CN106704541A - 二齿差摆盘式汽车差速器 - Google Patents

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陈飞宇
周建钦
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    • F16H49/001—Wave gearings, e.g. harmonic drive transmissions

Abstract

二齿差摆盘式汽车差速器，属于机械传动技术领域。本发明提供一种新型汽车差速器，其保持架锥齿轮的外部是锥齿轮，内部是球形活齿的保持架，动力由保持架锥齿轮外部的锥齿轮输入，经保持架锥齿轮的保持架传给球形活齿，球形活齿再将动力传给与左半轴固连的端齿轮和与右半轴固连的二齿差摆盘槽式激波轮，左半轴和右半轴分别与左、右车轮固连，从而使左、右车轮实现差速。该差速器省去了传统汽车差速器中的行星齿轮系统，球形活齿与保持架锥齿轮、端齿轮及二齿差摆盘槽式激波轮之间均为多对齿啮合，故该差速器体积小，重量轻，重合度大，承载力强，可广泛应用于需要差速器的各种轮式车辆，如汽车、工程车辆等。

Description

二齿差摆盘式汽车差速器
技术领域
本发明涉及一种二齿差摆盘式汽车差速器，用于轮式车辆的差速，属于机械传动技术领域。
背景技术
目前常用的汽车差速器均采用由多个直齿圆锥齿轮组成的行星齿轮系统来实现差速的目的，虽然该系统能够实现汽车左、右半轴差速的功能，但该系统构件较多、轴向及径向尺寸都大、体积大、重量较重，特别是对于重型汽车而言，为了能实现差速并传递足够的动力，则体积和重量会进一步增加；直齿圆锥齿轮传动还具有重合度低，故承载能力低，传动效率不高，直齿圆锥齿轮加工困难，工艺性较差等缺点。
发明内容
本发明的目的是：为克服现有汽车差速器存在的上述缺点，本发明提供一种结构简单紧凑、轴向和径向尺寸小、重量轻、重合度高、承载能力大、传动效率高的新型差速器——二齿差摆盘式汽车差速器。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：一种二齿差摆盘式汽车差速器，主要由端齿轮(1)、二齿差摆盘槽式激波轮(2)、保持架锥齿轮(3)、球形活齿(4)、左半轴(5)、右半轴(6)、左半壳(7)、右半壳(8)、圆锥滚子轴承(9、18、19)、螺栓(10)、螺母(11)、键(12、17)组成，其特征在于：摒弃了传统汽车差速器的行星齿轮系统，代之以“二齿差摆盘槽式激波轮——球形活齿——端齿轮”系统，该系统主要包括端齿轮(1)、二齿差摆盘槽式激波轮(2)、保持架锥齿轮(3)、球形活齿(4)，以此系统实现差速，构成差速器；保持架锥齿轮(3)的外部是直齿圆锥齿轮，内部是球形活齿(4)的保持架，该保持架沿周向开有Z3个半径与球形活齿(4)半径相同的轴向通孔，故保持架锥齿轮(3)既是主减速器的一个锥齿轮，又是差速器机构中的保持架，保持架锥齿轮(3)将主减速器和差速器有机的合为一体，保持架锥齿轮(3)与左半壳(7)和右半壳(8)通过螺栓(10)固定连接成一个整体并由一对圆锥滚子轴承(9)支撑在机架上；Z3个球形活齿(4)在保持架锥齿轮(3)的轴向通孔内可沿轴向左、右运动，在二齿差摆盘式汽车差速器中，球形活齿(4)几何中心的轨迹是一圆柱面曲线，该曲线所在的圆柱称为二齿差摆盘式汽车差速器的分度圆柱，球形活齿(4)同时与保持架锥齿轮(3)的保持架、端齿轮(1)和二齿差摆盘槽式激波轮(2)相啮合接触而传递运动和动力，端齿轮(1)与二齿差摆盘槽式激波轮(2)均在端面沿周向开有导槽，端齿轮(1)和二齿差摆盘槽式激波轮(2)两者端部的周向导槽是球形活齿(4)在保持架锥齿轮(3)的轴向通孔中运动时所处一系列位置的包络曲面，导槽在轴截面内的形状是圆弧，圆弧的半径与球形活齿(4)的半径相同，导槽的轨迹是余弦函数曲线沿圆柱面的分布，其中二齿差摆盘槽式激波轮(2)的导槽轨迹的余弦函数周期数等于二齿差摆盘槽式激波轮(2)的波幅数，记为Z2，且Z2＝2，而端齿轮(1)的导槽轨迹的余弦函数周期数等于端齿轮(1)的齿数记为Z1，端齿轮(1)通过键(17)与左半轴(5)固联，二齿差摆盘槽式激波轮(2)通过键(12)与右半轴(6)固联；左半轴(5)通过一对圆锥滚子轴承(18)分别支撑于左半壳(7)和保持架锥齿轮(3)中，其左端与左边车轮(13)相固联；右半轴(6)通过一对圆锥滚子轴承(19)分别支撑于右半壳(8)和保持架锥齿轮(3)中，其右端与右边车轮(14)相固联；端齿轮(1)的导槽轨迹的余弦函数周期数Z1与保持架锥齿轮(3)的轴向通孔数Z3相差2，二齿差摆盘槽式激波轮实现了轴向激波。
本发明差速器其他未提及的地方均采用现有技术。
与已有技术相比本发明的主要发明点在于：
①本发明用“二齿差摆盘槽式激波轮——球形活齿——端齿轮”系统代替传统汽车差速器的行星齿轮系统，该系统主要包括端齿轮、二齿差摆盘槽式激波轮、保持架锥齿轮、球形活齿，以此系统实现差速，构成差速器。
②保持架锥齿轮的外部是直齿圆锥齿轮，内部是球形活齿的保持架，该保持架沿周向开有Z3个半径与球形活齿半径相同的轴向通孔，保持架锥齿轮既是主减速器的一个锥齿轮，又是差速器机构中的保持架，保持架锥齿轮将主减速器和差速器有机的合为一体，保持架锥齿轮与左半壳和右半壳通过螺栓固定连接成一个整体并由一对圆锥滚子轴承支撑在机架上。
③Z3个球形活齿在保持架锥齿轮的轴向通孔内可沿轴向左、右运动，在二齿差摆盘式汽车差速器中，球形活齿几何中心的轨迹是一圆柱面曲线，该曲线所在的圆柱称为二齿差摆盘式汽车差速器的分度圆柱，球形活齿同时与保持架锥齿轮的保持架、端齿轮和二齿差摆盘槽式激波轮相啮合接触而传递运动和动力，端齿轮与二齿差摆盘槽式激波轮均在端面沿周向开有导槽，端齿轮和二齿差摆盘槽式激波轮两者端部的周向导槽是球形活齿在保持架锥齿轮的轴向通孔中运动时所处一系列位置的包络曲面，导槽在轴截面内的形状是圆弧，圆弧的半径与球形活齿的半径相同，导槽的轨迹是余弦函数曲线沿圆柱面的分布，其中二齿差摆盘槽式激波轮的导槽轨迹的余弦函数周期数等于二齿差摆盘槽式激波轮的波幅数Z2，且Z2＝2，而端齿轮的导槽轨迹的余弦函数周期数等于端齿轮的齿数Z1，端齿轮通过键与左半轴固联，二齿差摆盘槽式激波轮通过键与右半轴固联。
④端齿轮、二齿差摆盘槽式激波轮、保持架锥齿轮均为轴对称及中心对称结构，惯性力及所受径向、周向外力都自动平衡，故差速器运转平稳。
⑤端齿轮与球形活齿、球形活齿与二齿差摆盘槽式激波轮均为多齿啮合，故重合度大，承载能力大，可实现大功率、大扭矩差速传动。
⑥端齿轮与二齿差摆盘槽式激波轮两者端部导槽的结构基本相同，区别仅在于端部导槽的轨迹方程的参数不同，此特点可降低差速器的加工制造成本。
⑦左半轴通过一对圆锥滚子轴承分别支撑于左半壳和保持架锥齿轮中，其左端与左边车轮相固联；右半轴通过一对圆锥滚子轴承分别支撑于右半壳和保持架锥齿轮中，其右端与右边车轮相固联。
⑧端齿轮的齿数Z1与保持架锥齿轮的轴向通孔数即球形活齿的齿数Z3相差为2，二齿差摆盘槽式激波轮实现了轴向激波。
本发明与现有常用汽车差速器相比，具有以下有益的技术效果：
1.尺寸大幅减小，重量更轻
本发明采用“二齿差摆盘槽式激波轮——球形活齿——端齿轮”系统代替传统汽车差速器的行星齿轮系统，以二齿差摆盘槽式激波轮实现轴向激波，而且保持架锥齿轮将主减速器和差速器有机的合为一体，使传动装置的轴向和径向尺寸都更小，因而本发明差速器的结构紧凑，体积更小，减轻了重量。
2.重合度大，承载能力高
本发明中球形活齿与端齿轮之间为多对齿啮合，最多可以有50％的球形活齿同时参与啮合工作，重合度高，承载能力高，可实现大功率、大扭矩差速传动。
3.工艺性好，生产成本低
本发明差速器中的零件较少，结构简单，且部分零件具有同构性，易于加工，工艺性好，生产成本低。
4.受力均衡，运转平稳
本发明差速器中的端齿轮、二齿差摆盘槽式激波轮、保持架锥齿轮均为轴对称及中心对称结构，惯性力及所受径向、周向外力都自动平衡，故差速器运转平稳。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但要特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于下面实施例所描述的形式，所属领域的技术人员在不付出创造性劳动的情况下，还可很容易地设计出其他的具体实施方式，因此不应将下面给出的具体实施方式的实施例理解为本发明的保护范围，将本发明的保护范围限制在所给出的实施例。
图1是二齿差摆盘式汽车差速器的结构示意图
图2是二齿差摆盘式汽车差速器的分度圆柱面的展开示意图
图3是端齿轮的结构示意图
图4是二齿差摆盘槽式激波轮的结构示意图
图5是保持架锥齿轮的结构示意图
图6是二齿差摆盘式汽车差速器的差动传动原理图
图7是汽车左转弯时各车轮及差速器的相对位置关系示意图
图8是端齿轮的三维模型及导槽轨迹曲线图
图9是二齿差摆盘槽式激波轮的三维模型及导槽轨迹曲线图
上述各附图中图识标号的标识对象是：1端齿轮；2二齿差摆盘槽式激波轮；3保持架锥齿轮；4球形活齿；5左半轴；6右半轴；7左半壳；8右半壳；9圆锥滚子轴承；10螺栓；11螺母；12键；13左边车轮；14右边车轮；15主减速器的主动直齿圆锥齿轮；16二齿差摆盘式汽车差速器；17键；18圆锥滚子轴承；19圆锥滚子轴承。
具体实施方式
图1至图5及图8和图9所示二齿差摆盘式汽车差速器，主要由端齿轮(1)、二齿差摆盘槽式激波轮(2)、保持架锥齿轮(3)、球形活齿(4)、左半轴(5)、右半轴(6)、左半壳(7)、右半壳(8)、圆锥滚子轴承(9、18、19)、螺栓(10)、螺母(11)、键(12、17)组成，其特征在于：摒弃了传统汽车差速器的行星齿轮系统，代之以“二齿差摆盘槽式激波轮——球形活齿——端齿轮”系统，该系统主要包括端齿轮(1)、二齿差摆盘槽式激波轮(2)、保持架锥齿轮(3)、球形活齿(4)，以此系统实现差速，构成差速器；保持架锥齿轮(3)的外部是直齿圆锥齿轮，内部是球形活齿(4)的保持架，该保持架沿周向开有Z3个半径与球形活齿(4)半径相同的轴向通孔，故保持架锥齿轮(3)既是主减速器的一个锥齿轮，又是差速器机构中的保持架，保持架锥齿轮(3)将主减速器和差速器有机的合为一体，保持架锥齿轮(3)与左半壳(7)和右半壳(8)通过螺栓(10)固定连接成一个整体并由一对圆锥滚子轴承(9)支撑在机架上；Z3个球形活齿(4)装在保持架锥齿轮(3)的轴向通孔内并可沿轴向左、右运动，在该汽车差速器中，球形活齿(4)几何中心的轨迹是一圆柱面曲线，该曲线所在的圆柱即为二齿差摆盘式汽车差速器的分度圆柱，球形活齿(4)同时与保持架锥齿轮(3)的保持架、端齿轮(1)和二齿差摆盘槽式激波轮(2)相啮合接触而传递运动和动力，端齿轮(1)与二齿差摆盘槽式激波轮(2)均在端面沿周向开有导槽，端齿轮(1)和二齿差摆盘槽式激波轮(2)两者端部的周向导槽是球形活齿(4)在保持架锥齿轮(3)的轴向通孔中运动时所处一系列位置的包络曲面，导槽在轴剖面内的形状是圆弧，圆弧的半径与球形活齿(4)的半径相同，导槽的轨迹是余弦函数曲线沿圆柱面的分布，其中二齿差摆盘槽式激波轮(2)的导槽轨迹的余弦函数周期数等于二齿差摆盘槽式激波轮(2)的波幅数Z2，且Z2＝2，而端齿轮(1)的导槽轨迹的余弦函数周期数等于端齿轮(1)的齿数Z1，端齿轮(1)通过键(17)与左半轴(5)固联，二齿差摆盘槽式激波轮(2)通过键(12)与右半轴(6)固联；左半轴(5)通过一对圆锥滚子轴承(18)分别支撑于左半壳(7)和保持架锥齿轮(3)中，其左端与左边车轮(13)相固联；右半轴(6)通过一对圆锥滚子轴承(19)分别支撑于右半壳(8)和保持架锥齿轮(3)中，其右端与右边车轮(14)相固联；端齿轮(1)的齿数Z1与球形活齿(4)的齿数Z3相差2，以二齿差摆盘槽式激波轮实现轴向激波。图8中的黑色曲线为球形活齿(4)的几何中心在端齿轮(1)的分度圆柱面上的轨迹，图9中的黑色曲线为球形活齿(4)的几何中心在二齿差摆盘槽式激波轮(2)的分度圆柱面上的轨迹。二齿差摆盘式汽车差速器的分度圆柱面与端齿轮(1)的分度圆柱面、二齿差摆盘槽式激波轮(2)的分度圆柱面是重合的。
本发明所述差速器的工作原理是：
当主减速器的从动锥齿轮即保持架锥齿轮(3)被驱动并以等角速度n3转动时(参见图1、图2)，保持架锥齿轮(3)的轴向导槽对球形活齿(4)产生推力，球形活齿(4)同时与端齿轮(1)和二齿差摆盘槽式激波轮(2)接触啮合并推动它们分别以转速n1、n2转动，与此同时球形活齿(4)还在保持架锥齿轮(3)的轴向导槽中移动，从而构成一个二自由度差速系统，端齿轮(1)和二齿差摆盘槽式激波轮(2)上的运动和动力则分别传给与其相固联的左半轴(5)、右半轴(6)，并最终传递至左边车轮(13)、右边车轮(14)。端齿轮(1)和二齿差摆盘槽式激波轮(2)在驱动力的作用下分别转动，但各自的运动状态是不确定的，由左右后车轮不同的路面、弯道情况决定。当汽车在平直路上直线行驶，左边车轮(13)与右边车轮(14)无转速差时，端齿轮(1)和二齿差摆盘槽式激波轮(2)的转速相同，即差速器没有差速作用。此时，差速系统中各部件保持相对静止，转矩由保持架锥齿轮(3)输入，经球形活齿(4)平均传给端齿轮(1)和二齿差摆盘槽式激波轮(2)。当汽车转弯或在不平道路上行驶，后面左边车轮(13)与右边车轮(14)出现转速差时，球形活齿(4)受保持架锥齿轮(3)的驱使，一方面驱动端齿轮(1)和二齿差摆盘槽式激波轮(2)转动，另一方面在随保持架锥齿轮(3)转动的同时在保持架锥齿轮(3)的轴向导槽中做轴向移动，保证端齿轮(1)和二齿差摆盘槽式激波轮(2)得以在不脱离传动的情况下实现差速。而且由于球形活齿(4)对端齿轮(1)和二齿差摆盘槽式激波轮(2)的作用力产生的力矩的作用，使转速慢的驱动轮上可以得到比转速快的驱动轮更大的转矩。
为说明本发明差速器的差速特性，设汽车后面左、右轮转速分别为n5、n6，保持架锥齿轮(3)的转速为n3，则由图6可得：
式中，Z3——球形活齿齿数；Z1——端齿轮的齿数。
如设汽车要左转弯，汽车的两前轮在转向机构(图7)的作用下，其轴线与汽车两后轮的轴线汇交于P点，此时可视为整个汽车是绕P点回转。在车轮与地面不打滑的情况下，两后轮的转速应与弯道半径成正比，由图7可得：
式中，r——弯道平均半径；L——后轮距之半。
联立求解式(1)、式(2)，得：
在确定的车辆参数及行驶条件下，n3、Z1、Z3、L均为已知。因此，n5与n6只随转弯半径r而变。故本发明差速器具备差速功能，装备该差速器的车辆能够通过任意半径弯道。
本发明可广泛适用于所有需要差速器的轮式车辆，如汽车、工程车辆等。

Claims (4)

1.二齿差摆盘式汽车差速器，主要由主要由端齿轮(1)、二齿差摆盘槽式激波轮(2)、保持架锥齿轮(3)、球形活齿(4)、左半轴(5)、右半轴(6)、左半壳(7)、右半壳(8)、圆锥滚子轴承(9、18、19)、螺栓(10)、螺母(11)、键(12、17)组成，其特征在于：摒弃了传统汽车差速器的行星齿轮系统，代之以“二齿差摆盘槽式激波轮——球形活齿——端齿轮”系统，该系统主要包括端齿轮(1)、二齿差摆盘槽式激波轮(2)、保持架锥齿轮(3)、球形活齿(4)，以此系统实现差速，构成差速器；保持架锥齿轮(3)的外部是直齿圆锥齿轮，内部是球形活齿(4)的保持架，该保持架沿周向开有Z3个半径与球形活齿(4)半径相同的轴向通孔，故保持架锥齿轮(3)既是主减速器的一个锥齿轮，又是差速器机构中的保持架，保持架锥齿轮(3)将主减速器和差速器有机的合为一体，保持架锥齿轮(3)与左半壳(7)和右半壳(8)通过螺栓(10)固定连接成一个整体并由一对圆锥滚子轴承(9)支撑在机架上；Z3个球形活齿(4)在保持架锥齿轮(3)的轴向通孔内可沿轴向左、右运动，在二齿差摆盘式汽车差速器中，球形活齿(4)几何中心的轨迹是一圆柱面曲线，该曲线所在的圆柱称为二齿差摆盘式汽车差速器的分度圆柱，球形活齿(4)同时与保持架锥齿轮(3)的保持架、端齿轮(1)和二齿差摆盘槽式激波轮(2)相啮合接触而传递运动和动力，端齿轮(1)与二齿差摆盘槽式激波轮(2)均在端面沿周向开有导槽，端齿轮(1)和二齿差摆盘槽式激波轮(2)两者端部的周向导槽是球形活齿(4)在保持架锥齿轮(3)的轴向通孔中运动时所处一系列位置的包络曲面，导槽在轴截面内的形状是圆弧，圆弧的半径与球形活齿(4)的半径相同，导槽的轨迹是余弦函数曲线沿圆柱面的分布，其中二齿差摆盘槽式激波轮(2)的导槽轨迹的余弦函数周期数等于二齿差摆盘槽式激波轮(2)的波幅数，记为Z2，且Z2＝2，而端齿轮(1)的导槽轨迹的余弦函数周期数等于端齿轮(1)的齿数记为Z1，端齿轮(1)通过键(17)与左半轴(5)固联，二齿差摆盘槽式激波轮(2)通过键(12)与右半轴(6)固联；左半轴(5)通过一对圆锥滚子轴承(18)分别支撑于左半壳(7)和保持架锥齿轮(3)中，其左端与左边车轮(13)相固联；右半轴(6)通过一对圆锥滚子轴承(19)分别支撑于右半壳(8)和保持架锥齿轮(3)中，其右端与右边车轮(14)相固联；端齿轮(1)的导槽轨迹的余弦函数周期数Z1与保持架锥齿轮(3)的轴向通孔数Z3相差2，二齿差摆盘槽式激波轮实现了轴向激波。
2.根据权利要求1所述的二齿差摆盘式汽车差速器，其特征在于：上述的端齿轮(1)、二齿差摆盘槽式激波轮(2)、保持架锥齿轮(3)均为轴对称及中心对称结构，惯性力及所受径向、周向外力都自动平衡，故差速器运转平稳。
3.根据权利要求1所述的二齿差摆盘式汽车差速器，其特征在于：上述的端齿轮(1)与球形活齿(4)、球形活齿(4)与二齿差摆盘槽式激波轮(2)均为多齿啮合，故重合度大，承载能力大，可实现大功率、大扭矩差速传动。
4.根据权利要求1所述的二齿差摆盘式汽车差速器，其特征在于：上述的端齿轮(1)与二齿差摆盘槽式激波轮(2)两者端部导槽的结构基本相同，区别仅在于端部导槽的轨迹方程的参数不同，此特点可降低差速器的加工制造成本。
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