CN100552266C - 自举式液力驱动限滑差速器 - Google Patents

Abstract

一种自举式液力驱动限滑差速器，该限滑差速器包括：左右壳体及安装在其中的差速器总成；在差速器左壳体(1)的(A)端面和半轴齿轮(9)的非齿端面间同轴安装L形泵套(18)，复位弹簧(20)，活塞(19)，构成活塞泵；在差速器左壳体内开有进油道(14)、出油道(21)，并在进油道和压力腔间(23)、压力腔和出油道间安装单向阀(16)；在差速器壳外安装一个环形油盖，其和差速器左壳体配合形成进油箱；本发明具有结构简单，体积小、重量轻等优点，能够跟据驱动轮的间的转速差自动调节差速器的锁紧能力，减小车辆的转弯阻力和减少车辆的磨损，适用于各种轮式车辆。

Description

自举式液力驱动限滑差速器

所属领域

本发明涉及一种轮式车辆使用的限滑差速器，具体涉及的是一种由内置活塞泵驱动环形活塞及摩擦环的速度敏感型限滑差速器。

背景技术

众所周知，在车辆转弯时，外侧驱动轮的转速必需大于内侧驱动轮的转速，差速器的基本作用也就在此。差速器位于两驱动车轮的中间，通过两个由半轴齿轮驱动的半轴联接驱动轮。半轴齿轮则通过行星齿轮联接在一起。当汽车直线行驶时，行星齿轮只公转而不绕其轴线自转，从而驱动两半轴齿轮以相同的转速旋转。但是在汽车转弯时，行星齿轮在公转的同时还绕其轴线自转，这样就使得两半轴齿轮以不同的转速转动。

人们所关心的是汽车的牵引力，特别是当汽车在冰雪、砂石、泥泞路面上行驶时牵引力的变化情况。汽车在干燥、平直的路上行驶时，如上所述的差速器向两半轴提供大小相等的转矩。但是，当汽车在行驶条件差的路面上行驶时，如冰面或雪地，普通开式差速器依然向两半轴提供相同的转矩。一旦出现一侧驱动车轮打滑的现象时，汽车的牵引力就会急剧下降，致使车辆不能前进。

为了解决这个问题，一种特殊类型的差速器-限滑差速器，近些年被广泛的应用在轮式车辆中。目前，限滑差速器的结构有多种形式，按工作原理可分为内摩擦式、超越式、势垒式、电子自动差速锁及与ABS刹车系统相结合的电子制动限滑差速系统等。内摩擦式差速器中最常用的是高摩擦式差速器，可细分为预加载式和非预加载式两种，在它们的结构中都有摩擦盘，通过改变施加在摩擦盘上的法向压力来改变摩擦盘之间的摩擦力，从而来限制半轴和差速器壳的相对转动，实现限滑作用。由于摩擦盘的材料较贵，制造工艺也较复杂，就增加了差速器的制造成本；由于摩擦盘的磨损，会使差速器的防滑效果在长期使用过程中逐渐下降，因此就要定期检查、更换摩擦盘，这就增加了差速器总成的维修成本。为了保证预载式限滑差速器有足够大的锁紧系数，其差速器内的摩擦力矩就要足够大。例如，如果取锁紧系数K＝T₂/T₁＝3时，则差速器的内摩擦转矩T_f＝0.5T₀。那么车辆在转弯时也需要克服这个摩擦力矩，这就使得转向阻力变大；如果锁紧力较大，会使驱动车轮在转向时产生滑移和滑转现象，动力消耗骤增，并加速轮胎的磨损。

非预载式限滑差速器可以避免上述情况。非预载式限滑差速器可分为速度敏感型和扭矩敏感型两大类，速度敏感型滑差速器只有在两驱动轮的转速差达到一定的程度时，才会起到限滑作用，而忽略如车辆正常转弯时所需要的转速差。转矩敏感型非预载式限滑差速器根据输入转矩决定限制驱动轮的差动转矩，从实现机构上可分为外螺旋式防滑差速器和多片摩擦式防滑差速器。多片摩擦式防滑差速器应用较广，它是依靠湿式多片离合器产生差动转矩，有转矩比例式、预压式及转矩比例式加预压式三种形式。转矩比例加预压式限滑差速器应用较广，它是依靠小齿轮轴两端的凸轮机构使压圈扩张，从而使设在半轴齿轮与差速器之间的湿式多片离合器产生摩擦力。但是现有机构在单侧驱动轮仍旧滑转的情况下，对半轴车轮的驱动转矩也明显减小。相对于速度敏感型限滑差速器，转矩敏感型限滑差速器的结构略简单一些，但转向阻力较大。

还有一种变传动比式差器，该类型差速器自20世纪30年代开始为美国Timken公司采用，但其锁紧系数较低，在1.25～1.5之间变化，不能满足越野汽车的要求；由北京交通大学王小椿教授发明的三周节变传动比差速器，突破了传统变传动比差速器单周节的限制，通过采用特殊齿面设计，使三周节变传动比差速器的锁紧系数达到了3.0～3.5，可以满足商用车的使用要求。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种非预载、依靠内置活塞泵驱动环形活塞及摩擦环的液压限滑差速器。本发明是一种利用半轴齿轮与差速器壳体间的相对转动，驱动内置活塞泵的非预载式限滑差速器，根据两侧驱动轮的转速差，通过内置活塞泵自动调节差速器中摩擦环和差速器壳体的锁紧程度，使汽车即使在较差的行驶条件下，如在冰面或雪地上行驶时，也能够有足够的越野能力和通过性。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是利用差速器内半轴齿轮相对于差速器壳体的旋转运动驱动内置活塞泵的自举式液力驱动限滑差速器，包括左右壳体及安装在其中的差速器总成。其特殊之处于，在差速器左壳的内端面和半轴齿轮的非齿端面之间同轴安装L形泵套，活塞泵复位弹簧，活塞，活塞和L形泵套间隙配合，活塞和差速器左壳间隙配合，L形泵套，复位弹簧，活塞构成活塞泵；在差速器左壳内开有进油道、出油道，并在进油道和压力腔间、压力腔和出油道间安装单向阀；在差速器左壳环形槽中安装作用活塞、在环形槽外安装摩擦元件，并在其间安装作用部分的复位弹簧；在差速器壳外安装一个环形油盖，其和差速器壳体配合形成进油箱。

在本发明中，半轴齿轮端面形成的凸轮的运动规律在一定程度上决定了整个差速器的性能，三角函数运动规律在运动过程中无刚性冲击，是较理想的凸轮运动规律，其基本形式为：Z＝Z₀+Acosnθ。其中，θ为半轴齿轮的旋转角，Z₀、A、n三参数根据差速器的具体结构取值。其中，n的取值必需是一个正整数，A表示活塞行程幅度的二分之一，Z₀的取值是一个正数，其值的大小表示半轴齿轮大端端面距凸轮运动轨迹中心的距离。

在本发明中，活塞是空心圆柱体结构，其轴向两端面具有不同的结构。一个端面上加工有n个半圆柱凸起，在环形活塞的另一端面的直径方向上，对称的加工两个肓孔。

在本发明中，复位弹簧用弹簧钢制作。沿其任意直径方向对称的加工有两个爪结构；在与所述两爪结构连线垂直的直径方向上，加工有的另一个爪结构。

在本发明中，采用带有自增力结构的、锥角小于10度的可胀开式摩擦环代替多盘式离合器作为差速器的摩擦副。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果是：在同等锁紧能力下具有结构简单，体积小、重量轻等优点，能够跟据驱动轮的间的转速差自动调节差速器的锁紧能力，在车辆驱动轮持续打滑时，内置活塞泵持续作用，不断增大摩擦环上的压力，从而不断增大差速器的内摩擦，提高锁紧系数，在理论情况下能够差速器锁死。但当存在由于车辆转弯或其它原因引起的驱动轮的正常的转速差时，本发明相当于普通的开式差速器，从而减小车辆的转弯阻力和减少车辆的磨损。

附图说明

图1是自举式液力驱动限滑差速器总成的全剖视图。

图2是自举式液力驱动限滑差速器总成的差速器左壳体的全剖视图。

图3是自举式液力驱动限滑差速器总成的齿轮副中半轴齿轮的结构示意图。

图4是自举式液力驱动限滑差速器总成的活塞的俯视图。

图5是自举式液力驱动限滑差速器总成的活塞的主视图。

图6是自举式液力驱动限滑差速器总成的活塞的仰视图。

图7是自举式液力驱动限滑差速器总成L形泵套示意图。

图8是自举式液力驱动限滑差速器总成的复位弹簧的主视图。

图9是自举式液力驱动限滑差速器总成的复位弹簧的左视图。

图10是自举式液力驱动限滑差速器总成的复位弹簧的俯视图。

图11是自举式液力驱动限滑差速器总成的磨擦环的主视图。

图12是自举式液力驱动限滑差速器总成的磨擦环的俯视图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详述：

本实施实例的具体结构，参见图1。本发明-自举式液力驱动限滑差速器，包括左右壳体及安装在其中的差速器总成，在差速器左壳体1内部的阶梯端面A和半轴齿轮9的非齿端面之间同轴安装的L形泵套18，复位弹簧20，活塞19，活塞19的和L形泵套18间隙配合，活塞19的和差速器左壳体1间隙配合，L形泵套18，复位弹簧20，活塞19构成活塞泵；在差速器左壳体1内开有进油道14、出油道21，并在进油道14和压力腔22间、压力腔22和出油道21间安装有单向阀16；在差速器左壳体环形槽31中安装圆环形的作用活塞12、在环形槽外安装摩擦环10，并在其间安装复位弹簧11。

差速器壳体，见图1，由差速器左壳体1和差速器右壳体7两部分组成，用螺栓联接将两部分联接起来。差速器壳通过轴承旋转支承于桥壳上，这种安装方式允许差速器总成绕半轴轴线转动，但限制差速器总成的轴向移动；差速器壳体通过法兰2与主减速器从动齿轮联接，用螺栓紧固；在差速器壳内设置一个十字或一字行星齿轮轴4、行星齿轮3和半轴齿轮8、9，所述的行星齿轮旋转支撑于行星齿轮轴上；行星齿轮3的背面与差速器壳之间设置有球面垫片5，半轴齿轮8的背面与差速器右壳体7之间设置有平垫片6，另一侧半轴齿轮具有同样的结构，所述的行星齿轮和半轴齿轮构成若干对齿轮副，以实现差速作用。为形成端面凸轮，半轴齿轮9非齿端面加工有特定的几何形状，以满足它的运动要求，详细结构参见图3。在本实施例中，表面F是一圆柱体的波浪运动的包络轨迹，图中Z是所述圆柱体中心到半轴齿轮大端底面的距离，其运动规律为Z＝Z₀+Acosnθ，其中θ是半轴齿轮的旋转角度，n的取值必需是一个正整数，n为活塞19在半轴齿轮9转动一圈作用下往复运动的次数，其值的大小对差速器性能有很大的影响，因为活塞泵的供油量会随着n值的增加而增加。差速器中活塞泵的供油量增加，则会对差速器产生三个影响：即差速器的锁紧能力提高、摩擦环空行程的时间缩短和端面凸轮的升角增大。在这三项中，期望差速器的锁紧能力提高，这有助于提高汽车的通过性；而摩擦环空行程的时间则不能太短，因为摩擦环的空行程时间缩短也就相当于摩擦环发挥摩擦作用的反应加快，而车辆在转弯时需要一定的时间，如果摩擦环发挥摩擦作用的反应过快，会使差速器过早发挥其限滑作用，这样会影响车辆的正常转向；第三项，凸轮升角增大的影响是负面的，因为凸轮升角增加会使内置活塞泵环形活塞上的扭矩增大，从而使复位弹簧上的负荷加大。A表示活塞19行程幅度的二分之一，Z₀的取值是一个正数，其值的大小表示半轴齿轮大端端面距凸轮运动轨迹中心的距离。

自举式液力驱动限滑差速器的内置活塞泵主要由差速器壳体1，环形油盖15，进油道14、出油道21、压力腔22，活塞腔23，单向阀16，油堵，L形泵套18，活塞19，复位弹簧20组成，下面详细介绍它们之间的装配关系和各自的作用。

在差速器左壳体，见图1、图2，外安装一个环形油盖15，其和差速器壳体配合形成进油箱；在差速壳体内部开有进油道14、出油道21形成压力腔22和活塞腔23；进油道14和压力腔22、出油道21和压力腔22之间分别用单向阀16联通；压力腔22和出油道21用油堵17和密封13；在半轴齿轮9和差速器壳体1之间，同轴安装一个L形的泵套18，见图7。L形泵套18和半轴之间采用松联接相联，保证泵套不随半轴转动，L形泵套是一个L形截面的回转体结构，其内表面和环形活塞滑动配合，大端面和差速器壳体紧密配合，小端面和半轴齿轮紧密配合，以防止其轴向窜动和高压油从作用腔中的渗出，影响内置活塞泵的泵油效率；在泵套、半轴齿轮和差速器壳体形成的腔体中安装凸轮推杆，即活塞19，见图4、图5、图6，该活塞具有一定的轴向厚度，其内表面和内置活塞泵的L形泵套滑动配合，外表面和差速器壳体滑动配合。可以在环塞内外表面加工矩形密封圈槽，放入密封圈后可以提高内置活塞泵的油压。在本实施例中，与半轴齿轮相对表面加工有4个圆弧凸起25，每个半圆柱凸起的轴线均布于环形活塞轴线的同一个法平面内。半圆柱凸起的直径等于形成半轴齿轮端面凸轮轨迹的圆柱体的直径，否则环形活塞上的半圆柱凸起部分将无法实现与半轴齿轮上凸轮曲面的线接触，影响凸轮副的使用寿命；为了确保活塞19的轴向运动，限制其周向转动，在差速器壳体和环形活塞之间同轴安装一个复位弹簧20，见图8、图9、图10。复位弹簧20主体呈拱形，以产生弹性力，实现其复位作用；沿复位弹簧20的任意直径方向对称的加工有两个和活塞上的肓孔相互配合使用的轴向爪结构27。该结构的截面为矩形，且垂直于复位弹簧主体所在平面；在与所述两爪结构连线垂直的直径方向上，加工有与其结构相似、和差速器壳体配合、限制其周向转动的径向爪结构28。与轴向爪结构27不同，径向爪结构28平行于复位弹簧主体所在平面，并且其截面同样是矩形。上述的两部分爪结构均布在复位弹簧半圆周上，其间夹角为90°。爪结构间的角度无论增加或者是减小，都将缩短复位弹簧的使用寿命。因为复位弹簧所承受的力矩是一定的，如果爪结构间的角度不为90°，在环型活塞的每一次往复运动中，都会发生径向爪的弯曲和复位弹簧的额外扭转，从而缩短其使用寿命。在安装时，轴向爪结构27伸入活塞19的孔26结构中，同时将径向爪结构28插入差速器壳体1上的联通压力腔22和活塞腔23的结构孔中。这样，该结构孔就限制了复位弹簧的周向转动，同时由于轴向爪结构27卡在活塞19的孔26中，因此也就限制了活塞的周向转动。

内置活塞泵中的活塞19，见图4、图5、图6，在半轴齿轮9的非齿端和径向爪结构28的作用下实现往复运动的过程；当活塞19在径向爪结构28的作用下趋近半轴齿轮的时候，内置活塞泵的封闭空间中会产生负压，在大气压力的作用下，主减速器壳体中的油会推开进油道14中的单向阀进入活塞泵的封闭油腔；当活塞19被半轴齿轮9的非齿端推离半轴齿轮的时候，封闭油腔的容积减小，压力迅速上升，该压力会迫使进油道14中的单向阀关闭，同时推开出油通道21中的单向阀，使压力油进入作用腔24。

在差速器左壳体和半轴齿轮相接触部分开有作用腔24，在作用活塞腔中布置有作用活塞12、复位弹簧11和摩擦环10。差速左壳体1和作用活塞12之间采用松联接，并且可以在它们之间布置○形密封圈，以提高密封性。在作用活塞和半轴齿轮非齿端面间，布置有一个碟形复位弹簧11。复位弹簧11的作用是消除内置活塞泵泵出的高压油通过作用活塞对摩擦环产生的作用力的累积。摩擦环10，见图12、图13，有可胀开式和整体式两种结构，整体式摩擦环需要分别在摩擦环和差速器左壳体上制作键和键槽以传递扭矩；可胀开式摩擦环的结构比较复杂，但摩擦环和差速器左壳体上不需要制作键和键槽就能够传递扭矩。从性能方面考虑，可胀开式摩擦环由于环的内外两侧都受到摩擦力，容易发出自锁，所以摩擦环的楔角不能小于10度，而整体式摩擦环仅内侧受到摩擦力作用，摩擦环的楔角只要不小于6度就不会发生自锁。在本发明的一个实施例中，采用可胀开式摩擦环。采用摩擦环代替多盘摩擦副可以在不影响差速器锁紧系数的前提下，减小差速器总成的轴向结构尺寸，降低制造成本和维修成本。摩擦环10的空行程对限滑差速器的性能至关重要，适当的空行程可以使车辆在正常行驶和转向时与普通开式差速器毫无区别，而在滑转速度和时间超过某一阈值时产生良好的限滑功能。

本发明所述的液力自举式限滑差速器在不同的工况下的作用过程如下所述：

车辆直线行驶：

车辆在行驶条件良好的路面上直线行驶时，左右驱动轮间不存在转速差，差速器不起作用。动力由发动机产生后，经变速箱、驱动轴、主减速器传到差速器壳体上，再经过差速器内的十字轴、行星齿轮、半轴齿轮，通过半轴齿轮花键传给半轴完成整个动力的传递过程。由于左右驱动轮不存在转速差，在此过程中差速器不起作用。

车辆转弯的行驶：

在车辆直线行驶且驱动轮不打滑的情况下，差速器中左右半轴的的转速等于差速器壳的转速。但是在汽车转弯时，由于左右驱动车轮产生转速差，使左右半轴和差速器壳之间的转速不再相等。在本发明中，活塞19通过复位弹簧和差速器壳左体1相联，使得活塞和差速器壳体的转速保持一致。因此，当差速器体壳和半轴出现转速差时，半轴齿轮端面凸轮和活塞就会发生相对转动。这种相对转动迫使活塞沿着半轴轴线向左移动。当活塞19运动到左侧极限位置时，在复位弹簧20的的作用下向右运动，这时活塞腔中的压力下降。当进油道14中的压力大于单向阀16的预压力时，进油腔中的油就会经过单向阀进入活塞腔。活塞在半轴凸轮和复位弹簧20的作用下往复运动的同时，压力腔22的中压力增加，当压力大于单向阀的预紧力时，高压油就会进入作用腔24。作用活塞12在作用腔中的高压油的作用下向右移动。通过设计计算，使车辆在正常转弯时，活塞19产生的油压推动作用活塞12而产生的轴向位移不会超过复位弹簧11的空行程，因此不会推动磨擦环，差速器不产生限滑作用。此时，本发明相当于一个开式差速器，可以实现差速作用。

在此情况下，动力由发动机产生后，经变速箱、驱动轴、主减速器传到差速器壳体上，再经过差速器内十字轴、行星齿轮、半轴齿轮，通过半轴齿轮花键传给半轴完成整个动力的传递过程。

车辆的驱动车轮打滑时的行驶：

考虑如下所述的特殊情况，如果车辆的右轮处在行驶条件良好的柏油路面上、而左轮处在冰面上时，车辆就处于驱动轮打滑的极限情况下。这时，差速器的工作过程和差速器在情况2中的工作过程是一样的。不同的是，在此种情况下由于左右轮持续存在转速差，活塞19会持续动作，不断的向作用腔24压入高压油，作用活塞12在高压油持续的作用下，会超过复位弹簧11的预先设定的空行程，推动磨擦环向右运动，胀紧差速器壳体1和半轴齿轮9。由于磨擦环的作用，打滑一侧半轴齿轮上的部分扭矩会通过摩擦环回流到差速器壳体上，从而减小了打滑一侧半轴上的输出扭矩，起到限滑作用。同时回流的扭矩可以被差速器系统重复利用，不会增加车辆的动力消耗。

此种情况下，动力由发动机产生后，经变速箱、驱动轴、主减速器传到差速器壳体上，由于磨擦环的胀紧作用，使打滑一侧的部分扭矩回流到差速器壳体上，从而减少该侧的扭矩；另一部分经过差速器内十字轴、行星齿轮、半轴齿轮，通过半轴齿轮花键传给半轴完成整个动力的传递过程。

上述实施例仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (3)

1.一种自举式液力驱动限滑差速器，包括左右壳体及安装在其中的差速器总成，其特征在于：

在差速器左壳体(1)内部的阶梯端面(A)和半轴齿轮(9)的非齿端面之间同轴安装L形泵套(18)，复位弹簧(20)，活塞(19)，活塞(19)和L形泵套(18)间隙配合，活塞(19)和差速器左壳体(1)间隙配合，L形泵套(18)，复位弹簧(20)，活塞(19)构成活塞泵；

在差速器左壳体(1)内开有进油道(14)、出油道(21)，并在进油道和压力腔(23)间、压力腔和出油道间安装单向阀(16)；在差速器壳外安装一个环形油盖，其和差速器左壳体配合形成进油箱；

在差速器左壳环形槽体(31)中安装作用活塞(12)、在环形槽外安装摩擦环(10)，并在其间安装复位弹簧(11)；

半轴齿轮(9)的非齿端面是具有Z＝Z₀+A·cosnθ运动规律的端面凸轮；式中Z₀为半轴齿轮大端面到运动轨迹中心的距离，θ为半轴齿轮的旋转角，A为油泵活塞行程幅度的二分之一，n为活塞(19)在半轴齿轮(9)转动一圈作用下往复运动的次数。

2.根据权利要求1所述的自举式液力驱动限滑差速器，其特征在于：活塞(19)一端面有2个至8个凸起(25)；圆柱活塞的另一个端面上均布2个盲孔。

3.根据权利要求1所述的自举式液力驱动限滑差速器，其特征在于：复位弹簧(20)呈拱形，其孔径等于L形泵套(18)的外径；在其外沿，沿轴向对称加工一对爪结构；在与其垂直的直径的外沿上，沿径向加工一爪结构。

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