文献综述-汽车差速器的设计

汽车差速器的设计

摘要：本文阐述了汽车差速器的历史、现状以及未来的发展趋势，通过对差速器的结构、作用和工作原理进行分析，最后确定研究课题使用差速器类型为对称式圆锥行星齿轮差速器。

关键词：汽车; 差速器; 对称式圆锥行星齿轮

引言

当汽车转弯时，由于外侧轮有滑脱现象，内侧轮有滑转现象，两个驱动轮就会产生两个方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然导致两边车轮的转速不同，从而破坏了三者的平衡关系，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮自转，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异，这就是差速器的原理。这里涉及到“最小耗能原理”，也就是地球上所有物体都倾向于耗能最小的状态。例如把一粒豆子放进一个完内，豆子就会自动停留在这个碗的碗底，它自动选择静止（动能最小）而不会不断运动[1]。同样的，车轮在转弯时也会自动趋向最低耗能状态，自动地按照转弯半径调整左右轮的转速。

1汽车差速器的发展历史

汽车自上个世纪末诞生以来，已经走过了风风雨雨的一百多年。从卡尔本茨造出的第一辆三轮汽车以每小时18公里的速度，跑到现在，竟然诞生了从速度为零到加速到100公里/小时只需要三秒钟多一点的超级跑车。这一百年，汽车发展的速度是如此惊人！同时，汽车工业也造就了多位巨人，他们一手创建了通用、福特、丰田、本田这样一些在各国经济中举足轻重的著名公司。在我国，随着长春第一生产汽车厂的建成投产，1955年生产了61辆汽车，才结束了我国一直不能生产汽车的历史。经过几十年的努力，目前我国建立了自己的汽车工业[2]。在汽车行业发展初期，法国雷诺汽车公司的创始人雷诺发明了汽车差速器，它作为汽车必不可少的部件之一曾被汽车专家誉为“小零件大功用”。

汽车行驶时，左右车轮在同一时间内所滚过的路程往往不等。例如，转弯时内、外两侧车轮行程显然不同，即外侧车轮滚过的距离大于内侧车轮；即使在平直路面上行驶，由于轮胎气压、轮胎负载、胎面磨损程度不同以及制造误差等因素的影响，也会引起左、右车轮因滚动半径不同而使左、右车轮行程不等。如果驱动桥的左、右车轮刚性连接，则行驶时不可避免地会产生驱动轮在路面上滑移或滑转。这不仅会加剧轮胎磨损与功率和燃料的消耗，而且可能导致转向和操纵性能恶化。为了防止这些现象的发生，汽车左、右驱动轮间都装有轮间差速器，从而保证了驱动桥两侧车轮在行程不等时具有不同的旋转角速度，满足了汽车行驶运动学的要求；在多桥驱动汽车上还常装有轴间差速器，以提高通过性，同时避免在驱动桥间产生功率循环及由此引起的附加载荷，使传动系零件损坏、轮胎磨损和增加燃料消耗等等[3]。基于以上事实，

我选择了“解放CA1092型汽车差速器的设计”这一课题。

2差速器的结构分析

2.1差速器的作用

汽车在直线行驶时，左右车轮转速几乎相同，而在转弯时，左右车轮转速不同，差速器能实现左右车轮转速的自动调节，允许左右车轮以不同的转速旋转[4]。汽车差速器是汽车传动中的最重要的部件之一，它有三大作用：首先是将发动机输出的动力传输到车轮上；其次，将主减速器已经增加的扭矩一分为二的分配给左右两根半轴；最后，担任汽车主减速齿轮，在动力传输至车轮前将传动系的转速减下来，将动力传到车轮上，同时允许两侧车轮以不同的轮速转动。差速器对提高汽车行驶平稳性和其通过性有着独特的作用，是汽车设计的重点之一。

2.2差速器的组成结构

普通差速器由行星齿轮、行星轮轴、半轴齿轮、差速器壳等零件组成。发动机的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。

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图2-1差速器结构方案图

1－差速器左壳2－半轴齿轮3－行星齿轮4－差速器右壳5－十字轴2.3差速器的结构形式

差速器按其结构特征可分为齿轮式、凸轮式、蜗轮式和牙嵌自由轮式等多种形式。

普通汽车上广泛采用的差速器为对称锥齿轮式差速器，具有结构简单、质量较小等优点，应用广泛。它可分为普通锥齿轮式差速器、摩擦片式差速器和强制锁止式差

速器。普通齿轮式差速器的传动机构为齿轮式。齿轮差速器分圆锥齿轮式和圆柱齿轮式两种[5]。

强制锁止式差速器就是在对称式锥齿轮差速器上设置差速锁。当一侧驱动轮滑转时，可利用差速锁使差速器不起差速作用。差速锁在军用汽车上应用较广。

普通的对称式圆锥行星齿轮差速器由差速器左、右壳，2个半轴齿轮，4个行星齿轮(少数汽车采用3个行星齿轮，小型、微型汽车多采用2个行星齿轮)，行星齿轮轴(不少装4个行星齿轮的差速器采用十字轴结构)，半轴齿轮及行星齿轮垫片等组成[6]。由于其结构简单、工作平稳、制造方便、用在公路汽车上也很可靠等优点，最广泛地用在轿车、客车和各种公路用载货汽车上[7]。查阅汽车设计相关资料，经方案论证，解放CA1092型汽车差速器结构形式选择对称式圆锥行星齿轮差速器[8]。

2.4差速器的工作原理和工作状态

行星齿轮的自转：差速器工作时，行星齿轮绕行星齿轮轴的旋转称为行星齿轮的自转；行星齿轮的公转：差速器工作时，行星齿轮绕半轴轴线的旋转称为行星齿轮的公转[9]。

汽车直线行驶时，主减速器的从动锥齿轮驱动差速器壳旋转，差速器差驱动行星齿轮轴旋转，行星齿轮轴驱动行星齿轮公转，半轴齿轮在行星齿轮的夹持下同速同向旋转，此时，行星齿轮只公转，不自转，左右车轮和转速等于从动锥齿轮的转速。汽车转弯时，行星齿轮在公转的同时，产生了自转，即绕行星齿轮轴的旋转，造成一侧半轴齿轮转速的增加，而加一侧半轴齿轮转速的降低，两侧车轮以不同的转速旋转。此时，一侧车轮增加的转速等于另一侧车轮减少的转速。当将两个驱动轮支起后，车轮离地，如果我们转一侧的车轮，另一侧车轮反方向同速旋转，这时，差速器内的行星齿轮只自转，不公转，两侧半轴齿轮以相反的方向旋转，从而带动两侧车轮反方向同速旋转[10][11]。

3 汽车差速器设计方法

汽车后桥差速器圆锥齿轮是汽车重要传动部件之一，所受载荷大，引起的应力情况复杂。传统设计计算过程中对齿轮强度的分析是建立在经验公式的基础上，难以准确反映出其真实的应力及变形分布规律[12]。目前，国内CAE技术在产品早期设计阶段的应用相对薄弱，设计后期发现的任何设计缺陷都可能影响新产品的适时推出，并使产品成本大幅上扬。故在设计活动中引入CAE技术科直接优化产品设计流程，分

析最新的设计方案，是制造企业降低成本，扩大市场占有率的一项关键性的策略。

4 国内外差速器发展现状

20世纪60年代末期，德国的Kasselmann等人试图将汽车转向盘与转向车轮之间通过导线进行连接（即电子转向系统），但由于当时电子和控制技术等方面的制约，电子转向系统一直无法在实车上实现。奔驰公司于1990年开始了前轮电子转向系统的深入研发，并将它开发的电子差速系统应用于概念车F400Cvaring上。世界其它各大汽车厂家先后对汽车电子转向系统做了深入研究。目前许多汽车公司开发了自己的电子差速系统，一些国际著名汽车生产商已在其概念车上安装了该系统[13]。

日本YOKO技术研究所也开发了自己的电子转向及电子差速系统，根据它们的研究和实验结果，利用电子转向及差速系统进行差速控制的汽车，在摩察系数很小的坚实雪地上进行蛇行、移线、侧向风实验中基本按照预定的轨迹行驶，比传统转向系统在路线跟踪性能上有较大的提高。日本大学和本田汽车公司在汽车电子转向及电子差速系统方面也做了一些理论工作和模拟器实验研究[14]。

我国中科院电工研究所电动汽车研究团队针对电动汽车的电气驱动技术做了大量的研究，与东风汽车集团合作，研制成功电动汽车概念车和环保型电动中巴车。又与中科院大连化物所、东风汽车集团合作，研制成功我国第一辆具有自主知识产权的燃料电池电动车。针对双电机驱动的电动汽车，提出了基于自由轮转速信息和驱动防滑控制，并分析了汽车转向中的动力学原理。在Ackeman-Jeantand转向几何模型下讨论了理想差速过程中车轮驱动/制动转矩变化应满足的条件。根据上述分析提出了一种双模式转矩分配电机差速器设计思路。浙江大学电气工程学院对两轮驱动轮毂电机的电动汽车系统进行了一系列的深入研究。提出了基于车轮与地面附着系数为控制对象的新型电子差速控制方案，减少了汽车产生滑转的可能性。考虑到转弯时车轮垂直荷载的变化，以使两驱动轮的附着率相等为目的，并以此为依据分配两轮的驱动转矩，从而使汽车产生滑转的可能性减到最小，考虑风阻力和轮胎侧向力的作用等因素，在给定总功率的输出下，对汽车的运动状态进行了仿真，得出了在转速和转角都较大时，转矩分配比例的变化较大，此时车体运动的离心力产生的侧翻力矩起到了决定性作用的结论。同济大学提供了一种四轮电子差速转向控制系统，它能保证行驶时各个车轮与地面间保持纯滚动状态，减小车轮与地面的摩擦力，延长汽车各部件的使用寿命[15]。