汽車差速器的設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

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汽車差速器的設(shè)計(jì) 學(xué)校代碼：11517 學(xué) 號(hào)：201250616128 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 文獻(xiàn)綜述 題 目 解放CA1092型汽車差速器的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 姜穎超 專業(yè)班級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化1222班 學(xué) 號(hào) 201250616128 系 （部） 機(jī)械工程學(xué)院 指導(dǎo)教師(職稱) 楊建偉（副教授） 完成時(shí)間 2014年2月26日 汽車差速器的設(shè)計(jì) 摘要：本文闡述了汽車差速器的歷史、現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢，通過對(duì)差速器的結(jié)構(gòu)、作用和工作原理進(jìn)行分析，最后確定研究課題使用差速器類型為對(duì)稱式圓錐行星齒輪差速器。 關(guān)鍵詞：汽車; 差速器; 對(duì)稱式圓錐行星齒輪 引言 當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于外側(cè)輪有滑脫現(xiàn)象，內(nèi)側(cè)輪有滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪就會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然導(dǎo)致兩邊車輪的轉(zhuǎn)速不同，從而破壞了三者的平衡關(guān)系，并通過半軸反映到半軸齒輪上，迫使行星齒輪自轉(zhuǎn)，使外側(cè)半軸轉(zhuǎn)速加快，內(nèi)側(cè)半軸轉(zhuǎn)速減慢，從而實(shí)現(xiàn)兩邊車輪轉(zhuǎn)速的差異，這就是差速器的原理。這里涉及到“最小耗能原理”，也就是地球上所有物體都傾向于耗能最小的狀態(tài)。例如把一粒豆子放進(jìn)一個(gè)完內(nèi)，豆子就會(huì)自動(dòng)停留在這個(gè)碗的碗底，它自動(dòng)選擇靜止（動(dòng)能最小）而不會(huì)不斷運(yùn)動(dòng)[1]。同樣的，車輪在轉(zhuǎn)彎時(shí)也會(huì)自動(dòng)趨向最低耗能狀態(tài)，自動(dòng)地按照轉(zhuǎn)彎半徑調(diào)整左右輪的轉(zhuǎn)速。 1 汽車差速器的發(fā)展歷史 汽車自上個(gè)世紀(jì)末誕生以來，已經(jīng)走過了風(fēng)風(fēng)雨雨的一百多年。從卡爾本茨造出的第一輛三輪汽車以每小時(shí)18公里的速度，跑到現(xiàn)在，竟然誕生了從速度為零到加速到100公里/小時(shí)只需要三秒鐘多一點(diǎn)的超級(jí)跑車。這一百年，汽車發(fā)展的速度是如此驚人！同時(shí)，汽車工業(yè)也造就了多位巨人，他們一手創(chuàng)建了通用、福特、豐田、本田這樣一些在各國經(jīng)濟(jì)中舉足輕重的著名公司。在我國，隨著長春第一生產(chǎn)汽車廠的建成投產(chǎn)，1955年生產(chǎn)了61輛汽車，才結(jié)束了我國一直不能生產(chǎn)汽車的歷史。經(jīng)過幾十年的努力，目前我國建立了自己的汽車工業(yè)[2]。在汽車行業(yè)發(fā)展初期，法國雷諾汽車公司的創(chuàng)始人雷諾發(fā)明了汽車差速器，它作為汽車必不可少的部件之一曾被汽車專家譽(yù)為“小零件大功用”。 汽車行駛時(shí)，左右車輪在同一時(shí)間內(nèi)所滾過的路程往往不等。例如，轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)、外兩側(cè)車輪行程顯然不同，即外側(cè)車輪滾過的距離大于內(nèi)側(cè)車輪；即使在平直路面上行駛，由于輪胎氣壓、輪胎負(fù)載、胎面磨損程度不同以及制造誤差等因素的影響，也會(huì)引起左、右車輪因滾動(dòng)半徑不同而使左、右車輪行程不等。如果驅(qū)動(dòng)橋的左、右車輪剛性連接，則行駛時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)輪在路面上滑移或滑轉(zhuǎn)。這不僅會(huì)加劇輪胎磨損與功率和燃料的消耗，而且可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向和操縱性能惡化。為了防止這些現(xiàn)象的發(fā)生，汽車左、右驅(qū)動(dòng)輪間都裝有輪間差速器，從而保證了驅(qū)動(dòng)橋兩側(cè)車輪在行程不等時(shí)具有不同的旋轉(zhuǎn)角速度，滿足了汽車行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求；在多橋驅(qū)動(dòng)汽車上還常裝有軸間差速器，以提高通過性，同時(shí)避免在驅(qū)動(dòng)橋間產(chǎn)生功率循環(huán)及由此引起的附加載荷，使傳動(dòng)系零件損壞、輪胎磨損和增加燃料消耗等等[3]?；谝陨鲜聦?shí)，我選擇了“解放CA1092型汽車差速器的設(shè)計(jì)”這一課題。 2 差速器的結(jié)構(gòu)分析 2.1 差速器的作用 汽車在直線行駛時(shí)，左右車輪轉(zhuǎn)速幾乎相同，而在轉(zhuǎn)彎時(shí)，左右車輪轉(zhuǎn)速不同，差速器能實(shí)現(xiàn)左右車輪轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)，允許左右車輪以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)[4]。汽車差速器是汽車傳動(dòng)中的最重要的部件之一，它有三大作用：首先是將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力傳輸?shù)杰囕喩?；其次，將主減速器已經(jīng)增加的扭矩一分為二的分配給左右兩根半軸；最后，擔(dān)任汽車主減速齒輪，在動(dòng)力傳輸至車輪前將傳動(dòng)系的轉(zhuǎn)速減下來，將動(dòng)力傳到車輪上，同時(shí)允許兩側(cè)車輪以不同的輪速轉(zhuǎn)動(dòng)。差速器對(duì)提高汽車行駛平穩(wěn)性和其通過性有著獨(dú)特的作用，是汽車設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。 2.2 差速器的組成結(jié)構(gòu) 普通差速器由行星齒輪、行星輪軸、半軸齒輪、差速器殼等零件組成。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)軸進(jìn)入差速器，直接驅(qū)動(dòng)行星輪架，再由行星輪帶動(dòng)左、右兩條半軸，分別驅(qū)動(dòng)左、右車輪。 圖2-1 差速器結(jié)構(gòu)方案圖 1－差速器左殼 2－半軸齒輪 3－行星齒輪 4－差速器右殼 5－十字軸 2.3 差速器的結(jié)構(gòu)形式 差速器按其結(jié)構(gòu)特征可分為齒輪式、凸輪式、蝸輪式和牙嵌自由輪式等多種形式。 普通汽車上廣泛采用的差速器為對(duì)稱錐齒輪式差速器，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量較小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。它可分為普通錐齒輪式差速器、摩擦片式差速器和強(qiáng)制鎖止式差速器。普通齒輪式差速器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪式。齒輪差速器分圓錐齒輪式和圓柱齒輪式兩種[5]。 強(qiáng)制鎖止式差速器就是在對(duì)稱式錐齒輪差速器上設(shè)置差速鎖。當(dāng)一側(cè)驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)時(shí)，可利用差速鎖使差速器不起差速作用。差速鎖在軍用汽車上應(yīng)用較廣。 普通的對(duì)稱式圓錐行星齒輪差速器由差速器左、右殼，2個(gè)半軸齒輪，4個(gè)行星齒輪(少數(shù)汽車采用3個(gè)行星齒輪，小型、微型汽車多采用2個(gè)行星齒輪)，行星齒輪軸(不少裝4個(gè)行星齒輪的差速器采用十字軸結(jié)構(gòu))，半軸齒輪及行星齒輪墊片等組成[6]。由于其結(jié)構(gòu)簡單、工作平穩(wěn)、制造方便、用在公路汽車上也很可靠等優(yōu)點(diǎn)，最廣泛地用在轎車、客車和各種公路用載貨汽車上[7]。查閱汽車設(shè)計(jì)相關(guān)資料，經(jīng)方案論證，解放CA1092型汽車差速器結(jié)構(gòu)形式選擇對(duì)稱式圓錐行星齒輪差速器[8]。 2.4 差速器的工作原理和工作狀態(tài) 行星齒輪的自轉(zhuǎn)：差速器工作時(shí)，行星齒輪繞行星齒輪軸的旋轉(zhuǎn)稱為行星齒輪的自轉(zhuǎn)；行星齒輪的公轉(zhuǎn)：差速器工作時(shí)，行星齒輪繞半軸軸線的旋轉(zhuǎn)稱為行星齒輪的公轉(zhuǎn)[9]。 汽車直線行駛時(shí)，主減速器的從動(dòng)錐齒輪驅(qū)動(dòng)差速器殼旋轉(zhuǎn)，差速器差驅(qū)動(dòng)行星齒輪軸旋轉(zhuǎn)，行星齒輪軸驅(qū)動(dòng)行星齒輪公轉(zhuǎn)，半軸齒輪在行星齒輪的夾持下同速同向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，行星齒輪只公轉(zhuǎn)，不自轉(zhuǎn)，左右車輪和轉(zhuǎn)速等于從動(dòng)錐齒輪的轉(zhuǎn)速。汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，行星齒輪在公轉(zhuǎn)的同時(shí)，產(chǎn)生了自轉(zhuǎn)，即繞行星齒輪軸的旋轉(zhuǎn)，造成一側(cè)半軸齒輪轉(zhuǎn)速的增加，而加一側(cè)半軸齒輪轉(zhuǎn)速的降低，兩側(cè)車輪以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，一側(cè)車輪增加的轉(zhuǎn)速等于另一側(cè)車輪減少的轉(zhuǎn)速。當(dāng)將兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪支起后，車輪離地，如果我們轉(zhuǎn)一側(cè)的車輪，另一側(cè)車輪反方向同速旋轉(zhuǎn)，這時(shí)，差速器內(nèi)的行星齒輪只自轉(zhuǎn)，不公轉(zhuǎn)，兩側(cè)半軸齒輪以相反的方向旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)兩側(cè)車輪反方向同速旋轉(zhuǎn)[10][11]。 3 汽車差速器設(shè)計(jì)方法 汽車后橋差速器圓錐齒輪是汽車重要傳動(dòng)部件之一，所受載荷大，引起的應(yīng)力情況復(fù)雜。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算過程中對(duì)齒輪強(qiáng)度的分析是建立在經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，難以準(zhǔn)確反映出其真實(shí)的應(yīng)力及變形分布規(guī)律[12]。目前，國內(nèi)CAE技術(shù)在產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用相對(duì)薄弱，設(shè)計(jì)后期發(fā)現(xiàn)的任何設(shè)計(jì)缺陷都可能影響新產(chǎn)品的適時(shí)推出，并使產(chǎn)品成本大幅上揚(yáng)。故在設(shè)計(jì)活動(dòng)中引入CAE技術(shù)科直接優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，分析最新的設(shè)計(jì)方案，是制造企業(yè)降低成本，擴(kuò)大市場占有率的一項(xiàng)關(guān)鍵性的策略。 4 國內(nèi)外差速器發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀(jì)60年代末期，德國的Kasselmann等人試圖將汽車轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向車輪之間通過導(dǎo)線進(jìn)行連接（即電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)），但由于當(dāng)時(shí)電子和控制技術(shù)等方面的制約，電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一直無法在實(shí)車上實(shí)現(xiàn)。奔馳公司于1990年開始了前輪電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的深入研發(fā)，并將它開發(fā)的電子差速系統(tǒng)應(yīng)用于概念車F400Cvaring上。世界其它各大汽車廠家先后對(duì)汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做了深入研究。目前許多汽車公司開發(fā)了自己的電子差速系統(tǒng)，一些國際著名汽車生產(chǎn)商已在其概念車上安裝了該系統(tǒng)[13]。 日本YOKO技術(shù)研究所也開發(fā)了自己的電子轉(zhuǎn)向及電子差速系統(tǒng)，根據(jù)它們的研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用電子轉(zhuǎn)向及差速系統(tǒng)進(jìn)行差速控制的汽車，在摩察系數(shù)很小的堅(jiān)實(shí)雪地上進(jìn)行蛇行、移線、側(cè)向風(fēng)實(shí)驗(yàn)中基本按照預(yù)定的軌跡行駛，比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在路線跟蹤性能上有較大的提高。日本大學(xué)和本田汽車公司在汽車電子轉(zhuǎn)向及電子差速系統(tǒng)方面也做了一些理論工作和模擬器實(shí)驗(yàn)研究[14]。 我國中科院電工研究所電動(dòng)汽車研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)電動(dòng)汽車的電氣驅(qū)動(dòng)技術(shù)做了大量的研究，與東風(fēng)汽車集團(tuán)合作，研制成功電動(dòng)汽車概念車和環(huán)保型電動(dòng)中巴車。又與中科院大連化物所、東風(fēng)汽車集團(tuán)合作，研制成功我國第一輛具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池電動(dòng)車。針對(duì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，提出了基于自由輪轉(zhuǎn)速信息和驅(qū)動(dòng)防滑控制，并分析了汽車轉(zhuǎn)向中的動(dòng)力學(xué)原理。在Ackeman-Jeantand轉(zhuǎn)向幾何模型下討論了理想差速過程中車輪驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩變化應(yīng)滿足的條件。根據(jù)上述分析提出了一種雙模式轉(zhuǎn)矩分配電機(jī)差速器設(shè)計(jì)思路。浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院對(duì)兩輪驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)的電動(dòng)汽車系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的深入研究。提出了基于車輪與地面附著系數(shù)為控制對(duì)象的新型電子差速控制方案，減少了汽車產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)的可能性?？紤]到轉(zhuǎn)彎時(shí)車輪垂直荷載的變化，以使兩驅(qū)動(dòng)輪的附著率相等為目的，并以此為依據(jù)分配兩輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而使汽車產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)的可能性減到最小，考慮風(fēng)阻力和輪胎側(cè)向力的作用等因素，在給定總功率的輸出下，對(duì)汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了仿真，得出了在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角都較大時(shí)，轉(zhuǎn)矩分配比例的變化較大，此時(shí)車體運(yùn)動(dòng)的離心力產(chǎn)生的側(cè)翻力矩起到了決定性作用的結(jié)論。同濟(jì)大學(xué)提供了一種四輪電子差速轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，它能保證行駛時(shí)各個(gè)車輪與地面間保持純滾動(dòng)狀態(tài)，減小車輪與地面的摩擦力，延長汽車各部件的使用壽命[15]。 5 國內(nèi)外差速器發(fā)展趨勢 近年來中國汽車差速器市場發(fā)展迅速，產(chǎn)品產(chǎn)出時(shí)序擴(kuò)張，國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵(lì)汽車差速器產(chǎn)業(yè)向高技術(shù)產(chǎn)品方向發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)新增投資項(xiàng)目逐漸增多，投資者對(duì)汽車差速器行業(yè)的關(guān)注也越來越密切，這使得汽車差速器行業(yè)的發(fā)展需求增大[16]。從目前來看，我國差速器行業(yè)已經(jīng)順利完成了由小到大的轉(zhuǎn)變，正處于由大到強(qiáng)的發(fā)展階段。在這個(gè)轉(zhuǎn)型和調(diào)整的關(guān)鍵時(shí)刻，提高汽車車輛、石油化工、電力通訊差速器的精度、可靠性是中國差速器行業(yè)的緊迫任務(wù)，更強(qiáng)的越野性和安全性是差速器設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。 6 總結(jié) 與國外相比，雖然我國差速器行業(yè)發(fā)展迅速，但是基本上技術(shù)都是源自于美國、德國、日本等幾個(gè)國家，我國現(xiàn)有的技術(shù)基本上是引進(jìn)國外的基礎(chǔ)上發(fā)展的，不過目前我國差速器的自主開發(fā)能力仍然很弱，還有待進(jìn)一步提高，差速器的設(shè)計(jì)需要將滑轉(zhuǎn)和拖轉(zhuǎn)的可能性減到最小。在詳細(xì)分析了差速器的機(jī)構(gòu)、作用以及發(fā)展之后，最后確定選擇對(duì)稱式圓錐行星齒輪差速器進(jìn)行設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn) [1] 吉林大學(xué)汽車工程系.汽車構(gòu)造[M].人民交通出版社,2006:1-10. 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