三轮摩托车差速器的综述论文

焦作大学机电系毕业设计（论文） 1 摘 要 :介绍差速器的结构 ,并较详细地论述差速器的运动学和动力学特性 ,分析它的动力传递路线和工作原理 ,推导出锁紧系数 K,同时 ,剖析差速器锁紧系数的调节原理。 关键词 :差速器 ；综述； 原理 Abstract: Introduced the differential device the structure, and elaborates the differential device kinematics and dynamics characteristic in detail, analyzes its power transmission route and the principle of work, infers locking coefficient K, simultaneously, analyzes the differential device locking coefficient the adjustment principle. Key word: Differential device； Summary； Principle 1.引言 差速器是汽车驱动桥的主件 ,最由法国雷诺汽车公司的 创始人路易斯雷诺发明，它的作用就是在向两个半轴传递力的同时，允许两边半轴以不同的转速，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。 差速器是一种允许车辆在两驱动轮之间有不同转速的动力传递装置。它保证汽车驱动桥两侧车轮在行程不等或一边车轮打滑时 ,以不同速度旋转而满足汽车行驶运动学的要求。汽车上广泛适用的是普通对称式圆锥齿轮差速器 ,由于其内摩擦力矩极小 ,转矩平均分配 ,故基本上没有防滑功能 ,影响了车的通过性。当某一驱动车轮与地面附着较差时 ,由于附着力不够会导致车轮滑转而陷车 ,为克服普通差速 器的缺点 ,改善牵引性能 ,往往采用防滑差速器 1。 焦作大学机电系毕业设计（论文） 2 1.1 三轮摩托车现实市场 我国三轮摩托车的开发和生产，源 20 世纪 50 年代初。当时，一些两轮摩托车生产企业，运用其生产工艺装备和技术，采用两轮摩托车的动力，开发和生产出边三轮摩托车，并广泛应用于公安、电力、交通等特殊行业。 1961 年 11 月，国内第一辆正三轮摩托车 “长城牌 ”BM020 型货运正三轮摩托车的诞生，标志着我国三轮摩托车的生产步入了一个新的发展时期。 自 50 年代至 80 年代末，我国三轮摩托车的生产和销售，一直按照计划经济和卖方市场的轨道平缓 地向前发展。当 20 世纪 90 年代伴随着摩托车工业的春天的到来，三轮摩托车行业也随之发生了天翻地覆的变化。特别是经过近 10 年的发展，三轮摩托车市场已由卖方市场变成了买方市场。其市场的主要特征表现为： 一是，三轮摩托车生产企业异军突起。除国内目录内 100 多家三轮摩托车生产企业外，大批无牌、无证的个体和民营企业，争相看好这一市场，纷纷上马组织生产和销售。这些个体和民营企业依靠投资少、成本低的优势，以低价位的产品，争夺市场。 二是，从整个行业来看，三轮摩托车尽管销量不大，年销量约占全行业总销量的 4%左右，但其 发展速度却相当快。今年上半年，国内三轮摩托车销量比去年同期增长 35%以上，大大超过了两轮摩托车的发展速度。 三是，大批个体和民营企业由于缺少必要的质检设备和手段，其产品的质量保证系数和安全性大打折扣，三轮摩托车断车架，刹车器失灵，油路起火等导致车毁人亡的事故时有发生。 四是，不管是生产制售企业还是经销商家，三轮摩托车的售后服务和广告宣传，远远落后于两轮摩托车 五是，三轮摩托车的市场已由过去的城镇、城乡结合部开始向农村这个广阔的市场转移，产品也由过去的客运车、客货两用车转向以货车为主的车型。以上五点 ，是目前三轮摩托车现实市场的主要表现特征。 针对上述三轮摩托车市场的主要表现特征，笔者认为，今后该产品的发展趋势：首先是，产品的市场容量将逐渐增大，这主要来自农村市场的发展潜力。同时，生产企业和经销商家，为了求得更大的发展，必将在经营规模上实现突破 焦作大学机电系毕业设计（论文） 3 其次是，品牌的竞争将日趋激烈。随着价格竞争的弱化，品牌竞争的优势日益凸现出来。人们信赖名牌，选择名牌成为市场的主流。一些生产工艺装备落后，又缺乏质量保证的产品，将退出市场的竞争。再是，三轮摩托车在经过市场的竞争和发展之后，在产品的功能、造型、适应性以及绿 色环保性等方面，有一个较大的突破和变化。也就是说技术创新和技术革命，必将推动三轮摩托车行业实现更大的飞跃 。 1.2 三轮车的市场潜力 中国汽车工业协会统计数据显示， 2006 年我国三轮摩托车行业发展迅猛，产销量均逼近 90 万辆，同比增长 69%，高出行业整体增幅近 50 个百分点，达到历史最好水平。这还仅仅是由行业统计的数据，据业内人士估计，目前全国三轮摩托车应有近 300 万辆的产销规模，约 2/3 的数据没有上报。从行业报表观察，排量50mL 的三轮摩托车占行业总量的近 96%,其中 100150mL 排量的三轮摩托车由于具有油 耗低、性能稳定、价格适中、用途广泛等优势受到广大消费者的青睐，成为市场的主流产品。 2006 年是三轮摩托车行业的整合年，业内企业重组不断，面对国家提高准入门槛，弱小企业千方百计寻找自己的避风港，积极向大集团靠拢，大的企业为扩大市场占有率，完善产品结构，利用品牌、技术、资金优势积极向外扩张，收购、兼并一些没有资质、但有一定产能和资源优势的三轮摩托车企业，组建子公司、分公司，完成准入，建立自己的扩张基地，延伸自己的产业链。从全行业统计情况看，全年在产三轮摩托车企业 28 家，比上年减少 11 家。生产企业产销量 超过 5万辆的企业仅有 5 家，这 5 家企业累计产量 65.54 万辆，占总量的 73%。其中宗申集团产量 32.2 万辆，占整个三轮摩托车行业的 38.83%，成为三轮摩托车行业的霸主，产量集中度远远高于二轮摩托车。从整个行业来看，三轮摩托车尽管销量不大，年销量约占全行业总销量的 5%左右，但其发展速度却相当快。近 2 年，随着中央富农政策和西部大开发战略的实施，三轮摩托车已成为农民朋友致富的 “好帮手 ”。三轮摩托车承载能力适中，道路适应性强，既适用于农户自产自销式的小规模经营，又适用于短途载客，是农民增加收入的重要工具。在乡镇和农 村，三轮摩托车成了更多农民替代牛车和自行车的代步工具，快捷、方便、价位低、操作简单的特点，正好迎合了农民朋友的消费需求。三轮摩托车在客、货运输方面发展迅速，也使许多城市下岗职工纷纷加入了这种投资小、见效快、技术要求不高焦作大学机电系毕业设计（论文） 4 的经营队伍。货运三轮摩托车在农村和城镇得到了广泛使用，越来越被农家和小商贩看重。随着农民收入的提高，消费环境日益改善，三轮摩托车作为一种过渡运输工具，它无疑还会在较长的时期内广泛存在，市场潜力巨大。 如今全国三轮摩托车总销量已接近 300 万辆，但这个数字与中国庞大的农村市场相比上升空间仍 很大，经过一代又一代的改良，其功能还在不断增加、完善，使三轮摩托车在某些用途方面优于二轮摩托车、电动车，价格上优于微型汽车，所以在短期内处于不可替代的地位。目前全国摩托车保有量在 9000 万辆左右，三轮摩托车约占 900 万辆，我国有 9 亿农民， 2.5 亿农户，平均每 3 户 1 辆，还有约7500 万辆的市场空间，按照目前的产能，还需 2025 年的时间才能满足市场需要。 1.3差速器的作用及价值 差速器是一种允许车辆在两驱动轮之间有不同转速的动力传递装置。它保证汽车驱动桥两侧车轮在行程不等或一边车轮打滑时 ,以不同速度旋转而 满足汽车行驶运动学的要求。 目前 全国三轮摩托车总销量已接近 300 万辆，但这个数字与中国庞大的农村市场相比上升空间仍很大，经过一代又一代的改良，其功能还在不断增加、完善，使三轮摩托车在某些用途方面优于二轮摩托车、电动车，价格上优于微型汽车，所以在短期内处于不可替代的地位。目前全国摩托车保有量在 9000万辆左右，三轮摩托车约占 900 万辆， 发展中的中国来说，虽然已经进入了小康社会，但我国仍有 9 亿农民， 2.5 亿农户，平均每 3 户 1 辆，还有约 7500 万辆的市场空间 （这还不包括国外不发达国家的市场的需求） ，按照目前的 产能，还需2025 年的时间才能 基本 满足 我国 市场需要。 因此，对于发展中的中国来说，虽然已经进入了小康社会，但社会的三轮摩托车差速器的研究同样具有很大经济价值和社会意义。 2.差速器的结构及工作原理 差速器主要由主动环、从动环、消声环、卡环、压紧弹簧、弹簧座和左、右差速器壳体等零件组成。 主动环上的十字轴固定在左、右差速器壳之间，与驱动桥从动大齿轮一起转动，当机械直线行驶时，主动环通过两面上均匀分布的倒梯形齿在弹簧压紧力作焦作大学机电系毕业设计（论文） 5 用下与两侧从动环外圈倒梯形齿在紧紧地啮合在一起，传递运动到左、右半轴。此时，差速器的全 部零件构成一个整体作旋转运动，左右车轮转速相等。主传动的总扭矩平均分给左、右半轴。 中心环用卡环固定在主动环孔内转动角度受到插在中心环空槽里主动环加长齿的限制，在中心环的两端各有沿圆周均布与从动环数量相同的鼓形齿，当机械直线行驶时，中心环的鼓形齿分别与两侧从动环倒齿形牙嵌齿上工作斜面想啮合，但此时两都没有相对运动，中心环的鼓形齿工作时为线啮合，磨擦力小。 机械转弯时，快转一侧的从动环将超前主动环形成脱开扭矩，使从动环内圈齿在中心环鼓形齿齿面上滑动，并通过从动环内圈倒梯形齿很小的工作斜面克服弹簧压紧力将从动环 推出啮合，快转从动环成为自由轮，作单纯回转 ；而慢转一侧的从动环内圈齿仍紧紧地和中心环趴合与主动环一起转动，于是便产生了差速作用，至此一个脱离过程完成。此时，主传动的扭矩全部传递给慢转车轮，这是普通差速器所不能实现的。 当快转从动环与中心环脱开后，从动环内圈齿在中心环鼓形齿上面滑动，为防止因间歇啮合造成齿之间的冲击而发出噪声，在从动环内、个圈之间装有带缺口的消声环，并使主动环上的加长齿正好位于它的缺口内。消声环以不大的弹力围箍在从动环的环槽上，随快转从动环作周向运动和轴向移动。所当从动环想对主动环快转时，消声 环是被带动向前转过一个角度而停留在主动环加长齿的侧面上，消声环的 4 个齿顶正好与中心环的 4 个长齿相抵触，从而使从动环的内圈齿不可能与中心环的齿啮合，这就避免了没有消声环时会发生冲击响声的现象，只有当机械恢复直线行驶时，从动环与主动环转速相等或接近时，消声环在从动环带动下，它的 4 个凸齿才又重新进入中心环边缘的 4 个缺口内，使脱开的从动环在弹簧压紧力作用下与主动环重新进入啮合状态 2。 3.1 新型高摩擦式防滑差速器的结构 高摩擦式防滑差速器是在普通的圆锥齿轮差速器中安装摩擦元件 ,增加差速器的内摩擦力。较早使 用的 2种摩擦式差速器 ,一种是在行星轮的背部固定 1个球面凸缘作为摩擦元件 ；另一种是使用 2个锥形摩擦盘作为摩擦元件。为近一步增大内摩擦 ,后一种差速器经改进后发展成带有 2组摩擦片的圆锥齿轮差速器 ,并被美国克莱斯焦作大学机电系毕业设计（论文） 6 勒汽车公司所采纳 ,称为 Sure Grip 式差速器。在此基础上近一步改进 ,得到如图 1 所示的新型高摩擦式防滑差速器。左右承压环上开有 V 形槽 ,两行星轮轴的两端端部轴颈分别以相反方向支承在承压环的 V形槽上 ,4 个直齿行星齿轮则浮套在行星轮轴的轴颈上。行星齿轮的背部球面与承压环的内部球面相配合 ,同时保证行星齿轮中心对正 ,以利于和 2 个半轴齿轮正确啮合。左右承压环的外部有外齿与差速器左壳内的槽相配合 ,左右主动摩擦片 3、 9也具有外齿与差速器左壳内的槽相配合 ,带有花键孔的左右从动摩擦片 4、 8分别与左右半轴齿轮的外花键相配合。承压环及主从动摩擦片均可作微小的轴向移动。 在传递扭矩时 ,新型高摩擦式防滑差速器的左壳通过其内部的槽带动承压环转动 ,承压环分别对 2根行星齿轮轴的两端压紧 ,后者略为偏转并向左右稍许移开 ,连同行星齿轮一起通过承压环压向主、从动摩擦片 ,并将它们压紧 ,形成左右 车轮以不同转速转动时所必须克服的摩擦力矩。新型高 摩擦式圆锥齿轮差速器的优点是 :较凸轮式差速器、自由轮式差速器工作得更加平滑 ,且结构更简单。因此适用于越野汽车、载重汽车、工程机械及轿车等各种车辆 ,是一种颇有发展前途差速器结构。 3.2 差速器的动力传递路线及工作原理 图 1. 差速器壳 2, 14. 左 ,右半轴齿轮 3, 9. 左 ,右主动摩擦片 4, 8. 左 ,右从动摩擦片 5, 15. 左 ,右承压环 6. 行星齿轮 7. 行星轮轴 10. 调整垫片 11. 差速器盖 12. 止推垫片 13. 末端垫片 1、 16. V 型斜面 当汽车或装载机沿直线行驶、两 半轴无转速差时 ,传给差速器壳的扭矩在左右半焦作大学机电系毕业设计（论文） 7 轴之间平均分配。此时力矩经过两条路线传给半轴 ,如图 2 (a)所示 ,一路是由差速器壳通过行星齿轮轴、承压环、行星齿轮、半轴齿轮等传向半轴 ,这与普通圆锥行星齿轮差速器的动力传递路线一样 ；另一路则是由差速器壳传给在驱动力矩作用下被压紧的主、从动摩擦片 ,然后传给左、右半轴。由此可见 ,当左右车轮无转速差时 ,高摩擦式防滑差速器比普通圆锥齿轮差速器的传递扭矩能力要大 ,这两种差速器传递扭矩能力的差值即通过摩擦片所传递扭矩值。 当汽车或装载机转弯或其某一侧的驱动车轮陷入附着系数较小的 路面并达到附着极限而打滑时 ,左右驱动车轮产生转速差。此时差速器壳的转速 n0与左、右半轴齿轮的转速 n2 、 n1都各不相等 ,如图 2 (b)所示 ,当 n1 n2时 ,有 n1 n0 n2 的转速关系。由于转速差的存在和主、从动摩擦片与承压环的被压紧 ,这时在左右两侧的主从动摩擦片、半轴齿轮及差速器壳之间必将分别产生摩擦力矩。该摩擦力矩的大小与摩擦元件之间的摩擦系数及压紧力的大小有关 ,摩擦力矩的方向与 n1和 n0或 n2和 n0之间的相对转速有关 ,根据 n1 、 n2 、 n0三者的转速关系得到 :快转轮一侧的摩擦力矩 ,其方向与快 转轮的旋转方向相反 ,值为负 ；慢转轮一侧的摩擦力矩 ,其方向与慢转轮的旋转方向相同 ,值为正。这种情况犹如部分驱动力矩由快转轮一侧转移到慢转轮一侧。如图 2 (b)所示。因此 ,慢转轮的驱动力矩将大于快转轮的驱动力矩 3。 图 2 新型高摩擦式防滑差速器的动力传递简图 .由摩擦片传递的力矩 .由差速器齿轮传递的力矩 .由承压环和行星轮之间的摩擦传递的力矩 .由转速差引起的力矩转移 1.差速器壳 2,9.左 /右承压环 3.行星齿轮 4.行星轮轴 5.从动摩擦片 6.主动摩擦片 焦作大学机电系毕业设计（论文） 8 7.差速器盖 8.右半轴 10.主传动从动锥齿轮 11.主传动主动锥齿轮 12.左半轴 3.3 差速器的运动学分析 4 新型高磨擦式防滑差速器在运动学上实际是一种行星齿轮机构，图 3（ a）为差速器运动原理示意图。 (b) 图 3 差速器运动示意图 1, 2. 半轴齿轮 3. 差速器壳 4. 行星齿轮 5. 行星齿轮轴 6. 从动锥齿轮 差速器壳 3和行星齿轮轴 5通过承压环连成一体 ,构成行星架是主动件 ,动力通过从动锥齿轮 6传入。设差速器壳的旋转角速度为 0 。半轴齿轮 1和 2连同 2个半轴分别为 2 个从动 件 ,设其旋转角速度分别为 1 和 2 。图 (3)中 A 和 B 两点分别为行星齿轮 4 和半轴齿轮 1、 2 的齿宽中点 (啮合点 ) 。 r为行星齿轮 4的中心点 C 到差速器的旋转轴线的距离。 当三轮车沿直线行驶时两半轴无转速差时，行星齿轮只是随同差速器和承压环绕焦作大学机电系毕业设计（论文） 9 差速器旋转轴线公转，显然，处于同一半径 r上的 A、 B、 C3点的圆周角速度相等，即： 1 = 2 = 0 ( 1) 当左右车轮有转速差时，行星轮不仅绕差速旋转器轴线公转而且还要绕行星轮轴以角速度 4自转，如图 3（ b）所示。此时点 A、 B的圆周速度分别为 1 = 2 = 0 ( 1) r 式 (2)中 : r4为行星齿轮的节圆半径。两式相加得 : 1 + 2 = 2 0 ( 3) 即两半轴齿轮的转速之和为差速器壳转速的 2 倍。因此 ,汽车在需要转弯或其它需要差速行驶时 ,都可以借助于行星齿轮的自转 ,使左右车轮以不同的转速在地面上只滚动而不产生滑动 ,从而达到差速的目的。 3.4 差速器的动力学分析 5 防滑差速器一般用锁紧系数 k来衡量差速器内磨擦力矩的大小及转矩的分配特性，它也表示两侧驱动轮的扭矩可能相差的最大倍数。锁紧系数 k为： K=M2/M1 (4) 式 (4)中 :M 1为快转轮一侧的转矩 ；M 2为慢转轮一侧的转矩。新型高摩擦式防滑差速器的受力简图如图 4所示。 图 4 行星齿轮轴及行星齿轮受力简图 3、 半轴齿轮 2、差速器壳 3、行星齿轮 4、行星齿轮轴 焦作大学机电系毕业设计（论文） 10 磨擦片所受的轴向力 Q的大小为承压环对行星轮轴力 QC的 2倍与半轴齿轮在传递扭矩 M0/2时所产生的轴向力这和，即： Q= 2Qc + tg sin M0/2r = M0/(2R tg) + tg sin M0/2r 式中 : Qc 为行星轮轴与 V 形槽作用产生水平分力 ；M 0为差速器壳 上的扭矩 ；R 为承压环与行星轮轴的接触中点到行星轮公转轴线的距离 (见图 1)； r 为半轴齿轮齿宽中点节圆半径 ；为差速器锥齿轮的啮合角 ；为承压环 V形槽斜面倾角 ； 2 为半轴齿轮的节锥角 6。 行星齿轮在承压环的作用下移动 ,并与半轴齿轮啮合 ,其轴向力为 : Qx= Pc tg sin 1 ( 6) 式 (6)中 : Qx为行星齿轮受的轴向力 ； Pc为每个行星轮上与行星轮公转方向相切的圆周力 , Pc=M 0 /4 r； 1 为行星齿轮的节锥角。 行星轮背部球面与承压环内球面间的摩擦力为 : Qf= Qx= Pc tg sin 1 ( 7) 上述摩擦力 Qf 将在两半轴齿轮上产生相应的摩擦力矩 M f1 或M f2 ,其大小相等 ,在左右半轴有转速差的情况下其符号相反 ,慢转一侧的摩擦力矩 M f2 为正 ,而快转一侧的摩擦力矩 M f1 为负 ,它们的大小为 : M f =2 Qx rx (8) 式中 :为承压环内球面和行星轮球面间的摩擦系数 , 一般取 =0. 05 0. 1；rx为行星齿轮背部球面摩擦面平均半径7。 主从动摩擦片之间形成的摩擦力矩大小为 : M f = N fQrf (9) 式 (9)中 : N 为单侧主、从动摩擦面总数 ； f 为主、从动摩擦片间的摩擦系数 ；rf 为摩擦片的平均作用半径。 因此 ,传给一侧半轴的总的摩擦力矩大小为 : M f= M f + M f (10) 焦作大学机电系毕业设计（论文） 11 当左右驱动车轮有转速时，在慢转轮一侧或快转轮一侧上传递的总的磨擦力矩为Mf1、 Mf2，它们的大小相等方向相反，这些磨擦力矩并不改变经过差速器壳所传递的扭矩 M0的大小，仅改变这一扭矩 M0在左右半轴间的分配，使快转轮和慢转轮的驱动力矩分别为： 所以， 该高磨擦式防滑差速器的锁紧系数 K为 由式（ 12）可见， V弄斜面 越小，则锁紧系数 K值越大， 越大，则锁紧系数 K值越小；磨擦片数 N越大，锁紧系数 K值越大，反之，则越小。因此设计时选择适当的承压环 V形槽的斜面倾角 和磨擦片数 N，就可以得到预计的差速器的锁紧系数8。该新型高磨擦式防左速器的锁紧系数为 3.5左右，而普通齿轮式差速器由于内磨擦力小，其锁紧系数为 1.1 1.4。显然，新新型高磨擦式防滑差速器提高了汽车的通过性。 差速器的效率 为锁紧系数 K的倒数，即： 1/K （ 13） 由此可得，当 K值越大，效率 越低，虽然有利于两半轴齿轮的转矩的重新分配和提高汽车的通过性，但 过低将会导致磨擦损失加大。因此，锁紧系数 K值应当根据实际情况，合理地选择。 3.5 本章小节 在详细分析了新型高磨擦防滑差速器的结构和工作原理的基础上，分析了它的运动学和动力学特性，推导出锁紧系数 K的计算公式