用于履帶式車輛的轉向傳動系統的制作方法

專利名稱：用于履帶式車輛的轉向傳動系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及履帶式車輛領域。更特別地，本發明涉及轉向傳動系 統，轉向傳動系統具有用于在極低牽引力情形下提高履帶式車輛性能 的差速器。
背景技術：
相關技術的說明用于履帶式車輛的差速轉向系統是眾所周知的。 這種現有技術的履帶轉向系統通常標識為諸如"雙差速器"、"轉向 傳動系統"和"交叉驅動傳動裝置"，并且這些現有技術的轉向系統 同等地適用于不具有角度可調的轉動車軸的多輪越野車輛。在這種現
有技術中，在美國專利No.4， 776，235中公開的Gleasman轉向傳動系統 已證明相對便宜并且可以在由Torvec， Inc制造的全地形履帶式車輛 ("FTV ")上進行的試驗中非常有效。使用Gleasman轉向傳動系統， 在以高速穿越鋪砌的公路以及在橫越越野地形時，與對于每個履帶具 有單獨的左和右控制桿的更傳統的推土機型驅動相比，操作者可以使 用傳統的方向盤很容易地使FTV車輛轉向。
現有技術的示教僅僅指示出一些傳統形式的非限滑差動齒輪裝置 可以用在車輛的發動機和履帶傳動之間從而不損害傳動軸的差速旋 轉。所有現有技術中用于履帶式車輛的差速轉向傳動系統會在車輛的 發動機和履帶傳動之間使用一些傳統形式的非限滑差動齒輪裝置。依 照如美國專利No. 4， 776， 235中所述的現有技術，差速器理解為必然為非限滑差速器，從而不至于損害傳動軸的差速旋轉。很顯然，本領域 技術人員已經相信，這種傳動差速器必須是缺少任意的限滑設備的差 速器。
在廣泛的試驗過程中，當FTV履帶式車輛在包括具有非常低的牽引 力的部分的地形中轉向時，已經注意到存在問題。例如，當車輛的一 個履帶穿越極軟的泥土時，該履帶有時會失去所有牽引力并且開始"滑 動"。這類似于在具有傳統非限滑差速器的卡車中發生的不希望的滑
動，其中一組驅動輪開始在泥土、冰或雪上滑動。當FTV車輛轉彎并且 在車輛的一側上的整個履帶失去牽引力時，轉彎就會中斷。在其它類 型的差動傳動中，如果履帶在轉彎時繼續滑動，車輛的驅動扭矩可能 會完全失去。
如美國專利No.4，776, 235所述，Gleasman轉向傳動系統是"無滑 動的"，只要履帶式車輛筆直向前或筆直向后移動并且方向盤仍由操 作者抓握即可。這種無滑動情形緣自于兩個履帶的驅動在車輛的轉向 傳動系統的轉向蝸桿/蝸輪組合保持不動時鎖定在一起的事實。在這種 情形下，履帶傳動軸會如同它們在沒有任何分離的差速器的筆直軸上 一樣操作。然而，當這種現有技術中的轉向傳動系統的轉向馬達驅動 疊加了用于轉彎的不同的履帶速度時，轉向蝸桿/蝸輪組合就開始旋 轉，并且將失去這種鎖定的情形。即，轉向傳動系統會在履帶之間導 入差動作用，并且當傳動軸差動時，會發生傳動扭矩的損失即滑動， 如同所有傳統非限滑差速器在一個傳動軸失去牽引力時那樣。
具有用于每個履帶的分離的左和右控制桿的傳統推土機類型的驅 動，可以通過制動一個履帶而同時驅動另一個履帶而進行急轉彎，并 且這會相當大地向制動的履帶上施加應力。使用Gleasman轉向傳動系 統進行原地轉彎會改變車輛的方向且在車輛中心處具有很少或是沒有 樞軸點的移動運動。原地轉彎可以功率輔助的或是完全由驅動扭矩提 供功率的以更迅速地執行。因為在發生原地轉彎時車輛不使用驅動扭 矩用于向前或向后運動，驅動扭矩就可以用于為原地轉彎提供動力。 滑移，類似于上文所述的轉彎滑移，發生在原地轉彎過程中，此時履 帶之一陷入低牽引力之中。
當一個履帶滑動時，轉向的中斷或驅動扭矩的損失在所有的差速 器履帶傳動中是特有的并且很顯然從它們開始時就發生在轉向傳動履 帶式車輛中。如電視上用于為公眾提供的且經由美國政府同意的文件 信息所述，這種相同的滑動情形會發生在轉向傳動系統美國軍隊
Abrams坦克中。Abrams坦克還包括轉向車輪類型的驅動，這與具有用 于每個履帶的分開的左和右控制桿的更傳統的推土機類型的驅動相 反。盡管這種情形不足以貶低履帶式車輛的許多優點，但是它一定已 經成為長時間以來困擾履帶式車輛的問題，并且它足夠多地發生在惡 劣的野外地形中來證明校正。避免這種不希望的轉向問題對于那幾種 能夠以公路速度行進的履帶式車輛特別重要。
因此在本領域中就需要一種能夠在扭矩突然降低時防止滑移并且 易于履帶式車輛在極低牽引力情形下原地轉彎的轉向傳動系統。

發明內容
用于車輛的差速轉向傳動系統包括傳動差速器和轉向差速器。該 車輛包括各自左和右驅動牽引元件、具有發動機曲軸的推進發動機和 由操作者旋轉以指示預計行進方向的方向盤。
傳動差速器相互連接發動機曲軸和一對各個傳動軸用于差動地驅 動各自的左和右驅動牽引元件。轉向差速器在操作上使方向盤和各個 履帶傳動軸相互連接，這樣方向盤沿第一方向的旋轉就導致轉向差速
器沿第一方向的旋轉并且方向盤沿相反方向的旋轉就導致轉向差速器 沿相反方向的旋轉。轉向差速器沿每個方向的旋轉速度與方向盤的角 旋轉成正比。轉向差速器沿第一方向的旋轉導致各個履帶傳動軸沿相 反方向的旋轉。傳動差速器和轉向差速器中的至少一個包括全齒輪限 滑差速器。
在用于高速履帶式車輛的一個優選實施例中，傳動差速器是全齒 輪無離合器類型的限滑差速器，并且第二差速器是非限滑差速器。兩 個差速器布置成在沿筆直路徑行進時或是在所有情形下轉向時只要至 少一個履帶具有牽引力就會提供無滑動履帶操作。在第二實施例中， 傳動差速器是非限滑差速器，并且第二差速器是全齒輪無離合器類型 的限滑差速器。該后一個實施例優選用于重越野車輛的原地轉彎。在 第三實施例中，傳動差速器包括全齒輪限滑差速器并且轉向差速器包 括全齒輪限滑差速器。
用在所有實施例中的全齒輪限滑差速器優選包括具有成對的半軸 齒輪蝸桿和至少兩組成對的組合齒輪的齒輪組合體。每個半軸齒輪蝸 桿均安裝用于圍繞輸出軸旋轉并且固定到各自的輸出軸上。每個組合 齒輪均具有大體上垂直于輸出軸的旋轉軸。每個組合齒輪還具有與蝸 輪部間隔開的第一齒輪部。組合齒輪對的第一齒輪部彼此配合地嚙合， 并且組合齒輪對的蝸輪部分別與半軸齒輪蝸桿的各自一個配合地嚙 合。全齒輪限滑差速器可以包括保持在該半軸齒輪蝸桿對的內端之間 的固定位置中的止推板。


圖l顯示了在本發明中使用的第一全牽引差速器的部分橫截面側 視圖。
圖2A顯示了在本發明中使用的第二全牽引差速器的示意剖面圖， 第二全牽引差速器包括包含在整體外殼內的完整的蝸桿/蝸輪齒輪組 合體。
圖2B顯示了沿著線5B—5B觀看時圖2A的實施例。 圖3顯示了本發明的轉向傳動系統的優選實施例的示意圖。 圖4顯示了用于本發明的實施例中多車軸車輛的轉向傳動系統的 示意圖。
圖5顯示了本發明使之成為可能的車輛原地轉彎的示意圖。 圖6顯示了用于向轉向控制輸入的動力輸出以對原地轉彎提供動 力的離合器系統的示意圖。
具體實施例方式
本發明涉及如下主題在1973年5月29日授予Gleasman的題為 "SYNCLINAL GEARING"的美國專利No. 3， 735, 647，在1988年10月11日 授予Gleasman等人的題為"NO-SLIP, IMPOSED DIFFERENTIAL REDUCTION DRIVE"的美國專利No. 4,776, 235，和在2004年8月31日授予Gleasman 等人的題為"COMPACT FULL-TRACTION DIFFERENTIAL"的美國專利 No. 6, 783， 476，所有這些專利均包含在此作為參考。
現有技術中轉向傳動系統的示教僅指示了一些傳統形式的非限滑 差動齒輪裝置，差動齒輪裝置可以用在車輛的發動機和履帶傳動之間 從而不損害傳動軸的差速旋轉。然而，當車輛轉向時，可能會在履帶 式車輛中出現不希望的滑動，因為轉向傳動馬達會移動轉向差速器的 另外鎖緊驅動，因此兩個差速器是有差別的。在該情形下，如果履帶 之一突然失去牽引力，扭矩負載就會變得顯著地失去平衡，允許滑動
履帶速度提高并且相對于滑動履帶的提高的速度而降低在另一個履帶 上的速度和驅動扭矩。
本發明的差速器中的至少一個是全齒輪限滑類型的差速器，這與 現有技術中示教的傳統非限滑差速器相反。限滑差速器允許差動輸出 軸的旋轉速度中的差異，但是不允許該差異增高超過設定量。 一些全 齒輪差速器導致齒輪結合在一起或是結合在外殼上以在失去牽引力時 提供扭矩偏移。然而，本發明的優選全齒輪限滑差速器使用半軸齒輪 的蝸桿狀設計在組合齒輪的蝸輪設計上操作的機械優點，從而允許繞 一圈的正常差動作用，如果在一個驅動部件下的牽引力變得顯著小于 另一個驅動部件下的牽引力，該相同的機械優點可以阻止過量的扭矩 傳遞到具有較小牽引力的驅動部件上。越來越大的扭矩傳遞到具有更 大牽引力的牽引部件上直至傳遞至每個驅動部件的扭矩之差達到預定 的扭矩分配比。齒輪設計確定扭矩分配比，扭矩分配比是施加到具有 更多牽引力的牽引部件上的扭矩與施加到具有較小牽引力的部件上的 扭矩之比。
在第一實施例中，傳動差速器是全齒輪限滑類型的差速器，并且 轉向差速器是傳統的非限滑差速器。在第二實施例中，傳動差速器是 傳統的非限滑差速器，并且轉向差速器是全齒輪限滑類型的差速器。 在第三實施例中，傳動差速器和轉向差速器均是全齒輪限滑類型的差 速器。
使用全齒輪限滑類型的差速器作為轉向傳動差速器可以防止在一 個驅動構件下的牽引力突然減小時出現上述情形。雖然任意全齒輪限 滑差速器均可以用于本發明的任意轉向傳動系統，在此討論的全齒輪
差速器是優選的，即，圖l中所示的以商標Torser^廣泛應用的較早的 設計或是圖4、 5A和5B中所示并且在商業上以商標IsoTorqiu^標識的更
加緊湊的設計。正如上文所述，避免這種不希望的轉向問題對于幾種 能夠以公路速度行進的履帶式車輛特別重要。然而，這種重要的修正 并不會影響初始轉向傳動系統的基本特征的操作，該轉向操作繼續以 相同的方式起作用。即，當車輛沿筆直方向驅動時，差速器仍然充當 直軸，并且當車輛操作者通過轉動車輛的方向盤來指示方向中的變化 時，轉向馬達仍然向前或相反地轉動轉向差速器的外殼，并且履帶的
速度分別提高和減小以實現如美國專利No. 4， 776， 235中所解釋的方向 的改變。
通過本發明對限滑差速器的使用，原地轉彎仍然會改變車輛的方 向且在車輛中心處具有很少或是沒有樞軸點的移動運動。原地轉彎仍 然優選由相當大的扭矩提供動力，而扭矩是由單獨的差速轉向系統馬 達提供的，因為轉向馬達的扭矩仍然由蝸桿/蝸輪比(優選》15:1)極 大地提高。
在使用現有技術的轉向系統進行這種原地轉彎的過程中，車輛操 作者通常向發動機曲軸施加制動力或是將發動機曲軸保持在鎖定狀況 下。然而，當對重型的移動相對緩慢的越野車輛進行原地轉彎時，就 會出現不希望鎖定發動機曲軸的情形。在后面的這些情形中，如果牽 引荷載應該在變成顯著地不平衡的履帶之間分配，原地轉彎運動會完 全停止。在本發明中，這種原地轉彎問題是通過將傳統的轉向差速器 替換為全齒輪限滑類型的差速器而避免的，全齒輪限滑類型的差速器 在出現這種扭矩不平衡時不會滑動。
限滑差速器
如圖1所示，用在本發明的限滑差速器的第一實施例包括旋轉齒輪 外殼10和一對容納在外殼10的側面中形成的孔中的傳動軸11、 12。如
美國專利No. 3， 735, 647中公開的該類差速器具有相當廣泛的應用并且 在全世界以商標Torsen宣傳。這種限滑差速器是一種全齒輪差速器， 它不包括滑動板或其它形式的離合器裝置并且使用"復合行星齒輪組 合體"形式中的相交軸或平行軸配置。盡管可以使用這些形式中的任 一種，相交軸的現有技術差速器形式是優選的，并且在下面的討論中 僅詳細地說明這種形式。
法蘭13優選地形成在外殼10的一端，用于安裝環形齒輪(未顯示)， 該環形齒輪用于從外部功率源且通常由車輛的發動機提供旋轉功率。 外殼10內部的齒輪配置通常被稱作"交叉軸復合行星齒輪組合體"并 且優選地包括一對分別固定到軸ll、 12的內端的半軸齒輪蝸桿14、 15 以及幾組成對組織的組合齒輪16。每個組合齒輪優選地具有外端，該 外端由與遠離"蝸輪"部18間隔開的整體式直齒輪部17形成。在標準 齒輪的術語使用"蝸輪"來描述"蝸桿"的配對物，這通常會在描述 全齒輪差速器的各個齒輪時變得令人困惑。因此，當在此使用時，蝸 桿的配合物被稱作"蝸輪"。
每對組合齒輪16優選安裝在外殼10的主體中形成的狹槽或孔中， 這樣每個組合齒輪就在大體上垂直于半軸齒輪蝸桿14、 15的旋轉軸的 軸上旋轉。為了便于裝配，每個組合齒輪16優選具有全長軸向孔，用 于旋轉支撐在外殼10中形成的軸頸內的各個安裝軸19通過該軸向孔容 納。
組合齒輪已知具有容納到外殼10的軸頸中的整體式輪轂，但是為 了便于外殼的設計和裝配，該類型的最新使用的限滑差速器的組合齒 輪是軸安裝的。每對組合齒輪16的直齒輪部17彼此嚙合，而蝸輪部18 分別與半軸齒輪蝸桿14、 15之一嚙合，用于在軸端ll、 12之間傳遞和 劃分扭矩。為了支撐最大的汽車載荷，該類型的現有技術的差速器通
常包括三組成對的組合齒輪，這些組合齒輪以大約120。的間隔放置在
每個半軸齒輪蝸桿14、 15的圓周的周圍。
該類差速器實現防止在最多情形下出現不希望的車輪打滑的顯著 任務。事實上，這些限滑差速器中的一個或多個在當前由至少八個全 世界的主要汽車公司當前銷售的車輛上標準的或可選的，并且在每個
美國軍隊HMMWV ( "Hu腿er")車上具有兩個Torsen限滑差速器， 一個 在前輪之間差動，另一個在后輪之間差動。
高牽引力差速器的交叉軸齒輪組合體的顯著特征是由車輛的車輪 和差速器之間的齒輪系中的蝸桿/蝸輪組合而生成的機械優點。當車輛 在彎道上行進時，車輛的重量和慣性使車輪同時在道路表面上以改變 的速度滾動，導致對差速的需求。這種差速的啟動可以由半軸齒輪蝸 桿及其配套蝸輪之間的機械優點而極大地提高。當然，這種相同的齒 輪裝置導致在扭矩沿相反方向傳遞時的機械缺點。IsoTorque差速器的 優選實施例為蝸桿/蝸輪齒選擇35V55。來提供全牽引以及差速的相對 簡易性，該選擇也使差速器尤其適合于包括具有牽引力控制的自動制 動系統(ABS)的車輛。
IsoTorque差速器的另一個特征提供了扭矩平衡，當半軸齒輪蝸桿 沿向前或反向運動時，扭矩平衡可以平衡在車輛轉彎過程中各個半軸 齒輪蝸桿上的軸端推力，而無論行進方向如何。止推板由支撐成對組 合齒輪組的相同的安裝支撐，被固定成抵抗側向運動并且保持在半軸 齒輪蝸桿的內端之間。因此，當向左側推動時，右蝸桿會在止推板上 施加推力X，并且左蝸桿僅向外殼施加其自身的推力X而不是如此前的 差速器中的力2X。類似地，當向右側推動時，左蝸桿會在止推板上施 加推力X，并且右蝸桿僅向外殼施加其自身的推力X。
參見圖2A和圖2B，在實施例中顯示了差速器的另一個特征來克服 由于在半軸齒輪蝸桿之間傳遞軸端推力導致的此前高牽引力差速器的 扭矩不平衡。差速器包含完整的蝸桿/蝸輪齒輪組合體。外殼120優選 由粉末金屬整體形成并且僅具有三個開 L。 S卩，第一組適當的開孔121、 122沿第一軸125對準用于接收輸出軸(未顯示)的各個內端，并且僅 僅另一個單個開孔126垂直于軸125定心，該開孔126的形狀為矩形并且 直接延伸穿過外殼120。
兩對組合齒輪131、 132和129、 130均具有各自的直齒輪部133，直 齒輪部133由沙漏形蝸輪部134分隔開，且蝸輪部134是如上所述設計和 制造的。每對組合齒輪的各個直齒輪部133彼此嚙合，并且所有這些組 合齒輪可旋轉地支撐在成對的輪轂136、 137的組上，輪轂136、 137與 相對的安裝板138、 139對整體形成。組合齒輪對131、 132的各個蝸輪 部134與一對半軸齒輪蝸桿141、 142的相應一個嚙合，而組合齒輪對 129、 130的各個蝸輪部134類似地分別與同一對的半軸齒輪蝸桿141、 142嚙合。
止推板150放置在半軸齒輪蝸桿141、 142的內端中間。止推板150 包括各個支承表面152、 153、安裝凸片156、 157和重量減輕潤滑開孔 (未顯示)。安裝凸片156、 157設計成與在相同的安裝板138、 139內 在中心處形成的槽160、 161配合。槽160、 161不僅將止推板150放置在 半軸齒輪蝸桿141、 142的內端中間，而且還防止止推板150的側向運動。 因此，特別參見圖2A，當施加到半軸齒輪蝸桿141、 142上的驅動扭矩 導致向左側的推動時，蝸桿142移動到止推板150的固定支承表面152 上，而蝸桿141移動遠離止推板150的固定支承表面153并且抵靠到外殼 120上(或移動到傳統上置于蝸桿141和外殼120之間的適當墊圈上)。
所生成的抵抗蝸桿141的旋轉的摩擦不會受到作用在蝸桿142上的推力
的影響。
類似地，當施加到半軸齒輪蝸桿141、 142上的驅動扭矩導致向右 側的推動時，蝸桿141移動到止推板150的固定支承表面153上，而蝸桿 142移動遠離止推板150的固定支承表面152并且抵靠到外殼120上(或 再次移動到傳統上置于蝸桿142和外殼120之間的適當墊圈上)。類似 地，所生成的抵抗蝸桿141的旋轉的摩擦不會受到作用在蝸桿141上的 推力的影響。因此，無論驅動扭矩的方向如何，抵抗每個半軸齒輪蝸 桿的旋轉作用的摩擦不會受到作用在另一個半軸齒輪蝸桿上的推力的 作用。因為差速器的扭矩分配受到摩擦力的影響，附加推力的這種保 護有助于使扭矩的不平衡，即在車輛轉彎的不同方向過程中的扭矩內 的差異減小到最低。
本領域中已知的全齒輪限滑差速器的其它特征也可以包含到本發 明的轉向傳動系統中。這種特征包括但是并不限于具有淺軸頸孔的實 心齒輪主體、在實心蝸輪部上更深的沙漏形狀、半軸齒輪蝸桿上的封 閉端齒和減小的直徑和軸長的半軸齒輪蝸桿，如美國專利 No. 6， 783， 476中公開的那樣。這些尺寸減少特征在具有有限空間和重 量的汽車差速器中尤其有利，尺寸和重量在本發明的轉向傳動系統中 遠非那么重要并且包含這些特征的制造成本可以優于任意潛在的優 點。
轉向傳動結構
如圖3所示，當本發明的轉向傳動系統20應用到車輛上時，經由軸 21、轉動齒輪22輸入的發動機功率輸入會旋轉環形齒輪23和傳動差速 器25的殼體24。傳動差速器25連接用于驅動一對各自的車軸26和27，
從而差動地驅動在車輛相對側上的各個左和右驅動牽引元件。傳動差 速器25適當地將尺寸設計成匹配將被驅動的車輛。這可以從小型園藝 拖拉機和耕種機直至大型拖拉機和推土機。
具有殼體29的轉向差速器30連接在一對轉向控制軸32和33之間， 轉向控制軸32和33以驅動關系與車軸傳動軸26和27相互連接。 一個轉 向控制軸33和一個車軸傳動軸27連接以沿同一個方向旋轉，并且另一 個轉向控制軸32和另一個車軸傳動軸26連接以沿相反方向旋轉。這會 在車軸26和27沿同一個方向旋轉時，導致控制軸32和33的差速旋轉或 逆方向轉，并且在控制軸32和33沿同一個方向旋轉時，相反地導致車 軸26和27的差速旋轉。
本發明的差速器25、 30中的至少一個是全齒輪限滑類型的差速器 (例如，優選類似于在美國專利No.3,735，647中公開的類型，或者更 優選地，類似于在美國專利No.6，783，476中所公開的類型)。這與現 有技術中僅僅能夠使用非限滑差速器的特定示教相反。在第一實施例 中，傳動差速器25是全齒輪限滑類型的差速器，并且轉向差速器30是 傳統的非限滑差速器。在第二實施例中，傳動差速器25是傳統的非限 滑差速器，并且轉向差速器30是全齒輪限滑類型的差速器。在第三實 施例中，傳動差速器25是全齒輪限滑類型的差速器，并且轉向差速器 30是全齒輪限滑類型的差速器。
如圖3中所示的轉向控制軸和車軸傳動軸之間的齒輪連接優選用 于更大型和更大功率的車輛。這些包括分別固定到車軸26和27上的車 軸齒輪35和36以及分別固定到控制軸32和33上的控制軸齒輪37和38。 使車軸齒輪35與控制軸齒輪37嚙合會提供車軸26和控制軸32之間的反 向旋轉，并且使車軸齒輪36和控制軸齒輪38與中間齒輪34的嚙合可以 提供車軸27和控制軸33的同向旋轉。
轉向控制軸和車軸傳動軸之間的齒輪連接優選包含到容納傳動差
速器25和轉向差速器30的擴大的外殼中。出于下面解釋的理由，轉向 差速器30的尺寸可以設計成承擔由傳動差速器25承擔的力的一半，這 樣完整的組件就可以裝配在并未過大的差速器外殼內部。
較小型或功率稍小的車輛可以使用軸相互連接例如皮帶或鏈條代 替齒輪。而且，軸相互連接并不需要限于車軸差速器的區域并且可以 朝向車軸的外端生成。
轉向控制軸和車軸傳動軸之間的齒輪比或傳動比優選為1:1 。然 而，該比值可以改變，只要它在車軸和控制差速器的相對側上相同即 可。
輸入轉向齒輪40與固定到轉向差速器30的殼體29上的環形齒輪31 嚙合，用于在系統上施加差速旋轉。齒輪40優選是蝸桿，并且環形齒 輪31優選是蝸輪，這樣當齒輪40轉動時，僅僅環形齒輪31轉動。
對于轉向目的，轉向齒輪40可以由幾個機構轉動，而這取決于相 對負載。轉向機構可以使用各種類型的適當大小的馬達來轉動齒輪40。 例如，DC起動馬達41可以經由轉向系統中的變阻器通電，或者液壓馬 達或氣動馬達41可以由車輛的液壓或氣動系統響應轉向控制而轉動。 優選地，馬達41是液壓的，并且蝸桿40/蝸輪31比大約為15:l。
如上文所述，當車輛轉向時，使用現有技術中的差速轉向系統會 發生滑動，這是因為轉向傳動馬達會移動轉向差速器的另外的鎖緊蝸 桿/蝸輪驅動，因此兩個差速器是有差別的。在該情形下，如果履帶之 一突然失去牽引力，扭矩不平衡就會允許滑動履帶提高速度，并且降 低與提高速度的滑動履帶直接相關的另一個履帶上的驅動扭矩和速 度。
在使用在扭矩突然降低時不會滑動的全齒輪限滑差速器(例如，
使用在美國專利No. 3， 735， 647中描述的Torsen差速器或在美國專利 No. 6， 783， 476中描述的IsoTorque差速器)替換用于傳動差速器25的現 有技術差速轉向系統所使用的傳統差速器時，可以防止這種不希望出 現的情形。
然而，很重要的一點是指出，這種修正并不會影響基本的轉向傳 動系統的操作，該轉向傳動系統繼續以相同的方式起作用。g卩，當車 輛沿筆直方向驅動時，轉向齒輪40/環形齒輪31的非旋轉仍然會導致兩 個差速器充當直軸，并且當車輛操作者通過轉動車輛的方向盤來指示 方向中的變化時，轉向馬達仍然向前或相反地轉動轉向差速器的外殼， 并且履帶的速度分別提高和減小以實現如美國專利No. 4， 776， 235中所
解釋的方向的改變。
然而，因為本發明的傳動差速器25是全齒輪限滑差速器，所以只 要由履帶分擔的扭矩負載突然開始變得不平衡時，傳動差速器25的扭 矩偏移會立即將從發動機輸入軸21接收到的驅動扭矩的大部分傳遞到 具有更好牽引力(例如，在8:1差速器中多至八倍的扭矩)的履帶上。 因此， 一旦任一個履帶上的牽引荷載導致明顯的負載不平衡，所以驅 動扭矩的很大部分仍然輸送給具有更好牽引力的履帶以保持履帶式車 輛的運動。
如上文所述，本發明的優選實施例涉及的多車車軸車輛是履帶式 車輛，例如美國專利No.6, 135,220中所述的車輛。然而，本發明也可 以有效地用在其它多車軸車輛中。在本發明的另一個實施例，圖3中的 轉向傳動系統20用在如圖4中所示的多車軸車輛上。車軸差速器系統沿 著車輛各自右側和左側從輸出軸26和27分配轉向傳動扭矩。車軸差速 器50和51分別在沿著車輛的各自右側和左側延伸的傳動軸52和54之間 以及傳動軸53和55之間劃分來自輸出軸26和27的扭矩。雖然車軸差速 器50和51可以是傳統的錐齒輪差速器，但是這些差速器具有導引扭矩 到具有最小牽引力的車輪上的缺點，所以車軸差速器50和51優選是全 齒輪限滑差速器。同圖3中的傳動差速器25和轉向差速器30—樣，作為 車軸差速器50和51的優選全齒輪限滑差速器會使用半軸齒輪的蝸桿狀 設計在組合齒輪的蝸輪設計上操作的機械優點，從而允許繞一圈的正 常差動作用，并且如果在一個驅動部件下的牽引力變得顯著小于另一 個驅動部件下的牽引力，同一個機械優點可以阻止過量的扭矩傳遞到 具有較小牽引力的驅動部件上。越來越大的扭矩傳遞到具有更大牽引 力的牽引部件上直至傳遞至每個驅動部件的扭矩之差達到預定的扭矩 分配比。齒輪設計確定扭矩分配比，扭矩分配比是施加到具有更多牽 引力的牽引部件上的扭矩與施加到具有較小牽引力的部件上的扭矩之 比。
本發明的轉向傳動系統可以適用于車輛的任意數目的傳動軸，并 且圖4示意性地表示了一種變化，該變化具有兩個位于車軸差速器50和 51前方的兩個前傳動軸56和57和位于車軸差速器50和51后方的四個后 傳動軸58、 59、 60、 61。兩個前傳動軸56和57經由兩個減速齒輪62和 63從軸52和53直接接收扭矩，減速齒輪62和63的尺寸設計成允許更小 尺寸和更高速度分配的軸轉動更大尺寸和更高扭矩的車軸。車軸差速 器70和71也優選是全齒輪限滑差速器，由于同樣的理由，傳動差速器 25、轉向差速器30和車軸差速器50、 51優選為全齒輪限滑差速器，如 上文所述。對于具有串列配置的差速器例如差速器70，來自輸入軸54 的扭矩直接旋轉差速器殼體，在該差速器殼體內，扭矩在圍繞同軸輸 出軸74的中空輸出軸(未顯示)之間劃分。車輪81可以用于直接接合 道路或地形或可以驅動履帶式車輛的環形履帶。
無滑動的轉向傳動操作
轉向差速器30及其控制軸32和33與車軸傳動差速器25和車軸26和 27的相互連接會導致出現兩個很重要的結果。 一個結果是無滑動驅動，
無滑動驅動可以防止車輪或履帶滑動，除非滑移同時發生在車輛的兩 側上。另一個結果是所施加的差速旋轉可以實現轉向以樞轉或轉動車 輛。
無滑動傳動的發生是因為車軸傳動軸26和27經由轉向差速器30齒 輪連接在一起。在車輛中己經失去牽引力的一側上施加到車軸上的功 率傳遞到該側上的連接控制軸，通過差速器30傳遞到相對的控制軸， 然后回到相對的車軸，功率在此處增加到具有牽引力的一側上。所以 如果一個車軸失去牽引力，相對的車軸就會更猛烈地驅動，并且只有 在兩個車軸同時失去牽引力時才會發生道路滑移。
為了詳細說明這一點，可以考慮一個車輛，該車筆直向前滾動， 且它的車軸26和27沿同一個方向均勻地轉動。轉向齒輪40對于筆直向 前的運動是靜止的，并且因為轉向齒輪40優選為蝸桿，所以轉向差速 器30的蝸輪31不能轉動。控制軸32和33通過它們與車軸傳動軸的驅動 連接而沿相反的方向差動地旋轉，且轉向差速器30容納在控制軸32和 33之間。
傳動差速器25相等地劃分從發動機曲軸21輸入的功率并且將一半 的輸入功率施加到每個車軸26和27上。如果由車軸26驅動的履帶或車 輪失去牽引力，就不能施加在車軸26上可用的功率并且趨于滑動。然 而，因為車軸26齒輪連接到控制軸32上，所以并不會發生實際的滑移。 所以如果沒有牽引力的車輪或履帶不能在車軸26上施加功率，功率就 會傳遞到控制軸32上，功率軸32與車軸26沿相反的方向旋轉。因為環 形齒輪31不能轉動，所以在控制軸32上的旋轉功率就通過差速器30傳 遞以生成控制軸33的反向旋轉。控制軸33經由中間齒輪34齒輪連接到 車軸27上，這樣控制軸33上的功率就施加到車軸27上來沿朝前方向推 動車軸27,驅動具有牽引力的車輪或履帶并且可以接收可用的功率。 因為僅僅一半的全部可用功率可以從一個車軸經由差速器30及其控制 軸傳遞到另一個車軸上，所以它們的尺寸可以設計成承擔一半的由車 軸差速器25及其車軸承擔的力。
當然，由于車輛側面上牽引力的損失而在車軸27上獲得卻無法使 用的功率就通過同一個控制軸和控制差動路徑傳遞到相對的車軸26 上。這種配置會向具有最佳牽引力的車輪或履帶施加最大功率，這對 于推進車輛是很理想的。失去牽引力的車輪或履帶會在另一個車輪或 履帶驅動時保持與地面滾動接合。車輪或履帶只有在它們同時失去牽 引力時才會滑動。
為了在車軸26和27上施加差速旋轉來樞轉或轉動車輛，仍然僅需 要旋轉轉向齒輪40。這會因為由差速旋轉的車輪或履帶在車輛的相對
側上行進的不同距離而差動地旋轉車軸來轉動或樞轉車輛。
每當轉向齒輪40轉動時，它就會旋轉環形齒輪31，而環形齒輪31 會轉動轉向差速器30的殼體29來沿同一個方向旋轉控制軸32和33。控 制軸32和33與車軸傳動軸26和27的連接會將控制軸32和33的同一個方 向的旋轉轉換成車軸26和27的反向差速旋轉，且車軸26和27之間容納 了傳動差速器25。這會在車輛的一側向前驅動車輪或履帶并且在車輛 的另一側上向后驅動車輪或履帶，這取決于轉向齒輪40的旋轉方向。
每當車軸向前或向后旋轉時，就會在此時加入這種差速旋轉。所 以如果車輛在轉向齒輪40轉動時向前或向后移動，差速旋轉就會推動 并阻礙相對的車軸并且使車輛轉彎。
如果車輛在轉向齒輪40轉動時并不移動，車輛的左和右驅動牽引 元件(車輪或履帶)就在一側前進并且在另一側后退，這樣車輛就在
中心點上樞轉。針對具有一對履帶85和86的車輛，這示意性地顯示在 圖5中。兩個履帶均可以在向前驅動右履帶86'并且向后驅動左履帶85' 而使車輛圍繞中心點87旋轉時與地面滾動嚙合。履帶經受一些跟部和 尖部磨損，但是與傳統的使用制動器鎖定一個履帶而另一個履帶被驅 動相比，這會導致更小的應力和地形的干擾。原地轉彎也會在一個點 87上旋轉車輛，而不需要沿任意方向的運動，如同在履帶被制動并且 另一個履帶被驅動時必須發生的那樣。
在現有技術的轉向傳動系統中，只要車輛筆直向前或筆直向后行 進并且轉向齒輪40和轉向差速器30并不響應駕駛員旋轉車輛的方向盤
而進行操作，上述無滑動驅動就會起作用。然而，如上文所述，在現 有技術的轉向傳動系統中，當轉向差速器30是差動的并且履帶之一完 全失去牽引力時，轉向傳動系統會在履帶之間導入差動作用，并且如 果履帶繼續滑動，車輛的驅動扭矩仍會完全失去。使用本發明的改進 的轉向傳動系統，就不會出現驅動扭矩的這一全部損失。
艮P，因為傳動差速器25是全齒輪限滑差速器，所以只要由履帶分 擔的扭矩負載突然開始變得不平衡時，傳動差速器25的扭矩偏移會立 即將從發動機輸入軸21接收到的驅動扭矩的大部分傳遞到具有更好牽 引力(例如，在8:1差速器中，這種驅動扭矩的傳遞發生得多至八倍的 扭矩不平衡)的履帶上。因此， 一旦任一個履帶上的牽引荷載導致明 顯的負載不平衡，所以驅動扭矩的很大部分仍然輸送給具有更好牽引 力的履帶以保持履帶式車輛的運動。
提高的樞轉轉向
如上文所述，在使用現有技術的差速轉向系統進行原地轉彎的過 程中，履帶式車輛操作者通常向發動機曲軸施加制動力或是將發動機 曲軸保持在鎖定狀況下。當重型相對緩慢移動的越野車輛在其中牽引 力會在履帶之間極大地改變的地形中操作時，就會出現期望原地轉彎 但是發動機曲軸的正常鎖定并不適當的情形。如上文所述，在這種情 形下，嚴重的牽引力不平衡可以導致不希望的原地轉彎運動損失。
為了便于這種車輛的原地轉彎，本發明將傳統的轉向差速器替換
為全齒輪限滑類型的差速器(例如IsoTorque差速器)，如此前的第二 實施例中所述，該差速器在發生扭矩不平衡時并不會滑動。只要一個 履帶保持牽引力，這一簡單的改變就會克服在所有情形下的原地轉彎 問題。
為了在扭矩突然降低時防止滑動并且便于履帶式車輛的原地轉 彎，在本發明的第三實施例中，傳動差速器25和轉向差速器30均替換 為全齒輪限滑類型的差速器(例如IsoTorque差速器)。
參見圖6，來自傳動裝置91或主推進發動機90的動力輸出92會旋轉 離合器部93和94。這些離合器中的任一個可以分別與其配對物95和96 嚙合，配對物95和96均與隨蝸桿40旋轉的錐齒輪97嚙合。為了沿一個 方向向原地轉彎施加驅動扭矩，離合器部93與離合器部95嚙合來沿期 望的方向轉動錐齒輪97，從而旋轉蝸桿40和蝸輪42。轉向控制馬達41
可以對于發動機提供動力的原地轉彎斷開離合或者使其扭矩與經由錐 齒輪97提供的扭矩結合。為了施加車輛扭矩來沿相反的反向來向原地 轉彎提供動力，離合器部94與其對應物96嚙合，沿著相反的方向驅動 錐齒輪97并且沿相反的方向轉動蝸桿40和蝸輪42。
可以從沿著主車輛驅動鏈的許多點上獲得動力輸出，這些點中包 括發動機90、傳動裝置91和其它點。可以生成動力輸出來連續地轉動
或僅僅在需要原地轉彎時操作。離合器部93和94的嚙合可以形成為響 應方向盤的完全轉動，要求原地轉彎，并且離合器部93和94的任意嚙 合會在車輛的向前或向后運動過程中鎖定，如果需要的話。也可以通 過與轉向控制輸入蝸桿40分開的蝸桿向蝸輪42施加推進輔助的原地轉 彎，并且可以使用不同的離合器配置來嚙合和脫離驅動扭矩的轉換來 用于原地轉彎。向轉向控制輸入施加驅動扭矩允許比使用小尺寸的轉 向控制馬達41更快地實現原地轉彎，這對于向前和向后轉向是適當的。 因此，應當理解，在此描述的本發明的實施例僅僅是本發明原理 的適應性應用。在此用于所示實施例的細節的標記并非用于限制權利 要求的范圍，權利要求自身詳述了那些被視為對本發明極為重要的特 征。
權利要求
1.一種用于車輛的差速轉向傳動系統，該車輛具有各自的左和右驅動牽引元件、具有發動機曲軸的推進發動機、由操作者旋轉以指示預計行進方向的方向盤，所述轉向傳動系統包括-傳動差速器，該傳動差速器相互連接所述發動機曲軸和成對的各自的傳動軸，用于差動地驅動所述各自的左和右驅動牽引元件；和-轉向差速器，所述轉向差速器在操作上相互連接所述方向盤和所述各自的傳動軸，這樣所述方向盤沿第一方向的旋轉就會導致所述轉向差速器沿第一方向的旋轉，并且所述方向盤沿相反方向的旋轉導致所述轉向差速器沿相反方向的旋轉，所述轉向差速器沿每個方向的旋轉速度與所述方向盤的角旋轉成正比，并且這樣所述轉向差速器沿第一方向的旋轉導致所述各自的傳動軸沿相反方向的旋轉；并且-其中所述傳動差速器和轉向差速器中的至少一個包括全齒輪限滑差速器。
2. 如權利要求1所述的差速轉向傳動系統，其特征在于，所述傳動差速器包括全齒輪限滑差速器。
3. 如權利要求2所述的差速轉向傳動系統，其特征在于，所述轉向差速器包括全齒輪限滑差速器。
4. 如權利要求1所述的差速轉向傳動系統，其特征在于，所述轉向 差速器包括全齒輪限滑差速器。
5. 如權利要求1所述的差速轉向傳動系統，其特征在于，所述全齒 輪限滑差速器包括齒輪組合體，該齒輪組合體包括-一成對的半軸齒輪蝸桿，每個半軸齒輪蝸桿均安裝用于圍繞輸出 軸旋轉并且固定到各自的輸出軸上；和　 一至少兩組成對的組合齒輪，每對的每個組合齒輪具有(a)大體 上垂直于所述輸出軸的旋轉軸，和(b)與蝸輪部分離開的第一齒輪部， 所述組合齒輪對的所述第一齒輪部彼此配合地嚙合，并且所述組合齒 輪對的所述蝸輪部分別與所述半軸齒輪蝸桿的各自一個配合地嚙合。
6. 如權利要求5所述的差速轉向傳動系統，其特征在于，所述全齒 輪限滑差速器還包括保持在所述成對的半軸齒輪蝸桿的內端之間的固 定位置中的止推板。
7. 如權利要求1所述的差速轉向傳動系統，其特征在于，還包括將 所述各自的傳動軸與第一成對的前傳動軸和第一成對的后傳動軸相互 連接的第一成對的車軸差速器，其中所述第一成對的車軸差速器包括 第一成對的全齒輪限滑差速器。
8. 如權利要求7所述的差速轉向傳動系統，其特征在于，還包括將 所述各自的第一成對的后傳動軸與第二成對的后傳動軸相互連接的第 二成對的車軸差速器，其中所述第二成對的車軸差速器包括第二成對 的全齒輪限滑差速器。
9. 一種用于履帶式車輛的差速轉向傳動系統，該履帶式車輛具有 一對各自的驅動履帶、具有發動機曲軸的推進發動機和由操作者旋轉 以指示預計行進方向的方向盤，所述轉向傳動系統包括一傳動差速器，所述傳動差速器具有由所述發動機曲軸驅動的第 一殼體和通過所述第一殼體的旋轉而差動地驅動的成對的各自的履帶 傳動軸；和一轉向差速器，所述轉向差速器具有由通過蝸桿/蝸輪連接的轉 向馬達驅動的第二殼體和由所述第二殼體的旋轉而差動地驅動的成對 的各自的控制軸，所述各自的控制軸通過齒輪嚙合被連接到各自的履 帶傳動軸上，這樣所述各自的履帶傳動軸沿第一方向的旋轉就導致所 述控制軸沿相反方向的旋轉；一所述轉向馬達在操作上與所述方向盤連接，這樣所述方向盤沿 第一方向的旋轉就會導致所述轉向馬達沿第一方向的旋轉，并且所述 方向盤沿相反方向的旋轉導致所述轉向馬達沿相反方向的旋轉，所述轉向馬達沿每個方向的旋轉速度與所述方向盤的角旋轉成正比；并且 一其中所述驅動差速器和轉向差速器中的至少一個包括全齒輪限 滑差速器。
10. 如權利要求9所述的差速轉向傳動系統，其特征在于，所述傳 動差速器包括全齒輪限滑差速器。
11. 如權利要求10所述的差速轉向傳動系統，其特征在于，所述轉 向差速器包括全齒輪限滑差速器。
12. 如權利要求9所述的差速轉向傳動系統，其特征在于，所述轉向差速器包括全齒輪限滑差速器。
13. 如權利要求9所述的差速轉向傳動系統，其特征在于，所述全 齒輪限滑差速器包括齒輪組合體，該齒輪組合體包括一成對的半軸齒輪蝸桿，每個半軸齒輪蝸桿均安裝用于圍繞輸出軸旋轉并且固定到各自的輸出軸上；和—至少兩組成對的組合齒輪，每對的每個組合齒輪具有(a)大體 上垂直于所述輸出軸的旋轉軸，和(b)與蝸輪部分離開的第一齒輪部， 所述組合齒輪對的所述第一齒輪部彼此配合地嚙合，并且所述組合齒 輪對的所述蝸輪部分別與所述半軸齒輪蝸桿的各自一個配合地嚙合。
14. 如權利要求13所述的差速轉向傳動系統，其特征在于，所述全齒輪限滑差速器還包括保持在所述成對的半軸齒輪蝸桿的內端之間的 固定位置中的止推板。
15. 如權利要求9所述的差速轉向傳動系統，其特征在于，還包括 將所述各自的履帶傳動軸與第一成對的前傳動軸和第一成對的后傳動 軸相互連接的第一成對的車軸差速器，其中所述第一成對的車軸差速 器包括第一成對的全齒輪限滑差速器。
16. 如權利要求15所述的差速轉向傳動系統，其特征在于，還包括 將所述各自的前傳動軸或所述各自的后傳動軸與第一成對的車軸傳動 軸和第二成對的車軸傳動軸相互連接的第二成對的車軸差速器，其中 所述第二成對的車軸差速器包括第二成對的全齒輪限滑差速器。
全文摘要
用于車輛的差速轉向傳動系統包括傳動差速器和轉向差速器。該車輛包括各自的左和右驅動牽引元件、具有發動機曲軸的推進發動機和由操作者旋轉以指示預計行進方向的方向盤。傳動差速器和轉向差速器中的至少一個包括全齒輪限滑差速器。在另一個實施例中，傳動差速器和轉向差速器均包括全齒輪限滑差速器。
文檔編號B62D11/10GK101168369SQ200710085550
公開日2008年4月30日 申請日期2007年3月8日 優先權日2006年10月27日
發明者唐納德·格貝爾, 基思·E.·格里斯曼, 詹姆斯·Y.·格里斯曼, 馬修·R.·弗羅納 申請人:托維克公司