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1、汽 車 設(shè) 計 合肥工業(yè)大學(xué)汽車教研室 馬恒永 防滑差速器設(shè)計 9.4.4 防滑差速器設(shè)計 、 防滑差速器與汽車防滑控制系統(tǒng) 、防滑差速器 結(jié)構(gòu)形式與應(yīng)用 、防滑差速器 性能評價指標(biāo)與計算 、差速器 殼體有限元分析 1、防滑差速器與汽車防滑控制系統(tǒng) 普通 差速器 差速器是汽車驅(qū)動橋中的重要部件，其主要功能是使驅(qū)動橋的 左、右驅(qū)動輪具有汽車行駛運(yùn)動學(xué)所要求的差速，并將動力分配給 左、右驅(qū)動輪。但 普通差速器的 “ 差速不差扭 ” 即等轉(zhuǎn)矩分配性能， 卻嚴(yán)重影響了汽車的通過性、牽引性和行駛安全性。 為了克服普通差速器的缺點(diǎn)，改善汽車的通過性、牽引性和行 駛安全性一般采用 強(qiáng)制鎖止式差速器 和 防滑
2、差速器 ；為了更好地 提 高汽車動力性和行駛安全性能，發(fā)展了 汽車 防滑控制系統(tǒng) 。 強(qiáng)制鎖止式差速器 普通差速器差速鎖 防滑差速器 差速器自鎖防滑結(jié)構(gòu) 汽車 防滑控制系統(tǒng) 制動防抱死系統(tǒng) (ABS)和驅(qū)動 防滑系統(tǒng) (ASR)的統(tǒng)稱，有簡稱 ABS/ASR。 強(qiáng)制鎖止式差速器 強(qiáng)制鎖止式差速器 普通差速器差速鎖 必要時將差速器鎖止，令其不起差速器作用 。 結(jié)構(gòu)簡單、易于制造；但往往要停車掛鎖或脫鎖， 操作不便，當(dāng)在好路段行駛時如未及時脫鎖則將產(chǎn)生 無差速器的一系列問題。 強(qiáng)制鎖止式差速器 典型結(jié)構(gòu)： P365, 圖 9-82, 83 防滑差速器 防滑差速器 差速器自鎖防滑結(jié)構(gòu) 防滑差速器 是
3、一種 能克服 普通差速器 等轉(zhuǎn)矩分配 的缺 點(diǎn)，并同時具有普通差速功能的差速器。 當(dāng)汽車左、右驅(qū)動輪在不同地面附著條件下行駛時， 防滑差速器 可以設(shè)法 （自動或通過控制） 使 大部分轉(zhuǎn)矩甚 至全部轉(zhuǎn)矩分配給附著條件相對比較好的一側(cè)驅(qū)動輪 ，從 而改善了汽車的通過性、牽引性和行駛安全性。有稱 自鎖 差速器 、 限滑差速器。 防滑差速器工作原理 慢速側(cè) 快速側(cè) 汽車防滑控制系統(tǒng)（ ABS/ASR） 汽車防滑控制系統(tǒng) 驅(qū)動防滑系統(tǒng) (ASR)和制動防 抱死系統(tǒng) (ABS)的統(tǒng)稱，有簡稱 ABS/ASR。 驅(qū)動防滑系統(tǒng) 汽車驅(qū)動過程中防止驅(qū)動車輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)稱為 驅(qū)動防 滑轉(zhuǎn)系統(tǒng) (Accele
4、ration Slip Regulation)， 簡稱 ASR。 它是通過調(diào)節(jié) 驅(qū)動車輪的牽引力實(shí)現(xiàn)驅(qū)動車輪滑轉(zhuǎn)控制的 ， 所以也被稱為 牽引力 控制系統(tǒng) (Traction Control System)， 簡稱 TCS。 ASR可以利用已有 的 ABS和發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng) 來實(shí)現(xiàn) ！ 防滑控制系統(tǒng)應(yīng)用 一般首先是裝備 ABS（ 國外轎車和輕型貨車幾乎 100%） ，而 后裝備 ABS/ASR；在大型客車和貨車上， ABS也在迅速地普及，有 些也裝備了 ASR 。目前國外有形式多樣、價格檔次不同的多種防滑 控制系統(tǒng)，可供不同檔次的汽車進(jìn)行選擇裝備。 2、防滑差速器結(jié)構(gòu)形式及其應(yīng)用 防滑差速器
5、結(jié)構(gòu)形式及其應(yīng)用 結(jié)構(gòu)形式 鎖緊系數(shù) 評價與應(yīng)用 普通差速器 1.1 1.5 等轉(zhuǎn)矩分配 ？ 強(qiáng)制鎖止式 簡單，操作不便 ？ 越野、重型車用 高摩擦式 5 結(jié)構(gòu)簡單、工作平穩(wěn)、工藝?yán)^承性好 轎車、輕型車用 3 6 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造要求高、磨損大 ？ 蝸輪式 6 9 全輪驅(qū)動軸間與非轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋輪間 牙嵌式 傳遞轉(zhuǎn)矩有脈動 ？ 中、重型車用 滾子式 接觸應(yīng)力大 ？ 越野車、輕型車用 1.31.5 P379 摩擦片式 預(yù)壓彈簧式 滑塊凸輪式 蝸 輪 式 自由輪式 變傳動比式 摩擦片（盤）式防滑差速器 F1 行星齒輪半軸 齒輪嚙合 軸向力 F1 利用主從摩擦片（盤）間 相對滑轉(zhuǎn)產(chǎn)生大的內(nèi)摩擦力矩 摩擦片
6、（盤）式防滑差速器 行星齒輪軸差速器殼壓力盤 形槽 F1 行星齒輪半軸 齒輪嚙合 軸向力 F2 行星齒輪軸差速器殼壓力盤 形槽 壓力 F1 F1 F1 F2 F2 F2 彈簧預(yù)壓 摩擦片（盤）式防滑差速器 利用預(yù)壓緊彈簧壓緊摩擦片（盤）產(chǎn) 生大的內(nèi)摩擦力矩 圓柱螺旋彈簧增載式 車橋廠樣品 F3 F3 F3 F1 F1 F1 F1 行星齒輪半軸 齒輪嚙合 軸向力 F3 彈簧 壓緊力 彈簧預(yù)壓 摩擦片（盤）式防滑差速器 彈簧 、 行星齒輪軸壓力盤 形槽 F1 行星齒輪半軸 齒輪嚙合 軸向力 F2 行星齒輪軸差速器殼壓力盤 形槽 F3 彈簧 壓緊力 F3 F1 F2 圓柱螺旋彈簧增載式 彈簧預(yù)壓摩擦
7、式 卸載式 F1 行星齒輪半軸 齒輪嚙合 軸向力 F2 彈簧 壓緊力 F1 F2 碟形彈簧卸載式 彈簧預(yù)壓摩擦式 卸載式 F1 行星齒輪半軸 齒輪嚙合 軸向力 F2 彈簧 壓緊力 F2 碟形彈簧卸載式 獵豹 彈簧預(yù)壓式防滑差速器 圓柱螺旋彈簧 碟形彈簧 利用預(yù)壓緊彈簧壓緊摩擦片 或錐面產(chǎn)生大的內(nèi)摩擦力矩 江蘇 -50拖拉機(jī) 防滑差速器 車橋廠 防滑差速器樣品 彈簧預(yù)壓式防滑差速器 圓柱螺旋彈簧增載式 碟形彈簧卸載式 利用預(yù)壓緊彈簧壓緊摩擦錐面產(chǎn) 生大的內(nèi)摩擦力矩 彈簧預(yù)壓摩擦片式防滑差速器 利用預(yù)壓緊彈簧壓緊摩擦片 產(chǎn)生大的內(nèi)摩擦力矩 江蘇 -50拖拉機(jī) 車橋廠樣品 滑塊凸輪式防滑差速器 凸輪
8、套 滑塊 利用滑塊與凸輪套之間 產(chǎn)生大的內(nèi)摩擦力矩 蝸輪式防滑差速器 蝸輪式防滑差速器 托森式防滑差速器 奧迪 80/90轎車軸間差速器 豐田 Celica Gt-Four輪間差速器 利用蝸輪蝸桿副的螺旋角與摩擦角產(chǎn)生大的內(nèi)摩擦力矩 牙嵌式自由輪防滑差速器 控制閉鎖式防滑差速器 防滑差速器與方向盤聯(lián)動 （液壓或電控操縱） 各種摩擦式防滑差速器性能 T TL TH 摩擦片式 彈簧預(yù)壓式 彈簧預(yù)壓摩擦片式 普通差速器 汽車的傳動裝置 預(yù)壓量 增載式防滑差速器性能 普通差速器 拖拉機(jī)及類似車輛傳動系 彈簧預(yù)壓 摩擦片式 (增載式 ) 轉(zhuǎn)矩增值量 r=1 TL Td 卸載式防滑差速器性能 普通差速器
9、拖拉機(jī)及類似車輛傳動系 彈簧預(yù)壓式 （卸載式） 轉(zhuǎn)矩增值量 r=1 TL Td 3、防滑差速器性能評價指標(biāo)與計算 防滑差速器 鎖緊系數(shù)和扭矩分配系數(shù) 差速器效率和差速器傳動效率 摩擦式 防滑差速器性能 防滑差速器內(nèi)摩擦力矩 Tr r=F f Rf Z F 作用與摩擦表面的壓力，以產(chǎn)生內(nèi)摩擦力矩。防滑 差速器的結(jié)構(gòu)型式不同， F力的構(gòu)成不同！ 防滑差速器鎖緊系數(shù) 與轉(zhuǎn)矩分配系數(shù) 定義 按 汽車工程手冊（設(shè)計篇） 、 拖拉機(jī)設(shè)計手冊 、 汽車構(gòu)造 等定義： =T2 T1 （ k =Tr T0 =（ T2 T1） T0， ） =T2 T0 （ kb= T2 T1 ， k=Tr T0， ） 防滑差速器
10、鎖緊系數(shù)與轉(zhuǎn)矩分配系數(shù) 王望予 汽車設(shè)計 等 防滑差速器效率 0 0 =T1 T2=1 K 防滑差速器傳動效率 =（ T1n 1 T2n 2）（ T0n 0） 防滑差速器效率與傳動效率 0 =（ T1n1） /（ T2n2） （按 拖拉機(jī)設(shè)計手冊 定義） 各種摩擦式防滑差速器性能 T TL TH 摩擦片式 彈簧預(yù)壓式 彈簧預(yù)壓摩擦片式 普通差速器 汽車的傳動裝置 預(yù)壓量 增載式防滑差速器性能 普通差速器 拖拉機(jī)及類似車輛傳動系 彈簧預(yù)壓 摩擦片式 (增載式 ) 轉(zhuǎn)矩增值量 r=1 TL Td 卸載式防滑差速器性能 普通差速器 拖拉機(jī)及類似車輛傳動系 彈簧預(yù)壓式 （卸載式） 轉(zhuǎn)矩增值量 r=1
11、TL Td 摩擦片式防滑差速器 性能計算方法 F1 行星齒輪半軸齒輪嚙合軸向力 F2 彈簧壓緊力 無預(yù)壓機(jī)構(gòu)摩擦式（ F1） F2 F2 F1 F1 F1 彈簧預(yù)壓摩擦式（ F1, F2） F 作用與摩擦表面的壓力計算 行星齒輪軸差速器殼壓力盤形槽 （ F1， F3） F1 行星齒輪半軸齒輪嚙合軸向力 F3 行星齒輪軸差速器殼壓力盤形槽壓力 F1 F1 F1 F3 F3 F3 彈簧預(yù)壓 、 行星齒輪軸壓力盤形槽 （ F1， F2， F3） F1 行星齒輪半軸齒輪嚙合軸向力 F2 彈簧壓緊力 F3 行星齒輪軸差速器殼壓力盤形槽 F2 F1 F3 彈簧預(yù)壓摩擦式卸載式 （ F1， F2） F1 行
12、星齒輪半軸齒輪嚙合軸向力 F2 彈簧壓緊力 F1 F2 防滑差速器鎖緊系數(shù)計算 主動片的摩擦系數(shù) u1=0.150000 行星齒輪與差速器殼及行星齒輪軸的摩擦系數(shù) u2=0.080000 摩擦片的平均摩擦半徑 rm=32.400002 摩擦片的襯面數(shù) nm=7.000000 行星齒輪的節(jié)錐角 a2=0.583000 半軸齒輪的平均分度圓半徑 rh=36.000000 行星齒輪軸與差速器殼接觸面的平均摩擦半徑 rtc=15.600000 行星齒輪與半軸齒輪的嚙合角 a1=0.419000 行星齒輪軸的半徑 r0=9.700000 行星齒輪的平均分度圓半徑 rc=24.000000 彈簧的預(yù)壓緊力
13、 Fs=240.000000 能夠產(chǎn)生摩擦力的摩擦面數(shù) n=7.000000 可變地面摩擦系數(shù)產(chǎn)生的車輪轉(zhuǎn)矩 Tl=720800.000000 計算結(jié)果： 防滑差速器的鎖緊系數(shù) :2.317224 、防滑差速器殼體有限元分析 差速器殼體有限元分析模型 計算模型 計算載荷 邊界約束 差速器殼體有限元 初步分析結(jié)果 Ansys有限元 模型 防滑差速器殼體有限元分析模型 UG 3D模型 UG 3D簡化模型 防滑差速器殼體有限元分析 載荷工況 三種工況 工況 1：防滑差速器為普通差速器工況 ， 不考慮差速器內(nèi)摩擦； 工況 2：汽車左側(cè)車輪嚴(yán)重打滑 ， 右側(cè)附著條件好 ， 防滑差速器工 作 ， 考慮差速
14、器內(nèi)摩擦 ， 右殼承受的轉(zhuǎn)矩較大； 工況 3：汽車右側(cè)車輪嚴(yán)重打滑，左側(cè)附著條件好，防滑差速器 工作，考慮差速器內(nèi)摩擦，左殼承受的轉(zhuǎn)矩較大。 計算載荷 （ 計算載荷 ） 防滑差速器殼體有限元分析 殼體左 、 右半軸齒輪接觸端 面的均布載荷 P1、 P2； 殼內(nèi)行星齒輪止推端面的均布載荷 P3； 殼體法蘭盤螺孔處后橋大齒輪的等效圓周力 FT1； 殼體后橋大齒輪安裝孔處大齒輪等效徑向均布載荷 P0； 殼體后橋大齒輪安裝孔處大齒輪等效軸向力 Fa； 殼體內(nèi)左、右半軸齒輪端面摩擦力的等效圓周力 FT2 （ 計算載荷 ） 防滑差速器殼體有限元分析 差速器殼左、右軸承軸頸表面均施加了 X、 Y兩方向的約束
15、； 差速器殼左半軸軸承安裝端面施加一個 Z向約束； 再考慮到差 速器殼體的轉(zhuǎn)矩作用，在行星齒輪軸孔 處加了 Y 向的約束。 （ 邊界約束 ） 防滑差速器殼體有限元分析 （ 初步分析結(jié)果 工況 ） 應(yīng)力云圖 位移云圖 防滑差速器設(shè)計計算程序 總體設(shè)計 程序功能 防滑差速器性能分析 防滑差速器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計 差速器錐齒輪、花鍵、軸承等零件設(shè)計計算 程序總體結(jié)構(gòu) 防滑差速器設(shè)計計算程序 差 速 器 錐 齒 輪 設(shè) 計 計 算 程 序 防 滑 差 速 器 性 能 分 析 程 序 差速器零件設(shè)計計算程序 防滑 差 速 器 優(yōu) 化 設(shè) 計 程 序 行 星 齒 輪 軸 計 算 程 序 漸 開 線 花 鍵 計
16、算 程 序 差 速 器 軸 承 計 算 程 序 程序總體結(jié)構(gòu) 高摩擦式防滑差速器方案一 行星輪軸形面 增載式 高摩擦式防滑差速器方案二 彈簧預(yù)壓 增載式 高摩擦式防滑差速器方案三 彈簧預(yù)壓、行星輪軸形面 增載式 高摩擦式防滑差速器方案四 彈簧預(yù)壓 卸載式 關(guān)于防滑差速器設(shè)計方面的文獻(xiàn)檢索 1、 總裝汽車試驗(yàn)場， 幾種越野汽車鎖止式差速器性能比較 2、 天大、軍事交通學(xué)院， 輕型越野汽車限滑差速裝置選型分析 （從轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)、附著系數(shù)利用率、安全性等方面進(jìn)行 原理對比分析 ） 3、 華中理工大， 限滑差速器楔角的最優(yōu)化設(shè)計 （摩擦片式防滑差速器 楔角參數(shù)優(yōu)化 ） 4、 太原礦機(jī)廠研究所， No-spin防滑差速器技術(shù)分析 （強(qiáng)制鎖止式差速器、牙嵌式防滑差速器 結(jié)構(gòu)分析 ）
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