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和類型，并以托森差速器和變傳動比限滑差速器分析了兩者的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，提出了變傳動比差速器的幾種新形式，在此基礎上對兩種差速器進行了對比分析和前景展望。

關鍵詞：限滑差速器 托森差速器 變傳動比

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（c）-0085-02

1 限滑差速器概述

差速器是汽車驅(qū)動橋的重要零部件之一，如圖1所示，其相當于一個扭矩分配器，將輸入扭矩傳遞給左右兩個驅(qū)動半軸，并允許兩個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)定傳導動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，根據(jù)兩側(cè)車輪車速進行差速運轉(zhuǎn)，為兩側(cè)車輪提供動力，保證車輪的不等距行駛。

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

普通的差速器只能滿足上述前兩種情況，而對于情況三，當一側(cè)車輪陷入打滑路面時，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短板。隨著汽車領域的不斷發(fā)展，機械行業(yè)對差速器的研究也越來越多，為彌補傳統(tǒng)差速器的不足，限滑差速器應運而生，并在越野車輛上得到廣泛應用。

限滑差速器是對普通差速器的一種改進，是指其兩側(cè)的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速差值可在一定范圍內(nèi)波動，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)動力的新型差速器。目前，限滑差速器主要有主動控制式、被動控制式（包括轉(zhuǎn)矩感應式和轉(zhuǎn)速感應式）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，主要是各種手動差速鎖[1]。

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

主動控制式是基于被動控制差速器建立的一種可控制式差速器，主動控制式差速器可以根據(jù)車輪和路面的接觸情況對轉(zhuǎn)矩進行實時控制。

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

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

2 托森差速器

托森差速器通過獨特與精巧的機械設計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)動特性來實現(xiàn)的。當轉(zhuǎn)動蝸輪時，蝸桿可被輕松驅(qū)動，反之，轉(zhuǎn)動齒輪時，卻無法驅(qū)動蝸桿，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。

當車輛直線行駛時，由于螺旋齒輪的轉(zhuǎn)軸固定在差速器外殼上，于是，外殼接收到的動力將傳遞給螺旋齒輪，使螺旋齒輪跟隨外殼公轉(zhuǎn)，帶動蝸桿自轉(zhuǎn)。兩側(cè)的驅(qū)動輪將以相同的速度進行旋轉(zhuǎn)，特別注意，此時兩支螺旋齒輪保持著相對靜止的狀態(tài)，此時的內(nèi)外結(jié)構(gòu)成為一個整體圍繞輸出軸穩(wěn)定傳動。

當車輛轉(zhuǎn)彎（右轉(zhuǎn)）時，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，左側(cè)車輪帶動左側(cè)蝸桿加速旋轉(zhuǎn)，對應的齒輪隨之旋轉(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)蝸桿正在進行逆轉(zhuǎn)，于是，右側(cè)螺旋齒輪將會逆方向轉(zhuǎn)動。固定在兩端的同步齒輪將確保螺旋齒輪的轉(zhuǎn)速時刻相同，這便帶來了精確的等比例輪間差速。

當輪胎遇到打滑路面時，打滑一側(cè)的車輪開始空轉(zhuǎn)，螺旋齒輪的轉(zhuǎn)速也會立即升高，借助同步齒輪，另一側(cè)齒輪會將高轉(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)動蝸桿），于是整個機構(gòu)被卡死。左右側(cè)車輪回歸到相同的驅(qū)動速度，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。

由于扭矩負載考慮，通常會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時間，而托森的全時嚙合設計做到了即便是輕微、短暫的抓地力失衡都會快速地進行鎖止。

3 變傳動比限滑差速器

近幾年，不同學者對限滑差速器的具體結(jié)構(gòu)進行了改進，其中變傳動比差速器（變速比差速器）就是限滑差速器的一種改進形式。改進后的變傳動比差速器可以在行星輪整圈區(qū)間內(nèi)根據(jù)實際情況來確定傳動比變化規(guī)律，依靠變傳動比傳動的勢壘效應來增大鎖緊系數(shù)，并且不改變驅(qū)動橋總體結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)差速，改變了普通差速器在打滑路面無法傳導動力的窘境。同時，限滑差速器傳動比變化幅度小、變化周期短的問題通過變傳動比差速器也得到了進一步解決。

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

文獻[3]中賈巨民提出了一種新的傳動形式，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比的變化幅值（達到±40%），這種新的傳動形式可以獲得最大的傳動比變化范圍，從而獲得大的鎖緊系數(shù)，試驗結(jié)果表明，理論和實際鎖緊系數(shù)可達2.33和3.15，車輛越野性能顯著提高[3]。

文獻[4]中張學玲提出了一種新型非圓行星齒輪差速器，通過傳動的變速比效應自動調(diào)整輸出轉(zhuǎn)矩分配，實現(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)，設計出多種差速器傳動方案供選擇，在某車型的差速器樣機中已經(jīng)完成了實驗，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[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)行星齒輪實現(xiàn)均載，可以實現(xiàn)兩輸出軸扭矩變比例分配，相當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 對比分析

托森差速器在實現(xiàn)差速過程中沒有時間上的延遲，反應快，在需要實現(xiàn)差速時，驅(qū)動輪產(chǎn)生扭矩差，托森差速器能夠在短時間內(nèi)迅速響應，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)應用較少。

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

5 結(jié)語

本文分析了差速器普遍需要解決的現(xiàn)實問題，給出了限滑差速器的分類，并以托森差速器和變傳動比限滑差速器為例進行了結(jié)構(gòu)分析和原理說明，最后對兩種限滑差速器進行了對比分析，相信隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車差速器的設計研發(fā)也將得到進一步的發(fā)展。

參考文獻

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

[2] 王小椿，吳序堂，彭煒.高性能變傳動比差速器的研究[J].西安交通大學學報，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].機械工程，2012，23（23）：2844-2847.

[4] 張學玲，賈巨民，柴樹峰.越野車雙聯(lián)非圓行星齒輪差速器的設計[J].機械傳動，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].中國機械工程，2012，23（3）：60-63.