变速比限滑差速器端曲面齿轮副限滑原理研究

王白王　马鹏

摘 要 为改善非圆锥齿轮副限滑差速器的缺陷，在总结变速比限滑差速器的研究现状基础上，通过分析差速器的工作原理，说明非圆锥齿轮副限滑原理。通过对比端曲面齿轮副和非圆锥齿轮副的特点，说明端曲面齿轮副限滑原理，从而证明端曲面齿轮副可以在限滑差速器中替代非圆锥齿轮副的作用。

关键词 变速比限滑差速器 端曲面齿轮副 限滑原理

中图分类号：U463 文献标识码：A

1概述

1.1研究背景

普通差速器对于经常行驶在平坦道路的汽车来说，其性能已经能够满足正常使用要求。但军用汽车要经常在泥泞路面、松软路面、冰雪路面、甚至无路等恶劣路况下行驶，这样将可能出现路面与汽车左右驱动轮之间的附着条件相差过大，其中一侧驱动轮将无法从滑动中脱出的情况，导致差速器不能正常使用。为解决上述问题，需要使用具有限滑功能的差速器，使得左右驱动轮分配的扭矩不同，以此增加汽车牵引力，保证军用汽车具备良好的越野通过能力，以便为部队快速机动提供有力保障。

课题组针对军用汽车差速器对限滑功能的需求，研制出一种新型变速比限滑差速器。该差速器虽然经过不断改进，但是仍然存在一些缺点没有攻克：例如非圆锥齿轮设计非常复杂，以现有的理论和方法计算繁琐；现阶段非圆锥齿轮还没有统一的加工方法，加工成本较高，而且无法进行齿面精加工，导致不能将新型变速比限滑差速器应用于轿车中；作为小齿轮的行星齿轮端面有一定锥度，在端面上设计行星齿轮轴孔时，轴孔和齿根的最短距离不足2mm，削弱了齿根强度；在重型车辆上进行实车试验时，半轴齿轮和行星齿轮强度不足，导致部分轮齿发生断齿现象等。综上所述，新型变速比限滑差速器存在的主要缺点大都是由于现阶段非圆锥齿轮副自身的缺陷造成的，因此能否突破非圆锥齿轮副的限制，寻找可替代的齿轮副作为核心构件，对进一步提升新型变速比限滑差速器的性能具有重要意义。

1.2研究意义

端曲面齿轮副是一种新型的空间齿轮传动机构，它由一个非圆柱齿轮和一个端曲面齿轮组成，运动学方面具有和非圆锥齿轮副相近的特性，可以传递相交轴的变传动比与动力，在许多场合能够替代非圆锥齿轮副进行传动，相比非圆锥齿轮副主要有以下优点：

（1）设计方便。端曲面齿轮副中的小齿轮是非圆柱齿轮，其设计方法成熟，能有效降低齿轮副的设计和计算难度。

（2）加工方便。非圆柱齿轮的加工方法较为成熟，已经能够实现高精度的批量生产；端曲面齿輪可以通过设计专门的非圆柱齿轮刀具加工，也能够运用滚刀或者齿条刀具加工，相对非圆锥齿轮副加工成本能够有效降低。

（3）非圆柱齿轮作为行星齿轮。与非圆锥齿轮相比，非圆柱齿轮端面是一个圆面，因此在端面上设计行星齿轮轴孔时，轴孔距齿根部最短距离将增大，不会影响齿根强度。

（4）对轴向误差不敏感。非圆柱齿轮轴向齿廓均相同，因此轴向的装配误差不会导致传动产生较大的冲击和波动。

因此设计出能满足变速比限滑差速器使用要求的端曲面齿轮副，对提升军用汽车越野通过能力具有一定的理论研究意义和工程应用价值。

1.3研究现状

在国内，从20世纪90年代初开始，变速比限滑差速器的相关研究陆续展开，迄今为止取得了一系列的研究成果。1990年，西安交通大学王小椿教授首先在圆锥齿轮的基础上，通过修改齿廓实现传动比以周节为周期的小幅度波动，研制出一种单周节变速比限滑差速器；该差速器主要存在两点缺陷：一是传动比的变化幅度较小，无法满足汽车越野行驶的要求；二是传动比的变化周期过短，容易产生冲击。经过不断的研究改进，王小椿教授于2001年研制出一种三周节变速比限滑差速器，该差速器利用两半轴齿轮之间传动比的周期性变化给差动运动形成一个势垒，显著增大了差速器的锁紧系数，缩短了车辆制动距离，提升了车辆牵引力。2003年，军事交通学院贾巨民教授及其团队提出了一种利用保测地曲率映射原理设计非圆锥齿轮的方法，并基于该方法设计出一种非圆锥齿轮副变速比限滑差速器；该差速器可以在不改变圆锥齿轮差速器总体结构情况下，依靠齿轮传动的变速比效应增大其锁紧系数，使得传动比变化周期不受单周节限制，变化范围能够显著增大，克服了三周节变速比限滑差速器传动比变化周期短、变化范围小、容易造成脉动和冲击的缺陷，提高了汽车的越野通过能力。在此差速器基础上，2012年贾巨民教授又提出一种新型非圆锥齿轮限滑差速器，该差速器有两个行星齿轮，两个半轴齿轮，对称安装，行星齿轮转一圈为一个周期，半轴齿轮转一圈为两个周期，克服了周节与齿数的限制，能够最大限度地提高传动比的变化范围（达到€？0%），显著增大了差速器的锁紧系数，进一步提升了差速器的限滑能力。2016年贾巨民团队成员陈雨青利用螺旋锥齿轮的基本理论设计出一种螺旋非圆锥齿轮副，并将其应用在变速比限滑差速器中作为核心构件替代直齿非圆锥齿轮副，通过理论计算和相关试验表明螺旋非圆锥齿轮副应用在差速器领域具有可行性，而且相比直齿非圆锥齿轮副具有更好的啮合性能。

2限滑原理

2.1差速器工作原理

图1所示为差速器原理简图。在汽车行驶过程中，假设行星齿轮轴对行星齿轮的作用力为F，左半轴齿轮对行星齿轮作用的力为F1，产生的扭矩为T'1，右半轴齿轮对行星齿轮的力为F2，产生的扭矩为T'2，其中：

（1）

对行星齿轮进行受力分析，因为行星齿轮处于平衡状态，因此有

（2）

由牛顿第三定律可知行星齿轮会分别对左右半轴齿轮产生大小相等、方向相反的作用力F'1和F'2

对左半轴齿轮进行受力分析，其受到的扭矩为

T1=F'1€譒左 （3）

对右半轴齿轮进行受力分析，其受到的扭矩为

T2=F'2€譒右 （4）

由行星齿轮与半轴齿轮的传动规律可以得到：endprint

（5）

因此在不考虑内摩擦的情况下，差速器的理论锁紧系数

（6）

在普通差速器中，由于i2/i1=1，因此其几乎不具备变扭矩分配的能力。在变速比限滑差速器中，i2/i1是根据行星齿轮的自转而呈周期性变化的，使得变速比限滑差速器左右半轴齿轮分配的扭矩也是周期性变化的，从而起到限滑作用。在实际应用中，由于差速器的齿轮副之间还存在内摩擦，因此变速比限滑差速器的实际锁紧系数将比理论锁紧系数更大。

2.2非圆锥齿轮副限滑原理

当非圆锥齿轮副限滑差速器处于平衡位置时，L1=L2、L左=L右，因此不进行差速，左右半轴齿轮分配的扭矩相同。当左侧车轮速度大于右侧车轮时，行星齿轮就会顺时针旋转，由于非圆锥齿轮副的特殊齿形，将使得L1>L2、L右>L左，导致左侧车轮扭矩变小，右侧车轮扭矩变大。当右侧车轮速度大于左侧车轮时，同理可得行星齿轮会逆时针旋转，使得左侧车轮扭矩变大，右侧车轮扭矩变小。

2.3端曲面齿轮副限滑原理

通过上文的分析可以看出，非圆锥齿轮限滑差速器是通过非圆锥齒轮副特殊的齿形，使得快转轮上行星齿轮力臂增大，半轴齿轮受力减小、同时力臂变短；与此同时，慢转轮上的行星齿轮力臂变短，半轴齿轮受力增大、同时力臂变长；这样将使得快转轮上分配的扭矩变小，慢转轮上分配的扭矩变大，从而起到限滑作用。

如图2所示是将端曲面齿轮副作为差速器核心构件时齿轮副位置示意图。从图中可以看出，如果将非圆柱齿轮作为行星齿轮，端曲面齿轮作为半轴齿轮，同样能够实现行星齿轮力臂和半轴齿轮受力的周期性变化，因此只要选择合适的传动比，端曲面齿轮副可以运用在变速比限滑差速器中替代非圆锥齿轮副的作用。

3结语

（1）分析了变速比限滑差速器的研究背景，阐述了变速比限滑差速器端曲面齿轮副的研究意义，总结了变速比限滑差速器的研究现状。

（2）从差速器的工作原理入手，分析了非圆锥齿轮副限滑差速器的限滑原理。在此基础上，从齿形的角度说明了端曲面齿轮副可以替代非圆锥齿轮副，因此设计变速比限滑差速器端曲面齿轮副是可行的。

参考文献

[1] 贾巨民，高波，索文莉，孙爱丽.越野汽车新型变速比差速器的研究[J].中国机械工程，2012，23（23）：2844-2847.

[2] 贾巨民，高波，赵德龙.非圆锥齿轮线切割加工原理与方法[J].中国高校科技与产业化（学术版），2006，S3（12）：208-210.

[3] 陈雨青.变速比限滑差速器螺旋非圆锥齿轮啮合理论及试验研究[D].天津：陆军军事交通学院，2016.endprint