限滑差速器研究分析

樊智濤

摘 要：本文從差速器的定義入手，分析了限滑差速器的特點(diǎn)和類型，并以托森差速器和變傳動(dòng)比限滑差速器分析了兩者的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，提出了變傳動(dòng)比差速器的幾種新形式，在此基礎(chǔ)上對(duì)兩種差速器進(jìn)行了對(duì)比分析和前景展望。

關(guān)鍵詞：限滑差速器 托森差速器 變傳動(dòng)比

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）01（c）-0085-02

1 限滑差速器概述

差速器是汽車驅(qū)動(dòng)橋的重要零部件之一，如圖1所示，其相當(dāng)于一個(gè)扭矩分配器，將輸入扭矩傳遞給左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)半軸，并允許兩個(gè)半軸以不同速率旋轉(zhuǎn)。

目前的差速器主要面臨的問題就是如何確保車輛在以下3種情況下都能穩(wěn)定傳導(dǎo)動(dòng)力以確保車輛良好的通過性。

（1）正常情況（路面）下保證車輛正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免因路面不平或輪胎氣壓不同等問題而降低車輛的操縱穩(wěn)定性。

（2）轉(zhuǎn)彎時(shí)，根據(jù)兩側(cè)車輪車速進(jìn)行差速運(yùn)轉(zhuǎn)，為兩側(cè)車輪提供動(dòng)力，保證車輪的不等距行駛。

（3）遇到泥濘或松軟等附著系數(shù)較小的路面時(shí)能夠及時(shí)提供動(dòng)力，擺脫困境。

普通的差速器只能滿足上述前兩種情況，而對(duì)于情況三，當(dāng)一側(cè)車輪陷入打滑路面時(shí)，差速器的平均分配轉(zhuǎn)矩特性使其成為在泥濘路面阻礙汽車正常行駛的一個(gè)短板。隨著汽車領(lǐng)域的不斷發(fā)展，機(jī)械行業(yè)對(duì)差速器的研究也越來越多，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)差速器的不足，限滑差速器應(yīng)運(yùn)而生，并在越野車輛上得到廣泛應(yīng)用。

限滑差速器是對(duì)普通差速器的一種改進(jìn)，是指其兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差值可在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，以此來保證車輛在直線、轉(zhuǎn)彎、遇到泥濘路面情況下能夠得到足夠驅(qū)動(dòng)力的新型差速器。目前，限滑差速器主要有主動(dòng)控制式、被動(dòng)控制式（包括轉(zhuǎn)矩感應(yīng)式和轉(zhuǎn)速感應(yīng)式）以及人工控制式三大類。

人工控制式是指通過駕駛員的手動(dòng)操作來改變中間差速器或半軸差速器的扭矩分配比，主要是各種手動(dòng)差速鎖[1]。

被動(dòng)控制式差速器中，轉(zhuǎn)矩感應(yīng)式按照輸入轉(zhuǎn)矩決定差動(dòng)限制轉(zhuǎn)矩方式，主要有變傳動(dòng)比式差速器和托森差速器等若干種；轉(zhuǎn)速感應(yīng)式是隨著限滑差速器左、右半軸轉(zhuǎn)速差來被動(dòng)限制差速器差動(dòng)。

主動(dòng)控制式是基于被動(dòng)控制差速器建立的一種可控制式差速器，主動(dòng)控制式差速器可以根據(jù)車輪和路面的接觸情況對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

限滑差速器能確保車輛在行駛過程中滿足駕駛?cè)藛T對(duì)通過性、動(dòng)力性、安全性的要求，保證車輛良好的運(yùn)行狀態(tài)，在一定程度上解決了車輛遇到打滑路面時(shí)，由于一側(cè)輪胎打滑空轉(zhuǎn)，傳統(tǒng)差速器無法傳導(dǎo)足夠的動(dòng)力給另一側(cè)車輪，致使車輛產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力無法推動(dòng)車輛行駛的困境。

本文主要以國內(nèi)外對(duì)限滑差速器的需求和研究現(xiàn)狀為背景，對(duì)限滑差速器中的變傳動(dòng)比式差速器和托森差速器進(jìn)行研究和理論的對(duì)比分析，為下一步的研究工作提供參考。

2 托森差速器

托森差速器通過獨(dú)特與精巧的機(jī)械設(shè)計(jì)來完成差速功能并有效提高了極限狀態(tài)的抓地力。托森差速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)差速器有著很大的不同。它的核心部件是一套特殊的齒輪嚙合系統(tǒng)，包括左右半軸、螺旋齒輪、左右半軸傳動(dòng)蝸桿、直齒圓柱齒輪、差速器外殼等。托森差速器的工作原理是利用蝸輪與蝸桿之間的驅(qū)動(dòng)特性來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)蝸輪時(shí)，蝸桿可被輕松驅(qū)動(dòng)，反之，轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪時(shí)，卻無法驅(qū)動(dòng)蝸桿，在螺旋齒輪的兩端，分別焊上一組同步齒輪，就可以完成基本的差速功能，如圖2所示。

當(dāng)車輛直線行駛時(shí)，由于螺旋齒輪的轉(zhuǎn)軸固定在差速器外殼上，于是，外殼接收到的動(dòng)力將傳遞給螺旋齒輪，使螺旋齒輪跟隨外殼公轉(zhuǎn)，帶動(dòng)蝸桿自轉(zhuǎn)。兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪將以相同的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，特別注意，此時(shí)兩支螺旋齒輪保持著相對(duì)靜止的狀態(tài)，此時(shí)的內(nèi)外結(jié)構(gòu)成為一個(gè)整體圍繞輸出軸穩(wěn)定傳動(dòng)。

當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎（右轉(zhuǎn)）時(shí)，為保證車輛正常行駛，左側(cè)車輪轉(zhuǎn)速需要高于右側(cè)車輪。此時(shí)，左側(cè)車輪帶動(dòng)左側(cè)蝸桿加速旋轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的齒輪隨之旋轉(zhuǎn)。另外，由于右側(cè)蝸桿轉(zhuǎn)速較慢，與外殼產(chǎn)生了轉(zhuǎn)速差，也就是說，以外殼的視角來看，右側(cè)蝸桿正在進(jìn)行逆轉(zhuǎn)，于是，右側(cè)螺旋齒輪將會(huì)逆方向轉(zhuǎn)動(dòng)。固定在兩端的同步齒輪將確保螺旋齒輪的轉(zhuǎn)速時(shí)刻相同，這便帶來了精確的等比例輪間差速。

當(dāng)輪胎遇到打滑路面時(shí)，打滑一側(cè)的車輪開始空轉(zhuǎn)，螺旋齒輪的轉(zhuǎn)速也會(huì)立即升高，借助同步齒輪，另一側(cè)齒輪會(huì)將高轉(zhuǎn)速同步給該側(cè)齒輪，但是該側(cè)螺旋齒輪無法將轉(zhuǎn)速繼續(xù)傳遞給左側(cè)蝸桿（蝸輪無法驅(qū)動(dòng)蝸桿），于是整個(gè)機(jī)構(gòu)被卡死。左右側(cè)車輪回歸到相同的驅(qū)動(dòng)速度，大量扭矩重新被輸出到高抓地力的一側(cè)，車身由此趨于穩(wěn)定，開始正常行駛。

由于扭矩負(fù)載考慮，通常會(huì)裝配三組同步的螺旋齒輪，其他差速器結(jié)構(gòu)在徹底鎖止前需要一小段的響應(yīng)時(shí)間，而托森的全時(shí)嚙合設(shè)計(jì)做到了即便是輕微、短暫的抓地力失衡都會(huì)快速地進(jìn)行鎖止。

3 變傳動(dòng)比限滑差速器

近幾年，不同學(xué)者對(duì)限滑差速器的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，其中變傳動(dòng)比差速器（變速比差速器）就是限滑差速器的一種改進(jìn)形式。改進(jìn)后的變傳動(dòng)比差速器可以在行星輪整圈區(qū)間內(nèi)根據(jù)實(shí)際情況來確定傳動(dòng)比變化規(guī)律，依靠變傳動(dòng)比傳動(dòng)的勢(shì)壘效應(yīng)來增大鎖緊系數(shù)，并且不改變驅(qū)動(dòng)橋總體結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)差速，改變了普通差速器在打滑路面無法傳導(dǎo)動(dòng)力的窘境。同時(shí)，限滑差速器傳動(dòng)比變化幅度小、變化周期短的問題通過變傳動(dòng)比差速器也得到了進(jìn)一步解決。

由于傳統(tǒng)的變傳動(dòng)比差速器其速比變化為一個(gè)周節(jié)，變速比難以滿足車輛對(duì)越野性能的要求，文獻(xiàn)[2]中王小椿等提出了一種三周節(jié)變傳動(dòng)比限滑差速器，大大提高了車輛的牽引力[2]。

文獻(xiàn)[3]中賈巨民提出了一種新的傳動(dòng)形式，它突破了齒數(shù)與周節(jié)的限制，使行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)之比為1∶2，可以最大限度地提高傳動(dòng)比的變化幅值（達(dá)到±40%），這種新的傳動(dòng)形式可以獲得最大的傳動(dòng)比變化范圍，從而獲得大的鎖緊系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，理論和實(shí)際鎖緊系數(shù)可達(dá)2.33和3.15，車輛越野性能顯著提高[3]。

文獻(xiàn)[4]中張學(xué)玲提出了一種新型非圓行星齒輪差速器，通過傳動(dòng)的變速比效應(yīng)自動(dòng)調(diào)整輸出轉(zhuǎn)矩分配，實(shí)現(xiàn)防滑，從而改善車輛的越野通過性。另外，作者根據(jù)提出的新型軸間非圓行星齒輪差速器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出多種差速器傳動(dòng)方案供選擇，在某車型的差速器樣機(jī)中已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明新型差速器比原來的差速器傳遞轉(zhuǎn)矩提高1.7倍[4]。

文獻(xiàn)[5]中賈巨民提出了一種新型非圓行星齒輪差速器，用于越野汽車分動(dòng)器，非圓中心齒輪形狀相同，行星齒輪形狀一致，相位相差90°，采用三組雙聯(lián)行星齒輪實(shí)現(xiàn)均載，可以實(shí)現(xiàn)兩輸出軸扭矩變比例分配，相當(dāng)于增大了差速器的鎖緊系數(shù)，從而有望提高車輛的越野通過性[5]。

4 對(duì)比分析

托森差速器在實(shí)現(xiàn)差速過程中沒有時(shí)間上的延遲，反應(yīng)快，在需要實(shí)現(xiàn)差速時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生扭矩差，托森差速器能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速響應(yīng)，改變扭矩來改變調(diào)整輪差。另外，托森差速器與傳統(tǒng)的差速器相比，由于沒有多片式離合器，所以其不存在維護(hù)問題，可靠耐用。但是需要明確的是，托森差速器的加工精度和制造工藝要求非常高，所以其制造成本也非常高昂，目前只能在中高檔車型上使用。除此之外，該差速器重量比較大，一定程度上影響車輛的重心和加速速度，在國內(nèi)應(yīng)用較少。

相對(duì)于托森差速器，變傳動(dòng)比差速器在國內(nèi)的研究比較廣泛，由于其制造成本相對(duì)于托森差速器來說相對(duì)易于接受，并且在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)越野車輛對(duì)于差速器的要求，所以在國內(nèi)車輛的應(yīng)用上，變傳動(dòng)比限滑差速器應(yīng)用相對(duì)廣泛。

5 結(jié)語

本文分析了差速器普遍需要解決的現(xiàn)實(shí)問題，給出了限滑差速器的分類，并以托森差速器和變傳動(dòng)比限滑差速器為例進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和原理說明，最后對(duì)兩種限滑差速器進(jìn)行了對(duì)比分析，相信隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車差速器的設(shè)計(jì)研發(fā)也將得到進(jìn)一步的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 王白王，譚曉明，馬鵬.越野汽車變傳動(dòng)比限滑差速器研究現(xiàn)狀分析[J].科教導(dǎo)刊，2017（5X）：31-32.

[2] 王小椿，吳序堂，彭煒.高性能變傳動(dòng)比差速器的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1990，24（2）：1-8.

[3] 賈巨民，高波，索文莉，等.越野汽車新型變速比差速器的研究[J].機(jī)械工程，2012，23（23）：2844-2847.

[4] 張學(xué)玲，賈巨民，柴樹峰.越野車雙聯(lián)非圓行星齒輪差速器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械傳動(dòng)，2014，23（11）：60-63.

[5] 賈巨民，高波.越野汽車雙聯(lián)非圓行星齒輪差速器的研究 [J].中國機(jī)械工程，2012，23（3）：60-63.