4.差速器设计

第四节差速器设计

汽车在行驶过程中，左、右车轮在同一时间内所滚过的路程往往是不相等的，如转弯时内侧车轮行程比外侧车轮短；左右两轮胎内的气压不等、胎面磨损不均匀、两车轮上的负荷不均匀而引起车轮滚动半径不相等；左右两轮接触的路面条件不同，行驶阻力不等等。这样，如果驱动桥的左、右车轮刚性连接，则不论转弯行驶或直线行驶，均会引起车轮在路面上的滑移或滑转，一方面会加剧轮胎磨损、功率和燃料消耗，另一方面会使转向沉重，通过性和操纵稳定性变坏。为此，在驱动桥的左、右车轮间都装有轮间差速器。在多桥驱动的汽车上还常装有轴间差速器，以提高通过性，同时避免在驱动桥间产生功率循环及由此引起的附加载荷、传动系零件损坏、轮胎磨损和燃料消耗等。

差速器用来在两输出轴间分配转矩，并保证两输出轴有可能以不同角速度转动。差速器按其结构特征可分为齿轮式、凸轮式、蜗轮式和牙嵌自由轮式等多种形式。

一、差速器结构形式选择

(一)齿轮式差速器

汽车上广泛采用的差速器为对称锥齿轮式差速器，具有结构简单、质量较小等优点，应用广泛。他又可分为普通

锥齿轮式差速器、摩擦片式差速器

和强制锁止式差速器等

1．普通锥齿轮式差速器

由于普通锥齿轮式差速器结

构简单、工作平稳可靠，所以广泛

应用于一般使用条件的汽车驱动

桥中。图5—19为其示意图，图中

ω0为差速器壳的角速度；ω1、ω

2分别为左、右两半轴的角速度；

为差速器的内摩擦力矩；T1、T2分别为左、右两半轴To为差速器壳接受的转矩；T

r

对差速器的反转矩。

根据运动分析可得

ω1+ω2＝2ω0(5—23)

显然，当一侧半轴不转时，另一侧半轴将以两倍的差速器壳体角速度旋转；当差速器壳体不转时，左右半轴将等速反向旋转。

根据力矩平衡可得

T0T2T1T0

T1-T2{

=+= (5 - 24)

差速器性能常以锁紧系数k 是来表征，定义为差速器的内摩擦力矩与差速器壳接受的转矩之比，由下式确定

结合式(5—24)可得

k )

-0.5T0(1T1k )0.5T0(1T2{

=+= (5 - 26)

定义快慢转半轴的转矩比

k b =T2/T1,则

kb 与k 之间有

k

k -+=

11kb kb

k +-=

11kb (5 - 27)

普通锥齿轮差速器的锁紧系数是一般为0．05～0．15，两半轴转矩比k b=1．11～1．35，这说明左、右半轴的转矩差别不大，故可以认为分配给两半轴的转矩大致相等，这样的分配比例对于在良好路面上行驶的汽车来说是合适的。但当汽车越野行驶或在泥泞、冰雪路面上行驶，一侧驱动车轮与地面的附着系数很小时，尽管另一侧车轮与地面有良好的附着，其驱动转矩也不得不随附着系数小的一侧同样地减小，无法发挥潜在牵引力，以致汽车停驶。

2.摩擦片式差速器

为了增加差速器的内摩擦力矩，在半轴齿轮7与差速器壳1之间装上了摩擦片2(图5—20)。两根行星齿轮轴5互相垂直，轴的两端制成V 形面4与差速器壳孔上的V 形面相配，两个行星齿轮轴5的V 形面是反向安装的。每个半轴齿轮背面有压盘3和主、从动摩擦片2，主、从动摩擦片2分别经花键与差速器壳1和压盘3相连。

当传递转矩时，差速器壳通过斜面对行星齿轮轴产生沿行星齿轮轴线方向的轴向力，该轴向力推动行星齿轮使压盘将摩擦片压紧。当左、右半轴转速不等时，主、

从动摩擦片间产生相对滑转，从而产生摩擦力矩。此摩擦力矩Tr ，与差速器所传递的转矩丁。成正比，可表示为示为

β tan z f T0Tr d

f r r =

(5 - 28)

式中，f r 为摩擦片平均摩擦半径；

d r 为差速器壳V 形面中点到半轴齿

轮中心线的距离；f 为摩擦因数；z 为摩擦面数；

β为V 形面的半角。

摩擦片式差速器的锁紧系数k

可达0．6，b k 可达4。这种差速器结构简单，工作平稳，可明显提高汽车通过性。

3．强制锁止式差速器

当一个驱动轮处于附着系数较小的路面时，可通过液压或气动操纵，啮合接合器(即差速锁)将差速器壳与半轴锁紧在一起，使差速器不起作用，这样可充分利用地面的附着系数，使牵对于装有强制锁止式差速器的4X2型汽车，假设一驱动轮行驶在低附着系数甲min ?的路面上，另一驱动轮行驶在高附着系数?的路面上，这样装有普通锥齿轮差速器的汽车所能发挥的最大牵引力t F 为

min 2min 2min 22

2

???G G G Ft =+

=

(5 - 29)

式中，2G 为驱动桥上的负荷。

如果差速器完全锁住，则汽车所能发挥的最大牵引力'

t F 为

)(2

2

2

`min 2min 22????+=

+

=

G G G t F (5 - 30)

可见，采用差速锁将普通锥齿轮差速器锁住，可使汽车的牵引力提高

()min min 2/???+倍，从而提高了汽车通过性。

当然，如果左、右车轮都处于低附着系数的路面，虽锁住差速器，但牵引力仍超过车轮与地面间的附着力，汽车也无法行驶。

强制锁止式差速器可充分利用原差速器结构，其结构简单，操作方便。目前，许多使用范围比较广的重型货车上都装用差速锁。

(二)滑块凸轮式差速器

图5—21为双排径向滑块凸轮式差速器。

差速器的主动件是与差速器壳1连接在一起的套，套上有两排径向孔，滑块2装于孔中并可作径向滑动。滑块两端分别与差速器的从动元件内凸轮4和外凸轮3接触。内、外凸轮分别与左、右半轴用花键连接。当差速器传递动力时，主动套带动滑块并通过滑块带动内、外凸轮旋转，同时允许内、外凸轮转速不等。理论上凸轮形线应是阿基米德螺线，为加工简单起见，可用圆弧曲线代替。

图5—22为滑块受力图。滑块与内凸轮、外凸轮和主动套之间的作用力分别为Fl、F2和F，由于接触面间的摩擦，这些力与接触点法线方向均偏斜一摩擦角户。由F1、F2和F构成的力三角形可知

式中，β

1β

2

分别为内、外凸轮形线的升角。

左、右半轴受的转矩Tl和T2分别为

中，r1、r2分别为滑块与内、外凸轮接触点的半径。

将式(5—31)代人式(5—32)可得

因此，凸块式差速器左、右半轴的转矩比k b为

)

sin(β)2cos(βr )sin(β)2-cos(βr 121212ρρρρ-++=

b k

(5 - 34)

滑块凸轮式差速器址一种高摩擦自锁差速器，其结构紧凑、质量小。但其结构较复杂，礼零件材料、机械加工、热处耶、化学处理等方面均有较高的技术要求。

(三)蜗轮式差速器

蜗轮式差速器(图5—23)也是一种高摩擦自锁差速器。蜗杆2、4同时与行星蜗轮3与半轴蜗轮1、5啮合，从而组成一行星齿轮系统。这种差速器半轴的转矩比为

式中，β为蜗杆螺旋角；ρ为摩擦角。

蜗轮式差速器的半轴转矩比kb 可高达5．67～9．00，锁紧系数是达0．7～0．8。但在如此高的内摩擦情况下，差速器磨损快、寿命短。当把kb 降到2．65～3．00，k 降到0．45～0．50时，可提高该差速器的使用寿命。由于这种差速器结构复杂，制造精度要求高，因而限制了它的应用。

(四)牙嵌式自由轮差速器 牙嵌式自由轮差速器(图5—24)是自锁式差速器的一种。装有这种差速器的汽车在直线行驶时，主动环可将由主减速器传来的转矩按左、右轮阻力的大小分配给左、右从动环(即左、右半轴)。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或大部分分配给另一侧车轮。当转弯行驶时，

外侧车轮有快转的趋势，使外侧从动环与主动环脱开，即中断对外轮的转矩传递；内侧车轮有慢转的趋势，使内侧从动环与主动环压得更紧，即主动环转矩全部传给内轮。由于该差速器在转弯时是内轮单边传动，会引起转向沉重，当拖带挂车时尤为突出。此外，由于左、右车轮的转矩时断时续，车轮传动装置受的动载荷较大，单边传动也使其受较大的载荷。

牙嵌式自由轮差速器的半轴转矩比Ab 是可变的，最大可为无穷大。该差速器工作可靠，使用寿命长，锁紧性能稳定，制造加工也不复杂。

二、普通锥齿轮差速器齿轮设计 (一)差速器齿轮主要参数选择 1．行星齿轮数n

行星齿轮数n 需根据承载情况来选择。通常情况下，轿车：n=2；货车或越野车：n=4。

2．行星齿轮球面半径 Rb

行星齿轮球面半径Rb 反映了差速器锥齿轮节锥距的大小和承载能力，可根据经验公式来确定

式中，Kb 为行星齿轮球面半径系数，Kb =2．5～3．0，对于有四个行星齿轮的轿车和公路用货车取小值，对于有两个行星齿轮的轿车及四个行星齿轮的越野车和矿用车取大值；Td 为差速器计算转矩(N ·m)，Td=min[Tce,Tcs]: Rb 为球面半径(mm)。

行星齿轮节锥距A0为

3．行星齿轮和半轴齿轮齿数Z1、Z2

为了使轮齿有较高的强度，希望取较大的模数，但尺寸会增大，于是又要求行星齿轮的齿数Z1应取少些，但Z1一般不少于10。半轴齿轮齿数Z2在14～25选用

。大

多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿数比Z2／Z1在1．5～2．0的范围内。 为使两个或四个行星齿轮能同时与两个半轴齿轮啮合，两半轴齿轮齿数和必须能被行星齿轮数整除，否则差速齿轮不能装配。

4．行星齿轮和半轴齿轮节锥角γ1、γ2及模数m 行星齿轮和半轴齿轮节锥角γ1、γ2分别为

锥齿轮大端端面模数m 为

22

011

0sin 2sin 2γγz A z A m =

=

(5 - 39)

5．压力角α

汽车差速齿轮大都采用压力角为'3022?、齿高系数为0.8的齿形。某些重型货车和矿用车采用?25压力角，以提高齿轮强度。

6．行星齿轮轴直径d 及支承长度L 行星齿轮轴直径d(mm)为

(5-40)

式中，0T 为差速器传递的转矩(N ·m)，n 为行星齿轮数；d r 为行星齿轮支承面中点到锥顶的距离(mm)，约为半轴齿轮齿宽中点处平均直径的一半；][c δ为支承面许用挤压应力，取98MPa 。行星齿轮在轴上的支承长度L 为

(5-40)

(二)差速器齿轮强度计算差速器齿轮的尺寸受结构限制，而且承受的载荷较大，它不像主减速器齿轮那样经常处于啮合传动状态，只有当汽车转弯或左、右轮行驶不同的路程时，或一侧车轮打滑而滑转时，差速器齿轮才能有啮合传动的相对运动。因此，对于差速器齿轮主要应进行弯曲强度计算。轮齿弯曲应力w σ(MPa)为

(5-40)

式中，n 为行星齿轮数；J 为综合系数，取法见参考文献[10]；2b 、2d 分别为半轴齿轮齿宽及其大端分度圆直径(mm)； T 为半轴齿轮计算转矩(N ·m)，06.0T T =；v k 、

s k 、m k 按主减速器齿轮强度计算的有关数值选取。

当],min[0cs ce T T T =时，[]980w M P a σ=；当cF T T =0时，[]210w M Pa σ=。 差速器齿轮与主减速器齿轮一样，基本上都是用渗碳合金钢制造， 目前用于制造差速器锥齿轮的材料为20CrMnTi 、20CrMoTi 、22CrMnMo 和20CrMo 等。由于差速器齿轮轮齿要求的精度较低，所以精锻差速器齿轮工艺已被广泛应用。 三、粘性联轴器结构及在汽车上的布置

粘性联轴器是一种利用液体粘性传递动力的装置。它以其优良的性能不仅广泛应用于四轮驱动汽车上，而且也应用于两轮驱动汽车上。 1．粘性联轴器结构和工作原理

粘性联轴器结构简图如图5—25所示。内叶片2与A 轴1以花键连接，叶片可在轴上滑动；外叶片6与壳体3也以花键连接，但叶片内有隔环7，防止外叶片轴向移动。隔环的厚度决定了内、外叶片的间隙。叶片上各自加工有孔或槽，壳体内充人作为粘性工作介质的硅油4，用油封密封。

粘性联轴器属于液体粘性传动装置，是依靠硅油的粘性阻力来传递动力，即通过内、外叶片间硅油的油膜剪切力来传递动力。一般在密封的壳体内填充了占其空间80％～90％的硅油(其余是空气)，高粘度的硅油存在于内、外叶片的间隙内。当A 轴与月轴之间有转速差时，内、外叶片间将产生剪切阻力，使转矩由高速轴传递到低速轴。它所能传递的转矩与联轴器的结构、硅油粘度及输入轴、输出轴的转速差有关。

2．粘性联轴器在车上的布置

根据全轮驱动形式的不同，粘性联轴器在汽车上有不同的布置形式。 图5—26为粘性联轴器作为轴间差速器限动装置的简图。轴间差速器壳体上的齿轮1与变速器输出轴上的齿轮相啮合，壳体内的左齿轮通过空心轴2与右侧的前桥差速器6壳体相连，右齿轮通过空心轴4和齿轮7等与后桥差速器壳上的齿轮相连。粘性联轴器5的壳体与空心轴4相连，内叶片连接在空心轴2上，这样它就与轴间差速器3并联在一起，内、外叶片的转速分别反映了前、后差速器壳体的转速。

当前、后桥差速器壳体转速相近时，粘性联轴器内、外叶片转速相近，它并不起限动作用，此时轴间差速器将转矩按固定比例分配给前、后桥。当某一车轮(如前轮)严重打滑时，前桥差速器壳的转速升高，粘性联轴器的内、外叶片转速差增大，阻力矩增大，轴间差速器中与后桥相连的转速较低的齿轮就获得了较大的转矩，使附着条件较好的后轮产生与附着条件相适应的较大的驱动力。

在有些汽车中，用粘性联籼腊取代了轴间差速器。当汽车正常行驶时，前、后轮转速基本相等，粘性联轴器不工作，此时相当于前轮驱动。当汽车加速或爬坡时，汽车质心后移，前轮将出现打滑现象，转速升高，前、后轮出现转速差，粘性联轴器开始工作，将部分转矩传给后桥，使之产生足够驱动力帮助前轮恢复正常的附着状态，提高了它的动力性。由于粘性传动不如机械传动可靠，所能传递的转矩较小，故该形式主要用于轿车和轻型汽车中。