賈巨民 高 波

軍事交通學(xué)院，天津，300161

0 引言

越野汽車(chē)經(jīng)常在壞路或無(wú)路地區(qū)行駛，為提高其越野通過(guò)性，一般采用多軸驅(qū)動(dòng)。若前后軸之間未裝軸間差速器而呈剛性連接，則當(dāng)汽車(chē)行駛時(shí)，前后車(chē)輪將以同樣的角速度旋轉(zhuǎn)。但在實(shí)際使用中，由于輪胎氣壓、載荷不盡一致，特別是在不平路面上行駛時(shí)，前后車(chē)輪在單位時(shí)間內(nèi)所通過(guò)的行程不相等，從而引起車(chē)輪的滑轉(zhuǎn)或滑移，造成功率循環(huán)[1-2]。

在驅(qū)動(dòng)軸之間安裝差速器可避免上述現(xiàn)象，但普通的齒輪差速器會(huì)顯著降低車(chē)輪的通過(guò)性，其原因在于分動(dòng)器輸出扭矩按差速器傳動(dòng)比定比地分配給各輸出軸，當(dāng)其中一軸車(chē)輪打滑時(shí)，該軸車(chē)輪附著力減小，驅(qū)動(dòng)力隨之減小，其他軸的驅(qū)動(dòng)力也隨之按比例減小，導(dǎo)致車(chē)輛通過(guò)性降低。

為此，國(guó)外開(kāi)發(fā)了變扭矩分配式分動(dòng)器[1-2]，該分動(dòng)器分為被動(dòng)控制式和主動(dòng)控制式兩種，前者有黏性式和高摩擦式，當(dāng)前后輸出軸存在轉(zhuǎn)速差時(shí)會(huì)依靠?jī)?nèi)部黏性或摩擦阻力調(diào)整扭矩分配；后者一般為電子控制式，能根據(jù)傳感器測(cè)得的路面、轉(zhuǎn)速等信息經(jīng)綜合處理后控制扭矩分配，以適應(yīng)車(chē)輛的越野通過(guò)性要求。

目前國(guó)內(nèi)越野車(chē)上采用的全時(shí)驅(qū)動(dòng)分動(dòng)器幾乎均為定扭矩分配比式，其中的差速器采用普通的圓柱行星齒輪傳動(dòng)，基本不具備防滑功能。

為解決上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[3]提出了一種新型差速器概念模型，指出：如將組成差速器的三個(gè)齒輪改成非圓齒輪，即將差速器變成非圓行星齒輪差速器，則有可能不用改變分動(dòng)器總體結(jié)構(gòu)，依靠傳動(dòng)的變速比效應(yīng)自動(dòng)調(diào)整輸出軸的轉(zhuǎn)矩分配，從而改善車(chē)輛的越野通過(guò)性。

上述模型中，非圓行星齒輪同時(shí)與中心輪和齒圈嚙合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，對(duì)原分動(dòng)器改動(dòng)小，但也存在兩點(diǎn)不足：一是存在平差效應(yīng)，即無(wú)法保證行星齒輪與中心輪傳動(dòng)比最大位置剛好是行星齒輪與齒圈傳動(dòng)比最小位置，反之，也無(wú)法保證行星齒輪與中心輪傳動(dòng)比最小位置剛好是行星齒輪與齒圈傳動(dòng)比最大位置；二是很難在中心輪圓周均布多個(gè)行星輪用于提高承載能力并實(shí)現(xiàn)均載。

為此，本文提出一種新型雙聯(lián)非圓行星齒輪差速器。該差速器應(yīng)用于越野汽車(chē)分動(dòng)器中，可以實(shí)現(xiàn)兩輸出軸扭矩變比例分配，從而實(shí)現(xiàn)差速器的防滑功能，改善車(chē)輛的越野通過(guò)性。

1 結(jié)構(gòu)原理

圖1為新型雙聯(lián)非圓行星齒輪差速器傳動(dòng)示意圖，它主要由非圓中心輪1、非圓中心輪2、雙聯(lián)非圓行星齒輪3、行星架H等組成。運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力由行星架H輸入，非圓中心輪1、2分別與前后輸出軸Ⅰ、Ⅱ固連，當(dāng)齒輪間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，前后兩根輸出軸Ⅰ、Ⅱ的傳動(dòng)比不是定值，而是按照設(shè)定的規(guī)律周期變化。兩個(gè)中心齒輪結(jié)構(gòu)完全相同，雙聯(lián)行星齒輪形狀一致，相位相差90°，共有三組，繞中心齒輪均布。

(a)雙聯(lián)齒輪機(jī)構(gòu)原理圖

(b)輸出軸Ⅰ端齒輪1、3節(jié)曲線

(c)輸出軸Ⅱ端齒輪2、3節(jié)曲線H-行星架(輸入軸) Ⅰ、Ⅱ—輸出軸1.非圓中心輪 2.非圓中心輪 3.雙聯(lián)非圓行星輪圖1 雙聯(lián)非圓行星齒輪差速器傳動(dòng)示意圖

分析傳動(dòng)原理，可得該差速器轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比(輸出軸Ⅱ相對(duì)于輸出軸Ⅰ)：

(1)

式中，r1為非圓齒輪1的節(jié)曲線半徑；r2為非圓齒輪2的節(jié)曲線半徑；r31為與齒輪1嚙合的雙聯(lián)齒輪3的節(jié)曲線半徑；r32為與齒輪2嚙合的雙聯(lián)齒輪3的節(jié)曲線半徑；f(φ3)為行星齒輪轉(zhuǎn)角φ3(繞自身軸線)的周期函數(shù)。

差速器輸入扭矩將按上述傳動(dòng)比規(guī)律成比例地分配給前后兩個(gè)輸出軸，從而實(shí)現(xiàn)變扭矩分配。

需要特別說(shuō)明的是，非圓行星齒輪差速器在功能方面具有自適應(yīng)性，即裝配好后，不再需要人工干預(yù)，而是根據(jù)不同車(chē)軸上車(chē)輪打滑狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出扭矩分配，其輸出扭矩之比的最大值稱(chēng)為鎖緊系數(shù)[2]。

2 非圓齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

行星齒輪與中心齒輪的傳動(dòng)比規(guī)律設(shè)計(jì)直接關(guān)系到差速器的使用性能，也是整個(gè)研究工作的出發(fā)點(diǎn)與歸宿，本文經(jīng)研究給出如下傳動(dòng)比公式：

(2)

式中，i31為行星齒輪3與中心齒輪1的傳動(dòng)比；z1、z3分別為中心齒輪和行星齒輪的齒數(shù)；φ1為中心齒輪轉(zhuǎn)角；c為設(shè)計(jì)常數(shù)。

顯然，行星齒輪3與中心齒輪2的傳動(dòng)比可表示為

(3)

則齒輪1與齒輪3的節(jié)曲線方程可表示為[4]

(4)

同理，齒輪2與齒輪3的節(jié)曲線方程為

(5)

式中，a為齒輪1、2與齒輪3的嚙合中心距。

3 示例

(a)輸出軸Ⅰ端齒輪1、3齒形

(b)輸出軸Ⅱ端齒輪2、3齒形圖2 齒形計(jì)算結(jié)果

圖3 新型差速器原理樣機(jī)

1.非圓行星齒輪差速器 2.圓柱行星齒輪差速器圖4 前后輸出軸傳動(dòng)比

4 結(jié)論

(1)提出了一種新型非圓行星齒輪差速器，并進(jìn)行了傳動(dòng)原理分析，該差速器可以依靠傳動(dòng)的變速比效應(yīng)自動(dòng)調(diào)整輸出扭矩的分配，實(shí)現(xiàn)防滑功能，改善車(chē)輛的越野通過(guò)性。

(2)差速器結(jié)構(gòu)緊湊，兩個(gè)非圓中心齒輪形狀完全相同；雙聯(lián)非圓行星齒輪形狀一致，相位相差90°，采用三組雙聯(lián)行星齒輪實(shí)現(xiàn)均載，加工、裝配工藝性好。

(3)對(duì)于裝有差速鎖的車(chē)輛，本文提出的差速器仍然適用，在不太惡劣的路面上，依靠差速器本身的防滑功能基本夠用，在特別惡劣的路面上再使用差速鎖，可以做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

[1] 汽車(chē)工程手冊(cè)編輯委員會(huì)．汽車(chē)工程手冊(cè)[M]．北京：人民交通出版社，2002．

[2] 劉惟信．汽車(chē)車(chē)橋設(shè)計(jì)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004．

[3] 賈巨民，高波．越野汽車(chē)分動(dòng)器非圓行星差速器概念模型[J]．中國(guó)機(jī)械工程,2008，19(24)：3003-3005．

[4] 李福生，尹種芳，張遵連，等．非圓齒輪與特種齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1983．