CN1207464A - 差力差速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于轮式车辆的差力差速器。现有的差速器不能连续、平稳和高效地差力和差速。本发明是在普通锥齿轮差速器的两输出端分别联接两个动轴轮系。该动轴轮系与输出锥齿轮(3)和(3′)相联的输入端所传递的力矩的绝对值小于锥齿轮差速器的内摩擦力矩。本发明能100%地利用两轮附着力之和牵引车辆,保证车辆100%的通过性,完全防止车轮打滑,连续平稳自动高效地差力和差速,特别适用于越野车,客、货车,轿车及各种运输和作业车辆。

Description

差力差速器

本发明涉及一种用于轮式车辆的差力差速器。

车辆在行驶中，由于转弯及道路不平坦等原因将产生两轮转速不一致的情况。如果采用刚性传动，则将引起轮胎严重磨损、零件损坏及转向困难。差速器是一种允许车辆两轮之间有不同转速的动力传递装置。目前使用的差速器有(见《现代汽车修理之怎样修理汽车的传动系统和行驶系统》，张文江、范正平编著，河南科学技术出版社1993年7月出版，第272页-293页)：普通锥齿轮差速器、滑块凸轮式差速器、摩擦片式差速器、蜗轮蜗杆式差速器、变传动比差速器、强制锁止式差速器及自由轮式差速器。

普通锥齿轮差速器是最基本、应用最多的一种，结构如图1所示。直线行驶于平坦路面时，差速器壳体(2)带动行星锥齿轮(1)转动，从而使两输出锥齿轮(3)和(3′)转动。此时，两轮转速相同，行星锥齿轮(1)只有公转而无自转，两输出锥齿轮(3)和(3′)转速相同。转弯时，转向机构迫使外轮快转，内轮慢转，由附着力决定的驱动力克服锥齿轮差速器的内摩擦力矩迫使两输出锥齿轮转速不同，行星锥齿轮(1)不但有公转而且有自转，作用在两输出锥齿轮(3)和(3′)上的驱动力矩相差一个内摩擦力矩：

M₃＝M_3′+Mr……(1)

式中M₃、M_3′分别表示轮(3)和轮(3′)上的驱动力矩，以后我们用轮(3)或与轮(3)同侧的轮表示慢轮或内侧轮，用轮(3′)或与轮(3′)同侧的轮表示快轮或外侧轮。Mr表示内摩擦力矩。

当快轮(3′)的附着力下降到克服行驶阻力矩所需驱动力矩以下时，驱动力矩M_3′与附着力相等，且随之下降。由于结构关系，作用在慢轮(3)上的驱动力矩M₃也随之下降，当作用于两车轮上总的驱动力矩小于行驶阻力矩时，慢轮(3)由于其驱动力矩小于附着力而静止不动，快轮(3′)由于其驱动力矩等于附着力而打滑，不能驱动车辆。

由《机械原理》(天津大学主编，人民教育出版社1979年5月出版，第92页)教科书可知其转速关系为：

2n₂＝n₃+n_3′  ……(2)

n₂、n₃、n_3′分别为差速器壳(2)、轮(3)及轮(3′)的转速。

这种差速器的优点是结构简单、差速性能好，目前使用较多。但在较差路面条件下，这种差速器影响车辆的通过性，这是它的致命缺点。

虽然快轮(3′)上的力矩的下降影响到慢轮(3)上的力矩随之下降，而导致总的驱动力矩的大幅度下降，但从式(1)可看到，如果将内摩擦力矩Mr增大，则M₃随之增大，克服行驶阻力矩的有效驱动力矩也增大。这样能明显改善车辆的通过性。于是就产生了各种各样的大内摩擦力矩的差速器。

滑块凸轮式差速器、摩擦片式差速器和蜗杆蜗轮式差速器虽然结构不同，但都是增加了差速器的内摩擦力矩，一定程度上提高了车辆的通过性。它们的共同缺点是，制造困难，传动效率低，零部件更换时间间隔短，通过性仍然很低。因为靠提高内摩擦力矩来增加附着力利用系数而提高通过性，不但在结构上，而且在原理上都受到限制：内摩擦力矩越大，转向阻力矩也就越大，差速也越困难。

变传动比差速器的原理和结构与普通锥齿轮差速器相似

强制锁止式差速器是在普通锥齿轮差速器的基础上增加一个差速锁。当车轮打滑时，用差速锁将差速器壳体与车轮轴锁紧在一起而成为刚性驱动。这种差速器的优点是提高了车辆的通过性，但因增加了差速锁的动力系统和控制系统，成本增加，可靠性大大降低，且如果司机忘记松开差速锁，则会产生零件损坏及操纵失控等严重后果。

自由轮式差速器是一种防滑差速器。它的工作原理是：在转弯或行驶在不平坦的路面时，快转轮与传动系完全脱开而成为自由轮，靠慢轮单独驱动车辆。而直线行驶于平坦路面时为刚性驱动。这种差速器的优点是显而易见的，其缺点是：1、转弯时，由于外侧轮完全脱开，内侧轮上的驱动力形成一个阻碍转向的力矩，使转向困难； 2、由于左右两轮在传递力矩时时断时续，产生冲击，引起载荷不均，影响寿命和驾驶舒适性；只能用于工程作业车辆，而不能用客车、轿车及公路运输车辆；3、在弯道或困难路面行驶时抗侧滑能力差，此时刹车将导致车辆失控；4、转弯或行驶在不平坦路面时，如出现附着力不足的情况，不能利用两轮的附着力驱动车辆，特别当内侧轮或慢轮上附着力不足时，会引起该轮打滑，使牵引中断；5、轮胎直径稍有差异就会导致单边传动，而单边传动又导致轮胎直径差异，致使长期性的单边传动；6、弯道制动时，制动力矩将减小一半；7、单边传动使最大牵引力减小一半。

另外，《汽车技术》杂志1996年第7期第58页刊登了一篇题为《汽车单侧车轮打滑自救新技术》的文章，介绍了当普通锥齿轮差速器单侧打滑时，用制动系统帮助自救的技术方案，这实质上是强制锁止式差速器的一种变更形式。

本发明的目的，就是要提供一种差速性能好，能100％地利用路面附着力驱动车辆，运行连续平稳、制造简单、效率高、适合于各种路面情况及各种行驶状态的差力差速器。

从式(1)可看到，虽然提高内摩擦力矩Mr可增大有效驱动力矩M₃，但此举毕竟是有限的，且带来差速和转向困难的副作用。如果我们能使M₃不随M_3′的减小而减小，而以M₃的正常值与减小了的M_3′一起驱动车辆，则不论M_3′下降到什么程度，总能利用两轮附着力之和驱动车辆。这是最理想的差速器，下面的技术方案就能实现这种理想的差速器。

本发明是在普通锥齿轮差速器的两输出端分别增加两个完全相同的动轴轮系。如图2所示，普通锥齿轮差速器由轮(1)、(3)和(3′)组成，我们把它叫做差力差速器的锥齿轮系。动轴轮系由轮(6)、(4)、(H)、(5)、(7)或轮(6′)、(4′)、(H′)、(5′)、(7′)组成，锥齿轮系的输出堆齿轮(3)与动轴轮系的系杆(H)相联，作为动轴轮系的一个输入端；差速器壳体(2)通过十字轴与动轴轮系的输入中心轮(6)相联，作为动轴轮系的另一个输入端。其输出中心轮(7)与车轮相联。当传动系带动差速器壳体(2)转动时，一方面通过锥齿轮付带动系杆(H)转动，一方面通过十字轴带动输入中心轮(6)转动，两输入轮的共同作用使输出中心轮(7)转动，从而驱动车辆。由《机械原理》数科书第87页可得转速关系为： $i_{6,7}^{11}=\frac{n_6-n_H}{n_7-n_H}=\frac{Z_4{Z}_7}{Z_6{Z}_5}---\left(3\right)$

式中n₆、n₇、n_H分别为轮(6)、(7)、系杆(H)的转速：Z₄、Z₅、Z₆、Z₇分别为轮(4)、轮(5)、轮(6)、轮(7)的齿数。

为系杆(H)固定时，从轮(6)到轮(7)的传动比。

设作用在输出中心轮(7)上的负载力矩(行驶阻力矩)为M₇，则由《机械原理》教科书第95页可得作用在输入中心轮(6)上的力矩M₆和作用在系杆(H)上的力矩M_H为： $M_6=\frac{M_7}{i_{6,7}^H,{\mathrm{\η}}_{6,7}}----\left(4\right)$ $M_H=M_7(\frac{1}{i_{6,7}^H{\mathrm{\η}}_{6,7}}-1)---\left(5\right)$

式中：η_6·7为系杆固定时，从轮(6)到轮(7)的啮合效率，η_6·7＝η_4·6·η_7·5

同样可得： ${M_6}^{\′}=-\frac{M_{7^{\′}}}{i_{6^{\′},7^{\′}}^H{\mathrm{\η}}_{6^{\′},7^{\′}}}---\left(6\right)$ $M_{H^{\′}}=M_{7^{\′}}(\frac{1}{i_{6^{\′},7^{\′}}^H{\mathrm{\η}}_{6^{\′},7^{\′}}}-1)---\left(7\right)$

从式(6)和(7)可看到，当轮(7′)附着力下降时，即M_7′下降时，M_6′和M_H′都按比例同时下降，M_H′的下降意味着M_3′的下降，而由于锥齿轮系有平均分配力矩的特点，M₃也随之下降，也即两轮的驱动力矩随快轮附着力的下降而同时下降。当快轮(7′)的附着力下降到小于行驶阻力时，该轮打滑，不能驱动车辆。这相当于普通锥齿轮差速器的情况。但如果取 ＝1，(例如采用7级精度的齿轮传动，啮合效率η_6·7＝η_4·6·η_7·5＝0.98×0.98＝0.96，取传动比

＝100/96，就有 ＝1)，则有M_6′＝-M_7′，M_H′＝0。此时，车轮转动所需要的力矩全部由中心轮(6′)承担，而系杆(H′)只传递运动。如果一侧车轮附着力下降，即M_7′下降，则所需驱动力矩M_6′下降，而不影响系杆(H′)上的受力(因M_H′总是为零)，也即输出锥齿轮(3′)上无力矩变化，当然不会引起慢轮(3)上力矩的变化，也不会引起轮(7)上力矩的变化。此时，差速器壳体(2)作用在两车轮上的驱动力矩分别随各自附着力的变化而变化，附着力小的一轮上作用的驱动力矩小，附着力大的一轮上作用的驱动力矩大，牵引车辆所需要的驱动力矩取决于两轮附着力之和。只要作用于车辆两轮上总的附着力大于行驶阻力，车轮就不会打滑，就能驱动车辆。这就是所谓“差力”的情况。而在转弯或行驶于不平坦路面时，驱动力迫使一轮快转，另一轮慢转，而快轮和慢轮都无法使驱动轮(差速器壳体)速度改变，所以，附着力决定的驱动力克服锥齿轮系的内摩擦力，使两输出锥齿轮产生速度差异，这就实现了“差速”。

从上面的分析可以看出，本发明就是利用锥齿轮系的转出锥齿轮(3)与动轴轮系的系杆(H)相联作为动轴轮系的一个输入端负责差速，利用差速器壳体(2)与输入中心轮(6)相联作为动轴轮系的另一个输入端负责差力。

实际设计中，只要求

≈1即可，但必须使M_H的绝对值小于锥齿轮系的内摩擦力矩。因为在内摩擦力矩范围内，当快轮侧输出锥齿轮(3′)上的力矩减小直至为零时，慢轮侧输出锥齿轮(3)上都仍能维持内摩擦力矩Mr。由于输出锥齿轮(3)上所传递的力矩小于内摩擦力矩Mr，故Mr能使慢轮侧输入中心轮(b)和输出中心轮(7)上所受力矩维持在正常值，而不致使慢轮侧的驱动力矩减小，进而能充分利用两轮附着力之和驱动车辆。

由式(3)可得转速关系为： $n_7=\frac{n_6{z}_5{z}_6+n_H(z_4{z}_7-z_5{z}_6)}{z_4{z}_7}---\left(8\right)$

图2所示动轴轮系结构为渐开线齿轮行星传动的2K-H型WW结构(见《齿轮手册》，齿轮手册编委会编，机械工业出版社1990年11月出版)。其齿轮为园柱直齿轮。在传动平稳性要求高的场合(例如高级轿车)也可用人字齿轮或其它齿型。实际上，其它各种类型的动轴轮系都可用于本发明。例如渐开线齿轮行星传动的2K-H型NN结构，渐开线少齿差传动的K-H-V型结构以及谐波齿轮传动的微小变速型结构等都很适用于本发明。

以上是以用于轮间差速器的情况来说明的。除此之外，差力差速器同样可用于轴间差速器。

下面我们来计算差力速器的传动效率。  由《机械原理》教科书第98页可得：

故有： $\mathrm{\η}=\frac{M_7{n}_7+M_{7^{\′}}{n}_{7^{\′}}}{M_6{n}_6+M_{6^{\′}}{n}_{6^{\′}}+M_H{n}_H+M_{H^{\′}}{n}_{H^{\′}}}$ 由于M_H＝M_H′＝0， ＝1，将(4)和(5)代入上式，得： $\mathrm{\η}=\frac{M_7{n}_7+M_{7^{\′}}{n}_{7^{\′}}}{M_7{n}_6+M_{7^{\′}}{n}_{n^{\′}}}---\left(9\right)$

下面我们分几种情况来分析：

1)既不差速又不差力，即M₇＝M_7′，n₆(n_6′)＝n₇＝n_7′时，            η＝1

2)差速不差力，即M₇＝M_7′，n₆(n_6′)≠n₇≠n_7′时， $\mathrm{\η}=\frac{n_7+n_{7^{\′}}}{2n_6}$ 可以证明，2n₆＝2n_6′＝n₇+n_7′，故此时有：

                η＝1

3)差力不差速，即M₇≠M_7′，n₆(n_6′)＝n₇＝n_7′时， $\mathrm{\η}=\frac{M_7+M_{7^{\′}}}{M_7+M_{7^{\′}}}-1$

4)既差速又差力，即M₇≠M_7′，n₆(n_6′)≠n₇≠n_7′时，

                η≠1

从以上结果可知，绝大部分情况下，差力差速器的传动效率甚至高于其齿轮的啮合效率，是一个无功率损失的高效系统。

本发明适用于各种车辆，特别适用于野外行驶和作业的车辆。如越野车，大中型客、货车，高、中档轿车，农用车，叉车，吊车，铲雪车，救护车，消防车，运矿车，垃圾车以及军事、矿山、林业、农业及建筑工程等方面的运输和作业车辆。

本发明的优点是：

1、确保100％地利用附着力，保征车辆的通过性。即不论在什么情况下，本发明都能充分利用两轮的最大附着力之和(如必要的话)牵引车辆前进。这是因为作用在车辆上总的附着力一般总是大于行驶阻力。摩擦式差速器的锁紧系数(标志着通过性)在30％-60％之间。自由轮式差速器也只能在直线行驶于平坦路面时，才能利用两轮的附着力，在转弯或行驶于不平坦路面时，只能利用一轮的附着力。我们可以举这样一个例子来对比说明。假设左轮附着力下降为40％，右轮附着力下降为30％，而克服行驶阻力所需的驱动力矩为50％。装有普通锥齿轮差速器的车辆只能利用10％的附着力(决定于内摩擦力矩)，不能驱动车辆，一轮打滑，装有自由轮式差速器的车辆能利用左轮的40％的附着力，也不能驱动车辆，两轮打滑，装有差力差速器的车辆能利用全部附着力(40％+30％＝70％)，能够克服行驶阻力而驱动车辆，且车轮不打滑。

2、差速性能良好，转向阻力矩小。对转向和差速来说，内摩擦力矩越小，转向和差速越容易。差力差速器可使锥齿轮系的内摩擦力矩尽可能地小，所以差速性能好，转向阻力矩小。而其它差速器为了提高车辆的通过性都反其道而行之一--增大内摩擦力矩。自由轮式差速器的差速过程不是连续的，存在明显的冲击，且转向和差速阻力大，因为差速阻力过小会使自由轮的脱开更频繁。

3、能完全防止车轮打滑及功率损失，大大提高轮胎的使用寿命。只当作用在全部驱动轮上总的附着力小于行驶阻力时才会出现打滑，而这已不属差速器讨论的范围。差力差速器的防滑性能高于防滑(自由轮式)差速器，在转弯或行驶于不平坦路面时，自由轮式差速器只能利用一轮的附着力，如果该轮附着力下降，就会出现打滑。

4、适合于各种车辆、各种路面和各种行驶状态。普通锥齿轮差速器只适合于公路路面；自由轮式差速器主要用于工程、矿山等作业车辆，且不适合于下坡转弯及转弯时内侧车轮附着力下降的行驶状态。

5、运行平稳、安全可靠、工作连续，寿命长。摩擦片式差速器由于制造原因不能保证两轮上的摩擦力矩大小相等，故产生不平稳运行的情况，且影响差速性能。而自由轮式差速器则是断续工作的，存在明显的冲击和振动。

6、制造容易、效率高。本发明的制造没有特殊要求。它的传动效率等于1。这是差力差速器优于其它所有差速器的又一显著特点。

图1为普通锥齿轮差速器的结构示意图。1——行星锥齿轮；2——差速器壳体；3和3 ′——输出锥齿轮。

图2为差力差速器的结构示意图。1——行星锥齿轮；2——差速器壳体；3和3′——输出锥齿轮；4和4′及5和5 ′——动轴轮系的行星轮；6和6′——输入中心轮，7和7 ′——输出中心轮；H和H′——动轴轮系的系杆。

图3为差力差速器的一种实施结构图。1——行星锥齿轮，4件；2——差速器壳体，左右各1件；3——输出锥齿轮，2件；4——行星直齿轮，6件；5——行星直齿轮，6件；6——输入中心轮，2件；7——输出中心轮，2件；8——调整垫片，4件；9——行星轮架，2件；10——输出花键轴，2件；11——行星轮架轴，6件；12——被动大齿轮，1件；13——输入花键轴，1件；14——十字轴，1件；15—园锥轴承，2件。

本发明的实施非常容易，可根据车辆具体情况设计制造。图3是本发明的一种实施结构图，十字轴(14)通过花键轴(13)与动轴轮系的输入中心轮(6)相联，车轮也通过花键轴(10)与动轴轮系的输出中心轮(7)相联，这可使动轴轮系受载均匀。行星轮架(9)与输出锥齿轮(3)的联接也采用花键。行星轮架(9)上有三组行星轮，均布于中心轮(6)和(7)的圆周上，齿数为Z₆＝18，Z₄＝21，Z₅＝19，Z₇＝17，通过变位来满足同心条件。传动比 ＝(17×21)÷(18×19)＝1.0438，齿轮精度为7级，η_6·7＝0.98×0.98＝0.96，则有

＝1.002≈1。锥齿轮付的间隙由垫片(8)调整，轴承的安装及调整方法与普通园锥齿轮差速器相同。

Claims (3)

1、一种用于轮式车辆的差力差速器，其特征是，在普通锥齿轮差速器的两输出端分别联接有两个动轴轮系。

2、根据权利要求1所述的差力差速器，其特征是，所述动轴轮系的输入端分别为普通锥齿轮差速器的输出锥齿轮(3)及(3′)和差速器壳体(2)。

3、根据权利要求2所述的差力差速器，其特征是，所述动轴轮系与输出锥齿轮(3)和(3)′相联的输入端传递的力矩的绝对值小于普通锥齿轮差速器的内摩擦力矩。

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