各种常见差速器转矩分配原理详解.doc

各种常见差速器转矩分配原理详解本文为本人原创技术帖，从受力分析角度详细说明现代小型汽车的各种常见差速器的技术原理。一、差速器力矩关系通式符号定义：T0发动机传给差速器的总动力矩，当汽车匀速运动时与总行驶阻力折算在驱动车轮上的转矩平衡。Tr1，Tr2差速器两侧半轴有相对运动或趋势时单侧半轴受到的差速器内实际限滑力矩，互为作用力矩与反作力矩，大小相等方向相反。可由差速器内各种摩擦力、粘性力产生（例如差速器轮系本身各转轴内摩擦力及各齿轮啮合摩擦力、各种限滑装置的粘性力、静摩擦力或滑动摩擦力、电控轮间制动摩擦力等），也可由刚性连接内应力产生（例如机械硬差速锁、凸块、轮齿式差速锁等）。Tr1max，Tr2max确保两侧半轴不发生相对运动的差速器内单侧最大限滑力矩值，Tr1，Tr2Tr1max，Tr2max。对于刚性连接内应力可认为其Tr1max，Tr2max=。Tr两侧半轴有相对运动或趋势时差速器内的实际总限滑力矩，为Tr1与Tr2之和，即其2倍。Trmax确保两侧半轴不发生相对运动的最大差速器内总限滑力矩值， TrTrmax。T01，T02差速器内完全没有阻止两侧半轴相对运动限滑力矩（Tr=0）时发动机传给两侧半轴的动力矩，取决于差速器机械结构。T1，T2差速器内有阻止两侧半轴相对运动的限滑力矩时分配到的实际动力力矩（与两侧半轴车轮地面附着反力矩平衡）K差速器两侧半轴的实际转矩分配比，也称实际锁紧系数，即两侧半轴不发生或发生相对运动时的实际转矩比值。Kmax确保两侧半轴不发生相对运动两侧最大允许转矩差值对应的转矩分配比， K小于等于Kmax。F1，F2两侧半轴车轮地面附着反力矩（分别与T1,T2平衡）。F1max，F2max确保两侧半轴车轮不滑转的最大地面附着反力矩值，F1，F2F1max，F2max。设1侧半轴动力转矩被Tr增强，2侧半轴动力转矩被Tr削弱（Tr反向时实质完全一样），上述各字母表示的转矩皆取绝对值，则差速器力矩关系通式为：T0=T1+T2=T01+T02Tr1=Tr2=Tr/2Tr=2Tr1=2Tr2T1=T01+Tr1=T01+Tr/2 （1）T2=T02-Tr2=T02-Tr/2 （2）K=T1/T2以上通式由一般差速器受力分析得出，表达了差速和限滑最基础的技术原理，适用于一切差速器的一切工况。A、两侧半轴实际转矩差必需克服Trmax才能实现相对运动（即差速），当两侧半轴因转矩差值克服Trmax而发生相对运动（即被车轮地面附着反力矩差值差速）时，Tr等于差速器内的滑动限滑力，两侧半轴转矩按通式（1）、（2）分配，故此时调节各种限滑装置的粘性力或摩擦压紧力、电控轮间制动压紧力等即可改变Tr，实现K的调节，此即为介于理想完全开放和完全锁止之间的可调限滑差速器。特别地，当Trmax=0时，Tr=0，两侧半轴的转矩在任何时候都按K=T01/T02的比例分配，即使单侧滑转时，也仍依滑转侧车轮地面滑动附着反力矩按此比例分配，可实现Tr=0的差速，完全不能限滑，此即理想完全开放差速器。B、Trmax必须大于两侧半轴实际转矩差才能阻止其相对运动（即差矩或限滑）。当两侧半轴车轮地面附着反力矩差值未超过Trmax时，两侧半轴无相对运动（即被Tr差矩或限滑）时，两侧半轴转矩实际分配比仍满足通式（1）、（2），但Tr取决于T01，T02及两侧最大阻力距的情况（注1）。故此时调节各种限滑装置的粘性力或摩擦压紧力、电控轮间制动压紧力等只能改变Trmax，即改变限滑上限，并不能实现K的主动调节，K只取决于T01，T02及两侧最大阻力距的情况（注1）。特别地，当Trmax=时，Kmax=，可实现Trmax=的限滑，完全不能差速，此即为理想完全锁止刚性连接。注1依据差速器转矩通式有：T2=F2，T1=T0-F2，Tr=(T1-T2)-(T01-T02)=(T0-F2-F2)-(T0-T02-T02)=2(T02-F2)根据车轮地面附着力（类同于静摩擦力）的特性，如T02F2max，则F2=T02，Tr=0，T2=T02，差速器内限滑力矩不起作用。如T02F2max，则F2=F2max，因T2与F2平衡，故T2=F2max ，Tr=2(T02-F2max)，差速器内限滑力矩将T2刚好限制在F2max。此即限滑原理，其实质是动力，差速器内摩擦力（或内粘性力、或刚性内应力），车轮地面附着力这三种力相互作用达到平衡的结果。也有文献将上述K仅称为转矩比Kb，而另将锁紧系数K定义为Tr/T0，此时：K=Tr/T0 Kb=T2/T1（或T1/T2）Kb=(1+K)/(1-K) K=(Kb-1)/(Kb+1)完全开放差速器Kmax=0，完全锁止硬连接Kmax=这只是数学表达式有不同，其实质是完全一样的。二、常见差速器力矩关系式1、行星轮系差速器行星轮系用作差速器时，发动机传给差速器的总动力矩由行星架输入，两侧半轴分别接齿圈和太阳轮，将行星轮系转矩关系代入差速器力矩关系通式得：T0=(1+)/T01 =(1+)T02T01=/(1+)T0T02=1/(1+)T0Tr1=Tr2=Tr/2Tr=2Tr1=2Tr2T1=/(1+)T0+Tr/2 （3）T2=1/(1+)T0-Tr/2 （4）K=2T0+(1+)Tr/2T0-(1+)Tr特别地，当Trmax=0，Tr=0时，K=T01/T02=（例如三菱二代超选当Tr=0时，K=67:33，在全时四驱时按前后33:67比例分配转矩）2、伞齿行星轮系差速器伞齿行星轮系差速器实质上就是=1的特殊行星轮系，发动机传给差速器的总动力矩由行星架输入，两侧半轴分别接节圆半径及齿数都相等的两个半轴伞齿轮（相当于齿圈和太阳轮），将=1代入上面的行星轮系差速器力矩关系式得：T0=2T01 =2T02T01= T02=T0/2Tr1=Tr2=Tr/2Tr=2Tr1=2Tr2T1=(T0+Tr)/2 （5）T2=(T0-Tr)/2 （6）K=(T0+Tr)/(T0-Tr)特别地，当Trmax=0 ，Tr=0时， K=1（例如三菱一代超选当Tr=0时，K=1=50:50，在全时四驱时按前后50:50比例分配转矩）3、托森差速器托森限滑差速器两侧半轴分别与两个蜗杆刚性连接，3对蜗轮与两个蜗杆啮合，各蜗轮端部固定有直齿圆柱齿轮，每对蜗轮端部直齿圆柱齿轮相互外啮合。蜗轮对自转轴安装在差速器壳上，差速器壳相当于行星架，发动机动力传至差速器壳，动力有驱动蜗轮对的两蜗轮同向自转的力，但由于蜗轮对端部相互外啮合的直齿圆柱齿轮齿产生运动干涉，两蜗轮无法同向自转，机构被卡死，发动机动力经差速器壳-蜗轮对的两蜗轮自转轴-相互卡死的两蜗轮轮齿-两侧半轴蜗杆传至两侧半轴。汽车在铺装路面直行的情况下，两侧半轴受到的车轮地面附着反力矩相等，卡死的机构将发动机动力平均传至两侧半轴，两侧半轴既无转速差又无转矩差。当两侧半轴受到的车轮地面附着反力矩不等时，卡死的机构又可实现两侧半轴转矩差分配，起到限滑作用。而当汽车正常转向时，来自车架的两侧车轮附加转向力矩通过半轴蜗杆分别驱动蜗轮对两蜗轮反向自转，蜗轮对端部相互外啮合的直齿圆柱齿轮齿不发生运动干涉，故可实现两侧差速。由差速器力矩关系通式及托森差速器机构受力分析得：T0=2T01 =2T02T01=T02=T0/2Tr1=Tr2=Tr/2Tr=2Tr1=2Tr2=tg(+)-tg(-)/tg(+)+tg(-)T0T1=T01+tg(+)-tg(-)/tg(+)+tg(-)/2 （7）T2=T01-tg(+)-tg(-)/tg(+)+tg(-)/2 （8）K=tg(+)/tg(-)螺旋斜面（当量）摩擦角=arctg f (一般略大于6度)，限滑时取实际静摩擦角，差速时取滑动摩擦角螺旋斜面升角 (一般略大于11度)托森差速器限滑时最大锁紧系数Kmax一般为3.5，还是偏小，而正常转向差速时锁紧系数K仅因滑动摩擦角略小于最大静摩擦角（滑动摩擦系数略小于最大静摩擦系数）而略小于3.5，又显得偏大，而普通开放差速器加硬差速锁锁止时Kmax=，正常转向差速锁解锁时锁紧系数K仅1.1-1.35，所以托森差速器限滑和差速的效果都没有普通开放差速器加硬差速锁好，这就是它一般不用于前转向桥以及有的车虽用托森差速器却又另加硬差速锁原因。其优点是用纯机械方法实现了限滑和差速的无延迟自动切换。4、无机械差速器的纯多片离合器无机械差速器的纯多片离合器的发动机动力与主侧半轴和多片离合器主动片刚性连接，辅助侧半轴与多片离合器从动片刚性连接，由差速器力矩关系通式及其机构（此种装置的受力分析可简化为一根刚性转轴上垂直刚性连接有两根钢棒，形如F，动力从F下端输入，F最上面的一横驱动主侧半轴，下面的一横通过多片离合的摩擦片驱动辅助侧半轴）受力分析（T1为辅助侧，T2为主侧）得：T0=T02T01=0Tr1=Tr2=Tr/2Tr=2Tr1=2Tr2T1=Tr/2 （9）T2=T0-Tr/2 （10）K=Tr/(2T0-Tr)当F2max，F1max都大于T0/2时，（即两侧半轴车轮地面皆无滑转，两侧半轴无相对运动时），Tr为多片离合器主从动片间的静摩擦力矩，辅助侧半轴分配的转矩等于主从动片间的最大静摩擦力矩（原理同注1，但力矩作用方向有所不同，是车轮的地面附着力矩将多片离合器主从动片间的静摩擦力矩刚好限制在其最大静摩擦力矩），当两侧半轴有相对运动（只可能主侧半轴快于辅助侧半轴）时，Tr为多片离合器主从动片间的滑动摩擦力矩，辅助侧半轴分配的转矩等于主从动片间的滑动摩擦力矩。因此调节主从动片间的压紧力即可改变最大静摩擦力矩或滑动摩擦力矩，从而改变Tr，实现两侧半轴转矩分配比例的主动调节。当Trmax/2被调节至理论上的时，此种装置理论上也可被看作完全刚性连接，当F2max，F1max都大于T0/2时，T1=T2=T0/2，F1=F2。这就是很多文章中所讲的T1不可能大于T2、K不可能大于50:50。当F2max（或F1max）小于T0/2时，该侧半轴分得的转矩T2（或T1）等于F2max（或F1max），另一侧半轴分得的转矩T1（或T2）等于T0-F2max（或T0-F1max），与有机械差速器完全刚性锁止一样，理论上K可随T0的增大无限增大。此种装置由于缺少机械差速器的差速作用，正常行驶时如控制调节Tr较大，则会影响正常转向差速，这就是它在正常行驶时辅助侧半轴分配的转矩一般都控制得很小（5-10%）的原因，由于其正常行驶时辅助侧半轴分配的转矩过小，因此并不能真正实现全时四驱，而只是一种适时四驱。其优点是容易用电子、液