汽 车 工 程
2003年(第25卷) 第5期Automotive Engineering 2003(Vol. 25) No. 5
2003119
越野汽车变传动比差速器的研究
贾巨民 高 波 乔永卫
(军事交通学院, 天津 300161)
3
[摘要] 提出了一种新型变传动比锥齿轮差速器, , 变化幅度得以显著增大, 从而增大了差速器锁紧系数, 析方法, , , 进而把复杂的球面啮合问题简化成平面啮合问题叙词:, A Study on Variable Ratio Differential for Off 2road Vehicles
Jia Jumin , G ao Bo &Q iao Yongw ei
Instit ute of Military T raf f ic , Tianji n 300161
[Abstract] This paper presents a new type of differential with variable ratio ,which may greatly improve the vehicles ’off 2road capability with little change in structure 1And a novel study method is put forward for non 2circular bevel gear engagement 1The geodesic curvature of the pitch curve on spherical surface is introduced as a medium ,through which the meshing theory ,the design principle ,and the machining technique well developed for planar gearing problems may be applied to spherical ones 1
K eyw ords :Off2road vehicle , V ariable ratio differential ,Locking factor
变传动比差速器的概念很多年前就有人提出
1 前言
越野汽车要经常在泥泞、松软路面甚至无路地区行驶, 通过性是重要的性能指标之一。差速器作为汽车的重要部件, 其作用是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, 其形式与性能直接关系到整车的通过性。
目前, 国外越野汽车普遍采用了高性能差速器, 显著提高了车辆的越野通过性。而我国越野汽车驱动桥还普遍采用对称圆锥齿轮差速器, 其本身不具备防滑功能, 除了部分重型车辆安装了差速锁外, 多
数车辆的越野通过性很差。
差速器锥齿轮副若采用变传动比, 则能在不改变驱动桥总体结构前提下, 依靠变传动比传动的势垒效应增大其锁紧系数, 提高车辆越野通过性。
3教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(2002247) 。
过[1-
3]
, 国内外也进行了研讨, 并在一些车型上得
到了应用。目前存在的问题有两点:一是传动比的变化范围太小, 不足以克服打滑的影响; 二是传动比的变化周期太短, 易产生脉动与冲击。其原因在于现有变传动比差速器的传动比是以齿轮周节为一个变化周期, 其周期太短, 变化幅度太小。为突破上述限制, 即研制一种全新的锥齿轮副, 在行星轮整圈区间内设置其传动比变化规律, 这样可以扩大其数值变化范围, 从而提高差速器的锁紧系数, 同时减小脉动和冲击, 达到汽车越野要求。
2 差速器传动比与锁紧系数
图1所示为对称圆锥齿轮式差速器, 其两半轴齿轮大小相同, 可将转矩大致平均分配给左、右驱动
原稿收到日期为2002年11月18日, 修改稿收到日期为2002年12月30日。
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轮。当汽车在好路上行驶时, 这样的分配无论对于直线行驶还是转弯行驶都是满意的。但当一侧车轮处于附着系数很
小的滑溜地面时, 尽管另一侧车轮与地面有良好
圆锥齿轮差速器的附着, 也无法发挥潜在图1
的牵引力, 致使汽车无法行驶。
于锁紧系数的定义, 接把两侧驱动车轮K b 定义为锁紧系数[1], 即
K =K b =T 2/T 1
(1)
对于没有安装差速锁的汽车, 只能采取其他措
施设法增大差速器的锁紧系数。
为了提高汽车的通过性, 似乎锁紧系数愈大愈好。但是, 过大的锁紧系数不但对汽车转向操纵的轻便灵活性、行驶的稳定性、传动系的载荷及轮胎磨损和燃料消耗等有不同程度的不良影响, 而且在某。因此, 在设, 必须选择恰当的锁紧φmax =017～018(在干燥的柏油或混凝土路面上) , 而最小值φmin =011～012(在开始溶化的冰上) , 附着系数的最大比值为φmax /φmin =8。因此, 为了充分利用汽车的牵引力, 差速器的锁紧系数选定8就已够。而汽车在不好的道路或无路地区的行驶试验表明, 各驱动车轮与地面附着系数不同数值之比, 一般不超过3～4。因此, 选取差速器的锁紧系数K =3～4是合适的。在这种情况下, 汽车的通过性可以得到显著提高, 而其转向操纵等使用性能却并不变坏[1]。
例如, 为某汽车差速器设计的锥齿轮副传动比函数为
i 21=
) ][1-c sin (3φ+
z 22
(5)
另一种则定义为[2]
K =
=
T 2+T 1K b +1
(2)
显然, 前者比较通俗, 后者可能更准确一些。为
与一般文献保持一致, 此文采用前者。
行星齿轮与半轴齿轮传动的传动比函数表示为
δ(3) i 21=d φ2/d φ1=tan 1
φ2为行星齿轮和半轴齿轮转角, δ式中φ1、1为行星
齿轮锥顶角。如不计内摩擦, 则理论锁紧系数为
(4) K =i 21max /i 21min
普通圆锥齿轮差速器结构简单, i 21为常数, 工作平稳, 制造方便, 理论锁紧系数K =1。由于其内摩擦小, 实际锁紧系数也仅有1111～1135。
对于在公路上行驶的汽车, 由于路面较好, 各驱动车轮与路面的附着系数变化很小, 采用上述差速器既简单又可靠。但对于经常行驶在泥泞、松软路面或无路地区的军用越野汽车, 显然远远不够。解决上述问题的途径就是增大差速器的锁紧系数。在重型车上, 一般采用差速锁。当一个车轮处于附着力较小的路面时, 可操纵差速锁将差速器壳与半轴锁紧在一起, 使差速器不起差速作用, 此时K =∞, 这样可充分利用左、右轮的附着力, 使牵引力达到可能的最大值。汽车行驶中驶入难行路段前, 可操纵差速锁将差速器锁住, 驶过难行路段后, 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。正在研制的越野汽车差速锁止机构自动控制系统可根据汽车行驶中各驱动车轮与地面的附着状况, 适时、自动地控制差速锁止机构, 使其锁止或松开, 而无需驾驶员的主观判断与操作, 实现了从人工控制升级为自动控制。
式中z 1、z 2为行星齿轮和半轴齿轮齿数, c 为常数。显然, 理论锁紧系数
K =(1+c ) /(1-c )
(6)
3 啮合原理
如图2所示, 一对锥齿轮的传动相当于一对节锥的纯滚动。锥齿轮转动时, 其上任一点与锥顶的距离保持不变, 所以该点与另一锥齿轮的相对运动轨迹为一球面曲线。因球面不能展开成平面, 设计计算和制造都很困难。
对于定传动比(即圆锥) 齿轮传动, 节锥是圆锥, 球面节曲线为一圆, 齿廓曲线为球面圆渐开线。球面节曲线可以展成平面曲线, 所采用的方法就是在锥齿轮副的大端作背锥。由于背锥面上的齿高部分与球面上的齿高部分非常接近, 可以认为一对直齿圆锥齿轮的啮合近似于背锥面上的齿廓啮合。因圆锥面可展开成平面, 故最终可以把球面圆渐开线简化成平面曲线来进行研究, 然后应用圆柱齿轮的原理进行近似分析。
・500・汽 车 工 程 2003年(第25卷) 第5期
式中 s 为曲线弧长, Ψ0、x 0、y 0可根据边界条件确
定。
仍以上例为例, 求出其当量齿轮节曲线如图3所示。
图2
, 情况则复
杂得多。, 球面节曲线也不再是圆, 根本不存在背锥, 无法直接在平面上展开研究。对于非圆锥齿轮传动, 迄今尚无实用的研究、分析与设计计算方法, 成为这种传动得以普遍推广应用的最大障碍。作者提出一种全新的啮合分析方法如下。
根据微分几何曲面论的基本定理[4], 可以将曲面Σ上一条曲线Г在平面π上近似伸展成为平面曲线Г′, 其中Г在Σ上的短程曲率κ′在平面g 要等于Гπ上的相对曲率κr 。
根据Liouville 公式[4], 曲面上一条曲线的短程曲率为
τκ(7) -cos +sin τg =d s 2G 9v 2E 9u 式中E , G 为曲面的第一类基本量。
对于球面
θ r ={a sin θcos
(8)
0≤θ≤π, 0≤
κθ(9) -cos g =d s d s
式中τ为曲线和经线的交角。
根据平面曲线论的唯一存在定理[4], 如已知某平面曲线在闭区间[s 0, s 1]的相对曲率κr (s ) , 则该曲线可写为
r = r (s ) =x (s ) i +y (s ) j
(10)
s 0≤s ≤s 1
式中
Ψ(s ) =
x (s ) y (s )
图3 球面节曲线在平面上伸展
———当量齿轮节曲线
以当量齿轮节曲线为基础, 就可以借助平面啮
合原理进行非圆锥齿轮传动的齿形、重合度、根切、压力角等有关内容的研究, 其设计与制造原理与技术亦可借鉴。
4 试验结果及分析
按照上述原理, 针对某型号车, 研制了变传动比差速器。设计中, 取c =013, 相应地, 理论锁紧
系数K =11857。图4为样品齿形图, 并已进行了初步试验
。测试结果表明, 其实际锁紧系数达到3以上, 基本能满足汽车越野通过性的要求。
图4 某变传动比差速
器锥齿轮齿形
5 结论
(1) 作为差速器的重要性能指标, 锁紧系数并非
越大越好, 一般以3～4为宜。
(2) 与普通的圆锥齿轮差速器相比, 传动副采用变传动比时, 不用改变其他结构, 就能显著增大锁紧系数, 从而提高汽车的越野通过能力。
(3) 非圆锥齿轮传动由于不存在背锥, 设计与计算非常困难。此文给出了一种非圆锥齿轮副传动的
(下转第427页)
κ(s ) d s +Ψ∫=cos Ψd s +x ∫=sin Ψd s +y ∫
s 0
r s 1s 0
s 1
(11)
s 1s 0
2003年(第25卷) 第5期 汽 车 工 程・427・
表2和表3为传统型BJ 212和混合型BJ 212的模拟仿真结果, 其中图4图5为混合BJ 212部分性能仿真曲线。
表2 BJ 212轻型越野汽车动力性能
项目
测试值
模拟值
最高车速/
-1
989715
最大爬坡度(%)
无拖挂时拖挂800kg [1**********]01
43415
和经济性(油耗由原来的15L/100km 下降到
10167L/100km , 降低了2819%) , 并能使汽车以50km/h 的车速纯电动行驶30km , 使该车具有一定的隐形功能。该车的另一优点是可用作小型户外移动电站, 能更好地适应野外作战的需要。因此, 深入研究混合动力技术在军用汽车上的应用具有更重要的实际意义。
表3 混合型BJ 212越野汽车动力性能仿真
项目
最高车速/
-1
30km/h 最大爬坡度/%
+驱动电机
0-50km/h 0-80km/h
加速性/s 纯电动行驶里程/km
车速50km/h
[***********]17
图5 混合型BJ212加速性能仿真
5 结论
(1) 通过仿真计算, 验证了所开发的四轮驱动模
块在ADV ISOR 平台上运行的可靠性和准确性, 适
应了国内混合动力汽车研究的实际需要。
(2) 文中建立的双轴模块, 原则上也适用于其它混合动力布置形式(如并联式) , 只是在控制策略上有所不同。
(3) 采用类似的方法, 可建立三轴, 四轴混合动力汽车模块。
参考文献
1 曾小华1军用混合动力轻型越野汽车动力总成匹配控制策略研
图4 混合型BJ212纯电动性能仿真
从表2可看出, 模拟值与测试值吻合较好, 说明
所开发的双轴四轮驱动模块能够较好地满足双轴四轮驱动混合动力汽车性能仿真的需要。对比表2、表3与图4、
图5的仿真结果, 可以看出混合动力BJ 212汽车比传统的BJ 212汽车具有更好的动力性
究[D]1长春:吉林大学,2002
2 陈清泉, 孙逢春1混合动力车辆基础[M ]1北京:北京理工大学
出版社,2001
(上接第500页)
啮合分析方法, 以曲面上曲线的短程曲率为桥
梁和纽带, 可将复杂的球面啮合问题简化成平面啮合问题。
参考文献
1 刘惟信. 驱动桥. 北京:人民交通出版社,1987
2 张洪欣. 汽车设计. 北京:机械工业出版社,1989
3 王小椿, 吴序堂 等. 高性能变传动比差速器的研究. 西安交通大
学学报,1990,24(2)
4 吴大任. 微分几何讲义. 北京:人民教育出版社,1982