轮胎压路机驱动桥差速器方案的力矩分析对比

摘要：本文对一种轮胎压路机桥采用的行星锥齿轮差速器及牙嵌式自锁差速器方案分别进行了力矩分析，指出了二者对整机性能影响的不同之处。

关键词 轮胎机桥 行星锥齿轮差速器 牙嵌式自锁差速器 力矩分析 整机性能

Abstract：This paper made an analysis of the torque for the planetary cone gear differential and jaw self-locking differential of one tire roller’s axle，And it pointed out that the difference of both the impact on the overall performance.

Key Words：Tire roller’s axle Planetary Cone Gear Differential Jaw Self-locking Differentia Analysis of the Torque Overall Performance

0. 序

轮胎压路机在工作中也需象汽车一样，满足在弯道上或在凹凸不平路面上行驶时，左右车轮组合有不同的移动距离，这就要求左右车轮组有不同的转速。因而在设计时，同一驱动桥的左右两侧驱动轮组设计成由两根不直接连接的半轴分别驱动，两个半轴由主传动轴通过差速器传动。由于功能需要，某型压路机的后驱轮布置时左右车轮组两边轮子数量不等，这就出现了两边车轮组在半轴上的阻力距不一致的情形，下面对该种配置情况下两种差速器的受力状况作出分析。

1. 行星锥齿轮差速器的力矩分析

差速器的结构形式很多，用得最广泛的是对称式行星锥齿轮差速器，它主要由行星锥齿轮、行星齿轮轴、圆锥半轴齿轮和差速器壳组成，动力自主传动器从动齿轮依次经差速器壳、十字轴、行星锥齿轮、半轴齿轮、半轴，链轮传递给车轮。由于行星齿轮在压路机两侧车轮组的阻力不同，行星齿轮在公转的同时还可绕自身的轴线自转，因而直线前进时两侧车轮组的转速也会不一致。

图1 普通圆锥差速器的工作原理简图

如图，选取行星齿轮作研究对象，

当轮胎机直线行驶时，两侧半轴分别承受的阻力矩分别为M1及M2，假定差速机构不起作用，则差速器壳传递到半轴的力矩相等，计为M0，半轴转速计为n0，则M0=（M1+M2）/2

实际上，因左右半轴受到的地面阻力不一，实际受力情况两侧并不一致。分别以行星轮、左、右半轴齿及其相连的半轴和链轮组合为研究对象，得出其力矩分析图如上，其中M2>M1。

从行星轮的力矩图可看出，行星轮两边所受力矩方向相同，因而会产生自传，自转速度计为n自。

对于半轴而言，因为有行星轮的自转，则左右半轴的转速大小是一个合成量，左边半轴齿自转方向与n0相同，n1=n0+（Zx/ZB）n自，右边半轴齿自转方向与n0相反，n2=n0-（Zx/ZB）n自。此时n1与n2存在一个差值，即轮胎少的一侧转速高，车轮会出现滑转，轮胎多的一侧转速低，车轮会出现滑移，造成异常磨损。

对左半轴、左半轴齿及左链轮组成的系统，有：

M0=M1+MBf+ M1，

M1，= M0- M1-MBf= （M1+M2）/2-M1-MBf-= （M2-M1）/2- MBf， 式 1）

对右半轴、右半轴齿及右链轮组成的系统，有：

M2，+ M0= M2+MBf，

M2，= M2+MBf - M0= M2+MBf-（M1+M2）/2= （M2-M1）/2+MBf， 式 2）

可见行星齿对两半轴齿产生的反力矩方向相反，大小相差2MBf（MBf为半轴齿与差速器壳的摩擦力矩）。

相应的，半轴齿对行星齿两侧也产生力矩，但方向相同。

其中M1”= M1，ZX/ZB =[（M2-M1）/2- MBf]ZX/ZB，

M2”= M2，ZX/ZB =[（M2-M1）/2+ MBf]ZX/ZB

式中，ZX-行星齿齿数，ZB-半轴齿齿数

而行星齿所受的摩擦力矩MXf= M1” +M2” =（M2-M1）ZX/ZB 式 3）

当M2=M1时，MXf= 0，行星齿不自转，整机两侧以相同转速前进。

反过来，由式 3）可得M2- M1= MXfZB/ZX，进而得M2= M1+ MXfZB/ZX 式 4）

从式3）及式 4）中可看出，行星齿的实际摩擦力矩大小与半轴齿摩擦力矩无关，仅与两侧阻力矩的分布有关，这主要是由于两端半轴齿摩擦力距方向一致及行星齿作为介轮的等臂杠杆效应合成作用的结果，而由于摩擦系数的原因，行星齿的最大内生摩擦力矩也有限，当其中一侧打滑时，另一侧的输出力矩也会受影响而变得很小，因而影响整机通过性能。

综合以上分析，若采用普通锥齿轮差速器，除不能锁止外，转弯时当轮胎多的一侧在内时更省力。

2. 自锁式牙嵌差速器的力矩分析（图2）

图2 牙嵌式自由轮差速器结构图

当装有自锁式牙嵌差速器的轮胎机桥在平坦路面上以不同工况直线行驶时，差速器主动环与左、右从动环之间的传动关系如图3。

若轮胎机在正常路面直线前进时，主动环通过其两侧的传动齿带动左、右从动环、花键毂及半轴一起转动，并将由主减速器传来的转矩按左、右驱动车轮所受阻力的大小分配给左、右从动环及半轴（图3a）。而该型轮胎机中，左右两侧轮胎组数量不同，受力大小不一，两侧的转矩大小也不一，但两侧的转矩和与主动环传来的转矩是相等的，而且按一定比例始终保持一致（图4），两侧转速一致。

若一侧驱动轮（无论任何一侧）悬空或进入泥泞等路面而滑转时，主动环的转矩全部或大部分分配给另一侧的驱动车轮，转速等于非滑转的一侧。

当轮胎机动力熄火以空档滑行前进时，差速器的从动环变为驱动部分，而主动环变为被动部分（如图3（b）），此时因整机惯性力，整机有继续前进的动力，而前部的中央制动器因发动机熄火，液压系统失去压力而发生制动，会造成传动件直接扭坏，此种操作应严令禁止。

沿直线倒车时及空挡滑行倒车时，主、从动环的驱、被动关系如图3（c） 、（d），而（d）与（b）一样，也应被禁止。

（a） （b） （c） （d）

图3 汽车直线行驶时，不同工况下主动环与从动环的传动关系

以下以图3（a）中情形进行力矩分析：

如图4中，选定主动环为分析对象，在其所受的力矩中，有来自于主减速器的主动力矩

M主，左从动环对主动环的反力矩M左，右从动环对主动环的反力矩M右 。

由于右边轮子数量多，在相同摩擦系数情况下，M右>M左，但有M主= M右+M左，，这表示从

主减速器传来的扭矩被分给了差速器从动环，进而到达半轴及轮胎机两侧的车轮，它们的方向一致，在车轮上的总驱动力矩不变。转速不变，保持主减速器的输出转速n0。

当汽车前进或后退转弯时，都要求差速器起差速作用。由该差速器的结构特点可知，差速器发生作用的原因是由于两侧轮子的转速不一致而不是阻力矩不一致。当动力由差速器壳传来时，慢转轮一侧的从动环只能被主动环带动一起转动，而不能比主动环或差速器壳转的更慢，因此差速作用只能靠快转轮一侧的从动环在快转车轮及其半轴的带动下转得比差速器壳更快来得到，且由于快转一侧的从动环比主动环转得快，以及从动环的径向梯形齿与主动环径向梯形齿之间存在合适的间隙，使得该侧从动环的梯形齿可以沿中心环的相应齿在相同的转向上产生滑动，结果使该侧从动环克服弹簧力外移，于是快转一侧的从动环的传力齿不再与主动环的传力齿接触而中断了对该侧车轮（快转轮）转矩的传递（如图5）。从动环继续以较高的转速和十字轴分离，直至车辆直行，两边的从动环转速一样时，在复位弹簧作用下，各凸耳又回到各自的长扁孔中，从动环和十字轴也再度结合。

由于自由轮差速器在结构上的对称性，左、右转向时的工作过程及差速效果是完全一样的。

这种形式的差速器与普通的差速器相比，它没有行星齿轮部分，差速器锁止和脱开是自

动进行的。但这种差速器在整机直行时差速器是锁止的，因此在路面条件没有达到从动环和

十字轴完全分离时，车轮会存在边滚边滑现象，加速轮胎的磨损。

3. 结语

由于该型轮胎压路机中央制动是常闭式液压制动，从以上分析可看出，采用任何差速器都不能进行熄火后放任整机滑行的操作，必须遵守先轮胎制动再中央制动最后关闭发动机的停机顺序，以免造成传动系统的非正常损坏。

图4 主动环力矩图 图5自由轮差速器主动环与右从动环分离情况

参考文献：

【1】《工程机械底盘》，赵谷声主编 阎左廷主审， 人民交通出版社，（1997）。

【2】《汽车构造》，李松龄主编，北京知识产权出版社，（2010）。

【3】《汽车理论》，余志生主编，机械工业出版社，（2000）

【4】《重型汽车构造与维修》，黄显声编著，机械工业出版社，（1992）

【5】NO-SPIN自锁式牙嵌差速器在EQ2102G越野汽车上的应用研究，汪铸，东南大学硕士论文，（2003）。