自由行星齿轮差速增矩器

技术领域

[0001] 本发明涉及的自由行星齿轮差速增矩器，属于机械和汽车制造技术领域。

技术领域

[0002] 在此处键入技术领域描述段落。

背景技术

[0003] 差速器无疑是一个伟大的发明，它的发明者雷诺也无疑是一个伟大的发明家，所以自差速器问世近一百年的今天，它都是所有现代汽车必不可少的配置；传统差速器之所以为人称道，百年不衰，在于它构思的巧妙，所以人们喜爱它，推崇它，甚至崇拜它，在科技如此发达的今天，不论是普通的汽车，还是高大上的豪车还都仍然采用它，虽然有些经过了改进，但基本原理从未离开原来的构思；然而，传统差速器虽然精巧，但它存在的致命缺陷也是不可否认的，主要体现在：它只适合在良好的铺装路面上使用，遇到路况不好的坑洼、泥泞、冰雪等路面，它不但不会增强汽车的稳定性和通过能力，反而会起到相反的作用，单个车轮打滑或者悬空时，另外几个车轮即使并未悬空或者打滑，也会完全失去驱动力而处于静止状态，为了解决这个问题，人们在差速器上加上了差速锁，加上差速锁的汽车，虽然部分解决了这个问题，但因为原理所限，性能并不理想，本发明的自由行星齿轮差速增矩器，在原理上突破了原有差速器的限制，以一种全新的理念提出了解决车轮转速差的新方案。

背景技术

[0004] 在此处键入背景技术描述段落。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种高性能的差速器。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

自由行星齿轮差速增矩器，由外壳、外壳端盖、复位弹簧、行星架、行星齿轮组、中心驱动轴齿轮、太阳齿轮组成；所述外壳端盖，分为左右两个，位于行星架的两端，每个端盖上均设有一个环形沟槽，沟槽内设有复位弹簧，复位弹簧的一端顶在沟槽的末端，另一端顶在行星架的凸台之上，两个复位弹簧，一个使行星架顺时针旋转，一个使行星架逆时针旋转，两个复位弹簧的共同作用，使行星架位于中间的位置；所述行星架，为两个完全相同的圆环，圆环上开有多个圆孔，圆孔内镶有轴承，其中一个圆环的外侧设有凸台，凸台插入外壳端盖的沟槽内与弹簧相抵；圆环的内孔套装在太阳齿轮的中心轴上，可以绕太阳齿轮中心轴旋转，行星架共有2个，安装时叠加固定在一起；所述行星齿轮组，是由4个齿轮组成的减速系统，其中位于行星架外侧的为外环行星齿轮，位于内侧的为内环行星齿轮，位于中间的为过渡齿轮；外环行星齿轮和内环行星齿轮都是由两个不同半径的同轴齿轮组成的双层齿轮，过渡齿轮为单层齿轮，内环行星齿轮为一个，其大齿轮与太阳齿轮啮合，过渡齿轮内侧与内环行星齿轮上的小齿轮啮合，外侧与外环行星齿轮上的小齿轮啮合，外环行星齿轮有2个，其小齿轮都与过渡齿轮啮合，大齿轮的安装位置可以与驱动轴齿轮啮合；每个齿轮的齿轮轴均插装在行星架左右圆环的轴承内孔中；每个行星架上除去中心行星齿轮，装有4组这样的行星齿轮组，每个行星齿轮组的传动比不同，中心行星齿轮组的传动比为1；行星架左半环的行星齿轮组传动比从中心向左依次增大，最大为1.56，行星架右半环的行星齿轮组传动比从中心向右依次增大，最大为1.56；第1行星架上，装有4组行星齿轮，没有中心行星齿轮，所有相邻的外环行星齿轮，相互之间间隔相同的角度30度，以中心轴线左右对称；第2行星架上，装有中心行星齿轮，包括中心行星齿轮装有5组行星齿轮，所有相邻的外环行星齿轮，相互之间间隔相同的角度30度，以中心行星齿轮所在轴线左右对称；两个行星架叠加固定后，套装在太阳齿轮中心轴上，所有相邻外环行星齿轮之间间隔角度均为15度，全部行星齿轮分为正向行星齿轮和反向行星齿轮，正向行星齿轮在汽车正向行驶时工作，反向行星齿轮在汽车倒车时工作，正向行星齿轮安装在行星架的左半环，外环行星齿轮的大齿轮靠近左侧行星架圆环，行星齿轮轴插装在左侧行星架圆环的轴承内孔中；反向行星齿轮安装在行星架的右半环，外环行星齿轮的大齿轮靠近右侧行星架圆环，行星齿轮轴插装在右侧行星架圆环的轴承内孔中；中心行星齿轮的厚度为两个外环行星齿轮的厚度，在正向运行和反向运行时，均可以与驱动轴齿轮啮合；所有外环行星齿轮都可以与驱动轴齿轮完美啮合，所有内环行星齿轮都与太阳齿轮完美啮合；所有外环行星齿轮除中心外环行星齿轮为正常齿轮外，其他外环行星齿轮均为单向齿轮，其特征在于：位于行星架左半环的外环行星齿轮，在做为被动轮时，齿轮顺时针旋转，齿轮轴随之顺时针旋转，可以传递动力，做为主动轮时，齿轮轴顺时针旋转，齿轮不转无法传递动力；位于行星架右半环的外环行星齿轮，在做为被动轮时，齿轮逆时针旋转，齿轮轴随之逆时针旋转，可以传递动力，做为主动轮时，齿轮轴逆时针旋转，齿轮不转无法传递动力；所述驱动轴齿轮，为两个厚度与外环行星齿轮厚度相等的普通圆柱直齿轮，两个圆柱直齿轮间隔一定距离固定连接在一起，连在一起的齿轮内孔为一个丝杠螺母；与丝杠螺母配合的是一段丝杠，该丝杠作为驱动轴的一部分，在旋转传递动力的同时，驱动轴逆时针旋转，丝杠推动丝杠螺母轴向向前移动固定距离，驱动轴顺时针旋转，丝杠推动丝杠螺母轴向向后移动固定距离，丝杠螺母位于前面时，驱动轴齿轮与正向行星齿轮啮合，丝杠螺母位于后面侧时，驱动轴齿轮与反向行星齿轮啮合；所述太阳齿轮，为普通圆柱直齿轮，其外径、模数、齿数均与驱动轴齿轮相同，所有行星齿轮组中的内环行星齿轮均与其啮合；其中心轴作为输出轴，通过圆锥齿轮与汽车半轴相连。

[0007] 在工作时，汽车向前行驶，输入轴带动驱动轴逆时针旋转，驱动轴逆时针旋转时，丝杠将丝杠螺母推向前面，驱动轴齿轮与位于行星架左侧的正向行星齿轮啮合；此时，驱动轴齿轮在垂直面上逆时针旋转，左右两个行星齿轮组也在驱动轴驱动下，在垂直面旋转，行星齿轮组的旋转，会驱动太阳齿轮中心轴输出；太阳齿轮中心轴通过伞齿轮将角度偏转90度后与半轴相连，带动两个半轴同时在垂直面上逆时针旋转，半轴带动车轮沿前进方向逆时针旋转；因驱动轴齿轮只能同时与左右行星齿轮组中的各一个外环行星齿轮啮合，所以正常行驶时驱动轴齿轮啮合的外环行星齿轮，是传动比为1的中心行星齿轮；这样，太阳齿轮中心轴的输出转速与驱动轴齿轮转速相同；铺装路面左转弯时，左侧车轮转弯半径小于右侧车轮，此时，左侧车轮滑转（车轮转动速度大于移动速度，相当于车轮原地打滑），右侧车轮滑拖（车轮转动速度小于移动速度，相当于车轮被拖行），滑转的车轮相当于地面对其刹车，滑拖的车轮相当于地面通过摩擦驱动其加速，这时，左侧车轮因刹车效应将减速，左侧行星齿轮组中的太阳齿轮也将减速，这样，太阳齿轮与驱动轴齿轮之间将产生速度差，太阳齿轮线速度低于驱动轴齿轮线速度，这样，与太阳齿轮啮合的内环行星齿轮线速度大于太阳齿轮线速度，等效于太阳齿轮静止，内环行星齿轮顺时针旋转，所以其将产生围绕太阳齿轮的顺时针公转，公转使原来与驱动轴齿轮啮合的外环行星齿轮离开驱动轴齿轮，相邻的传动比较大的外环行星齿轮跟进，此时，驱动轴齿轮将同时与两个外环行星齿轮啮合，因为两个同时与驱动轴齿轮啮合的外环行星齿轮转向相同，旋转线速度不同，驱动轴齿轮与其中线速度较低的外环行星齿轮有效啮合，另外一个线速度较高的外环行星齿轮，此时线速度将高于驱动轴齿轮线速度，因为与驱动轴齿轮有效啮合的线速度较低的外环行星齿轮的自转线速度加上公转线速度等于驱动轴齿轮线速度，而另一个同样公转的自转线速度较高的外环行星齿轮，其合成线速度自然大于驱动轴齿轮线速度，合成线速度大于驱动轴齿轮线速度的结果是：其将推动驱动轴齿轮的轮齿，使行星架产生逆时针旋转，这与原来行星架公转方向相反；这会造成行星架无法正常公转，甚至造成打齿；解决这个问题的办法是：所有外环行星齿轮均为单向齿轮，该单向齿轮与齿轮轴之间只能单向旋转，单向齿轮在作为主动轮时，齿轮轴顺时针旋转，齿轮不转，作为被动轮时，齿轮顺时针旋转，齿轮轴也随之顺时针旋转；这样，两个顺时针旋转的外环行星齿轮，同时与逆时针旋转的驱动轴齿轮啮合，线速度低于驱动轴齿轮的，成为被动轮，被驱动轴齿轮驱动，线速度高于驱动轴齿轮的，成为主动轮，齿轮轴旋转，齿轮不转，由于齿轮轴空转，所以其对驱动轴齿轮不能造成影响；一旦线速度低于驱动轴齿轮的外环行星齿轮因行星架公转离开驱动轴齿轮，行星架公转瞬间停止，此时，线速度高的行星齿轮，因行星架速度为零，其合成线速度立即低于驱动轴齿轮线速度，于是变成被动轮，驱动轴齿轮将驱动其顺时针旋转，同时带动行星齿轮轴顺时针旋转，进而带动太阳齿轮旋转；如果此时内环行星齿轮自转线速度仍然高于太阳齿轮线速度，则行星架继续顺时针公转，直至换到一个传动比适合的外环行星齿轮，使内环行星齿轮自转线速度与太阳齿轮线速度相等，行星架公转才会停止；内环行星齿轮自转线速度与太阳齿轮线速度相等后，行星架没有了速度差造成的公转驱动力，但此时行星架弹簧会对行星架产生推力，推动行星架逆时针旋转，然而，产生行星架逆时针旋转后，又会造成内环行星齿轮自转线速度大于太阳齿轮线速度的速度差，这个速度差又会使行星架顺时针旋转，于是驱动轴齿轮与前后两个外环行星齿轮交替啮合，来回震荡，行星架在顺时针旋转和逆时针旋转之间来回转换；驱动轴齿轮与两个外环行星齿轮交替啮合的期间，动力间断性地施加在半轴上，造成类似ABS系统的效果（但是频率会低很多）。整个转弯过程中，车轮转速不受主驱动轴的约束，车轮始终处于纯滚动状态。而驱动轴齿轮与两个行星齿轮的交替啮合，因相互啮合的齿轮线速度方向相同，线速度差极小，所以啮合与脱离啮合时都会很顺畅，不会产生打齿的情况。期间车轮动力不断，旋转线速度与转弯半径完全匹配，车轮纯滚动不存在打滑情况；待转弯结束，车轮角度逐渐回正的时候，原来相对驱动轴齿轮旋转线速度较小的太阳齿轮，在车轮回正的过程中，其与驱动轴齿轮的速度差逐渐变小，也就是太阳齿轮线速度逐渐增大，太阳齿轮线速度逐渐增大将使与驱动轴齿轮和太阳齿轮同时啮合的行星齿轮组中的内环行星齿轮自转线速度小于太阳齿轮线速度，于是行星架开始逆时针旋转，与驱动轴齿轮啮合的行星齿轮组，由传动比较大的，向传动比较小的转换，直至最终驱动轴齿轮与传动比为1的行星齿轮组啮合，驱动轴齿轮线速度与太阳齿轮线速度完全相等为止。

[0008] 转弯中的外侧车轮，太阳齿轮线速度大于驱动轴齿轮线速度，于是，行星架逆时针旋转，行星架逆时针旋转后，传动比为1的中心外环行星齿轮，会向左脱离与驱动轴齿轮的啮合，因右侧没有外环行星齿轮，此时，驱动轴齿轮没有了与其啮合的外环行星齿轮推动，行星架将处于自由状态，其在复位弹簧的作用下，将产生顺时针旋转，顺时针旋转的结果是，中心外环行星齿轮再次与驱动轴齿轮啮合，啮合后又将使行星架逆时针旋转，于是，驱动轴齿轮在与中心外环行星齿轮的啮合和脱离之间来回转换，期间，驱动轴动力无法传递到车轮，但在中心外环行星齿轮作为主动轮，推动驱动轴齿轮的时候，驱动轴齿轮会对中心外环行星齿轮的旋转造成阻碍，起到一定的牵制和制动作用；驱动轴齿轮与中心外环行星齿轮交替啮合的期间，阻力间断性地施加在车轮上，造成类似ABS系统的效果（但是频率会低很多）。整个转弯过程中，车轮转速不受驱动轴的约束，车轮始终处于纯滚动状态。而驱动轴齿轮与中心行星齿轮的交替啮合，因相互啮合的齿轮线速度方向相同，线速度差极小，所以啮合与脱离啮合时都会很顺畅，不会产生打齿的情况。转弯期间车轮处于半自由旋转状态，旋转线速度与转弯半径完全匹配，车轮纯滚动不存在滑拖情况；转弯结束后，车轮回正，外侧车轮转速与驱动轴转速相同，行星架逆时针公转力矩消失，行星架在复位弹簧推动下回归中心位置。

[0009] 倒车时，驱动轴顺时针旋转，丝杠会将丝杠螺母推向后面，驱动轴齿轮与行星架右侧的反向行星齿轮啮合；右侧的行星齿轮与左侧的行星齿轮完全一样，只是做为单向齿轮的外环行星齿轮的转向相反，做为被动轮时，齿轮逆时针旋转，齿轮轴也逆时针旋转输出动力，做为主动轮时，齿轮轴逆时针旋转，齿轮不转不输出动力；其转弯时的工作过程与前述正向行驶时完全一样，转弯和增扭效果相同，在此不再赘述。

[0010] 实际操作中，通常的做法是：转弯前降档减速，进入弯道时带档滑行，这样，车轮转速大于发动机转速，发动机对车轮起到牵制和制动的作用。采用本发明的差速增矩器的汽车转弯时也是这样操作，差速增矩器的工作过程与前述略有不同。因为转弯前驱动轴齿轮的转速低于左右车轮的转速，进入弯道后，外侧车轮太阳齿轮线速度大于驱动轴齿轮线速度，与前述情况相同，内侧车轮情况则不同，转弯前半段，内侧车轮太阳齿轮线速度也会大于驱动轴齿轮线速度，差速增矩器工作情况与外侧车轮情况相同，待转弯中途，内侧车轮转速降低至小于驱动轴转速时，才会出现内侧太阳齿轮线速度低于驱动轴齿轮线速度的情况，此时，差速器工作情况如前述。

[0011] 实际当中，发动机转速低于车轮转速的情况经常会出现，只要不是加速状态，一般都是这种情况；尤其是在长下坡的路段，此时，车轮通过刚性传动轴反过来带动发动机旋转，利用发动机的压缩行程产生的压缩阻力，内摩擦力进排气阻力来对车轮产生制动和牵制的作用，此时的发动机并无动力输出；采用本发明的差速增矩器后，当车轮转速大于发动机转速时，发动机同样会对车轮产生制动和牵制，只是增加了一级缓冲，缓冲的程度与复位弹簧的硬度有关；弹簧的硬度小，则缓冲过程长，弹簧硬度大，则缓冲过程短。由于增加了一级缓冲，同档位下，制动和牵制的效果稍差一些，但可以通过降到更低档位来增大制动和牵制的效果。

[0012] 在汽车起步和上坡的时候，采用本发明差速增矩器的汽车相比采用传统差速器的汽车具有更加显著的优势，因为本发明的差增矩速器在汽车起步或者上坡时，因为车轮旋转阻力增大，驱动轴齿轮在驱动行星齿轮旋转，行星齿轮再驱动太阳齿轮旋转时，因扭矩不够，太阳齿轮转不动，将会使驱动轴齿轮与太阳齿轮之间产生速度差；于是行星架产生公转，行星架公转会使传动比更大的行星齿轮与驱动轴齿轮啮合，传动比更大的行星齿轮会使车轮获得更大的扭矩，行星架上传动比大于1的行星齿轮共有11组，最大传动比1.56，所以最大可以使扭矩增大1.56倍，如果需要更大的增矩效果，通过增大行星齿轮组的传动比，还可以得到更大的增矩效果。

[0013] 本发明所达到的有益效果是：

现有技术的差速器，都是在雷诺差速器的基础上改进而来，正常路面上汽车离不开差速器，可是，到了非铺装路面，差速器却成了累赘，不仅不起好作用，反而带来更大的麻烦，所以人们此时希望去掉差速器，车轮刚性连接，于是出现了差速锁，差速锁的应用达到了在正常路面差速器工作，非正常路面不工作的目的，但是人为手动锁死或者解锁差速器费时、费力、很麻烦，如果解锁不及时还会造成不良的后果；而且，在分时四驱车上，需要安装前后桥和轴间3台差速器，如果3台差速器都安装差速锁，不仅增加锁死、解锁的环节，而且还会大幅增加成本造价，所以，实际当中，一般只有轴间差速器安装差速锁，或者轴间和后桥同时安装差速锁，这样的结果是：在只有轴间差速锁的情况下，如果前后桥各有一个车轮悬空或者打滑，前后驱动轴都将失去驱动力，汽车被困无法自救。即使增加一个后桥差速锁，一旦有一个前轮悬空或者打滑，因差速器的作用，将会使前桥驱动轴失去驱动力，而此时，后桥驱动轴只能得到50%的驱动扭矩，另外50%的扭矩被因打滑而高速空转的前桥驱动轴占用而白白浪费掉。最理想的状况是：前后桥和轴间均安装差速锁，这样，相当于所有4个车轮相互之间全部是刚性连接，只要有一个车轮具有抓地力，这个车轮将会获得原来平均分配到4个车轮的扭矩的4倍扭矩，也就是100%的扭矩而使汽车脱困。为了达到这个效果，人们发明了全时四驱技术，利用电子技术、液压技术、电磁技术等，制造出了各种类型的限滑差速器，限滑差速器解决了自动锁死和解锁差速器的问题，实现了所谓的全时四驱，但现有的限滑差速器，存在着很多难以弥补的缺陷和不足，比如，因摩擦造成发热、磨损、传动效率低、响应速度低存在延迟、扭矩分配不合理、系统复杂、体积重量大、造价高昂等；而采用本发明的自由行星齿轮差速增矩器，却可以轻松解决以上所有问题，自由行星齿轮差速增矩器为纯机械结构，无摩擦、无损耗、无延迟、无需人为干预；在汽车的前后桥上各安装一个，则无需差速锁、也不要中央差速器和分动器，就可以实现理想的全时四驱；它能够自适应调整每个车轮的转速和扭矩，能够做到每个驱动轮在铺装路面转弯时均是纯滚动，特殊路况下车轮打滑时，只要有一个车轮具有抓地力，不仅扭矩会全部自动转移至该车轮，而且因为其不同传动比的行星齿轮的变速变矩功能，还会将扭矩放大56%，轻松使车脱困，更加可贵的是：具备如此强大性能的差速增矩器，其体积、重量和造价相比现有差速器降低数倍至十数倍。

发明内容

[0014] 在此处键入发明内容描述段落。

附图说明

[0015] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

附图1自由行星齿轮差速增矩器工作系统图

附图2复位弹簧安装位置图

附图3行星架上行星齿轮装配图

附图4驱动轴齿轮结构图

附图5行星架圆周上齿轮位置图

图中：10、外壳；11、左外壳端盖；12、右外壳端盖；13、左复位弹簧；14、右复位弹簧；20、第1行星架；21、第1行星架左侧圆环；22、第1行星架右侧圆环；23、第1行星架凸台；30、第2行星架；31、第2行星架左侧圆环；32、第2行星架右侧圆环；33、第2行星架凸台；40、行星齿轮组；41、外环行星齿轮1大齿轮；42、外环行星齿轮1小齿轮；43、外环行星齿轮2大齿轮；44、外环行星齿轮2小齿轮；45、过渡齿轮；46、内环行星齿轮大齿轮；47、内环行星齿轮小齿轮；48、行星齿轮轴；50、驱动轴齿轮；51、丝杠螺母；52、驱动轴丝杠；53、驱动轴；60、太阳齿轮；61、太阳齿轮中心轴。

具体实施方式

[0016] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

[0017] 优选实施例1

如图1-5所示，一种自由行星齿轮差速增矩器，驱动轴直径40mm；驱动轴齿轮齿数24齿，厚度15mm；太阳齿轮齿数24齿，厚度50mm；行星齿轮数据见下表；所有齿轮均为模数为2的圆柱型直齿轮。

[0018] 第1行星架齿轮数据

行星齿轮编号 外环大齿轮齿数 外环小齿轮齿数   内环大齿轮齿数   内环小齿轮齿数     过渡齿轮齿数           传动比

1          15        10         14         9          11         1.037

3          12          9          14         9          11         1.167

5          11          9          14         9          10         1.273

7          15         14          14         9          10         1.452

第2行星架齿轮数据

行星齿轮编号 外环大齿轮齿数 外环小齿轮齿数   内环大齿轮齿数   内环小齿轮齿数   过渡齿轮齿数         传动比

0          10        10         10        10          10       1.037

2          14         10          14         9          10       1.167

4          14         11         14         9          10       1.273

6          14         12          14         9          10       1.452

8          12         12          14         9          10       1.452

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。