不对称式面齿轮差速器的构造及原理

刘珂路， 任爱华， 孙国兴， 孙传琼

(1 湖北汽车工业学院汽车工程系， 湖北 十堰 442002； 2 湖北汽车工业学院机械工程系， 湖北 十堰 442002)

全时(常接合式)四轮驱动汽车的动力传动系统中需要装置三个差速器[1-2]：在前后驱动轴上各有一个轮间差速器，前后驱动轴之间还有一个装在分动器内的轴间差速器(中央差速器)．轮间差速器用于吸收左右驱动轮的转速差和向左右驱动轮分配相等的转矩，通常采用对称式锥齿轮差速器[1-2]．轴间差速器用来吸收前后桥的转速差以防止产生功率循环，并向前后桥按一定比率分配驱动转矩．在正常情况下，四轮驱动汽车在具有相同附着系数的路面上行驶时，前后轮附着力与前后桥轴荷成正比．因此，为保证汽车有足够的驱动力，提高其爬坡能力与行驶中的操纵稳定性，轴间差速器的转矩分配通常是与前后桥轴荷相适应的，大多为不对称式(不等转矩式)分配．常用的不对称式轴间差速器按其构成型式有不对称式圆锥行星齿轮差速器、单行星式圆柱齿轮差速器和双行星式圆柱齿轮差速器等三类[1-3]，本文介绍一种由面齿轮传动构成的新型不对称式轴间差速器．

1 面齿轮传动原理

面齿轮传动(Face Gear Drive)是一种圆柱齿轮与圆锥齿轮相啮合的齿轮传动，可以应用于两轮轴线正交与非正交的场合．当两轮轴线正交(轴夹角等于90°)时，圆锥齿轮的轮齿分布在一个圆平面上，锥齿轮即成为面齿轮，从而泛称为面齿轮传动．面齿轮传动的原理如图1所示[4]．面齿轮传动具有很多独特优点，已成功应用于直升飞机传动系统中[5]．

1-面齿轮； 2-直齿圆柱齿轮图 1 面齿轮传动原理

2 面齿轮传动的特点

面齿轮传动与锥齿轮传动一样，都是传递包含一定轴间交角的运动．相对于锥齿轮传动，面齿轮传动具有以下特点[5-6]：

1)小齿轮为圆柱齿轮，其轴间移动产生的位置误差对传动性能几乎没有影响，不需要防位错设计，不会引起严重的偏载现象，面齿轮传动机构的安装时间相对大大减少；

2)小齿轮采用直齿圆柱齿轮时，无轴向作用力，可以简化支撑，减轻重量，结构更紧凑；

3)小齿轮为直齿圆柱齿轮，具有互换性；

4)面齿轮传动在理论上能够保证定传动比传动，振动和噪声较低；

5)面齿轮具有统一的理论齿面，便于加工制造、检测及维修；

6)重合度较大(可达2.0以上)，有利于增加传动的平稳性、提高承载能力和使用寿命；

7)加工面齿轮要求刀具尺寸参数与实际啮合的圆柱齿轮相同，这样会增加刀具数量；

8)面齿轮的轮齿具有在半径较大位置处产生齿顶变尖而在半径小处产生根切的特殊现象，因此面齿轮的齿宽不能设计得太宽，传动强度因此受到限制．

3 不对称式面齿轮差速器的构造

美国发明专利US5472385和US2007167272分别公开了一种由面齿轮传动组成的不对称式行星齿轮差速器，前者有6个直齿圆柱行星齿轮，后者只有2个直齿圆柱行星齿轮(图2)．圆柱齿轮行星轮3同时与面齿轮大太阳轮1和面齿轮小太阳轮2相啮合，行星轮轴4与差速器壳5连成一体形成行星架H，从而组成差动轮系1―3―2―H．

1-面齿轮大太阳轮； 2-面齿轮小太阳轮；3-圆柱齿轮行星轮；4-行星轮轴；5-差速器壳； 6-差速器端盖图 2 不对称式面齿轮差速器的构造

4 不对称式面齿轮轴间差速器的差动条件

图3a对应图2的构造；图3b则对应图2大太阳轮与小太阳轮互换位置后的构造．在由太阳轮1、行星轮3、太阳轮2和行星架H组成的差动轮系1-3-2-H中，三个基本构件1、2和H的轴线重合，按周转轮系传动比的计算公式可得[7]

(1)

由式(1)得

(2)

式中：ω0为差速器壳的角速度，差速器即行星架，且ω0=ωH．

式(2)即是不对称式面齿轮轴间差速器的差动条件方程．

1-前传动轴面齿轮太阳轮；2-后传动轴面齿轮太阳轮；3-圆柱齿轮行星轮；4-行星架(行星轮轴-差速器壳组合件)图 3 不对称式面齿轮轴间差速器的机构及转矩分配示意图

5 不对称式面齿轮轴间差速器的转矩分配

图3中由变速器输入差速器的转矩T0，经差速器壳-行星轮轴(即行星架H)传至行星齿轮3后，再分两路分别传给前传动轴面齿轮太阳轮1输出转矩T1和后传动轴面齿轮太阳轮2输出转矩T2．圆柱齿轮行星轮3相当于一个等臂杠杆，因此由行星轮3分别作用于前、后传动轴面齿轮1和2上的圆周力Ft1与Ft2的大小相等(忽略摩擦阻力的影响，Ft1=Ft2=Ft)，圆周力Ft(Ft1、Ft2)的方向垂直于图3纸面．根据力系平衡条件可求得T1、T2和T0之间的关系如下[8]：

(3)

T1+T2=T0;

(4)

(5)

(6)

式(5)和式(6)即是不对称式面齿轮轴间差速器的转矩分配方程．

6 结束语

面齿轮传动有许多独特的优点，而面齿轮存在加工刀具数量多和齿宽受到限制的不足之处将随着加工制造技术的进步而得以弥补．通过不对称式面齿轮轴间差速器的转矩分配分析得出其转矩分配比率即是前后传动轴面齿轮两平均半径的比值R1/R2．由于这种差速器从设计上易于调整两个面齿轮的半径大小来满足所需的转矩分配比率，同时又具有结构简单紧凑的特点，因此，不对称式面齿轮差速器与通常采用的不对称式圆柱齿轮差速器相比，更适合于全时四轮驱动汽车的轴间差速器，具有很好的应用前景．

[参考文献]

[1] 汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册.基础篇[M].北京:人民交通出版社,2001:171.

[2] 刘惟信.汽车车桥设计[M].北京:清华大学出版社,2004:378.

[3] 陈家瑞.汽车构造(下册)[M].第二版.北京:机械工业出版社,2005:136.

[4] 姬存强,魏冰阳,邓效忠,等.正交面齿轮的设计与插齿加工试验[J].机械传动,2010,34(2):58-61.

[5] 王 志,石照耀.面齿轮传动的特点及研究进展[J].工具技术,2009,43(10):10-14.

[6] 姜雄涛.平面齿轮滚齿加工[J].金属加工冷加工,2010(14):33-34.

[7] 郑文纬,吴克坚.机械原理[M].第七版.北京:高等教育出版社,1997:245-246.

[8] 南京工学院,西安交通大学.理论力学(上册)[M].北京:人民教育出版社,1979:155-156.