专利名称：差速齿轮机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及差速齿轮机构，更具体地说，(当然并不是绝对的)是涉及用于道路车辆中的差速齿轮机构。
常规汽车的车轮由一根动力输出轴驱动，动力输出轴通过简单的差速齿轮箱形式来驱动车轮。差速齿轮机构通常包括一对间隔并对置的半轴齿轮，它们通过由冠齿轮带着旋转的锥齿轮传动机构相互连接。
当车辆转弯时，转弯处外侧的车轮要比内侧的转得快，差速齿轮机构就可以实现这一功能。
采用上述简单的差速齿轮机构遇到的一个问题是，如果一个车轮进行空转，象遇到路面有结冰或有泥浆，或车轮腾空所发生的情况一样，此时在仍然与地面之间保持无滑动接触的另一个车轮上就存在驱动扭矩的损失。对于高性能汽车和赛车来说，这是不能允许的，因为突然的功率损失会导致汽车失控。而对于低性能汽车和车辆来说，如果车辆是以正常方式驾驶的，则这种引起功率损失的情况是很少遇见的，并且即使出现这种少见的情况也极少引起事故，所以做为正常驾驶风险来说，这是可以接受的。
高性能汽车和赛车都装有特殊的差速齿轮机构，以防止一旦一个车轮暂时失去地面的附着力而发生的驱动扭矩的损失。一种这样的齿轮机构是“TORSEN”差速器(公开于1988年12月出版的《大众机械》第106页)。TORSEN差速器能够使两个车轮连续地被驱动，而不管是否有一个车轮失去地面附着力。然而，TORSEN差速器价格昂贵、结构复杂且寿命较短。因此，这种差速器不适用于普通的道路车辆。
本发明的目的是提供一种改进的差速齿轮机构，以克服上述先有技术中的缺陷。
根据本发明，提供了一种差速齿轮机构，它具有两根通过齿轮传动机构相互连接而绕一条公共转动轴线旋转的输出轴，所述齿轮传动机构包括一根平行于所述公共轴线延伸并带有外齿的中间轴;一根输入传动轴，它驱动中间轴沿一条偏心于所述公共轴的行星轨迹运动;一个形成在第一对外齿部件之间的第一啮合区，其中一个外齿部件连接到一根所述输出轴上，而另一个外齿部件连接到所述中间轴上;一个形成在第二对外齿部件之间的第二啮合区，其中一个外齿部件连接到另一输出轴上，而另一个外齿部件连接到所述中间轴上;在此差速齿轮机构中，处于其中一个啮合区中的所述一对外齿部件的齿具有相同的旋向，且被成形和布置成能在此对外齿部件之间提供零或低效率，限定其中一个所述啮合区的所述一对外齿部件都沿相同的方向旋转，而限定另一啮合区的一对外齿轮部件彼此沿相反的方向旋转。
这种差速齿轮机构可采用四个独立的外齿轮。不过为了便于制造，最好使中间轴具有一个沿其长度延伸的带齿部分，从而能利用其长度上的不同区段给每个啮合区提供一个外齿部件。最好采用这种结构，使两啮合区中其余的外齿部件分别带有旋向相反的螺旋齿，并且为防止在差速齿轮机构中出现啮合间隙，其中一个外齿部件的螺旋齿的轴向厚度应大于另一外齿部件的螺旋齿的轴向厚度。
所述外齿部件上的齿可以是单头或多头的。最好中间轴围绕着所述公共轴线重复设置。
本发明的差速齿轮机构与前述的TORSEN差速器具有相同的优点，但它结构更简单、制造成本更低，因此能广泛地应用于道路车辆中。然而并不应该将本发明的机构仅限制在用于车辆的差速齿轮机构方面，因为它除了用于车辆的差速齿轮机构外还能应用到许多形式的齿轮传动中，例如能用作为四轮驱动车辆中的驱动功率分流器。
本发明的差速齿轮机构超过TORSEN差速器的优点还在于所采用的螺旋齿能被设计成线接触啮合。这对于使用交错螺旋齿轮的TORSEN差速器来说是不可能的，从而使这种差速器具有较差的磨损性能。如果不将本发明中的外齿轮部件完全地锁定，即它们并不是100%地无效，则允许它们之前产生较小的相对转动，这样就能在本发明的机构中构成一定程度的低效率，这将允许输出驱动轴在其一定的转速变化范围内自由地旋转。
下面结合附图以举例的方式对本发明进行详细说明。这些附图是示意性的原理图，其中
图1是用于汽车的第一个实施例的差速齿轮机构的透视图;
图2是图1所示机构的前视图;
图3是通过图1和图2所示机构的一个具体实施例的垂直剖面图;
图4是本发明的第二个实施例的局部已剖切掉的透视图;
图5是本发明的第三个实施例的透视图;
图6是图5所示结构的一个具体实施例的垂直剖面图;
图7是图6中部件的装配透视图;
图8为一种用于四轮驱动车辆的动力传动系统的平面布局图，该动力传动系统采用本发明作为车辆的传动系中的扭矩分流器。
在图1、2和3中，一个车辆差速机构1由一根轴2连接到车辆的一个后车轮3上，并由一根轴4连接到车辆的另一个后车轮5上。一根传动轴6向车轮3和5提供动力并具有一个与回转圆盘9上的轮缘齿轮8相啮合的主动齿轮7，圆盘9与轴2和4的公共轴线同轴且构成圆柱壳体19的一部分(如图3所示)。
再看图1，圆盘9有一个偏心孔10，一根中间轴11从孔中穿过。中间轴11的一端有个齿轮12，其另一端有个带螺旋齿的回转件13。回转件13的螺旋齿由标号14表示，它在一个第一啮合区与形成在轴线平行的第二回转件16上的螺旋齿15相啮合。如图1所示，第二回转件16与回转件13的直径相同。回转件16连接到轴4伸到壳体19内的端部。螺旋齿14和15具有相同的旋向。
齿轮12在一个第二啮合区与一个连接在第二半轴2内端上的第二齿轮17相啮合。通过比较图1和图3应该明白，回转件13和16的直径并不一定要相同，实质上仅要求它们之间的速比与齿轮12和17之间的速比相同即可。在图3所示的工作结构中，存在着两根中间轴11。如果需要，几根中间轴11可围绕回转件16的轴线重复设置。
螺旋齿14和15的形状和齿廓是如此设计的如果回转件13和16绕中间轴11的轴线以相同的速度沿相同的方向转动，则螺旋齿14和15能平稳地传动。回转件13和16上的螺旋齿具有相同的旋向，而且它们之间的传动是低效率的，以便当它们的齿侧面分别沿相反方向越过啮合区时，齿间要相互磨擦。这样在回转件13和16的螺旋齿的齿侧面之间产生大的摩擦阻力，这将使两回转件间的传动效率很低。当要求差速器具有希望的工作性能时，可利用下面结合图4所详细说明的技术对这种低效率进行调整。
本发明的差速器的第一个实施例的工作情况如下首先假定允许车辆沿直线自由行驶。车轮3和5沿相同方向以相同速度旋转。齿轮17和12的反作用试图使回转件13顺时针旋转。与此同时，车轮5沿反时针方向驱动回转件16。由于回转件13只能和回转件16沿同一方向旋转，所以它们之间不存在相对转动。这样传动轴6的旋转将使中间轴11绕轴2和4的轴线做行星运动，而不是绕其自身轴线旋转，而且车轮以正常方式被同步驱动。
对于机动车差速器来说，它最好具有很低的效率，而不是将回转件13和16完全锁定起来。不过在其它场合，差速器的这种完全锁定(零效率)作用也许是更好的。利用本发明，通过适当地设计螺旋齿14和15的齿形就可以实现这种完全锁定。
现在考虑车辆向左转弯时的情况。这种情况可以通过忽略车辆的行驶速度，并顺时针旋转车轮5而同时以相同速度逆时针旋转车轮3来模拟。
由于车轮3位于转弯的外侧，所以它的转速有一增量而车轮5的转速有一个相应量的减速。这时，通过齿轮12和17将车轮3的顺时针旋转转换成回旋件13的逆时针旋转，此时两回转件13和16以同样速度沿相同方向旋转。由于螺旋齿14与15啮合，所以它们允许所需的差速运动，此时中间轴11在侧面齿轮圆盘9的孔10中转动。
最后，研究一下当一个车轮例如车轮3失去路面附着力的情况。这种情况在路面结冰或有油时出现。当采用具有三个锥齿轮的常规差速器时，由于传给差速器的输入扭矩导致受其作用的车轮3空转且牵引力从车轮5上消失，所以车辆将失去驱动。对高性能汽车来说，这种状态是危险的，当然它可以通过采用本文前述的那种复杂且昂贵的差速器加以防止，也可利用在此描述的本发明差速系统防止其发生。其原因如下所述。
通过在带齿的回转件13和16之间实现完全锁定或零效率，那么当车辆沿直线行驶时，车轮3丧失地面附着力对于车轮3的旋转不产生影响，这是因为从轴6传到圆盘9的驱动力是通过偏心的中间轴11来传递的，而且回转件13和16是被锁定在一起的。只有当回转件13和16以相同速度沿同一方向驱动时，它们才脱离锁定状态。但在此假设的情况下，车轮5仍以行驶速度驱动，因此决不会发生上述这种回转件13和16松脱的现象。事实上，轴6的输入动力可全部或大部分传递到车轮5(取决于所述的低效率的程度)，并且车轮3将继续和车轮5以相同的速度旋转。
可以意识到，在此描述的差速器具有的运动部件很少，而且它和那些蜗杆-蜗轮式差速器相比，对磨损的敏感性较小。但是由于防止了车轮滑转，所以这种差速器胜过那些用在目前市场上大批销售的小轿车上的常规车辆差速器。它还适用于下列情况即要求驱动力由两个车轮分享，以及当一个车轮甩掉时要求防止另一个车轮高速空转。
图3表示了图1和图2所示差速器的一种实用形式，其中中间轴围绕着输出驱动轴2和4的公共轴线重复设置，另外还用箭头示出了不同部件的旋转方向。
下面对本发明的第二实施例进行说明。
在图4所示的本发明结构中，那些与已结合图1和2描述过的部件相对应的部件被冠以类同的标号，只不过是采用数字为100的序列。因此对于这些部件的描述也简化了，其详细说明可参见前面的内容。
传动轴106驱动一个与一驱动圆盘109上的轮缘齿轮108相啮合的锥齿轮107。圆盘109由一个杆架120连接到一个同轴设置的类似圆盘121上。轴102穿过位于圆盘121中心的轴承，且与轴104同轴，而轴104穿过位于圆盘109中心的轴承(未示出)。
回转件113、116以及齿轮112、117都安置在两圆盘109和121之间。齿轮117和112具有如图所示的直齿。中间轴111穿过从杆架120径向向内延伸的支柱122中的轴承，并且通过在其插入圆盘121和109的轴承中的两端而保持就位。支柱122的内部制成轴承，分别支承轴104的小直径的内端部和中间齿轮124的一根轴123。中间齿轮124与位于其径向相对侧的两齿轮125和126相啮合。如图所示，齿轮124，125和126具有螺旋齿。齿轮125固定到中间轴111上，而齿轮126装在一花键轴127上，利用某个机构(未示出)，齿轮126能沿花键轴127移动到一系列位置中的任一个上。
这种回转件113和116在本申请人在共同未决的中国专利申请NO.89108027.9(申请日为1989年10月19日)中已做了说明并已要求给予保护。
这种锁定元件具有这样的性能它的齿不能(或实际上不能)在两根轴104和111之间传递动力，但是，如果它们沿同样的方向以相同的速度旋转，且它们具有旋向相同的齿，则它们将允许两根轴104和111旋转。这是由于两回转件113和116上的螺旋齿以相同速度沿同一方向运动的结果。齿轮126轴向移动的目的是控制回转件113和116上的螺旋齿的相互位置，这样能将差速齿轮机构的低效率调定到所需的程度。
下面结合附图4对差速齿轮机构的第二实施例的操作情况进行说明。
当车辆沿箭头方向向前行驶时，齿轮117逆时针旋转。回转件116在另一车轮105的带动下也沿逆时针方向旋转。由于回转件116和113上的螺旋齿具有相同的旋向，所以当它们沿同一方向旋转时，彼此只能相互滑动。然而在所讨论的情况下，回转件116和113试图沿相反方向旋转，但又由于不可能这样做，所以它们将锁住，并随着轴111绕车轮的公共轴线的轨道运动而传递传动轴106的输入动力。
当由于车辆转弯而导致车轮105的速度增加且车轮103的速度降低时，车轮的速度变化量沿同一方向作用到回转件113和116上，使得它们相对滑动，从而实现车轮的差速运动。
回转件113和116上的螺旋齿的形状和布置是这样设计的它们之间不能传递动力，或者只能以低效率传递动力。可以通过轴向移动齿轮126来调节这个低效率的程度。这将改变轴111上位于V形接头140(它成形在轴111中)两侧的两部分的角度关系，并由此改变回转件113上的螺旋齿相对于回转件116上的螺旋齿的位置。轮齿之间的相互位置的变化将改变它们之间的摩擦接触，因此就能以一种受控的方式将差速器的低效率调整到0-100%之间的任意选定值。接头140可以包括一个带有内啮合V形齿的联轴器。
有控制地改变齿轮126在花键轴127上位置还能使差速器产生相变，因此能从所述的标准工况转变到完全锁定的扭矩传感差速工况，或转变成处于这两个工况之间的、具有所要求的差速功能的任何其它工况。需要注意的是图4中所有的轴都是相互平行安置的。实质上，齿轮117和112并不一定要具有相同直径，也可以选用1∶1以外的速比，如果这种机构是置于从发动机延伸到四轮驱动车辆的前轮和后轮差速器的传动系中间的，则这一点是十分实用的。后面将结合图8对这种结构加以说明。
齿轮124、125和126对于图4所示的机构来说并不是实质性的部件。它们唯一的用途是允许改变回转件113和116的螺旋齿的相位，以改变整个机构的特性。例如回转件113和116可以携带具有非对称横截面的螺旋齿。这种齿已在本申请人的题为“啮合齿轮”的未决的澳大利亚专利申请№.PJ6633的说明书中公开(此专利申请可作为本申请的参考资料)，该发明的相应专利申请也已在提交本申请的同一天向一些外国专利局提出。这种齿轮类似于交叠啮合的螺杆，它的不同斜度的齿上具有前、后侧面。斜度较为陡峭的齿侧面和齿的螺矩是这样设计的一根螺杆沿一个方向的旋转使它的齿贴着另一根螺杆的齿滑动，由此向这根螺杆施加一轴向推力，这个推力通过齿的螺距转换成使这根螺杆沿同一方向旋转的转矩。这个结果是由两根啮合螺杆的组合来获得的，即，尽管这两根螺杆是相啮合的，但当驱动力沿一个方向施加到其中一根螺杆上时，两根螺杆将沿相同方向转动。然而在反向转动时(例如使车辆制动)，设置在每个齿的一个齿面上斜度较平缓的齿面就相互依靠，以便将两螺杆锁定起来。当这种具体结构用于象赛车这样的高性能车辆的差速器中时，具有显著的优越性，因为此时要求差速器在车辆制动期间在非锁定的工况工作，而在加速时在锁定或非常低的效率的工况工作。
如果所有齿的两侧齿面都具有相同的斜度，则可以通过调整齿轮126的位置来改变两回转件上螺旋齿间的压力。这可以改变差速器的特性。
下面对本发明的第三个实施例加以说明。
图8示意性地表示了一种四轮驱动的车辆，该车辆具有一对前轮130和一对后轮131，这些车轮的动力通过发动机132供给。该发动机132驱动一个功率分流机构133，而功率分流机构133将动力提供给位于两前轮130之间的差速器134和位于两后轮131之间的差速器135。
差速器134和135可以是本说明书描述的任意一种差速器。功率分流机构133可以是图4所示的那种，但它采用不同直径的齿轮117和112，以便在前、后轴之间产生所需的扭矩分流。例如，可以将齿轮117和112选定成能将正常驱动扭矩的60%提供给后轮，而将其余的40%提供给前轮。
接着讨论一下对本发明第一个实施例的改型情况。
图5表示了图3所示结构的一种改型，这种改型具有较简单的结构，其中与已述相同的部件用类似的标号表示，只是采用200序列。为避免重复，对这些相同部件不再做详细说明。
两个回转圆盘209和221由杆架220一起驱动。一根中间轴211以其两端支承在相对于两回转圆盘221和209偏置的轴承(未示出)中。中间轴221带有一个辊子240，辊子240具有螺距和厚度均为恒定的螺旋齿241。螺旋齿241在一端与带有一个或多个螺旋齿的部件217相啮合，在另一端与带螺旋齿的部件216相啮合，部件217由车轮203驱动。
图5所示结构的工作方式与图4的类似。来自传动轴206的驱动力使得杆架220绕轴202和204的公共轴线旋转。部件216上的螺旋齿与辊子240上的螺旋齿241相啮合。部件216和辊子240上的啮合齿具有已述的特性，即它们的旋向相同，并且仅当两根轴211和204以相同速度沿同一方向旋转时，它们才相对旋转。辊子240与部件217啮合的螺旋齿设计成在它们之间能沿两个方向传递动力，并且辊子240用于颠倒来自部件217和216的驱动力。在工作中，当车辆沿直道行驶时，部件216试图使辊子240顺时针旋转，而部件217试图使辊子240逆时针旋转。因此辊子240不能绕自身轴线旋转。即使是当一个车轮打滑时也不会发生高速空转，这是因为阻止了辊子240绕自身轴线的自由旋转。这一点是由辊子240和部件216的螺旋齿具有很低的传动效率造成的。其结果是从轴211传到部件216和217的驱动力将连续施加到两车轮上，但是大部分驱动扭矩将施加到保持有地面附着力的那个车轮上。
这种传动机构的差速作用方式与前述相同。如果一个车轮203减速，而另一车轮205增速，且它们减速量及增速量是相同的，则辊子240和部件216会以相同的速度沿相同的方向旋转，由此产生差速作用。
图6和图7表示了图5所示结构的一种实用方案，其中与图5中对应的部件用相同的标号表示。辊子240沿其长度具有相同旋向的螺旋齿，并且在两个啮合区分别与两个部件216和217相啮合。由图6清楚可见，部件217具有与部件216旋向相反的螺旋齿，而且两部件217和216上的螺旋齿的轴向厚度也是不同的。这对于保证差速器在无啮合间隙的情况下正常工作是必要的。
图7表示了两个辊子240围绕部件216和217的公共轴线设置在一个公共圆柱形壳体中的情况。采用这种双辊结构必须注意特殊的相互关系。辊子240必须围绕部件216和217的公共轴线相互间隔一定角度设置。即它们的位置必须相互间隔360n/X度其中“n”为一个整数，“X”是两部件216和217上螺旋齿的总数。例如，如果两部件216和217之一具有3个齿，而另一个具有5个齿，且取n＝1，则两辊子240的位置必须间隔360/8＝45度。
权利要求
1.一种差速齿轮机构，具有两根通过齿轮传动机构相互连接而绕一条公共转动轴线旋转的输出轴(2，4；102，104；202，204)，所述齿轮传动机构包括一根平行于所述公共轴线延伸并带有外齿的中间轴(11，111，211)；一根输入传动轴(16，106，206)，它驱动所述中间轴沿一条偏心于所述公共轴线的行星轨迹运动；一个形成在第一对外齿部件(12，17，112，117，212，217)之间的第一啮合区，其中一个外齿部件(17，117，217)连接到一根所述输出轴上，而另一个外齿部件(12，112，212)连接到所述中间轴上；一个形成在第二对外齿部件(13，16；113，116；213，216)之间的第二啮合区，其中一个外齿部件(16，116，216)连接到另一根所述输出轴上，而另一个外齿部件(13，113，213)连接到所述中间轴上；其特征是在其中一个所述啮合区中的所述一对外齿部件(13，16；113，116；213，216)的齿具有相同的旋向，且被成形和布置成能在此对外齿部件之间提供零或低效率，限定其中一个所述啮合区的所述一对外齿部件(13，16；113，116；213，216)都沿相同的方向旋转，而限定另一所述啮合区的一对外齿部件(12，17；112，117；212，217)彼此沿相反的方向旋转。
2.根据权利要求1的差速齿轮机构，其特征是所述中间轴具有沿其长度以一个旋向延伸的螺旋齿(241)，所述中间轴与第一外齿部件(217)在所述第一啮合区中啮合，并且与相对所述第一外齿部件同轴设置的第二外齿部件(216)在所述第二啮合区中啮合，和各自的所述输出轴一同旋转的所述第一和第二外齿部件上的螺旋齿的厚度是不同的，并且其中一个外齿部件具有左螺旋齿，而另一个具有右螺旋齿。
3.根据权利要求2的差速齿轮机构，其特征是所述中间轴围绕着所述公共轴线重复设置。
4.根据权利要求3的差速齿轮机构，其特征是所述中间轴围绕着所述公共轴线彼此以一定的角间隔重复设置，该角间隔为360n/X度，其中“n”为一个整数，“X”为所述第一和第二外齿部件上的总齿数。
5.根据权利要求1的差速齿轮机构，其特征是所述第一啮合区形成在一对直齿轮(12，17)之间，而所述第二啮合区形成在一对带螺旋齿的部件(13，16)之间。
6.根据权利要求1的差速齿轮机构，其特征是设置了用于改变处于所述第二啮合区中的第二对外齿部件(113，116)上的啮合齿之间的压力的调节机构(126，127)，从而以控制方式改变通过所述啮合齿传递驱动力的低效率的程度。
7.根据前述任一权利要求的差速齿轮机构，其特征是它被用在车辆的差速系统中。
8.根据前述任一权利要求的差速齿轮机构，其特征是它被制成为一种功率分流装置(133)，它将所能获得的驱动扭矩以不同的比例提供给车辆前轮(130)的差速器和后轮(131)的差速器。
9.根据权利要求2或3或4的差速齿轮机构，其特征是所述中间轴(240)只具有一条在其长度方向上螺距和厚度均为恒定的螺旋齿。
全文摘要
差速机构具有两同轴设置且伸到车轮的输出轴202和204，以及一对由传动轴206和主动齿轮驱动绕输出轴轴线旋转的圆盘221和209。中间轴211偏心地置于两圆盘之间，其周边上有螺旋齿241。螺旋齿的一端与轴202上的齿轮217啮合；另一端与轴204上的齿轮216啮合，使得其间的传动是无效率的，但当它们以相同的速度和方向转动时，能相互滑动。当一车轮失去地面附着力时，差速机构能防止此轮高速空转和另一轮失去驱动扭矩。
文档编号F16H48/00GK1050598SQ9010835
公开日1991年4月10日 申请日期1990年9月28日 优先权日1989年9月28日
发明者亚瑟·J·费尔, 尼尔·杰利斯 申请人:Ivg澳大利亚有限公司