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題目：車用粘性限滑差速器設(shè)計(jì)專業(yè)：機(jī)電一體化技術(shù)學(xué)生： （簽名） 指導(dǎo)教師： （簽名） 摘要粘性式限滑差速器是近年來在國外應(yīng)用比較廣泛的一種限滑差速器，但是在我國，這方面的研究開展的并不多，粘性式限滑差速器是對(duì)普通差速器的革新與改進(jìn)，它是在普通差速器基礎(chǔ)上附加了限滑裝置來限制差速器的滑差，它所傳遞的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速差的增大而增大，其對(duì)驅(qū)動(dòng)力的分配有一個(gè)隨路面附著情況變化而變化的自適應(yīng)作用，這種差速器在左右輪轉(zhuǎn)速差較小時(shí)，與普通差速器基本沒什么分別，但一旦有轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生，它便產(chǎn)生隨轉(zhuǎn)速差增大而增大的限滑轉(zhuǎn)矩，甚至將差速器鎖死并在轉(zhuǎn)速差減小時(shí)自行松開。這一點(diǎn)是機(jī)械式限滑裝置所無法比擬的從而改善它的轉(zhuǎn)矩分配特性。就是這種特性，使得我們的汽車在轉(zhuǎn)向的時(shí)候性能較高。它克服了普通差速器只能平均分配轉(zhuǎn)矩的缺點(diǎn)，大大提高了汽車在雙附著系數(shù)路面上的動(dòng)力性和通過性，顯著改善了汽車操縱穩(wěn)定性，有效地提高了汽車行駛主動(dòng)安全性，是普通差速器的理想替代產(chǎn)品。本文對(duì)粘性聯(lián)軸器的應(yīng)用和它對(duì)汽車性能的影響做了研究和介紹。針對(duì)粘性式限滑差速器的工作原理及尺寸結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行研究，對(duì)差速器的尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)行星齒輪，半軸齒輪，半軸的結(jié)構(gòu)尺寸都做了具體的計(jì)算,選擇和校核。此外，還對(duì)花鍵，密封裝置等標(biāo)準(zhǔn)件的型號(hào)也做了選擇，由此設(shè)計(jì)出了一款粘性式限滑差速器。關(guān)鍵詞：限滑差速器；粘性聯(lián)軸器；行星齒輪；半軸齒輪ISubject: Viscous limited-slip differential designAbstractViscous-type limited-slip differential applications in foreign countries in recent years a more extensive limited-slip differential, but in our country, this kind of research is not carried out, and viscous-type limited-slip differential is an ordinary differential innovation and improvement of devices, it is based on ordinary differential added limited-slip differential device to limit the slip, the torque transfer it with the speed difference increases, the driving force of the assigned a case with the road attached to the adaptive changes in the role, such differentials in the speed round about the time difference smaller, and ordinary differential were basically nothing, but the speed difference once elected, it will have with the speed difference increases the torque limited-slip, and even differential lock and reduce the difference in speed when the release on its own. This is a mechanical limited-slip device can not be compared so as to improve its distribution characteristics of torque. It is this characteristic of the car allows us to turn to when a higher performance. It can only be overcome by ordinary differential torque distribution of the shortcomings of the average, greatly improving the two-car road adhesion coefficient and the adoption of the driving force, and significantly improve the vehicle handling and stability, which improve the active safety car It is an ideal alternative to ordinary differential products. In this paper, the application of viscous coupling and its impact on vehicle performance and presentation of research done. For viscous-type limited-slip differential and the size of the working principle of the structure of research, the size of the differential design parameters; of planetary gears, axle gears, axle size of the structure have to do a specific calculation, select and verification. In addition, spline, sealing devices, such as standard parts have also done a choice of models, thus the design of a viscous-type limited-slip differential.Keyword: Limited Slip Differential(LSD)； Viscous Couple(VC)；Planetary gear； Half Axle GearII目錄1 緒 論 11.1 汽車差速器簡(jiǎn)介 11.2 差速系統(tǒng)的發(fā)展 11.2.1 普通差速系統(tǒng) 11.2.2 鎖止式差速系統(tǒng) 21.2.3 限滑差速系統(tǒng) 21.3 粘性式限滑差速器的應(yīng)用情況 21.4 粘性式限滑差速器對(duì)汽車性能的影響 31.4.1 驅(qū)動(dòng)性能 31.4.2 轉(zhuǎn)彎行駛性能 31.4.3 高速行駛穩(wěn)定性 41.5 粘性式限滑差速器應(yīng)用于汽車的優(yōu)勢(shì) 41.6 本文主要研究內(nèi)容 52 粘性式限滑差速器的構(gòu)造及工作原理 .62.1 粘性式限滑差速器 62.1.1 粘性式限滑差速器結(jié)構(gòu) 62.2 粘性聯(lián)軸器 62.2.1 粘性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu) 72.2.2 粘性聯(lián)軸器的布置結(jié)構(gòu) 82.2.3 粘性限滑差速器的工作原理 93 粘性聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩傳遞特性的分析 .113.1 粘性聯(lián)軸器剪切特性的數(shù)學(xué)模型 .113.2 影響粘性聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩的因素 .123.2.1 硅油對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響 .12III3.2.2 葉片結(jié)構(gòu)對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響 .143.2.3 硅油填充率對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響 .173.3 綜合多種影響因素的傳遞轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型 .183.4 峰值特性的理論分析 .184 粘性差速器工作過程的溫度計(jì)算 .204.1 溫度分析概述 .204.2 粘性聯(lián)軸器換熱模型的建立 204.3 各部分之間對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算 .214.3.1 硅油與軸的平均對(duì)流換熱系數(shù) .214.3.2 硅油與殼體的平均對(duì)流換熱系數(shù) .224.3.3 殼體與外界空氣的平均對(duì)流換熱系數(shù) .234.3.4 軸與外界空氣的平均對(duì)流換熱系數(shù) 244.3.5 硅油與端蓋的平均對(duì)流換熱系數(shù) .244.3.6 端蓋與空氣的平均對(duì)流換熱系數(shù) 254.4 粘性聯(lián)軸器各部分傳熱量計(jì)算 .264.4.1 粘性聯(lián)軸器工作過程產(chǎn)生的總熱量 264.4.2 硅油通過殼體的傳熱 .274.4.3 硅油通過左、右端蓋的傳熱 .384.4.4 硅油通過軸的傳熱 294.4.5 粘性聯(lián)軸器工作時(shí)各部分溫度計(jì)算 305 差速器的設(shè)計(jì)和計(jì)算 335.1 差速器齒輪的基本參數(shù)選擇 .335.1.1 齒輪數(shù)目的選擇 .335.1.2 行星齒輪球面半徑 R 及節(jié)錐距 A 的確定 .33B05.1.3 行星齒輪與半軸齒輪的選擇 .345.1.4 齒輪基本尺寸參數(shù)的計(jì)算 .35IV5.1.5 壓力角 α 355.1.6 行星齒輪安裝孔的直徑 及其深度 L .35?5.1.7 差速器齒輪的其它幾何尺寸計(jì)算 .365.1.8 差速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 .375.1.9 差速器齒輪的材料 .385.2 半軸的基本參數(shù)選擇 .395.2.1 半軸的型式 .405.2.2 半軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 .41結(jié)束語 42致謝 43參考文獻(xiàn) 4401 緒論1.1 汽車差速器簡(jiǎn)介根據(jù)汽車行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求和實(shí)際的車輪、道路以及它們之間的相互關(guān)系表明：汽車在行駛過程中左右車輪在同一時(shí)間內(nèi)所滾過的行程往往是不相等的。最明顯的例子是汽車轉(zhuǎn)彎行駛，在轉(zhuǎn)彎時(shí)為滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求，汽車的外側(cè)車輪的行程總要比內(nèi)側(cè)的長。另外，即使汽車作直線行駛，也會(huì)由于左右車輪在同一時(shí)間內(nèi)所滾過的路面的垂向波形的不同，或由于左右輪胎氣壓、輪胎負(fù)荷、胎面磨損程度的不同以及制造誤差等因素引起左右車輪外徑不等或滾動(dòng)半徑不相等，而使左右車輪行程不等。在左右車輪行程不等的情況下，如果采用一根整體的驅(qū)動(dòng)軸將動(dòng)力傳給左右車輪，則會(huì)由于左右驅(qū)動(dòng)車輪的轉(zhuǎn)速雖相等但行程卻不相同的這一運(yùn)動(dòng)學(xué)上的矛盾，引起某一驅(qū)動(dòng)車輪產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)或滑移。其結(jié)果不僅會(huì)使輪胎過早磨損、無益的消耗功率和燃料以及使驅(qū)動(dòng)軸超載等，而且還會(huì)因?yàn)椴荒馨匆蟮乃矔r(shí)中心轉(zhuǎn)向而使操縱性變壞。此外，由于車輪與路面間尤其在轉(zhuǎn)彎時(shí)有大的滑轉(zhuǎn)或滑移，易使汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)失去抗側(cè)滑的能力使汽車行駛穩(wěn)定性變壞。為了消除由于左右車輪在運(yùn)動(dòng)學(xué)的不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的這些弊病，汽車左右驅(qū)動(dòng)輪間都裝有差速器，保證了汽車驅(qū)動(dòng)橋兩側(cè)車輪在行程不等時(shí)，具有以不同速度旋轉(zhuǎn)的可能性，從而滿足了汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求。 為改善汽車的通過性，人們采取了多種措施，其中常用的有兩種：一種是普通差速鎖；另一種是限滑差速器（Limited Slip Differential 簡(jiǎn)稱 LSD） 。前者要求駕駛員在必要時(shí)鎖止差速器，采用這種措施的車輛通過性能強(qiáng)，但對(duì)車輛轉(zhuǎn)向性能及行駛性、輪胎磨損均有不利影響，且不適合連續(xù)使用。另外，也容易分散駕駛員的注意力，影響安全性。但它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，所以還是取得了一定應(yīng)用。后者就是在普通差速器基礎(chǔ)上附加一些其它機(jī)構(gòu)來限制差速器的滑差從而改善它的轉(zhuǎn)矩分配特性。尤其兼顧了差速器的轉(zhuǎn)矩分配特性與轉(zhuǎn)速分配特性。1.2 差速系統(tǒng)的發(fā)展差速系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：1.2.1 普通差速系統(tǒng)1普通差速系統(tǒng)是行星齒輪組結(jié)構(gòu)。主動(dòng)輪是行星架，被動(dòng)輪是兩個(gè)太陽輪。直線行駛時(shí)，普通差速系統(tǒng)傳遞給兩個(gè)半軸的扭矩相同。如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪懸空，另一個(gè)有附著力的驅(qū)動(dòng)輪會(huì)喪失驅(qū)動(dòng)力；如果傳動(dòng)軸加速轉(zhuǎn)動(dòng)，有附著力的驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力等于懸空車輪的角加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的乘積。輪胎不打滑時(shí)，差速系統(tǒng)連接兩個(gè)半軸的扭矩方向相反，內(nèi)側(cè)車輪提供驅(qū)動(dòng)力，行星架和內(nèi)側(cè)的太陽輪之間的等速傳動(dòng)變成了減速傳動(dòng)。這種差速系統(tǒng)僅適合于在鋪裝路面上行駛。1.2.2 鎖止式差速系統(tǒng)鎖止式差速系統(tǒng)通過一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)把差速系統(tǒng)鎖死，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)半軸的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，有機(jī)械、電動(dòng)、氣動(dòng)三種形式。這種差速系統(tǒng)在路況較差時(shí)能提供最大的驅(qū)動(dòng)力，但轉(zhuǎn)向困難，單車輪可能承受發(fā)動(dòng)機(jī)的全部扭矩而扭斷半軸，因此只適用于低速行駛在非鋪裝路面上，否則會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向失控。1.2.3 限滑差速系統(tǒng)限滑差速系統(tǒng)由普通差速系統(tǒng)改進(jìn)而成，是目前使用最多的差速系統(tǒng)。按控制方法可分為三類：（1）人工控制式——通過手動(dòng)操作改變中間差速器或半軸差速器的扭矩分配比，有機(jī)械、電動(dòng)、液壓或氣壓等控制形式；（2）主動(dòng)控制式——利用各種傳感器收集動(dòng)態(tài)參數(shù)和信息，經(jīng)電子控制單元處理后發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)牽引力控制，性能雖然理想，但成本較高；（3）被動(dòng)控制式——分為轉(zhuǎn)速差感應(yīng)式和扭矩感應(yīng)式兩類。轉(zhuǎn)速差感應(yīng)式利用硅油的粘度產(chǎn)生限滑轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)速差較大時(shí)，輸出限滑轉(zhuǎn)矩。主要有牙嵌自由輪式和粘性聯(lián)軸節(jié)差速器。扭矩感應(yīng)式在傳統(tǒng)的差速系統(tǒng)上增加了摩擦片、滑塊、離合器或蝸輪蝸桿等機(jī)械裝置。1.3 粘性式限滑差速器的應(yīng)用情況車用粘性聯(lián)軸器最早出現(xiàn)于 1973 年，英國 GKN 公司首先應(yīng)用福格森專利設(shè)計(jì)了用于軸間差速器的粘性聯(lián)軸器。1979 年，美國克萊斯勒公司在“EAGLE”汽車上首先應(yīng)用，并且在美國生產(chǎn)。1985 年，德國的 VOLKSWAGEN 公司和 STERDAIMLER PUCH 公司聯(lián)合研制的“TRAPROTER”汽車，把粘性聯(lián)軸器布置到傳動(dòng)軸上，并申請(qǐng)了專利。從那時(shí)起，粘2性聯(lián)軸器廣泛應(yīng)用到汽車傳動(dòng)系上。1987 年，日本富士重工和本田公司先后推出了具有輪間和軸間限滑差速器雙重功能的粘性聯(lián)軸器（TWIN VISCO） 。粘性聯(lián)軸器在日本和歐州汽車行業(yè)迅速地生產(chǎn)和發(fā)展。其應(yīng)用也越來越廣泛，不僅用于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的軸間差速器，而且還用于二輪驅(qū)動(dòng)汽車的輪間差速器。最初的粘性式限滑差速器多用在越野車或工程機(jī)械上，但隨著人們出行和運(yùn)輸?shù)男枰藗儗?duì)汽車性能的要求也越來越高，粘性式限滑差速器的應(yīng)用日益廣泛，裝車率也迅速提高。當(dāng)前，越來越多的越野車，跑車，高級(jí)轎車及大貨車，開始提供粘性式限滑差速器作為選裝件。這是因?yàn)殡S著人們對(duì)限滑差速器認(rèn)識(shí)的深入，人們發(fā)現(xiàn)粘性式限滑差速器不僅可以改善汽車在壞路面上的通過性，而且限滑差速器對(duì)汽車安全性，操縱穩(wěn)定性都有很大的改善作用。因此粘性式限滑差速器正在成為人們提高汽車性能的一項(xiàng)新技術(shù)。1.4 粘性式限滑差速器對(duì)汽車性能的影響1.4.1 驅(qū)動(dòng)性能在左右路面的摩擦系數(shù)μ不同時(shí)，限滑差速器產(chǎn)生的限滑轉(zhuǎn)矩越大則驅(qū)動(dòng)性能越高，另一方面由于限滑轉(zhuǎn)矩增加了汽車的驅(qū)動(dòng)力，駕駛員的轉(zhuǎn)向修正量增加。即使在一般的冰雪路面上，由于左右車輪的路面附著系數(shù)μ和輪胎的接地負(fù)荷不一定相等，只要不進(jìn)行粗暴的加速踏板操作，也會(huì)得到較大的限滑轉(zhuǎn)矩。在冰雪坡路上行駛時(shí)，限滑轉(zhuǎn)矩越大，車輛的總驅(qū)動(dòng)力越大，爬坡的距離就越長越大。1.4.2 轉(zhuǎn)彎行駛性能（1）定圓轉(zhuǎn)彎性能。在汽車進(jìn)行定圓轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，限滑差速器由于兩車輪有轉(zhuǎn)速差而輸出限滑轉(zhuǎn)矩。因此內(nèi)輪的驅(qū)動(dòng)力比外輪驅(qū)動(dòng)力大，因而實(shí)現(xiàn)一個(gè)與轉(zhuǎn)彎方向相反的橫擺力矩。故汽車的不足轉(zhuǎn)向的傾向增強(qiáng)。（2）加速轉(zhuǎn)彎性能。汽車由定圓轉(zhuǎn)彎狀態(tài)加速，因?yàn)樵趥?cè)向加速度很大時(shí)，轉(zhuǎn)彎的內(nèi)輪接地負(fù)荷減小，所以滑轉(zhuǎn)率上升，內(nèi)輪的驅(qū)動(dòng)力達(dá)到頂點(diǎn)。此點(diǎn)成了裝置普通差速器車輛的加速極限。而對(duì)裝有LSD的車輛即使轉(zhuǎn)彎車輛的內(nèi)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力達(dá)到極限后仍可靠外驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生一定驅(qū)動(dòng)力，因此能繼續(xù)加速。一般轎車用的LSD不僅能提高車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的加速度極限，而且極限附近的橫擺角速度變化平穩(wěn)。另外，在靠操縱加速踏3板控制車身姿勢(shì)的行駛中，使用能夠產(chǎn)生與操縱加速踏板成正比的，且無時(shí)間滯后的限滑轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩感應(yīng)式限滑差速器可得到理想的駕駛感覺。（3）擺頭性能。若在側(cè)向加速度大的轉(zhuǎn)彎中放開加速踏板，由于減速而產(chǎn)生的質(zhì)心前移，使前后輪的側(cè)向力平衡發(fā)生變化，即橫擺角速度增加，產(chǎn)生所謂擺頭現(xiàn)象。其擺頭的程度因車輛和輪胎的各困素、行駛條件等而不同，而LSD具有抑制此擺頭的效果。此時(shí)它在左右輪上產(chǎn)生抑制車輛橫擺角速度增加的橫擺力矩。1.4.3 高速行駛穩(wěn)定性汽車在高速行駛時(shí)，一般驅(qū)動(dòng)力較小，所以容易受到外部干擾。對(duì)于由外部干擾等施于車輛的力矩有抵消作用。從而使裝置LSD的車輛在轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性方面，橫擺角速度增益降低，相位滯后減少。橫擺角速度、橫擺角加速度、轉(zhuǎn)向修正角在有限滑轉(zhuǎn)矩時(shí)的值都變小了，顯示了穩(wěn)定性的提高。左右輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩不平衡抑制了車輛橫擺角速度的增大。對(duì)于高速穩(wěn)定性而言，采用在小轉(zhuǎn)速差區(qū)域內(nèi)能產(chǎn)生某種程度限滑轉(zhuǎn)矩的LSD較為理想。由上述內(nèi)容可見，粘性式限滑差速器是一項(xiàng)提高汽車性能的重要新技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)粘性式限滑差速器在整車上的應(yīng)用，就要準(zhǔn)確確定粘性式限滑差速器在裝到整車時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出特性。實(shí)現(xiàn)粘性式限滑差速器工作特性的準(zhǔn)確計(jì)算及分析其對(duì)整車性能的影響，是實(shí)現(xiàn)粘性式限滑差速器實(shí)用化的重要一環(huán)。由此可見開展粘性式限滑差速器轉(zhuǎn)矩傳遞特性的研究是很有必要的，它將推動(dòng)粘性式限滑差速器在汽車上的廣泛應(yīng)用。1.5 粘性式限滑差速器應(yīng)用于汽車的優(yōu)勢(shì)裝普通差速器的汽車若有一個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪打滑空轉(zhuǎn)，這時(shí)汽車就會(huì)失去驅(qū)動(dòng)能力。而裝有粘性式限滑差速器的汽車傳遞的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速差的增大而增大，其對(duì)驅(qū)動(dòng)力的分配有一個(gè)隨路面附著情況變化而變化的自適應(yīng)作用，這種差速器在左右輪轉(zhuǎn)速差較小時(shí)，與普通差速器基本沒什么分別，但一旦有轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生，它便產(chǎn)生隨轉(zhuǎn)速差增大而增大的限滑轉(zhuǎn)矩，甚至將差速器鎖死并在轉(zhuǎn)速差減小時(shí)自行松開。這一點(diǎn)是機(jī)械式限滑裝置所無法比擬的。從限滑差速器對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性能的影響角度來說，汽車裝粘性式限滑差速器比汽車由于增設(shè)機(jī)械式限滑差速器所增加的油耗要小得多。在前驅(qū)動(dòng)中，由于前輪要進(jìn)行轉(zhuǎn)向，所以兩前輪絕對(duì)不能鎖死或差速困難，所以機(jī)械式限滑差速器是不能滿足這4種要求的，而粘性式限滑差速器的限滑轉(zhuǎn)矩是隨轉(zhuǎn)速差增大而增大的，在低轉(zhuǎn)速差時(shí)，它的限滑轉(zhuǎn)矩是很小的，能滿足汽車轉(zhuǎn)向要求。另外粘性式限滑差速器應(yīng)用于輪間差速器時(shí)能明顯減少汽車急轉(zhuǎn)彎時(shí)左右輪之間的滑轉(zhuǎn)，提高輪胎壽命并能使汽車在這種情況下仍有一定驅(qū)動(dòng)力存在，保持汽車的可控性從而提高汽車的安全性。隨著粘性聯(lián)軸器的實(shí)用化，極大地推動(dòng)了汽車行業(yè)的發(fā)展?？偟膩碚f，粘性聯(lián)軸器具有下述幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1.在不利的道路情況下，根據(jù)車輪滑轉(zhuǎn)情況和道路情況，自動(dòng)地分配驅(qū)動(dòng)扭矩，保證汽車有良好的牽引性和加速性，同時(shí)也減少了滾動(dòng)阻力和燃料耗；2.在操作上沒有任何附加操作，駕駛員無需熟悉新的操作系統(tǒng)；3.轉(zhuǎn)向性能表現(xiàn)為“中和”狀態(tài)，前輪驅(qū)動(dòng)會(huì)因轉(zhuǎn)向不足，偏離了彎道，輪驅(qū)后動(dòng)則會(huì)甩尾，而四輪驅(qū)動(dòng)可由各個(gè)輪子的動(dòng)力自動(dòng)分配，就不會(huì)存在上面問題，從而提高了轉(zhuǎn)向性和操作穩(wěn)定性；4.起到差速的作用，從而很大程度上消除了功率循環(huán)；5.在傳動(dòng)系統(tǒng)中不會(huì)出現(xiàn)過載現(xiàn)象；6．利用粘性聯(lián)軸器中硅油的阻尼作用，可在一定程度上消除傳動(dòng)統(tǒng)中的振動(dòng)，減輕動(dòng)力傳遞中的剛性沖擊；7.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，成本低。1.6 本文主要研究內(nèi)容本文的主要內(nèi)容是研究粘性式限滑差速器的工作原理及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算。以此為目的，從理論和設(shè)計(jì)計(jì)算兩方面出發(fā)，在前人研究成果基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了以下主要內(nèi)容：（1）差速器的簡(jiǎn)介及其粘性式差速器應(yīng)用于汽車上的優(yōu)勢(shì)；（2）粘性式差速器的結(jié)構(gòu)及其工作原理；（3）粘性聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩傳遞特性的分析計(jì)算；（4）硅油工作過程的溫度分析計(jì)算；（5）粘性限滑差速器零部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算。52 粘性式限滑差速器的構(gòu)造及工作原理2.1 粘性式限滑差速器2.1.1 粘性式限滑差速器結(jié)構(gòu)粘性式限滑差速器是在普通差速器的驅(qū)動(dòng)橋主要結(jié)構(gòu)及零部件不變的前提下設(shè)計(jì)而成。設(shè)計(jì)采用殼式布置，聯(lián)軸器的工作腔與差速器的腔用密封隔盤隔開，以防止聯(lián)軸器中的硅油滲透到差速器腔內(nèi)。聯(lián)軸器的外葉片通過花鍵與差速器殼體相連，內(nèi)葉片通過花鍵與半軸上的花鍵套相連，內(nèi)外葉片之間有隔環(huán)相隔，以限制差速器的鎖止。在主動(dòng)片與從動(dòng)片之間設(shè)計(jì)有隔環(huán)，以防止峰值現(xiàn)象的產(chǎn)生。主動(dòng)片通過外花鍵與差速殼上的內(nèi)花鍵相聯(lián)，從動(dòng)片通過其內(nèi)花鍵與花鍵軸相聯(lián)接，在主、從動(dòng)片之間填充有硅油。它的輸出限滑轉(zhuǎn)矩與硅油的粘度和填充率等有關(guān)。其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：1-墊片；2-差速器左殼；3-止推墊片；4-雙唇口密封圈；5-密封膠墊；6-行星齒輪墊片；7-行星齒輪軸；8-行星齒輪；9-半軸齒輪；10-止推墊片；11-差速器右殼；12-花鍵軸套；13-雙唇口密封圈；14-密封膠圈；15-密封圈；16-隔盤；17-花鍵軸；18-從動(dòng)片；19-隔環(huán)；20-主動(dòng)片圖2-1 粘性式限滑差速器結(jié)構(gòu)圖2.2 粘性聯(lián)軸器62.2.1 粘性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)粘性限滑差速器的核心部件是粘性聯(lián)軸器，是基于液體粘性傳動(dòng)技術(shù)的傳動(dòng)部件。利用硅油的阻尼作用，降低傳動(dòng)系統(tǒng)中的振動(dòng)，減輕動(dòng)力傳遞中的剛性沖。其基本結(jié)構(gòu)如圖 2－2 所示：粘性聯(lián)軸器由殼體 4，前傳動(dòng)軸 1，后傳動(dòng)軸 5 及交替排列的內(nèi)葉片3（花鍵軸傳力片） ，外葉片 6（殼體傳力片）及隔環(huán)構(gòu)成。內(nèi)葉片通過內(nèi)花鍵與后傳動(dòng)軸 5 上的外花鍵連接，外葉片通過外花鍵與殼體 4 上的內(nèi)花鍵連接，外葉片之間置有隔環(huán)，以限制外葉片的軸向移動(dòng)。隔環(huán)厚度決定內(nèi)、外葉片間的間隙。內(nèi)、外葉片上還加工有孔和槽，以利于硅油的流動(dòng)。粘性聯(lián)軸器在密封空間內(nèi)，注滿高粘度的硅油。前傳動(dòng)軸 1 通過螺栓與殼體 4 聯(lián)接，并與外葉片一起組成主動(dòng)部分，內(nèi)葉片 3 與后傳動(dòng)軸 5組成從動(dòng)部分，主、從動(dòng)部分靠硅油的粘性來傳遞轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)前后軸間的差速和轉(zhuǎn)矩重新分配。1.前傳動(dòng)軸 2.傳動(dòng)轂 3.內(nèi)葉片 4.外殼 5.后傳動(dòng)軸 6.外葉片圖2－2粘性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖粘性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)與多片摩擦離合器結(jié)構(gòu)類似，只是其主、從動(dòng)葉片在多數(shù)情況下不接觸，存在間隙，在間隙中充滿了高粘度的硅油，動(dòng)力依靠硅油的粘性剪切阻力傳遞。殼體中有兩組鋼制葉片，一組葉片以花鍵方式與軸的外花鍵聯(lián)接，另一組葉片也以花鍵7方式聯(lián)接在殼體的內(nèi)花鍵上。從原理上說粘性聯(lián)軸器是雙向傳遞轉(zhuǎn)矩的，即任意一組葉片均可作為主動(dòng)葉片，但一般以與殼體內(nèi)花鍵相連接的一組葉片作為主動(dòng)葉片。主動(dòng)葉片通過剪切硅油產(chǎn)生剪切力帶動(dòng)被動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。在殼體內(nèi)部充填的高粘度流體（一般是硅油）的充填量要比殼體的容積小一些，一般要?dú)埩粢恍┛諝?。它一般占?xì)んw內(nèi)部體積的10%～20%。葉片的厚度大約為0.5mm～1mm，片間間隙大約為0.1～0.3mm，主、被動(dòng)葉片均可沿著軸和殼體上的花鍵自由移動(dòng)。動(dòng)力的傳遞主要依靠油膜的剪切作用。硅油的粘度大約在6000～100000cs之間。一般主動(dòng)葉片上開有孔，被動(dòng)葉片上開有徑向槽。2.2.2 粘性聯(lián)軸器的布置結(jié)構(gòu)在粘性式限滑差速器中，粘性聯(lián)軸器的布置多采用兩種布置結(jié)構(gòu)，如圖2-3中a所示為殼式布置的軸－殼式結(jié)構(gòu)，b所示為軸式布置的軸－軸式結(jié)構(gòu)。當(dāng)把粘性聯(lián)軸器布置在差速器殼體之內(nèi)時(shí)，可把殼體的一部分作為粘性聯(lián)軸器的殼體，這種方法稱為殼式布置；把粘性聯(lián)軸器安裝在半軸上的布置方案稱為軸式布置。圖2-3 （a）殼式布置 （b）軸式布置在殼式布置中，粘性聯(lián)軸器的輸入、輸出轉(zhuǎn)速差為左右車輪的轉(zhuǎn)速差的一半，傳遞的轉(zhuǎn)矩較小，限制左、右車輪差速轉(zhuǎn)動(dòng)的作用較弱，一般常用于轉(zhuǎn)向輪間的差速器。這種布置方法對(duì)差速器空間的要求較小。在軸式布置中，粘性聯(lián)軸器的輸入、輸出轉(zhuǎn)速差即為左右車輪的轉(zhuǎn)速差，限制左右車輪差速轉(zhuǎn)動(dòng)的作用比殼式布置強(qiáng)，可用于非轉(zhuǎn)向輪間差速器，但它要求差速器內(nèi)部要8有足夠的空間。圖中的流動(dòng)線表示分配各車輪的轉(zhuǎn)矩，線的粗細(xì)表示分配轉(zhuǎn)矩的比例，箭頭方向表示功率流動(dòng)方向。2.2.3 粘性限滑差速器的工作原理粘性限滑差速器通過主、從動(dòng)葉片剪切硅油產(chǎn)生的剪切轉(zhuǎn)矩增加了差速器的內(nèi)摩擦力矩。其傳動(dòng)機(jī)理是基于牛頓內(nèi)摩擦定律。如圖2-4所示，在兩塊平行放置的平板之間充滿粘性的流體，設(shè)兩平板間距即油層厚度為 。下板保持靜止，上板以速度v平行于?下板運(yùn)動(dòng)，板問流體受到剪切。速度不太高時(shí)，流體相鄰層間的流動(dòng)狀態(tài)可看作是相互平行移動(dòng)的層流，粘附在下板表面上流體分子的速度為零，粘附在上板表面上流體分子的速度為v。為了保持上板恒定的運(yùn)動(dòng)速度v，所需要的力F與板的面積A和速度梯度 ?V(或剪切率)成正比。即：F A??V???式中：F——油層的剪切力：——油層的切應(yīng)力；?——流體的動(dòng)力粘度；?——油層厚度；?V——兩平板的相對(duì)速度，或油層的剪切速度；A——承受油層剪切作用的面積；9圖2-4 平板間流體的內(nèi)摩擦作用圖由此可見，切應(yīng)力與動(dòng)力粘度和剪切速度成正比，與油膜厚度成反比。只要結(jié)構(gòu)和參數(shù)選取合理，就可設(shè)計(jì)出傳遞很大轉(zhuǎn)矩的液體粘性傳動(dòng)裝置。當(dāng)粘性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)及硅油粘度確定以后，其切應(yīng)力對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩與剪切速度對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速差成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)速差很小時(shí)，它可以允許被動(dòng)軸與主動(dòng)軸間有微量的滑轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)矩的傳遞主要依靠兩軸間的轉(zhuǎn)速差對(duì)油層的剪切作用，所以當(dāng)主、被動(dòng)軸間的轉(zhuǎn)速差增大時(shí)，油層承受的剪切力就會(huì)增大，所傳遞的轉(zhuǎn)矩也會(huì)增加。粘性聯(lián)軸器有兩種工作狀態(tài)，即：油膜粘性剪切工作狀態(tài)和“駝峰”工作狀態(tài)。通常情況下，由于汽車的各輪胎很難保持嚴(yán)格相同的轉(zhuǎn)速，所以粘性聯(lián)軸器經(jīng)常處于油膜剪切工作狀態(tài)，即利用油膜剪切傳遞動(dòng)力。軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)與之嚙合的內(nèi)葉片，由于油膜剪切作用產(chǎn)生的扭矩帶動(dòng)外盤片，外葉片將扭矩傳到與之嚙合的殼體，從而起到傳遞扭矩的作用。但是在特殊路面條件下，如果一輪打滑失去牽引力，則輪間的轉(zhuǎn)速變得不同，使得聯(lián)軸器主、從動(dòng)葉之間出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差。這時(shí)因摩擦而產(chǎn)生得熱量會(huì)促使其內(nèi)部得油氣兩相工質(zhì)產(chǎn)生流動(dòng)，而且聯(lián)軸器內(nèi)壓力、溫度升高，最后在主、從動(dòng)葉片間形成準(zhǔn)剛性連接，進(jìn)入“駝峰”工作狀態(tài)，液體粘性聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞給其余車輪，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力；離開特殊路面后，主、從動(dòng)葉片之間轉(zhuǎn)速差減小直至無轉(zhuǎn)速差，這是聯(lián)軸器內(nèi)部工質(zhì)得溫度、壓力會(huì)自動(dòng)降下來，聯(lián)軸器又恢復(fù)到油膜剪切工作狀態(tài)。因此，粘性聯(lián)軸器中工質(zhì)的性能對(duì)傳遞扭矩特性影響也很大。在粘性剪切階段，隨轉(zhuǎn)速差的增大，硅油剪切產(chǎn)生熱量增加，內(nèi)部硅油溫度升高，粘性聯(lián)軸器內(nèi)部壓力增加，硅油膨脹壓縮空氣。這時(shí)大部分空氣溶解于硅油，未融解的空氣聚集在盤片的外邊緣，瞬時(shí)填充率增大。在“駝峰”階段，轉(zhuǎn)速差逐漸接近于零，輸出扭矩達(dá)到最大。溫度逐漸降低，內(nèi)部壓力減小，空氣泡膨脹并從硅油中釋放，瞬時(shí)填充率逐漸下降至原值。因此，氣泡的存在有兩個(gè)重要的作用：1、影響硅油的粘度；2、引起硅油和空氣泡在盤片間的流動(dòng)，內(nèi)葉片受軸向壓力而接近直至貼緊外葉片。粘性聯(lián)軸器中工作介質(zhì)——硅油中封存一定量的空氣，在運(yùn)行中通過溫度與壓力的變化改變粘度，所以硅油的初始填充率在很大程度上決定了粘性聯(lián)軸器的特性。初始填充率即常溫常壓下充入LVC的硅油體積與LVC內(nèi)腔容積之比，一般初始填充率在80-95%，空氣的11含量對(duì)扭矩傳遞值的大小以及駝峰現(xiàn)象都有著重要的影響。 123 粘性聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩傳遞特性的分析粘性聯(lián)軸器在工作中有兩個(gè)特性是至關(guān)重要的，即剪切特性與峰值特性，也有人稱之為峰值現(xiàn)象或駝峰現(xiàn)象。通常工作時(shí)起作用的是粘性聯(lián)軸器的剪切工作特性，當(dāng)粘性聯(lián)軸器在大轉(zhuǎn)速差長時(shí)間工作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)傳遞的轉(zhuǎn)矩急劇增加的現(xiàn)象，這時(shí)粘性聯(lián)軸器進(jìn)入峰值工作特性。3.1 粘性聯(lián)軸器剪切特性的數(shù)學(xué)模型在粘性流體力學(xué)中，兩無限大平行圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)其間的粘性流體運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生阻力矩。在這里我們忽略圓盤的邊緣效應(yīng)，即可利用粘性流體力學(xué)中的牛頓內(nèi)摩擦定律來計(jì)算粘性聯(lián)軸器的剪切轉(zhuǎn)矩。圖3－1兩平行旋轉(zhuǎn)圓盤傳遞轉(zhuǎn)矩的計(jì)算模型如圖3－1所示是粘性聯(lián)軸器兩葉片傳遞轉(zhuǎn)矩的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，先求出兩轉(zhuǎn)動(dòng)葉片間傳遞的微量轉(zhuǎn)矩 ：1qTrdrsq ????????2)(1式中：——硅油的運(yùn)動(dòng)粘度；s?——硅油的密度；s?——工作葉片之間的間隙；?13， ——內(nèi)外葉片的角速度；1?2在殼體內(nèi)填充硅油時(shí)，對(duì)葉片內(nèi)徑到外徑積分，可求得其傳遞的剪切轉(zhuǎn)矩為： drnTrsq????????32)(412sq?式中：n——內(nèi)葉片數(shù)；—— = - ；??12——內(nèi)葉片外半徑；2r——外葉片內(nèi)半徑；13.2 影響粘性聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩的因素從以上可看出，粘性聯(lián)軸器傳遞的剪切轉(zhuǎn)矩是與多種因素相關(guān)的， ，V 是硅油S?的物理特性，它是與硅油的溫度有很大關(guān)系的參數(shù)；n，r ，r ,λ是粘性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)12因素，是與聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系；Δω是粘性聯(lián)軸器的輸入轉(zhuǎn)速差，它決定了硅油的剪切率。3.2.1 硅油對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響粘性式限滑差速器依靠液體粘性剪切來傳遞動(dòng)力和轉(zhuǎn)矩，其傳動(dòng)機(jī)理基于牛頓內(nèi)摩擦定律。為了實(shí)現(xiàn)粘性式限滑差速器的限滑轉(zhuǎn)矩傳遞特性，對(duì)于傳動(dòng)液體的剪切率的特性要有很高的要求。1.硅油良好的物理性質(zhì)選擇硅油作為粘性式限滑差速器傳遞轉(zhuǎn)矩的工作介質(zhì)，是因?yàn)槠渚哂辛己玫奈锢砘瘜W(xué)性質(zhì)，歸結(jié)起來，有如下幾方面a.粘度范圍廣，高至上百萬 Cst，低至幾百 Cst ;b.粘溫特性好，其粘度指數(shù)在 170Cst 以上，工作溫度高達(dá) ，凝固點(diǎn)低達(dá)-C?250C 。與礦物油相比，其粘度隨溫度的升高下降幅度較?。?70c.化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性好，抗熱酸堿，對(duì)塑料、橡膠和油漆不起膨化作用；14d.熱穩(wěn)定性好，蒸汽壓低，揮發(fā)度小，耐高壓；e.抗氧化性能好；f.抗剪切性能好；g.常壓下，不易溶于其它物質(zhì)。硅油的另一個(gè)重要性能特點(diǎn)是其表面張力低，在 時(shí)，甲基硅油的表面張力為 C?25，而水為 ,它在金屬表面能夠迅速蠕動(dòng)和擴(kuò)展，利于硅310)2~6(??mN31072??mN油在葉片間的流動(dòng)以及傳遞轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性，但同時(shí)給密封帶來一定的難度。2.影響硅油特性的因素由于硅油粘度對(duì)粘性式限滑差速器的轉(zhuǎn)矩傳遞特性有很大影響，同時(shí)，溫度、剪切率對(duì)粘度變化也有影響。a．溫度對(duì)硅油的影響粘性聯(lián)軸器是靠輸入輸出軸的轉(zhuǎn)速差來工作，因此必然存在損失功率，所以在工作過程中會(huì)產(chǎn)生熱量使硅油溫度升高。隨著溫度升高其粘度會(huì)有所降低，特別是高粘度硅油，其粘度隨溫度升高下降的要更快。一旦硅油粘度降低，傳遞的剪切轉(zhuǎn)矩就要減小。硅油溫度太高還會(huì)使硅油的物理化學(xué)性能發(fā)生變化，使粘性式限滑差速器失去原有的性能而損壞。所以選擇硅油時(shí)，要依據(jù)粘性式限滑差速器的性能、工作條件及散熱狀況而定。一般來說，雖然粘度較高的硅油隨溫度及剪切率的升高下降幅度較小，但當(dāng)粘度過高( 100000cst)，硅油接近橡膠狀，既不易合成，成本較高，又不易填充。并且硅油?粘度越高，使用一段時(shí)間后，其粘度衰減的程度越大。b. 剪切率對(duì)硅油的影響在同樣溫度條件下，硅油粘度隨剪切率的增加而降低。而硅油剪切率 S 隨著葉片半徑和轉(zhuǎn)速差的增加而增加?？捎孟旅婀奖硎荆篠=r( )/λ其中： r-----葉片半徑；-----傳遞轉(zhuǎn)速差；----由葉片結(jié)構(gòu)決定的定值?此外，圖 3-2 也在一定程度上反映了剪切率與硅油粘度關(guān)系：15圖 3－2 剪切率與硅油粘度關(guān)系曲線3.2.2 葉片結(jié)構(gòu)對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響粘性聯(lián)軸器是靠主動(dòng)葉片剪切硅油來傳遞轉(zhuǎn)矩的，因此對(duì)葉片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。1.葉片基本參數(shù)分析由于加工方法及材料強(qiáng)度的限制，葉片的厚度不能太厚，而且粘性式限滑差速器傳遞大轉(zhuǎn)矩時(shí)容易發(fā)生扭曲現(xiàn)象，以造成葉片破壞，也同樣要求葉片不能太薄，相對(duì)于葉片外徑推薦的葉片厚度見表 3-1:表 3-1 設(shè)計(jì)用葉片的外徑與厚度推薦選用范圍由 于葉片會(huì)發(fā)生接 觸摩擦，因而在 選擇葉片的材料 時(shí)，既要考慮材 料的剛度，又要 考慮材料的葉片外徑（mm） 厚度（mm）50～80 0.480～130 0.4～0.5130～160 0.5～0.6160?0.6～1.016耐磨性，同時(shí)還要防止葉片在高溫下變形，所以葉片要經(jīng)過特殊的耐磨材料，推薦采用氮化處理。一般內(nèi)、外葉片的結(jié)構(gòu)如圖 3-3，圖 3-4 所示：圖 3-3 常見的主動(dòng)片形狀圖 3-4 常見的從動(dòng)片形狀葉片的內(nèi)徑 和外徑 首先要滿足粘性式限滑差速器的結(jié)構(gòu)要求；其次，內(nèi)外徑1d2比 的取值要適當(dāng)。如果 C 值太小，則葉片的摩擦襯面寬度過大，內(nèi)外徑的的21C?圓周速度相差大，滑差時(shí)溫升差別大，為保證傳遞的轉(zhuǎn)矩符合要求，勢(shì)必增加葉片數(shù)目，從而增加了粘性式限滑差速器的軸向尺寸。通常兼顧到這兩方面，可取 C=0.6～0.7。粘性式限滑差速器葉片平均間隙的大小受制造工藝水平的限制。如能保證葉片在金屬加工，熱處理后翹曲度小，則葉片之間自然間隙小，此時(shí)葉片平均間隙可取較小值。葉片的翹曲度取決于兩斷面的平行度，葉片的平面度，葉片平面對(duì)軸心線的垂直度以及熱處理時(shí)的變形量等。一般葉片平均間隙為 0.1～0.3mm。 2.動(dòng)片設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的原則:a.取從動(dòng)片的外徑與主動(dòng)片的內(nèi)徑進(jìn)行計(jì)算有效的接觸面積。這是因?yàn)橹鲃?dòng)片的外徑略大于從動(dòng)片的外徑，而從動(dòng)片的內(nèi)徑略小于主動(dòng)片的內(nèi)徑;b.合理選擇花鍵的規(guī)格，以保證主、 從動(dòng)片的外、內(nèi)花鍵具有足夠的剪切強(qiáng)度17和彎曲強(qiáng)度。3.葉片上孔和槽的設(shè)計(jì)分析葉片上一般加工有孔和槽，從前面分析可知，采用有孔和槽的粘性式限滑差速器能夠傳遞穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，所以通常在外葉片上加工有孔，而在內(nèi)葉片上加工有槽。在相同的條件下測(cè)得的粘性式限滑差速器的轉(zhuǎn)矩特性顯示，有孔和槽的葉片傳遞的轉(zhuǎn)矩要比無孔和槽不宜開得過大，因?yàn)檎承允较藁钏倨魇且揽考羟腥~片上附著的硅油來傳遞轉(zhuǎn)矩的，若孔和槽開得過大，也就是葉片附著硅油油膜的面積變小，則整個(gè)粘性式限滑差速器傳遞的轉(zhuǎn)矩相對(duì)變小。故設(shè)計(jì)時(shí)孔和槽的面積約占葉片面積的 25%～30%。主從動(dòng)葉片上孔和槽的主要作用有：a.易于填充硅油。由于填充的硅油一般粘度較高，流動(dòng)性較差，有孔和槽的葉片能夠迅速排出空氣，從而較快的填充硅油：b.補(bǔ)償不對(duì)稱的熱應(yīng)力，防止熱變形。粘性式限滑差速器的工作溫度可高達(dá) ,孔C?20和槽會(huì)降低葉片的熱變形；c.防止局部發(fā)熱。帶孔和槽的葉片增加了硅油在葉片間的熱量流動(dòng)，提高了傳熱效果，從而有效的防止了不均勻的熱變形，改善了葉片的扭矩傳遞特性；d.容納殼體內(nèi)部的空氣。在粘性式限滑差速器工作時(shí)，殼體內(nèi)部的空氣泡主要存在于葉片上的孔和槽內(nèi)，葉片表面上幾乎沒有空氣e.改善粘性式限滑差速器的轉(zhuǎn)矩特性，增加其最大工作轉(zhuǎn)矩。4.葉片的結(jié)構(gòu)和間距對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響粘性聯(lián)軸器的葉片可沿軸向滑動(dòng)，所以葉片間隙是可變的。粘性聯(lián)軸器傳遞的轉(zhuǎn)矩與葉片間間隙成反比。葉片偏離中間理想位置的距離與內(nèi)外葉片間距的比值稱為葉片位置偏移率，它在 40%以下時(shí)，傳遞轉(zhuǎn)矩的數(shù)值與葉片處在中間位置時(shí)傳遞的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值的比值較小，當(dāng)位置偏移率大于 70%時(shí)，轉(zhuǎn)矩增加的幅很大如圖 3－5 圖 3-5 葉片偏離率對(duì)粘性聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩的影響3.2.3 硅油填充率對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響為了防止硅油受熱膨脹使密封的殼體內(nèi)部壓力過高，一般在殼體內(nèi)部封入 5%～20%18的空氣。硅油的填充率是指硅油填充體積與粘性聯(lián)軸器內(nèi)部容積之比。它對(duì)粘性聯(lián)軸器的傳遞轉(zhuǎn)矩特性有很大影響。粘性聯(lián)軸器工作時(shí)，由于內(nèi)部溫度變化，體積膨脹，密度變小，填充率增加。硅油的瞬時(shí)體積為：式中： ——硅油的初始體積——硅油的體積膨脹系數(shù)——硅油的瞬時(shí)體積硅油的瞬時(shí)密度為：粘性聯(lián)軸器的瞬時(shí)填充率為：式中： ——粘性聯(lián)軸器的初始填充率——粘性聯(lián)軸器的瞬時(shí)填充率3.3 綜合多種影響因素的傳遞轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型綜合考慮以上因素，粘性聯(lián)軸器傳遞的轉(zhuǎn)矩與硅油的溫度、剪切率，填充率以及葉片的結(jié)構(gòu)相關(guān)。則綜合考慮相關(guān)因素的粘性聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型為：式中： ——硅油裝入粘性聯(lián)軸器時(shí)的初始密度；Δt——粘性聯(lián)軸器工作時(shí)硅油的溫升；ν(s,t)——硅油的運(yùn)動(dòng)粘度，為溫度與剪切率的函數(shù)；——片上孔、槽對(duì)應(yīng)面積所傳遞的轉(zhuǎn)矩。19這里除粘性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)因素外，轉(zhuǎn)速差與溫度是影響其傳遞轉(zhuǎn)矩的主要外界因素。確定這三個(gè)因素即可確定粘性聯(lián)軸器的瞬時(shí)工作特性。3.4 峰值特性的理論分析粘性聯(lián)軸器在長時(shí)間連續(xù)大轉(zhuǎn)速差運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，隨著粘性聯(lián)軸器產(chǎn)生的熱量增加而來不及散發(fā)，其溫度越來越高，開始時(shí)由于硅油粘度降低，剪切轉(zhuǎn)矩有所降低，隨后粘性聯(lián)軸器傳遞的轉(zhuǎn)矩開始迅速增加，最終發(fā)生鎖死，這就是粘性聯(lián)軸器的峰值現(xiàn)象。要準(zhǔn)確地對(duì)粘性聯(lián)軸器峰值特性進(jìn)行分析和計(jì)算，弄清楚峰值現(xiàn)象的形成機(jī)理是很重要的。學(xué)術(shù)界對(duì)這一點(diǎn)有好幾種解釋，以至目前對(duì)其仍沒定論。但比較公認(rèn)的理論是粘性聯(lián)軸器工作腔內(nèi)的空氣，在高壓下一部分溶解于硅油，而另一部分散布于葉片的孔內(nèi)（如圖 3－6 所示） ，由于旋轉(zhuǎn)盤片對(duì)硅油的推動(dòng)作用，外盤小孔右半部分變成高壓區(qū)，左半部分變成低壓區(qū)，因而氣泡流向低壓區(qū)，由于氣泡分布不均，產(chǎn)生的熱量不均，因此某些盤片的左右壓強(qiáng)不相等，從而使內(nèi)盤向低壓區(qū)移動(dòng)。隨著溫度增加，硅油體積膨脹，內(nèi)壓不斷升高，最后粘性聯(lián)軸器的內(nèi)外葉片在高壓作用下，發(fā)生直接接觸，處于一種混合摩擦狀態(tài)，因而傳遞很大的轉(zhuǎn)矩。隨著壓力的繼續(xù)升高，粘性聯(lián)軸器的內(nèi)外葉片同步運(yùn)轉(zhuǎn)、差速器處于閉鎖狀態(tài)。20圖 3-6 粘性聯(lián)軸器的峰值現(xiàn)象產(chǎn)生過程粘性聯(lián)軸器發(fā)生自鎖后，內(nèi)外葉片不再有轉(zhuǎn)速差，因此熱量不會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生，硅油溫度開始降低，而后，粘性聯(lián)軸器脫離自鎖狀態(tài)。 214 粘性差速器工作過程的溫度計(jì)算4.1 溫度分析概述從前一章的工作特性分析與計(jì)算中可以看出粘性聯(lián)軸器的工作溫度對(duì)其轉(zhuǎn)矩傳遞特性有很大影響。而其工作溫度一是受工作環(huán)境溫度的影響，另一因素就是粘性聯(lián)軸器在工作過程中自身產(chǎn)生的熱量使硅油溫度升高。對(duì)粘性式限滑差速器來說，粘性聯(lián)軸器的工作環(huán)境溫度還是比較穩(wěn)定的，因此其工作特性主要是受其自身產(chǎn)生的熱量的影響。粘性聯(lián)軸器在工作中有轉(zhuǎn)速差的存在就有損失功率，因此會(huì)產(chǎn)生熱量，其中一部分熱量經(jīng)葉片、殼體和軸傳至外界，即在殼體的內(nèi)部和外部存在著熱量交換。沒有傳出去的熱量將使硅油溫度升高，體積膨脹，殼體內(nèi)部壓力升高。當(dāng)其壓力達(dá)到一定值時(shí)，粘性聯(lián)軸器傳遞的轉(zhuǎn)矩就會(huì)迅速增加，這就是峰值現(xiàn)象?？梢娺@部分熱量對(duì)粘性聯(lián)軸器的工作特性有很大影響。所以只有準(zhǔn)確計(jì)算粘性聯(lián)軸器各部分的傳熱量、確定硅油各時(shí)刻的溫度，才能準(zhǔn)確確定粘性聯(lián)軸器的工作特性，從而使粘性式限滑差速器的轉(zhuǎn)矩輸出特性合乎設(shè)計(jì)要求。4.2 粘性聯(lián)軸器換熱模型的建立粘性聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，若要計(jì)算出粘性聯(lián)軸器傳熱過程中各部分的傳入與傳出的熱量，必須把粘性聯(lián)軸器做一定的簡(jiǎn)化。如圖 4－1 所示為本文所述的粘性聯(lián)軸器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖。粘性聯(lián)軸器吸收的熱量在粘性聯(lián)軸器的 7 個(gè)部分之間傳遞。如圖4－2 是粘性聯(lián)軸器的傳熱模型，對(duì)這個(gè)模型我們做如下假設(shè)：（1）忽略殼體與左、右端蓋間的導(dǎo)熱，即 Q ，Q ,Q ,Q ,Q 均為零。23425354（2）忽略密封件與硅油及與密封部位的導(dǎo)熱。（3）把內(nèi)、外葉片看成是浸在硅油里的金屬片。這樣我們不考慮葉片與殼體及軸的換熱，這部分換熱用硅油代替，所以 , 為零。這樣葉片就只和硅油進(jìn)6572行熱交換。葉片一般為金屬件，是熱的良導(dǎo)體，且葉片厚度一般不大于 1mm，所以忽略葉片表面向內(nèi)部的導(dǎo)熱。而粘性聯(lián)軸器工作時(shí)，溫度上升的不是太快，所以我們認(rèn)為葉片與硅油的換熱是在有溫差的瞬間進(jìn)行并完成的，也就是說，可以認(rèn)為葉片與硅油的溫度總是相等。22（4）忽略殼體與蓋對(duì)外界的輻射換熱，即殼體、蓋與外界的換熱是對(duì)流換熱。（5）認(rèn)為粘性聯(lián)軸器各部分的傳熱是穩(wěn)態(tài)傳熱過程。圖 4－1 粘性聯(lián)軸器簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖圖 圖 4－2 粘性聯(lián)軸器傳熱模型4.3 各部分之間對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算流體流過壁面（或另一流體的界面）時(shí)，流體與壁面（或另一流體）相互產(chǎn)生的熱量傳遞過程稱為對(duì)流換熱。在對(duì)流換熱時(shí)，通過壁面的熱流密度 q 正比于流體與壁面間的溫差 Δt，比例系數(shù) α 稱為對(duì)流換熱系數(shù)。確定換熱系數(shù)后，即可利用換熱系數(shù)計(jì)算對(duì)流換熱過程的換熱量。4.3.1 硅油與軸的平均對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)硅油與軸的平均對(duì)流換熱系數(shù)為 ，根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)有 aSDN?????1其中： 23上式中： ——硅油的導(dǎo)熱系數(shù)；——硅油的運(yùn)動(dòng)粘度；——硅油的體積膨脹系數(shù)；——硅油的密度；——硅油的定壓比熱系數(shù)；——硅油的溫度——軸的角速度；——努謝爾特準(zhǔn)則數(shù)；——雷諾準(zhǔn)則數(shù)；——葛拉曉夫準(zhǔn)則數(shù)；——普朗特?cái)?shù)；——軸的外徑——軸的溫度；4.3.2 硅油與殼體的平均對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)硅油與殼體的平均對(duì)流換熱系數(shù)為 ，根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)有： hisDN?????2其中： 24上式中： ——為殼體的內(nèi)徑；——為殼體的溫度；——?dú)んw的角速度；其他同上；4.3.3 殼體與外界空氣的平均對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)殼體與外界空氣的平均對(duì)流換熱系數(shù)為 ，根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)有：hoADN?????3其中： 上式中： ——?dú)んw外經(jīng)；——?dú)んw外表面溫度；——空氣的溫度；——空氣的熱膨脹系數(shù)； ——空氣的運(yùn)動(dòng)粘度；25——空氣的定壓比熱系數(shù)；——空氣的密度；——空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；4.3.4 軸與外界空氣的平均對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)軸與外界空氣的平均對(duì)流換熱系數(shù)為 ，根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)有：其中： 上式中: —軸的外徑;--軸的外表面溫度;4.3.5 硅油與端蓋的平均對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)硅油與端蓋的平均對(duì)流換熱系數(shù)為 ，根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)有：其中: