CN101482166A - 用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器。旨在克服现有技术存在的过长时间运行差速器的行星齿轮(3)与行星齿轮轴(4)之间严重滑磨而导致差速器的行星齿轮(3)与半轴齿轮不正确啮合的问题。其包括差速器壳体(1)、左半轴齿轮(2)、行星齿轮(3)、行星齿轮轴(4)、滚针(5)与右半轴齿轮(6)。增设的滚针(5)均匀地安装在差速器的行星齿轮(3)轴孔与行星齿轮轴(4)轴端之间，滚针(5)对称轴线与行星齿轮轴(4)的对称轴线和行星齿轮(3)轴孔的对称轴线平行，滚针(5)的圆柱面与滚针(5)内侧行星齿轮轴(4)轴端的圆柱面和滚针(5)外侧差速器的行星齿轮(3)轴孔内圆柱面为同时接触的滚动连接。

Description

用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器

技术领域

本发明涉及一种混合动力汽车的动力耦合装置，更具体地说，本发明涉及一种用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器。

背景技术

节能与环保是21世纪汽车发展的两大主题，电动汽车是传统燃油内燃机汽车的理想替代品，但受蓄电池能量的限制以及燃料电池高成本的约束，混合动力汽车可视为一种综合解决上述问题的可行方案。混合动力汽车是由两种或两种以上动力源提供动力，当前比较普遍的方案是采用发动机与电动机、发电机进行组合。如何实现混合动力汽车发动机与电动机、发电机之间的动力分配，是发展混合动力汽车必须解决的关键问题之一。

利用差速器作为混合动力汽车用的动力耦合装置，能够实现混合动力汽车连续型串并联驱动形式，通过调节发电机的转速、转矩可使发动机工作在最佳效率点，彻底解决了传统发动机由于与车轮的机械连接造成的工作点效率低下的问题，从而实现电动无级连续变速(ECVT)的控制性能。利用高转矩特性的电动机实现传统变速器的增加转矩功能，可消除变速器、离合器等机构，使整车动力传动***得到极大简化。通过合理控制发电机输出功率，可实现行车过程中实时调节电池SOC(电量状态)的功能。

由于汽车传统差速器的行星齿轮自转转速较小，且运动时间较短，因此汽车传统差速器的行星齿轮与行星齿轮轴之间无任何连接部件，仅靠两者之间的驱动桥润滑油就能改善其相对运动时的滑磨。目前所提出的润滑方法包括：适当增加差速器零部件的配合间隙，增大孔与轴接触线上的压力角，形成有效楔形间隙，促进油膜形成；在半轴齿轮、行星齿和十字轴上增加油道，使飞溅的油滴迅速进入摩擦表面，构成较好的润滑环境；对齿轮轴进行磷化处理，保证初始的润滑磨合；加装流体输送装置，利用可控压力调节机构对差速器进行润滑；设置润滑油池，保证润滑。

但当传统差速器用作混合动力汽车动力耦合装置时，其左右输出半轴始终存在较大转速差，差速器行星齿轮及行星齿轮轴依靠上述润滑方法只能维持短时间的相对转动，否则会出现两者之间的严重滑磨，导致差速器行星齿轮与半轴齿轮的不正确啮合，甚至出现轮齿损坏，不但大大降低了差速器的寿命，且影响汽车的正常动力传递。目前的专利发明中，均没有对差速器用作混合动力汽车动力耦合装置时的润滑问题提出解决方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的传统差速器过长时间运行会出现差速器的行星齿轮与行星齿轮轴之间严重滑磨而导致差速器的行星齿轮与半轴齿轮不正确啮合的问题，提供一种能够成为混合动力汽车的用作动力耦合装置的差速器。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器包括差速器壳体、左半轴齿轮、右半轴齿轮、行星齿轮与行星齿轮轴，行星齿轮分别套装在行星齿轮轴的端部。在行星齿轮轴孔和行星齿轮轴轴端之间均匀地安装有滚针，滚针的对称轴线与行星齿轮轴的对称轴线和行星齿轮轴孔的对称轴线平行，滚针的圆柱面与滚针内侧行星齿轮轴轴端的圆柱面和滚针外侧行星齿轮轴孔的内圆柱面为同时接触的滚动连接。

技术方案中在所述的差速器的行星齿轮轴的轴端处加工有防止滚针脱落的轴肩，即在行星齿轮轴轴端处加工一个横截面为矩形的圆环凹槽，圆环凹槽的对称轴线与行星齿轮轴的对称轴线共线；所述的行星齿轮轴采用的是直轴或者是十字形轴；所述的在行星齿轮轴孔与行星齿轮轴轴端之间均匀地安装的滚针能够被滚针轴承替换。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.利用对传统差速器结构上的改进，实现了将差速器用作混合动力汽车的动力耦合装置，从而大大简化了混合动力汽车动力耦合装置的全新设计与试制，节省时间，节约开销。

2.本发明将传统差速器行星齿轮轴的轴端圆柱面和行星齿轮的轴孔内圆柱面之间的滑动摩擦改进为滚动摩擦，可有效提高传统差速器最大转速差的限制，使得传统差速器左、右半轴齿轮之间转速差超过2500rpm而不会出现原传统差速器的严重滑磨情况，以完全满足其用作混合动力汽车动力耦合装置对转速的需求。并且还能有效传递整车动力性所要求的转矩，使改进后的传统差速器能够有效、可靠传递动力。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器的结构示意图；

图2是用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器中直轴式的行星齿轮轴的受力图；

图中：1.差速器壳体，2.左半轴齿轮，3.行星齿轮，4.行星齿轮轴，5.滚针，6.右半轴齿轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1，本发明所述的用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器是对传统的差速器进行了局部结构的改进设计，具体的说，为了改善差速器的行星齿轮3轴孔与行星齿轮轴4的轴端之间相对高速运转时的摩擦工况，在差速器的行星齿轮3轴孔与行星齿轮轴4的轴端之间均匀地安装有一定数量与一定大小的滚针5。设置时滚针5的对称轴线与行星齿轮轴4的对称轴线和行星齿轮3轴孔的对称轴线应平行，滚针5的圆柱面与滚针5内侧行星齿轮轴4轴端的圆柱面和滚针5外侧差速器的行星齿轮3轴孔的内圆柱面应同时接触成滚动连接。为了使这种结构更好地工作，应对差速器的行星齿轮3轴孔和行星齿轮轴4轴端，即对差速器的行星齿轮3轴孔和对与行星齿轮3轴孔相配合的行星齿轮轴4部分进行热处理加工，使差速器的行星齿轮3的轴孔和行星齿轮轴4轴端的硬度达到HRC60，增加差速器的行星齿轮3的轴孔与行星齿轮轴4轴端的硬度，和滚针5的硬度(HRC60)相匹配，从而增加了用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器的使用效果与寿命。另一方面在差速器的行星齿轮轴4的轴端处加工有防止滚针5脱落的轴肩。也就是在差速器的行星齿轮轴4的轴端处加工一个横截面为矩形的圆环凹槽，圆环凹槽的对称轴线与行星齿轮轴4的对称轴线要共线。一般的情况下差速器的行星齿轮轴4是一个直轴(用在小型车上)或者是一个呈十字形的垂直相交轴即十字形轴(用在大、中型车上)。对于直轴就在直轴的两端处分别加工一个结构与尺寸大小相同的圆环凹槽，而对于十字形轴就应该在十字形的垂直相交轴的四个轴端分别加工一个结构与尺寸大小相同的圆环凹槽，本发明中所列举的设计计算的实施例就是采用一个直轴的差速器。将滚针5安装在圆环凹槽中以免差速器运行时滚针5从行星齿轮3的轴孔与行星齿轮轴4的轴端之间脱落。这样行星齿轮3的轴孔与行星齿轮轴4的轴端之间的连接由原来的滑动连接变为行星齿轮3的轴孔与行星齿轮轴4的轴端分别与滚针5的滚动连接，这必将大大地改善行星齿轮3的轴孔与行星齿轮轴4的轴端相对高速运转时的摩擦关系，避免出现严重滑磨问题。

下面以中国第一汽车集团公司生产的型号为CA6440的差速器为例说明如何将其改进成为用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器：

该差速器包括有差速器壳体1、左半轴齿轮2、行星齿轮3、直轴式的行星齿轮轴4与右半轴齿轮6，结构改进设计前，2个行星齿轮3通过轮心处的轴孔套装在直轴式的行星齿轮轴4的两端成滑动连接。结构改进设计后，在行星齿轮3的轴孔与行星齿轮轴4的轴端之间均匀设置有一定数量的滚针。滚针的大小和数量如何选择呢？

1.滚针尺寸规格和数量的设计选择

参阅图1，滚针5的尺寸规格本着满足滚针5承受的载荷和转速特性的基础之上尽可能选择直径较小滚针为原则，最终选择滚针5的尺寸规格为：滚针5的直径：2mm，滚针5的长度：20mm，滚针5的内滚道直径(即行星齿轮轴4的轴端加工圆环凹槽后的轴径)：φ15mm。采用滚针5的数量以满针结构来提高滚针的负荷能力，且保证合理的间隙，能够利于滚针5正常工作并延长滚针的使用寿命。一般推荐滚针5之间的最小间隙为0.025mm，总间隙量的最大值为(0.5～0.7)d_z，d_z为滚针5的直径。根据此经验，选取行星齿轮3与行星齿轮轴4之间滚针各参数为：滚针5的直径：d_z＝2mm，滚针5的个数Z＝31，滚针5的有效长度L_we＝20mm，滚针5之间的间隙s＝0.27mm。

2.行星齿轮轴的设计计算

根据所选滚针5的各参数，差速器的行星齿轮轴4与差速器的行星齿轮3的配合部分直径为φ15，其余部分保持φ19，行星齿轮3的轴孔深度为21mm。行星齿轮轴4采用的原材料：2OCrMnTi。

由于行星齿轮轴4局部直径变细，所以须根据上述行星齿轮轴4的尺寸及原车差速器各部件的结构参数，对改型之后的行星齿轮轴4进行剪切强度和弯曲强度校核。

参阅图2，分析行星齿轮轴4的受力。由于差速器壳体1转矩T_j的作用，在行星齿轮轴4的两端产生相应的切向力F₀，且T_j＝F₀L′。同时，行星齿轮轴4在工作中承受着来自行星齿轮3的切向力F_r。

根据力矩平衡：

F₀L′+F_rL₀＝F_r(L′-L₀)

所以：

$F_r=\frac{F_{0}L\′}{L\′-2L_0}$

从差速器壳体1的受力分析可知：

T_j＝F₀L′

所以：

$F_r=\frac{T_j}{L\′-{2L}_0}$

式中：

T_j—由主减速器从动行星齿轮传递到差速器壳体1上的转矩，单位是N·m，本发明发动机扭矩直接输入差速耦合***，所以T_j＝102单位是N·m。

L′—行星齿轮轴两端受力点之间的距离，单位是mm

L₀—F_r力作用点距行星齿轮轴端部受力点的距离，单位是mm。

行星齿轮轴4轴颈根部，即断面变化处的弯曲应力σ_w和剪切应力τ分别为：

$\mathrm{\τ}=\frac{F_r}{A}=\frac{{4F}_r}{{{\mathrm{\πd}}_2}^2}=70.896$   单位是MPa

${\mathrm{\σ}}_w=\frac{M}{W}=\frac{{32F}_0{L}_0}{{{\mathrm{\πd}}_2}^3}=84.6$  单位是MPa

式中：

M—计算断面处行星齿轮轴所受弯矩，单位是N·m

W—轴的抗弯截面系数， $W=\frac{{\mathrm{\πd}}^3}{32}\≈{0.1d}^3$

d₂—行星齿轮轴与滚针配合处直径，单位是mm。

行星齿轮轴4由2OCrMnTi低碳合金钢制造，经渗碳淬火，表面硬度HRC58-65。其剪切应力应不大于80～120MPa。由此可见，改进设计之后加工的行星齿轮轴满足剪切强度要求。

经查表，2OCrMnTi低碳合金钢的许用弯曲应力[σ_w]＝291～315MPa。可见，满足轴的弯曲强度要求。

综上所述，尽管改型后的行星齿轮轴直径变小，但由于发动机扭矩不经过任何减速增扭部件直接作用于差速器，所以改进设计后的行星齿轮轴4完全满足强度要求。

3.滚针寿命校验

根据《机械设计手册》中轴承寿命的计算公式，校验滚针寿命：

$L_{10h}=\frac{{10}^6}{60n}{\left(\frac{C}{P}\right)}^{\mathrm{\ϵ}}$

式中：

L_10h—滚针的使用寿命，单位是h

C—滚针的额定动载荷，单位是N

P—滚针的当量动载荷，单位是N，此处滚针只承受纯径向载荷，故P＝F_r

n—滚针的转速，单位是r/min

ε—寿命指数，ε＝10/3

滚针的转速n，即行星齿轮自转速度，通过对差速器进行转速关系分析，有：

$n=\mathrm{\Δn}\frac{Z_2}{{2Z}_1}$

式中：

Δn—两半轴齿轮转速差，单位是r/min

Z₁—行星齿轮齿数

Z₂—半轴齿轮齿数

根据两半轴齿轮平均转速差，计算行星齿轮平均自转速度为：

$n=\mathrm{\Δn}\frac{Z_1}{{2Z}_2}=1022\frac{16}{2\×11}=744r/\min$

滚针的额定动载荷：

C＝f_c(iL_wecosα)^7/9Z^3/4d_z ^29/27

式中：

f_c—系数，经过查表，f_c＝84.2

i—滚动体列数，i＝1

α—接触角，α＝0

将所选滚针参数代入上式，计算得C＝23936N。

最终，计算滚针使用寿命为：

$L_{10h}=\frac{{10}^6}{60n}{\left(\frac{C}{P}\right)}^{\mathrm{\ϵ}}=55125,$ 单位h

滚针的使用寿命L_h可按汽车以平均车速v_am行驶至大修前的总行驶里程S来计算：

$L_h=\frac{S}{v_{\mathrm{am}}},$ 单位h

式中的平均车速可取v_am≈0.6v_max，按最高车速为160km/h，S＝200000km，计算得L_h＝21h。可见滚针的使用寿命满足要求。

4.行星齿轮齿面接触疲劳强度校核

由于行星齿轮在汽车差速器的工作中经常只起等臂推力杆的作用，因此对差速器齿轮主要进行弯曲强度计算，而对疲劳寿命则不予考虑。但当用作混合动力耦合***时，由于一直存在较大的转速差，所以必须对行星齿轮进行疲劳强度校核。

根据《机械设计手册》对于锥齿轮，且两锥齿轮轴线交角∑＝90度时，齿面接触疲劳强度为：

${\mathrm{\σ}}_H=\sqrt{\frac{F_t{K}_A{K}_V{K}_{\mathrm{H\β}}{K}_{\mathrm{H\α}}\sqrt{u^2+1}}{0.85{\mathrm{bd}}_{m1}u}}\×Z_H{Z}_E{Z}_{\mathrm{\ϵ\β}}{Z}_K$

其中，K_A-使用系数；K_V-动载荷系数；F_t-行星齿轮中点分度圆的切向力；K_Hβ-齿向载荷分布系数；K_Hα-齿间载荷分布系数； $u=\frac{z_2}{z_1};$ b-齿宽；d_m1-行星齿轮平均分度圆直径；Z_H-节点区域系数；z_E-弹性系数；Z_εβ-重合度系数。Z_K-锥齿轮系数。

许用接触应力：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{HP}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Hlim}}}{S_{H\min }}\×Z_N{Z}_{\mathrm{LvR}}{Z}_X{Z}_W$

其中，σ_Hlim-试验齿轮的接触疲劳极限；S_Hmin-安全系数；z_N-寿命系数，Z_LvR-润滑油膜影响系数；Z_X-尺寸系数；Z_W-工作硬化系数。

由于汽车差速器齿轮轮齿的要求精度较低，所以精锻差速器齿轮工艺被广泛应用。据调研，目前汽车差速器行星齿轮、半轴齿轮的加工精度参数为：齿面粗糙度Ra0.8，精度等级8-GB11365。结合行星齿轮的加工精度等级，根据有关行星齿轮几何尺寸计算公式及方法，计算得齿面接触疲劳强度σ_H＝1706MPa，许用接触应力σ_HP＝1710MPa，可见，σ_H<σ_HP，即由于差速耦合***的行星齿轮存在较高转速，以当前行星齿轮的加工方法及加工精度能够满足混合动力汽车差速耦合***的行星齿轮疲劳寿命要求。

本发明一是旨在说明差速耦合***及其结构改进设计的可行性，二是通过试验进行验证，当前差速器的行星齿轮疲劳寿命能满足试验要求。本发明所述的用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器向产业化推广时，则上述的计算程序、计算内容和强度校核等均可作为向产业化推广改进设计和精加工的分析依据。

5.结论

通过上述分析表明，对传统差速器进行局部结构改进设计，在差速器行星齿轮与行星齿轮轴之间装配滚针，可解决传统差速器用作混合动力汽车动力耦合***时出现的严重滑磨问题，避免了汽车动力传动效率的损失及差速器使用寿命的减少。

通过上述的改进设计和计算，一是我们得到即加工出所需要的一组滚针，均匀地安装在行星齿轮3的轴孔与行星齿轮轴4的轴端之间，制造出能够用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器。二是当我们所设计的一组滚针无论从承载能力上还是从尺寸大小上能被标准的滚针轴承替代，那么也可以选用标准的滚针轴承，将标准的滚针轴承安装在行星齿轮3的轴孔与行星齿轮轴4的轴端之间，同样提供一种用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器。

Claims (4)

1.一种用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器，包括差速器壳体(1)、左半轴齿轮(2)、右半轴齿轮(6)、行星齿轮(3)与行星齿轮轴(4)，行星齿轮(3)套装在行星齿轮轴(4)的端部，其特征是在行星齿轮(3)轴孔和行星齿轮轴(4)轴端之间均匀地安装有滚针(5)，滚针(5)的对称轴线与行星齿轮轴(4)的对称轴线和行星齿轮(3)轴孔的对称轴线平行，滚针(5)的圆柱面与滚针(5)内侧行星齿轮轴(4)轴端的圆柱面和滚针(5)外侧行星齿轮(3)轴孔的内圆柱面为同时接触的滚动连接。

2.按照权利要求1所述的用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器，其特征是在差速器的行星齿轮轴(4)轴端处加工有防止滚针(5)脱落的轴肩，即在行星齿轮轴(4)轴端处加工一个横截面为矩形的圆环凹槽，圆环凹槽的对称轴线与行星齿轮轴4的对称轴线共线。

3.按照权利要求1所述的用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器，其特征是所述的行星齿轮轴(4)采用的是直轴或者是十字形轴。

4.按照权利要求1所述的用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器，其特征是在行星齿轮(3)轴孔与行星齿轮轴(4)轴端之间均匀地安装的滚针(5)能够被滚针轴承替换。

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