电动汽车传动系统

图4-27 摩擦片式差速器 1-差速器壳 2-摩擦片 3压盘 4-V形面 5-行星齿轮 轴 6-行星齿轮 7-半轴齿轮
当传递转矩时，差速器壳通过斜面对行星齿轮轴 产生沿行星齿轮轴线方向的轴向力，该轴向力推动 行星齿轮使压盘将摩擦片压紧。当左、右半轴转速 不等时，主、从动摩擦片间产生相对滑转，从而产 生摩擦力矩。此摩擦力矩Tr与差速器所传递的转矩 T0成正比。可表示为 T0 rf Tr fz tan (4—27) rd 式中，rf为摩擦片平均摩擦半径；rd为差速器壳v形 面中点到半轴齿轮中心线的距离；f为摩擦因数；z 为摩擦面数；β为V形面的半角。 摩擦片式差速器的锁紧系数k可达0．6，kb可达 4。这种差速器结构简单，工作平稳，可明显提高 汽车通过性。
1．普通锥齿轮式差速器 由于普通锥齿轮式差速器结构简单、工作平稳 可靠，所以广泛应用于一般使用条件的汽车驱动桥 中。图4—26为其示意图， 根据运动分析可得 ω 1+ ω 2=2 ω 0 (4—22) 当一侧半轴不转时，另一侧半轴将以两倍的差 连器壳体角速度旋转；当差速器壳体不转时，左右 半轴将等速反向旋转。
(二)差速器齿轮强度计算 差速器齿轮的尺寸受结构限制，而且承受的载 荷较大，它不像主减速器齿轮那样经常处于啮合传 动状态，只有当汽车转弯或左、右轮行驶不同的路 程时，或一侧车轮打滑而滑转时，差速器齿轮才能 有啮合传动的相对运动。因此，对于差速器齿轮主 要应进行弯曲强度计算。轮齿弯曲应力σw(Mpa)为 (4—37) 2Tks km 3 w 10 kv m b2 d 2 Jn 式中，n为行星齿轮数；J为综合系数；b2、d2分别 为半轴齿轮齿宽及其大端分度圆直径(mm)；T为半 轴齿轮计算转矩(N·m)，T=0.6T0；
4.4.4 差速器设计 车辆在行驶过程中，左、右车轮在同一时间 内所滚过的路程往往是不相等的，如转弯、左右两 轮胎内的气压不等、胎面磨损不均匀、两车轮上的 负荷不均匀而引起车轮滚动半径不相等；左右两轮 接触的路面条件不同，行驶阻力不等等。 如果驱动桥的左、右车轮刚性连接，则不论转 弯行驶或直线行驶，均会引起车轮在路面上的滑移 或滑转，一方面会加剧轮胎磨损、功率和燃料消耗， 另一方面会使转向沉重，通过性和操纵稳定性变坏。
为此，在驱动桥的左、右车轮间都装有轮间差速器。 在多桥驱动的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、 传动系零件损坏、轮胎磨损和燃料消耗等。 差速器用来在两输出轴间分配转矩，并保证两输出轴 有可能以不同角速度转动。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。 一、差速器结构形式选择 (一)对称锥齿轮式差速器 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。它又可分为普 通锥齿轮式差速器、摩擦片式差速器和强制锁止式差速器 等。
6．行星齿轮轴直径d及支承长度L 行星齿轮轴直径d(mm)为
T0 10 3 d 1.1[ c ]nrd
(4-35)
式中，T0为差速器壳传递的转矩(N·m)，n为行星 齿轮数；rd为行星齿轮支承面中点到锥顶的距离 (mm)，约为半轴齿轮齿宽中点处平均直径的一半； [σc]为支承面许用挤压应力，取98MPa。 行星齿轮在轴上的支承长度L为 L=1.1d (4—36)
2．粘性联轴器在车上的布置 根据全轮驱动形式的不同，粘性联轴器在汽车 上有不同的布置形式。 图4—32为粘性联轴器作为轴间差速器限动装置 的简图。轴间差速器壳体上的齿轮1与变速器输出 轴上的齿轮相啮合，壳体内的左齿轮通过空心轴2 与右侧的前桥差速器6壳体相连，右齿轮通过空心 轴4和齿轮7等与后桥差速器壳上的齿轮相连。粘 性联轴器5的壳体与空心轴4相连，内叶片连接在 空心轴2上，这样它就与轴间差速器3并联在一起， 内、外叶片的转速分别反映了前、后差速器壳体的 转速。
2. 摩擦片式差速器 为了增加差速器的内摩 擦力矩，在半轴齿轮7与 差速器壳1之间装上了摩 擦片2(图4-27)。两根行星 齿轮轴5互相垂直，轴的 两端制成V形面4与差速器 壳孔上的V形面相配，两 个行星齿轮轴5的V形面是 反向安装的。每个半轴齿 轮背面有压盘3和主、从 动摩擦片2，主、从动摩 擦片2分别经花键与差速
图4-31 粘性联轴器结构简图 1- A轴 2-内叶片 3-壳体 4-硅油 5-B轴 6-外 叶片 7-隔环
粘性联轴器属于液体粘性传动装置，是依靠硅油 的粘性阻力来传递动力，即通过内、外叶片间硅油 的油膜剪切力来传递动力。一般在密封的壳体内填 充了占其空间80％一90%的硅油(其余是空气)，高 粘度的硅油存在于内、外叶片的间隙内。当A轴与 B轴之间有转速差时，内、外叶片间将产生剪切阻 力，使转矩由高速轴传递到低速轴。它所能传递的 转矩与联轴器的结构、硅油粘度及输入轴、输出轴 的转速差有关。
G2 G2 Ft min min G2 min 2 2
(4—28)
式中，G2为驱动桥上的负荷。 如果差速器完全锁住，则汽车所能发挥的最大 牵引力F't为 ' G2 G2 G2 Ft min ( min ) (4—29) 2 2 2 可见，采用差速锁将普通锥齿轮差速器锁住， 可使汽车的牵引力提高(υ+ υmin)/2υmin倍，从而提 高了汽车通过性。 当然，如果左、右车轮都处于低附着系数的路 面，虽锁住差速器，但牵引力仍超过车轮与地面间 的附着力，汽车也无法行驶。
普通锥齿轮差速器的锁紧系数k一般为0.05— 0.15，两半轴转矩比kb为1.11—1.35，这说明左、 右半轴的转矩差别不大，故可以认为分配给两半轴 的转矩大致相等，这样的分配比例对于在良好路面 上行驶的汽车来说是合适的。但当汽车越野行驶或 在泥泞、冰雪路面上行驶，一侧驱动车轮与地面的 附着系数很小时，尽管另一侧车轮与地面有良好的 附着，其驱动转矩也不得不随附着系数小的一侧同 样地减小，无法发挥潜在牵引力，以致汽车停驶。
图4-29 蜗轮式差速器 1、5-半轴蜗轮 2、4-蜗杆 9-行星蜗轮
(四)牙嵌式自由轮差速器 牙嵌式自由轮差速器(图4—30)是自锁式差速器 的一种。装有这种差速器的汽车在直线行驶时，主 动环可将由主减速器传来的转矩按左、右轮阻力的 大小分配给左、右从动环(即左、右半轴)。当一侧 车轮悬空或进入泥泞、冰雪等路面时，主动环的转 矩可全部或大部分分配给另一侧车轮。当转弯行驶 时，外侧车轮有快转的趋势，使外侧从动环与主动 环脱开，即中断对外轮的转矩传递；内侧车轮有慢 转的趋势，使内侧从动环与主动环压得更紧，即主 动环转矩全部传给内轮。由于该差速器在转弯时是 内轮单边传动，会引起转向沉重，当拖带挂车时尤 为突出。此外，由于左、右车轮的转矩时断时续，
三、粘性联轴器结构及在汽车上的布置 粘性联轴器是一种利用液体粘性传递动力的装 置。它以其优良的性能不仅广泛应用于四轮驱动汽 车上，而且也应用于两轮驱动汽车上。 1．粘性联轴器结构和工作原理 粘性联轴器结构简图如图4—31所示。内叶片2 与A轴1以花键连接，叶片可在轴上滑动；外叶片6 与壳体3也以花键连接，但叶片内有隔环7，防止 外叶片轴向移动。隔环的厚度决定了内、外叶片的 间隙。叶片上各自加工有孔或槽，壳体内充入作为 粘性工作介质的硅油4，用油封密封。
4．行星齿轮和半轴齿轮节锥角γ1、γ2，及模数m 行星齿轮和半轴齿轮节锥角γ1、γ2分别为 γ1=arctan(z1／z2) (4-33) γ2 =arctan(z2／z2) 锥齿轮大端端面模数m为 m=2A0 sin γ1 /z1=2A0sin γ2 /z2 (4-34) 5．压力角a 汽车差速齿轮大都采用压力角为22°30'，齿高 系数为0.8的齿形。某些重型货车和矿用车采用 25°压力角，以提高齿轮强度。
图4-28 滑块凸轮式差速器 1-差速器壳 2-滑块 3-外凸轮 4-内凸轮
(三)蜗轮式差速器 蜗轮式差速器(图4—29)也是一种高摩擦自锁差 速器。蜗杆2、4同时与行星蜗轮3与半轴蜗轮1、5 啮合，从而组成一行星齿轮系统。这种差速器半轴 的转矩比为 kb=tan(β+ ρ)/tan(β-ρ) (4-30) 式中， β 为蜗杆螺旋角； ρ 为摩擦角。 蜗轮式差速器的半轴转矩比kb可高达5.67~9.00， 锁紧系数k达0.7～0.80但在如此高的内摩擦情况下， 差速器磨损快、寿命短。当把kb降到2.65~3.00，k 降到0.45~0.50时，可提高该差速器的使用寿命。 由于这种差速器结构复杂，制造精度要求高，因而 限制了它的应用。
车轮传动装置受的动载荷较大，单边传动也使其受 较大的载荷。 牙嵌式自由轮差速器的半轴转矩比kb是可变的， 最大可为无穷大。该差速器工作可靠，使用寿命长， 锁紧性能稳定，制造加工也不复杂。
图4—30
牙嵌式自由轮差速器
二、普通锥齿轮差速器齿轮设计 (一)差速器齿轮主要参数选择
1．行星齿轮数n 行星齿轮数n需根据承载情况来选择。通常情况下，轿 车：n=2；货车或越野车 n=4。 2．行星齿轮球面半径Rb 行星齿轮球面半径Rb反映了差速器锥齿轮节锥距的大 小和承载能力，可根据经验公式来确定 (4—31) Rb K b 3 Td 式中，Kb为行星齿轮球面半径系数，Kb=2.5～3.0，对于 有四个行星齿轮的轿车和公路用货车取小值，对于有两个 行星齿轮的轿车及四个行星齿轮的越野车和矿用车取大值； Td为差速器计算转矩(N·m)，Td=min[Tce，Tcs]；Rb为球 面半径(mm)。
Hale Waihona Puke Baidu
按主减速器齿轮强度计算的有关数值选取。 当T0=min[Tce，Tcs]时，[σw ]=980MPa；当 T0=TcF时，[σw]=210MPa。 差速器齿轮与主减速器齿轮一样，基本上都是 用渗碳合金钢制造，目前用于制造差速器锥齿轮的 材料为20CrMnTi、20CrMoTi、22CrMnMo和 20CrMo等。由于差速器齿轮轮齿要求的精度较低， 所以精锻差速器齿轮工艺巳被广泛应用。
强制锁止式差速器可充分利用原差速器结构， 其结构简单，操作方便。目前，许多使用范围比较 广的重型货车上都装用差速锁。
(二)滑块凸轮式差速器 图4—28为双排径向滑块凸轮式差速器。 差速器的主动件是与差速器壳1连接在一起的 套，套上有两排径向孔，滑块2装于孔中并可作径 向滑动；滑块两端分别与差速器的从动元件内凸轮 4和外凸轮3接触。内、外凸轮分别与左、右半轴 用花健连接。当差速器传递动力时，主动套带动滑 块并通过滑块带动内、外凸轮旋转，同时允许内、 外凸轮转速不等。理论上凸轮形线应是阿基米德螺 线，为加工简单起见，可用圆弧曲线代替。
图4—26 普通锥齿轮式差速器 示意图
根据力矩平衡可得 T1+T2=T0 (4—23) T2-T1=Tr 差速器性能常以锁紧系数k来表征，定义为差速 器的内摩擦力矩与差速器壳接受的转矩之比，由下 式确定 k=Tr／T0 (4—24) 结合式(4-23)可得 T1=0．5T0(1-k) (4—25) T2=0．5T0(1+k) 定义半轴转矩比kb=T2／T1，则kb与k之间有 kb=(1+k)/(1-k) (4—26)
行星齿轮节锥距A0为 A0=(0.98~0.99)Rb (4—32) 3．行星齿轮和半轴齿轮齿数z1、z2 为了使轮齿有较高的强度，希望取较大的模数， 但尺寸会增大，于是又要求行星齿轮的齿数z1应取 少些，但z1一般不少于10。半轴齿轮齿数z2在14— 25选用。大多数汽车的半轴齿轮与行星齿轮的齿 数比z2／z1在1．5—2．0的范围内。 为使两个或四个行星齿轮能同时与两个半轴齿 轮啮合，两半轴齿轮齿数和必须能被行星齿轮数整 除，否则差速齿轮不能装配。
3．强制锁止式差速器 当一个驱动轮处于附着系数较小的路面时，可 通过液压或气动操纵，啮合接合器(即差速锁)将差 速器壳与半轴锁紧在一起，使差速器不起作用，这 样可充分利用地面的附着系数，使牵引力达到可能 的最大值。使用中，在汽车进入难行驶路段之前操 纵差速锁锁止差速器；在驶出难行驶路段刚进入较 好路段时，应及时将差速锁松开，以避免出现因无 差速作用带来的不良后果。 对于装有强制锁止式差速器的4x2型汽车，假设一 驱动轮行驶在低附着系数υmin的路面上，另一驱动 轮行驶在高附着系数υ的路面上，这样装有普通锥 齿轮差速器的汽车所能发挥的最大牵引力Ft为