螺旋齒式限滑差速器的結(jié)構(gòu)性能分析及試驗(yàn)研究

范春利，寧雪松，申春寶，保萬全，徐偉健

（中國第一汽車股份有限公司，吉林 長春 130011）

螺旋齒式限滑差速器的結(jié)構(gòu)性能分析及試驗(yàn)研究

范春利，寧雪松，申春寶，保萬全，徐偉健

（中國第一汽車股份有限公司，吉林 長春 130011）

對(duì)螺旋齒式限滑差速器的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行分析研究，并提出了限滑性能的主要評(píng)價(jià)參數(shù)，結(jié)合限滑差速器臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)安裝兩種不同螺旋角的螺旋齒式限滑差速器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果表明：螺旋角越大，限滑性能越好。

螺旋齒；臺(tái)架試驗(yàn)；限滑差速器；限滑性能；螺旋角

前言

基于普通圓錐行星齒輪式差速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1]，其內(nèi)摩擦力矩小，只能將轉(zhuǎn)矩平均分配給左、右驅(qū)動(dòng)車輪，而無法實(shí)現(xiàn)按需分配。當(dāng)汽車在泥濘或冰雪路面上行駛，且一側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪與地面附著系數(shù)相對(duì)很小時(shí)，容易導(dǎo)致單側(cè)車輪過度滑轉(zhuǎn)而使整車無法獲得良好的動(dòng)力性和通過性。限滑差速器的開發(fā)和應(yīng)用，克服了普通錐齒輪差速器只能“差速不差轉(zhuǎn)矩”的缺點(diǎn)，它能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到驅(qū)動(dòng)橋轉(zhuǎn)矩的大部分甚至全部扭矩傳給高附著系數(shù)側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪，以充分利用這一驅(qū)動(dòng)車輪的附著力而產(chǎn)生足夠的牽引力，大大提高了汽車在雙附著系數(shù)路面上的驅(qū)動(dòng)性能，顯著改善了汽車操縱穩(wěn)定性，有效提高了汽車平順性和行駛安全性。

因此，隨著用戶出行和運(yùn)輸業(yè)的需求不斷提高，限滑差速器的應(yīng)用日益廣泛，裝車率也迅速提高。越來越多的越野汽車、中型和重型汽車、多功能汽車、工程機(jī)械以及拖拉機(jī)等車輛提供限滑差速器作為高配置選裝件，近年在轎車和微型汽車上也逐漸采用。

作者通過對(duì)螺旋齒式限滑差速器的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究和針對(duì)不同螺旋角的螺旋齒式限滑差速器進(jìn)行的臺(tái)架試驗(yàn)，研究了裝配螺旋齒式限滑差速器的驅(qū)動(dòng)橋在試驗(yàn)測(cè)試中的性能表現(xiàn)，得到了限滑性能評(píng)價(jià)參數(shù)及不同工況下限滑性能之間的關(guān)系，為螺旋齒式限滑差速器的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)為限滑差速器的選型和實(shí)際應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

1 螺旋齒式限滑差速器的結(jié)構(gòu)性能分析

1.1 結(jié)構(gòu)特征及工作原理

限滑差速器[2]根據(jù)其工作原理分為轉(zhuǎn)矩敏感式、轉(zhuǎn)速敏感式和主動(dòng)控制式3類，螺旋齒式限滑差速器是轉(zhuǎn)矩敏感式限滑差速器中綜合性能較高的一種，是將普通差速器的齒輪從直齒改成螺旋齒，通過只有螺旋齒輪才能實(shí)現(xiàn)的安裝位置和形式，利用齒輪的減速比來限制左右驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差的，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的再分配。

螺旋齒式限滑差速器結(jié)構(gòu)如圖1所示，該種限滑差速器的主要特征在于它采用螺旋齒式的行星齒輪和半軸齒輪，其中行星齒輪和半軸齒輪分為左右兩組，左右兩側(cè)齒輪旋向相反。左行星齒輪同時(shí)與左半軸齒輪、右行星齒輪嚙合，同理，右行星齒輪同時(shí)與右半軸齒輪、左行星齒輪嚙合，行星齒輪采用全浮式結(jié)構(gòu)，其外圓與差速器殼上相對(duì)應(yīng)的圓柱形孔大間隙配合。差速器殼與主減速器從動(dòng)錐齒輪相聯(lián)，是差速器的動(dòng)力輸入元件。差速器殼帶動(dòng)行星齒輪和半軸齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力從差速器殼到半軸進(jìn)而到車輪的傳遞。

圖1 螺旋齒式限滑差速器

當(dāng)汽車作直線行駛、左右半軸無轉(zhuǎn)速差時(shí)，左、右半軸轉(zhuǎn)速與差速器殼轉(zhuǎn)速均相等，此時(shí)左右行星齒輪和相應(yīng)的半軸齒輪之間無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，差速器殼、左右半軸如同整體在一起轉(zhuǎn)動(dòng)，差速器不起作用，此時(shí)從差速器殼上分配到左右半軸上的轉(zhuǎn)矩是等分的。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向行駛或某一驅(qū)動(dòng)車輪滑轉(zhuǎn)使左右半軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差時(shí)，左右行星齒輪將產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，且快轉(zhuǎn)側(cè)的旋轉(zhuǎn)方向與相應(yīng)側(cè)半軸齒輪加快旋轉(zhuǎn)相符合，而慢轉(zhuǎn)側(cè)的旋轉(zhuǎn)方向與相應(yīng)側(cè)半軸齒輪減慢旋轉(zhuǎn)相符合，即左右半軸齒輪的轉(zhuǎn)速差是通過左右行星齒輪之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。這時(shí)快轉(zhuǎn)側(cè)半軸齒輪使快轉(zhuǎn)側(cè)的行星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而迫使慢轉(zhuǎn)側(cè)行星齒輪帶動(dòng)慢轉(zhuǎn)側(cè)半軸齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于螺旋齒傳動(dòng)的特點(diǎn)，此時(shí)會(huì)在齒面間產(chǎn)生很大的摩擦力，限制了慢轉(zhuǎn)側(cè)行星齒輪轉(zhuǎn)速的增加，進(jìn)而阻止快轉(zhuǎn)側(cè)行星齒輪及快轉(zhuǎn)側(cè)半軸齒輪轉(zhuǎn)速的增加，實(shí)現(xiàn)對(duì)快轉(zhuǎn)側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪的限滑作用。

1.2 轉(zhuǎn)矩分配特性

螺旋齒式限滑差速器在差速時(shí)是利用相互嚙合的螺旋齒輪副的內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)矩進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配的。當(dāng)左半軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)，左半軸齒輪帶動(dòng)左行星齒輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)，左半軸齒輪受到左行星齒輪的摩擦轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，而轉(zhuǎn)速較低的右半軸齒輪受到右行星齒輪的推動(dòng)，摩擦轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，即由于內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)矩的存在，使快轉(zhuǎn)的左半軸齒輪的轉(zhuǎn)矩Tl減小，慢轉(zhuǎn)側(cè)的右半軸齒輪的轉(zhuǎn)矩Tr增大，轉(zhuǎn)矩分配為：

式中：T0——差速器殼上的轉(zhuǎn)矩；

Tf——內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)矩。

同理，若右半軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)，右側(cè)車輪打滑其驅(qū)動(dòng)力減小，根據(jù)螺旋齒式限滑差速器的轉(zhuǎn)矩分配特點(diǎn)，部分驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)移至左側(cè)車輪。因此無論哪一側(cè)車輪處于地面附著力低的路面工況，此種限滑差速器都能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的再分配，使地面附著力高的一側(cè)驅(qū)動(dòng)力增加，提高整車的防滑能力和通過性。

1.3 限滑性能主要評(píng)價(jià)參數(shù)

通過對(duì)螺旋齒式限滑差速器結(jié)構(gòu)與工作原理的研究與分析，并結(jié)合對(duì)所匹配某微型車驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行的臺(tái)架試驗(yàn)研究，采用以下參數(shù)作為螺旋齒式限滑差速器的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3.1 內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)矩

在限滑差速器工作的穩(wěn)態(tài)下，左右半軸傳遞轉(zhuǎn)矩之差即為內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)矩Tf，即：

式中：T1——轉(zhuǎn)矩較高側(cè)的半軸傳遞扭矩；

T2——轉(zhuǎn)矩較低側(cè)的半軸傳遞扭矩。內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)矩Tf也稱為限滑轉(zhuǎn)矩[3]，是表征限滑差速器處于工作狀態(tài)時(shí)左右半軸轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩能力的參數(shù)，對(duì)于螺旋齒式限滑差速器，該參數(shù)與差速器輸入轉(zhuǎn)矩近似呈正比線性關(guān)系。

1.3.2 鎖緊系數(shù)

在限滑差速器工作的穩(wěn)態(tài)下，限滑轉(zhuǎn)矩與差速器傳遞轉(zhuǎn)矩的比值即為鎖緊系數(shù)Ks，即：

鎖緊系數(shù)Ks是表征限滑差速器限滑能力的參數(shù)，表明限滑轉(zhuǎn)矩占差速器傳遞轉(zhuǎn)矩的比例，其數(shù)值的大小一般為 0～1。對(duì)于螺旋齒式限滑差速器，該參數(shù)與螺旋齒輪的螺旋角密切相關(guān)，其數(shù)值為0.4～0.8。

1.3.3 轉(zhuǎn)矩比

在限滑差速器工作的穩(wěn)態(tài)下，轉(zhuǎn)矩較高側(cè)的半軸傳遞扭矩與轉(zhuǎn)矩較低側(cè)的半軸傳遞扭矩的比值即為轉(zhuǎn)矩比KT，即：

轉(zhuǎn)矩比KT也是表征限滑差速器限滑能力的參數(shù)，其數(shù)值的大小表明兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)矩相差的最大倍數(shù)，其數(shù)值的大小一般為 1.6～3.2。對(duì)于螺旋齒式限滑差速器，該參數(shù)也取決于螺旋齒輪的螺旋角的設(shè)計(jì)大小，其數(shù)值為2.5～2.9。

轉(zhuǎn)矩比KT與鎖緊系數(shù)Ks的之間關(guān)系如下：

螺旋齒式限滑差速器的轉(zhuǎn)矩比KT和鎖緊系數(shù)Ks在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段定性之后，其限滑能力的大小就以確定，在使用過程中無法調(diào)整。這兩個(gè)參數(shù)對(duì)汽車性能有直接影響，從汽車通過性的角度看，轉(zhuǎn)矩比KT的數(shù)值越大越好，但從車輛行駛的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向操縱的靈活性、延長有關(guān)傳動(dòng)零件的使用壽命和減小輪胎磨損等方面考慮，轉(zhuǎn)矩比KT的值又不宜過大，因此一般情況下，要根據(jù)所設(shè)計(jì)的車型、性能要求和使用條件等選擇合適的轉(zhuǎn)矩比KT和鎖緊系數(shù)Ks。

1.3.4 限滑差速器傳動(dòng)效率[4]

在限滑差速器工作的穩(wěn)態(tài)下，動(dòng)力經(jīng)過限滑差速器殼體傳遞給左、右半軸的效率即限滑差速器傳動(dòng)效率η，即：

式中：n1——轉(zhuǎn)矩較高側(cè)的半軸轉(zhuǎn)速；n2——轉(zhuǎn)矩較低側(cè)的半軸轉(zhuǎn)速；Tin——限滑差速器輸入轉(zhuǎn)矩；nin——限滑差速器輸入轉(zhuǎn)速；T1、T2定義同上。

限滑差速器傳動(dòng)效率是限滑差速器的一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，表明經(jīng)過限滑差速器傳遞路徑后有效功率占驅(qū)動(dòng)功率的比例。對(duì)于螺旋齒式限滑差速器，其數(shù)值與普通開式差速器傳動(dòng)效率差異不大，其數(shù)值為91%～98%。

2 螺旋齒式限滑差速器的性能試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法

表1 試件相關(guān)參數(shù)表

圖2 主減速器總成

圖3 試驗(yàn)臺(tái)布置形式

本文以安裝螺旋齒式限滑差速器的某微型車驅(qū)動(dòng)橋總成為研究對(duì)象，分別安裝兩種螺旋角的限滑差速器，通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)螺旋齒式限滑差速器的主要性能參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，掌握該形式的產(chǎn)品在臺(tái)架試驗(yàn)過程中各項(xiàng)性能指標(biāo)的能力，為產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的試驗(yàn)依據(jù)。試件相關(guān)參數(shù)見表1，參照國標(biāo)GB／T6323—1994和一汽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)。安裝螺旋齒式限滑差速器的主減速器總成，見圖2，驅(qū)動(dòng)橋總成性能試驗(yàn)臺(tái)布置形式見圖3。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 限滑轉(zhuǎn)矩特性及鎖緊系數(shù)試驗(yàn)

根據(jù)某微型車驅(qū)動(dòng)橋總成的實(shí)際使用工況和承載能力特點(diǎn)，將道路試驗(yàn)路譜轉(zhuǎn)化為臺(tái)架試驗(yàn)的試驗(yàn)條件。通過試驗(yàn)臺(tái)給定橋總成 20km/h的車速，同時(shí)逐漸加載輸入轉(zhuǎn)矩，輸入轉(zhuǎn)矩由額定輸入轉(zhuǎn)矩的15%一直加載至額定輸入轉(zhuǎn)扭矩，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到差速器輸入扭矩與限滑轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線見圖4。

圖4 差速器輸入扭矩與限滑轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線

圖5 轉(zhuǎn)矩比性能曲線

從圖4可以看出，限滑轉(zhuǎn)矩隨著差速器輸入扭矩的增加呈線性增長趨勢(shì)，即限滑轉(zhuǎn)矩與差速器輸入轉(zhuǎn)矩呈正比關(guān)系。同時(shí)，在相同的差速器輸入轉(zhuǎn)矩下，50°螺旋角樣品的限滑轉(zhuǎn)矩明顯大于45°螺旋角樣品的限滑轉(zhuǎn)矩，即說明螺旋角越大，所產(chǎn)生的限滑轉(zhuǎn)矩越大。

由鎖緊系數(shù)的定義可知，圖4中直線的斜率即為鎖緊系數(shù)，明顯地，50°螺旋角樣品的直線斜率大于45°螺旋角樣品的直線斜率，也說明了螺旋角越大，鎖緊系數(shù)越大，鎖緊能力越強(qiáng)。

2.2.2 轉(zhuǎn)矩比性能試驗(yàn)

通過試驗(yàn)臺(tái)給定橋總成 20km/h的車速，同時(shí)使左右半軸產(chǎn)生12r/min的轉(zhuǎn)速差，即保證限滑差速器處于工作狀態(tài)，逐漸加載輸入轉(zhuǎn)矩，輸入轉(zhuǎn)矩由額定輸入轉(zhuǎn)矩的15%一直加載至額定輸入轉(zhuǎn)扭矩，采集左右半軸傳遞扭矩的實(shí)際測(cè)量值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到轉(zhuǎn)矩比性能曲線見圖5。

從圖5可以看出，隨著輸入轉(zhuǎn)矩的增加，左右半軸傳遞的轉(zhuǎn)矩也逐漸增大，由于限滑差速器的轉(zhuǎn)矩再分配的作用，使兩側(cè)的傳遞扭矩差值逐漸變化。由轉(zhuǎn)矩比的定義可知，圖5中直線的斜率即為轉(zhuǎn)矩比，可以看出，在相同的試驗(yàn)工況下，50°螺旋角樣品的直線斜率大于45°螺旋角樣品的直線斜率，即螺旋角越大，轉(zhuǎn)矩比越大。

2.2.3 限滑差速器傳動(dòng)效率試驗(yàn)

為充分考察螺旋齒式限滑差速器工作狀態(tài)下的傳動(dòng)效率，傳動(dòng)效率試驗(yàn)分兩種工況測(cè)試：一種是定轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速差，另一種是定轉(zhuǎn)速差變轉(zhuǎn)矩。

定轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速差測(cè)試：通過試驗(yàn)臺(tái)給定橋總成 20km/h的車速，保持差速器輸入轉(zhuǎn)矩300N·m，然后使左右半軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，轉(zhuǎn)速差以12r/min為步長，逐漸增大至120r/min，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到定轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速差與傳動(dòng)效率的關(guān)系曲線見圖6。

圖6 定轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速差與傳動(dòng)效率的關(guān)系曲線

圖7 定轉(zhuǎn)速差變轉(zhuǎn)矩與傳動(dòng) 效率的關(guān)系曲線

從圖6可以看出， 隨著轉(zhuǎn)速差的增大，限滑差速器的傳動(dòng)效率逐漸降低，主要由于限滑差速器處于工作狀態(tài)下，螺旋齒輪副之間的摩擦力產(chǎn)生的效率損失和差速工況引起齒輪油流體運(yùn)動(dòng)場(chǎng)變化引起的攪油損失加大導(dǎo)致。同時(shí)可以看出，在相同的試驗(yàn)工況下，50°螺旋角樣品的傳動(dòng)效率大于45°螺旋角樣品的傳動(dòng)效率。

定轉(zhuǎn)速差變轉(zhuǎn)矩測(cè)試：通過試驗(yàn)臺(tái)給定橋總成 20km/h的車速，保持轉(zhuǎn)速差為100r/min，逐漸加載輸入轉(zhuǎn)矩，輸入轉(zhuǎn)矩由額定輸入轉(zhuǎn)矩的15%一直加載至額定輸入轉(zhuǎn)扭矩，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到定轉(zhuǎn)速差變轉(zhuǎn)矩與傳動(dòng)效率的曲線見圖7。

從圖7可以看出， 隨著差速器輸入轉(zhuǎn)矩的逐漸增加，限滑差速器的傳動(dòng)效率呈先增大后降低的趨勢(shì)，主要由于限滑差速器處于工作狀態(tài)下，輸入轉(zhuǎn)矩增加，齒輪嚙合趨于穩(wěn)定，齒輪油熱量逐漸達(dá)到熱平衡，傳動(dòng)效率逐漸增大；當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩增大到一定程度，齒輪副磨損增加，傳動(dòng)效率將會(huì)降低。同時(shí)可以看出，在相同的試驗(yàn)工況下，50°螺旋角樣品的傳動(dòng)效率大于45°螺旋角樣品的傳動(dòng)效率。

3 結(jié)論

（1）螺旋齒式限滑差速器是利用齒輪的減速比來限制左右驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差的，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的再分配，有效的克服了普通錐齒輪差速器只能“差速不差轉(zhuǎn)矩”的缺點(diǎn)。

（2）應(yīng)用限滑轉(zhuǎn)矩、鎖緊系數(shù)、轉(zhuǎn)矩比和限滑差速器傳動(dòng)效率等性能參數(shù)對(duì)螺旋齒式限滑差速器進(jìn)行限滑性能評(píng)價(jià)，可以滿足對(duì)產(chǎn)品限滑能力設(shè)計(jì)水平的試驗(yàn)驗(yàn)證。

（3）螺旋角的大小對(duì)螺旋齒式限滑差速器的限滑性能有很大影響，試驗(yàn)表明，螺旋角越大，限滑能力越好。

[1] 劉惟信,汽車車橋設(shè)計(jì)[M],北京,清華大學(xué)出版社,2003:215-217.

[2] 陳家瑞,汽車構(gòu)造（第五版）[M],北京,人民交通出版社,2005:146-150.

[3] 王建華等, 轉(zhuǎn)矩敏感式限滑差速器結(jié)構(gòu)性能分析及其評(píng)價(jià)[J],汽車技術(shù),,2005:18-20.

[4] 劉白,汪大鵬,齒輪傳動(dòng)效率的試驗(yàn)研究[J],機(jī)械工程學(xué)報(bào),2001:109 -112.

The structural performance analysis and the experimental study of screw rack differential differential

Fan Chunli, Ning Xuesong, Shen Chunbao, Wan Baoquan , Xu Weijian
( China first automobile co., LTD., Jilin Changchun 130011 )

Study and analyze the structure and working principle of helix gear limited slip differential, the main evaluation parameters of limited slip performance are presented, combined with the limited slip differential bench test, the comparative test analysis of two kinds of helix gears with different helix angles is carried out, the experimental results show that the higher the helix angle is, the better the limited slip performance is.

Helix gear; Bench test; Limited Slip Differential; Limited slip performance; helix angles

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-132-04

U467.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-132-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.044

范春利（1981-），男，就職于中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心。主要從事汽車傳動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)、試驗(yàn)方法分析與優(yōu)化等研究。