防滑差速器设计教程

汽 车 设 计 合肥工业大学汽车教研室 马恒永 防滑差速器设计 9.4.4 防滑差速器设计 、 防滑差速器与汽车防滑控制系统 、防滑差速器 结构形式与应用 、防滑差速器 性能评价指标与计算 、差速器 壳体有限元分析 1、防滑差速器与汽车防滑控制系统 普通 差速器 差速器是汽车驱动桥中的重要部件，其主要功能是使驱动桥的 左、右驱动轮具有汽车行驶运动学所要求的差速，并将动力分配给 左、右驱动轮。但 普通差速器的 “ 差速不差扭 ” 即等转矩分配性能， 却严重影响了汽车的通过性、牵引性和行驶安全性。 为了克服普通差速器的缺点，改善汽车的通过性、牵引性和行 驶安全性一般采用 强制锁止式差速器 和 防滑差速器 ；为了更好地 提 高汽车动力性和行驶安全性能，发展了 汽车 防滑控制系统 。 强制锁止式差速器 普通差速器差速锁 防滑差速器 差速器自锁防滑结构 汽车 防滑控制系统 制动防抱死系统 (ABS)和驱动 防滑系统 (ASR)的统称，有简称 ABS/ASR。 强制锁止式差速器 强制锁止式差速器 普通差速器差速锁 必要时将差速器锁止，令其不起差速器作用 。 结构简单、易于制造；但往往要停车挂锁或脱锁， 操作不便，当在好路段行驶时如未及时脱锁则将产生 无差速器的一系列问题。 强制锁止式差速器 典型结构： P365, 图 9-82, 83 防滑差速器 防滑差速器 差速器自锁防滑结构 防滑差速器 是一种 能克服 普通差速器 等转矩分配 的缺 点，并同时具有普通差速功能的差速器。 当汽车左、右驱动轮在不同地面附着条件下行驶时， 防滑差速器 可以设法 （自动或通过控制） 使 大部分转矩甚 至全部转矩分配给附着条件相对比较好的一侧驱动轮 ，从 而改善了汽车的通过性、牵引性和行驶安全性。有称 自锁 差速器 、 限滑差速器。 防滑差速器工作原理 慢速侧 快速侧 汽车防滑控制系统（ ABS/ASR） 汽车防滑控制系统 驱动防滑系统 (ASR)和制动防 抱死系统 (ABS)的统称，有简称 ABS/ASR。 驱动防滑系统 汽车驱动过程中防止驱动车轮发生滑转的控制系统称为 驱动防 滑转系统 (Acceleration Slip Regulation)， 简称 ASR。 它是通过调节 驱动车轮的牵引力实现驱动车轮滑转控制的 ， 所以也被称为 牵引力 控制系统 (Traction Control System)， 简称 TCS。 ASR可以利用已有 的 ABS和发动机电子控制系统 来实现 ！ 防滑控制系统应用 一般首先是装备 ABS（ 国外轿车和轻型货车几乎 100%） ，而 后装备 ABS/ASR；在大型客车和货车上， ABS也在迅速地普及，有 些也装备了 ASR 。目前国外有形式多样、价格档次不同的多种防滑 控制系统，可供不同档次的汽车进行选择装备。 2、防滑差速器结构形式及其应用 防滑差速器结构形式及其应用 结构形式 锁紧系数 评价与应用 普通差速器 1.1 1.5 等转矩分配 ？ 强制锁止式 简单，操作不便 ？ 越野、重型车用 高摩擦式 5 结构简单、工作平稳、工艺继承性好 轿车、轻型车用 3 6 结构复杂、制造要求高、磨损大 ？ 蜗轮式 6 9 全轮驱动轴间与非转向驱动桥轮间 牙嵌式 传递转矩有脉动 ？ 中、重型车用 滚子式 接触应力大 ？ 越野车、轻型车用 1.31.5 P379 摩擦片式 预压弹簧式 滑块凸轮式 蜗 轮 式 自由轮式 变传动比式 摩擦片（盘）式防滑差速器 F1 行星齿轮半轴 齿轮啮合 轴向力 F1 利用主从摩擦片（盘）间 相对滑转产生大的内摩擦力矩 摩擦片（盘）式防滑差速器 行星齿轮轴差速器壳压力盘 形槽 F1 行星齿轮半轴 齿轮啮合 轴向力 F2 行星齿轮轴差速器壳压力盘 形槽 压力 F1 F1 F1 F2 F2 F2 弹簧预压 摩擦片（盘）式防滑差速器 利用预压紧弹簧压紧摩擦片（盘）产 生大的内摩擦力矩 圆柱螺旋弹簧增载式 车桥厂样品 F3 F3 F3 F1 F1 F1 F1 行星齿轮半轴 齿轮啮合 轴向力 F3 弹簧 压紧力 弹簧预压 摩擦片（盘）式防滑差速器 弹簧 、 行星齿轮轴压力盘 形槽 F1 行星齿轮半轴 齿轮啮合 轴向力 F2 行星齿轮轴差速器壳压力盘 形槽 F3 弹簧 压紧力 F3 F1 F2 圆柱螺旋弹簧增载式 弹簧预压摩擦式 卸载式 F1 行星齿轮半轴 齿轮啮合 轴向力 F2 弹簧 压紧力 F1 F2 碟形弹簧卸载式 弹簧预压摩擦式 卸载式 F1 行星齿轮半轴 齿轮啮合 轴向力 F2 弹簧 压紧力 F2 碟形弹簧卸载式 猎豹 弹簧预压式防滑差速器 圆柱螺旋弹簧 碟形弹簧 利用预压紧弹簧压紧摩擦片 或锥面产生大的内摩擦力矩 江苏 -50拖拉机 防滑差速器 车桥厂 防滑差速器样品 弹簧预压式防滑差速器 圆柱螺旋弹簧增载式 碟形弹簧卸载式 利用预压紧弹簧压紧摩擦锥面产 生大的内摩擦力矩 弹簧预压摩擦片式防滑差速器 利用预压紧弹簧压紧摩擦片 产生大的内摩擦力矩 江苏 -50拖拉机 车桥厂样品 滑块凸轮式防滑差速器 凸轮套 滑块 利用滑块与凸轮套之间 产生大的内摩擦力矩 蜗轮式防滑差速器 蜗轮式防滑差速器 托森式防滑差速器 奥迪 80/90轿车轴间差速器 丰田 Celica Gt-Four轮间差速器 利用蜗轮蜗杆副的螺旋角与摩擦角产生大的内摩擦力矩 牙嵌式自由轮防滑差速器 控制闭锁式防滑差速器 防滑差速器与方向盘联动 （液压或电控操纵） 各种摩擦式防滑差速器性能 T TL TH 摩擦片式 弹簧预压式 弹簧预压摩擦片式 普通差速器 汽车的传动装置 预压量 增载式防滑差速器性能 普通差速器 拖拉机及类似车辆传动系 弹簧预压 摩擦片式 (增载式 ) 转矩增值量 r=1 TL Td 卸载式防滑差速器性能 普通差速器 拖拉机及类似车辆传动系 弹簧预压式 （卸载式） 转矩增值量 r=1 TL Td 3、防滑差速器性能评价指标与计算 防滑差速器 锁紧系数和扭矩分配系数 差速器效率和差速器传动效率 摩擦式 防滑差速器性能 防滑差速器内摩擦力矩 Tr r=F f Rf Z F 作用与摩擦表面的压力，以产生内摩擦力矩。防滑 差速器的结构型式不同， F力的构成不同！ 防滑差速器锁紧系数 与转矩分配系数 定义 按 汽车工程手册（设计篇） 、 拖拉机设计手册 、 汽车构造 等定义： =T2 T1 （ k =Tr T0 =（ T2 T1） T0， ） =T2 T0 （ kb= T2 T1 ， k=Tr T0， ） 防滑差速器锁紧系数与转矩分配系数 王望予 汽车设计 等 防滑差速器效率 0 0 =T1 T2=1 K 防滑差速器传动效率 =（ T1n 1 T2n 2）（ T0n 0） 防滑差速器效率与传动效率 0 =（ T1n1） /（ T2n2） （按 拖拉机设计手册 定义） 各种摩擦式防滑差速器性能 T TL TH 摩擦片式 弹簧预压式 弹簧预压摩擦片式 普通差速器 汽车的传动装置 预压量 增载式防滑差速器性能 普通差速器 拖拉机及类似车辆传动系 弹簧预压 摩擦片式 (增载式 ) 转矩增值量 r=1 TL Td 卸载式防滑差速器性能 普通差速器 拖拉机及类似车辆传动系 弹簧预压式 （卸载式） 转矩增值量 r=1 TL Td 摩擦片式防滑差速器 性能计算方法 F1 行星齿轮半轴齿轮啮合轴向力 F2 弹簧压紧力 无预压机构摩擦式（ F1） F2 F2 F1 F1 F1 弹簧预压摩擦式（ F1, F2） F 作用与摩擦表面的压力计算 行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽 （ F1， F3） F1 行星齿轮半轴齿轮啮合轴向力 F3 行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽压力 F1 F1 F1 F3 F3 F3 弹簧预压 、 行星齿轮轴压力盘形槽 （ F1， F2， F3） F1 行星齿轮半轴齿轮啮合轴向力 F2 弹簧压紧力 F3 行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽 F2 F1 F3 弹簧预压摩擦式卸载式 （ F1， F2） F1 行星齿轮半轴齿轮啮合轴向力 F2 弹簧压紧力 F1 F2 防滑差速器锁紧系数计算 主动片的摩擦系数 u1=0.150000 行星齿轮与差速器壳及行星齿轮轴的摩擦系数 u2=0.080000 摩擦片的平均摩擦半径 rm=32.400002 摩擦片的衬面数 nm=7.000000 行星齿轮的节锥角 a2=0.583000 半轴齿轮的平均分度圆半径 rh=36.000000 行星齿轮轴与差速器壳接触面的平均摩擦半径 rtc=15.600000 行星齿轮与半轴齿轮的啮合角 a1=0.419000 行星齿轮轴的半径 r0=9.700000 行星齿轮的平均分度圆半径 rc=24.000000 弹簧的预压紧力 Fs=240.000000 能够产生摩擦力的摩擦面数 n=7.000000 可变地面摩擦系数产生的车轮转矩 Tl=720800.000000 计算结果： 防滑差速器的锁紧系数 :2.317224 、防滑差速器壳体有限元分析 差速器壳体有限元分析模型 计算模型 计算载荷 边界约束 差速器壳体有限元 初步分析结果 Ansys有限元 模型 防滑差速器壳体有限元分析模型 UG 3D模型 UG 3D简化模型 防滑差速器壳体有限元分析 载荷工况 三种工况 工况 1：防滑差速器为普通差速器工况 ， 不考虑差速器内摩擦； 工况 2：汽车左侧车轮严重打滑 ， 右侧附着条件好 ， 防滑差速器工 作 ， 考虑差速器内摩擦 ， 右壳承受的转矩较大； 工况 3：汽车右侧车轮严重打滑，左侧附着条件好，防滑差速器 工作，考虑差速器内摩擦，左壳承受的转矩较大。 计算载荷 （ 计算载荷 ） 防滑差速器壳体有限元分析 壳体左 、 右半轴齿轮接触端 面的均布载荷 P1、 P2； 壳内行星齿轮止推端面的均布载荷 P3； 壳体法兰盘螺孔处后桥大齿轮的等效圆周力 FT1； 壳体后桥大齿轮安装孔处大齿轮等效径向均布载荷 P0； 壳体后桥大齿轮安装孔处大齿轮等效轴向力 Fa； 壳体内左、右半轴齿轮端面摩擦力的等效圆周力 FT2 （ 计算载荷 ） 防滑差速器壳体有限元分析 差速器壳左、右轴承轴颈表面均施加了 X、 Y两方向的约束； 差速器壳左半轴轴承安装端面施加一个 Z向约束； 再考虑到差 速器壳体的转矩作用，在行星齿轮轴孔 处加了 Y 向的约束。 （ 边界约束 ） 防滑差速器壳体有限元分析 （ 初步分析结果 工况 ） 应力云图 位移云图 防滑差速器设计计算程序 总体设计 程序功能 防滑差速器性能分析 防滑差速器参数优化设计 差速器锥齿轮、花键、轴承等零件设计计算 程序总体结构 防滑差速器设计计算程序 差 速 器 锥 齿 轮 设 计 计 算 程 序 防 滑 差 速 器 性 能 分 析 程 序 差速器零件设计计算程序 防滑 差 速 器 优 化 设 计 程 序 行 星 齿 轮 轴 计 算 程 序 渐 开 线 花 键 计 算 程 序 差 速 器 轴 承 计 算 程 序 程序总体结构 高摩擦式防滑差速器方案一 行星轮轴形面 增载式 高摩擦式防滑差速器方案二 弹簧预压 增载式 高摩擦式防滑差速器方案三 弹簧预压、行星轮轴形面 增载式 高摩擦式防滑差速器方案四 弹簧预压 卸载式 关于防滑差速器设计方面的文献检索 1、 总装汽车试验场， 几种越野汽车锁止式差速器性能比较 2、 天大、军事交通学院， 轻型越野汽车限滑差速装置选型分析 （从转矩分配系数、附着系数利用率、安全性等方面进行 原理对比分析 ） 3、 华中理工大， 限滑差速器楔角的最优化设计 （摩擦片式防滑差速器 楔角参数优化 ） 4、 太原矿机厂研究所， No-spin防滑差速器技术分析 （强制锁止式差速器、牙嵌式防滑差速器 结构分析 ）