CN201666343U - 用作混联式混合动力车辆动力耦合装置的差速器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用作混联式混合动力车辆动力耦合装置的差速器，克服行星齿轮(3)及行星齿轮轴(4)间的滑磨问题。其包括差速器壳体(1)、半轴齿轮(2)、行星齿轮(3)、行星齿轮轴(4)、轴承盖(5)、滚动轴承(6)与垫片(7)。行星齿轮轴(4)一端装入行星齿轮(3)轴孔中，行星齿轮轴(4)和行星齿轮(3)轴孔间为过盈配合，行星齿轮轴(4)另一端通过一对滚动轴承(6)装入差速器壳体(1)上、下孔内，两根行星齿轮轴(4)的回转轴线共线并和半轴齿轮(2)的回转轴线垂直相交。轴承盖(5)与垫片(7)固定在差速器壳体(1)上、下孔外端凸台的端面上。行星齿轮(3)背面和差速器壳体(1)内壁间设置有间隙。

Description

用作混联式混合动力车辆动力耦合装置的差速器

技术领域

本实用新型涉及一种动力耦合装置，更具体地说，本实用新型涉及一种用作混联式混合动力车辆动力耦合装置的差速器。

背景技术

当今环境污染和能源匮乏问题日益严重，对汽车降低燃油消耗和改善尾气排放的要求越来越迫切，因此电动汽车技术逐步成为汽车研究和开发的趋势。但是由于现阶段电池技术不够成熟，纯电动汽车(EV)的研制与发展受到了很大的限制。混合动力电动汽车(HEV——Hybrid Electric Vehicle，一般指的是油电混合动力汽车)作为传统燃油汽车和纯电动汽车之间的过渡产物在解决环保和能源问题方面的潜力在世界范围内受到广泛的认可，不仅成为汽车动力研究中的热点，也成为很多汽车厂家当下和未来发展的重点。

当前比较普遍的混合动力汽车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，促进油磨形成；在半轴齿轮、行星齿轮和行星轴上增加油道，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。目前的专利文献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

本实用新型所要解决的技术问题是克服了差速器行星齿轮及行星齿轮轴之间的滑磨问题，提供了一种采用滚动轴承等措施的用作混联式混合动力车辆动力耦合装置的差速器。

为解决上述技术问题，本实用新型是采用如下技术方案实现的：所述的用作混联式混合动力车辆动力耦合装置的差速器包括有差速器壳体、两个结构相同的半轴齿轮、两个结构相同的行星齿轮、两根结构相同的行星齿轮轴、两个结构相同的轴承盖、两对型号为7004C的滚动轴承和两个结构相同的垫片。

两根结构相同的行星齿轮轴的里端装入两个结构相同的行星齿轮上的轴孔中，两个结构相同的行星齿轮轴和两个结构相同的行星齿轮上的轴孔之间为过盈配合连接。两根结构相同的行星齿轮轴的外端分别通过一对型号为7004C的滚动轴承装入差速器壳体的上轴孔与下轴孔内。两根结构相同的行星齿轮轴的回转轴线共线并和两个结构相同的半轴齿轮的回转轴线垂直相交，两个结构相同的垫片与两个结构相同的轴承盖借助螺栓依次固定安装在差速器壳体的上轴孔与下轴孔外端凸台的端面上。

技术方案中所述的两个结构相同的行星齿轮的背面和差速器壳体内壁之间设置有0.5-1.0mm的间隙；所述的两根结构相同的行星齿轮轴的外端分别通过一对型号为7004C的滚动轴承装入差速器壳体的上轴孔与下轴孔内是指：每一对型号为7004C的滚动轴承是一正一反地套装在行星齿轮轴的外端上再装入差速器壳体的上轴孔与下轴孔内，每一对型号为7004C的滚动轴承的内环和行星齿轮轴的外端为过盈配合连接；所述的两个结构相同的轴承盖的一侧设置有圆环凸台，在圆环凸台周围均布有螺栓通孔，两个结构相同的轴承盖一侧的圆环凸台的端面分别和差速器壳体的上轴孔与下轴孔内外侧的滚动轴承的外环端面接触连接。

与现有技术相比本实用新型的有益效果是：

仅对传统差速器进行局部结构改造，就实现了将差速器用作为混合动力汽车的动力耦合装置，起到了事半功倍的作用，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。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：

图1是表示本实用新型所述的采用滚动轴承等措施的用作混联式混合动力车辆动力耦合装置的差速器结构的主视图上的全剖视图；

图2是表示本实用新型所述的用作混联式混合动力车辆动力耦合装置的差速器中的行星齿轮轴的受力图；

图中：1.差速器壳体，2.半轴齿轮，3.行星齿轮，4.行星齿轮轴，5.轴承盖，6.滚动轴承，7.垫片。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细的描述：

为解决差速器行星齿轮轴孔及行星齿轮轴之间的滑磨问题，中国发明专利公开号为CN 101482166A，公开日为2009年2月10日，发明创造名称为“用作混合动力汽车动力耦合装置的差速器”，该案中对传统差速器进行局部结构改造，在差速器行星齿轮的轴孔与行星齿轮轴之间装配滚针以改善两者相对高速运转时的摩擦关系。

但所述的发明专利只是改善了差速器行星齿轮的轴孔与行星齿轮轴之间的摩擦关系，并没有涉及到行星齿轮背面与差速器壳体之间摩擦关系的改善。在实际实验过程中，行星齿轮背面与差速器壳体之间的摩擦产生大量热量并出现滑磨现象。

为解决所述的发明专利存在的问题，本实用新型采用行星齿轮轴4与行星齿轮3的轴孔过盈配合，并通过滚动轴承6安装在差速器壳体1上的孔内，其中轴承盖5限制滚动轴承6的轴向移动，尤其是限制行星齿轮3向轴承盖5方向的移动；通过调整垫片7，可以控制行星齿轮3背面与壳体内壁之间的距离，使行星齿轮3背面和差速器壳体内壁之间留有0.5-1.0mm间隙，避免了行星齿轮3和行星齿轮轴4之间、行星齿轮3的背面和壳体内壁之间的相对高速运转时的摩擦关系。

本实用新型所述的用作混联式混合动力车辆动力耦合装置的差速器根据转速差速、转矩平均分配的原理，使其输入轴连接发动机，两输出轴分别连接电动机与发电机，将发动机动力输出的一半的转矩输出给发电机发电，另一半转矩驱动车轮，实现混合动力汽车的连续型串并联驱动形式。所述功能详见于中国发明专利，专利号为CN 200710055306.7，公开日为2008年2月18日，发明创造名称为“混合动力汽车用的动力耦合装置”。

本实用新型所述的用作混联式混合动力车辆动力耦合装置的差速器主要由差速器壳体1、两个结构相同的半轴齿轮2、两个结构相同的行星齿轮3、两根结构相同的短的行星齿轮轴4、两个结构相同的轴承盖5和两对结构相同的滚动轴承6组成。

参阅图1，本实用新型所述的用作混联式混合动力车辆动力耦合装置的差速器将现有技术的一根长行星齿轮轴替换为两根结构相同的短的行星齿轮轴4，两根结构相同的短的行星齿轮轴4的一端装入两个结构相同的行星齿轮3上的轴孔中，两根结构相同的短的行星齿轮轴4的一端(里端)与两个结构相同的行星齿轮3上的轴孔之间为过盈配合连接。两根结构相同的短的行星齿轮轴4的另一端(外端)分别通过一对型号为7004C的滚动轴承6装入差速器壳体1上的上轴孔与下轴孔内，套装在行星齿轮轴4里端的行星齿轮3和差速器壳体1内的套装在两输出半轴一端的半轴齿轮2相啮合。一对型号为7004C的滚动轴承6是一正一反地套装在行星齿轮轴4的另一端(外端)的圆柱面上，每一对型号为7004C的滚动轴承6的内环和行星齿轮轴4的外端(的圆柱面)为过盈配合连接。安装后的两根结构相同的短的行星齿轮轴4的回转轴线共线并和两输出半轴垂直相交，就是和套装在两输出半轴上的两个结构相同的半轴齿轮2的回转轴线垂直相交。两个结构相同的轴承盖5借助螺栓固定安装在差速器壳体1上的上轴孔与下轴孔的外端凸台的端面上，并在轴承盖5与差速器壳体1上的外端凸台端面之间加入调整垫片7，为便于安装两个结构相同的轴承盖5，先在差速器壳体1加工用来安装两根结构相同的短的行星齿轮轴4的上轴孔与下轴孔的位置处铸造出凸台，然后在上、下凸台上加工安装两根结构相同的短的行星齿轮轴4的上轴孔与下轴孔，安装两根结构相同的短的行星齿轮轴4的上轴孔与下轴孔的孔径比现有技术(前面提到的专利)中安装行星齿轮轴的上轴孔与下轴孔的孔径要大，以便通过一对型号为7004C的滚动轴承6来安装两根结构相同的短的行星齿轮轴4。所述的两个结构相同的轴承盖5的一侧设置有圆环凸台，在圆环凸台周围均布有螺栓通孔，两个结构相同的轴承盖5一侧的圆环凸台的端面分别和差速器壳体1的上轴孔与下轴孔内靠外侧的滚动轴承6的外环端面接触连接。起到限制套装在两根结构相同的短的行星齿轮轴4外端上的一对型号为7004C的滚动轴承6的轴向移动。通过调整垫片7，可以控制行星齿轮3背面与差速器壳体1内壁之间的距离，使行星齿轮3背面和差速器壳体1内壁之间留有0.5-1.0mm间隙，避免了行星齿轮3和行星齿轮轴4之间、行星齿轮3的背面和差速器壳体1内壁之间的相对高速运转时的摩擦关系。

通过上述改型设计，避免了行星齿轮3和行星齿轮轴4之间、行星齿轮3的背面和差速器壳体1之间相对高速运转时由于摩擦而出现的严重滑磨问题；避免了差速器的行星齿轮3与半轴齿轮2的不正确啮合甚至出现轮齿损坏而导致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现象的发生。

滚动轴承选型：

根据受力分析，滚动轴承6需要承受行星齿轮3的轴向力，以及径向力在滚动轴承6处产生的弯矩。再结合行星齿轮轴4和差速器壳体1结构尺寸改动最小的原则，选择滚动轴承6的型号为7004C的角接触滚子轴承，并且成对背靠背(一正一反)地安装。

滚动轴承寿命校验：

参阅图2，分析行星齿轮轴的受力。由于差速器壳体1转矩T_j的作用，差速器壳体1两端相应的切向力为F₀，且T_j＝F₀L₀(F₀、L₀图中均未画出，L₀为两端受力点之间的距离，单位：mm)。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：

F_rL＝F₀L₀＝T_j

所以：

$F_r=\frac{T_j}{L}$

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：N·m，本实用新型发动机1扭矩直接输入差速耦合***，所以T_j＝102，单位：N·m。

L-两个行星齿轮产生的径向力F_r的力作用点之间的距离，63mm。

故：

$F_r=\frac{102N\·m}{63\mathrm{mm}}=1619N$

根据行星齿轮的啮合力关系式

F_a＝F_r tanαsinδ＝545.6N

式中：

α-行星齿轮的压力角，22.5°

δ-行星齿轮的节锥角，35.53°

表1(圆锥滚子)滚动轴承的性能计算

根据《机械设计手册》中轴承寿命的计算公式，校验滚针寿命：

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

式中：

L_10h-轴承的使用寿命，h

C_r-轴承的额定动载荷，N。查手册，C_r＝25kN

P-轴承的当量动载荷，N。表1所列P₁、P₂中较大的，即P＝P₁＝6337.8N

n-轴承的转速，r/min

ε-寿命指数，滚子轴承，ε＝10/3

轴承的转速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，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：

$n=\mathrm{\Δn}\frac{Z_1}{2Z_2}=1022.6\frac{14}{2\×10}=715.8r/\min$

最终，计算滚动轴承寿命为：

$L_{10h}=\frac{{10}^6}{60n}{\left(\frac{C_r}{P}\right)}^{\mathrm{\ϵ}}=2258$ 小时

但本实用新型旨在说明差速耦合***及其结构改型的可行性，且只在试验台层面进行验证。由于试验台试验时间相对汽车行驶时间要短许多，所以当前差速器滚动轴承寿命能满足试验要求。若本实用新型所述的技术方案向产业化推广，则上述寿命校核可为企业提供今后改型和轴承选择的分析依据。

行星齿轮轴设计：

根据原有差速器的尺寸参数，行星齿轮轴的直径为φ20，采用原材料：20CrMnTi。

由于行星齿轮轴改型后，由原来的简支梁变为现在的悬臂梁，所以须对改型之后的行星齿轮轴4进行拉压、弯曲组合强度校核。

滚动轴承1的力的作用点，即断面变化处的拉压、弯曲组合应力σ为：

$\mathrm{\σ}={\mathrm{\σ}}_l+{\mathrm{\σ}}_w=\frac{F_{a1}}{A}\frac{M}{W}=\frac{4f_{a1}}{{\mathrm{\πd}}^2}+\frac{32F_r(L^{\′}-a)}{{\mathrm{\πd}}^3}=54.26\mathrm{MPa}$

式中：

M-计算断面处行星齿轮轴所受弯矩，N·m

W-轴的抗弯截面系数，

d-行星齿轮轴直径，mm。

经查表，20CrMnTi低碳合金钢的许用应力[σ]＝291～315MPa。可见，轴的拉压、弯曲组合强度满足要求。

综上，尽管改型后的行星齿轮轴4弯矩变大且受轴向力，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，所以改型后的行星齿轮轴完全满足强度要求。

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：

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

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；

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、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＝1766MPa，许用接触应力σ_HP＝1710MPa，可见，σ_H＞σ_HP(齿面接触疲劳强度稍超过边界许用接触应力的3％)，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不能完全满足HEV差速耦合***的行星齿轮疲劳寿命要求。

但本实用新型旨在说明差速耦合***及其结构改型的可行性，且只在试验台层面进行验证。由于试验台试验时间相对汽车行驶时间要短许多，所以当前差速器行星齿轮疲劳寿命能满足试验要求。若本实用新型成果经过验证可向产业化推广，则上述强度校核可为企业提供今后改型和精加工的分析依据。

通过上述分析表明，对传统差速器进行结构改造，在差速器行星齿轮轴一端与行星齿轮之间过盈配合，另一端通过滚动轴承安装在差速器壳上。可解决传统差速器用作混合动力汽车动力耦合***时出现的行星齿轮与行星齿轮轴之间的摩擦问题，和原有发明中行星齿轮背面与差速器壳体之间的严重滑磨问题，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。

Claims (4)

1.一种用作混联式混合动力车辆动力耦合装置的差速器，主要由差速器壳体(1)、两个结构相同的半轴齿轮(2)和两个结构相同的行星齿轮(3)组成，其特征在于，所述的用作混联式混合动力车辆动力耦合装置的差速器还包括有两根结构相同的行星齿轮轴(4)、两个结构相同的轴承盖(5)、两对型号为7004C的滚动轴承(6)与两个结构相同的垫片(7)；

两根结构相同的行星齿轮轴(4)的里端装入两个结构相同的行星齿轮(3)上的轴孔中，两个结构相同的行星齿轮轴(4)和两个结构相同的行星齿轮(3)上的轴孔之间为过盈配合连接，两根结构相同的行星齿轮轴(4)的外端分别通过一对型号为7004C的滚动轴承(6)装入差速器壳体(1)的上轴孔与下轴孔内，两根结构相同的行星齿轮轴(4)的回转轴线共线并和两个结构相同的半轴齿轮(2)的回转轴线垂直相交，两个结构相同的垫片(7)与两个结构相同的轴承盖(5)借助螺栓依次固定安装在差速器壳体(1)的上轴孔与下轴孔外端凸台的端面上。

2.按照权利要求1所述的用作混联式混合动力车辆动力耦合装置的差速器，其特征在于，所述的两个结构相同的行星齿轮(3)的背面和差速器壳体(1)内壁之间设置有0.5-1.0mm的间隙。

3.按照权利要求1所述的用作混联式混合动力车辆动力耦合装置的差速器，其特征在于，所述的两根结构相同的行星齿轮轴(4)的外端分别通过一对型号为7004C的滚动轴承(6)装入差速器壳体(1)的上轴孔与下轴孔内是指：每一对型号为7004C的滚动轴承(6)是一正一反地套装在行星齿轮轴(4)的外端上再装入差速器壳体(1)的上轴孔与下轴孔内，每一对型号为7004C的滚动轴承(6)的内环和行星齿轮轴(4)的外端为过盈配合连接。

4.按照权利要求1所述的用作混联式混合动力车辆动力耦合装置的差速器，其特征在于，所述的两个结构相同的轴承盖(5)的一侧设置有圆环凸台，在圆环凸台周围均布有螺栓通孔，两个结构相同的轴承盖(5)一侧的圆环凸台的端面分别和差速器壳体(1)的上轴孔与下轴孔内外侧的滚动轴承(6)的外环端面接触连接。

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