汽车设计合肥工业大学汽车教研室马恒永防滑差速器设计9.4.4防滑差速器设计1、防滑差速器与汽车防滑控制系统2、防滑差速器结构形式与应用3、防滑差速器性能评价指标与计算4、差速器壳体有限元分析1、防滑差速器与汽车防滑控制系统普通差速器差速器是汽车驱动桥中的重要部件,其主要功能是使驱动桥的左、右驱动轮具有汽车行驶运动学所要求的差速,并将动力分配给左、右驱动轮。但普通差速器的“差速不差扭”即等转矩分配性能,却严重影响了汽车的通过性、牵引性和行驶安全性。为了克服普通差速器的缺点,改善汽车的通过性、牵引性和行驶安全性一般采用强制锁止式差速器和防滑差速器;为了更好地提高汽车动力性和行驶安全性能,发展了汽车防滑控制系统。强制锁止式差速器-普通差速器+差速锁防滑差速器-差速器+自锁防滑结构汽车防滑控制系统-制动防抱死系统(ABS)和驱动防滑系统(ASR)的统称,有简称ABS/ASR。√强制锁止式差速器强制锁止式差速器-普通差速器+差速锁必要时将差速器锁止,令其不起差速器作用。结构简单、易于制造;但往往要停车挂锁或脱锁,操作不便,当在好路段行驶时如未及时脱锁则将产生无差速器的一系列问题。强制锁止式差速器典型结构:P365,图9-82,83防滑差速器防滑差速器-差速器+自锁防滑结构防滑差速器是一种能克服普通差速器等转矩分配的缺点,并同时具有普通差速功能的差速器。当汽车左、右驱动轮在不同地面附着条件下行驶时,防滑差速器可以设法(自动或通过控制)使大部分转矩甚至全部转矩分配给附着条件相对比较好的一侧驱动轮,从而改善了汽车的通过性、牵引性和行驶安全性。有称自锁差速器、限滑差速器。防滑差速器工作原理慢速侧快速侧汽车防滑控制系统(ABS/ASR)汽车防滑控制系统-驱动防滑系统(ASR)和制动防抱死系统(ABS)的统称,有简称ABS/ASR。驱动防滑系统汽车驱动过程中防止驱动车轮发生滑转的控制系统称为驱动防滑转系统(AccelerationSlipRegulation),简称ASR。它是通过调节驱动车轮的牵引力实现驱动车轮滑转控制的,所以也被称为牵引力控制系统(TractionControlSystem),简称TCS。ASR可以利用已有的ABS和发动机电子控制系统来实现!防滑控制系统应用一般首先是装备ABS(国外轿车和轻型货车几乎100%),而后装备ABS/ASR;在大型客车和货车上,ABS也在迅速地普及,有些也装备了ASR。目前国外有形式多样、价格档次不同的多种防滑控制系统,可供不同档次的汽车进行选择装备。2、防滑差速器结构形式及其应用防滑差速器结构形式及其应用结构形式锁紧系数评价与应用普通差速器1.1~1.5等转矩分配?强制锁止式简单,操作不便?越野、重型车用高摩擦式>5结构简单、工作平稳、工艺继承性好轿车、轻型车用3~6结构复杂、制造要求高、磨损大?蜗轮式6~9全轮驱动轴间与非转向驱动桥轮间牙嵌式传递转矩有脉动?中、重型车用滚子式接触应力大?越野车、轻型车用1.3~1.5P379摩擦片式预压弹簧式滑块凸轮式蜗轮式自由轮式变传动比式摩擦片(盘)式防滑差速器F1-行星齿轮-半轴齿轮啮合轴向力F1利用主从摩擦片(盘)间相对滑转产生大的内摩擦力矩摩擦片(盘)式防滑差速器行星齿轮轴-差速器壳/压力盘V形槽F1-行星齿轮-半轴齿轮啮合轴向力F2-行星齿轮轴-差速器壳/压力盘V形槽压力F1F1F1F2F2F2弹簧预压摩擦片(盘)式防滑差速器利用预压紧弹簧压紧摩擦片(盘)产生大的内摩擦力矩圆柱螺旋弹簧-增载式车桥厂样品F3F3F3F1F1F1F1-行星齿轮-半轴齿轮啮合轴向力F3-弹簧压紧力弹簧预压摩擦片(盘)式防滑差速器弹簧、行星齿轮轴-压力盘V形槽F1-行星齿轮-半轴齿轮啮合轴向力F2-行星齿轮轴-差速器壳/压力盘V形槽F3-弹簧压紧力F3F1F2圆柱螺旋弹簧-增载式弹簧预压摩擦式-卸载式F1-行星齿轮-半轴齿轮啮合轴向力F2-弹簧压紧力F1F2碟形弹簧-卸载式弹簧预压摩擦式-卸载式F1-行星齿轮-半轴齿轮啮合轴向力F2-弹簧压紧力F2碟形弹簧-卸载式猎豹弹簧预压式防滑差速器圆柱螺旋弹簧碟形弹簧利用预压紧弹簧压紧摩擦片或锥面产生大的内摩擦力矩江苏-50拖拉机防滑差速器车桥厂防滑差速器样品弹簧预压式防滑差速器圆柱螺旋弹簧-增载式碟形弹簧-卸载式利用预压紧弹簧压紧摩擦锥面产生大的内摩擦力矩弹簧预压摩擦片式防滑差速器利用预压紧弹簧压紧摩擦片产生大的内摩擦力矩江苏-50拖拉机车桥厂样品滑块凸轮式防滑差速器凸轮套滑块利用滑块与凸轮套之间产生大的内摩擦力矩蜗轮式防滑差速器蜗轮式防滑差速器托森式防滑差速器奥迪80/90轿车轴间差速器丰田CelicaGt-Four轮间差速器利用蜗轮蜗杆副的螺旋角与摩擦角产生大的内摩擦力矩牙嵌式自由轮防滑差速器控制闭锁式防滑差速器防滑差速器与方向盘联动(液压或电控操纵)各种摩擦式防滑差速器性能φTTLTH摩擦片式弹簧预压式弹簧预压摩擦片式普通差速器《汽车的传动装置》预压量增载式防滑差速器性能普通差速器《拖拉机及类似车辆传动系》弹簧预压摩擦片式(增载式)转矩增值量Φr=1TLTd卸载式防滑差速器性能普通差速器《拖拉机及类似车辆传动系》弹簧预压式(卸载式)转矩增值量Φr=1TLTd3、防滑差速器性能评价指标与计算防滑差速器锁紧系数和扭矩分配系数差速器效率和差速器传动效率摩擦式防滑差速器性能防滑差速器内摩擦力矩TrTr=F·f·Rf·ZF-作用与摩擦表面的压力,以产生内摩擦力矩。防滑差速器的结构型式不同,F力的构成不同!防滑差速器锁紧系数K与转矩分配系数ξ定义按《汽车工程手册(设计篇)》、《拖拉机设计手册》、《汽车构造》等定义:K=T2/T1(k=Tr/T0=(T2-T1)/T0,…)ξ=T2/T0(kb=T2/T1,k’=Tr/T0,…)防滑差速器锁紧系数与转矩分配系数王望予《汽车设计》等防滑差速器效率η0η0=T1/T2=1/K防滑差速器传动效率ηη=(T1·n1+T2·n2)/(T0·n0)防滑差速器效率与传动效率η0=(T1·n1)/(T2·n2)(按《拖拉机设计手册》定义)各种摩擦式防滑差速器性能φTTLTH摩擦片式弹簧预压式弹簧预压摩擦片式普通差速器《汽车的传动装置》预压量增载式防滑差速器性能普通差速器《拖拉机及类似车辆传动系》弹簧预压摩擦片式(增载式)转矩增值量Φr=1TLTd卸载式防滑差速器性能普通差速器《拖拉机及类似车辆传动系》弹簧预压式(卸载式)转矩增值量Φr=1TLTd摩擦片式防滑差速器性能计算方法F1-行星齿轮-半轴齿轮啮合轴向力F2-弹簧压紧力①无预压机构摩擦式(F1)F2F2F1F1F1②弹簧预压摩擦式(F1,F2)F-作用与摩擦表面的压力计算③行星齿轮轴-差速器壳/压力盘V形槽(F1,F3)F1-行星齿轮-半轴齿轮啮合轴向力F3-行星齿轮轴-差速器壳/压力盘V形槽压力F1F1F1F3F3F3④弹簧预压、行星齿轮轴-压力盘V形槽(F1,F2,F3)F1-行星齿轮-半轴齿轮啮合轴向力F2-弹簧压紧力F3-行星齿轮轴-差速器壳/压力盘V形槽F2F1F3⑤弹簧预压摩擦式-卸载式(F1,F2)F1-行星齿轮-半轴齿轮啮合轴向力F2-弹簧压紧力F1F2防滑差速器锁紧系数计算主动片的摩擦系数u1=0.150000行星齿轮与差速器壳及行星齿轮轴的摩擦系数u2=0.080000摩擦片的平均摩擦半径rm=32.400002摩擦片的衬面数nm=7.000000行星齿轮的节锥角a2=0.583000半轴齿轮的平均分度圆半径rh=36.000000行星齿轮轴与差速器壳接触面的平均摩擦半径rtc=15.600000行星齿轮与半轴齿轮的啮合角a1=0.419000行星齿轮轴的半径r0=9.700000行星齿轮的平均分度圆半径rc=24.000000弹簧的预压紧力Fs=240.000000能够产生摩擦力的摩擦面数n=7.000000可变地面摩擦系数产生的车轮转矩Tl=720800.000000计算结果:防滑差速器的锁紧系数:2.3172244、防滑差速器壳体有限元分析差速器壳体有限元分析模型计算模型计算载荷边界约束差速器壳体有限元初步分析结果Ansys-有限元模型防滑差速器壳体有限元分析模型UG-3D模型UG-3D简化模型防滑差速器壳体有限元分析载荷工况-三种工况工况1:防滑差速器为普通差速器工况,不考虑差速器内摩擦;工况2:汽车左侧车轮严重打滑,右侧附着条件好,防滑差速器工作,考虑差速器内摩擦,右壳承受的转矩较大;工况3:汽车右侧车轮严重打滑,左侧附着条件好,防滑差速器工作,考虑差速器内摩擦,左壳承受的转矩较大。计算载荷(计算载荷)防滑差速器壳体有限元分析①壳体-左、右半轴齿轮接触端面的均布载荷P1、P2;②壳内-行星齿轮止推端面的均布载荷P3;③壳体法兰盘螺孔处后桥大齿轮的等效圆周力FT1;④壳体后桥大齿轮安装孔处大齿轮等效径向均布载荷P0;⑤壳体后桥大齿轮安装孔处大齿轮等效轴向力Fa;⑥壳体内左、右半轴齿轮端面摩擦力的等效圆周力FT2(计算载荷)防滑差速器壳体有限元分析①差速器壳左、右轴承轴颈表面均施加了X、Y两方向的约束;②差速器壳左半轴轴承安装端面施加一个Z向约束;③再考虑到差速器壳体的转矩作用,在行星齿轮轴孔处加了Y向的约束。(边界约束)防滑差速器壳体有限元分析(初步分析结果-工况3)应力云图位移云图防滑差速器设计计算程序总体设计程序功能防滑差速器性能分析防滑差速器参数优化设计差速器锥齿轮、花键、轴承等零件设计计算程序总体结构防滑差速器设计计算程序差速器锥齿轮设计计算程序防滑差速器性能分析程序差速器零件设计计算程序防滑差速器优化设计程序行星齿轮轴计算程序渐开线花键计算程序差速器轴承计算程序程序总体结构高摩擦式防滑差速器方案一行星轮轴-V形面增载式高摩擦式防滑差速器方案二弹簧预压增载式高摩擦式防滑差速器方案三弹簧预压、行星轮轴-V形面增载式高摩擦式防滑差速器方案四弹簧预压-卸载式关于防滑差速器设计方面的文献检索1、总装汽车试验场,几种越野汽车锁止式差速器性能比较2、天大、军事交通学院,轻型越野汽车限滑差速装置选型分析(从转矩分配系数、附着系数利用率、安全性等方面进行原理对比分析)3、华中理工大,限滑差速器楔角的最优化设计(摩擦片式防滑差速器楔角参数优化)4、太原矿机厂研究所,No-spin防滑差速器技术分析(强制锁止式差速器、牙嵌式防滑差速器结构分析)