车用粘性限滑差速器设计

题目：车用粘性限滑差速器设计专业：机电一体化技术学生： （签名） 指导教师： （签名） 摘要粘性式限滑差速器是近年来在国外应用比较广泛的一种限滑差速器，但是在我国，这方面的研究开展的并不多，粘性式限滑差速器是对普通差速器的革新与改进，它是在普通差速器基础上附加了限滑装置来限制差速器的滑差，它所传递的转矩随转速差的增大而增大，其对驱动力的分配有一个随路面附着情况变化而变化的自适应作用，这种差速器在左右轮转速差较小时，与普通差速器基本没什么分别，但一旦有转速差产生，它便产生随转速差增大而增大的限滑转矩，甚至将差速器锁死并在转速差减小时自行松开。这一点是机械式限滑装置所无法比拟的从而改善它的转矩分配特性。就是这种特性，使得我们的汽车在转向的时候性能较高。它克服了普通差速器只能平均分配转矩的缺点，大大提高了汽车在双附着系数路面上的动力性和通过性，显著改善了汽车操纵稳定性，有效地提高了汽车行驶主动安全性，是普通差速器的理想替代产品。本文对粘性联轴器的应用和它对汽车性能的影响做了研究和介绍。针对粘性式限滑差速器的工作原理及尺寸结构等方面进行研究，对差速器的尺寸参数进行设计；对行星齿轮，半轴齿轮，半轴的结构尺寸都做了具体的计算,选择和校核。此外，还对花键，密封装置等标准件的型号也做了选择，由此设计出了一款粘性式限滑差速器。关键词：限滑差速器；粘性联轴器；行星齿轮；半轴齿轮ISubject: Viscous limited-slip differential designAbstractViscous-type limited-slip differential applications in foreign countries in recent years a more extensive limited-slip differential, but in our country, this kind of research is not carried out, and viscous-type limited-slip differential is an ordinary differential innovation and improvement of devices, it is based on ordinary differential added limited-slip differential device to limit the slip, the torque transfer it with the speed difference increases, the driving force of the assigned a case with the road attached to the adaptive changes in the role, such differentials in the speed round about the time difference smaller, and ordinary differential were basically nothing, but the speed difference once elected, it will have with the speed difference increases the torque limited-slip, and even differential lock and reduce the difference in speed when the release on its own. This is a mechanical limited-slip device can not be compared so as to improve its distribution characteristics of torque. It is this characteristic of the car allows us to turn to when a higher performance. It can only be overcome by ordinary differential torque distribution of the shortcomings of the average, greatly improving the two-car road adhesion coefficient and the adoption of the driving force, and significantly improve the vehicle handling and stability, which improve the active safety car It is an ideal alternative to ordinary differential products. In this paper, the application of viscous coupling and its impact on vehicle performance and presentation of research done. For viscous-type limited-slip differential and the size of the working principle of the structure of research, the size of the differential design parameters; of planetary gears, axle gears, axle size of the structure have to do a specific calculation, select and verification. In addition, spline, sealing devices, such as standard parts have also done a choice of models, thus the design of a viscous-type limited-slip differential.Keyword: Limited Slip Differential(LSD)； Viscous Couple(VC)；Planetary gear； Half Axle GearII目录1 绪 论 11.1 汽车差速器简介 11.2 差速系统的发展 11.2.1 普通差速系统 11.2.2 锁止式差速系统 21.2.3 限滑差速系统 21.3 粘性式限滑差速器的应用情况 21.4 粘性式限滑差速器对汽车性能的影响 31.4.1 驱动性能 31.4.2 转弯行驶性能 31.4.3 高速行驶稳定性 41.5 粘性式限滑差速器应用于汽车的优势 41.6 本文主要研究内容 52 粘性式限滑差速器的构造及工作原理 .62.1 粘性式限滑差速器 62.1.1 粘性式限滑差速器结构 62.2 粘性联轴器 62.2.1 粘性联轴器的结构 72.2.2 粘性联轴器的布置结构 82.2.3 粘性限滑差速器的工作原理 93 粘性联轴器转矩传递特性的分析 .113.1 粘性联轴器剪切特性的数学模型 .113.2 影响粘性联轴器传递转矩的因素 .123.2.1 硅油对传递转矩的影响 .12III3.2.2 叶片结构对传递转矩的影响 .143.2.3 硅油填充率对传递转矩的影响 .173.3 综合多种影响因素的传递转矩计算模型 .183.4 峰值特性的理论分析 .184 粘性差速器工作过程的温度计算 .204.1 温度分析概述 .204.2 粘性联轴器换热模型的建立 204.3 各部分之间对流换热系数的计算 .214.3.1 硅油与轴的平均对流换热系数 .214.3.2 硅油与壳体的平均对流换热系数 .224.3.3 壳体与外界空气的平均对流换热系数 .234.3.4 轴与外界空气的平均对流换热系数 244.3.5 硅油与端盖的平均对流换热系数 .244.3.6 端盖与空气的平均对流换热系数 254.4 粘性联轴器各部分传热量计算 .264.4.1 粘性联轴器工作过程产生的总热量 264.4.2 硅油通过壳体的传热 .274.4.3 硅油通过左、右端盖的传热 .384.4.4 硅油通过轴的传热 294.4.5 粘性联轴器工作时各部分温度计算 305 差速器的设计和计算 335.1 差速器齿轮的基本参数选择 .335.1.1 齿轮数目的选择 .335.1.2 行星齿轮球面半径 R 及节锥距 A 的确定 .33B05.1.3 行星齿轮与半轴齿轮的选择 .345.1.4 齿轮基本尺寸参数的计算 .35IV5.1.5 压力角 355.1.6 行星齿轮安装孔的直径 及其深度 L .355.1.7 差速器齿轮的其它几何尺寸计算 .365.1.8 差速器齿轮的强度计算 .375.1.9 差速器齿轮的材料 .385.2 半轴的基本参数选择 .395.2.1 半轴的型式 .405.2.2 半轴的设计计算 .41结束语 42致谢 43参考文献 4401 绪论1.1 汽车差速器简介根据汽车行驶运动学的要求和实际的车轮、道路以及它们之间的相互关系表明：汽车在行驶过程中左右车轮在同一时间内所滚过的行程往往是不相等的。最明显的例子是汽车转弯行驶，在转弯时为满足运动学的要求，汽车的外侧车轮的行程总要比内侧的长。另外，即使汽车作直线行驶，也会由于左右车轮在同一时间内所滚过的路面的垂向波形的不同，或由于左右轮胎气压、轮胎负荷、胎面磨损程度的不同以及制造误差等因素引起左右车轮外径不等或滚动半径不相等，而使左右车轮行程不等。在左右车轮行程不等的情况下，如果采用一根整体的驱动轴将动力传给左右车轮，则会由于左右驱动车轮的转速虽相等但行程却不相同的这一运动学上的矛盾，引起某一驱动车轮产生滑转或滑移。其结果不仅会使轮胎过早磨损、无益的消耗功率和燃料以及使驱动轴超载等，而且还会因为不能按要求的瞬时中心转向而使操纵性变坏。此外，由于车轮与路面间尤其在转弯时有大的滑转或滑移，易使汽车在转向时失去抗侧滑的能力使汽车行驶稳定性变坏。为了消除由于左右车轮在运动学的不协调而产生的这些弊病，汽车左右驱动轮间都装有差速器，保证了汽车驱动桥两侧车轮在行程不等时，具有以不同速度旋转的可能性，从而满足了汽车运动学的要求。 为改善汽车的通过性，人们采取了多种措施，其中常用的有两种：一种是普通差速锁；另一种是限滑差速器（Limited Slip Differential 简称 LSD） 。前者要求驾驶员在必要时锁止差速器，采用这种措施的车辆通过性能强，但对车辆转向性能及行驶性、轮胎磨损均有不利影响，且不适合连续使用。另外，也容易分散驾驶员的注意力，影响安全性。但它结构简单，实现方便，所以还是取得了一定应用。后者就是在普通差速器基础上附加一些其它机构来限制差速器的滑差从而改善它的转矩分配特性。尤其兼顾了差速器的转矩分配特性与转速分配特性。1.2 差速系统的发展差速系统的发展大致经历了三个阶段：1.2.1 普通差速系统1普通差速系统是行星齿轮组结构。主动轮是行星架，被动轮是两个太阳轮。直线行驶时，普通差速系统传递给两个半轴的扭矩相同。如果一个驱动轮悬空，另一个有附着力的驱动轮会丧失驱动力；如果传动轴加速转动，有附着力的驱动轮的驱动力等于悬空车轮的角加速度和转动惯量的乘积。轮胎不打滑时，差速系统连接两个半轴的扭矩方向相反，内侧车轮提供驱动力，行星架和内侧的太阳轮之间的等速传动变成了减速传动。这种差速系统仅适合于在铺装路面上行驶。1.2.2 锁止式差速系统锁止式差速系统通过一定的机械结构把差速系统锁死，实现两个半轴的同步转动，有机械、电动、气动三种形式。这种差速系统在路况较差时能提供最大的驱动力，但转向困难，单车轮可能承受发动机的全部扭矩而扭断半轴，因此只适用于低速行驶在非铺装路面上，否则会导致转向失控。1.2.3 限滑差速系统限滑差速系统由普通差速系统改进而成，是目前使用最多的差速系统。按控制方法可分为三类：（1）人工控制式通过手动操作改变中间差速器或半轴差速器的扭矩分配比，有机械、电动、液压或气压等控制形式；（2）主动控制式利用各种传感器收集动态参数和信息，经电子控制单元处理后发出指令，实现牵引力控制，性能虽然理想，但成本较高；（3）被动控制式分为转速差感应式和扭矩感应式两类。转速差感应式利用硅油的粘度产生限滑转矩，在转速差较大时，输出限滑转矩。主要有牙嵌自由轮式和粘性联轴节差速器。扭矩感应式在传统的差速系统上增加了摩擦片、滑块、离合器或蜗轮蜗杆等机械装置。1.3 粘性式限滑差速器的应用情况车用粘性联轴器最早出现于 1973 年，英国 GKN 公司首先应用福格森专利设计了用于轴间差速器的粘性联轴器。1979 年，美国克莱斯勒公司在“EAGLE”汽车上首先应用，并且在美国生产。1985 年，德国的 VOLKSWAGEN 公司和 STERDAIMLER PUCH 公司联合研制的“TRAPROTER”汽车，把粘性联轴器布置到传动轴上，并申请了专利。从那时起，粘2性联轴器广泛应用到汽车传动系上。1987 年，日本富士重工和本田公司先后推出了具有轮间和轴间限滑差速器双重功能的粘性联轴器（TWIN VISCO） 。粘性联轴器在日本和欧州汽车行业迅速地生产和发展。其应用也越来越广泛，不仅用于四轮驱动汽车的轴间差速器，而且还用于二轮驱动汽车的轮间差速器。最初的粘性式限滑差速器多用在越野车或工程机械上，但随着人们出行和运输的需要，人们对汽车性能的要求也越来越高，粘性式限滑差速器的应用日益广泛，装车率也迅速提高。当前，越来越多的越野车，跑车，高级轿车及大货车，开始提供粘性式限滑差速器作为选装件。这是因为随着人们对限滑差速器认识的深入，人们发现粘性式限滑差速器不仅可以改善汽车在坏路面上的通过性，而且限滑差速器对汽车安全性，操纵稳定性都有很大的改善作用。因此粘性式限滑差速器正在成为人们提高汽车性能的一项新技术。1.4 粘性式限滑差速器对汽车性能的影响1.4.1 驱动性能在左右路面的摩擦系数不同时，限滑差速器产生的限滑转矩越大则驱动性能越高，另一方面由于限滑转矩增加了汽车的驱动力，驾驶员的转向修正量增加。即使在一般的冰雪路面上，由于左右车轮的路面附着系数和轮胎的接地负荷不一定相等，只要不进行粗暴的加速踏板操作，也会得到较大的限滑转矩。在冰雪坡路上行驶时，限滑转矩越大，车辆的总驱动力越大，爬坡的距离就越长越大。1.4.2 转弯行驶性能（1）定圆转弯性能。在汽车进行定圆转弯行驶时，限滑差速器由于两车轮有转速差而输出限滑转矩。因此内轮的驱动力比外轮驱动力大，因而实现一个与转弯方向相反的横摆力矩。故汽车的不足转向的倾向增强。（2）加速转弯性能。汽车由定圆转弯状态加速，因为在侧向加速度很大时，转弯的内轮接地负荷减小，所以滑转率上升，内轮的驱动力达到顶点。此点成了装置普通差速器车辆的加速极限。而对装有LSD的车辆即使转弯车辆的内驱动轮的驱动力达到极限后仍可靠外驱动轮产生一定驱动力，因此能继续加速。一般轿车用的LSD不仅能提高车辆转弯时的加速度极限，而且极限附近的横摆角速度变化平稳。另外，在靠操纵加速踏3板控制车身姿势的行驶中，使用能够产生与操纵加速踏板成正比的，且无时间滞后的限滑转矩的转矩感应式限滑差速器可得到理想的驾驶感觉。（3）摆头性能。若在侧向加速度大的转弯中放开加速踏板，由于减速而产生的质心前移，使前后轮的侧向力平衡发生变化，即横摆角速度增加，产生所谓摆头现象。其摆头的程度因车辆和轮胎的各困素、行驶条件等而不同，而LSD具有抑制此摆头的效果。此时它在左右轮上产生抑制车辆横摆角速度增加的横摆力矩。1.4.3 高速行驶稳定性汽车在高速行驶时，一般驱动力较小，所以容易受到外部干扰。对于由外部干扰等施于车辆的力矩有抵消作用。从而使装置LSD的车辆在转向响应特性方面，横摆角速度增益降低，相位滞后减少。横摆角速度、横摆角加速度、转向修正角在有限滑转矩时的值都变小了，显示了稳定性的提高。左右轮的驱动转矩不平衡抑制了车辆横摆角速度的增大。对于高速稳定性而言，采用在小转速差区域内能产生某种程度限滑转矩的LSD较为理想。由上述内容可见，粘性式限滑差速器是一项提高汽车性能的重要新技术。要实现粘性式限滑差速器在整车上的应用，就要准确确定粘性式限滑差速器在装到整车时的转矩输出特性。实现粘性式限滑差速器工作特性的准确计算及分析其对整车性能的影响，是实现粘性式限滑差速器实用化的重要一环。由此可见开展粘性式限滑差速器转矩传递特性的研究是很有必要的，它将推动粘性式限滑差速器在汽车上的广泛应用。1.5 粘性式限滑差速器应用于汽车的优势装普通差速器的汽车若有一个驱动车轮打滑空转，这时汽车就会失去驱动能力。而装有粘性式限滑差速器的汽车传递的转矩随转速差的增大而增大，其对驱动力的分配有一个随路面附着情况变化而变化的自适应作用，这种差速器在左右轮转速差较小时，与普通差速器基本没什么分别，但一旦有转速差产生，它便产生随转速差增大而增大的限滑转矩，甚至将差速器锁死并在转速差减小时自行松开。这一点是机械式限滑装置所无法比拟的。从限滑差速器对汽车燃油经济性能的影响角度来说，汽车装粘性式限滑差速器比汽车由于增设机械式限滑差速器所增加的油耗要小得多。在前驱动中，由于前轮要进行转向，所以两前轮绝对不能锁死或差速困难，所以机械式限滑差速器是不能满足这4种要求的，而粘性式限滑差速器的限滑转矩是随转速差增大而增大的，在低转速差时，它的限滑转矩是很小的，能满足汽车转向要求。另外粘性式限滑差速器应用于轮间差速器时能明显减少汽车急转弯时左右轮之间的滑转，提高轮胎寿命并能使汽车在这种情况下仍有一定驱动力存在，保持汽车的可控性从而提高汽车的安全性。随着粘性联轴器的实用化，极大地推动了汽车行业的发展。总的来说，粘性联轴器具有下述几个优点：1.在不利的道路情况下，根据车轮滑转情况和道路情况，自动地分配驱动扭矩，保证汽车有良好的牵引性和加速性，同时也减少了滚动阻力和燃料耗；2.在操作上没有任何附加操作，驾驶员无需熟悉新的操作系统；3.转向性能表现为“中和”状态，前轮驱动会因转向不足，偏离了弯道，轮驱后动则会甩尾，而四轮驱动可由各个轮子的动力自动分配，就不会存在上面问题，从而提高了转向性和操作稳定性；4.起到差速的作用，从而很大程度上消除了功率循环；5.在传动系统中不会出现过载现象；6利用粘性联轴器中硅油的阻尼作用，可在一定程度上消除传动统中的振动，减轻动力传递中的刚性冲击；7.结构简单，制造方便，成本低。1.6 本文主要研究内容本文的主要内容是研究粘性式限滑差速器的工作原理及其结构设计和计算。以此为目的，从理论和设计计算两方面出发，在前人研究成果基础上进一步研究了以下主要内容：（1）差速器的简介及其粘性式差速器应用于汽车上的优势；（2）粘性式差速器的结构及其工作原理；（3）粘性联轴器转矩传递特性的分析计算；（4）硅油工作过程的温度分析计算；（5）粘性限滑差速器零部件的设计和计算。52 粘性式限滑差速器的构造及工作原理2.1 粘性式限滑差速器2.1.1 粘性式限滑差速器结构粘性式限滑差速器是在普通差速器的驱动桥主要结构及零部件不变的前提下设计而成。设计采用壳式布置，联轴器的工作腔与差速器的腔用密封隔盘隔开，以防止联轴器中的硅油渗透到差速器腔内。联轴器的外叶片通过花键与差速器壳体相连，内叶片通过花键与半轴上的花键套相连，内外叶片之间有隔环相隔，以限制差速器的锁止。在主动片与从动片之间设计有隔环，以防止峰值现象的产生。主动片通过外花键与差速壳上的内花键相联，从动片通过其内花键与花键轴相联接，在主、从动片之间填充有硅油。它的输出限滑转矩与硅油的粘度和填充率等有关。其结构如图2-1所示：1-垫片；2-差速器左壳；3-止推垫片；4-双唇口密封圈；5-密封胶垫；6-行星齿轮垫片；7-行星齿轮轴；8-行星齿轮；9-半轴齿轮；10-止推垫片；11-差速器右壳；12-花键轴套；13-双唇口密封圈；14-密封胶圈；15-密封圈；16-隔盘；17-花键轴；18-从动片；19-隔环；20-主动片图2-1 粘性式限滑差速器结构图2.2 粘性联轴器62.2.1 粘性联轴器的结构粘性限滑差速器的核心部件是粘性联轴器，是基于液体粘性传动技术的传动部件。利用硅油的阻尼作用，降低传动系统中的振动，减轻动力传递中的刚性冲。其基本结构如图 22 所示：粘性联轴器由壳体 4，前传动轴 1，后传动轴 5 及交替排列的内叶片3（花键轴传力片） ，外叶片 6（壳体传力片）及隔环构成。内叶片通过内花键与后传动轴 5 上的外花键连接，外叶片通过外花键与壳体 4 上的内花键连接，外叶片之间置有隔环，以限制外叶片的轴向移动。隔环厚度决定内、外叶片间的间隙。内、外叶片上还加工有孔和槽，以利于硅油的流动。粘性联轴器在密封空间内，注满高粘度的硅油。前传动轴 1 通过螺栓与壳体 4 联接，并与外叶片一起组成主动部分，内叶片 3 与后传动轴 5组成从动部分，主、从动部分靠硅油的粘性来传递转矩，从而实现前后轴间的差速和转矩重新分配。1.前传动轴 2.传动毂 3.内叶片 4.外壳 5.后传动轴 6.外叶片图22粘性联轴器结构图粘性联轴器的结构与多片摩擦离合器结构类似，只是其主、从动叶片在多数情况下不接触，存在间隙，在间隙中充满了高粘度的硅油，动力依靠硅油的粘性剪切阻力传递。壳体中有两组钢制叶片，一组叶片以花键方式与轴的外花键联接，另一组叶片也以花键7方式联接在壳体的内花键上。从原理上说粘性联轴器是双向传递转矩的，即任意一组叶片均可作为主动叶片，但一般以与壳体内花键相连接的一组叶片作为主动叶片。主动叶片通过剪切硅油产生剪切力带动被动叶片转动。在壳体内部充填的高粘度流体（一般是硅油）的充填量要比壳体的容积小一些，一般要残留一些空气。它一般占壳体内部体积的10%20%。叶片的厚度大约为0.5mm1mm，片间间隙大约为0.10.3mm，主、被动叶片均可沿着轴和壳体上的花键自由移动。动力的传递主要依靠油膜的剪切作用。硅油的粘度大约在6000100000cs之间。一般主动叶片上开有孔，被动叶片上开有径向槽。2.2.2 粘性联轴器的布置结构在粘性式限滑差速器中，粘性联轴器的布置多采用两种布置结构，如图2-3中a所示为壳式布置的轴壳式结构，b所示为轴式布置的轴轴式结构。当把粘性联轴器布置在差速器壳体之内时，可把壳体的一部分作为粘性联轴器的壳体，这种方法称为壳式布置；把粘性联轴器安装在半轴上的布置方案称为轴式布置。图2-3 （a）壳式布置 （b）轴式布置在壳式布置中，粘性联轴器的输入、输出转速差为左右车轮的转速差的一半，传递的转矩较小，限制左、右车轮差速转动的作用较弱，一般常用于转向轮间的差速器。这种布置方法对差速器空间的要求较小。在轴式布置中，粘性联轴器的输入、输出转速差即为左右车轮的转速差，限制左右车轮差速转动的作用比壳式布置强，可用于非转向轮间差速器，但它要求差速器内部要8有足够的空间。图中的流动线表示分配各车轮的转矩，线的粗细表示分配转矩的比例，箭头方向表示功率流动方向。2.2.3 粘性限滑差速器的工作原理粘性限滑差速器通过主、从动叶片剪切硅油产生的剪切转矩增加了差速器的内摩擦力矩。其传动机理是基于牛顿内摩擦定律。如图2-4所示，在两块平行放置的平板之间充满粘性的流体，设两平板间距即油层厚度为 。下板保持静止，上板以速度v平行于下板运动，板问流体受到剪切。速度不太高时，流体相邻层间的流动状态可看作是相互平行移动的层流，粘附在下板表面上流体分子的速度为零，粘附在上板表面上流体分子的速度为v。为了保持上板恒定的运动速度v，所需要的力F与板的面积A和速度梯度 V(或剪切率)成正比。即：F AV式中：F油层的剪切力：油层的切应力；流体的动力粘度；油层厚度；V两平板的相对速度，或油层的剪切速度；A承受油层剪切作用的面积；9图2-4 平板间流体的内摩擦作用图由此可见，切应力与动力粘度和剪切速度成正比，与油膜厚度成反比。只要结构和参数选取合理，就可设计出传递很大转矩的液体粘性传动装置。当粘性联轴器的结构及硅油粘度确定以后，其切应力对应的转矩与剪切速度对应的转速差成正比。当转速差很小时，它可以允许被动轴与主动轴间有微量的滑转。由于转矩的传递主要依靠两轴间的转速差对油层的剪切作用，所以当主、被动轴间的转速差增大时，油层承受的剪切力就会增大，所传递的转矩也会增加。粘性联轴器有两种工作状态，即：油膜粘性剪切工作状态和“驼峰”工作状态。通常情况下，由于汽车的各轮胎很难保持严格相同的转速，所以粘性联轴器经常处于油膜剪切工作状态，即利用油膜剪切传递动力。轴旋转时，带动与之啮合的内叶片，由于油膜剪切作用产生的扭矩带动外盘片，外叶片将扭矩传到与之啮合的壳体，从而起到传递扭矩的作用。但是在特殊路面条件下，如果一轮打滑失去牵引力，则轮间的转速变得不同，使得联轴器主、从动叶之间出现转速差。这时因摩擦而产生得热量会促使其内部得油气两相工质产生流动，而且联轴器内压力、温度升高，最后在主、从动叶片间形成准刚性连接，进入“驼峰”工作状态，液体粘性联轴器将动力传递给其余车轮，从而实现驱动能力；离开特殊路面后，主、从动叶片之间转速差减小直至无转速差，这是联轴器内部工质得温度、压力会自动降下来，联轴器又恢复到油膜剪切工作状态。因此，粘性联轴器中工质的性能对传递扭矩特性影响也很大。在粘性剪切阶段，随转速差的增大，硅油剪切产生热量增加，内部硅油温度升高，粘性联轴器内部压力增加，硅油膨胀压缩空气。这时大部分空气溶解于硅油，未融解的空气聚集在盘片的外边缘，瞬时填充率增大。在“驼峰”阶段，转速差逐渐接近于零，输出扭矩达到最大。温度逐渐降低，内部压力减小，空气泡膨胀并从硅油中释放，瞬时填充率逐渐下降至原值。因此，气泡的存在有两个重要的作用：1、影响硅油的粘度；2、引起硅油和空气泡在盘片间的流动，内叶片受轴向压力而接近直至贴紧外叶片。粘性联轴器中工作介质硅油中封存一定量的空气，在运行中通过温度与压力的变化改变粘度，所以硅油的初始填充率在很大程度上决定了粘性联轴器的特性。初始填充率即常温常压下充入LVC的硅油体积与LVC内腔容积之比，一般初始填充率在80-95%，空气的11含量对扭矩传递值的大小以及驼峰现象都有着重要的影响。 123 粘性联轴器转矩传递特性的分析粘性联轴器在工作中有两个特性是至关重要的，即剪切特性与峰值特性，也有人称之为峰值现象或驼峰现象。通常工作时起作用的是粘性联轴器的剪切工作特性，当粘性联轴器在大转速差长时间工作时，会出现传递的转矩急剧增加的现象，这时粘性联轴器进入峰值工作特性。3.1 粘性联轴器剪切特性的数学模型在粘性流体力学中，两无限大平行圆盘旋转时，会带动其间的粘性流体运动，产生阻力矩。在这里我们忽略圆盘的边缘效应，即可利用粘性流体力学中的牛顿内摩擦定律来计算粘性联轴器的剪切转矩。图31两平行旋转圆盘传递转矩的计算模型如图31所示是粘性联轴器两叶片传递转矩的简化计算模型，先求出两转动叶片间传递的微量转矩 ：1qTrdrsq 2)(1式中：硅油的运动粘度；s硅油的密度；s工作叶片之间的间隙；13， 内外叶片的角速度；12在壳体内填充硅油时，对叶片内径到外径积分，可求得其传递的剪切转矩为： drnTrsq32)(412sq式中：n内叶片数； = - ；12内叶片外半径；2r外叶片内半径；13.2 影响粘性联轴器传递转矩的因素从以上可看出，粘性联轴器传递的剪切转矩是与多种因素相关的， ，V 是硅油S的物理特性，它是与硅油的温度有很大关系的参数；n，r ，r ,是粘性联轴器的结构12因素，是与联轴器的结构有很大关系；是粘性联轴器的输入转速差，它决定了硅油的剪切率。3.2.1 硅油对传递转矩的影响粘性式限滑差速器依靠液体粘性剪切来传递动力和转矩，其传动机理基于牛顿内摩擦定律。为了实现粘性式限滑差速器的限滑转矩传递特性，对于传动液体的剪切率的特性要有很高的要求。1.硅油良好的物理性质选择硅油作为粘性式限滑差速器传递转矩的工作介质，是因为其具有良好的物理化学性质，归结起来，有如下几方面a.粘度范围广，高至上百万 Cst，低至几百 Cst ;b.粘温特性好，其粘度指数在 170Cst 以上，工作温度高达 ，凝固点低达-C250C 。与矿物油相比，其粘度随温度的升高下降幅度较小；70c.化学性质稳定性好，抗热酸碱，对塑料、橡胶和油漆不起膨化作用；14d.热稳定性好，蒸汽压低，挥发度小，耐高压；e.抗氧化性能好；f.抗剪切性能好；g.常压下，不易溶于其它物质。硅油的另一个重要性能特点是其表面张力低，在 时，甲基硅油的表面张力为 C25，而水为 ,它在金属表面能够迅速蠕动和扩展，利于硅310)26(mN31072mN油在叶片间的流动以及传递转矩的平稳性，但同时给密封带来一定的难度。2.影响硅油特性的因素由于硅油粘度对粘性式限滑差速器的转矩传递特性有很大影响，同时，温度、剪切率对粘度变化也有影响。a温度对硅油的影响粘性联轴器是靠输入输出轴的转速差来工作，因此必然存在损失功率，所以在工作过程中会产生热量使硅油温度升高。随着温度升高其粘度会有所降低，特别是高粘度硅油，其粘度随温度升高下降的要更快。一旦硅油粘度降低，传递的剪切转矩就要减小。硅油温度太高还会使硅油的物理化学性能发生变化，使粘性式限滑差速器失去原有的性能而损坏。所以选择硅油时，要依据粘性式限滑差速器的性能、工作条件及散热状况而定。一般来说，虽然粘度较高的硅油随温度及剪切率的升高下降幅度较小，但当粘度过高( 100000cst)，硅油接近橡胶状，既不易合成，成本较高，又不易填充。并且硅油粘度越高，使用一段时间后，其粘度衰减的程度越大。b. 剪切率对硅油的影响在同样温度条件下，硅油粘度随剪切率的增加而降低。而硅油剪切率 S 随着叶片半径和转速差的增加而增加。可用下面公式表示：S=r( )/其中： r-叶片半径；-传递转速差；-由叶片结构决定的定值此外，图 3-2 也在一定程度上反映了剪切率与硅油粘度关系：15图 32 剪切率与硅油粘度关系曲线3.2.2 叶片结构对传递转矩的影响粘性联轴器是靠主动叶片剪切硅油来传递转矩的，因此对叶片的结构进行分析。1.叶片基本参数分析由于加工方法及材料强度的限制，叶片的厚度不能太厚，而且粘性式限滑差速器传递大转矩时容易发生扭曲现象，以造成叶片破坏，也同样要求叶片不能太薄，相对于叶片外径推荐的叶片厚度见表 3-1:表 3-1 设计用叶片的外径与厚度推荐选用范围由 于叶片会发生接 触摩擦，因而在 选择叶片的材料 时，既要考虑材 料的刚度，又要 考虑材料的叶片外径（mm） 厚度（mm）5080 0.480130 0.40.5130160 0.50.61600.61.016耐磨性，同时还要防止叶片在高温下变形，所以叶片要经过特殊的耐磨材料，推荐采用氮化处理。一般内、外叶片的结构如图 3-3，图 3-4 所示：图 3-3 常见的主动片形状图 3-4 常见的从动片形状叶片的内径 和外径 首先要满足粘性式限滑差速器的结构要求；其次，内外径1d2比 的取值要适当。如果 C 值太小，则叶片的摩擦衬面宽度过大，内外径的的21C圆周速度相差大，滑差时温升差别大，为保证传递的转矩符合要求，势必增加叶片数目，从而增加了粘性式限滑差速器的轴向尺寸。通常兼顾到这两方面，可取 C=0.60.7。粘性式限滑差速器叶片平均间隙的大小受制造工艺水平的限制。如能保证叶片在金属加工，热处理后翘曲度小，则叶片之间自然间隙小，此时叶片平均间隙可取较小值。叶片的翘曲度取决于两断面的平行度，叶片的平面度，叶片平面对轴心线的垂直度以及热处理时的变形量等。一般叶片平均间隙为 0.10.3mm。 2.动片设计时应遵循的原则:a.取从动片的外径与主动片的内径进行计算有效的接触面积。这是因为主动片的外径略大于从动片的外径，而从动片的内径略小于主动片的内径;b.合理选择花键的规格，以保证主、 从动片的外、内花键具有足够的剪切强度17和弯曲强度。3.叶片上孔和槽的设计分析叶片上一般加工有孔和槽，从前面分析可知，采用有孔和槽的粘性式限滑差速器能够传递稳定的转矩，所以通常在外叶片上加工有孔，而在内叶片上加工有槽。在相同的条件下测得的粘性式限滑差速器的转矩特性显示，有孔和槽的叶片传递的转矩要比无孔和槽不宜开得过大，因为粘性式限滑差速器是依靠剪切叶片上附着的硅油来传递转矩的，若孔和槽开得过大，也就是叶片附着硅油油膜的面积变小，则整个粘性式限滑差速器传递的转矩相对变小。故设计时孔和槽的面积约占叶片面积的 25%30%。主从动叶片上孔和槽的主要作用有：a.易于填充硅油。由于填充的硅油一般粘度较高，流动性较差，有孔和槽的叶片能够迅速排出空气，从而较快的填充硅油：b.补偿不对称的热应力，防止热变形。粘性式限滑差速器的工作温度可高达 ,孔C20和槽会降低叶片的热变形；c.防止局部发热。带孔和槽的叶片增加了硅油在叶片间的热量流动，提高了传热效果，从而有效的防止了不均匀的热变形，改善了叶片的扭矩传递特性；d.容纳壳体内部的空气。在粘性式限滑差速器工作时，壳体内部的空气泡主要存在于叶片上的孔和槽内，叶片表面上几乎没有空气e.改善粘性式限滑差速器的转矩特性，增加其最大工作转矩。4.叶片的结构和间距对转矩的影响粘性联轴器的叶片可沿轴向滑动，所以叶片间隙是可变的。粘性联轴器传递的转矩与叶片间间隙成反比。叶片偏离中间理想位置的距离与内外叶片间距的比值称为叶片位置偏移率，它在 40%以下时，传递转矩的数值与叶片处在中间位置时传递的转矩数值的比值较小，当位置偏移率大于 70%时，转矩增加的幅很大如图 35 图 3-5 叶片偏离率对粘性联轴器传递转矩的影响3.2.3 硅油填充率对传递转矩的影响为了防止硅油受热膨胀使密封的壳体内部压力过高，一般在壳体内部封入 5%20%18的空气。硅油的填充率是指硅油填充体积与粘性联轴器内部容积之比。它对粘性联轴器的传递转矩特性有很大影响。粘性联轴器工作时，由于内部温度变化，体积膨胀，密度变小，填充率增加。硅油的瞬时体积为：式中： 硅油的初始体积硅油的体积膨胀系数硅油的瞬时体积硅油的瞬时密度为：粘性联轴器的瞬时填充率为：式中： 粘性联轴器的初始填充率粘性联轴器的瞬时填充率3.3 综合多种影响因素的传递转矩计算模型综合考虑以上因素，粘性联轴器传递的转矩与硅油的温度、剪切率，填充率以及叶片的结构相关。则综合考虑相关因素的粘性联轴器的转矩计算模型为：式中： 硅油装入粘性联轴器时的初始密度；t粘性联轴器工作时硅油的温升；(s,t)硅油的运动粘度，为温度与剪切率的函数；片上孔、槽对应面积所传递的转矩。19这里除粘性联轴器结构因素外，转速差与温度是影响其传递转矩的主要外界因素。确定这三个因素即可确定粘性联轴器的瞬时工作特性。3.4 峰值特性的理论分析粘性联轴器在长时间连续大转速差运转时，随着粘性联轴器产生的热量增加而来不及散发，其温度越来越高，开始时由于硅油粘度降低，剪切转矩有所降低，随后粘性联轴器传递的转矩开始迅速增加，最终发生锁死，这就是粘性联轴器的峰值现象。要准确地对粘性联轴器峰值特性进行分析和计算，弄清楚峰值现象的形成机理是很重要的。学术界对这一点有好几种解释，以至目前对其仍没定论。但比较公认的理论是粘性联轴器工作腔内的空气，在高压下一部分溶解于硅油，而另一部分散布于叶片的孔内（如图 36 所示） ，由于旋转盘片对硅油的推动作用，外盘小孔右半部分变成高压区，左半部分变成低压区，因而气泡流向低压区，由于气泡分布不均，产生的热量不均，因此某些盘片的左右压强不相等，从而使内盘向低压区移动。随着温度增加，硅油体积膨胀，内压不断升高，最后粘性联轴器的内外叶片在高压作用下，发生直接接触，处于一种混合摩擦状态，因而传递很大的转矩。随着压力的继续升高，粘性联轴器的内外叶片同步运转、差速器处于闭锁状态。20图 3-6 粘性联轴器的峰值现象产生过程粘性联轴器发生自锁后，内外叶片不再有转速差，因此热量不会继续产生，硅油温度开始降低，而后，粘性联轴器脱离自锁状态。 214 粘性差速器工作过程的温度计算4.1 温度分析概述从前一章的工作特性分析与计算中可以看出粘性联轴器的工作温度对其转矩传递特性有很大影响。而其工作温度一是受工作环境温度的影响，另一因素就是粘性联轴器在工作过程中自身产生的热量使硅油温度升高。对粘性式限滑差速器来说，粘性联轴器的工作环境温度还是比较稳定的，因此其工作特性主要是受其自身产生的热量的影响。粘性联轴器在工作中有转速差的存在就有损失功率，因此会产生热量，其中一部分热量经叶片、壳体和轴传至外界，即在壳体的内部和外部存在着热量交换。没有传出去的热量将使硅油温度升高，体积膨胀，壳体内部压力升高。当其压力达到一定值时，粘性联轴器传递的转矩就会迅速增加，这就是峰值现象。可见这部分热量对粘性联轴器的工作特性有很大影响。所以只有准确计算粘性联轴器各部分的传热量、确定硅油各时刻的温度，才能准确确定粘性联轴器的工作特性，从而使粘性式限滑差速器的转矩输出特性合乎设计要求。4.2 粘性联轴器换热模型的建立粘性联轴器的结构较复杂，若要计算出粘性联轴器传热过程中各部分的传入与传出的热量，必须把粘性联轴器做一定的简化。如图 41 所示为本文所述的粘性联轴器的简化结构示意图。粘性联轴器吸收的热量在粘性联轴器的 7 个部分之间传递。如图42 是粘性联轴器的传热模型，对这个模型我们做如下假设：（1）忽略壳体与左、右端盖间的导热，即 Q ，Q ,Q ,Q ,Q 均为零。23425354（2）忽略密封件与硅油及与密封部位的导热。（3）把内、外叶片看成是浸在硅油里的金属片。这样我们不考虑叶片与壳体及轴的换热，这部分换热用硅油代替，所以 , 为零。这样叶片就只和硅油进6572行热交换。叶片一般为金属件，是热的良导体，且叶片厚度一般不大于 1mm，所以忽略叶片表面向内部的导热。而粘性联轴器工作时，温度上升的不是太快，所以我们认为叶片与硅油的换热是在有温差的瞬间进行并完成的，也就是说，可以认为叶片与硅油的温度总是相等。22（4）忽略壳体与盖对外界的辐射换热，即壳体、盖与外界的换热是对流换热。（5）认为粘性联轴器各部分的传热是稳态传热过程。图 41 粘性联轴器简化结构图图 图 42 粘性联轴器传热模型4.3 各部分之间对流换热系数的计算流体流过壁面（或另一流体的界面）时，流体与壁面（或另一流体）相互产生的热量传递过程称为对流换热。在对流换热时，通过壁面的热流密度 q 正比于流体与壁面间的温差 t，比例系数 称为对流换热系数。确定换热系数后，即可利用换热系数计算对流换热过程的换热量。4.3.1 硅油与轴的平均对流换热系数设硅油与轴的平均对流换热系数为 ，根据传热学知识有 aSDN1其中： 23上式中： 硅油的导热系数；硅油的运动粘度；硅油的体积膨胀系数；硅油的密度；硅油的定压比热系数；硅油的温度轴的角速度；努谢尔特准则数；雷诺准则数；葛拉晓夫准则数；普朗特数；轴的外径轴的温度；4.3.2 硅油与壳体的平均对流换热系数设硅油与壳体的平均对流换热系数为 ，根据传热学知识有： hisDN2其中： 24上式中： 为壳体的内径；为壳体的温度；壳体的角速度；其他同上；4.3.3 壳体与外界空气的平均对流换热系数设壳体与外界空气的平均对流换热系数为 ，根据传热学知识有：hoADN3其中： 上式中： 壳体外经；壳体外表面温度；空气的温度；空气的热膨胀系数； 空气的运动粘度；25空气的定压比热系数；空气的密度；空气的导热系数；4.3.4 轴与外界空气的平均对流换热系数设轴与外界空气的平均对流换热系数为 ，根据传热学知识有：其中： 上式中: 轴的外径;-轴的外表面温度;4.3.5 硅油与端盖的平均对流换热系数设硅油与端盖的平均对流换热系数为 ，根据传热学知识有：其中: