越野汽车双联非圆行星齿轮差速器的研究

贾巨民 高 波

军事交通学院，天津，300161

0 引言

越野汽车经常在坏路或无路地区行驶，为提高其越野通过性，一般采用多轴驱动。若前后轴之间未装轴间差速器而呈刚性连接，则当汽车行驶时，前后车轮将以同样的角速度旋转。但在实际使用中，由于轮胎气压、载荷不尽一致，特别是在不平路面上行驶时，前后车轮在单位时间内所通过的行程不相等，从而引起车轮的滑转或滑移，造成功率循环[1-2]。

在驱动轴之间安装差速器可避免上述现象，但普通的齿轮差速器会显著降低车轮的通过性，其原因在于分动器输出扭矩按差速器传动比定比地分配给各输出轴，当其中一轴车轮打滑时，该轴车轮附着力减小，驱动力随之减小，其他轴的驱动力也随之按比例减小，导致车辆通过性降低。

为此，国外开发了变扭矩分配式分动器[1-2]，该分动器分为被动控制式和主动控制式两种，前者有黏性式和高摩擦式，当前后输出轴存在转速差时会依靠内部黏性或摩擦阻力调整扭矩分配；后者一般为电子控制式，能根据传感器测得的路面、转速等信息经综合处理后控制扭矩分配，以适应车辆的越野通过性要求。

目前国内越野车上采用的全时驱动分动器几乎均为定扭矩分配比式，其中的差速器采用普通的圆柱行星齿轮传动，基本不具备防滑功能。

为解决上述问题，文献[3]提出了一种新型差速器概念模型，指出：如将组成差速器的三个齿轮改成非圆齿轮，即将差速器变成非圆行星齿轮差速器，则有可能不用改变分动器总体结构，依靠传动的变速比效应自动调整输出轴的转矩分配，从而改善车辆的越野通过性。

上述模型中，非圆行星齿轮同时与中心轮和齿圈啮合，结构简单、紧凑，对原分动器改动小，但也存在两点不足：一是存在平差效应，即无法保证行星齿轮与中心轮传动比最大位置刚好是行星齿轮与齿圈传动比最小位置，反之，也无法保证行星齿轮与中心轮传动比最小位置刚好是行星齿轮与齿圈传动比最大位置；二是很难在中心轮圆周均布多个行星轮用于提高承载能力并实现均载。

为此，本文提出一种新型双联非圆行星齿轮差速器。该差速器应用于越野汽车分动器中，可以实现两输出轴扭矩变比例分配，从而实现差速器的防滑功能，改善车辆的越野通过性。

1 结构原理

图1为新型双联非圆行星齿轮差速器传动示意图，它主要由非圆中心轮1、非圆中心轮2、双联非圆行星齿轮3、行星架H等组成。运动及动力由行星架H输入，非圆中心轮1、2分别与前后输出轴Ⅰ、Ⅱ固连，当齿轮间存在相对运动时，前后两根输出轴Ⅰ、Ⅱ的传动比不是定值，而是按照设定的规律周期变化。两个中心齿轮结构完全相同，双联行星齿轮形状一致，相位相差90°，共有三组，绕中心齿轮均布。

(a)双联齿轮机构原理图

(b)输出轴Ⅰ端齿轮1、3节曲线

(c)输出轴Ⅱ端齿轮2、3节曲线H-行星架(输入轴) Ⅰ、Ⅱ—输出轴1.非圆中心轮 2.非圆中心轮 3.双联非圆行星轮图1 双联非圆行星齿轮差速器传动示意图

分析传动原理，可得该差速器转化机构传动比(输出轴Ⅱ相对于输出轴Ⅰ)：

(1)

式中，r1为非圆齿轮1的节曲线半径；r2为非圆齿轮2的节曲线半径；r31为与齿轮1啮合的双联齿轮3的节曲线半径；r32为与齿轮2啮合的双联齿轮3的节曲线半径；f(φ3)为行星齿轮转角φ3(绕自身轴线)的周期函数。

差速器输入扭矩将按上述传动比规律成比例地分配给前后两个输出轴，从而实现变扭矩分配。

需要特别说明的是，非圆行星齿轮差速器在功能方面具有自适应性，即装配好后，不再需要人工干预，而是根据不同车轴上车轮打滑状况自动调节输出扭矩分配，其输出扭矩之比的最大值称为锁紧系数[2]。

2 非圆齿轮传动设计

行星齿轮与中心齿轮的传动比规律设计直接关系到差速器的使用性能，也是整个研究工作的出发点与归宿，本文经研究给出如下传动比公式：

(2)

式中，i31为行星齿轮3与中心齿轮1的传动比；z1、z3分别为中心齿轮和行星齿轮的齿数；φ1为中心齿轮转角；c为设计常数。

显然，行星齿轮3与中心齿轮2的传动比可表示为

(3)

则齿轮1与齿轮3的节曲线方程可表示为[4]

(4)

同理，齿轮2与齿轮3的节曲线方程为

(5)

式中，a为齿轮1、2与齿轮3的啮合中心距。

3 示例

(a)输出轴Ⅰ端齿轮1、3齿形

(b)输出轴Ⅱ端齿轮2、3齿形图2 齿形计算结果

图3 新型差速器原理样机

1.非圆行星齿轮差速器 2.圆柱行星齿轮差速器图4 前后输出轴传动比

4 结论

(1)提出了一种新型非圆行星齿轮差速器，并进行了传动原理分析，该差速器可以依靠传动的变速比效应自动调整输出扭矩的分配，实现防滑功能，改善车辆的越野通过性。

(2)差速器结构紧凑，两个非圆中心齿轮形状完全相同；双联非圆行星齿轮形状一致，相位相差90°，采用三组双联行星齿轮实现均载，加工、装配工艺性好。

(3)对于装有差速锁的车辆，本文提出的差速器仍然适用，在不太恶劣的路面上，依靠差速器本身的防滑功能基本够用，在特别恶劣的路面上再使用差速锁，可以做到优势互补。

[1] 汽车工程手册编辑委员会．汽车工程手册[M]．北京：人民交通出版社，2002．

[2] 刘惟信．汽车车桥设计[M]．北京：清华大学出版社，2004．

[3] 贾巨民，高波．越野汽车分动器非圆行星差速器概念模型[J]．中国机械工程,2008，19(24)：3003-3005．

[4] 李福生，尹种芳，张遵连，等．非圆齿轮与特种齿轮传动设计[M]．北京：机械工业出版社,1983．