（机械制造及其自动化专业论文）汽车主减速器性能及其检测方法研究.pdf

摘要 汽车主减速器是汽车传动系中的重要总成，差速器是主减速器总成中的关键 部件，它们的质量和性能对整车的性能有很大的影响。本文以实际工程项目为背 景，根据主减速器产品生产的特点，分析了主减速器的传动性能和振动性能，制 定了典型工况下的检测方案，研制开发出针对上述性能同时又满足工程实践要求 的在线检测系统，对以下方面的内容做了主要的研究： ( 1 ) 介绍主减速器的结构和功能；综述汽车检测技术的国内外研究现状； 分析主减速器传动性能和振动性能的研究现状，对道路试验法和台架试验法两种 方法进行了比较。 ( 2 ) 介绍最常用的对称式行星齿轮差速器的结构、作用和工作原理，列举 主减速器传动性能的评价指标。在此基础上，从摩擦的角度分析差速器内摩擦力 矩的组成，建立内摩擦力矩的计算模型；分析差速器的转矩分配性能，建立两侧 半轴齿轮的转矩分配关系，总结出差速器内摩擦力矩随主减速器输入转矩变化的 规律。对差速器的运动学特性进行分析讨论，探讨典型工况下的差速器传动性能， 建立其动力学模型，同时为传动性能的检测提供理论指导。 ( 3 ) 在对主减速器的结构特点和行驶工况作分析后，建立主减速器齿轮传 动系统耦合振动模型，用经验公式法计算传动系统的主要参数，分析齿轮耦合系 统的固有特性，采用r u n g e k u t t a 数值算法求解在传动误差激励和时变刚度激励 下的主减速器振动特性，研究外部参数对振动性能的影响。对出厂主减速器中齿 轮的故障形式进行分析，并总结其频谱特征。 ( 4 ) 在理论分析的基础上，对主减速器检测系统作了总体分析，包括检测 功能、设计要求和技术参数要求，并在研究四种典型工况的基础上分析检测方案， 制定试验方法。然后分别从总体结构、检测流程、测控系统硬件和软件开发等方 面对试验台进行综合分析，开发出可以在线检测主减速器传动性能和振动性能的 试验系统。文章最后在试验台上对某型号主减速器进行了试验，并对试验结果和 现象进行分析讨论。 关键词：主减速器；差速器；传动性能；内摩擦力矩；振动性能；检测方法。 a b s t r a c t t h ea u t o m o t i v ef i n a l 。d r i v ei sav e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n t so fd r i v es y s t e mo f a u t o m o t i v e ，t h ed i f f e r e n t i a li sak e yc o m p o n e n t so fa u t o m o t i v ef i n a l - d r i v e ，a n dt h e i r q u a l i t i e s h a v eg r e a ti m p a c to np e r f o r m a n c eo fe n t i r ec a l - h a v i n gb a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i co fp r o d u c t i o no ff i n a ld r i v e t h i st h e s i sh a sa n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo f d r i v ea n dv i b r a t i o nw i t hp r a c t i c a lp r o j e c t 勰i t sb a c k g r o u n d t h i sp a p e rh a sa l s o f o r m u l a t e dt h et e s t i n gs c h e m eo ft y p i c a lr o a ds i t u a t i o na n dd e v e l o p e dt h eo n - l i n e t e s t i n gs y s t e mw h i c hc a ns a t i s f yw i t ht h er e q u i r e m e n to fp r o j e c t ，a n ds t u d i e d p r i m a r i l ya sf o l l o w s ： ( 1 ) h a v i n g i n t r o d u c e ds t r u c t u r ea n df u n c t i o no ff i n a l d r i v e ，t h i s t h e s i s s u m m a r i z e dt h er e s e a r c h a c t u a l i t y o f d r i v i n gp e r f o r m a n c e a n dv i b r a t i o n a l p e r f o r m a n c eo ff i n a ld r i v e t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nr o a dt e s t i n ga n dp l a t f c ，r n t e s t i n gh a sa l s ob e e nm a d eb yt h i sp a p e r ( 刁h a v i n gd e p i c t e dt h es t r u c t u r e ，f u n c t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fu s u a l s y m m e t r i c a lp l a n e t a r yg e a rd i f f e r e n t i a l ，t h i s t h e s i sh a sl i s t e dt h e a p p r a i s a b l e p a r a m e t e r so fd r i v i n gp e r f o r m a n c eo ff i n a ld r i v e t h em e t h o do ft r i b o l o g yh a sb e e n u s e dt oa n a l y z ec o m p o s i n go fd i f f e r e n t i a l sf r i c t i o n a lm o m e n ta n de s t a b l i s ht h e c a l c u l a t i o n a lm o d e l 1 no r d e rt os u m m a r i z et h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n t i a l si n n e r f r i c t i o n a lm o m e n ta n dd e f e r e n tt o r q u eo fd i f f e r e n t i a l ，t h i sp a p e rn o to n l ya n a l y z e dt h e t o r q u ed i s t r i b u t i o np e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n t i a l ，b u ta l s oe s t a b l i s h e dt h ec o r r e l a t i o no f t o r q u ed i s t r i b u t i o no fa x l es h a f t sg e a r s h a v i n gd i s c u s s e dt h em o t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c o ff i n a ld r i v e ，t h i sp a p e rh a sa l s op r o b e dt h ed r i v i n gp e r f o r m a n c eo ft y p i c a lv i a t i c s i t u a t i o na n de s t a b l i s h e di t sm o t i o n a lm o d e lw h i c hc a ng i v et h e o r e t i cg u i d e l i n ef u r t e s to f d r i v i n gp e r f o r m a n c e ( 3 ) h a v i n gm a d eh y p o t h e s i so nt h es t m c t u a lc h a r a c t e r i s t i ca n dw o r k i n gs i t u a t i o n ， t h i st h e s i sh a se s t a b l i s h e dc o u p l i n gv i b r a t i o n a lm o d e lo ff i n a ld r i v e sg e a rd r i v i n g s y s t e m e m p i r i c a lf o r m u l aw a su s e dt oc a l c u l a t et h em a i np a r a m e t e r so fd r i v i n g s y s t e ma n da n a l y z et h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i co fg e a rc o u p l i n gs y s t e m r u n g e - k u t t a n u m e r i ca r i t h m e t i cw a su s e dt oc a l c u l a t ef i n a ld r i v e sv i b r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i cu n d e r t h ep o w e ro fd r i v i n ge r r o ra n dv a r i o u sr i g i d i t ya n da n a l y z et h ee x t e r n a lp a r a m e t e r s i n f l u e n c eo nv i b r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c m a l f u n c t i o n sf o r m a to ff i n a ld r i v e sg e a r sh a s b e e na n a l y z e dt os u m m a r i z ei t sf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c ( 4 ) h a v i n gb a s e do ht h ep r e v i o u st h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h i st h e s i sh a sm a d e o v e r a l la n a l y s i so nt h et e s t i n gs y s t e mo ff i n a ld r i v e t h e s ea n a l y s i si n c l u d et e s t i n g f u n c t i o n ，d e m a n do fd e s i g na n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r r e s e a r c ho i l4k i n d so ft y p i c a l v i a t i cw a su s e dt oa n a l y z et e s t i n gs c h e m ea n dt e s t i n gm e t h o d s i no r d e rt od e v e l o pt h e t e s t i n gs y s t e mw h i c hc a nt e s tt h ed r i v i n gp e r f o r m a n c ea n dv i b r a t i o n a lp e r f o r m a n c eo f f i n a ld r i v eo n - l i n e ，c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sh a sb e e nm a d eo nt h et e s t i n gp l a t f o r m f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fo v e r a l ls t r u c t u r e ，t e s t i n gf l o wa n dd e v e l o p m e n to ft e s t i n g s y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a v i n gb a s e do nt h et e s to fc e r t a i nt y p eo ff i n a l d r i v e ，t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e da n da n a l y z e dt h er e s u l ta n dp h e n o m e n ao ft e s t k e y w o r d s ：h n a ld r i v e ；d i f f e r e n t i a l ；d r i v i n gp e r f o r m a n c e ；i n n e rf r i c t i o n a lm o m e n t ； v i b r a t i o n a lp e r f o r m a n c e ；t e s t i n gm e t h o d s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：团磊 签字日期：zc ，口7 年7 月1 1 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘茎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名：田磊 签字日期：珈刃年罗月1 、日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：手唠 9 局胛 ， 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 随着工业和国防现代化的发展，无论对公路运输还是非公路运输的车辆都提 出了更高的要求。近年来，在交通建设和物流增长的推动下，中国的汽车市场进 入空前繁荣的时期。由于汽车的重型化和高速化，不仅对整车性能提出了更高的 要求，对汽车主减速器的性能要求也相应提高。 汽车主减速器具有产量大、品种多，对产品性能、寿命、质量和成本等方面 要求高的特点，因此，即使在设计和制造时考虑得很周密，也都必须通过试验来 检验。通过试验可以检验设计思想的正确与否，设计意图能否实现，设计产品能 否满足使用要求以及是否达到国家标准、行业标准或者企业标准。由于汽车的工 作条件复杂，汽车所涉及的技术领域极为广泛，许多理论问题研究得还不够充分， 因此，汽车试验技术在汽车工业中有着极为重要的作用。汽车试验是帮助人们深 入了解汽车及其零、部件在实际工况中各种故障的本质及其规律，是推动汽车技 术进步的极为重要的方法，是保证产品性能、提高产品质量和市场竞争力的重要 手段。 汽车生产过程中的检测技术，作为现代制造技术的重要组成部分，是监督控 制生产过程和产品质量的重要手段。汽车生产过程的检测不仅可以准确的判断这 些质量性能指标和工艺技术参数是否达到设计要求，更重要的是通过检测数据的 分析处理，能够正确判断这些性能指标和技术参数失控的状况和产生的原因。一 方面可以通过检测设备的信息反馈，对工艺设备及时调整来消除失控现象；另一 方面也为产品设计和工艺设计部门采取有效的改进措施消除失控现象，提供可靠 的科学依据，从而达到保证产品质量和稳定生产过程的目的。尽管产品的高质量 是制造过程中实现的，但从某种角度出发，仍然可以说，没有检测就没有产品的 质量。因此，一个国家或企业的检测技术水平，是国家或企业生产技术水平的集 中体现和反映。 虽然国外汽车检测技术已经发展到较高的阶段，但是国内的汽车检测可以说 是刚刚起步。对于主减速器综合性能的检测，国内还没有形成统一的标准和试验 方法，因此，制定适应于多种型号主减速器的试验方法，开发可以实现不同型号 主减速器的在线检测系统既有重要的意义。 浙江丈学硕士学位论文第一章绪论 1 2 主减速器概述 汽车主减速器是汽车驱动桥中的主要总成结构之一，是汽车传动系最主要的 传动部件，主要由主减速器壳体、主减速器螺旋锥齿轮副和差速器总成组成【”， 其结构如图1 - 1 所示。 五 ， 图1 - 1 主减速器结构示意图 1 一差速器轴承盖；3 ，1 3 ，1 7 一轴承；4 一主减速器壳；5 一差速器壳；7 一从动螺旋锥齿轮； 1 8 d 主动螺旋锥齿轮；2 1 - - 行星齿轮；2 3 一半轴齿轮；2 4 一行星齿轮轴 汽车传动系的任务是传递发动机的动力1 2 l ，以适应汽车行驶的需要。发动机 输出的转速和转矩，经过主减速器的减速增扭作用后传递到差速器壳上，再经过 差速器的差速和转矩分配作用，将转速和转矩输出到汽车两侧的驱动轮上。除此 之外，主减速器的功能在于当变速器处于最高档位时，使汽车有足够的牵引力、 适当的最高车速和良好的燃油经济性。 在现代汽车的主减速器上，应用最广泛的齿轮型式是“格里森”( g l e a s o n ) 制或“奥利康”( o c r l i k o n ) 制螺旋锥齿轮或双曲面齿轮传动。在双级主减速器中， 通常还加一对圆柱齿轮( 多为斜齿圆柱齿轮，也有的采用直齿或人字行齿圆柱齿 轮) 或一组行星齿轮。在轮边减速器中常采用普通平行轴式布置的一对外啮合斜 齿圆柱齿轮传动或行星齿轮传动。 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 主减速器性能的研究现状 1 3 1 国内外汽车检测技术研究现状 汽车检测技术是从无到有发展起来的。早在5 0 年代一些工业发达国家就形 成以故障诊断和性能调试为主的单项检测技术和单项检测设备。6 0 年代后期， 国外车辆检测技术发展很快，并且大量应用电子、光学、理化和机械相结合的光 机电一体化检测技术。例如：非接触式车速仪、车轮定位仪、尾气分析仪等检测 设备。踟年代以来，随着计算机技术的发展，出现了具有检测诊断、数据采集 处理自动化、检测结果直接输出等功能的汽车检测仪器。在此基础上，为了加强 汽车管理，各工业发达国家相继建立了汽车检测诊断站，使汽车检测制度化、规 范化。我国的汽车检测诊断技术起步较晚，在上世纪6 0 7 0 年代，初步从国外 引进少量检测设备，进入8 0 年代，随着国民经济的增长，汽车检测技术水平得 到了不断提高，反映在汽车检测诊断设备制造水平和技术含量都有了明显的提 高，研制出一批具有高新技术的诊断仪器等方面。例如，我国自主开发的发动机 故障诊断仪、汽车底盘测功机、悬架检测仪、制动检测台、车桥台架疲劳试验机、 汽车传动系故障诊断台等仪器设备均达到了较高的水平，逐渐缩小了和国际技术 差距。尽管国内汽车测试技术发展较快，但目前的测试诊断设备都还只能测试汽 车的部分性能和故障，对某些总成如驱动桥、主减速器、离合器、变速器等的性 能测试和故障诊断还缺乏方便、实用的测试仪器设备。和发达国家相比，我国在 汽车测试诊断技术领域还有相当大的差距，测试诊断设备还不能满足生产需要， 有些产品性能不够稳定，可靠性差，自动化水平低，技术含量低。 1 3 2 主减速器传动性能的研究概况 主减速器中的差速器总成是实现汽车行驶、保证汽车良好通过性的关键部 件，对主减速器传动性能的研究也主要集中在差速器性能的研究及其性能检测 上。要提高汽车的通过性，就必须加大转矩在两侧驱动轮的不等分配。王建华等 对限滑差速器的结构类型、主要性能和评价方法进行了分析和总结，并通过试验 得到了差速器传动效率、锁紧系数和转矩分配等主要参数的性能曲线1 3 1 。张敦良 专门研究了粘性式限滑差速器转矩特性，分析了粘性式限滑差速器的特性，建立 了粘性式限滑差速器转矩输出特性的数学模型，分析影响转矩输出的因素，并通 过差速器台架试验对差速器的实际的转矩输出特性进行了试验验i i e 4 1 。靳立强等 设计了导球式限滑差速器，分析了这种差速器的结构和性能，并将其和其它的限 滑差速器在结构和性能上做了比划舅。王立华等研究一种新型高摩擦式防滑差速 器的运动性能和力学性能，分析了摩擦片式防滑差速器的结构、动力传递路线， 3 浙江大学硕上学位论文第一章绪论 建立了运动学分析模型和力学分析模型，给出了差速器运动过程中的速度关系以 及这种差速器内摩擦力矩的计算公式1 6 j 。张鹏对粘性式限滑差速器的性能做了迸 一步的研究，从动力学角度出发，建立了装有限滑差速器的整车动力学模型，研 究了限滑差速器对整车性能的影响，并通过整车试验，研究了装有普通差速器和 限滑差速器的整车性能，从而验证了限滑差速器的性能及其优越性1 7 j 。尹继瑶， 李宗研究了牙嵌式自由轮差速器，分析了结构特点和工作原理，并对牙嵌式差速 器的运动学和动力学模型进行了研究 8 1 。李军等对多轴驱动车辆的差速器进行了 研究，建立了多轴驱动车辆的多自由度运动模型，分析了差速器在闭锁和正常工 作两种状态下汽车的操纵稳定性能1 9 】。王忠会等研究了行星齿轮式桥间差速器， 分析了差速器的传动原理、差速特性和扭矩分配特性，通过力学分析和运动学分 析模型，说明这种差速器可明显提高全轮驱动汽车的行驶通过性能1 1 0 】。 通过上述文献可以看出，防滑差速器等高摩擦差速器是差速器发展的重点 【1 1 出l ，其高摩擦、高内摩擦力矩和良好的转矩分配性能是普通的对称式行星齿轮 差速器无法相比的，但是普通的对称式行星齿轮差速器在国内汽车行业中仍占据 重要的市场，国内对这方面的研究还比较少。在大型客车尤其是大型载货汽车中， 主减速器传递的转矩较大，差速器的内摩擦力矩较大，分析对称式行星齿轮差速 器的性能，开发可以实现差速性能检测的试验系统仍然有着重要的意义。 1 3 3 主减速器振动性能的研究现状 杨绪剑【1 6 l 开发了基于虚拟仪器技术的主减速器在线噪声测量系统，分析了 主减速器噪声的来源和类别，提出了主减速器噪声的在线检测技术，并对噪声信 号进行了分析，研究了信号的各种频率成分。黄嘉【2 j 在文章中给出了主减速器的 综合评价方法，并重点对主减速器的噪声和振动信号进行了分析，作者运用小波 理论对信号进行处理，对主减速器的在线故障诊断技术作了一定的研究。申屠斌 【1 7 】开发了基于计算机控制技术的主减速器在线检测系统，对系统的软、硬件设 计作了详细的说明。 国内对汽车主减速器及其检测技术的研究集中在吉林大学【1 串2 1 1 、合肥工业大 学 2 2 2 4 、电子科技大学1 2 j 和浙江大学1 1 1 , 1 2 , 2 5 1 等高等学校中，研究的内容主要为主 减速器差速装置的设计及性能检测、主减速器的装配和垫片检测、主减速器噪声、 振动测量和主减速器综合性能检测技术、试验机的开发和信号处理上。他们运用 虚拟仪器技术，将先进的计算机测控技术运动到汽车检测上，针对汽车主减速器 检测做了大量的研究工作。 1 3 4 主减速器性能检测方法 汽车主减速器性能试验分为室外道路试验法和室内台架模拟试验法【”。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 道路试验法 路试法是通过整车在道路试验场上行驶，通过多种典型路面下的整车试验获 取零、部件的信息。由于采用整车在实际的路面上试验，道路试验法更接近实际 的工况，获取的数据量最丰富，但成本太高，试验结果带有很大的随机性。 台架试验法 台架试验法是现在用的比较广泛的检测方法，它并不是通过整车在试验场上 行驶而检测主减速器的性能，而是采用台架模拟的方法，通过一定的机构来模拟 车轮、地面阻力、发动机等的运行状况。这种方法效率较高，试验数据的稳定性 好、规律性强，缺点是由于台架模拟的缺陷，并不能模拟任意的行驶条件和工作 状态，而只能对典型的工况进行模拟，比如：在良好的路面上直线行驶、汽车转 弯过程、两侧路面不同时引起的一侧车轮打滑现象等。在这些典型的工况下制定 试验方法，检测主减速器的性能。 1 3 5 台架试验的典型结构 主减速器总成检测试验台根据是否有能量回馈可分为功率封闭型和开放型 两种结构【硐： 1 功率封闭型试验装置 i 一一 1 ，对于普通的对称式行星齿轮差速器，锁紧系数为1 1 1 5 。 差速器内摩擦力矩是主减速总成的重要参数，正是摩擦力矩的存在，使得驱 动转矩不再平均分配到两侧驱动轮，而是根据路面的附着系数和行驶工况，调整 两侧转矩差，将驱动转矩更多的传给附着系数较大的一侧，从而提高汽车的通过 性，由式( 2 2 ) 可以得到差速器内摩擦力矩的测量公式： l一五一互(2-4) 2 3 对称式行星齿轮差速器的力学特性分析 当主减速器总成的差速装置没有形成差速时，整个差速器和从动锥齿轮绕半 轴齿轮的轴线方向旋转，差速器中的行星齿轮只有绕半轴的公转，和行星齿轮轴 以及两侧半轴齿轮之间都没有相对运动，此时的差速器的内摩擦力矩可以忽略不 计。而当差速器开始工作时，行星齿轮不仅有绕半轴齿轮轴线方向的公转，还有 绕十字轴的自转。此时，行星齿轮和差速器壳、两侧半轴齿轮以及十字轴都存在 相对运动，相应的存在滑动摩擦力，这样，差速器的内摩擦力矩就不能忽略不计， 而且还是影响差速器往两侧半轴分配转矩的重要因素。以对称式行星齿轮差速器 为例，计算差速器的内摩擦力矩的大小，其结构如图2 - 1 示。 如图2 - 1 所示，当行星齿轮存在自转时，差速器的内摩擦由下列部分组成： 行星齿轮2 与十字轴4 之间由于相对运动而产生的摩擦，方向和行星齿轮自转方 向相反；行星齿轮的背球面与差速器壳之间的摩擦，方向与行星齿轮自转方向相 反；两侧半轴齿轮背面与差速器壳之间的摩擦。通过对典型的转弯过程的力学分 析计算内摩擦力矩的各组成，建立内摩擦力矩计算公式。 2 3 1 差速器内摩擦力矩计算 1 行星齿轮的受力分析 当汽车在直线上行驶，而且两侧驱动轮行驶在相同路面上时，差速器不会发 生作用，两侧半轴以相同的速度行驶，此时，其受力情况如图2 2 所示： 、木、 f a 。上殛lf f 2 、上f 缸 ? 逊u 图2 - 2 行星齿轮受力分析 l o v 浙江大学硕士学位论文 第二章主减速器传动性能分析 图中，c 。、只：左、右半轴齿轮作用在行星齿轮上的圆周力，方向与车 轮前进的方向相反； c 。、c ：左、右半轴作用在行星齿轮上的轴向力，方向为透过纸面有内 向外； e 。、只：左、右半轴齿轮作用在行星齿轮上的径向力，指向行星齿轮轴 的轴向； f 行星齿轮轴作用在行星齿轮上的推力； ，”差速器壳作用在行星齿轮背球面上的正压力，这里指作用在行星齿 轮中心的集中作用力。 这些力之间存在如下的关系式： f e 。= 只：一f 2 一瓦8 1 只1 一只2 一毛t g a s i n 0 i e i 只2 一只1 辔a c o s 0 l 目一e ，+ e ： 式中，a 、p 分别为行星齿轮的压力角和节锥角； 半轴齿轮的分度圆半径。 通过式2 - - 5 ，可以求出集中力f f _ 一2 f 1 2 e 1 t g a s i n 0 2 留a s i n 口( 瓦8 ) 图2 - 3 行星齿轮受力简图 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 将集中力目转化为沿环球面分布的分量e ，、e ：，肼，由于吃h ，由 此，可以认将行星齿轮的背球面近似为平面处理，而且各点处的分布力相等。 1 1 浙江大学硕士学位论文第二章主减速器传动性能分析 图2 4 行星齿轮背面等效平面图 从图2 - 3 和2 _ 4 司以得出，行星齿轮背球部单位面积的正压力为 即纠拈币南( 2 - - 7 ) 式中，s 环面的面积： o o 行星齿轮背球面外圆直径； 行星齿轮轴的直径。 各点在正压力作用下形成的摩擦力为：一只p 。 式中，口行星齿轮背球面的摩擦系数，这里假设各点摩擦系数相等。 则差速器壳和行星齿轮背球面之间的对行星齿轮轴线方向的摩擦力矩为： m 矿崦0 坤；崦i z f 。r d s ；4 囊e a 9 篮u ”d t z 詈石2 p e ( d 3 0 - d 3 0 ) 一昙：r 2 。硒岳丽( 。气_ d 3 0 ) ；鹕糟甲8 d 2 0 d 3 0 以- d 3 0 却咖瞩8 ) 川 一iztgasinoto旦二二垡二 瓤d 2 0 一d 2 0 f j i 1 一、f f a l 上f r l ， 、l 、f r 2 ，a 2 小强乜 j ； 、 图2 - 5 差速时的行星齿轮受力分析 浙江大学硕士学位论文 第二章主减速器传动性能分析 当汽车转弯时，两侧车轮转速不同，差速器开始工作，此时行星齿轮除了绕 半轴方向的公转外，还有绕行星齿轮轴方向的自转，此时其受力情况如图2 5 。 如图2 - 5 所示，当汽车右转弯时，两侧半轴齿轮和行星齿轮之间的啮合力不 再相同，使得行星齿轮有一个绕其轴线方向的自转，其大小为蛾，俯视为顺时 针方向，行星齿轮各力之间的关系式为 f ，一互l + f 2 一五4 j ：t ：。2 ( 2 - - 9 ) i 死+ e ：一目 i ( 只2 一e 1 ) r o ；m ，4 将式( 2 5 ) 代入式( 2 9 ) 中可得： 卜如等_ d ：3 。o - d 3 0 。， 卜毒。一警瓦d s o - d 3 。o ， 卜印鹕c o s q 一毪产。一警，器， l c - 。f 姆s j n b2 半( 1 一坐学五d ：3 。0 一- d d 3 ：0 。) j 只：2 一z + 增口c o s q 。警( 1 + 坐半。面d 2 0 3 0 一- d d 3 2 0 0 ， 【e ：e ：。留qs i n q 。半( 1 + 坐学面d 2 0 3 0 一- d d 3 ：o 。) 图2 - 6 左侧i f 轴齿轮受力分析 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 以左侧半轴为例，分析其受力情况，从而计算两侧半轴和差速器壳之问的摩 浙江大学硕士学位论文第二章主减速器传动性能分析 擦力矩。左侧半轴受力如图2 - 6 。 和耻毒。一掣器， 露喝一半。一半本d 3 _ 嚣d 3 ( 2 - - 1 2 ) 卜耻毪半。一半耐d 3 0 - d 3 0 jjt一只j。半(1一华石d。3。o一-d3，0。)ira a ( 2 1 3 ) m一 一n 只：即志。2 叫， 。鬻(1一盥垫j33爿-d3d213 r o d 弘( d 2 l 一) 、2 0 d 2 0 7 m ，l 。躐六r i d s2 疏一c - r i d s 。f o d o f t 2 矾忡。击确( d 3 1 - d 3 n ) 1 5 磊零4 f s 2 谚d 3 。- d 3 0 。， b 沪 。i 糌c + 华五：。一d ：。， 1 4 浙江大学硕士学位论文第二章主减速器传动性能分析 m ，：。织：咖。躐p ：e z ，2 凼 、 。弘噼鹏咖；壶嗽：( d 3 2 - d s 2 ) 1 7 通过上述计算，可以得到差速器的内摩擦力矩计算公式为： t i - m i o + m i , + m 1 2 竿取d 3 0 - d 3 0 。2 邗， + 壹掣：e ：( d 3 2 - d 3 2 ) + 壶粥e ，( d 3 1 一d 3 - ) 上式中，右边第一项为行星齿轮与差速器壳之间的摩擦力矩在绕半轴方向上 的分量。第二项和第三项分卸i 为左、右半轴齿轮和两侧筹谏器壳之间的摩擦力矩。 2 3 2 差速器输出转矩的分配 1 当两侧半轴齿轮没有形成差速时 当差速器不工作时，主减速器传递的转矩是平均分配到两侧驱动轮上的，即 五一乏i毛2(2-20) 2 当差速器开始工作后，由于内摩擦力矩的作用，输出转矩不再是平均分配 的，其表达式为： 两侧半轴齿轮的驱动转矩为 互一- m ，。 ；争鼍半d 2 0 d 3 0 彰- d s 0 。，一壶矾蹦0 3 1 - d 3 1 )。2 吃， 五；一m ，： = 扣半磊d 3 0 - d 3 0 ，+ 壶嗽：c d 3 2 - d 3 2 ， 对于式( 2 - - 2 2 ) 作处理，可到得到如下关系式： 严。瓦一五( 2 - - 2 3 ) i 瓦i 乏+ 五 式( 2 2 3 ) 和参考文献【1 】直接给出的公式是一致的，而且此公式也说明了 转矩分配的性能，两侧驱动矩之和是传递到差速器壳上的力矩，而二者之差则是 浙江大学硕士学位论文第二章主减速器传动性能分析 差速器内摩擦力矩。 2 3 3 算例分析 前文分析了差速器内摩擦力矩的组成，给出了差速器内摩擦力矩的计算公 式。现以某车桥厂的4 5 7 后桥主减速器的差速器为例，计算其内摩擦力矩的大小 及其在特定工况下的转矩分配情况，行星齿轮和半轴齿轮的主要参数分别如表 2 - 1 和2 - 2 所示。 表2 1 行星齿轮主要参数 齿轮压力角口 2 5 。 齿数9 模数1 0 3 7 7 m m 节圆半径吃 4 6 7 m m 球面半径d b 8 7 2 7 m m 安装孔直径如 3 5 m m 节锥角口 3 2 7 4 。 表2 2 半轴齿轮主要参数 齿轮压力角 2 5 。 齿数1 4 节圆半径 7 2 6 4 4 m m 节锥角 5 7 2 6 0 将上述各参数代入式( 2 8 ) 、( 2 1 5 ) 和( 2 1 7 ) ，可以得到各部分摩擦 力矩的值，其计算结果为： f m ，o 一0 0 9 4 t o m r l = 0 0 2 6 t o ( 2 - - 2 4 ) i mr 2 ；o 0 3 l r o 在差速器内摩擦力矩的组成中，4 个行星齿轮和差速器壳之间的摩擦占主要 部分，这和参考文献【1 】上的结论也是一致的，而两侧半轴齿轮和差速器壳形成 的摩擦力矩较小，基本上相等的。 将式( 2 2 4 ) 代入式( 2 1 8 ) 可以得到差速器的内摩擦力矩为： 浙江大学硕士学位论文第= 章主减速器传动性能分析 m i4 0 1 5 n - o 。 因此，在差速器工作时，两侧转矩分配的关系为： f观4245瓦(2-25) l 五= o 5 7 5 5 r o 将式( 2 2 5 ) 代入式( 2 3 ) 中可得到该差速器的锁紧系数为： k 一1 3 5 6 从式( 2 8 ) 、( 2 1 5 ) 和( 2 1 7 ) 中可以看出，当差速器设计完成后，其 锁紧系数为恒定的，差速器的内摩擦力矩随着差速器壳转矩的变化而变化。主减 速器的传动比为6 8 3 3 ，假设主减速器工作在理想状态，其传动效率为0 8 7 ，而 且不随加载的变化而变化，这样可以得到在理论上差速器内摩擦力矩及两侧输出 转矩随输入转矩t 之间的关系，其中，t 为汽车变速箱的输出转矩，也是主减速 器的输入转矩，其曲线如图2 7 所示。 图2 - 7 差速器内摩擦力矩理论曲线 2 4 主减速器运动学分析 差速器的运动学模型可以通过图2 - 8 进行分析【2 7 1 。 1 7 浙江大学硕士学位论文 第二章主减速器传动性能分析 图2 - 8 差速器运动学分析 1 一左侧半轴齿轮；2 一行星齿轮；3 一从动锥齿轮；4 一行星齿轮轴；5 右侧半轴齿轮 图中，q ：哆左、右侧半轴齿轮的转速； 纰行星齿轮的自转速度； 差速器壳体的转速； 左侧半轴齿轮半径； r 0 行星齿轮半径。 当差速器没有工作时，行星齿轮只有随行星架绕半轴方向的公转，因此，处 于同一半径上的a 、b 、c 三点的圆周速度相等，吧= 一屹n ，因此半 轴齿轮1 和5 的角速度为q 一咤一，差速器不起作用。 当行星齿轮工作时，行星齿轮除了绕半轴方向的公转，还有绕行星齿轮轴的 自转。设在摩擦力矩肘，。的作用下，行星齿轮在差速器其作用后的f 时刻，其自 转角速度达到峨，由图2 8 ( c ) 可知，此时啮合点a 和b 的圆周速度分别为： 彤。+ 啪 ( 2 2 4 ) i 一一a j 3 r 3 对式( 2 2 4 ) 的两边同时除以半轴齿轮的半径，可以得到左右半轴齿轮的 转动角速度： i o h 一( + 鸭) 一+ 鸭蔓n + 鸭f l a 3 i f * _ j z 1 ( 2 2 5 ) i 吡；( 一鸭) 一一屿量w o w 3 垒 浙江丈学硕士学位论文第二章主减速器传动性能分析 对式( 2 - - 2 5 ) 中的q 和q 相加得到如下的关系式： q+吡=20j,(2-26) 这就是差速器的运动模型，可见，无论差速器是否发生差速器，两侧半轴齿 轮转速之和都是差速器壳体转速的2 倍。 2 5 典型工况下的运动学分析 汽车在实际道路上行驶的工况是相当复杂的，为了分析差速器的工作过程， 对汽车的工况进行简化，设两侧车轮在附着系数不同的对分路面上行驶1 2 0 l ，忽略 两侧轮胎的磨损，其简化后的典型工况有： ( 1 ) 汽车在良好的路面上直线行驶； ( 2 ) 一侧在正常路面上行驶，另外一侧在冰雪路面上行驶； ( 3 ) 一侧在正常路面上行驶，另外一侧在混凝土路面上行驶； ( 4 ) 汽车转弯行驶。 对于路面的不同，可以用路面附着系数表示1 2 8 l 。对于正常路面，妒= o 4 ； 对于冰雪路面，伊= 0 1 ；对于混凝土路面，矿= o 7 。 第一种工况下的差速器动力学 当汽车在良好的路面上直线行驶时，两侧阻力矩相同，驱动力矩相同，两侧 半轴齿轮的速度相同，此时，没有形成差速，汽车在路面上平稳行驶。 第二种工况下的差速器动力学分析 1 fr 卜 q ，吐、。 ；、笆l f 图2 - 9 第二种工况下的差速器转矩和转速变化曲线 图中，皿，、t l ：两侧车轮所承受的阻力矩； 互、瓦差速器壳传递到两侧车轮的输出转矩； 1 9 浙江大学硕士学位论文 第二章主减速器传动性能分析 当汽车右侧驱动轮进入冰雪路面后，其阻力矩会随着路面附着系数的变小而 减小，设其阻力矩在f ，时刻达到稳定。在f 1 时刻，死，减小到觋，一z k ；l ，即： 阻力矩的差值等于差速器的内摩擦力矩，行星齿轮处于临界状态，然后，两侧车 轮的阻力矩差超过差速器的内摩擦力矩，差速器开始差速，冰雪路面上的车轮处 于加速状态，而正常路面上的车轮处于减速状态，若两侧阻力矩差不断增大，那 么行星齿轮一直加速，而两侧车轮的转速差逐渐增大，直到左侧车轮速度降到零， 此时，左侧驱动轮不转，而右侧驱动轮处于打滑状态，汽车停止前行。 在分析了该工况下差速器和汽车的运动学特性后，研究驱动力矩的变化过 程。在右侧车轮进入冰雪路面后，右侧车轮的附着系数急剧下降，根据汽车左右 驱动车轮上的总的牵引力的最大值计算公式1 1 】： e d 。一2 m 缸+ t ( 2 2 7 ) 式中，互。左、右驱动轮总牵引力的最大值； e 。附着力较小的驱动车轮与底面的附着力； 汽车驱动轮的滚动半径，两侧车轮滚动半径相等。 由于汽车的牵引力是由路面附着系数较小的车轮一侧所决定，因此，汽车的 牵引力下降，两侧车轮的驱动力矩的减小，由于差速器的转矩分配作用，z ，t 2 ， 右侧车轮的驱动力矩大于其所承受的阻力矩，处于加速状态，直到左侧车轮完全 不转，两侧车轮的驱动力矩稳定，此时，二者的差值正好是差速器的内摩擦力矩。 第三种工况下的差速器动力学分析 i ? - 图2 1 0 第三种工况下的差速器转矩和转速变化曲线 这种工况下的差速器的运动过程和力矩分配过程和第二种工况是相似的，其 过程如图2 1 0 所示。右侧路面进入附着系数较大的混凝土路面，由于两侧驱动 轮传递到半轴齿轮的阻力矩不同，引起差速器行星齿轮的自转，差速器壳的输出 2 0 浙江大学硕士学位论文第二章主减速器传动性能分析 转矩不再是平均分配，而是按转矩分配原理的关系分配到两侧半轴齿轮，对于右 侧车轮，虽然分配的转矩比在正常行驶时有所增加，在进入差速状态后，其驱动 转矩为0 5 ( t o + l ) ，但由于对称式差速器的内摩擦力矩较小，锁紧程度有限，其 增加的驱动力矩不足以克服地面的阻力矩，会处于减速状态，直到完全停转，另 一侧变成完全滑转状态，汽车停止前进。 第四种工况下的差速器动力学分析 和第二、三种工况不同，汽车在转弯行驶时，两侧车轮的附着系数并没有改 变，这种工况下差速器工作并不是地面的阻力矩发生变化，而是为了适应转弯时 运动学的需要。比如汽车右转弯时，左侧车轮行程大于右侧车轮行程，左侧车轮 一面滚动，一面沿路面拖滑，拖滑会对路面施加一个向前的周缘力，根据作用力 和反作用力的关系，路面也会对驱动轮产生一个大小相等、方向向后的切向附加 反作用力；右侧车轮一面滚动，一面原地滑转。滑转会到路面施加一个向后的周 缘力，同样路面会对驱动轮产生一个大小相等、方向向前的切向附加作用力，两 侧车轮受力如图2 1 1 所示。 图2 1 l 汽车右转弯时驱动轮受力分析( a ) 左轮( b ) 右轮 行星齿轮的受力情况如图2