CN107477164A - 二齿差平面钢球传动式汽车差速器 - Google Patents

二齿差平面钢球传动式汽车差速器 Download PDF

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Abstract

二齿差平面钢球传动汽车差速器，属于机械传动技术领域。本发明提供一种新型汽车差速器，其二齿差槽式激波锥齿轮的外部是锥齿轮，内部是激波轮，动力由二齿差槽式激波锥齿轮外部的锥齿轮输入，经内部的二齿差槽式激波轮传给钢球活齿，钢球活齿再将动力传给与左半轴固连的中心内齿轮和与右半轴固连的保持架，左半轴和右半轴分别与左、右后车轮固连，从而使左、右后车轮实现差速。中心内齿轮的波数与钢球活齿数相差为2。该差速器省去了传统汽车差速器中的行星齿轮系统，钢球活齿与保持架、二齿差槽式激波锥齿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

二齿差平面钢球传动式汽车差速器
技术领域
本发明涉及一种二齿差平面钢球传动汽车差速器，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——二齿差平面钢球传动汽车差速器。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：一种二齿差平面钢球传动汽车差速器，主要由二齿差槽式激波锥齿轮(1)、中心内齿轮(2)、保持架(3)、钢球活齿(4)、左半轴(5)、右半轴(6)、第一深沟球轴承(7)、第二深沟球轴承(18)左半壳(8)、第一圆锥滚子轴承(9)、第二圆锥滚子轴承(19)、螺钉(10)、套筒(11)、键(12、17)组成，以此系统实现差速，构成差速器；二齿差槽式激波锥齿轮(1)的外部是主减速器的从动直齿圆锥齿轮，内部是二齿差槽式激波轮，故二齿差槽式激波锥齿轮(1)既是主减速器的一个锥齿轮，又是差速器中的激波轮，二齿差激波锥齿轮(1)将主减速器和差速器有机的合为一体，二齿差槽式激波锥齿轮(1)和左半壳(8)通过螺钉(10)固定连接成一个整体并由一对第二圆锥滚子轴承(19)支撑在机架上；保持架(3)与右半轴(6)通过键(12)连接，保持架(3)沿周向等距开有Z3个与钢球活齿(4)数目相同的径向槽，Z3个钢球活齿(4)放在保持架(3)的轴向通孔内并可沿径向和轴向运动，在二齿差槽式激波锥齿轮汽车差速器中，由平面钢球的传动啮合副的组成结构知，钢球活齿(4)同时与保持架(3)、二齿差槽式激波锥齿轮(1)和中心内齿轮(2)相啮合接触而传递运动和动力，在二齿差槽式激波锥齿轮(1)的左端和中心内齿轮(2)的右端均沿周向开有导槽，槽式激波锥齿轮(1)和中心内齿轮(2)两者端部的周向导槽是钢球活齿(4)在保持架(3)的轴向通孔中沿径向和轴向运动并随保持架(3)转动时所处一系列位置的包络曲面，其中激波轮的型面齿廓槽边缘齿廓曲为式中，e为偏心率，θ为角参变量，2为二齿差槽式激波锥齿轮的齿数，记为Z1，且Z1＝2，而中心内齿轮(2)的导槽轨迹的正弦函数周期数等于中心内齿轮(2)的齿数，记为Z2，保持架(3)通过键(12)与右半轴(6)固联；右半轴(6)通过第一深沟球轴承(7)和第二深沟球轴承(18)分别支撑于二齿差槽式激波锥齿轮(1)和左半轴(5)中，其右端与右边车轮(14)相固联；左半轴(5)通过一对第一圆锥滚子轴承(9)支撑于左半壳(8)中，其左端与左边车轮(13)相固联；二齿差槽式激波锥齿轮(1)、保持架(3)、中心内齿轮(2)、左半轴(5)及右半轴(6)五者同轴线；中心内齿轮(2)的导槽轨迹的正弦函数周期数Z2与球形活齿保持架(3)的轴向通孔数Z3相差2，二齿差槽式激波锥齿轮实现了轴向激波。
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：
①二齿差槽式激波锥齿轮的外部是主减速器的从动直齿圆锥齿轮，内部是二齿差槽式激波轮，故二齿差槽式激波锥齿轮既是主减速器的一个锥齿轮，又是差速器机构中的激波轮，二齿差槽式激波锥齿轮将主减速器和差速器有机的合为一体，二齿差槽式激波锥齿轮和左半壳通过螺钉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。
②保持架与右半轴通过键连接，保持架沿周向等距开有Z3个与钢球活齿个数相同的轴向通孔，Z3个钢球活齿放在保持架的轴向通孔内并可沿径向和轴向左、右运动，在平面钢球传动汽车差速器中，钢球活齿同时与保持架、槽式激波锥齿轮和中心内齿轮相啮合接触而传递运动和动力，在中心内齿轮的右端和槽式激波锥齿轮的左端均沿周向开有导槽，槽式激波锥齿轮和中心内齿轮两者端部的周向导槽是球形活齿在保持架的轴向通孔中沿径向和轴向运动并随保持架转动时所处一系列位置的包络曲面，其中激波轮的型面齿廓槽边缘齿廓曲线为式中，e为偏心率，θ为角参变量，2为二齿差槽式激波锥齿轮的齿数，记为Z1，且Z1＝2，而中心内齿轮的导槽轨迹的正弦函数周期数等于中心内齿轮的齿数，记为Z2，保持架通过键与右半轴固联；右半轴通过第一深沟球轴承和第二深沟球轴承分别支撑于二齿差槽式激波锥齿轮和左半轴中，其右端与右边车轮相固联；左半轴通过一对第一圆锥滚子轴承支撑于左半壳中，其左端与左边车轮相固联；二齿差槽式激波锥齿轮、保持架、中心内齿轮、左半轴及右半轴五者同轴线；中心内齿轮的导槽轨迹的正弦函数周期数Z2与球形活齿保持架的轴向通孔数Z3相差2，二齿差槽式激波锥齿轮实现了轴向激波。
③二齿差槽式激波锥齿轮、中心内齿轮、保持架均为轴对称结构，惯性力及所受径向、周向力都自动平衡，故该差速器运转平稳。
④钢球活齿与二齿差槽式激波锥齿轮，保持架及中心内齿轮均为多齿啮合。
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
本发明摒弃传统汽车差速器的行星齿轮系统，以二齿差槽式激波锥齿轮实现轴向激波，而且二齿差槽式激波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
本发明中钢球活齿与中心内齿轮、保持架、二齿差槽式激波锥齿轮均为多齿啮合，且与导槽为双面接触，在活齿的一个工作周期中，两接触面交替工作，使活齿没有空回行程，重合度高，啮合副可以形成凸凹齿形啮合，共轭齿形的诱导法曲率小，油膜的承载能力大，共轭齿形的接触强度高，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，易于加工，工艺性好，生产成本低。
4.受力均衡，运转平稳
本发明差速器中的二齿差槽式激波锥齿轮、中心内齿轮、保持架均为轴对称结构，惯性力及所受径向、周向力都自动平衡，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是二齿差平面钢球传动汽车差速器的结构示意图
图2是二齿差槽式激波锥齿轮的结构示意图
图3是中心内齿轮的结构示意图
图4是保持架的结构示意图
图5是二齿差平面钢球传动汽车差速器的差动传动原理图
图6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7是二齿差槽式激波锥齿轮的三维模型
图8是中心内齿轮的三维模型
上述各附图中图识标号的标识对象是：1二齿差槽式激波锥齿轮；2中心内齿轮；3保持架；4钢球活齿；5左半轴；6右半轴；7第一深沟球轴承；8右半壳；9第一圆锥滚子轴承；10螺钉；11套筒；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；16二齿差平面钢球传动汽车差速器；17键；18第二深沟球轴承；19第二圆锥滚子轴承。
具体实施例
图1至图4及图7和图8所示二齿差平面钢球传动汽车差速器，主要由二齿差槽式激波锥齿轮(1)、中心内齿轮(2)、保持架(3)、钢球活齿(4)、左半轴(5)、右半轴(6)、第一深沟球轴承(7)、第二深沟球轴承(18)左半壳(8)、第一圆锥滚子轴承(9)、第二圆锥滚子轴承(19)、螺钉(10)、套筒(11)、键(12、17)组成，以此系统实现差速，构成差速器；二齿差槽式激波锥齿轮(1)的外部是主减速器的从动直齿圆锥齿轮，内部是二齿差槽式激波轮，故二齿差槽式激波锥齿轮(1)既是主减速器的一个锥齿轮，又是差速器中的激波轮，二齿差槽式激波锥齿轮(1)将主减速器和差速器有机的合为一体，二齿差槽式激波锥齿轮(1)和左半壳(8)通过螺钉(10)固定连接成一个整体并由一对第一圆锥滚子轴承(9)支撑在机架上；保持架(3)与右半轴(6)通过键(12)连接，保持架(3)沿周向等距开有Z3个与钢球活齿(4)数目相同的径向槽，Z3个钢球活齿(4)放在保持架(3)的轴向通孔内并可沿径向和轴向运动，在二齿差槽式激波锥齿轮汽车差速器中，由平面钢球的传动啮合副的组成结构知钢球活齿(4)同时与保持架(3)、二齿差槽式激波锥齿轮(1)和中心内齿轮(2)相啮合接触而传递运动和动力，在二齿差槽式激波锥齿轮(1)的左端和中心内齿轮(2)的右端均沿周向开有导槽，二齿差槽式激波锥齿轮(1)和中心内齿轮(2)两者端部的周向导槽是钢球活齿(4)在保持架(3)的轴向通孔中沿径向和轴向运动并随保持架(3)转动时所处一系列位置的包络曲面，其中激波轮的型面齿廓槽边缘齿廓曲线为式中，e为偏心率，θ为角参变量，2为二齿差槽式激波锥齿轮的齿数，记为Z1，且Z1＝2，而中心内齿轮(2)的导槽轨迹的正弦函数周期数等于中心内齿轮(2)的齿数，记为Z2，保持架(3)通过键(12)与右半轴(6)固联；右半轴(6)通过第一深沟球轴承(7)和第二深沟球轴承(18)分别支撑于二齿差槽式激波锥齿轮(1)和左半轴(5)中，其右端与右边车轮(14)相固联；左半轴(5)通过一对第一圆锥滚子轴承(9)支撑于左半壳(8)中，其左端与左边车轮(13)相固联；二齿差槽式激波锥齿轮(1)、保持架(3)、中心内齿轮(2)、左半轴(5)及右半轴(6)五者同轴线；中心内齿轮(2)的导槽轨迹的正弦函数周期数Z2与球形活齿保持架(3)的轴向通孔数Z3相差2，二齿差槽式激波锥齿轮实现了轴向激波。图7中的黑色曲线为钢球活齿(4)的几何中心在二齿差槽式激波锥齿轮(1)上的轨迹，图8中的黑色曲线为钢球活齿(4)的几何中心在中心内齿轮(2)上的轨迹。
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二齿差槽式激波锥齿轮(1)被驱动并以等角速度n1转动时(参见图1)，槽式激波锥齿轮(1)的导槽对钢球活齿(4)产生推力，钢球活齿(4)同时与保持架(3)和中心内齿轮(2)接触啮合并推动它们分别以转速n3、n2转动，与此同时钢球活齿(4)还在保持架(3)的轴向导槽中移动，从而构成一个二自由度差速系统，保持架(3)和中心内齿轮(2)上的运动和动力则分别传给与其相固联的右半轴(6)、左半轴(5)，并最终传递至左边车轮(13)、右边车轮(14)。保持架(3)和中心内齿轮(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，保持架(3)和中心内齿轮(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，转矩由二齿差槽式激波锥齿轮(1)输入，经钢球活齿(4)平均传给保持架(3)和中心内齿轮(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，钢球活齿(4)受二齿差槽式激波锥齿轮(1)的驱使，一方面驱动保持架(3)和中心内齿轮(2)转动，另一方面在随持架(3)转动的同时在保持架(3)的轴向导槽中做轴向和径向移动，保证保持架(3)和中心内齿轮(2)得以在不脱离传动的情况下实现差速。而且由于钢球活齿(4)对保持架(3)和中心内齿轮(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(＝n2)、n6(＝n3)，二齿差槽式激波锥齿轮(1)的转速为n1，则由图5可得：
式中，Z3——钢球活齿齿数；Z1——二齿差槽式激波锥齿轮的齿数。
设汽车要左转弯，汽车的两前轮在转向机构(图6)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6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，n1、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 (5)

1.二齿差平面钢球传动汽车差速器，主要由二齿差槽式激波锥齿轮(1)、中心内齿轮(2)、保持架(3)、钢球活齿(4)、左半轴(5)、右半轴(6)、第一深沟球轴承(7)、第二深沟球轴承(18)左半壳(8)、第一圆锥滚子轴承(9)、第二圆锥滚子轴承(19)、螺钉(10)、套筒(11)、键(12、17)组成，以此系统实现差速，构成差速器；二齿差槽式激波锥齿轮(1)的外部是主减速器的从动直齿圆锥齿轮，内部是二齿差槽式激波轮，故二齿差槽式激波锥齿轮(1)既是主减速器的一个锥齿轮，又是差速器中的激波轮，二齿差激波锥齿轮(1)将主减速器和差速器有机的合为一体，二齿差槽式激波锥齿轮(1)和左半壳(8)通过螺钉(10)固定连接成一个整体并由一对第二圆锥滚子轴承(19)支撑在机架上；保持架(3)与右半轴(6)通过键(12)连接，保持架(3)沿周向等距开有Z3个与钢球活齿(4)数目相同的径向槽，Z3个钢球活齿(4)放在保持架(3)的轴向通孔内并可沿径向和轴向运动，在二齿差槽式激波锥齿轮汽车差速器中，由平面钢球的传动啮合副的组成结构知，钢球活齿(4)同时与保持架(3)、二齿差槽式激波锥齿轮(1)和中心内齿轮(2)相啮合接触而传递运动和动力，在二齿差槽式激波锥齿轮(1)的左端和中心内齿轮(2)的右端均沿周向开有导槽，二齿差槽式激波锥齿轮(1)和中心内齿轮(2)两者端部的周向导槽是钢球活齿(4)在保持架(3)的轴向通孔中沿径向和轴向运动并随保持架(3)转动时所处一系列位置的包络曲面，其中激波轮的型面齿廓槽边缘齿廓曲为式中，e为偏心率，θ为角参变量，2为二齿差槽式激波锥齿轮的齿数，记为Z1，且Z1＝2，而中心内齿轮(2)的导槽轨迹的正弦函数周期数等于中心内齿轮(2)的齿数，记为Z2，保持架(3)通过键(12)与右半轴(6)固联；右半轴(6)通过第一深沟球轴承(7)和第二深沟球轴承(18)分别支撑于二齿差槽式激波锥齿轮(1)和左半轴(5)中，其右端与右边车轮(14)相固联；左半轴(5)通过一对第一圆锥滚子轴承(9)支撑于左半壳(8)中，其左端与左边车轮(13)相固联；二齿差槽式激波锥齿轮(1)、保持架(3)、中心内齿轮(2)、左半轴(5)及右半轴(6)五者同轴线；中心内齿轮(2)的导槽轨迹的正弦函数周期数Z2与球形活齿保持架(3)的轴向通孔数Z3相差2，二齿差槽式激波锥齿轮实现了轴向激波。
2.根据权利要求1所述的二齿差平面钢球传动汽车差速器，其特征在于：上述的槽式激波锥齿轮(1)、中心内齿轮(2)、保持架(3)均为轴对称结构。
3.根据权利要求1所述的二齿差平面钢球传动汽车差速器，其特征在于：上述的钢球活齿(4)与槽式激波锥齿轮(1)、保持架(3)及中心内齿轮(2)均为多齿啮合。
4.根据权利要求1所述的二齿差平面钢球传动汽车差速器，其特征在于：所述二齿差激波锥齿轮(1)的型面齿廓槽边缘齿廓曲为式中，e为偏心率，θ为角参变量，2为二齿差槽式激波锥齿轮的齿数，记为Z1。
5.根据权利要求1所述的二齿差平面钢球传动式汽车差速器，其特征在于：所述中心内齿轮(2)的型面齿廓为以二齿差槽式激波锥齿轮(1)作为激波器，与保持架(3)、钢球活齿(4)作活齿的二齿差活齿运动所形成的活齿包络轨迹的截面曲线。
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