少，在汽车、拖拉机、工程机械等相关专业构造教材和引进产品的结构与维修一类图书或使用手册中只介绍了一些防滑差速器的结构和原理，即使是 2001 年以后出版的汽车工程手册、汽车设计教材和汽车试验标准等也未涉及防滑差速器的设计计算方法和试验方法。经文献检索，有关防滑差速器设计方面的论文仅有少数几篇，关于其试验方法研究基本没有。鉴此，开展防滑差速器的设计计算方法、防滑性能、试验方法及其在汽车产品中的应用研究，具有重要的理论意义和实用价值。1. 4 差速器的分类差速器的结构型式选择，应从所设计汽车的类型及其使用条件出发，以满足该型汽车在给定的使用条件下的使用性能要求。差速器的结构型式有多种，其主要的结构型式如图 1.5 所示：图 1.5 差速器结构型式框图大多数汽车都属于公路运输车辆，对于在公路上和市区行驶的汽车来说，由于路面较好，各驱动车辆与路面的附着系数变化很小，因此几乎都采用了结构简单、工作平稳、制造方便、用于公路汽车也很可靠的普通对称式圆锥行星齿轮差速器，作为安装在左、右驱动轮间的所谓轮间差速器使用；对于经常行驶在泥泞、松软土路或无路地区的越野汽车来说，为了防止因某一侧驱动车轮5滑转而陷车，刚可采用防滑差速器。后者又分为强制锁止式和自锁式两类。自锁式差速器又有多种结构型式的高摩擦式和自由轮式的以及变传动比式的。这些差速器的详细结构情况见以下各节。1.4.1 几种常见的防滑差速器的工作原理及优缺点常见的防滑差速器有强制锁止式差速器、高摩擦自锁式差速器、牙嵌式自由轮式差速器和托森差速器等，下面就来简要的说一下它们的工作原理及各自的特点。1.4.1.1 强制锁止式差速器为了提高汽车在坏路上的通过能力，可采用各种形式的防滑差速器。其共同出发点都是在个驱动轮滑转时，设法使大部分转矩甚至全部转矩传给不滑转的驱动轮，以充分利用这一驱动轮的附着力而产生足够的牵引力，使汽车能继续行驶。为实现上述要求，最简单的办法是在对称式锥齿轮差速器上设置差速锁，使之成为强制锁止式差速器。当一侧驱动轮滑转时，可利用差速锁使差速器不起差速作用。图 1.6 为瑞典斯堪尼亚 LTIl0 型汽车上所用的强制锁止式差速器。首先应予说明，该车由于在单级主减速器之前，有一对外啮合圆柱齿轮传动，因而主减速器从动齿轮布置在主动齿轮的右侧，以保证驱动车轮的转动方向与汽车前进方向相适应。差速锁由接合器及其操纵装置组成。端面上有接合齿的外、内接合器 9 和 10，分别用花键与半轴和差速器壳左端相连。前者可沿半轴轴向滑动，后者则以锁圈 8 固定其轴向位置。图示位置即接合器分离、差速器正常工作的状况。内、外接合器分别与差速器壳和左半轴一同旋转。6图 1.6 斯堪尼亚 LTll0 型汽车的强制锁止式差速器图该车采用电控气动方式操纵差速锁。当汽车的一侧车轮处于附着力较小的路面上时，可按下仪表板上的电钮，使电磁阀接通压缩空气管路，压缩空气便从气路管接头 3 进入工作缸 4，推动活塞 1 克服压力弹簧 7，带动外接合器 9 右移，使之与内接合器 10 接合。结果，左半轴 6 与差速器壳 11 成为刚性连接，差速器不起差速作用。即左右两半轴被连锁成一体一同旋转。这样。当一侧驱动轮滑转而无牵引力时，从主减速器传来的转矩全部分配到另-N 驱动轮上，使汽车得以正常行驶。当汽车通过坏路后驶上好路时，驾驶员通过电钮使电磁阀切断高压气路，并使工作缸通大气，缸内压缩空气即经电磁阀排出。于是，弹簧 7 回位，推动活塞使外接合器左移回到分离位置。仪表板上设有信号装置。当按电扭接合差速锁时，亮起红色信号灯，以提醒驾驶员注意，汽车驶入好路面后应及时摘下差速锁。差速锁一分离，红灯即熄灭。强制锁止式差速锁结构简单，易于制造；但操纵不便，一般要在停车时进行。而且如果过早接上或过晚摘下差速锁，亦即在好路段上左、右车轮仍刚性连接，则将产生前已述及的在无差速器情况下出现的一系列问题。1.4.1.2 摩擦片式自锁差速器摩擦片式自锁差速器是在对称式锥齿轮差速器的基础上发展而成的(图 1.6)。为增加差速器内摩擦力矩，从而提高汽车的有效转矩利用率，在半轴齿轮与差速器壳 1 之间装有摩擦片组 2。4-字轴由两根相互垂直的行星齿轮轴组成，其端部均切出凸 V 形面 6，相应地差速器壳孔上也有凹 v 形面，两根行星齿轮轴的 V 形面是反向安装的。每个半轴齿轮的背面有推力压盘 3 和摩擦片组 2。摩擦片组 2 由薄钢片 7 和若干间隔排列的主动摩擦片(摩擦板)8 及从动摩擦片(摩擦盘)9 组成。推力压盘以内花键与半轴相连，而轴颈处用外花键与从动摩擦片连接，主动摩擦片(伸出两耳的摩擦板)则用两耳花键与差速器壳 l 的内键槽相配。推方压盘和主、从动摩擦片均可作微小的轴向移动。当汽车直线行驶、两半轴无转速差时，转矩平均分配给两半轴。由于差速器壳通过斜面对行星齿轮轴两端压紧，斜面上产生的轴向力迫使两行星齿轮轴分别向左、右方向(向外)略微移动，通过行星齿轮使推力压盘压紧摩擦片。此时，转矩经两条路线传给半轴：一路经行星齿轮轴、行星齿轮和半轴齿轮，将大部分转矩传给半轴：另一路则由差速器壳经主、从动摩擦片、推力压盘传给半轴。当汽车转弯或一侧车轮在路面上滑转对，行星齿轮自转，起差速作用，左、右半轴齿轮的转速不等。由于转速差的存在和轴向力的作用，主、从动摩擦片问在滑转同时产生摩擦力矩，其数值大小与差速器传递的转矩和摩擦片数量成正比，而其方向与快转半轴的旋向相反，与慢转半轴的旋向相同。较大数值的内摩擦力矩作用的结果，使慢转半轴传递的转矩明显增加。摩擦片式差速器结构简单，工作平稳，锁紧系数 K可达 0607 或更高，常用于轿车和轻型汽车上。还有一种预压弹簧摩擦片式防滑差速器，它的结构如图 1.7 所示。它出差速器左右壳、弹性圆柱销、行星齿轮止推垫片、半轴齿轮、摩擦片导块、半轴齿轮止推垫片、预压弹簧、主从动摩擦片、弹簧挡板等组成。当汽车的两侧车轮的附着条件相同时，由主减速器传给的转矩，平均分配7绘左右半轴。当两侧车轮的附着条件不相同时，由于差速器壳内的预压弹簧通过弹簧挡板对半轴齿轮加压，这迫使行星齿轮分别向左右方向移动，通过半轴齿轮压紧摩擦片。此时，左右壳内端面与摩擦片之间都产生摩擦，从而产生内摩擦转矩， 图 1.6 摩擦片式自锁差速器图8图 1.7 预压弹簧摩擦片式防滑差速器图进而实现转矩的重新分配，提高车辆在坏路面的通过能力。这种防滑差速器的结构简单，容易制造，可以产生很大的摩擦力矩，但是，预紧弹簧通过弹簧挡板和半轴齿轮始终压紧摩擦片，这在增加摩擦片磨损的同时，也增加了油耗。适用于越野汽车，载货汽车及轿车等各种车辆。1.4.1.3 滑块凸轮式差速器滑块凸轮式差速器是利用滑块与凸轮之间产生较大数值的内摩擦力矩，以提高锁紧系数的一种高摩擦自锁式差速器。图 1.8 为汽车中、后驱动桥之间采用的滑块凸轮式轴间差速器。转矩由传动轴经凸缘盘 1 和轴间差速器分配给中桥主动龃线齿锥齿轮 18 和后桥的传动轴26。轴间差速器由主动套 6、8 个短滑块 7 及 8 个长滑块 8、接中桥的内凸轮花键套 9、接后桥的夕凸轮花键套 25 及轴问差速器壳 27 和盖 24 组成。内凸轮花键套 9 用花键与中桥主动曲线齿锥齿轮 18 相连，其前端内表面有13 个圆弧凹面。外凸轮花键套 25 用花键与后桥传动轴 26 相连，其外表面有 11个圆弧凹面。主动套 6 前端与凸缘盘 1 用花键连接，后端空心套筒部分即装在内、外凸轮之间，空心套筒上铣出 8 条穿通槽，每个槽内装长、短滑块各一个。所有滑块均可在槽内沿径向自由滑动。为了使滑块及内、外凸轮磨损均匀，相邻两槽内滑块的装法不同，其中一个槽内长滑块在前，短滑块在后，而另一槽内滑块装法则相反。当汽车在平直路上直线行驶，中、后驱动桥车轮无转速差时，中桥主动曲线齿锥齿轮 18 和后桥传动轴 26 的转速相同，即轴间差速器没有差速作用。此9时，转矩由凸缘盘 1 输入，经主动套 6，滑块 7 和 8，内、外凸轮花键套 9 和25，分别传给中桥和后桥。内、外凸轮花键套和主动套三者的转速相等。当汽车转弯或在不平道路上行驶，或由于中、后桥驱动轮半径不等等原因，巾、后两驱动桥出现转速差时，主动套 6 槽内的滑块，一方面随主动套旋转并带动内、外凸轮花键套旋转，同时在内、外凸轮间沿槽孔径向滑动，保证中、后两驱动桥得以在不脱离传动的情况下实现差速。且由于滑动与内、外凸轮闯产生的摩擦力矩起作用，使慢转的驱动轮上可以得到比快转驱动轮更大的转矩。假设中桥驱动轮因陷于泥泞路面而滑转，此时驱动桥的外凸轮花键套 25 的转速 n：，小于主动套 6 的转速 n。 ，而驱动中桥的内凸轮花键套 9 的转速“，则大于主动套转速” 。 。相应的滑块作用于内、外凸轮的摩擦力方向如图 27 所示。滑块作用于内凸轮上的摩擦力只造成的力矩方向与转动方向相反，而使内凸轮所受的转矩减小；作用于外凸轮上的摩擦力造成的力矩方向与转动方向相同，故使外凸轮所受的转矩增加。因此，中、后驱动桥上的转矩得到重新分配。滑块凸轮式差速器的锁紧系数与凸轮表面的摩擦因数和倾角有关，一般K可达 05-07。这种差速器可在很大程度上提高汽车的通过性，但结构复杂，加工要求高，摩擦件的磨损较大。它既可用作轴间差速器，也可用作轮间差速器。1.4.1.4 牙嵌式自由轮差速器中、重型汽车常采用牙嵌式自由轮差速器，其结构如图 1.9 所示。差速器壳的左右两半 l 和 2 与主减速器从动齿轮用螺栓联接。主动环 3 固定在两半壳体之间，随差速器壳体一起转动。主动环 3 的两个侧面制有沿圆周分布的许多倒梯形(角度很小)断面的径向传力齿。相应的左、右从动环 4 的内侧面也有相同的传力齿。制成倒梯形齿的目的，在于防止传递转矩过程中从动环与主动环自动脱开。弹簧 5 力图使主、从动环处于接合状态。花键毂 7 内外均有花键，外花键与从动环 4 相连，内花键连接半轴。当汽车的两侧车轮受到的阻力矩相等时，主动环 3 通过两侧传力齿带动左、右从动环 4、花键毂 7 及半轴一起旋转，如图 1.9d 所示。此时，由主减速器传给主动环的转矩，平均分配给左、右半轴。汽车转弯行驶时。要求差速器能起差速作用，为此，在主动环 3 的孔内装有中心环 9，它可相对主动环自由转动，但受卡环 10 限制而不能轴向移动。中心环 9 的两侧有沿圆周分布的许多梯形断面的径向齿，分别与两从动环 4 内侧面内圈相应的梯形齿接合。设此时左转弯(参见图 28e)，左驱动轮有慢转趋势，则左从动环和主动环的传力齿之间压得更紧，于是主动环带动左从动环、左半轴一起旋转，左轮被驱动；而右轮有快转的趋势，即右从动环有相对于主动环快转的趋势，于是在中心环和从动环内圈梯形齿斜面接触力的轴向分力作用下，从动环 4 压缩弹簧 5 而右移，使从动环上的传力齿同主动环上的传力齿不再接合，从而中断对右轮的转矩传递。同样，当一侧车轮悬空或进入泥泞、冰雪等路面时，主动环的转矩可全部分配给另一侧车轮。但是，从动环梯形齿每经轴向力作用，沿齿斜面滑动与主动环分离后，在弹簧力作用下，又会与主动环重新接合。这种分离与接合不断重复出现，将引起传递动力的脉动、噪声和加重零件的磨损。为避免这种情况，在从动环的传力齿与梯形齿之间的凹槽中，还装有带梯形齿的消声环 8(见图 1.9c)。消声环形似卡环，具有一定弹性，其缺口对着主动环上的伸长齿 12(图 1.9b)。在右驱10动轮的转速高于主动环的情况下，消声环 8 与从动环 4 上的梯形齿一起在中心环梯形齿滑过，到齿顶彼此相对，且消声环缺口一边被主动环上的伸长齿挡住(图 1.9f)时，从动环便被消声环挤紧而保持在离主动环最远的位置，轴向往复运动不再发生。当从动环转速下降到等于并开始低于主动环的转速时，从动环即在弹簧 5的作用下又重新与主动环接合。牙嵌式自由轮差速器能在必要时使汽车变成由单侧车轮驱动，明显提高了汽车的通过能力。此外，还具有工作可靠、使用寿命长等优点。其缺点是左右车轮传递转矩时，时断时续，引起车轮传动装置中载荷的不均匀性和加剧轮胎磨损。1.4.1.5 托森差速器托森(Torsen)差速器作为一种新型差速机构，在四轮驱动轿车上得到日益广泛的使用。它利用蜗杆传动的不可逆性原理和齿面高摩擦条件。使差速器根据其内部差动转矩(差速器的内摩擦力矩)大小而自动锁死或松开，即在差速器内差动转矩较小时起差速作用，而过大时自动将差速器锬死，有效地提高了汽车的通过性。托森差速器的结构如图 1.10 所示。同的直齿圆柱齿轮 6。蜗轮 8 和直齿圆柱齿轮 6 通过蜗轮轴 7 安装在差速器外壳 3 上。其中三个蜗轮与前轴蜗杆 9 啮合，另外三个蜗轮与后轴蜗杆 5 相啮合。与前、后轴蜗杆相啮合的蜗轮 8 彼此通过直齿圆柱齿轮相啮合，前轴蜗杆 9 和驱动前桥的差速器前齿轮轴 1 为体，后轴蜗杆 5 和驱动后桥的差速器后齿轮轴 4 为一体。当汽车驱动时，来自发动机的动力通过空心轴 2 传至差速器外壳3，差速器外壳 3 通过蜗轮轴 7 传到蜗轮 8，再传到蜗杆。前轴蜗杆 9 通过差速器前齿轮轴 l 将动力传至前桥，后轴蜗杆 5 通过差速器后齿轮轴 4 传至后桥，从而实现前、后驱动桥的驱动牵引作用。当汽车转向时，前、后驱动轴出现转速差，通过啮合的赢齿圆柱齿轮相对转动，使一轴转速加快，另一轴转速下降，实现差速作用。托森差速器的工作过程可分为下述几种情况：11图 1.8 滑块凸轮式轴间差速器图12图 1.9 牙嵌式自由轮差速器图(1)当 n1=n2，时，为汽车筐线行驶状况(图 1.11a)。设差速器壳转速为n0，前、后轴蜗杆转速分别为确、“， 。当汽车驱动时，来自发动机的动力通过空心轴 2 传至差速器外壳 3，再通过蜗轮轴 7 传到蜗轮 8(参阅图 29)，最后传到蜗杆。前、盾蜗杆轴将动力分别传至前、后桥。由于两蜗杆轴转速相等，故蜗轮与蜗杆之间无相对运动，两相啮合的直齿圆柱齿轮之间亦无相对传动，差迷器壳与两蜗杆轴均绕蜗杆轴线同步转动，即 n1=n2=n0。其转矩平均分配。设差速器壳接受转矩为 M。 ，前、后蜗杆轴上相应的驱动转矩分别为 M1、M2，则有Ml+M2=Mo。(2)当 n1n2 时，汽车转向或某侧车轮陷于泥泞路面时，如图 211b 所示。为便于分析，假设差速器壳不动，即 n0=0，又行 n1n2，在确 n1 作用下，前轴蜗杆动与其啮合的蜗轮转动，蜗轮两端的直齿圆柱齿轮 3 亦随之以转速一，13转动，同时带动与其啮合的直齿圆柱齿轮 4 以转速 H，反方向转动，齿轮 4 和后轴蜗轮一体。则后轴蜗轮应带动后轴蜗杆朝相反方向转动。显然这是不可能的，图 1.10 托森差速器的结构图因蜗杆传动副的传动逆效率极低。实际上，差速器壳一直在旋转，0，前、后轴蜗杆亦随之同向旋转。此时，两轴之间的转速差是通过一对相啮合的圆柱齿轮的相对转动来实现的。由上述分析可知，前轴蜗杆 1 使齿轮 3 转动，齿轮4 随之被迫转动，并迫使后轴蜗轮带动后轴蜗杆转动，因其齿面之间存在很大的摩擦力，限制了齿轮 4 转速的增加，阻止了齿轮 3 及前轴蜗杆转速的增加。显然，只有当两轴转速差不大时才能差速。(3)转矩分配原理。托森差速器是利用蜗杆传动副的高内摩擦力矩 M，进行转矩分配的。其原理简述如下：设前轴蜗杆 l 的转速大于后轴蜗杆 2(图 210b)的转速，即 n1n2：，前轴蜗杆 l 将使前端蜗轮转动，蜗轮轴上的直齿圆柱齿轮3 也将转动，带动与之啮合的后端直齿圆柱齿轮 4 同步转动，而与后端直齿圆柱齿轮同轴的蜗轮也将转动，则后端蜗轮带动后轴蜗杆 2 转动。蜗轮带动蜗杆的逆传动效率取决于蜗杆的螺旋角及传动副的摩擦条件。对于一定的差速器结构，其螺旋角是一定的，故此时传动主要由摩擦状况来决定。即取决于差速器的内摩擦力矩 M， ，而 M，又取决于两端输出轴的相对转速。当 n1、n2 转速差比较小时，后端蜗轮带动蜗杆的摩擦力亦较小，通过差速器直齿圆柱齿轮吸收两侧输出轴的转速差。当前轴蜗杆较高时，蜗轮驱动蜗杆的摩擦力矩也较大，差速器将抑制该车轮的空转，将输入转矩吖多分配到后端输出轴上，转矩分14配为 M=M。-Mr，M2=M。+Mr。当 n2=0，前轴蜗杆空转时，由于后端蜗轮与蜗杆之间的内摩擦力矩 M，过高，使帆全部分配到后轴蜗杆上，此时，相当于差速器锁死不起差速作用。蜗轮式差速器转矩比 K。：罢掣，其中，口为蜗杆螺旋角，p 为摩擦角。 tant一 p)当 P=P 时，转矩比 K。-)oo，差速器自锁。一般 K6 可达 559，锁紧系数五可达 O708。选取不同的螺旋升角可得到不同的锁紧系数，使驱动力既可来自蜗杆，也可以来自蜗轮。为减少磨损，提高使用寿命，K。一般降低到 335 左右较好，这样即使在一端车轮附着条件很差的情况下，仍可以利用附图 2.11 托森轴间差速器工作原理图着力大的另一端车轮产生足以克服行驶阻力的驱动力。托森差速器由于其结构及性能上的诸多优点，被广泛用于全轮驱动轿车的中央轴间差速器及后驱动桥的轮间差速器。但由于在转速转矩差较大时有自动锁止作用，通常不用作转向驱动桥的轮间差速器。151.5 本课题的研究的主要内容1.介绍差速器与防滑差速器的应用原理；2.通过比较几种常见防滑差速器的优缺点，选择合适的防滑差速器；3.依据选择的防滑差速器进行设计与计算。表 1-1 东风 EQ240 汽车部分驱动桥差速器的参数齿数 12Z108差速器行星齿轮数 4齿面宽 F 6.15压力角 023节圆直径 12d61.57节锥距 0A 63318齿顶高12h6.4138理论弧齿厚 12S0.7理论安装距 行星齿轮：半轴齿轮 64.4 : 43.4东风 EQ240 汽车的主减速比 及其他有关参数0i驱动方式装载质量t总质量t发动机最大功率kwmaxeP及转速 rmiPnn发动机最大转矩 及转maxeTN:速 rminn主减速比 0i62.5 7.720 99-3000 353-12001400 6.1716第二章 防滑差速器的总体设计2.1 对称式圆锥行星齿轮差速器原理汽车差速器的结构形式很多，用得最广泛的是对称式圆锥行星齿轮差速器，其工作原理如图 2I 所示。其中：为主减速器从动齿轮或差速器壳的角速度；0w17、 分别为左、右驱动车轮或差速器半轴齿轮的角速度; 为行星齿1w2 3w轮绕其轴的自转角速度。当汽车在平坦路面上直线行驶时，差速器各零件之间无相对运动，则有（2-1）120w（2-2）3这时，差速器壳经十字轴以力 p 带动行星齿轮绕半轴齿轮中心作“公转”而无自转( )。行星齿轮的轮齿以 P2力推动左、右半轴齿轮的轮齿使30w它们一起绕半轴齿轮的中心旋转，而左、右半轴齿轮则给行星齿轮以 P2 的反作用力。对于对称式差速器来说，两半轴齿轮的节圆半径 r 相同，故传给左、右半轴的转矩均等于 Pr2，故汽车在平坦路面上直线行驶时驱动左、右车轮的转矩相等。当汽车转弯时，假如左右轮之间无差速器，则按运动学要求，行程长的外侧车轮将产生滑移，而行程短的内侧车轮将产生滑转。由此导致在左、右轮胎切线方向上各产生一附加阻力，且它们的方向相反，如图 21 所示。当装有差速器时，附加阻力所形成的力矩使差速器起差速作用，以免内外侧驱动车轮在地面上的滑转和滑移，保证它们以不同的转速 和 正常转动。当然，若差1w2速器工作时阻抗其中各零件相对运动的摩擦大，则扭动它的力矩就大。在普通的齿轮差速器中这种摩擦力很小，故只要左、右车轮所走路程稍有差异，差速器即开始工作。当差速器工作时，行星齿轮不仅有绕半轴齿轮中心的“公转” ，而且还有绕行星齿轮轴以角速度为 的自转。这时外侧车轮及其半轴齿轮的转3速将增高，且增高量为 ( 为行星齿轮齿数， 为该侧半轴齿轮齿数)，31zw1z这样，外侧半轴齿轮的角速度为：（2-3）3101zw在同一时间内，内侧车轮及其半轴齿轮(齿数为 )的转速将减低，且减低量为2，由于对称式圆锥齿轮差速器的两半轴齿轮齿数相等，于是内侧半轴齿轮32zw的转速为：（2-4）3201zw由以上两式得差速器工作时的转速关系为：（2-5）12018即两半轴齿轮的转速和为差速器壳转速的两倍。由式 知：120w当 时， ，1当 时， ，120当 时， 。0w1w最后一种情况 ，有时发生在使用中央制动器紧急制动时，这时很容0易导致汽车失去控制，使汽车急转和甩尾。由于汽车转弯时行星齿轮绕其轴转动，必然有一使其转动的力矩，设 2pr( 为行星齿轮的节圆半径 )。由图 2。l 可见，转弯时在转得较慢的一边即内侧r的半轴齿轮上， 与 的方向相同；而在转得较快的一边即外侧的半轴齿轮上，p2与 的方向相反。故旋转较慢的半轴齿轮所传的转矩较大，而旋转较快的半p2轴齿轮所传的转矩较小。即， （2-6）1()2pr2()pr令 ， ，则有0rp.fr010.5()2f f020.()f f120f式中：旋转较快的半轴齿轮上的转矩;1旋转较慢的半轴齿轮上的转矩；2差速器壳上的转矩；0差速器元件在相对运动时所产生的摩擦力矩。f19由此可见：差速器的内摩擦使驱动桥左右半轴的转矩分配改变，这有利于改善汽车的通过性。例如当汽车的一个驱动轮由于附着力变坏而开始滑转时，给它的转矩就减小，而传到不滑转的车轮的转矩却相应地增大了。结果在汽车左右驱动车轮上的总牵引力可能达到的最大数值为（2-7）maxin2ft rTF式中：左、右驱动车轮总牵引力的最大值；maxtF在附着力较小的车轮上的牵引力；in车轮的滚动半径；r差速器的内摩擦力力矩。fT由此可见，由于差速器的内摩擦使汽车总牵引力增大了 。但普通圆锥frT行星齿轮差速器的内摩擦不大，为了提高汽车的通过性，可采用具有较大内摩擦的高摩擦式差速器，这时在驱动车轮上的总牵引力可增加 101 5。（2-8）120T（2-9）f式中：旋转较快的半轴齿轮上的转矩；1T旋转较慢的半轴齿轮上的转矩；2差速器壳上的转矩；0差速器元件在相对运动时所产生的摩擦力矩。fT由此可见，差速器的内摩擦使驱动桥左右半轴的转矩分配改变，这有利于改善汽车的通过性。例如当汽车的一个驱动桥由于附着力变坏而开始滑转时，传给它的转矩就减少，而传到不滑转的车轮的转矩却相应的增大了。结果在汽车左右轮上的总牵引力可能达到的最大数值为：（ 2-10）maxin2ft rTF式中：左、右驱动轮总牵引力的最大值；maxtF20在附着力较小的车轮的牵引力；minF车轮的滚动半径；r差速器的内摩擦力矩；fT由此可见，由于差速器的内摩擦使汽车总牵引力增大了 ，但普通圆锥行frT星齿轮差速器内摩擦不大，为了提高汽车的通过性，可采用我们前面提到的商摩擦式差速器。这时在驱动车轮的总牵引力可增加 1015。通常采用系数（2-11）21TK表示两侧驱动轮的转矩可能相差的最大倍数，也是慢、快转驱动车轮的转矩比。因为它也说明了迫使差速器所需的力矩大小，即差速器“锁紧 的程度，所以又被称为差速器的锁紧系数，因 ，故锁紧系数 。21T1K锁紧系数有时亦可定义为（2-12）210fK这时它是一个小于 1 的数。差速器的转矩分配特性可用转矩分配系数 来表示：20T由于慢转一侧的半轴齿轮上的转矩 小于差速器壳上的转矩 ，故 。2 0T1综上所述，系数 K 及 是汽车防滑差速器的重要性能指标。在汽车设计中是根据汽车的类型，性能要求及使用条件等来选择差速器的锁紧系数 K。在一般情况下从汽车的通过性来看，希望 K 值尽量大些，但从转向操纵的灵活性、行驶的稳定性，从延长有关传动零件的使用寿命和减小轮胎磨损等方面考虑，锁紧系数 K 又不宜过大。K 及 主要决定于差速器的结构型式。22 防滑差速器的结构型式选择对于经常行驶在泥泞、松软土路或无路地区的越野汽车来说，为了防止因某一侧驱动车轮滑转而陷车，则可采用防滑差速器。常见的防滑差速器有强制锁止式差速器、摩擦片式自锁差速器、滑块凸轮式差速器、牙嵌式自由轮差速器、蜗轮式高摩擦差速器。21221 常见的防滑差速器的工作原理及优缺点2211 强制锁止式差速器为了提高汽车在坏路上的通过能力，可采用各种形式的防滑差速器。其共同出发点都是在一个驱动轮滑转时，设法使大部分转矩甚至全部转矩传给不滑转的驱动轮，以充分利用这一驱动轮的附着力而产生足够的牵引力，使汽车能继续行驶。为实现上述要求，最简单的办法是在对称式锥齿轮差速器上设置差速锁，使之成为强制锁止式差速器。当一侧驱动轮滑转时，可利用差速锁使差速器不起差速作用。图 24 为瑞典斯堪尼亚 LTIl0 型汽车上所用的强制锁止式差速器。首先应予说明，该车由于在单级主减速器之前，有一对外啮合圆柱齿轮传动，因而主减速器从动齿轮布置在主动齿轮的右侧，以保证驱动车轮的转动方向与汽车前进方向相适应。差速锁由接合器及其操纵装置组成。端面上有接合齿的外、内接合器 9 和 10，分别用花键与半轴和差速器壳左端相连。前者可沿半轴轴向滑动，后者则以锁圈 8 固定其轴向位置。图示位置即接合器分离、差速器正常工作的状况。这种形式的差速锁可采用电控气动方式操纵。当汽车的一侧车轮处于附着力较小的路面上时，可按下仪表板上的电钮，使电磁阀接通压缩空气管路，压缩空气便从气路管接头 3 进入工作缸 4，推动活塞 1 克服压力弹簧 7，带动外接合器 9 右移，使之与内接合器 10 接合。结果，左半轴 6 与差速器壳 11 成为刚性连接，差速器不起差速作用。即左右两半轴被连锁成一体一同旋转。这样。当一侧驱动轮滑转而无牵引力时，从主减速器传来的转矩全部分配到另一驱动轮上，使汽车得以正常行驶。当汽车通过坏路后驶上好路时，驾驶员通过电钮使电磁阀切断高压气路，并使工作缸通大气，缸内压缩空气即经电磁阀排出。于是，弹簧 7 回位，推动活塞使外接合器左移回到分离位置。22仪表板上设有信号装置。当按电扭接合差速锁时，亮起红色信号灯，以提醒驾驶员注意，汽车驶入好路面后应及时摘下差速锁。差速锁一分离，红灯即熄灭。强制锁止式差速锁结构简单，易于制造；但操纵不便，一般要在停车时进行。而且如果过早接上或过晚摘下差速锁，亦即在好路段上左、右车轮仍刚性连接，则将产生前已述及的在无差速器情况下出现的一系列问题。中、重型汽车普遍采用强制锁止式差速器，它可由驾驶员控制手动或电动操纵锁止差速器，使差速器两端刚性连接，消除差速器的差速作用，利用非打滑驱动轮的地面附着力驱动汽车。其结构简单，易于制造，可以传递100的驱动扭矩，但其操纵时机不易掌握，锁止差速器前必须停车。2. 2. 1. 2 摩擦片式自锁差速器高摩擦自锁式差速器包括摩擦片式和滑块凸轮式等结构形式。摩擦片式自锁差速器是在对称式锥齿轮差速器的基础上发展而成的(图 2-5)。为增加差速器内摩擦力矩，从而提高汽车的有效转矩利用率，在半轴齿轮与差速器壳 1 之间装有摩擦片组 2。十字轴由两根相互垂直的行星齿轮轴组成，其端部均切出凸 V 形斜面 6，相应地差速器壳孔上也有凹 v 形斜面，两根行星齿轮轴的 V 形面是反向安装的。每个半轴齿轮的背面有推力压盘 3 和主、从动摩擦片组 2。主、从动摩擦片组 2 由弹簧钢片 7 和若干间隔排列的主动摩擦片(摩擦板)8 及从动摩擦片(摩擦盘)9 组成。主、从动摩擦片上均加工出许多油槽（两面均有） ，但主、从动摩擦片上油槽（线）形状是不一样的，这样有利于增大摩擦、减小噪声和有利润滑。推力压盘以内花键与半轴相连，而轴颈处用外花键与从动摩擦片连接，主动摩擦片(伸出两耳的摩擦板)则用两耳花键与差速器壳 l 的内键槽相配。推方压盘和主、从动摩擦片均可作微小的轴向移动。当汽车直线行驶、两半轴无转速差时，转矩平均分配给两半轴。由于差速器壳通过斜面对行星齿轮轴两端压紧，斜面上产生的轴向力迫使两行星齿轮轴分别向左、右方向(向外)略微移动，通过行星齿轮使推力压盘压紧摩擦片。此时，转矩经两条路线传给半轴：一路经行星齿轮轴、行星齿轮和半轴齿轮，将大部分转矩传给半轴：另一路则由差速器壳经主、从动摩擦片、推力压盘传给半轴。当汽车转弯或一侧车轮在路面上滑转对，行星齿轮自转，起差速作用，左、右半轴齿轮的转速不等。由于转速差的存在和轴向力的作用，主、从动摩擦片问在滑转同时产生摩擦力矩，其数值大小与差速器传递的转矩和摩擦片数量成正比，而其方向与快转半轴的旋向相反，与慢转半轴的旋向相同。较大数值的内摩擦力矩作用的结果，使慢转半轴传递的转矩明显增加。摩擦片式差速器结构简单，工作平稳，锁紧系数 K可达 0607 或更高，常用于轿车和轻型汽车上，如现代圣塔菲，丰猎豹，华泰特拉卡等。摩擦片之间或滑块凸轮之间所能承受的转矩相对较小，不能传递大扭矩，因而高摩擦自锁式差速器不适用于重型车。2. 2. 1. 3 滑块凸轮式差速器滑块凸轮式差速器是利用滑块与凸轮之间产生较大数值的内摩擦力矩，以提高锁紧系数的一种高摩擦自锁式差速器。图 27 为汽车中、后驱动桥之间采用的滑块凸轮式轴间差速器。转矩由传动轴经凸缘盘 1 和轴间差速器分配给中桥主动曲线齿锥齿轮 18 和后桥的传动轴2326。轴间差速器由主动套 6、8 个短滑块 7 及 8 个长滑块 8、接中桥的内凸轮花键套 9、接后桥的外凸轮花键套 25 及轴间差速器壳 27 和盖 24 组成。接中桥内凸轮花键套 9 用花键与中桥主动曲线齿锥齿轮 18 相连，其前端内表面有 13 个圆弧凹面。外凸轮花键套 25 用花键与后桥传动轴 26 相连，其外表面有 11 个圆弧凹面。主动套 6 前端与凸缘盘 1 用花键连接，后端空心套筒部分即装在内、外凸轮之间，空心套筒上铣出 8 条穿通槽，每个槽内装长、短滑块各一个。所有滑块均可在槽内沿径向自由滑动。为了使滑块及内、外凸轮磨损均匀，相邻两槽内滑块的装法不同，其中一个槽内长滑块在前，短滑块在后，而另一槽内滑块装法则相反。当汽车在平直路上直线行驶，中、后驱动桥车轮无转速差时，中桥主动曲线齿锥齿轮 18 和后桥传动轴 26 的转速相同，即轴间差速器没有差速作用。此时，转矩由凸缘盘 1 输入，经主动套 6，滑块 7 和 8，内、外凸轮花键套 9 和 25，分别传给中桥和后桥。内、外凸轮花键套和主动套三者的转速相等。当汽车转弯或在不平道路上行驶，或由于中、后桥驱动轮半径不等等原因，前、后两驱动桥出现转速差时，主动套 6 槽内的滑块，一方面随主动套旋转并带动内、外凸轮花键套旋转，同时在内、外凸轮间沿槽孔径向滑动，保证中、后两驱动桥得以在不脱离传动的情况下实现差速。且由于滑动与内、外凸轮间产生的摩擦力矩起作用，使慢转的驱动轮上可以得到比快转驱动轮更大的转矩。假设中桥驱动轮因陷于泥泞路面而滑转，此时驱动桥的外凸轮花键套 25 的转速，小于主动套 6 的转速，而驱动中桥的内凸轮花键套 9 的转速，则大于主动套转速。相应的滑块作用于内、外凸轮的摩擦力方向如图 27 所示。滑块作用于内凸轮上的摩擦力造成的力矩方向与转动方向相反，而使内凸轮所受的转矩减小；作用于外凸轮上的摩擦力造成的力矩方向与转动方向相同，故使外凸24轮所受的转矩增加。因此，中、后驱动桥上的转矩得到重新分配。滑块凸轮式差速器的锁紧系数与凸轮表面的摩擦因数和倾角有关，滑块凸轮式差速器的锁紧系数，通常为 K=2.333 或 K=0.30.5。新差速器的锁紧系数 K值稍大些，但也不会大于 3.56。随着 K 值的增大，其摩擦表面的接触应力将增大，从而其使用寿命将降低。对于某些越野汽车和特种车辆来说，采用滑块凸轮式差速器有时尚嫌其锁紧系数 K 值太小，但用它代替普通圆锥行星齿轮差速器用于通用的载货汽车，则可显著地提高其通过性。2. 2. 1. 4 牙嵌式自由轮差速器如图2.8所示。差速器壳的左右两半l和2与主减速器从动齿轮用螺栓联接。主动环3固定在两半壳体之间，随差速器壳体一起转动。主动环3的两个侧面制有沿圆周分布的许多倒梯形(角度很小)断面的径向传力齿。相应的左、右从动环4的内侧面也有相同的传力齿。制成倒梯形齿的目的，在于防止传递转矩过程中从动环与主动环自动脱开。弹簧5力图使主、从动环处于接合状态。花键毂7内外均有花键，外花键与从动环4相连，内花键连接半轴。25当汽车的两侧车轮受到的阻力矩相等时，主动环 3 通过两侧传力齿带动左、右从动环 4、花键毂 7 及半轴一起旋转，如图 28d 所示。此时，由主减速器传给主动环的转矩，平均分配给左、右半轴。汽车转弯行驶时。要求差速器能起差速作用，为此，在主动环 3 的孔内装有中心环 9，它可相对主动环自由转动，但受卡环 10 限制而不能轴向移动。中心环 9 的两侧有沿圆周分布的许多梯形断面的径向齿，分别与两从动环 4 内侧面内圈相应的梯形齿接合。设此时左转弯(参见图 28e)，左驱动轮有慢转趋势，则左从动环和主动环的传力齿之间压得更紧，于是主动环带动左从动环、左半轴一起旋转，左轮被驱动；而右轮有快转的趋势，即右从动环有相对于主动环快转的趋势，于是在中心环和从动环内圈梯形齿斜面接触力的轴向分力作用下，从动环 4 压缩弹簧 5 而右移，使从动环上的传力齿同主动环上的传力齿不再接合，从而26中断对右轮的转矩传递。同样，当一侧车轮悬空或进入泥泞、冰雪等路面时，主动环的转矩可全部分配给另一侧车轮。但是，从动环梯形齿每经轴向力作用，沿齿斜面滑动与主动环分离后，在弹簧力作用下，又会与主动环重新接合。这种分离与接合不断重复出现，将引起传递动力的脉动、噪声和加重零件的磨损。为避免这种情况，在从动环的传力齿与梯形齿之间的凹槽中，还装有带梯形齿的消声环 8(见图 28c)。消声环形似卡环，具有一定弹性，其缺口对着主动环上的伸长齿 12(图 28b)。在右驱动轮的转速高于主动环的情况下，消声环 8 与从动环 4 上的梯形齿一起在中心环梯形齿滑过，到齿顶彼此相对，且消声环缺口一边被主动环上的伸长齿挡住(图 28f)时，从动环便被消声环挤紧而保持在离主动环最远的位置，轴向往复运动不再发生。当从动环转速下降到等于并开始低于主动环的转速时，从动环即在弹簧 5 的作用下又重新与主动环接合。牙嵌式自由轮差速器能在必要时使汽车变成由单侧车轮驱动，明显提高了汽车的通过能力。此外，还具有工作可靠、使用寿命长等优点。其缺点是左右车轮传递转矩时，时断时续，引起车轮传动装置中载荷的不均匀性和加剧轮胎磨损。牙嵌自由轮式差速器靠固定在两半壳体之间的主动环和与半轴相连的从动环来限制差速作用，防止驱动轮打滑。它也可以有效地改善汽车的通过性，且工作可靠，使用寿命长，但是其左右车轮的扭矩传递时断时续，引起传动装髓中27载荷的不均匀。该差速器多用于中、重型车辆上2.2.1.5 蜗轮式高摩擦差速器蜗轮式差速器又称托森式差速器。托森差速器是美国格里森公司生产的转矩感应式差速器。托森差速器利用蜗轮杆传动的基本原理和齿面摩擦条件实现转矩的自动调节，从而提高非打滑驱动轮的驱动扭矩，达到防滑的目的。托森(Torsen)差速器作为一种新型差速机构，在四轮驱动轿车上得到日益广泛的使用。它利用蜗杆传动的不可逆性原理和齿面高摩擦条件。使差速器根据其内部差动转矩(差速器的内摩擦力矩)大小而自动锁死或松开，即在差速器内差动转矩较小时起差速作用，而过大时自