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1、汽汽 车车 设设 计计合肥工业大学汽车教研室马恒永合肥工业大学汽车教研室马恒永防滑差速器设计防滑差速器设计9.4.4 防滑差速器设计防滑差速器设计、防滑差速器与汽车防滑控制系统、防滑差速器与汽车防滑控制系统、防滑差速器结构形式与应用、防滑差速器结构形式与应用、防滑差速器、防滑差速器性能评价指标与计算性能评价指标与计算、差速器、差速器壳体有限元分析壳体有限元分析1 1、防滑差速器与汽车防滑控制系统、防滑差速器与汽车防滑控制系统n 普通普通差速器差速器n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
2、速，并将动力分配的左、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。但给左、右驱动轮。但普通差速器的普通差速器的“差速不差扭差速不差扭” ” 即等转矩分配性即等转矩分配性能，却严重影响了汽车的通过性、牵引性和行驶安全性。能，却严重影响了汽车的通过性、牵引性和行驶安全性。n为了克服普通差速器的缺点，改善汽车的通过性、牵引性和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行驶安全性一般采用强制锁止式差速器强制锁止式差速器和和防滑差速器防滑差速器；为了更好地；为了更好地提高汽车动力性和行驶安全性能，发展了提高汽车动力性和行驶安全性能，发展了汽车汽车防滑控
3、制系统防滑控制系统。n 强制锁止式差速器强制锁止式差速器普通差速器差速锁普通差速器差速锁n 防滑差速器防滑差速器差速器自锁防滑结构差速器自锁防滑结构n 汽车汽车防滑控制系统防滑控制系统制动防抱死系统制动防抱死系统( (ABS) )和驱动和驱动防滑系统防滑系统( (ASR) )的统称，有简称的统称，有简称ABS/ASR。强制锁止式差速器强制锁止式差速器n 强制锁止式差速器强制锁止式差速器普通差速器差速锁普通差速器差速锁n必要时将差速器锁止，令其不起差速器作用必要时将差速器锁止，令其不起差速器作用。n结构简单、易于制造；但往往要停车挂锁或脱锁，结构简单、易于制造；但往往要停车挂锁或脱锁，操作不便，
4、当在好路段行驶时如未及时脱锁则将产生操作不便，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。无差速器的一系列问题。n 强制锁止式差速器强制锁止式差速器典型结构：典型结构：P365, 图图9-82, 83防滑差速器防滑差速器n 防滑差速器防滑差速器差速器自锁防滑结构差速器自锁防滑结构n防滑差速器防滑差速器是一种是一种能克服能克服普通差速器普通差速器等转矩分配等转矩分配的的缺点，并同时具有普通差速功能的差速器。缺点，并同时具有普通差速功能的差速器。n当汽车左、右驱动轮在不同地面附着条件下行驶时，当汽车左、右驱动轮在不同地面附着条件下行驶时，防滑差速器防滑差速器可以设法可以设法（自动或通
5、过控制）（自动或通过控制）使使大部分转矩甚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至全部转矩分配给附着条件相对比较好的一侧驱动轮，从，从而改善了汽车的通过性、牵引性和行驶安全性。有称而改善了汽车的通过性、牵引性和行驶安全性。有称自锁自锁差速器差速器、限滑差速器。限滑差速器。防滑差速器工作原理防滑差速器工作原理慢速侧慢速侧快速侧快速侧汽车防滑控制系统（汽车防滑控制系统（ABS/ASR）n 汽车防滑控制系统汽车防滑控制系统驱动防滑系统驱动防滑系统( (ASR) )和制动防和制动防抱死系统抱死系统( (ABS) )的统称，有简称的统称，有简称ABS/ASR。n 驱动防滑系统驱动防滑
6、系统n汽车驱动过程中防止驱动车轮发生滑转的控制系统称为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驱动防滑转系统防滑转系统(Acceleration Slip Regulation)，简称简称ASR。它是通过调。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，所以也被称为牵引牵引力控制系统力控制系统(Traction Control System)，简称，简称TCS。ASR可以利用已可以利用已有的有的ABS和发动机电子控制系统和发动机电子控制系统来实现！来实现！n 防滑控制系统应用防滑控制系统应用n一般首先是装备一般首先是装备A
7、BS（国外轿车和轻型货车几乎国外轿车和轻型货车几乎100%），而，而后装备后装备ABS/ASR；在大型客车和货车上，；在大型客车和货车上，ABS也在迅速地普及，有也在迅速地普及，有些也装备了些也装备了ASR 。目前国外有形式多样、价格档次不同的多种防滑。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。控制系统，可供不同档次的汽车进行选择装备。2 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结构形式锁紧系数锁紧系数评价与应用评价与应用普通差速器普通差速器1.11.5等转矩分配等转矩分配？
8、强制锁止式强制锁止式简单，操作不便简单，操作不便？越野、重型车用越野、重型车用高摩擦式高摩擦式5结构简单、工作平稳、工艺继承性好结构简单、工作平稳、工艺继承性好轿车、轻型车用轿车、轻型车用36结构复杂、制造要求高、磨损大结构复杂、制造要求高、磨损大？蜗轮式蜗轮式69全轮驱动轴间与非转向驱动桥轮间全轮驱动轴间与非转向驱动桥轮间牙嵌式牙嵌式传递转矩有脉动传递转矩有脉动？中、重型车用中、重型车用滚子式滚子式接触应力大接触应力大？越野车、轻型车用越野车、轻型车用1.31.5P379摩擦片式摩擦片式预压弹簧式预压弹簧式滑块凸轮式滑块凸轮式蜗蜗 轮轮 式式自由轮式自由轮式变传动比式变传动比式摩擦片（盘）式
9、防滑差速器摩擦片（盘）式防滑差速器F1行星齿轮半轴行星齿轮半轴齿轮啮合齿轮啮合轴向力轴向力F1利用主从摩擦片（盘）间利用主从摩擦片（盘）间相对滑转产生大的内摩擦力矩相对滑转产生大的内摩擦力矩摩擦片（盘）式防滑差速器摩擦片（盘）式防滑差速器行星齿轮轴差速器壳压力盘行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽形槽F1行星齿轮半轴行星齿轮半轴齿轮啮合齿轮啮合轴向力轴向力F2行星齿轮轴差速器壳压力盘行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽形槽压力压力 F1F1F1F2F2F2弹簧预压弹簧预压摩擦片（盘）式防滑差速器摩擦片（盘）式防滑差速器利用预压紧弹簧压紧摩擦片（盘）产利用预压紧弹簧压紧摩擦片（盘）产生大的内摩擦力矩生大的内摩擦
10、力矩圆柱螺旋弹簧增载式圆柱螺旋弹簧增载式车桥厂样品车桥厂样品F3F3F3F1F1F1F1行星齿轮半轴行星齿轮半轴齿轮啮合齿轮啮合轴向力轴向力F3弹簧弹簧压紧力压紧力 弹簧预压弹簧预压摩擦片（盘）式防滑差速器摩擦片（盘）式防滑差速器弹簧弹簧、行星齿轮轴压力盘行星齿轮轴压力盘形槽形槽F1行星齿轮半轴行星齿轮半轴齿轮啮合齿轮啮合轴向力轴向力F2行星齿轮轴差速器壳压力盘行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽形槽 F3弹簧弹簧压紧力压紧力F3F1F2圆柱螺旋弹簧增载式圆柱螺旋弹簧增载式弹簧预压摩擦式弹簧预压摩擦式卸载式卸载式F1行星齿轮半轴行星齿轮半轴齿轮啮合齿轮啮合轴向力轴向力F2弹簧弹簧压紧力压紧力F1F2碟
11、形弹簧卸载式碟形弹簧卸载式弹簧预压摩擦式弹簧预压摩擦式卸载式卸载式F1行星齿轮半轴行星齿轮半轴齿轮啮合齿轮啮合轴向力轴向力F2弹簧弹簧压紧力压紧力F2碟形弹簧卸载式碟形弹簧卸载式猎豹猎豹弹簧预压式防滑差速器弹簧预压式防滑差速器圆柱螺旋弹簧圆柱螺旋弹簧碟形弹簧碟形弹簧利用预压紧弹簧压紧摩擦片利用预压紧弹簧压紧摩擦片或锥面产生大的内摩擦力矩或锥面产生大的内摩擦力矩江苏江苏-50-50拖拉机拖拉机防滑差速器防滑差速器车桥厂车桥厂防滑差速器样品防滑差速器样品弹簧预压式防滑差速器弹簧预压式防滑差速器圆柱螺旋弹簧增载式圆柱螺旋弹簧增载式碟形弹簧卸载式碟形弹簧卸载式利用预压紧弹簧压紧摩擦锥面产利用预压紧弹簧
12、压紧摩擦锥面产生大的内摩擦力矩生大的内摩擦力矩弹簧预压摩擦片式防滑差速器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利用预压紧弹簧压紧摩擦片产生大的内摩擦力矩产生大的内摩擦力矩江苏江苏-50-50拖拉机拖拉机车桥厂样品车桥厂样品滑块凸轮式防滑差速器滑块凸轮式防滑差速器凸轮套凸轮套滑块滑块利用滑块与凸轮套之间利用滑块与凸轮套之间产生大的内摩擦力矩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蜗轮式防滑差速器蜗轮式防滑差速器托森式防滑差速器托森式防滑差速器奥迪奥迪80/90轿车轴间差速器轿车轴间差速器丰田丰田Celica Gt-Four轮间差速器轮间差速器利用蜗轮蜗杆副的螺旋角与摩擦角产
13、生大的内摩擦力矩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牙嵌式自由轮防滑差速器控制闭锁式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防滑差速器与方向盘联动（液压或电控操纵）（液压或电控操纵）各种摩擦式防滑差速器性能各种摩擦式防滑差速器性能TTLTH摩擦片式摩擦片式弹簧预压式弹簧预压式弹簧预压摩擦片式弹簧预压摩擦片式普通差速器普通差速器汽车的传动装置预压量预压量增载式防滑差速器性能增载式防滑差速器性能普通差速器普通差速器拖拉机及类似车辆传动系弹簧预压弹簧预压摩擦片式摩擦片式( (增载式增载式) )转矩增值量转矩增值量r=1TLTd卸载式防滑差速器性能卸载式防
14、滑差速器性能普通差速器普通差速器拖拉机及类似车辆传动系弹簧预压式弹簧预压式（卸载式）（卸载式）转矩增值量转矩增值量r=1TLTd3、防滑差速器性能评价指标与计算、防滑差速器性能评价指标与计算q 防滑差速器锁紧系数和扭矩分配系数防滑差速器锁紧系数和扭矩分配系数q 差速器效率和差速器传动效率差速器效率和差速器传动效率q 摩擦式防滑差速器性能摩擦式防滑差速器性能q 防滑差速器内摩擦力矩防滑差速器内摩擦力矩Trr=F f Rf ZF作用与摩擦表面的压力，以产生内摩擦力矩。防滑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，差速器的结构型式不同，F力的构成不同！力的构成不同！q 防滑差
15、速器锁紧系数防滑差速器锁紧系数与转矩分配系数与转矩分配系数定义定义 按按汽车工程手册（设计篇）汽车工程手册（设计篇）、拖拉机设计手册拖拉机设计手册、汽车构造汽车构造等定义：等定义：=T2T1（k =TrT0 =（T2T1）T0，）=T2T0（kb= T2T1 ，k=TrT0，）防滑差速器锁紧系数与转矩分配系数防滑差速器锁紧系数与转矩分配系数王望予王望予汽车设计汽车设计等等q 防滑差速器效率防滑差速器效率0 0 =T1T2=1Kq 防滑差速器传动效率防滑差速器传动效率 =（T1n1T2n2）（）（T0n0）防滑差速器效率与传动效率防滑差速器效率与传动效率0 =（T1n1）/（T2n2）（按（按拖
16、拉机设计手册拖拉机设计手册定义）定义）各种摩擦式防滑差速器性能各种摩擦式防滑差速器性能TTLTH摩擦片式摩擦片式弹簧预压式弹簧预压式弹簧预压摩擦片式弹簧预压摩擦片式普通差速器普通差速器汽车的传动装置预压量预压量增载式防滑差速器性能增载式防滑差速器性能普通差速器普通差速器拖拉机及类似车辆传动系弹簧预压弹簧预压摩擦片式摩擦片式( (增载式增载式) )转矩增值量转矩增值量r=1TLTd卸载式防滑差速器性能卸载式防滑差速器性能普通差速器普通差速器拖拉机及类似车辆传动系弹簧预压式弹簧预压式（卸载式）（卸载式）转矩增值量转矩增值量r=1TLTd摩擦片式防滑差速器摩擦片式防滑差速器性能计算方法性能计算方法F
17、1行星齿轮半轴齿轮啮合轴向力行星齿轮半轴齿轮啮合轴向力F2弹簧压紧力弹簧压紧力 无预压机构摩擦式（无预压机构摩擦式（F1） F2F2F1F1F1 弹簧预压摩擦式（弹簧预压摩擦式（F1, F2） F作用与摩擦表面的压力计算作用与摩擦表面的压力计算 行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽（F1，F3）F1行星齿轮半轴齿轮啮合轴向力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形槽压力行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽压力 F1F1F1F3F3F3 弹簧预压弹簧预压、行星齿轮轴压力盘形槽行星齿轮轴压力盘形槽 （F1，F2，F3）F1行星齿轮半轴齿轮啮合轴向力行星齿轮半轴齿轮啮合轴
18、向力F2弹簧压紧力弹簧压紧力F3行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽行星齿轮轴差速器壳压力盘形槽 F2F1F3 弹簧预压摩擦式卸载式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行星齿轮半轴齿轮啮合轴向力F2弹簧压紧力弹簧压紧力F1F2防滑差速器锁紧系数计算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
19、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=720800.000000q计算结果：防滑差速器的锁紧系数:2.317224、防滑差速器壳体有限元分析、防滑差速器壳体有限元分析q 差速器壳体有限元分析模型差速器壳体有限元分析模型q 计算模型计算模型q 计算载荷计算载荷q 边界约束边界约束q 差速器壳体有限元初步分析结果差速器壳体有限元初步分析结
20、果Ansys有限元有限元模型模型防滑差速器壳体有限元分析模型防滑差速器壳体有限元分析模型UG3D3D模型模型UG3D3D简化模型简化模型防滑差速器壳体有限元分析防滑差速器壳体有限元分析q 载荷工况载荷工况三种工况三种工况工况工况1：防滑差速器为普通差速器工况，不考虑差速器内摩擦；：防滑差速器为普通差速器工况，不考虑差速器内摩擦；工况工况2：汽车左侧车轮严重打滑，右侧附着条件好，防滑差速器工：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；作，考虑差速器内摩擦，右壳承受的转矩较大；工况工况3：汽车右侧车轮严重打滑，左侧附着条件好，防滑差速器：汽车右侧车
21、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。工作，考虑差速器内摩擦，左壳承受的转矩较大。q 计算载荷计算载荷（计算载荷计算载荷）防滑差速器壳体有限元分析防滑差速器壳体有限元分析壳体左、右半轴齿轮接触端壳体左、右半轴齿轮接触端面的均布载荷面的均布载荷P1、P2；壳内行星齿轮止推端面的均布载荷壳内行星齿轮止推端面的均布载荷P3；壳体法兰盘螺孔处后桥大齿轮的等效圆周力壳体法兰盘螺孔处后桥大齿轮的等效圆周力FT1；壳体后桥大齿轮安装孔处大齿轮等效径向均布载荷壳体后桥大齿轮安装孔处大齿轮等效径向均布载荷P0；壳体后桥大齿轮安装孔处大齿轮等效轴向力壳体后桥大齿轮安装孔
22、处大齿轮等效轴向力Fa；壳体内左、右半轴齿轮端面摩擦力的等效圆周力壳体内左、右半轴齿轮端面摩擦力的等效圆周力FT2（计算载荷计算载荷）防滑差速器壳体有限元分析防滑差速器壳体有限元分析差速器壳左、右轴承轴颈表面均施加了差速器壳左、右轴承轴颈表面均施加了X、Y两方向的约束；两方向的约束；差速器壳左半轴轴承安装端面施加一个差速器壳左半轴轴承安装端面施加一个Z向约束；向约束；再考虑到差再考虑到差速器壳体的转矩作用，在行星齿轮轴孔速器壳体的转矩作用，在行星齿轮轴孔处加了处加了Y向的约束。向的约束。（边界约束边界约束）防滑差速器壳体有限元分析防滑差速器壳体有限元分析（初步分析结果初步分析结果工况工况 ）应力云图应力云图位移云图位移云图防滑差速器设计计算程序防滑差速器设计计算程序总体设计总体设计q 程序功能程序功能q 防滑差速器性能分析防滑差速器性能分析q 防滑差速器参数优化设计防滑差速器参数优化设计q 差速器锥齿轮、花键、轴承等零件设
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