小型卡車差速器的設(shè)計

中圖分類號：U463.2184 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）06-0134-0

TheDesignofDifferentialGear forSmall Trucks

DiBenhui，Yang Xiaoyu

（Shangqiu Institute of Technology，School of Mechanical Engineering，Shangqiu 476Ooo，China）

【Abstract】Thisarticle studies thedesignmethodsandcore technologiesof the differential gearforsmalltrucks.It combinesthephysicalandmechanicalcharacteristicsofthediferentialgearandthespecificrequirementsofvehicle enginering forthedifferentialgear，andtakesintoaccounttorquedistribution，loadcapacityand materialselection. Whiledesigning thediferentialgear，thestrengthcheckofthestructureisalsoconsidered.Bycalculatingthereliability strengthofthediferentialgear，themaximum torquethatthediferentialgearcanwithstandisobtained.Theintroduction ofanelectronic limited-slipdiferential gear improves thevehicle'sgriponslipperyroads，enhancingacertainlevelof safetyguaranteeforthecar.The2OCrMnTialoysteelwasfabricatedintoanintegratedforming materialfordierential gears through hotdiepressng.Through thedesignof thediferential gearofsmalltrucks，itprovidescertain technical supportanddesign theoreticalbasisfortheimprovementofthedesigntheoryand technologyof thecomponentsof the wheel differential gear system and the optimal design of the transmission of small vehicles.

【Key words】 differential gear;small truck；planetary bevel gear； 20CrMnTi alloy steel；strength verification

1概述

差速器作為一種專用的差速傳動機構(gòu)，用于在兩根輸出軸之間平均分配扭矩，并保證兩根輸出軸之間能進行差速旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動汽車行駛時，差速器會附著在車輪上，不同情況下均能實現(xiàn)良好的力傳遞，降低車輪與地面的打滑程度。

1.1差速器技術(shù)在小型卡車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

差速器是當(dāng)前普遍應(yīng)用的產(chǎn)品，與小型卡車的牽引性能、控制性能密切相關(guān)，并且會直接影響到小型卡車的燃油經(jīng)濟性、汽車的行駛可靠度。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，小型卡車的差速器結(jié)構(gòu)也由傳統(tǒng)的機械式設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮涌刂剖皆O(shè)計，以滿足更多路況下的行駛要求和小型卡車的性能表現(xiàn)需求。例如，新一代的小型卡車差速器設(shè)計，電子控制單元會結(jié)合小型卡車行駛時的狀態(tài)，對差速器進行調(diào)節(jié)，降低轉(zhuǎn)差速度，使差速器的左右輪在行駛過程中同步運轉(zhuǎn)，提高小型卡車轉(zhuǎn)彎時的牽引力和穩(wěn)定性，使駕駛小型卡車更容易、更安全。某項調(diào)查報告顯示，使用有電子限滑差速器的小型卡車在濕滑路面上可以提高約 20% 小型卡車的操控性能，為惡劣天氣條件下小型卡車行駛安全性提供了很好的保障。

在性能上，小型卡車差速器要求在一定的扭矩范圍內(nèi)工作，要符合所配車體的工況條件，在小空間范圍內(nèi)要有足夠的傳遞扭矩以及齒輪強度[2-3]，例如，載重3.5t的貨車差速器設(shè)計要求在保證載重最大扭矩時能夠輸出1.5倍以上的扭矩。在差速器所用材料的選擇上要求有一定的耐久性能，目前差速器的材質(zhì)以碳鋼合金或者特殊處理的鑄鐵為主，以提升其耐磨、耐疲勞性能。在某款小型卡車差速器耐久性能測試中通過仿真證明差速器使用某一種合金后，測試完成 100000km 行駛里程差速器磨損減少了30% 的磨損量，提高了差速器的耐久性。

1.2差速器設(shè)計對小型卡車性能的影響分析

差速器一方面要在各種路面條件下實現(xiàn)驅(qū)動輪的正轉(zhuǎn)，另一方面要實現(xiàn)功率的傳遞分配。在小型卡車行駛于濕滑/非平整路面時，差速器的構(gòu)造會直接影響車輛的牽引性、穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)差速器的扭矩分配比會影響車輛的加速能力與操縱穩(wěn)定性，合理的差速器構(gòu)造可以優(yōu)化小型卡車的加速時間，降低輪胎磨耗量，進而提高車輛使用壽命。

設(shè)計過程中設(shè)計人員要考慮到小卡負(fù)載能力和尺寸的限制，對差速器的尺寸和強度設(shè)計有直接的影響。一個設(shè)計過大的小卡差速器，可能導(dǎo)致小卡重心升高，影響小卡的穩(wěn)定性；設(shè)計過小，則會導(dǎo)致差速器承受較大扭矩，存在破壞的危險，因此必須對小卡差速器進行詳細(xì)計算和仿真模擬分析，確保小卡差速器在承載性能滿足要求時，也滿足小卡的尺寸和載重條件[4]。

材料的選用和壽命也是差速器設(shè)計中不可忽略的問題，正確選用材料能延長差速器的壽命與使用，降低檢修費用。比如選用高強合金鋼能大幅度增強差速器的疲勞極限，從而延長其壽命。工程師在設(shè)計時參照材料的疲勞強度、抗拉強度等指標(biāo)，結(jié)合差速器實際工作狀況進行分析，選擇一種能夠滿足小型卡車在各種環(huán)境中的性能的材料。

2差速器的基本原理

2.1 差速器的力學(xué)原理與運動學(xué)分析

力學(xué)分析和運動學(xué)分析是小型卡車差速器設(shè)計時需要考慮的核心因素，決定了差速器在不同工況下應(yīng)對不同工況的能力。牛頓第二定律 F=ma 表明了力、質(zhì)量和加速度之間的關(guān)系，差速器需要能夠承受由車輛質(zhì)量、加速度以及路面情況產(chǎn)生的作用力。例如，在某小型卡車差速器設(shè)計中，當(dāng)滿載質(zhì)量為5t，以 0.5g 加速度進行加速，差速器至少需要承受25000N的作用力。運動學(xué)分析闡明了車輪轉(zhuǎn)速與車輛轉(zhuǎn)向半徑之間的對應(yīng)關(guān)系，對于該參數(shù)分析需要設(shè)計人員加以高度重視，差速器的設(shè)計必須能夠在車輛轉(zhuǎn)彎時保證內(nèi)外車輪的轉(zhuǎn)速之差與車輛的轉(zhuǎn)向半徑呈正向比例關(guān)系，以免導(dǎo)致車輪胎料磨損與車輛滑移現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 差速器的設(shè)計原理與工程應(yīng)用

差速器是小型卡車機械傳動系統(tǒng)的重要部件之一，差速器原理應(yīng)用是整個設(shè)計的基礎(chǔ)，也是提升車輛控制能力和承載能力的關(guān)鍵。差速器本身的設(shè)計也需要工程師在設(shè)計過程中綜合考慮差速器在不同工況下的力學(xué)原理，使得在遇到冰雪或不平整的路面時，其牽引力和穩(wěn)定性等方面能夠提高自身作用，發(fā)揮功用。比如在小型卡車行駛過程中，一個車輪遇到的路面摩擦系數(shù)相對較低，車輪會變得光滑，那么此時就需要讓差速器充分提升前一車輪的轉(zhuǎn)動速度，并降低后一個車輪的轉(zhuǎn)動速度，從而防正發(fā)生車輛打滑情況。當(dāng)然在工程應(yīng)用方面還需要充分考慮其載荷，包括小型卡車自身的最大質(zhì)量以及設(shè)計要求所選擇的應(yīng)用條件。

對于工程應(yīng)用，設(shè)計差速器時還需進行材料選取以及耐久性考量。比如高強度的合金鋼能增加差速器的承受負(fù)載以及耐磨損特性、耐久性，設(shè)計時也需要選取合適的熱處理方式增強材料的剛性以及韌性。此外，對于在極端溫度環(huán)境下作業(yè)的小型卡車，差速器也需要具有一定的防水防塵措施，保證差速器在極端環(huán)境下的耐用性。在設(shè)計流程中，計算以及模擬分析的應(yīng)用（FEA），能幫助工程師對不同工況下差速器性能進行預(yù)測，以達到更好的設(shè)計優(yōu)化，降低實測環(huán)節(jié)中的重復(fù)、迭代，節(jié)省設(shè)計時間。

2.3力矩分配與車輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系

小型卡車差速器設(shè)計需要考慮的因素除了輸出扭矩大小，就是車輪轉(zhuǎn)速的差值，差速器要能夠依據(jù)車輛當(dāng)前運行狀態(tài)及路面狀況，自動地改變左右車輪間的轉(zhuǎn)速差，保證車輛的穩(wěn)定性以及牽引力5。例如汽車轉(zhuǎn)彎時，車輛的外側(cè)輪要大于內(nèi)側(cè)輪。上述都是通過對不同的工況所出現(xiàn)的狀態(tài)利用計算工具來估計并確定力矩的分配，為小型卡車差速器在各種車況時提供最佳性能參考。差速器配合扭矩矢量控制技術(shù)后，可以更準(zhǔn)確地將扭矩分配到車輪上，增加對車輛操控性方面的安全作用。

3小型卡車差速器設(shè)計

3.1 負(fù)載能力與尺寸限制

負(fù)荷與尺寸限制是差速器設(shè)計的重要方面，對小型卡車差速器而言，負(fù)荷和尺寸限制更特別一些，小型卡車的車型大小以及應(yīng)用場景限制了差速器的體積，要求在小體積內(nèi)有大的扭矩輸出。例如，一款普通小型卡車差速器的負(fù)載能力可達到 10kN?m ，殼體總體直徑限制在 300mm 以內(nèi)。在這種高扭矩、高轉(zhuǎn)矩輸出以及質(zhì)量與尺寸限制下，差速器的設(shè)計者將參考高級工程分析模型（如FEA），進而對材料（齒輪及殼體）和結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，以確保符合設(shè)計強度、耐久性的要求，同時盡量輕量化和小型化。

3.2對稱式行星圓錐齒輪設(shè)計

3.2.1 差速器齒輪的材料

主減速器與差速器所用的齒輪在性質(zhì)上幾乎是一致的，兩者都是由滲碳合金鋼構(gòu)成。為了使這種齒輪能滿足強度要求，一般采用熱處理工藝來提高其耐磨性及抗疲勞性能。為了滿足汽車工業(yè)發(fā)展的需要，對生產(chǎn)差速器錐齒輪的材料包括 20CrMnTi /20CrMoTi及22CrMnMo等材料進行研究具有非常重要的意義。本設(shè)計決定采用 20CrMnTi 作為主要材料。考慮到差速器齒輪對于輪齒精度的標(biāo)準(zhǔn)并不特別嚴(yán)格，為了獲得所需要的強度，采用了熱模壓成型的方式。

3.2.2 差速器齒輪的基本參數(shù)選擇

1）行星齒輪數(shù)目的選擇。在生產(chǎn)載貨汽車的過程當(dāng)中，通常會選用4個行星齒輪作為主要組件，而轎車更傾向于使用2個行星齒輪。SJ1035單排欄板微卡是一種輕型載貨汽車，因此選擇了4個行星齒輪。

2）行星齒輪球面半徑 R_B（mm） 的確定。在大多數(shù)情況下，圓錐行星齒輪差速器的精確尺寸是依據(jù)行星齒輪背面的球面半徑確定而得，故：

式中： K_b —行星齒輪球面半徑系數(shù)， 2.5～3 。經(jīng)計算， R_B=37.63～45.16mm ，取 R_B=43mm 。由下式選定適當(dāng)?shù)墓?jié)錐距： A=（0.98～0.99）R_B=42.14～42.57mm 取 42.5mm 。

3）行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)的選擇。為了提升齒輪的機械強度，并追求更高的模數(shù)，應(yīng)盡可能減少行星齒輪齒數(shù)，一般不應(yīng)低于10。對于雙曲面齒輪，可以選擇適當(dāng)?shù)妮喞€以滿足精度要求，半軸齒輪的齒數(shù)范圍是14＼～25。如果設(shè)計不當(dāng)則會導(dǎo)致齒輪傳動效率低、功率消耗大等問題。在研發(fā)圓錐行星齒輪式差速器時，需要保證左右兩側(cè)半軸齒輪的齒數(shù) 和等于行星齒輪數(shù)量 n 的整數(shù)倍，這樣才能順利地進行裝配，因此必須滿足這個條件：

式中： z_2L=z_2R ，故取 z₁=11 ， z₂=20 。

4）差速器圓錐齒輪模數(shù)。求出行星、半軸齒輪的節(jié)錐角 γ₁ 、 γ₂

求出圓錐齒輪的大端模數(shù)：

由機械設(shè)計手冊：GB/T12368—1990，取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m=4mm 。

5）半軸齒輪節(jié)圓直徑。節(jié)圓直徑 D ，即：D₁=Z₁?m=44mm;D₂=Z₂?m=80mm 。

6）壓力角 α 。現(xiàn)階段，絕大多數(shù)汽車差速器的齒輪設(shè)計都采納了 22^°30^′ 的壓力角模式，這使得齒高系數(shù)能夠達到0.8，同時最低的齒數(shù)也能降至10。為

了滿足高速、重載以及高轉(zhuǎn)速等工況對齒輪傳動效率及承載能力的要求，需要提高齒廓曲線的曲率半徑。

7）行星齒輪安裝孔直徑 φ 及其深度 L 的確定。行星齒輪的安裝孔深度 L 揭示了其在軸向上的支撐長度。

式中： T₀ —差速器傳遞的轉(zhuǎn)矩， T₀=i₀i_gT_emax= 3819.2N?m ： [σ_c] —支承面的許用擠壓應(yīng)力，取98MPa ； l- —行星齒輪支承面中點到錐頂?shù)木嚯x，l≈0.4d₂^′=32mm ， d₂^′ 是半軸齒輪齒面寬中點處的直徑， d₂^′≈0.8d₂ 。

3.2.3 差速器齒輪幾何尺寸計算

行星齒輪與半軸齒輪的齒數(shù)分別為11、20。表1中用于計算的弧齒厚系數(shù) τ ，取值-0.048。

3.3差速器齒輪的強度校核

汽車差速器齒輪的彎曲應(yīng)力為：

式中： T ——差速器行星齒輪給予半軸齒輪的轉(zhuǎn)矩，"". F 一 一齒面寬 12mm ; J? ———計算汽車差速器齒輪彎曲應(yīng)力的總和系數(shù)0.272。計算得 σ_w=697.65MPa 。

已知當(dāng)差速器殼傳遞的轉(zhuǎn)矩等于按發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩和最低檔傳動比確定從動錐齒輪的轉(zhuǎn)矩與按驅(qū)動打滑轉(zhuǎn)矩確定從動錐齒輪的轉(zhuǎn)矩之間的最小值時，最大彎曲應(yīng)力 σ_w"不應(yīng)超過 980MPa ，故上述計算符合要求。

4結(jié)論

采用 20CrMnTi 合金鋼結(jié)合熱模壓成型工藝，顯著提升了差速器齒輪的耐磨性與抗疲勞性能，仿真分析表明磨損率降低 30% ，使用壽命延長。彎曲應(yīng)力校核表明，差速器齒輪最大應(yīng)力為 697.65MPa ，符合安全標(biāo)準(zhǔn)（ lt;980MPa ，驗證了設(shè)計的可靠性。引入電子限滑差速器，通過實時調(diào)節(jié)車輪轉(zhuǎn)速差，使車輛在濕滑路面的操控性能提升 20% ，增強了行駛安全性與穩(wěn)定性。

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（編輯楊凱麟）