越野汽車限滑差速器特點及應(yīng)用研究

越野汽車限滑差速器特點及應(yīng)用研究摘要文章介紹了越野汽車需要使用限滑差速器的原因，分析了高摩擦式、變傳動比式和電子防滑系統(tǒng)等常用越野汽車限滑差速器的特點。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了國內(nèi)外常用越野汽車限滑差速器近年來的最新應(yīng)用情況與研究成果，為進一步提升我國限滑差速器性能具有一定參考價值。

關(guān)鍵詞越野汽車限滑差速器車輛通過性

中圖分類號：U463.215文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/jki.kjdks.2024.12.018

0引言

車輛在道路上行駛時，車輪相對地面進行兩種運動，分別為滑動和滾動。為減少車輛運行時的摩擦、輪胎磨損及動力消耗，應(yīng)盡量使車輪做純滾動，減少滑動。但當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎或在不平路面行駛時，兩側(cè)車輪移動的距離不同，若連接兩輪的是一根剛性軸，那么行駛時必然會產(chǎn)生滑動，使得車輛行駛性能降低。因此，同一驅(qū)動橋的兩側(cè)車輪需要使用兩根半軸分別進行驅(qū)動，使左右車輪能夠以不同的速度轉(zhuǎn)動，以盡可能地保證車輪作純滾動。越野車輛需要在顛簸、泥濘、滑溜、松軟等路面甚至是無路地段行駛，這些地面附著系數(shù)較小。當(dāng)一側(cè)車輪位于附著系數(shù)較小的地面時，雖然另一側(cè)車輪與地面附著系數(shù)良好，也無法有效利用汽車所能達(dá)到的牽引力，導(dǎo)致汽車不能正常行駛。

為解決越野汽車可能出現(xiàn)的上述問題，需要使用具有防滑功能的差速裝置，常用的方法有采用差速鎖和限滑差速器。差速鎖通過差速器外殼和汽車半軸緊鎖在一起，可以讓差速器停止差速作用，其緊鎖系數(shù)相當(dāng)于無窮大，這樣能使得汽車充分利用兩側(cè)車輪的附著力，使?fàn)恳υ黾拥阶畲?。但是差速鎖在進入難行駛路段時需要人工操作鎖住，在良好路段若未及時將其松開，汽車可能由于無差速作用而釀成事故，因此現(xiàn)代越野汽車大多不使用差速鎖，而采用限滑差速器。

限滑差速器主要功能是消除一般差速器“差速不差扭”的弊端，其原理是可以使部分或者全部扭矩傳遞給不產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)的驅(qū)動輪，以利用該輪的附著力而產(chǎn)生充足的牽引力，在一定程度上提升汽車在附著系數(shù)較小路面上的通過性。限滑差速器種類很多，但是現(xiàn)代越野汽車一般較常使用高摩擦式限滑差速器、電子防滑差速系統(tǒng)和變傳動比式限滑差速器。

1越野汽車限滑差速器特點

1.1高摩擦式限滑差速器

高摩擦式差速器通過增加差動轉(zhuǎn)動時的內(nèi)摩擦來提高差速器的鎖緊系數(shù)，其實用的結(jié)構(gòu)大致有三種：內(nèi)摩擦式限滑差速器、滑塊凸輪式限滑差速器和蝸輪蝸桿式限滑差速器。內(nèi)摩擦式差速器在半軸的背面與差速器殼體之間通過加裝摩擦片來提高差動轉(zhuǎn)動的阻力矩。其可分為有彈簧預(yù)載和無彈簧預(yù)載兩類：其中有彈簧預(yù)載式的差速器其差動阻力矩基本上為常數(shù)，與驅(qū)動橋的輸出扭矩大小無關(guān)，因此車輛在輕載下轉(zhuǎn)向時，外側(cè)車輪產(chǎn)生的牽引力為負(fù)，既降低了車輛的動力，又增加了輪胎的損耗；非預(yù)載式差速器需要在半軸后疊加多個摩擦片，才能達(dá)到所需的鎖緊系數(shù)，而且其結(jié)構(gòu)不緊湊。這類差速器對潤滑油有特殊要求，選用時要兼顧雙曲線齒輪和摩擦片對油的不同要求。由于其工作較為平穩(wěn)，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在國外廣泛應(yīng)用于越野車、高級轎車和工程機械上，其缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價格較高。

滑塊凸輪式差速器是一種高摩擦自鎖式差速器，其利用內(nèi)摩擦力矩提升緊鎖系數(shù)，[1]特點是轉(zhuǎn)矩經(jīng)由傳動軸經(jīng)過軸間差速器分配給驅(qū)動橋中橋錐齒輪和后橋傳動軸。由于滑塊與內(nèi)外凸輪間產(chǎn)生了較大的摩擦力矩，使得慢轉(zhuǎn)的驅(qū)動輪上得到比快轉(zhuǎn)的驅(qū)動輪上更大的扭矩，起到“差扭”作用，提升緊鎖系數(shù)，起到限滑作用?；瑝K凸輪式限滑差速器的緊鎖系數(shù)能達(dá)到0.5～0.7，可以極大提升越野汽車的通過性，但其構(gòu)造較為復(fù)雜，加工難度大，又由于依靠摩擦限滑，因此構(gòu)件損耗較大。

滑塊凸輪式差速器不能傳遞大扭矩，因此不能應(yīng)用于重型越野車輛，一般用于轎車和輕型越野汽車上，而蝸輪蝸桿式差速器利用齒面間的摩擦來實現(xiàn)限滑效果，緊鎖系數(shù)可達(dá)6～15，可用于重型越野車輛。蝸輪蝸桿式差速器通過蝸桿傳動的高摩擦條件和不可逆性原理，讓差速器憑借內(nèi)摩擦力矩大小而主動鎖死或松開，有效地增大了差速器緊鎖系數(shù)，提升了汽車通過性。蝸輪蝸桿式差速器雖然解決了其他兩種高摩擦式差速器無法應(yīng)用于重型車輛上的問題，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本很高。

1.2電子防滑差速系統(tǒng)

電子防滑差速系統(tǒng)通過車載傳感器監(jiān)測兩半軸的轉(zhuǎn)動速度和方向盤的轉(zhuǎn)角來計算兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速比。若兩側(cè)車輪運行過程中實際的轉(zhuǎn)速比與理論設(shè)定值之差超過給定的誤差范圍，汽車便自動通過ABS對轉(zhuǎn)速偏高的車輪進行一定程度制動，使兩輪的轉(zhuǎn)速比保持在系統(tǒng)設(shè)定的最佳值附近。此類防滑系統(tǒng)工作平穩(wěn)，控制準(zhǔn)確，對汽車轉(zhuǎn)向操作沒有影響。但是由于其是通過制動快轉(zhuǎn)輪來增加慢轉(zhuǎn)輪的扭矩，而不像其他種類的防滑差速器，是通過將快轉(zhuǎn)輪上的扭矩轉(zhuǎn)移到慢轉(zhuǎn)輪上以防止快轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生滑動。因此想要獲得同等程度的牽引力，要增大發(fā)動機功率消耗；而且電子系統(tǒng)復(fù)雜，容易出現(xiàn)故障，在先階段技術(shù)條件下維護困難。

1.3變傳動比式限滑差速器

變傳動比限滑差速器是扭矩差感應(yīng)式限滑差速器的一種，其最大的優(yōu)點在于可以在不改變驅(qū)動橋總體結(jié)構(gòu)的情況下，利用兩側(cè)半軸齒輪之間周期性的傳動比波動給差動運動形成勢壘，起到限制滑動的作用。[2]變傳動比式限滑差速器以非圓錐齒輪副為核心構(gòu)件，可以解決圓錐齒輪差速器中容易產(chǎn)生脈動與沖擊以及變化周期太短、幅度太小的缺陷。但是由于非圓錐齒輪副的特性，其設(shè)計繁瑣復(fù)雜，無法進行磨齒精加工，導(dǎo)致變傳動比限滑差速器無法應(yīng)用于需要精密傳動的轎車之中；而且由于非圓錐齒輪的形狀，在其底座設(shè)計汽車驅(qū)動軸穿孔時，使得非圓錐齒輪副強度下降，容易產(chǎn)生斷齒現(xiàn)象，導(dǎo)致其無法應(yīng)用于重型越野汽車的傳動中。

2越野汽車限滑差速器國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1扭矩差感應(yīng)式限滑差速器

扭矩差感應(yīng)式限滑差速器是指限滑轉(zhuǎn)矩大小取決于差速器的輸入轉(zhuǎn)矩的差速器。為增大差速器的內(nèi)摩擦力矩，可以在其結(jié)構(gòu)中加裝摩擦構(gòu)件，形成一種具有摩擦構(gòu)件的圓錐齒輪限滑差速器。白俄羅斯BEJIA-531型牽引汽車使用的就是這種帶有摩擦構(gòu)件的差速器，該差速器在行星輪的背面固定有一個摩擦構(gòu)件——球面凸緣，極大地增大了內(nèi)摩擦力矩。與普通差速器相比，此類差速器行星齒輪和半軸齒輪輪齒數(shù)量的差別較大，即該差速器的兩齒輪徑向尺寸相差較大，因此為利于縮小行星齒輪徑向尺寸取消了十字軸。美國重型載貨汽車HAULPAK也采用此種類型的差速器。

滑塊凸輪式限滑差速器應(yīng)用范圍很廣，主要構(gòu)件包括差速器殼、滑塊及內(nèi)外凸輪等。根據(jù)滑塊安置方向的不同可以分為徑向滑塊式和軸向滑塊式；根據(jù)滑塊安置排數(shù)的不同可以分為單排滑塊式和雙排滑塊式。當(dāng)左右兩車輪和路面的附著系數(shù)不同，且兩者的比值不超過鎖緊系數(shù)時，滑塊凸輪式差速器可以保證附著系數(shù)較差的車輪不出現(xiàn)滑動。當(dāng)左右兩車輪和路面附著情況較好時，左右車輪可以按運動要求正常滾動，并保持良好的轉(zhuǎn)向性能。但此類差速器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對成型、材料、化學(xué)處理、熱處理等方面要求較高，因而成本也較高。

蝸輪蝸桿式限滑差速器主要應(yīng)用在載貨汽車、越野汽車以及道路牽引車上，可以應(yīng)對各種復(fù)雜的路面環(huán)境，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的是托森差速器。托森差速器由美國的格里森公司研發(fā)，[3]充分利用了蝸輪蝸桿自鎖和高摩擦的特性，使差速器的鎖緊系數(shù)得到了大幅提升。托森差速器的性能可靠、結(jié)構(gòu)緊湊，不但能自動防滑，而且還可以根據(jù)轉(zhuǎn)彎半徑和路面行駛條件的不同自動調(diào)整鎖緊系數(shù)。但當(dāng)遇到轉(zhuǎn)矩差較大的情況時，此類差速器會出現(xiàn)自動鎖止的現(xiàn)象，影響了正常的差速功能，因此此類差速器一般不作為轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋上的輪間差速器使用。

2.2主動控制式差速器

隨著人們對差速器的性能要求不斷提升，以及電子控制技術(shù)的不斷發(fā)展，國外開始著手研究主動控制式限滑差速器，并取得了一系列成果。此類差速器最大的特點在于可以根據(jù)路面環(huán)境和行駛狀態(tài)的不同，將驅(qū)動轉(zhuǎn)矩合理的分配到汽車的各個驅(qū)動輪上，最大限度地提升車輛的驅(qū)動性能、通過性能及安全性能。目前，應(yīng)用比較廣泛的是電液式、電磁式及電機式限滑差速器。因為主動控制式限滑差速器造價比較高，而且其電子系統(tǒng)十分復(fù)雜，維護困難，一定程度上限制了它的應(yīng)用。但隨著技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，此類差速器在將來很有可能會成為主流。

2.3轉(zhuǎn)速差感應(yīng)式差速器

粘性限滑差速器主要由單排圓柱行星齒輪機構(gòu)及粘性離合器構(gòu)成。二十世紀(jì)七十年代初，粘性限滑差速器由英國的汽車公司成功開發(fā)，并裝于汽車前后軸間，在汽車上得到實際應(yīng)用。七十年代末，美國的Chrysler汽車公司在“EAGLE”汽車上使用此類差速器，并在美國完成生產(chǎn)。八十年代中后期，德國Volkswagen公司與Daimler公司將共同開發(fā)制造出的粘性式限滑差速器應(yīng)用到汽車傳動系中。這種差速器的內(nèi)摩擦力矩由左、右半軸間的轉(zhuǎn)速差確定，轉(zhuǎn)速差增加則內(nèi)摩擦力矩變大，防滑作用更加明顯。此類限滑差速器運行穩(wěn)定，能有效提升汽車動力、制動及轉(zhuǎn)彎等方面的性能。

2.4國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對限滑差速器的開發(fā)研究起步比較晚，基礎(chǔ)較為薄弱，始于上世紀(jì)八十年代，最初只有同濟大學(xué)、吉林大學(xué)等對其傳動原理、構(gòu)成與性能等方面進行了探索。但由于國家的重點扶持以及科研人員的不懈努力，我國在限滑差速器方面也取得了一定的成績。1993年，西安交通大學(xué)張社民等人使用雙曲柄滑塊機構(gòu)替代普通差速器，該結(jié)構(gòu)可以使左右兩車輪的轉(zhuǎn)矩比達(dá)到1.96。2024年，吉林大學(xué)的LSD課題組研制出了電機驅(qū)動式限滑差速器，推動了主動控制式限滑差速器在國內(nèi)的研究進程。同年，軍事交通學(xué)院賈巨民教授及其團隊研制出一種新型自適應(yīng)變速比限滑差速器。目前，限滑差速器已經(jīng)被使用在許多國產(chǎn)汽車上，例如高爾夫汽車上使用了摩擦片式自鎖差速器；一些中型和重型車輛上應(yīng)用了牙嵌式自由輪差速器；Audi80及Audi90汽車上使用了托森差速器。

3結(jié)語

由上文分析可以看出，現(xiàn)階段國內(nèi)汽車限滑差速器水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如國外，且研究水平還處于較為初級的階段，只有進一步深化對限滑差速器的研究，研制出性能更強、價格更合理的越野汽車限滑差速器，才能擺脫我國受制于國外的局面，提升我國越野汽車通過性的整體水平。

作者：王白王登

參考文獻

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[4]張鵬.粘性式限滑差速器汽車的動力性和操縱穩(wěn)定性分析與研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2024.

[5]賈巨民，高波，喬永衛(wèi).越野汽車變傳動比差速器的研究[J].汽車