越野汽車(chē)變傳動(dòng)比限滑差速器研究現(xiàn)狀分析

王白王　譚曉明　馬鵬

摘要 以提升越野汽車(chē)通過(guò)性為主要目的，分析了越野汽車(chē)變傳動(dòng)比限滑差速器的研究現(xiàn)狀。在介紹各種限滑差速器的基礎(chǔ)上，說(shuō)明了研究變傳動(dòng)比限滑差速器的重要意義。總結(jié)了國(guó)內(nèi)外越野汽車(chē)變傳動(dòng)比限滑差速器的研究現(xiàn)狀，針對(duì)現(xiàn)階段研究所存在的問(wèn)題提出了進(jìn)一步的研究方向，對(duì)提升我國(guó)越野汽車(chē)通過(guò)性具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 越野汽車(chē) 變傳動(dòng)比限滑差速器 非圓錐齒輪

1變傳動(dòng)比限滑差速器概述

汽車(chē)差速器是能夠使左、右（或前、后）驅(qū)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，功用是當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛或在不平路面上行駛時(shí)，保證汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋兩側(cè)車(chē)輪在行程不等時(shí)能以相應(yīng)的不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，使兩側(cè)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪與地面問(wèn)作純滾動(dòng)，避免車(chē)輪產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)或滑移。越野汽車(chē)經(jīng)常要在泥濘、松軟路面甚至無(wú)路等特殊情況下行駛，將可能出現(xiàn)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)輪與路面之間附著條件相差過(guò)大，驅(qū)動(dòng)輪的一個(gè)輪子將不能從滑動(dòng)中脫出，差速器無(wú)法正常使用的情況。因此需要使用具有限滑功能的差速器，以增大鎖緊系數(shù)，提升越野汽車(chē)在左、右附著系數(shù)相差較大的路面上行駛時(shí)的通過(guò)性。

限滑差速器有多種結(jié)構(gòu)型式，如圖1所示，限滑差速器按控制方式可分為人工式、被動(dòng)控制式和主動(dòng)控制式三類(lèi)。人工控制式是指通過(guò)駕駛員的手動(dòng)操作來(lái)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。被動(dòng)控制式分為扭矩差感應(yīng)式和轉(zhuǎn)速差感應(yīng)式兩種，分別通過(guò)感知差速器兩端的扭矩差和速度差，被動(dòng)地限制差速器差動(dòng)。主動(dòng)控制式限滑差速裝置是利用外部控制實(shí)現(xiàn)主動(dòng)限滑，它主要是利用傳感器來(lái)收集汽車(chē)動(dòng)態(tài)參數(shù)的信息，經(jīng)控制單元處理后，發(fā)出指令使機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，以達(dá)到限滑目的。

現(xiàn)代越野汽車(chē)限滑差速器一般不使用差速鎖，多使用內(nèi)摩擦式、超越式、粘性聯(lián)軸節(jié)、電子防滑差速系統(tǒng)、變傳動(dòng)比差速器等型式。對(duì)于內(nèi)摩擦式、超越式、粘性聯(lián)軸節(jié)、電子防滑差速系統(tǒng)等來(lái)說(shuō)，盡管它們都具有一定的限滑能力，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高且不便于維修，而變傳動(dòng)比限滑差速器相比較而言具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，許多越野汽車(chē)在驅(qū)動(dòng)橋中使用的都是變傳動(dòng)比限滑差速器。因此總結(jié)越野汽車(chē)變傳動(dòng)比限滑差速器研究現(xiàn)狀，分析其進(jìn)一步的研究方向，對(duì)提升我國(guó)越野汽車(chē)的通過(guò)性具有重要意義。

2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

變傳動(dòng)比限滑差速器是利用兩側(cè)半軸輪之間周期性的傳動(dòng)比波動(dòng)給差動(dòng)運(yùn)動(dòng)造成一個(gè)勢(shì)壘，起到限制滑動(dòng)的作用。在國(guó)外，美國(guó)Timken公司于20世紀(jì)30年代開(kāi)始便將變傳動(dòng)比差速器裝到載貨汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋上。這種差速器的鎖緊系數(shù)通常在1.25-1.5范圍內(nèi)變化，與一些自鎖式差速器相比較，其鎖緊系數(shù)是最小的，不能滿足汽車(chē)越野行駛的需要，故至今僅用于一些普通載貨汽車(chē)上作為輪間差速器使用。從外表上看，該差速器與普通圓錐行星齒輪差速器相類(lèi)似，所不同的是它有較少的齒數(shù)和特殊的齒形。

在國(guó)內(nèi)，對(duì)變傳動(dòng)比限滑差速器的研究則起步較晚，直到1990年才由西安交通大學(xué)王小椿等人提出了變傳動(dòng)比差速器的概念。其團(tuán)隊(duì)在分析圓錐齒輪差速器合理的傳動(dòng)比及齒面特點(diǎn)與形成原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)齒形設(shè)計(jì)和齒輪齒廓修型的方法，使圓錐齒輪副傳動(dòng)比能夠以周節(jié)為周期在一定范圍內(nèi)變化，研制出了單周節(jié)變傳動(dòng)比限滑差速器。根據(jù)這種思想設(shè)計(jì)的差速器存在兩種缺陷：一是傳動(dòng)比變化的周期過(guò)短，可能會(huì)出現(xiàn)沖擊或脈動(dòng)的現(xiàn)象：二是傳動(dòng)比變化幅度較小，無(wú)法達(dá)到越野汽車(chē)的要求。2001年，王小椿等人經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，終于在單周節(jié)變傳動(dòng)比差速器的基礎(chǔ)上研發(fā)出了性能更加出色的三周節(jié)變傳動(dòng)比限滑差速器。這種差速器的行星齒輪及半軸齒輪齒形較為特殊，分為高齒和低齒，三個(gè)齒為一組，利用兩半軸輪之間周期性的傳動(dòng)比變化給差動(dòng)運(yùn)動(dòng)造成一個(gè)勢(shì)壘。該設(shè)計(jì)顯著增大了差速器的鎖緊系數(shù)，改善了齒輪嚙合性能，并延長(zhǎng)了差速器的壽命。

2003年軍事交通學(xué)院賈巨民教授及其團(tuán)隊(duì)為了克服王小椿等人設(shè)計(jì)的差速器中的缺陷，研制出了一種新的變傳動(dòng)比限滑差速器。這種差速器使用一種全新的非圓錐齒輪副，在行星輪整圈區(qū)間內(nèi)設(shè)置其傳動(dòng)比變化規(guī)律，這樣可以擴(kuò)大其數(shù)值變化范圍，從而提高差速器的鎖緊系數(shù)，同時(shí)減小脈動(dòng)和沖擊，達(dá)到汽車(chē)越野要求，這種類(lèi)型的差速器現(xiàn)已經(jīng)使用在了我軍自主研制的二代勇士越野車(chē)上。由于非圓錐齒輪設(shè)計(jì)復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算難度，賈巨民同時(shí)針對(duì)非圓錐齒輪副的設(shè)計(jì)提出了一種新方法：首先利用保測(cè)地曲率映射原理將球面節(jié)曲線展開(kāi)成平面當(dāng)量節(jié)曲線；然后依據(jù)非圓齒輪設(shè)計(jì)方法對(duì)齒形進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，得到平面當(dāng)量齒形；最后將平面當(dāng)量齒形重新映射回球面，完成對(duì)非圓錐齒輪的設(shè)計(jì)，該方法通過(guò)將空間齒形設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為平面齒形設(shè)計(jì)，極大地簡(jiǎn)化了非圓錐齒輪副設(shè)計(jì)的難度，缺陷是這種方法是一種近似方法，存在一定程度上的原理誤差，無(wú)法對(duì)設(shè)計(jì)出的非圓錐齒輪進(jìn)行精加工。2012年賈巨民教授在其研制的非圓錐變傳動(dòng)比限滑差速器的基礎(chǔ)上，又提出了一種改進(jìn)型的變傳動(dòng)比限滑動(dòng)差速器。該差速器行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)之比為1：2，傳動(dòng)比以行星齒輪轉(zhuǎn)一圈為一個(gè)變化周期，突破了齒數(shù)與周節(jié)的限制，可以最大限度地提高傳動(dòng)比的變化幅值（達(dá)到土40%），增大了差速器的鎖緊系數(shù)，可以顯著提高車(chē)輛的越野性能。賈巨民教授設(shè)計(jì)的一系列非圓錐齒輪副差速器的主要缺陷是由于需要在非圓錐齒輪副中心打孔讓驅(qū)動(dòng)軸穿過(guò)，會(huì)導(dǎo)致齒輪副強(qiáng)度下降，出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象，因此這種差速器無(wú)法應(yīng)用到重型越野車(chē)輛中。

3未來(lái)研究方向

通過(guò)對(duì)越野汽車(chē)變傳動(dòng)比限滑差速器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析，可以總結(jié)出能夠?qū)嶋H應(yīng)用的變傳動(dòng)比限滑差速器至少要滿足傳動(dòng)比的變化范圍要足夠克服打滑的影響，傳動(dòng)比變化周期不能太短，差速器中的齒輪副必須具有一定的強(qiáng)度避免斷齒，需要盡可能避免脈動(dòng)和沖擊等基本要求。以上幾個(gè)方面現(xiàn)階段研究中亟待解決的問(wèn)題主要有如何進(jìn)一步簡(jiǎn)化非圓錐齒輪的設(shè)計(jì)，如何提升變傳動(dòng)比限滑差速器齒輪副強(qiáng)度以適應(yīng)重型越野車(chē)輛的要求避免斷齒等。針對(duì)上述問(wèn)題，可以分析出越野汽車(chē)變傳動(dòng)比限滑差速器進(jìn)一步的研究方向：

一是研究提升變傳動(dòng)比限滑差速器非圓錐齒輪副強(qiáng)度的方法，滿足重型越野汽車(chē)需求。提升錐齒輪副強(qiáng)度的一般利用齒廓修形、增大齒厚等方法改善齒面嚙合性能，減少?zèng)_擊與脈動(dòng)，減小單位面積內(nèi)輪齒承受應(yīng)力等；也可以通過(guò)齒形設(shè)計(jì)，如直齒輪改為螺旋齒和弧齒，漸開(kāi)線齒形改為其他曲線齒形等（例如擺線）：還可以通過(guò)重新設(shè)置齒輪副節(jié)曲線相關(guān)參數(shù)，改變相互嚙合的非圓錐齒輪副的齒數(shù)之比等方法提升強(qiáng)度。

二是研究非圓錐齒輪副的設(shè)計(jì)與加工方法。非圓錐齒輪的設(shè)計(jì)方法復(fù)雜，計(jì)算繁瑣。雖然賈巨民等學(xué)者通過(guò)保測(cè)地曲率映射將空間齒輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為了平面當(dāng)量齒輪設(shè)計(jì)，夏繼強(qiáng)等人提出一種基于球面嚙合理論，在傳動(dòng)比關(guān)系與軸間夾角給定的情況下完成對(duì)非圓錐齒輪副的齒形設(shè)計(jì)及三維建模，但是其設(shè)計(jì)仍然繁瑣，亟待進(jìn)一步簡(jiǎn)化。而為了便于非圓錐齒輪副限滑差速器應(yīng)用于制造更精密的越野汽車(chē)上，還應(yīng)研究類(lèi)似于柱齒輪磨齒精加工之類(lèi)的能夠讓非圓錐齒輪進(jìn)行精加工的方法。

三是研究新的差速器齒輪副結(jié)構(gòu)形式。變傳動(dòng)比限滑差速器能夠起到限制滑動(dòng)作用的根本原因是在于具有特殊齒形的變傳動(dòng)比非圓錐齒輪副將促使差速器中的行星輪偏離平衡位置，而使分配到快轉(zhuǎn)輪和慢轉(zhuǎn)輪上的扭矩不等（快轉(zhuǎn)輪上的小，慢轉(zhuǎn)輪上的大），從而增大了差速器的鎖緊系數(shù)，起到了防滑的作用。因此，從理論上講能夠傳遞相交軸變傳動(dòng)比，具有特殊齒形的空間齒輪副機(jī)構(gòu)都能夠作為變傳動(dòng)比限滑差速器的核心構(gòu)件，不一定非要使用非圓錐齒輪副。探究其他傳遞空間相交軸變傳動(dòng)比的齒輪副機(jī)構(gòu)是否能夠滿足越野汽車(chē)限滑差速器所要求的緊縮系數(shù)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和尺寸大小等基本要求，可能是變傳動(dòng)比限滑差速器取得進(jìn)一步突破的關(guān)鍵。

上述三個(gè)方面可能是越野汽車(chē)變傳動(dòng)比限滑差速器未來(lái)進(jìn)一步的研究方向，其研究成果將對(duì)提升我國(guó)越野汽車(chē)防滑性能，增強(qiáng)通過(guò)性具有重要意義。

4結(jié)語(yǔ)

（1）介紹了差速器的概念與分類(lèi)，說(shuō)明了研究越野汽車(chē)變傳動(dòng)比限滑差速器的重要意義。（2）詳細(xì)分析了越野汽車(chē)變傳動(dòng)比限滑差速器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)了現(xiàn)階段我國(guó)越野汽車(chē)變傳動(dòng)比限滑差速器研究存在的問(wèn)題。（3）根據(jù)研究中存在的問(wèn)題為越野汽車(chē)變傳動(dòng)比限滑差速器進(jìn)一步的研究指明了方向，對(duì)提升我國(guó)越野汽車(chē)通過(guò)性具有一定的參考價(jià)值。