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1、汽车齿轮式分动器传动布局 北京齿轮总厂龚瑞国内容摘要：本文探讨了分动器在汽车中的作用和分类，齿轮式分动器的几种传动布局。对分动器换档性能进行了分析、计算，提出用转速比衡量换档性能。另简述了传动布局对分动器轴向尺寸、输出轴和中央差速器的布置、换档机构和传动轴的布置、齿轮寿命、传动噪声的影响。关键词：汽车、分动器、传动布局前言自汽车诞生以来技术不断的发展，尽管百年来一直在使用“内燃机”，然其发动机设计及与驱动条件相适应的燃烧过程的控制已进入到数字时代。与此同时，把发动机输出的动力转变为汽车的前进动力的传动系也有划时代的进步。人们以前把适用于不同的道路条件的汽车分为ON ROAD和OFF ROAD，
2、后来又有四轮驱动、全轮驱动的称呼以有别于两轮驱动的汽车。当代最先进的四轮（全轮）驱动汽车已装备从ABS、防滑差速器、粘性连轴节、中央差速器到各种各样的传感器和电液控制装置，使得这些汽车充分发挥了驱动力，大大提高了通过性，从而适合于各种各样的道路条件。四轮（全轮）驱动汽车与普通汽车的主要区别在于：前者有分动器且前桥不仅是转向桥也是驱动桥。分动器的主要功能是把驱动力导向不同的桥（全时驱动）且能实现4X2和4X4驱动方式的变换（部分时驱动）以及作为副变速器（一般有两个档即高低档）获取更大的驱动扭矩。由于分动器功能复杂必然带来结构的多样性，其结构的主体是齿轮传动布局。本文试图就分动器齿轮传动布局的各种
3、影响作用做一探讨以明确齿轮传动布局设计中不应忽略的问题。 一. 分动器与整车的关系 为方便论述正题内容，先就分动器与整车的有关关系做一简述。当路况发生变化使两轮驱动力不足，尤其是雨雪天气造成车轮打滑时，发挥全部车轮的附着力是解决问题的关键。由此需要把发动机的动力传输给每个车桥及至车轮。 1. 分动器的主要功能 1）动力分流 如上所述发挥全部车轮的附着力是解决问题的关键，那么需要一个功能部件把动力分流，这个功能部件就是分动器。具体的说，分动器有几个输出轴通向不同的桥，或有驱动方式切换装置（如接前桥挂摘档机构）或平衡装置（如超越离合器、粘性连轴节、中央差速器）。 2）增加总传动比 在更恶劣的驱动条
4、件下，由于整车总传动比不足不能产生足够的驱动力或不能产生有效的附着力，所以分动器的另一个重要的功能就是增加或曰放大总传动比。 3）增加变速档次 为适应驱动条件的更大变化，需要多档分动器以弥补变速器档位的不足。把分动器作为副变速器，起倍档的作用。分动器的档位数与变速器的档位数结合使总传动比更大，间隔更细。 2. 机械式分动器的分类 分动器的类型按四驱动力传输方式分为齿轮传动式和链传动式；按后输出轴位置分为分动器后输出轴与变速器二轴同轴和不同轴两种方式；按与变速器连接方式分为联体和分体分动器、按动力输出数量分为二桥分动器及多桥分动器；按能否变速分为单速分动器和多速分动器；按四轮驱动时间分为全时驱动
5、和非全时驱动；按控制方式分为手动操纵和电液自动控制。由于链传动分动器的变速部分多为行星齿轮机构，各厂家布置大同小异只是参数的差别，另单速的分动器的齿轮传动只是以1:1的速比或略有降速来传递动力，仅使动力分流故而结构简单，所以本文不再对这两种分动器进行详细讨论。 3. 整车总布置中对分动器的要求 整车总布置的要求是分动器齿轮传动布局设计的主要依据。总布置应确定分动器的整体空间以及与车架、变速器、前后传动轴、里程表的连接方式及主要尺寸。也应确定分动器的最大输入扭矩和最大输入转速及分动器的档位和传动比。还应确定分动器的几种工况组合和操纵杆的数量及档位图。对于全时驱动越野车有时也将控制前后桥扭矩分配的
6、机构布置在分动器中。当然在整车总布置中也可选用符合整车动力匹配要求的现有分动器并提出配套性更改。 4. 四轮驱动的固有问题 在四轮驱动中由于前轮转向时的侧向滑擦现象使得前桥传动系滞后于后桥传动系。有的部分时驱动的分动器结构中向前后桥的输出是刚性连接的，如果在平整光滑的路面上使用四轮驱动则上述的滞后现象使整个传动系发生自干涉，进而使车辆跳跃和摇动，也使轮胎的磨损加快。而在越野条件下因干涉产生的扭转应力可以通过轮胎瞬时打滑或腾空而释放。另外在两轮驱动时-从理论上说-驱动轮与地面为纯滚动而非驱动轮与地面有滑擦亦可造成扭转干涉，同理前后轮因充气不同使得转动半径不同也造成扭转干涉。这就决定了前后桥是刚性
7、连接的车辆在平整光滑的路面上不能使用四轮驱动，如果长期那样使用将使油耗和轮胎磨损大大增加，造成传动系零件过早损坏，甚至发生严重的交通事故。 二. 分动器齿轮传动布局及其结构特点 分动器齿轮传动布局的发展来源于驱动方式布局，两轮的驱动方式按发动机所处位置和摆放方向有前置前驱、前置后驱、中置后驱、后置后驱等等，在两驱向四驱及多桥驱动的发展过程中各厂家所走的路是不同的，从而产生了各种各样的齿轮传动布局和方式。分动器齿轮传动布局主要是解决如何实现要求的高档传动比和低档传动比以及经过怎样的传动路线达成高档或低档的输出。所以，本文按高低档换档结构所处位置把齿轮传动布局分为输入轴换档、中间轴换档和输出轴换档
8、以及混合式换档四种布局类型。 1. 输入轴换档输入轴换档是把高低档换档齿套布置在分动器的输入轴线上，高低档换档齿套两面都有结合齿且能在输入轴齿毂上左右滑动，在换档运动中它有三个位置：高档（与输入轴高档齿轮结合齿接合）、空档（仅在齿毂中央）和低档（与输入轴低档齿轮结合齿接合）。其齿轮传动布局见图1-1至图1-10。图1-1是为解放军路航局直升机发电车设计的分动器的传动简图。该分动器输入轴低档齿轮靠近分动器输入端，整体结构紧凑，有较小的轴向空间，输出轴齿轮布置在后面，前后输出轴间布置有接前桥齿套。将图1-1的布置改为高档齿轮靠近分动器输入端就形成了图1-2的传动布局。图1-3与图1-1主传动部分的
9、布置相同，前后输出轴之间布置有超越离合器。图1-4主传动部分也与图1-1的布置相同，但向前桥输出多一对齿轮，超越离合器的布置与图1-3不同。图1-5为重汽公司引进的斯太尔VG2000分动器，与图1-1不同的是输出轴齿轮布置在前面且高低档的传动流程不同，前后输出轴之间布置有中央差速器。图1-6与图1-2主传动部分的布置相同，前后输出轴之间布置有中央差速器。图1-7与前面各图布置都不相同之处是两轴线布置而非三轴线布置，前后输出轴之间也布置有中央差速器。图1-8相当于图1-5主传动部分的镜向布置但差速器外延使轴向加大，其输出相同：都为内齿圈连接后输出轴，太阳轮连接前输出轴，另图1-8带有差速器锁。图
10、1-9与图1-1至图1-8的主要差别在于后输出轴与变速器二轴同轴，其主传动高低档部分与图1-1相同。图1-9这种布局看似比较罗嗦，但对分动器更新换代来说却有代表性：前输出部分三个齿轮演变为二个链轮和链条可加大中心距使传动轴安装角度优化，主传动高低档部分可演化为行星变速机构大大缩小体积空间。演变后与整车匹配性有很大提高，可适应多车型。图1-10与图1-2主传动部分的布置相同，前后输出轴之间布置有中央差速器及差速器锁。 2. 中间轴换档 中间轴换档是把高低档换档齿套布置在分动器的中间轴线上，换档齿套结构和档位及运动方式与输入轴换档相同。其齿轮传动布局见图2-1至图2-3。图2-1为东风EQ240分
11、动器传动简图，其高档齿轮靠近分动器输入端，接前桥齿套布置在前体内。主输出齿轮在中间轴右侧，可以很方便的实现多桥输出，他的中桥输出轴与前输出轴同轴，后桥输出轴与变速器二轴同轴。图2-2为低档齿轮靠近分动器输入端，由于在中间轴换档其输出需要增加一个齿轮，无中桥输出。图2-3主传动部分的布置与图2-2相同，由于无前桥与其他桥的中央差速器，前桥为部分时驱动，中后桥有桥间差速器且带差速锁。3. 输出轴换档输出轴换档是把高低档换档齿套布置在分动器的输出轴线上，换档齿套结构和档位及运动方式与输入轴换档相同或大致相同。其齿轮传动布局见图3-1至图3-4。图3-1为北京212汽车分动器简图，输入齿轮靠近分动器左
12、端，中间轴为定轴传动，高低档变换靠滑动齿轮运动实现，滑动齿轮兼有换档齿套换档和滑动齿轮换档的功能。分动器有前体，内有接前桥的齿套和换档系统。图3-2为北京2020汽车分动器简图，输入齿轮靠近分动器右端，中间轴也为定轴传动，高低空档变换及接前桥四个状态全靠滑动齿轮运动实现。图3-3把图3-2的滑动齿轮转变为常啮合齿轮，高低空档变换及接前桥四个状态全靠齿套运动实现。图3-4则依然保留前体但把滑动齿轮转变为常啮合齿轮，高低空档变换的三个状态靠齿套运动实现。图3-5、图3-6与图3-4齿轮布局相同。4. 混合式换档 混合式换档的高低档换档齿套不是唯一的一个齿套，他的几个齿套布置在分动器的几个轴线上，通
13、过几个齿套位置的组合达成分动器的各个档位状态。其齿轮传动布局见图4-1。图4-1为图1-1和图2-2的综合方案，出过样品。他的高档齿套在输入轴上，低档齿套在中间轴上。该方案省去了图2-2中间轴上的输出齿轮。 三. 齿轮传动布局的影响 齿轮传动布局的不同是否有不同的影响。下面就具体的问题进行讨论。1. 换档难易程度-用转速比的概念衡量及无换档冲击的条件 1）变速器的速比关系在早期变速器没有同步器，换档时有明显的换档冲击。换档冲击来源于相啮合件的转速差及需同步的两个系统的转动惯量差。在此我们用“转速比”的概念或两个相邻系统速度差异的倍数关系来衡量换档难易的程度。首先以变速器为例来验证这种方法，表3
14、-1-1列出184D变速器各齿轮齿数、各档齿轮和二轴的转速以及他们之间的转速比。 表3-1-1 变速器的转速比名称一轴常啮合中三档三档中二档二档中一档一档代号与齿数Z1=27Z2=35Z3=29Z4=32Z5=21Z6=38Z7=13Z8=40档位一档二档三档四档传动比I1=Z2Z8/Z1Z7=3.9886I2=Z2Z6/Z1Z5=2.3457I3=Z2Z4/Z1Z3=1.4304I4=1 直接档输入轴转速=N1档位运行433221二轴转速升档N1/ I3N1/ I2N1/ I1降档N1N1/ I3N1/ I2档齿轮转速升档N1N1/ I3N1/ I2降档N1/ I3N1/ I2N1/ I1转
15、速比升档N1/ I3/ N1= I4/ I3N1/ I2/ N1/ I3= I3/ I2N1/ I1/ N1/ I2= I2/ I1降档N1/ I1/ N1= I3/ I4N1/ I3/ N1/ I2= I2/ I3N1/ I2/ N1/ I1= I1/ I2由表3-1-1我们看到转速比的最终结果就是“相邻公比” 。从所掌握资料看，各厂家变速器相邻公比从1.3到1.8不等；从使用经验看这一数值范围也是合理的。一般来说，公比较小换档容易，公比大于1.8则换档困难。184D的公比值为1.7004/1.6403/1.4304，显然一二档应该更容易挂档。2）输入轴换档的分动器的转速比及换档动态输入轴换档的齿轮布置类似于变速器的档齿轮布置,我们可以用分动器输入轴与输入轴档齿轮的转速比来衡量换档的难易程度。表3-1-2 输入轴换档的分动器的转速比名称代号输入轴 高档齿轮Z1中间轴 高档齿轮Z2输入轴 低档齿轮Z3中间轴 低档齿轮Z4输出轴齿轮Z5齿数图1-14031
