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