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防滑差速器的应用研究 摘要 防滑差速器是对普通差速器的革新与改进，它克服了普通差速器只能平均 分配扭矩的缺点，可以使大部分甚至全部扭矩传给另外一个不滑转的驱动轮， 以充分利用这一驱动轮的附着力而产生足够的牵引力，大大提高了汽车在双附 着系数路面上的动力性和通过性，显著改善了汽车操纵稳定性。有效地提高了 汽车行驶安全性，是普通差速器的理想替代产品。 本文对汽车差速器与防滑差速器的优缺点作了较为详细的比较分析，介绍 了国内外防滑差速器的应用发展现状。在总结楣关资料的基础上，对防滑差速 器的原理和分类情况作了分析，通过分析和比较各种防滑差速器的优缺点，最 终选择了一种预压弹簧摩擦片式防滑差速器作为某s u v 车型的后桥差速器。建 立了各种防滑差速器防滑性能的数学计算模型。对该防滑差速器壳体在j 种不 同工况下进行了有限元分祈，分析结果表明，该防滑差速器壳体的强度和刚度 是足够的。根据现有的条件和实际情况，分析研究了防滑差速器的各种试验方 案，从中确定了一种试验方案，并且对该试验方案进行了详细地设计分析。 关键词：防滑差速器有限元试验应用分析 s t u d yo na p p l i c a t i o no fl i m i t e ds l i pd i f f e r e n t i a l a b s t r a c t l i m i t e ds l i pd i f f e r e n t i a li si m p r o v e da c c o r d i n gt oc o - - o nd i f f e r e n t i a l n o th a v i n gt h e c o m m o n d i f f e r e n t i a l sd i s a d v a n t a g eo fd i v i d i n gt h et o r q u ei n t ot w oe q u a lp a r t s ，l i m i t e ds l i p d i f f e r e n t i a lc a l lg i v em o s tt o r q u eo re v e na i lt o r q u et oa n o t h e rd r i v i n gw h e e lw h i c hi sn o t r e v o l v i n gi no r d e rt om a k eu s eo ft h ef r i c t i o no ft h i sd r i v i n gw h e e lt op r o d u c ee n o u g h t r a c t i o n t h i sw i l lg r e a t l yi n c r e a s et h ed y n a m i c a lc a p a b i l i t y , t h e p a s s i n gc a p a b i l i t y , t h e s t a b i l i t ya n d t h es a f e t y o f a u t o m o b i l e s o l l d i f f e r e n t f r i c t i o n r o a d s s o l i m i t e ds l i p d i f f e r e n t i a l i ss u b s t i t u t ef o rc o n l n l o nd i f f e r e n t i a l i nt h i sp a p e r , t h ea d v a n t a g ea n dt h ed i s a d v a n t a g eo f t h ed i f f e r e n t i a la n dt h el i m i t e ds l i p d i f f e r e n t i a la r ec o m p a r e d t h ea p p l i c a t i o no fl i m i t e ds l i pd i f f e r e n t i a l i nt h ew o r l di s i n t r o d u c e d t h ep r i n c i p l e sa n dt h et y p e so fl i m i t e ds l i pd i f f e r e n t i a l sa r ed i s c u s s e d c o m p a r e dw i t ha l lk i n d so fl i m i t e ds l i pd i f f e r e n t i a l ，t h ep r e l o a ds p r i n gf r i c t i o nd i s cl i m i t e d s l i pd i f f e r e n t i a lw h i c hi su s e da st h ea x l eb r i d g ed i f f e r e n t i a li nac e r t a i ns u vi ss e l e c t e da t l a s t t h e nt h el i m i t e ds l i pc a p a b i l i t yo ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fa l lk i n d so ft h el i m i t e d s l i pd i f f e r e n t i a li sp u tf o r w a r d t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si su s e dt oa n a l y z et h es t a t i c s t r u c t u r eo ft h es h a l lo ft h e1 i m k e ds l i pd i f f e r e n t i a l i nt h r e ed i f f e r e n tw o r k i n gi n s t a n c e s i t s h o w st h a tt h es t r e n g t ha n dt h es t i f f n e s so ft h es h e l lo ft h el i m i t e ds l i pd i f f e r e n t i a la r e s a t i s f i e d a c c o r d i n g t ot h ef a c t 。f r o ms e v e r a lk i n d so f t h el i m i t e ds l i pd i f f e r e n t i a l st e s t s ，o n et e s t i sd e c i d e da n dt h ea n a l y s i so f t h et e s ti se x p o u n d e d k e y w o r d s ：l i m i t e ds l i pd i f f e r e n t i a l f i n i t ee l e m e n t t e s t a p p l i c a t i o na n a l y s i s 插图清单 图1 1美国国家专利局有关防滑差速器的专利数量图 图1 2转矩感应式防滑差速器图 图1 3转速感应式防滑差速器图 图1 4主动控制式防滑差速器图 图2 1普通圆锥齿轮差速器的工作原理简图 图2 2 摩擦片式圆锥齿轮差速器的动力传递简图 图2 3差速器结构型式框图 图2 4斯堪尼亚l t l l 0 型汽车的强制锁止式差速器图 图2 5摩擦片式白锁差速器图- 图2 6预压摩擦片式防滑差速器图 图2 7滑块凸轮式轴间差速器图 图2 8牙嵌式自由轮差速器图一 图2 9 托森差速器的结构图 图2 1 0托森轴间差速器工作原理图 图2 1 1粘性联轴器结构图一 图3 1预压弹簧摩擦片式防滑差速器图 图4 1无压紧机构摩擦片式防滑差速器图 图4 2预压弹簧摩擦片式防滑差速器图 图4 _ 3差速器壳v 形面压紧摩擦片式防滑差速器图 图4 4压盘v 形面压紧摩擦片式防滑差速器图 圈4 5弹簧+ 差速器壳v 形面压紧摩擦片式防滑差速器图 图4 6弹簧+ 压盘v 形面压紧摩擦片式防滑差速器图 图4 7滑块一凸轮式防滑差速器图 图4 8蜗轮式防滑差速器图 图5 1防滑差速器壳体有限元模型图 图5 2防滑差速器壳体在工况l 下的载荷和约束图( 4 4 ) 图5 3防滑差速器壳体在工况2 下的载荷和约束图( 4 4 ) 图5 4防滑差速器壳体在工况3 下的载荷和约束图( 4 4 ) 图5 5防滑差速器壳体在工况l 下的位移图( 4 4 ) 图5 6防滑差速器壳体在工况2 下的位移图( 4 x 4 ) 图5 7防滑差速器壳体在工况3 下的位移图( 4 4 ) 图5 8防滑差速器壳体在工况l 下的位移图( 4 2 ) 圈5 9防滑差速器壳体在工况2 下的位移图( 4 2 ) 图5 1 0防滑差速器壳体在工况3 下的位移图( 4 2 ) t 一 图5 1 l防滑差速器壳体在工况1 下的应力图( 4 4 ) oq弓噶n挖”：2碍加”孙卯”如弛”m舛”钙钉钾钾镐m郴 | i 一 | ； | ； | ； | ； ；| | | 一 三燕：一|三一：一一三三三三三黑 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 防滑差速器壳体在工况2 下的应力图( 4 4 ) 一 防滑差速器壳体在工况3 下的应力图( 4 4 ) ” 防滑差速器壳体在工况1 下的应力图( 4 2 ) 防滑差速器壳体在工况2 下的应力图( 4 2 ) - 防滑差速器壳体在工况3 下的应力图( 4 2 ) 装车试验图” 开式驱动桥综合试验台示意图 开式驱动桥综合试验台图 开式差速器性能试验台图 开式差速器性能改进试验台图 闭式驱动桥综合试验台图 防滑差速器性能试验台图 - t 4 9 4 9 - 4 9 - 5 0 - 5 0 r 5 5 - 5 6 5 7 - 5 7 - - 5 8 5 9 - 6 1 表格清单 表5 1 左、右半轴分配转矩t l 、t 2 计算公式表 表5 2 左、右半轴分配转矩t l 、t 2 数值表 表5 3 工况下载荷的计算结果表( 4 4 ) 表5 4 工况下载荷的计算结果表( 4 2 ) 表5 5 壳体最大位移和最大应力表 表6 1试验方案的比较表 4 l 4 5 4 5 4 5 4 6 6 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 盒胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：毛南凄签字日期：伽。年月明 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅和借阅。本人授权金b 王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：毛音； 签字目期；o n 拓啦月、v 日 学位论文作者毕业后去向 l 作单位： 通讯地址： 导师签名 磷i 手 签字日期：如毛年崞月扭日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在我尊敬的导师一一钱立军教授的悉心指导下完成的。他的渊博 的学识和丰富的实践经验以及解决分析问题的思路，严谨的治学态度，使我永 远受益，终生难忘。在此论文完成之际。对他在我的研究生学习阶段给予的学 习和生活上的关心和帮助表示我衷心的感谢。另外我还要感谢马恒永教授、徐 建中高工那严谨求实的科学态度使我受益匪浅、终生难忘。在我的整个研究生 学习期间，钱老师在学习上对我严格要求，不断督促我的进步，对我的个性的 缺点及对指正，帮助我成长。我从导师这里不仅学到了丰富的科学知识，更重 要的是学到了一份锲而不舍的钻研精神、一份对事业对生活的态度，所有这些 都将是我人生路上的宝贵财富。对此，我再一次向钱老师表示诚挚的谢意。 在论文和课题的工作过程中，得到了马恒永教授、徐建中高工、谭继锦副 教授等教研室老师的各方面的指点和帮助。另外还得到了江淮车桥有限公司有 关技术人员的帮助，在此一并表示感谢。 感谢徐杨、孙习武等同学在我的论文完成期间所给予的帮助。 最后，感谢我的家人，感谢他们对我精神上和物质上的支持。 作者：毛啸滇 2 0 0 6 年3 月 第一章绪论 1 1 差速器 汽车行驶过程中，车轮与路面存在着两种相对运动状态：即车轮沿路面的 滚动和滑动。滑动将加速轮胎的磨损。增加转向阻力，增加汽车的动力消耗。 因此，希望在汽车行驶过程中，尽量使车轮沿路面滚动而不是滑动，以减少车 轮与路面之间的滑磨现象。 当汽车转弯行驶时，内外两侧车轮在同一时问内要移动不同的距离，外轮 移动的距离比较大。若两轮用一根轴刚性连接，即两轮只能以同一转速转动， 则两轮要在同一时间内移动不同距离，必然是边滚动边滑动。 若两侧驱动轮用一根轴剐性连接，即使汽车在平路上直线行驶，也难以避 免车轮与路面滑磨现象。这是因为轮胎制造中的误差、轮胎气压的差别和磨损 的不均匀等都可能引起两个车轮半径不相等。两个半径不等而用一根轴驱动的 车轮，要沿直线运动，即要求在同一时间内左右轮轴心移动相同距离，则必然 两个车轮要边滚动边滑动。 即使两轮半径可以认为是相等的，但沿凹凸不平的道路行驶，两轮在同一 时间内其轴心移动的距离不一样，若用一根轴刚性连接左右两轮，则仍然要产 生滑磨现象。 由上述可知，为了使车轮相对路面的滑磨尽可能地减少，同一驱动桥的左 右两侧驱动轮不能由一根整轴直接驱动，而应由两根半轴分别驱动，使两轮有 可能以不同转速旋转，尽可能地接近于纯滚动。两根半轴则由主传动器通过差 速器驱动。 在多轴驱动的越野汽车上，各驱动桥间由传动轴彼此相联系，各桥的驱动 轮均以相同转速转动。同样也会发生上述轮间无差速器时的类似现象。并且除 了上述由于车轮与路面滑磨引起的动力消耗增加、轮胎磨损加速之外，还在传 动系中增加了附加载荷。因此有些越野汽车在前后桥或各驱动桥之间装有差速 器一一轴间差速器，使各桥驱动轮间有以不同转速旋转的可能。 差速器是汽车驱动桥中的重要部件，其主要功能是当汽车转弯行驶或在不 平路面上行驶时，使左右驱动轮以不同的转速滚动，即保证两侧驱动轮作纯滚 动运动，并将动力分配给左右驱动轮”1 。 1 2 防滑差速器 当汽车在泥泞、砂地、冻结等路面上行驶，驱动轮与路面之间的附着条件 相差较大时，驱动轮的一个轮子将不能从滑动中脱出，由于普通差速器的“差 速不差扭”，即平均分配扭矩的特性，好路面上的车轮扭矩只得减小以与坏路面 上的车轮扭矩相等，以至总的牵引力不足以克服汽车的行驶阻力，汽车出现打 滑现象，从而严重影响了汽车的通过性。 而防滑差速器是对普通差速器的革新与改进，它克服了普通差速器只能平 均分配扭矩的缺点，可以使大部分甚至全部扭矩传给另外一个不滑转的驱动轮， 以充分利用这一驱动轮的附着力而产生足够的牵引力，大大提高了汽车在双附 着系数路面上的动力性和通过性，显著改善了汽车的操纵稳定性，有效地提高 了汽车的行驶安全性是普通差速器的理想替代产品。因此，舫滑差速器首先 在越野汽车、中型和重型汽车、多功能汽车、工程机械以及拖拉机等车辆上得 到广泛应用，近年轿车和商务车也有采用了。 1 3 国外发展现状”1 1 3 1 近年来汽车防滑差速器的应用情况 最初防滑差速器多用在越野车或工程机械上，但随着人们出行和运输的需 要，人们对汽车性能的要求也越来越高，因此防滑差速器的应用也就日益广泛， 装车率也迅速提高。当前，越来越多的越野车、跑车、高级轿车及大货车，开 始提供防滑差速器作为选装件。在形式上，转矩感应式、转速感应式、主动控 制式三种防滑差速器均有应用。如兰伯基尼的魔鬼g t 型车上装粘性式防滑差 速器；保时捷9 1 1 g t 3 型跑车、尼桑总统、尊爵、宝马m 3 跑车及国内生产的 长丰猎豹v 6 3 0 0 0 、开拓者s u v 运动型多功能车均采用机械式或电子控制式防 滑差速器。这是因为随着人们对防滑差速器认识的深入，人们发现防滑差速器 不仅可以改善汽车在坏路面上的通过性，而且防滑差速器对汽车的安全性、操 纵稳定性及平顺性都有很大的改善作用。防滑差速器技术正在成为人们提高汽 车性能的一项薪技术。作为汽车驱动防滑控制系统的一种重要实现方式，防滑 差速器凭借其优越的性价比和广泛的市场前景而特别受到开发厂商的重视。 1 3 2 防滑差速器国外研究现状 国外对防滑差速器的研究开发比较早，早在2 0 世纪6 0 年代，为提高赛车 的动力性和操纵稳定性，已有采用防滑差速器的例子。 图1 1 是美国国家专利局有关防滑差速器的专利数量。 从图1 1 中可以看出，进入2 0 世纪9 0 年代以来，有关防滑差速器的专利 数量有大幅度的提高，这说明国外对于防滑差速器的研究非常重视，也非常深 入。 2 1 2 0 1 8 0 专 嗣 耋 _ d o 3 b 垤萱 1 3 3 国外防滑差速器 目前，国外的防滑差速器种类品种多样，性能优良。根据差动限制转矩的 产生机理可以分为以下三种方式：转矩感应式、转速感应式和主动控制式。 ( 1 ) 转矩感应式防滑差速器 根据输入转矩决定差动限制转矩的方式，从实现机构上可分为外螺旋式防 滑差速器和多片摩擦式防滑差速器。多片摩擦式防滑差速器应用较广，它是依 靠湿式多片离合器产生差动转矩，有转矩比例式、预压式及转矩比例式加预压 式三种形式。在日本，转矩比例加预压式的装车率最高，它是依靠小齿轮轴两 端的凸轮机构使压圈扩张。从而使设在半轴齿轮与差速器之间的湿式多片离合 器产生摩擦力。但是前述机构在单侧齿轮仍然滑转的情况下，对半轴齿轮的驱 动转矩也明显减小，所以用碟形弹簧给湿式多片离合器施加预压。典型产品有 机械摩擦片式、锥盘式、蜗轮式等，如图1 2 所示。 ( a ) 机械摩擦片式( b ) 锥盘式 ( c ) 蜗轮式 图1 2 转矩感应式防滑差速器图 ( 2 ) 转速感应式防滑差速器 这是一种差动限制转矩随着转速差的增加而增加的防滑差速器，被广泛应 用的是粘性装置的防滑差速器。一旦产生转速差就可以依靠硅油的粘度、填充 率、片的直径、件数等多种设计参数的不同而产生不同的防滑作用。该种防滑 差速器工作平滑，能很好地提高驱动、转弯、制动等诸性能的均衡，并且也可 应用于前轮驱动车或后轮驱动车上。典型产品有粘性联轴式、g e r o d i s c 式等， 如图1 3 所示。 ( a ) 粘性联轴式( b ) g e r o d i s e 式 图1 3 转速感应式防滑差速器图 ( 3 ) 主动控制式防滑差速器 这是一种用电子装置控制最大差动转矩的防滑差速器，可以使两侧驱动轮 获得最佳驱动附着效果。这种装置在奔驰车或波尔舍车上均有应用。其构造同 前述的多片摩擦式相似，其特征是可由外部控制湿式多片离合器的压紧力，因 此在差速器罩壳上设有油压活塞。由于活塞上的油压由外部调节阀控制，所以 能获得任意的最大差动限制转矩。虽然其技术难度比较大，成本比较高，但是 以其优越的性能，在国外的汽车上得到了广泛的应用。典型产品有电磁控制式、 电子控制式等，如图1 4 所示。 ( a ) 电磁控制式 图1 4 主动控制式防滑差速器图 ( b ) 电子控制式 1 3 4 国外防滑差速器的应用概况 防滑差速器是提高汽车性能的一项新技术，在国际汽车界得到了越来越广 泛的应用。目前，国外广泛使用电控防滑差速器，它有助于提高汽车的动力性、 操作稳定性、通过性、安全性、平顺性等。 1 4 国内概况 1 4 1 防滑差速器在国内的应用 与国外相比，国内的防滑差速器研究起步较晚，尚无自主产品问世。应用 比较广泛的都是一些机械式的，比如用于大众高尔夫轿车上的摩擦片式自锁差 速器、用于中型和重型汽车上的牙嵌式自由轮差速器、用于奥迪8 0 和奥迪9 0 轿车上的托森差速器、用于高尔夫一辛克罗型轿车上的粘性联轴差速器等等， 但是电予控制式防滑差速器却几乎没有应用。在这一点上，我国和国外的差距 比较明显。 1 4 2 开展防滑差速器应用研究的紧迫性 我国幅员辽阔，地理和道路条件复杂，在各种路面条件下均可获得良好行 驶性能的装有防滑差速器的汽车非常适合我国的道路条件。此外，随着我国人 民物质生活水平的提高，以及对汽车安全性认识的提高，对于冰雪路面、坡路 面较多的地区装防滑差速器的汽车以其良好的通过性和安全性得到了人们的 重视。我国的轻型货车、微型车及高级轿车保有量很大，而且年需求量也相当 大。由于工作环境、运输效率等的因素，这些车型迫切需要加装防滑差速器， 以提高汽车的动力性、通过性及安全性。 从我国汽车工业发展情况来看，由于我国汽车工业起步较晚，技术相对落 后，虽然有着良好的发展势头，但是车型中的关键总成一一防滑差速器的生产 却是空白一片。因此，国内汽车产品的更新换代在多方面要受制于国外，这无 疑对我国汽车工业的发展极为不利。 现在，我国已成为w t o 成员国，国内汽车市场竞争日趋激烈，同时国内 汽车业也面临着与国外汽车业同台竞争的压力。只有在价格和性能方面占优势 的产品才能在这场竞争中取胜。而加装防滑差速器对现有汽车的差速器结构改 动不必太大，自身成本低，但却能大大改善汽车的牵引性、加速性及操纵稳定 性，这无疑是极具市场竞争力的产品。 1 5 研究目的及意义 防滑差速器使汽车左右驱动轮之间驱动力得到了更好的匹配，消除了一般 汽车存在的寄生功率及由此引起的功率损失。它在大幅度提高汽车动力性与通 过性的同时，极大地改善了汽车行驶时的操纵稳定性、转向安全性及制动性等 性能，是汽车传动系中极为理想的传动装置。防滑差速器在汽车上的应用越来 越广泛，是一个有着广泛应用前景的产品。为了适应我国汽车工业的发展，迫 切需要开发适用的防滑差速器，开发适用的防滑差速器无疑将产生巨大的经济 效益和社会效益，对促进我国汽车工业的发展、增强国产汽车的产品竞争力是 非常重要的。 国外已有各种形式的防滑差速器产品，但国内非常缺少成熟的防滑差速器 配套产品，引进产品中虽也有装置了防滑差速器，但相关技术却未能引进或很 难得到引进。随着我国汽车工业发展和技术进步的要求，对于防滑差速器的开 发与应用研究项目开始提出，很多企业也有防滑差速器的开发计划。 目前关于防滑差速器方面的技术资料很少，在汽车、拖拉机、工程机械等 相关专业构造教材和引进产品的结构与维修一类图书或使用手册中只介绍了 些防滑差速器的结构和原理，即使是2 0 0 1 年以后出版的汽车工程手册、汽车设 计教材和汽车试验标准等也未涉及防滑差速器的设计计算方法和试验方法。经 文献检索，有关防滑差速器设计方面的论文仅有少数几篇，关于其试验方法研 究基本没有。 鉴此，开展防滑差速器的设计计算方法、防滑性能、试验方法及其在汽车 产品中的应用研究，具有重要的理论意义和实用价值。本课题研究所开发的防 滑差速器试验方法与防滑性能试验方案以及适用于江淮汽车集团s u v 5 0 4 产品 的防滑差速器，可供江淮汽车集团进一步开展防滑差速器的试制、试验和应用， 也可供企业开展防滑差速器系列产品的设计研究，以作为储备技术和扩大产品 6 的配套能力。 1 6 本课题研究的主要内容 本课题来源于合肥市“十五”重点科技攻关资助项目。 主要研究内容： s u v 5 0 4 防滑差速器的选型研究； 各种防滑差速器防滑性能的数学计算模型的研究： s u v 5 0 4 防滑差速器壳体的有限元分析； s u v 5 0 4 防滑差速器的试验研究。 第二章差速器的原理与分类 2 1 差速器的原理 汽车差速器的结构形式很多，用得最广泛的是对称式圆锥行星齿轮差速器， 其工作原理如图2 i 所示。1 。吼为主减速器从动齿轮或差速器壳的角速度： z ，、缸z 分别为左、右驱动车轮或差速器半轴齿轮的角速度；吗为行星齿轮绕 其轴的自转角速度。 叁 f j ：帝砥 早 印j 婚 l ， t l 凹。u ： i 釉 尹 7 a p 。p p ， i 厂 蚤 式 脊 2 i 图2 1 普通圆锥齿轮差速器的工作原理简图 当汽车在平坦路面上直线行驶时，差速器各零件之间无相对运动，则有 玎i2 22 吼 万3 = o 这时，差速器壳经十字轴以力尸带动行星齿轮绕半轴齿轮中心作“公转” 丽无自转( 吼= o ) 。行星齿轮的轮齿以p 2 力推动左、右半轴齿轮的轮齿使它们 一起绕半轴齿轮的中心旋转，而左、右半轴齿轮则给行星齿轮以p 2 的反作用 力。对于对称式差速器来说，两半轴齿轮的节圆半径r 相同，故传给左、右半 轴的转矩均等于p r 2 ，故汽车在平坦路面上直线行驶时驱动左、右车轮的转矩 相等。 当汽车转弯时，假如左右轮之间无差速器，则按运动学要求，行程长的外 侧车轮将产生滑移，而行程短的内侧车轮将产生滑转。由此导致在左、右轮胎 切线方向上各产生一附加阻力，且它们的方向相反，如图2 1 所示。当装有差 速器时，附加阻力所形成的力矩使差速器起差速作用，以免内# i - t 自0 驱动车轮在 地面上的滑转和滑移，保证它们以不同的转速万和吐正常转动。当然，若差速 器工作时阻抗其中各零件相对运动的摩擦大，则扭动它的力矩就大。在普通的 齿轮差速器中这种摩擦力很小，故只要左、右车轮所走路程稍有差异，差速器 即开始工作。 当差速器工作时，行星齿轮不仅有绕半轴齿轮中心的“公转”，而且还有绕 行星齿轮轴以角速度为矾的自转。这时外侧车轮及其半轴齿轮的转速将增高， 且增高量为码z l ( z ，为行星齿轮齿数，毛为该侧半轴齿轮齿数) ，这样，外侧半 z l 轴齿轮的角速度为： 仃l = 矾+ 吼垒 z 1 在同一时间内，内侧车轮及其半轴齿轮( 齿数为z ：) 的转速将减低，且减低量为 t d 3z _ l ，由于对称式圆锥齿轮差速器的两半轴齿轮齿数相等，于是内侧半轴齿轮 z 2 的转速为 万2 = 一叮3 垒 z l 由以上两式得差速器工作时的转速关系为： 玎i + 巧2 = 2 n r o 即两半轴齿轮的转速和为差速器壳转速的两倍。 由式仃1 + 玎2 = 2 珂。知： 当口2 = 0 时，万i = 2 矾， 当口l = 0 时，吼= 2 盯0 当吼= 0 时，万l = 一巧2 最后一种情况口。= 0 ，有时发生在使用中央制动器紧急制动时，这时很容 易导致汽车失去控制，使汽车急转和甩尾。 由于汽车转弯时行星齿轮绕其轴转动，必然有一使其转动的力矩，设为 2 a p r ( ，为行星齿轮的节圆半径) 。由图2 。l 可见，转弯时在转得较慢的一边即 内侧的半轴齿轮上，尸与州2 的方向相同；而在转得较快的一边即外侧的半轴 齿轮上，p 与尸2 的方向相反。故旋转较慢的半轴齿轮所传的转矩较大，而旋 转较快的半轴齿轮所传的转矩较小。即 9 正= ( i p a p ) r ，疋= ( i p + p p 令p r = 瓦，p r = 妥，则有 五：冬一互2 ：o 5 峨一o ) 。 2 、” 正：墨+ 互：o 5 ( t o + 0 ) 22 j7 正+ 瓦= 瓦 瓦一夏= 0 式中： z 一旋转较快的半轴齿轮上的转矩； l 一旋转较慢的半轴齿轮上的转矩； 瓦一差速器壳上的转矩； r ，一差速器元件在相对运动时所产生的摩擦力矩。 由此可见：差速器的内摩擦使驱动桥左右半轴的转矩分配改变，这有利于 改善汽车的通过性。例如当汽车的一个驱动轮由于附着力变坏而开始滑转时， 传给它的转矩就减小，而传到不滑转的车轮的转矩却相应地增大了。结果在汽 车左右驱动车轮上的总牵引力可能达到的最大数值为 e 一：2 f , 。+ 兰 式中： e 一左、右驱动车轮总牵引力的最大值； c 。一在附着力较小的车轮上的牵引力； _ 一车轮的滚动半径； l 一差速器的内摩擦力矩。 由此可见，由于差速器的内摩擦使汽车总牵引力增大了0 。但普通圆锥 行星齿轮差速器的内摩擦不大，为了提高汽车的通过性，可采用具有较大内摩 擦的高摩擦式差速器，这时在驱动车轮上的总牵引力可增加1 0 15 。 2 2 摩擦片式圆锥齿轮差速器原理“1 1 0 ( a )( b ) ( a ) 无转速差即n l = t 1 2 时；( b ) 有转速差即n l “2 时 1 一从动齿轮2 一主动齿轮3 一摩擦片4 一差速器壳5 一右半轴 6 一行星齿轮7 一半轴齿轮8 一左半轴 图2 2 摩擦片式圆锥齿轮差速器的动力传递简图 图2 2 给出了摩擦片式圆锥齿轮差速器的动力传递路线。 当汽车直行、两半轴无转速差时，传给差速器壳的转矩在左、右半轴之间 平均分配。此时转矩经两条路线传给半轴，如图2 2 ( a ) 所示。 当汽车转弯或某一侧驱动车轮滑转时，左、右驱动车轮产生转速差。此时 差速器壳的转速1 3 o 与左、右半轴齿轮的转速1 1 2 、i l l 都各不相等，如图2 2 ( b ) 所示，当n l n 2 时，则有n l n o n 2 的转速关系。由于转速差的存在和主、从动 摩擦片及推力盘被压紧。这时在左、右两侧的主、从动摩擦片、推力盘及差速 器壳之间必将分别产生摩擦力矩。其大小与这些摩擦元件间的摩擦系数及压紧 力的大小有关；而摩擦力矩的方向则与n l 与n o 或n 2 与n o 之间的相对转速有关。 不难看出：快转轮一侧的摩擦力矩方向与快转轮的旋转方向相反，故其值为负； 而慢转轮一侧的摩擦力矩方向与慢转轮的旋转方向相同，故其值为正。这种情 况犹如将部分驱动力矩白快转轮转移到慢转轮似的，使慢转轮的驱动力矩大于 快转轮的驱动力矩。这样也就提高了汽车的防滑能力。 2 3 差速器的分类 差速器的结构型式选择，应从所设计汽车的类型及其使用条件出发，以满 足该型汽车在给定的使用条件下的使用性能要求。 差速器的结构型式有多种，其主要的结构型式如图2 3 所示： 差速器的结构形式 普通对称式圆锥行星齿轮差速器ll 防滑差速器 强制锁止式差速锁il 自锁式 高摩擦式 带有摩擦元件的圆锥齿轮差速器 滑块一凸轮式 蜗轮式i 带有常作用式摩擦元件的圆锥齿轮差速器 图2 3 差速器结构型式框图 比式差速器 大多数汽车都属于公路运输车辆，对于在公路上和市区行驶的汽车来说， 由于路面较好，各驱动车辆与路面的附着系数变化很小，因此几乎都采用了结 构简单、工作平稳、制造方便、用于公路汽车也很可靠的普通对称式圆锥行星 齿轮差速器，作为安装在左、右驱动轮间的所谓轮间差速器使用；对于经常行 驶在泥泞、松软土路或无路地区的越野汽车来说，为了防止因某一侧驱动车轮 滑转而陷车，刚可采用防滑差速器。后者又分为强制锁止式和自锁式两类。自 锁式差速器又有多种结构型式的高摩擦式和自由轮式的以及变传动比式的。这 些差速器的详细结构情况见以下各节。 2 3 1 几种常见的防滑差速器的工作原理及优缺点 常见的防滑差速器有强制锁止式差速器、高摩擦自锁式差速器、牙嵌式自 由轮式差速器和托森差速器等，下面就来简要的说一下它们的工作原理及各自 的特点“。 2 3 1 1 强制锁止式差速器 为了提高汽车在坏路上的通过能力，可采用各种形式的防滑差速器。其共 同出发点都是在个驱动轮滑转时，设法使大部分转矩甚至全部转矩传给不滑 转的驱动轮，以充分利用这一驱动轮的附着力而产生足够的牵引力，使汽车能 继续行驶。为实现上述要求，最简单的办法是在对称式锥齿轮差速器上设置差 速锁，使之成为强制锁止式差速器。当一侧驱动轮滑转时，可利用差速锁使差 速器不起差速作用。 图2 4 为瑞典斯堪尼亚l t i l 0 型汽车上所用的强制锁止式差速器。首先应 予说明，该车由于在单级主减速器之前，有一对外啮合圆柱齿轮传动，因而主 减速器从动齿轮布置在主动齿轮的右侧，以保证驱动车轮的转动方向与汽车前 进方向相适应。差速锁由接合器及其操纵装置组成。端面上有接合齿的外、内 接合器9 和1 0 ，分别用花键与半轴和差速器壳左端相连。前者可沿半轴轴向滑 动，后者则以锁圈8 固定其轴向位置。图示位置即接合器分离、差速器正常工 作的状况。内、外接合器分别与差速器壳和左半轴一同旋转。 1 活塞2 一活塞皮碗3 一气路管接头4 工作缸5 一套管6 一半轴 7 压力弹簧8 一锁圈9 一外接合器1 0 一内接合器1 l 一差速器壳 图2 4 斯堪尼亚l t l l 0 型汽车的强制锁止式差速器图 该车采用电控气动方式操纵差速锁。当汽车的一侧车轮处于附着力较小的 路面上时，可按下仪表板上的电钮，使电磁阀接通压缩空气管路，压缩空气便 从气路管接头3 进入工作缸4 ，推动活塞1 克服压力弹簧7 ，带动外接合器9 右移，使之与内接合器1 0 接合。结果，左半轴6 与差速器壳1 1 成为刚性连接， 差速器不起差速作用。即左右两半轴被连锁成一体一同旋转。这样。当一侧驱 动轮滑转而无牵引力时，从主减速器传来的转矩全部分配到另- n 驱动轮上， 使汽车得以正常行驶。 当汽车通过坏路后驶上好路时，驾驶员通过电钮使电磁阀切断高压气路， 并使工作缸通大气，缸内压缩空气即经电磁阀排出。于是，弹簧7 回位，推动 活塞使外接合器左移回到分离位置。 仪表板上设有信号装置。当按电扭接合差速锁时，亮起红色信号灯，以提 醒驾驶员注意，汽车驶入好路面后应及时摘下差速锁。差速锁一分离，红灯即 熄灭。 强制锁止式差速锁结构简单，易于制造；但操纵不便，一般要在停车时进 行。而且如果过早接上或过晚摘下差速锁，亦即在好路段上左、右车轮仍刚性 连接，则将产生前已述及的在无差速器情况下出现的一系列问题。 2 , 3 1 2 摩擦片式自锁差速器 摩擦片式自锁差速器是在对称式锥齿轮差速器的基础上发展而成的( 图 2 5 ) 。为增加差速器内摩擦力矩，从而提高汽车的有效转矩利用率，在半轴齿 轮与差速器壳1 之间装有摩擦片组2 。4 - 字轴由两根相互垂直的行星齿轮轴组 成，其端部均切出凸v 形面6 ，相应地差速器壳孔上也有凹v 形面，两根行星 齿轮轴的v 形面是反向安装的。每个半轴齿轮的背面有推力压盘3 和摩擦片组 2 。摩擦片组2 由薄钢片7 和若干间隔排列的主动摩擦片( 摩擦板) 8 及从动摩擦 片( 摩擦盘) 9 组成。推力压盘以内花键与半轴相连，而轴颈处用外花键与从动 摩擦片连接，主动摩擦片( 伸出两耳的摩擦板) 则用两耳花键与差速器壳l 的内 键槽相配。推方压盘和主、从动摩擦片均可作微小的轴向移动。 当汽车直线行驶、两半轴无转速差时，转矩平均分配给两半轴。由于差速 器壳通过斜面对行星齿轮轴两端压紧，斜面上产生的轴向力迫使两行星齿轮轴 分别向左、右方向( 向外) 略微移动，通过行星齿轮使推力压盘压紧摩擦片。此 时，转矩经两条路线传给半轴：一路经行星齿轮轴、行星齿轮和半轴齿轮，将 大部分转矩传给半轴：另一路则由差速器壳经主、从动摩擦片、推力压盘传给 半轴。 当汽车转弯或一侧车轮在路面上滑转对，行星齿轮自转，起差速作用，左、 右半轴齿轮的转速不等。由于转速差的存在和轴向力的作用，主、从动摩擦片 问在滑转同时产生摩擦力矩，其数值大小与差速器传递的转矩和摩擦片数量成 正比，而其方向与快转半轴的旋向相反，与慢转半轴的旋向相同。较大数值的 内摩擦力矩作用的结果，使慢转半轴传递的转矩明显增加。 摩擦片式差速器结构简单，工作平稳，锁紧系数k 可达0 6 0 7 或更高， 常用于轿车和轻型汽车上。 淘 1 一差速器壳2 一主、从动摩擦片组3 一推力压盘4 一十字轴 5 一行星齿轮6 一v 形面7 一薄钢片8 一主动摩擦片9 一从动摩擦片 图2 5 摩擦片式自锁差速器图 1 一预压弹簧2 一摩擦片 图2 6 预压弹簧摩擦片式防滑差速器图 酽 ，搭 还有一种预压弹簧摩擦片式防滑差速器，它的结构如图2 6 所示。它出差 速器左右壳、弹性圆柱销、行星齿轮止推垫片、半轴齿轮、摩擦片导块、半轴 齿轮止推垫片、预压弹簧、主从动摩擦片、弹簧挡板等组成。 当汽车的两侧车轮的附着条件相同时，由主减速器传给的转矩，平均分配 绘左右半轴。当两侧车轮的附着条件不相同时，由于差速器壳内的预压弹簧通 过弹簧挡板对半轴齿轮加压，这迫使行星齿轮分别向左右方向移动，通过半轴 齿轮压紧摩擦片。此时，左右壳内端面与摩擦片之间都产生摩擦，从而产生内 摩擦转矩，进而实现转矩的重新分配，提高车辆在坏路面的通过能力。 这种防滑差速器的结构简单，容易制造，可以产生很大的摩擦力矩，但是， 预紧弹簧通过弹簧挡板和半轴齿轮始终压紧摩擦片，这在增加摩擦片磨损的同 时，也增加了油耗。适用于越野汽车，载货汽车及轿车等各种车辆。 2 3 1 3 滑块凸轮式差速器 滑块凸轮式差速器是利用滑块与凸轮之间产生较大数值的内摩擦力矩，以 提高锁紧系数的一种高摩擦自锁式差速器。 图2 7 为汽车中、后驱动桥之间采用的滑块凸轮式轴间差速器。转矩由传 动轴经凸缘盘1 和轴间差速器分配给中桥主动龃线齿锥齿轮1 8 和后桥的传动轴 2 6 。 轴间差速器由主动套6 、8 个短滑块7 及8 个长滑块8 、接中桥的内凸轮花 键套9 、接后桥的夕 凸轮花键套2 5 及轴问差速器壳2 7 和盖2 4 组成。 内凸轮花键套9 用花键与中桥主动曲线齿锥齿轮1 8 相连，其前端内表面有 1 3 个圆弧凹面。外凸轮花键套2 5 用花键与后桥传动轴2 6 相连，其外表面有1 1 个圆弧凹面。主动套6 前端与凸缘盘1 用花键连接，后端空心套筒部分即装在 内、外凸轮之间，空心套筒上铣出8 条穿通槽，每个槽内装长、短滑块各一个。 所有滑块均可在槽内沿径向自由滑动。为了使滑块及内、外凸轮磨损均匀，相 邻两槽内滑块的装法不同，其中一个槽内长滑块在前，短滑块在后，而另一槽 内滑块装法则相反。 当汽车在平直路上直线行驶，中、后驱动桥车轮无转速差时，中桥主动曲 线齿锥齿轮1 8 和后桥传动轴2 6 的转速相同，即轴间差速器没有差速作用。此 时，转矩由凸缘盘1 输入，经主动套6 ，滑块7 和8 ，内、外凸轮花键套9 和 2 5 ，分别传给中桥和后桥。内、外凸轮花键套和主动套三者的转速相等。 当汽车转弯或在不平道路上行驶，或由于中、后桥驱动轮半径不等等原因， 巾、后两驱动桥出现转速差时，主动套6 槽内的滑块，一方面随主动套旋转并 带动内、外凸轮花键套旋转，同时在内、外凸轮间沿槽孔径向滑动，保证中、 后两驱动桥得以在不脱离传动的情况下实现差速。且由于滑动与内、外凸轮闯 产生的摩擦力矩起作用，使慢转的驱动轮上可以得到比快转驱动轮更大的转矩。 1 6 l 一凸缘盘2 一防尘罩3 一密封垫4 、2 2 一油封5 一油封壳6 一主动套7 一短滑块 8 一长滑块9 一接中桥的内凸轮花键套l o 一螺母i l 一垫圈1 2 一滚子轴承 1 3 一中桥花键套护罩1 4 、1 7 一圆锥滚子轴承1 5 一挡圈 1 6 调整垫圈 1 8 一中桥主动曲线齿锥齿轮1 9 一轴承座2 0 一球轴承2 l 一轴承盖 2 3 一防尘毡2 4 - - 轴间差速器盏2 5 一接后桥的外凸轮花键套 2 6 一后桥传动轴2 7 一轴间差速器壳2 8 一主减速器壳 图2 7 滑块凸轮式轴间差速器图 假设中桥驱动轮因陷于泥泞路面而滑转，此时驱动桥的外凸轮花键套2 5 的转速n ：，小于主动套6 的转速n 。，而驱动中桥的内凸轮花键套9 的转速 ，则大 于主动套转速”。相应的滑块作用于内、外凸轮的摩擦力方向如图2 7 所示。 滑块作用于内凸轮上的摩擦力只造成的力矩方向与转动方向相反，而使内凸轮 所受的转矩减小；作用于外凸轮上的摩擦力造成的力矩方向与转动方向相 1 7 同，故使外凸轮所受的转矩增加。因此，中、后驱动桥上的转矩得到重新分配。 滑块凸轮式差速器的锁紧系数与凸轮表面的摩擦因数和倾角有关，一般k 可达0 5 - 0 7 。这种差速器可在很大程度上提高汽车的通过性，但结构复杂，加 工要求高，摩擦件的磨损较大。它既可用作轴间差速器，也可用作轮间差速器。 2 3 1 4 牙嵌式自由轮差速器 中、重型汽车常采用牙嵌式自由轮差速器，其结构如图2 。8 所示。差速器 壳的左右两半l 和2 与主减速器从动齿轮用螺栓联接。主动环3 固定在两半壳 体之间，随差速器壳体一起转动。主动环3 的两个侧面制有沿圆周分布的许多 倒梯形( 角度很小) 断面的径向传力齿。相应的左、右从动环4 的内侧面也有相 同的传力齿。制成倒梯形齿的目的，在于防止传递转矩过程中从动环与主动环 自动脱开。弹簧5 力图使主、从动环处于接合状态。花键毂7 内外均有花键， 外