CN203363060U - 具有轻量锥齿轮装置的差速器 - Google Patents

具有轻量锥齿轮装置的差速器 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种具有轻量锥齿轮装置的差速器。一种用在具有一对旋转部件的车辆传动系中的差速器包括相对于传动系以从动的方式被可操作地支承的齿轮箱以及安装成在齿轮箱中随旋转部件中的相应一个旋转的一对侧齿轮。该差速器还包括安装成随齿轮箱旋转的十字轴以及安装成随十字轴旋转并与侧齿轮处于啮合关系的至少一对小齿轮。侧齿轮具有凹齿面且小齿轮具有凸齿面，以提高通过差速器的功率密度。

Description

具有轻量锥齿轮装置的差速器
技术领域
本教导总体上涉及差速器，更具体地，涉及具有轻量锥齿轮装置的差速器。 
背景技术
差速器是用在车辆传动系中的众所周知的装置。这些装置操作以联接一对旋转部件，例如传动轴或绕一旋转轴的车桥半轴。因而，差速器已被用作可操作地联接车辆的前轴和后轴的分动器的一部分，在开式差速器以及限滑和锁止式差速器中用来联接车桥半轴，以及在现有技术中普遍已知的其它应用。 
现有技术中已知的差速器可以包括壳体和齿轮箱，该齿轮箱由该壳体可操作地支承以通过车辆传动系而旋转。差速器通常包括至少一对侧齿轮。侧齿轮被花键连接成随一对旋转部件——例如车桥半轴——旋转。具有十字轴销的十字轴被可操作地安装成随齿轮箱一起旋转。小齿轮被安装成随十字轴销一起旋转并与侧齿轮相啮合。侧齿轮的差速旋转且从而车桥半轴的差速旋转可通过小齿轮相对于十字轴销的旋转来获得，这在现有技术中是普遍已知的。 
在交叉轴线齿轮装置的所有实际设计中，例如，在直齿锥齿轮装置、螺旋锥齿轮装置等中，侧齿轮的齿较强，而小齿轮的齿较弱。这是由于侧齿轮和小齿轮齿数的差异导致的：齿数越多，则齿轮齿越强，反之亦然。因此，为了提高通过齿轮组的功率密度，首先需要考虑的是小齿轮（小齿轮的齿较弱），而不是相配的侧齿轮（侧齿轮的齿较强）。此外，为了提高小齿轮齿的强度，通常会牺牲侧齿轮齿的一部分强度。在理想的情况下， 侧齿轮齿的强度和小齿轮齿的强度彼此是相等的。 
已知的是（例如，参见位于美国佛罗里达州博卡拉顿的CRC出版社于2012年出版的作者为Radzevich,S.P.的专著Theory of Gearing:Kinematics,Geometry,and Synthesis,856页），通过齿轮对传递的功率P在齿轮齿的齿宽内均等地分配。假设，齿轮组中的小齿轮被划分为大量相同薄片，每片都与小齿轮的旋转轴线垂直。由于所有薄片都具有相同的厚度，所以通过每个薄片传递相同的功率。 
通过小齿轮传递的功率P可通过所施加的转矩T以及小齿轮的旋转R来表示， 
P=T*R    （1） 
在切片以后，所有的小齿轮切片具有相同的旋转R。由于所有切片的旋转都是相同的，于是传递的转矩在小齿轮的齿宽内也是均等地分配。 
尽管现有技术中总体已知且如上所述的差速器已经在为所需的目的而起作用，但是仍然存在一些不足。更具体地，存在正在进行的以及持续的努力来改善这些差速器的操作。与这些差速器相关的一个不足是，使用直齿锥齿轮用于小齿轮和侧齿轮之间的匹配表面。由于侧齿轮和小齿轮二者都是斜齿，小齿轮-侧齿轮啮合时会出现朝着车轴中心线向外作用的轴向推力。这给差速器壳体带来了额外的负载，且为了承受该负载而导致差速器壳体相对重的质量。通过差速器的功率密度受限于侧齿轮和小齿轮的相互作用的齿面的接触的几何形状。 
因此，现有技术中还需要这样一种差速器，其在减轻差速器重量的同时允许在小齿轮和与其相关的侧齿轮之间平滑的啮合相互作用以提高通过差速器的功率密度。 
实用新型内容
本教导包括用在包括一对旋转部件的车辆传动系中的差速器。该差速器包括齿轮箱，该齿轮箱相对于车辆传动系以从动的方式被可操作地支承。一对侧齿轮被安装成在齿轮箱中随旋转部件中的相应一个而旋转。十字轴 安装成随齿轮箱旋转。该差速器还包括至少一对小齿轮，其安装成随十字轴旋转并与侧齿轮处于啮合关系。侧齿轮具有凹齿面且小齿轮具有凸齿面，以提高通过差速器的功率密度。 
本教导还包括另一种用在包括一对旋转部件的车辆传动系中的差速器，所述差速器包括：齿轮箱，所述齿轮箱相对于车辆传动系以从动的关系被可操作地支承；一对侧齿轮，所述侧齿轮安装成在所述齿轮箱中随所述旋转部件中的相应一个旋转；十字轴，所述十字轴安装成随所述齿轮箱旋转；至少一对小齿轮，所述小齿轮安装成随所述十字轴旋转并与所述侧齿轮处于啮合关系；所述侧齿轮具有凹齿面且所述小齿轮具有凸齿面，以提高通过所述差速器的功率密度；其中，所述侧齿轮具有绕所述凹齿面配置且周向间隔开的多个直齿，所述齿在径向内端处的周向厚度小于在径向外端处的周向厚度；并且其中，所述小齿轮具有绕所述凸齿面配置且周向间隔开的多个直齿，所述齿在径向内端处的周向厚度小于在径向外端处的周向厚度。 
本教导还包括一种差速器，该差速器包括：齿轮箱，所述齿轮箱限定了开口，一中心轴线延伸穿过该开口；定位在所述齿轮箱中并能够相对于所述齿轮箱绕所述中心轴线旋转的第一和第二侧齿轮；定位在所述第一和第二侧齿轮之间的多个锥齿轮，每个所述锥齿轮与所述第一和第二侧齿轮相互啮合，所述锥齿轮具有面向所述中心轴线的第一径面和背离所述中心轴线的第二径面，所述第一径面大于所述第二径面。 
在本教导的一个方面，侧齿轮以及小齿轮具有直齿。侧齿轮是内锥齿轮，具有相对小的节锥角（节锥角的范围是10-30度）。侧齿轮具有凹齿面，小齿轮具有凸齿面。侧齿轮的凹齿面和小齿轮的凸齿面相互作用的几何形状是更为有利的，因为其承受能力是相当高的。侧齿轮的凹齿面与小齿轮的凸齿面之间接触的有利的几何形状使得能够提高通过差速器的功率密度。在侧齿轮和小齿轮的齿面的接触线中有利的负载分配是差速器额外的优势。该特征还能用于减轻重量，以及提高通过差速器的功率密度。因此，本教导使得差速器便于啮合齿轮的平滑操作，但还能制造得轻量化。 
附图说明
将容易地意识到本教导的其它方面，因为这些方面在接下来结合附图的描述中将得到更好的理解，其中： 
图1是采用本教导的差速器的代表性示例的剖视侧视图； 
图2是图1的差速器的图解视图；以及 
图3是用在图1的差速器中的锥齿轮装置的透视图。 
具体实施方式
按照本教导构思的具有侧齿轮和小齿轮的这一类型的差速器的一个代表性示例在图1和2中整体示为10，其中在所有附图中相同的附图标记用于表示相同的结构。差速器10设计成作为用于任何车辆的传动系的一部分，该车辆具有给车辆提供机动力的动力装置。从而，本领域技术人员根据本文公开内容可知，差速器10可作为可操作地联接车辆的前轴和后轴的分动器的一部分，在开式差速器、限滑差速器或锁止式差速器中用来联接车桥半轴，以及在本领域普遍已知的其它应用。限滑或锁止式差速器可以是液压地致动的或电动地致动的，并由此包括联接机构、例如磨擦离合器，用于在特定的操作条件下可操作地一起联接车桥半轴。根据本文公开内容可知，图1和2中示出的差速器10仅仅用于提供具有本教导的特征的装置的一个基本的代表性示例，并不意于将本教导的应用限制于这里示出的差速器类型。 
考虑到这个，在最基本的配置中，差速器10可包括整体地用12表示的壳体。整体用14表示的齿轮箱可操作地支承在壳体12中，用于通过传动系从动地旋转，正如在现有技术中普遍已知的。为此，齿圈16可操作地安装到齿轮箱14。该齿圈16典型地设计为从动地与固定到传动轴20或其它从动机构上的小齿轮18啮合。齿轮箱14可由两个端部22、24限定，这两个端部以现有技术中任何传统已知的方式可操作地固定到一起。本领域技术人员根据本文公开内容可知，齿轮箱14和壳体12可采用现有技术中 已知的任何传统结构，并且本教导并不限制于这里示出的特定的壳体12，也不限制于通过两个端部22、24限定的齿轮箱14。类似地，齿轮箱14可以通过现有技术中已知的任何传统驱动机构来驱动，并且本教导并不限制于通过齿圈、小齿轮和传动轴驱动的齿轮箱14。 
齿轮箱14的每个端部22、24可包括借助于轴承34等支承一对旋转部件——例如车桥半轴30、32——之一的毂26、28。齿轮箱14限定了一空腔36。根据本教导，一对侧齿轮38、40安装成随一对旋转部件30、32中的相应一个在由齿轮箱14限定出的空腔36中旋转。通常，侧齿轮38、40分别花键连接到车桥半轴30、32中相应的一个。整体用42表示的十字轴安装成随齿轮箱14旋转。十字轴42包括至少一对十字轴销44。此外，根据本教导，差速器10还包括至少一对小齿轮46、48。在这些附图中示出的示例中，十字轴42包括两对十字轴销44和两对小齿轮46、48。每个小齿轮46、48安装成在相应的一个十字轴销44上旋转，并与一对侧齿轮38、40中相应的一个啮合。 
考虑以上背景，现在注意附图3，图中侧齿轮38、40之一和小齿轮46、48之一以啮合的关系示出。如图所示，侧齿轮40大致是环形形状，具有凹齿面50。侧齿轮40具有多个齿52，这些齿在齿面50上周向间隔地配置。齿52具有沿径向向外延伸的侧面54。侧面54的形状可以是平面状或凸面状。齿52在窄齿端或径向内端56处的周向厚度或宽度小于在宽齿端或径向外端58处的周向厚度或宽度。齿52具有相对小的节锥角，范围是大约170度到大约150度，如图2中箭头A所示。作为这里包括的示例，侧齿轮38、40可以是内锥齿轮。 
小齿轮46、48与侧齿轮38、40啮合。如图所示，小齿轮48大致是环形形状，具有凸齿面60。小齿轮48具有多个齿62，这些齿在齿面60上周向间隔地配置。齿62具有沿径向向外延伸的侧面64。侧面64的形状可以是平面状或凸面状。齿62在窄齿端或径向内端66处的周向厚度或宽度小于在宽齿端或径向外端68处的周向厚度或宽度。根据本文公开的内容可知，侧齿轮38、40可以是内锥齿轮。 
小齿轮46、48的齿62具有相对小的节锥角，范围是大约0度到大约20度。内锥齿轮组的面重合度应该超过1，优选地在大约1.1到大约1.5的范围内。根据本文公开的内容可知，齿轮组的允许齿宽取决于(a)侧齿轮的齿数，(b)小齿轮的齿数，(c)齿轮啮合的压力角以及(d)侧齿轮和小齿轮的节锥角。根据本文公开的内容还可知，侧齿轮和小齿轮的制造可采用现有的锻造技术完成。小齿轮46、48可具有面向车轴中心线的相对大径面，并且可以示出，齿轮组这样的设置会导致在侧齿轮与小齿轮啮合中产生的轴向推力朝着车轴的中心线作用，如图2中箭头B所示。这样，这些力可彼此抵消，并且以这种方式，减小了差速器壳体12应承受的整体负载，由此减小了差速器壳体12的壁厚以及差速器10的重量。 
为了达到小齿轮齿的有利负载，在本教导中，小齿轮相对于啮合的侧齿轮上下倒置。这使得小齿轮齿的有利负载变得可能：小齿轮齿的较强的宽齿部负载较重，而小齿轮齿的较弱的窄齿部负载较轻。以这种方式，可以表现为，齿轮组更强，并且通过齿轮组的功率密度增加。 
根据本教导可知，小齿轮的节锥角γp不能过大。小齿轮的节锥角的实用值如图示出的在间隔20°<γp<0°之间。不然，小齿轮齿会发生尖化（pointing）。 
可采用商业软件包（ProE、Catia、Unigraphics、AutoCAD等）来确定啮合齿轮齿的齿面几何参数。相配齿轮齿的CAD模型可以产生为相对于侧齿轮处于最后旋转中的小齿轮齿的连续位置的包络面。根据本文公开的内容可知，在每一个时刻，侧齿轮的齿面和小齿轮的齿面彼此间能够进行点接触而不是线接触。 
本教导可表现为在采用了具有凹齿面50的内侧齿轮46、48和具有凸齿面60的内小齿轮46、48的差速器10中克服了现有技术中的不足。侧齿轮46、48的凹齿面50与小齿轮46、48的凸齿面60的相互作用的几何形状可表现为更加有利，因为其承载量能力显著更高。侧齿轮46、48的凹齿面50与小齿轮46、48的凸齿面60的接触的有利几何形状可表现为使得可提高通过差速器10的功率密度。 
本教导已在前述说明书中进行了详细的描述，相信通过阅读和理解本说明书，本教导许多方面的各种替换和修改对于本领域技术人员将变得明显。所有这些替换和修改都旨在包含在本教导中，并且包含在所附的权利要求的范围中。 
以下是本文中使用的附图标记的列表： 
10      差速器； 
12      壳体； 
14      齿轮箱； 
16      齿圈； 
18      小齿轮； 
20      传动轴； 
22、24  端部； 
26、28  毂； 
30、32  车桥半轴； 
34      轴承； 
36      空腔； 
38、40  侧齿轮； 
42      十字轴； 
44      十字轴销； 
46、48  小齿轮； 
50      齿面； 
52      齿； 
54      侧面； 
56      内端； 
58      外端； 
60      齿面； 
62      齿； 
64      侧面； 
66      内端；以及 
68      外端。 

Claims (20)

1.一种用在包括一对旋转部件的车辆传动系中的差速器，所述差速器包括：
齿轮箱，所述齿轮箱相对于车辆传动系以从动的关系被可操作地支承；
一对侧齿轮，所述侧齿轮安装成在所述齿轮箱中随所述旋转部件中的相应一个旋转；
十字轴，所述十字轴安装成随所述齿轮箱旋转；
至少一对小齿轮，所述小齿轮安装成随所述十字轴旋转并与所述侧齿轮处于啮合关系；并且
所述侧齿轮具有凹齿面且所述小齿轮具有凸齿面，以提高通过所述差速器的功率密度。
2.如权利要求1所述的差速器，其中，所述侧齿轮具有多个齿，所述多个齿绕所述凹齿面配置且周向间隔开。
3.如权利要求2所述的差速器，其中，所述齿是直齿。
4.如权利要求2所述的差速器，其中，所述齿在径向内端处的周向厚度小于在径向外端处的周向厚度。
5.如权利要求2所述的差速器，其中，所述齿具有范围在大约170度到大约150度之间的节锥角。
6.如权利要求1所述的差速器，其中，所述侧齿轮是内锥齿轮。
7.如权利要求1所述的差速器，其中，所述小齿轮具有多个齿，所述多个齿绕所述凸齿面配置且周向间隔开。
8.如权利要求7所述的差速器，其中，所述齿是直齿。
9.如权利要求7所述的差速器，其中，所述齿在径向内端处的周向厚度小于在径向外端处的周向厚度。
10.如权利要求7所述的差速器，其中，所述齿具有范围在大约0度到大约20度之间的节锥角。
11.如权利要求1所述的差速器，其中，所述小齿轮是内锥齿轮。
12.一种用在包括一对旋转部件的车辆传动系中的差速器，所述差速器包括：
齿轮箱，所述齿轮箱相对于车辆传动系以从动的关系被可操作地支承；
一对侧齿轮，所述侧齿轮安装成在所述齿轮箱中随所述旋转部件中的相应一个旋转；
十字轴，所述十字轴安装成随所述齿轮箱旋转；
至少一对小齿轮，所述小齿轮安装成随所述十字轴旋转并与所述侧齿轮处于啮合关系；
所述侧齿轮具有凹齿面且所述小齿轮具有凸齿面，以提高通过所述差速器的功率密度；
其中，所述侧齿轮具有绕所述凹齿面配置且周向间隔开的多个直齿，所述齿在径向内端处的周向厚度小于在径向外端处的周向厚度；并且
其中，所述小齿轮具有绕所述凸齿面配置且周向间隔开的多个直齿，所述齿在径向内端处的周向厚度小于在径向外端处的周向厚度。
13.如权利要求12所述的差速器，其中，所述侧齿轮的齿具有范围在大约170度到大约150度之间的节锥角。
14.如权利要求12所述的差速器，其中，所述侧齿轮是内锥齿轮。
15.如权利要求12所述的差速器，其中，所述小齿轮的齿具有范围在大约0度到大约20度之间的节锥角。
16.如权利要求12所述的差速器，其中，所述小齿轮是内锥齿轮。
17.一种差速器，包括：
齿轮箱，所述齿轮箱限定了开口，一中心轴线延伸穿过该开口；
定位在所述齿轮箱中并能够相对于所述齿轮箱绕所述中心轴线旋转的第一和第二侧齿轮；
定位在所述第一和第二侧齿轮之间的多个锥齿轮，每个所述锥齿轮与所述第一和第二侧齿轮相互啮合，所述锥齿轮具有面向所述中心轴线的第一径面和背离所述中心轴线的第二径面，所述第一径面大于所述第二径面。
18.如权利要求17所述的差速器，还包括齿圈，该齿圈联接到所述齿轮箱以用于绕所述中心轴线旋转所述齿轮箱，其中所述锥齿轮可旋转地安装在被固定于所述齿轮箱的销上，其中第一和第二车桥半轴沿着所述中心轴线对齐，其中第一车桥半轴安装成随第一侧齿轮绕所述中心轴线旋转且第二车桥半轴安装成随第二侧齿轮绕所述中心轴线旋转，并且其中所述锥齿轮绕所述销旋转以适应所述第一和第二侧齿轮绕所述中心轴线的差速旋转。
19.如权利要求18所述的差速器，其中所述锥齿轮包括在所述第一径面和所述第二径面之间径向地延伸的锥齿，并且其中所述锥齿是锥形的从而与邻近第一径面处相比在邻近第二径面处具有较大的周向厚度。
20.如权利要求19所述的差速器，其中，所述侧齿轮包括锥形的侧齿轮齿，从而与邻近侧齿轮齿的径向内端相比，在邻近侧齿轮齿的径向外端处具有较大的周向厚度。
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