汽車差速器的設計文獻綜述

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汽車差速器的設計 學校代碼：11517 學 號：201250616128 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 文獻綜述 題 目 解放CA1092型汽車差速器的設計 學生姓名 姜穎超 專業(yè)班級 機械設計制造及其自動化1222班 學 號 201250616128 系 （部） 機械工程學院 指導教師(職稱) 楊建偉（副教授） 完成時間 2014年2月26日 汽車差速器的設計 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，通過對差速器的結構、作用和工作原理進行分析，最后確定研究課題使用差速器類型為對稱式圓錐行星齒輪差速器。 關鍵詞：汽車; 差速器; 對稱式圓錐行星齒輪 引言 當汽車轉彎時，由于外側輪有滑脫現(xiàn)象，內(nèi)側輪有滑轉現(xiàn)象，兩個驅動輪就會產(chǎn)生兩個方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然導致兩邊車輪的轉速不同，從而破壞了三者的平衡關系，并通過半軸反映到半軸齒輪上，迫使行星齒輪自轉，使外側半軸轉速加快，內(nèi)側半軸轉速減慢，從而實現(xiàn)兩邊車輪轉速的差異，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一個完內(nèi)，豆子就會自動停留在這個碗的碗底，它自動選擇靜止（動能最小）而不會不斷運動[1]。同樣的，車輪在轉彎時也會自動趨向最低耗能狀態(tài)，自動地按照轉彎半徑調整左右輪的轉速。 1 汽車差速器的發(fā)展歷史 汽車自上個世紀末誕生以來，已經(jīng)走過了風風雨雨的一百多年。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/小時只需要三秒鐘多一點的超級跑車。這一百年，汽車發(fā)展的速度是如此驚人！同時，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為“小零件大功用”。 汽車行駛時，左右車輪在同一時間內(nèi)所滾過的路程往往不等。例如，轉彎時內(nèi)、外兩側車輪行程顯然不同，即外側車輪滾過的距離大于內(nèi)側車輪；即使在平直路面上行駛，由于輪胎氣壓、輪胎負載、胎面磨損程度不同以及制造誤差等因素的影響，也會引起左、右車輪因滾動半徑不同而使左、右車輪行程不等。如果驅動橋的左、右車輪剛性連接，則行駛時不可避免地會產(chǎn)生驅動輪在路面上滑移或滑轉。這不僅會加劇輪胎磨損與功率和燃料的消耗，而且可能導致轉向和操縱性能惡化。為了防止這些現(xiàn)象的發(fā)生，汽車左、右驅動輪間都裝有輪間差速器，從而保證了驅動橋兩側車輪在行程不等時具有不同的旋轉角速度，滿足了汽車行駛運動學的要求；在多橋驅動汽車上還常裝有軸間差速器，以提高通過性，同時避免在驅動橋間產(chǎn)生功率循環(huán)及由此引起的附加載荷，使傳動系零件損壞、輪胎磨損和增加燃料消耗等等[3]。基于以上事實，我選擇了“解放CA1092型汽車差速器的設計”這一課題。 2 差速器的結構分析 2.1 差速器的作用 汽車在直線行駛時，左右車輪轉速幾乎相同，而在轉彎時，左右車輪轉速不同，差速器能實現(xiàn)左右車輪轉速的自動調節(jié)，允許左右車輪以不同的轉速旋轉[4]。汽車差速器是汽車傳動中的最重要的部件之一，它有三大作用：首先是將發(fā)動機輸出的動力傳輸?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，擔任汽車主減速齒輪，在動力傳輸至車輪前將傳動系的轉速減下來，將動力傳到車輪上，同時允許兩側車輪以不同的輪速轉動。差速器對提高汽車行駛平穩(wěn)性和其通過性有著獨特的作用，是汽車設計的重點之一。 2.2 差速器的組成結構 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)動機的動力經(jīng)傳動軸進入差速器，直接驅動行星輪架，再由行星輪帶動左、右兩條半軸，分別驅動左、右車輪。 圖2-1 差速器結構方案圖 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 差速器的結構形式 差速器按其結構特征可分為齒輪式、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稱錐齒輪式差速器，具有結構簡單、質量較小等優(yōu)點，應用廣泛。它可分為普通錐齒輪式差速器、摩擦片式差速器和強制鎖止式差速器。普通齒輪式差速器的傳動機構為齒輪式。齒輪差速器分圓錐齒輪式和圓柱齒輪式兩種[5]。 強制鎖止式差速器就是在對稱式錐齒輪差速器上設置差速鎖。當一側驅動輪滑轉時，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用較廣。 普通的對稱式圓錐行星齒輪差速器由差速器左、右殼，2個半軸齒輪，4個行星齒輪(少數(shù)汽車采用3個行星齒輪，小型、微型汽車多采用2個行星齒輪)，行星齒輪軸(不少裝4個行星齒輪的差速器采用十字軸結構)，半軸齒輪及行星齒輪墊片等組成[6]。由于其結構簡單、工作平穩(wěn)、制造方便、用在公路汽車上也很可靠等優(yōu)點，最廣泛地用在轎車、客車和各種公路用載貨汽車上[7]。查閱汽車設計相關資料，經(jīng)方案論證，解放CA1092型汽車差速器結構形式選擇對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：差速器工作時，行星齒輪繞行星齒輪軸的旋轉稱為行星齒輪的自轉；行星齒輪的公轉：差速器工作時，行星齒輪繞半軸軸線的旋轉稱為行星齒輪的公轉[9]。 汽車直線行駛時，主減速器的從動錐齒輪驅動差速器殼旋轉，差速器差驅動行星齒輪軸旋轉，行星齒輪軸驅動行星齒輪公轉，半軸齒輪在行星齒輪的夾持下同速同向旋轉，此時，行星齒輪只公轉，不自轉，左右車輪和轉速等于從動錐齒輪的轉速。汽車轉彎時，行星齒輪在公轉的同時，產(chǎn)生了自轉，即繞行星齒輪軸的旋轉，造成一側半軸齒輪轉速的增加，而加一側半軸齒輪轉速的降低，兩側車輪以不同的轉速旋轉。此時，一側車輪增加的轉速等于另一側車輪減少的轉速。當將兩個驅動輪支起后，車輪離地，如果我們轉一側的車輪，另一側車輪反方向同速旋轉，這時，差速器內(nèi)的行星齒輪只自轉，不公轉，兩側半軸齒輪以相反的方向旋轉，從而帶動兩側車輪反方向同速旋轉[10][11]。 3 汽車差速器設計方法 汽車后橋差速器圓錐齒輪是汽車重要傳動部件之一，所受載荷大，引起的應力情況復雜。傳統(tǒng)設計計算過程中對齒輪強度的分析是建立在經(jīng)驗公式的基礎上，難以準確反映出其真實的應力及變形分布規(guī)律[12]。目前，國內(nèi)CAE技術在產(chǎn)品早期設計階段的應用相對薄弱，設計后期發(fā)現(xiàn)的任何設計缺陷都可能影響新產(chǎn)品的適時推出，并使產(chǎn)品成本大幅上揚。故在設計活動中引入CAE技術科直接優(yōu)化產(chǎn)品設計流程，分析最新的設計方案，是制造企業(yè)降低成本，擴大市場占有率的一項關鍵性的策略。 4 國內(nèi)外差速器發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀60年代末期，德國的Kasselmann等人試圖將汽車轉向盤與轉向車輪之間通過導線進行連接（即電子轉向系統(tǒng)），但由于當時電子和控制技術等方面的制約，電子轉向系統(tǒng)一直無法在實車上實現(xiàn)。奔馳公司于1990年開始了前輪電子轉向系統(tǒng)的深入研發(fā)，并將它開發(fā)的電子差速系統(tǒng)應用于概念車F400Cvaring上。世界其它各大汽車廠家先后對汽車電子轉向系統(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技術研究所也開發(fā)了自己的電子轉向及電子差速系統(tǒng)，根據(jù)它們的研究和實驗結果，利用電子轉向及差速系統(tǒng)進行差速控制的汽車，在摩察系數(shù)很小的堅實雪地上進行蛇行、移線、側向風實驗中基本按照預定的軌跡行駛，比傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)在路線跟蹤性能上有較大的提高。日本大學和本田汽車公司在汽車電子轉向及電子差速系統(tǒng)方面也做了一些理論工作和模擬器實驗研究[14]。 我國中科院電工研究所電動汽車研究團隊針對電動汽車的電氣驅動技術做了大量的研究，與東風汽車集團合作，研制成功電動汽車概念車和環(huán)保型電動中巴車。又與中科院大連化物所、東風汽車集團合作，研制成功我國第一輛具有自主知識產(chǎn)權的燃料電池電動車。針對雙電機驅動的電動汽車，提出了基于自由輪轉速信息和驅動防滑控制，并分析了汽車轉向中的動力學原理。在Ackeman-Jeantand轉向幾何模型下討論了理想差速過程中車輪驅動/制動轉矩變化應滿足的條件。根據(jù)上述分析提出了一種雙模式轉矩分配電機差速器設計思路。浙江大學電氣工程學院對兩輪驅動輪轂電機的電動汽車系統(tǒng)進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)為控制對象的新型電子差速控制方案，減少了汽車產(chǎn)生滑轉的可能性?？紤]到轉彎時車輪垂直荷載的變化，以使兩驅動輪的附著率相等為目的，并以此為依據(jù)分配兩輪的驅動轉矩，從而使汽車產(chǎn)生滑轉的可能性減到最小，考慮風阻力和輪胎側向力的作用等因素，在給定總功率的輸出下，對汽車的運動狀態(tài)進行了仿真，得出了在轉速和轉角都較大時，轉矩分配比例的變化較大，此時車體運動的離心力產(chǎn)生的側翻力矩起到了決定性作用的結論。同濟大學提供了一種四輪電子差速轉向控制系統(tǒng)，它能保證行駛時各個車輪與地面間保持純滾動狀態(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)出時序擴張，國家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵汽車差速器產(chǎn)業(yè)向高技術產(chǎn)品方向發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)新增投資項目逐漸增多，投資者對汽車差速器行業(yè)的關注也越來越密切，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變，正處于由大到強的發(fā)展階段。在這個轉型和調整的關鍵時刻，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，更強的越野性和安全性是差速器設計的最終目標。 6 總結 與國外相比，雖然我國差速器行業(yè)發(fā)展迅速，但是基本上技術都是源自于美國、德國、日本等幾個國家，我國現(xiàn)有的技術基本上是引進國外的基礎上發(fā)展的，不過目前我國差速器的自主開發(fā)能力仍然很弱，還有待進一步提高，差速器的設計需要將滑轉和拖轉的可能性減到最小。在詳細分析了差速器的機構、作用以及發(fā)展之后，最后確定選擇對稱式圓錐行星齒輪差速器進行設計。 參考文獻 [1] 吉林大學汽車工程系.汽車構造[M].人民交通出版社,2006:1-10. 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