重型越野車分動器差速器運動分析

陳傳增

（安徽江淮汽車集團股份有限公司重型商用車公司，安徽 合肥 230001）

前言

分動器廣泛應用于多軸驅動的汽車上，在越野汽車上應用廣泛，因為越野汽車要面對低附著路面（雨雪、泥淖）、山區坑洼路面、以及壕溝、垂直障礙、陡坡等復雜狀況，這要求車輛能盡可能多的利用車輪與地面間的附著力來提供驅動力。

在4×4、6×6、8×8等全驅動車型上，分動器一般作為獨立部件安裝在變速器與驅動橋之間，通過將來自變速器的轉矩按照設定的比例分配給前橋和后橋。另外某些分動器還設有一組或兩組減速齒輪，用于增大變速器輸出的扭矩，起到副變速箱的作用。

1 結構

重型越野車用大功率分動器為應對各種工況，一般采用兩個擋位：越野擋和公路擋，通過兩種擋位實現在越野和公路行駛時整車對動力性和經濟性平衡。分動器按照前后扭矩分配型式的不同可分為兩種，一種是無差速器結構，一種為有差速器結構。

1.1 無差速器結構

該型式分動器如圖1（a）所示：

該型式分動器結構簡單，用于分時四驅車輛，即在平時使用中，嚙合套5不與前軸嚙合，這時候車輛仍然是后軸驅動。當車輛駛入低附著路面，后軸驅動力下降出現打滑時，通過操縱裝置將嚙合套5與前軸嚙合，實現全輪驅動，使車輛順利脫困。但該結構在實現全輪驅動時，無法實現前后軸車輪的輪速差，使傳動系統產生功率循環，整車油耗增加，加劇輪胎的磨損。

圖1（a）

采用無差速器結構的分動器，在嚙合前軸時，前后軸扭矩的分配隨兩軸地面附著力的大小而變，這樣可以充分利用地面附著力，但也可能會造成前軸扭矩過大而損壞齒輪及傳動件。

1.2 有差速器結構

該型式分動器如圖1（b）所示：

圖1（b）

該型式分動器與圖1（a）相比增加了8-差速器。該差速器該結構如圖1（c）所示：

圖1（c）

該差速器實際上就是2Z-X型差動行星齒輪，該機構具有2個自由度，由行星架（轉臂）輸入，a太陽輪輸出到前軸，b內齒圈輸出到后軸。該差動機構穩定運轉的約束條件為前后軸的阻力矩和轉速差。

2 差速器運動分析

2.1 扭矩分配

圖2（a）為分動器差動行星齒輪傳動示意圖，其中ra、rb、rx分別為太陽輪、內齒圈、行星架的回轉半徑，ωa、ωb、ωx分別為其對應的角速度。

圖2（a）

工況一

當車輛在平路行駛，且車輛前后輪胎滾動半徑一致，理論上此時分動器前后輸出軸轉速相等，即ωa=ωb，此時行星輪c無自轉，即△ω=0，設此時行星輪上A、B、C三點的線速度分別為VA、VB、VC，有：

則ωa=ωb=ωx

即，此時差速器行星齒輪無自轉，此時行星輪c上A、B兩點的受力

FA=FB=

設行星架x受到輸入的扭矩為Tx，則有

Tx=FC·rx=FC·；

設前輸出軸連接的太陽輪a的扭矩Ta，則有

Ta=FA·ra=FC·

設后輸出軸連接的內齒圈b的扭矩Tb，則有

Tb=FB·rb=FC·

則Ta/Tb=ra/rb=Za/Zb

如VG2000分動器，其差速器參數如下表，該分動器的前后輸出扭矩比。

表1 VG2000分動器差速器參數

工況二

工況一實際上只存在于理論中，在實際車輛運行中，前后車軸路面的差異、車輪輪胎磨損不同、胎壓差異必然會導致分動器前后輸出軸的轉速存在差值。此時由于前后輸出軸存在轉速差，行星輪將會自轉以保證機構運行。

以兩軸車分析該工況，假設在輪胎等氣壓狀態下，后軸軸荷大于前軸軸荷，則輪胎滾動半徑R前滾＞R后滾，此時車輛會出現前軸輪胎滑轉，后軸輪胎滑移的運動趨勢。地面會對前后車軸輪胎產生沿地面切線方向的力F0，該力將通過分動器輸入、輸出軸，即通過太陽輪與內齒圈作用于行星輪上，在A、B兩點產生力△F，該力使行星輪產生自轉，設自轉角速度為△ω。由于行星輪自轉，在A、B兩點的線速度將會產生差異△V。

△V=△ω·rc=△ω·

rc為行星輪半徑。

此時，

VA= ra·ωx-△ω·

VB=rb·ωx+△ω·

則有：

其中p為行星齒輪特性參數

則太陽輪與內齒圈的角速度增量分別為：

整理（3）、（4）得：

由（5）可知，分動器前輸出軸增量△ωa是分動器后輸出軸增量的-p倍，為恒定值，這樣就避免了車輛行駛中出現的輪胎滑移或滑轉情況，避免傳動系統功率循環，保證輪胎純滾運動。

由（1）、（2）兩式可得：

公式（8）為2Z-X型差動行星齒輪的運動學方程，變換后得：

由（9）可知，分動器差速器的輸入轉速與前后軸額輸出轉速之間擁有恒定的關系，該關系與差動行星齒輪的特性參數有關。

工況三

通過工況（二）的分析，裝配有差動行星齒輪差速器的分動器的輸入、輸出轉速存在恒定的比例關系，當車輛行駛在附著力良好路面的時候是沒有問題的，但是當車輛某一根驅動軸車輪陷入泥水等低附著路面時，對車輛的脫困行駛是極不利的。

根據結論（9），當前軸車輪陷入泥水中或懸空時，由于差速器的作用，處于良好附著路面車軸的車輪將原地不動，即ωb=0，此時前軸將以（1+p）ωx的速度滑轉，無法發揮車輛牽引力，造成車輛停駛。

所以裝配有差動行星齒輪差速器的分動器一般都配有差速鎖。VG2000系列分動器配有強制鎖止式差速器，如圖1（b）（5）所示，該差速鎖采用氣動操縱，通過花鍵嚙合使太陽輪a與行星架x剛性的連接在一起，此時，整個差速器構結合為一個剛性連接體。此時分動器前后軸輸出的力矩將會根據前后軸荷以及前后軸輪胎所處的地面附著系數進行分配。

假設車輛前軸驅動輪行駛在低附著系數μmin路面，后軸驅動輪行駛在高附著系數μ的路面。

當差速鎖不鎖止時，汽車能提供的最大牽引力為：

當分動器差速鎖鎖止時，汽車能提供的最大牽引力為：

其中G1為第一驅動軸負荷，G2位第二驅動軸負荷。

可見，差速鎖鎖止可以充分利用地面附著系數良好的驅動輪，使車輛脫困。

3 結論

通過對分動器差速器各傳動齒輪的運動和受力分析，明確了分動器的扭矩分配原理和差速原理，為分動器在整車的匹配和使用奠定了基礎。

[1] 饒振綱.行星齒輪傳動設計.[M]化學工業出版社.第二版,2014.05.

[2] 王望予.汽車設計.[M]機械工業出版社.[M]第4版,2004.08.

[3] 劉豫徽,吳社強.帶軸間差速器的分動器特性分析,[M]專用汽車.2000年第2期.