非圆面齿轮副在限滑差速器中的应用设计_品牌_

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谭晓明+王白王

摘要变传动比限滑差速器采用非圆锥齿轮副，使得分配给两侧车轮的转矩不相等，提高了车辆的通过性。但非圆锥齿轮设计复杂，制造困难，传动时稳定性较差，还经常出现断齿现象。非圆面齿轮副综合了非圆柱齿轮、非圆锥齿轮、面齿轮的传动特性，可以实现空间中相交轴间的变速比传动，满足差速器的工作要求，因此可以替代传统限滑差速器中的非圆锥齿轮副。非圆面齿轮副传动时轮齿不受沿齿宽方向上的力，因而传动平稳、振动小、噪音低，且强度高，容易批量生产，成本低。

关键词非圆面齿轮限滑差速器仿真

中图分类号：U463.21 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.12.025

Abstract The variable ratio limited slip differential applying non-circular bevel gear can change the torque delivered to both sides of the wheel， which can improve the traffic ability characteristic. But there are many disadvantages such as complex design theory， difficult manufacturing， and poor stability. What's worse， the gear may breaks while doing real vehicle tests.Non-circular face gear pair incorporating the characteristic of non-circular gear， non-circular bevel gear and face gear can achieve variable ration transmission between two intersecting axis， which meets the needs of transmission of the limited slip differential. So it's reasonable to apply non-circular face gear pair to the limited slip differential. Compared with non-circular gear， non-circular face gear pair has many advantages such as more stable transmission， smaller vibration， lower noise and higher carrying capacity. What's more， it's easy to make volume production cheaply.

Keywords face gear； limited-slip differential； simulation

0 引言

普通差速器对于经常行驶在城市平坦道路的车辆来说，其性能已经能够满足其使用要求。但是对于经常在松软、泥泞等复杂路况行驶的军用越野车辆来说，如果装备普通差速器，那么会遇到驱动轮与地面摩擦力太小导致车辆无法前进。限滑差速器采用非圆锥齿轮副，当两侧车轮出现转速差时，齿轮副就会偏离初始平衡位置，行星齿轮与两侧半轴齿轮的力臂长度和作用力大小不再相等，增大了分配给与地面附着较好一侧车轮的扭矩，从而增加了地面给车辆的摩擦力，极大改善了越野汽車在严峻路况的通过性能。[6]但该限滑差速器的轮齿部分容易发生断裂，因此需要进一步提高其轮齿的强度。此外，非圆锥齿轮设计、加工复杂，生产制造成本较高，且通用性较差，[1]因此需要突破非圆锥齿轮传动局限性。

本文提出一种新的方案，在不改变差速器整体结构尺寸的基础上，采用非圆面齿轮副。与非圆锥齿轮副对比，非圆面齿轮副拥有以下优势：[2]加工简便，容易实现低成本批量生产；传动时不受齿宽方向上的力，因此啮合平稳、噪音低；同等强度下，非圆面齿轮副重量轻。

1 限滑差速器工作原理

目前变传动比限滑差速器的结构跟普通差速器相同，都由差速器壳、半轴齿轮、行星齿轮、行星齿轮轴等组成，只是齿轮的形状有所不同，其实现的功能也不同。图1所示为限滑差速器各个零件及其装配位置。

当发动机运转时，其输出的扭矩经过动力传动装置传给差速器壳。当汽车直线行驶时，齿轮组处于初始平衡位置，差速器壳带动行星齿轮绕十字轴进行公转，行星齿轮分别与两侧的半轴齿轮接触并带动其以相等角速度转动。此时行星齿轮和左半轴齿轮的力臂长度等于行星齿轮和右半轴齿轮的力臂长度，行星齿轮分配给左、右半轴齿轮的转矩大小也相等，行星齿轮只进行公转、不发生自转，规定此时为工况1。当左右轮胎受力不同时，在行星齿轮上就会产生一个内转矩，打破了差速器齿轮副的动平衡状态。行星齿轮在转矩的作用下发生自转，改变其初始位置：与地面附着力较好一侧的半轴齿轮的力臂变小，相应获得更大的转矩，规定此时为工况2。当行星齿轮持续不间断自转时，其与半轴齿轮的相对位置也一直发生改变，与左、右半轴齿轮间的力臂长度和转矩大小也周期变化。

2 齿轮副的基本原理与设计

使用MATLAB软件计算轮廓各点坐标，然后导入SolidWorks进行三维建模，如图4所示。

2.2 半轴齿轮设计与建模

SolidWorks现有功能无法实现对面齿轮进行直接建模，需要用宏指令进行编程：构建半轴齿轮毛坯模型，并与行星齿轮进行装配，编辑刀具的走刀轨迹，实现行星齿轮和半轴齿轮毛坯的连续布尔减操作，利用展成法原理包络出与非圆齿轮共轭的面齿轮。对半轴齿轮进行光滑处理，如图5所示。

3 齿轮副有限元分析

3.1 模型导入及受力分析

将半轴齿轮和行星齿轮模型在差速器的极限位置组装成装配体，转换格式后导入workbench中。定义齿轮的材料属性为20CrMnTi，其淬透性高，具有较高的低温冲击韧性；加工性能好，加工变形小，抗疲劳性能好。[5]

3.2 应力分析结果

根据刚才受力分析对齿轮副施加载荷与约束，然后进行有限元分析，得到齿轮副不同位置的应力云图，如图6所示。

20CrMnTi的抗拉强度为1080MPa。通过有限元分析结果可以得出齿轮副所受最大应力为854MPa，因此该非圆面齿轮副满足使用要求。

4 结语

本论文将当前处于理论研究阶段的正交非圆面齿轮副应用在汽车限滑差速器中，结合该齿轮副的传动特点，以提高汽车行驶的平稳性和齿轮副强度等为出发点，设计满足工作要求的齿轮副，校验了不同工况下强度，证明了该方案的可行性。