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1、第18卷第3期西安矿业学院学报Vol.18No.31998年9月JOURNALOFXI’ANMININGINSTITUTESept.1998X对称式锥齿轮差速器差速原理的动力分析马骏(西安公路交通大学,西安710054;男,56岁,副教授)摘要通过对汽车驱动轮和差速器行量齿轮的受力分析,阐述了对称式锥齿轮差速器实现差速的动力学原理,以弥补一般教科书只讲差速器的运动特性而忽视其动力学原理分析的不足。关键词差速器运动特性动力分析中图分类号U463.218.3在《汽车设计》和《汽车构造》等课程中,“差速器的结构和原理”均属于其中一部分重要内容。然而,这些教材中只
2、对差速器的原理进行运动学分析,而不涉及动力学原理,从而导致学生只知差速器如何运动,不知什么会这样运动。这样不利于启发学生的深层思维,也不利于培养学生的分析问题和解决问题的能力。本文着重对汽车运动中其驱动轮及对称式锥齿轮差速器的行星齿轮进行受力分析,阐述差速器实现差速的动力学原理。图1(a)为对称式锥齿轮差速器结构原理示意图。差速器壳3与行星齿轮轴5连成一图1差速器运动原理示意图Fig.1Thekinematicprinciplefigureofdifferential(a)差速器结构(b)汽车直线行驶时(c)汽车转弯行驶时1,2半轴齿轮3差速器壳4行星齿轮
3、5行星齿轮轴6主减速器从动齿轮体,构成行星架,因它又与主减速器的从动齿轮6固定连接,故为主动件,设其角速度为X0;半轴齿轮1和2为从动件,设其角速度分别为X1和X2,半轴齿轮中心孔有花链与半轴连接,半轴又与两侧驱动轮固定连接在一起,所以半轴和驱动轮也存从动件。A、B两点分X收稿日期1998204225第3期马骏对称式锥齿轮差速器差速原理的动力分析249别为行星齿轮4与左右半轴齿轮1和2的啮合点,C为星齿轮中心点,A、B、C三点与左右半轴旋传轴线的距离均为r。当汽车在平整路面直线行驶时,行星齿轮随同行星架绕左右半轴轴线公转,显然,处在同一半径r上的A、B、C
4、三点的圆周速度相等(图1(b)),其值为X0r,于是X1=X2=X0,即差速器不起差速作用,左右半轴角速度等于差速器壳3的角速度,左右驱动轮也以同样的角速度运动。当汽车转弯行驶时,行星齿轮除绕左右半轴轴线公转外,还绕本身的轴5以角度角X4自转(图1(c))。啮合点A的圆周速度为X1r=X0r+X4r4,啮合点B的圆周为X2r=X0r-X4r4,C点为圆周速度仍为X0r。这说明汽车两侧半轴和驱动轮借助行星齿轮的圆转实现了以不同的角速度在地面滚动。将A、B两点的圆周速度相加,则有X1r+X2r=(X0r+X4r4)+(X0r-X4r4)简化后为X1+X2=2X
5、0当角速度以每分钟转速表示时,则有n1+n2=2n0此式即为两半轴齿轮直径相等的对称式锥齿轮差速器运动特性方程式。它表明,左右两则半轴齿轮转速之和等于差速器壳转速的2倍,而与行星齿轮转速无关。无论汽车是直线行驶还是转弯行驶,该公式均可成立。差速器的运动特性方程说明了差速器的运动学特性,那么差速器的行星齿为什么会自转而实现差速呢?这就要通过分析驱动轮及差速器行星齿轮的受力情况来研究其动力学特性了。在图1(a)中,由主减速器传来的扭矩M。经差速器壳3、十字轴5和行星齿轮4传给左右半轴齿轮1和2。因为行星齿轮4的中心C到A、B两啮全点的距离相等,即都等于行星齿轮
6、的半径r4,所以行星齿轮相当于一个等臂杠杆,由驱动扭矩M0转化成的差速器壳对行星齿轮十字轴的驱动力P0就会均匀地分配给行星齿界线轮与左右半轴齿轮啮合的两Po个点A、B上,即A、B两点多分配到的驱动力(图2(a))。因为左右半轴齿轮半径也相21等,A、B两点的驱动力必然会分别对左右半轴齿轮施加一个等量力矩,即Mo。当差速器2有良好的润滑条件时,行星齿轮自转造成的摩擦力矩很小,对A、B两点的半轴齿轮驱动1力矩Mo造成的影响可以忽略不计。在这种情况下,无论行星齿轮有自转还是无自转,都2可以认为差速器将扭矩Mo等量地分配给了左右半轴齿轮和驱动轮。这就是差速器的扭矩
7、分配特性。这里需要强调的是等量分配扭矩的根本原因在于行星齿轮是一个等臂杠杆,而左右半轴齿轮半径又相等。设由主减速器传来的驱动扭矩Mo,经差速器、左右半轴齿轮和半轴传给了左右驱动轮,使左右驱动轮按扭矩分配特性获得了一个相等的驱动力矩Mt,忽略其间的传动摩擦1损失后,Mt=Mo。2当汽车在平整路面沿直线滚动行驶时,忽略其滚动阻力,驱动力矩Mt在左右两驱动轮轮缘对路面施加一个周缘力Fol和FoR,因两驱动轮半径相等,所以Fol=FoR=Fe;而路250西安矿业学院学报1998年面对左右驱动轮也会产生一个大小相等、方向相反的地面切向反作用力Ftl和FtR,同理,F
8、tl=FtR=Ft(图2b)。Ftl和FtR分别通过左右半轴和半轴
