限滑差速器研究分析

更新日期:2020-05-09 16:13:02 星期六
摘要:

本文从差速器的定义入手,分析了限滑差速器的特点和类型,并以托森差速器和变传动比限滑差速器分析了两者的组成结构和工作原理,提出了变传动比差速器的几种新形式,在此基础上对两种差速器进行了对比分析和前景展望。

1 限滑差速器概述

差速器是汽车驱动桥的重要零部件之一,如图1所示,其相当于一个扭矩分配器,将输入扭矩传递给左右两个驱动半轴,并允许两个半轴以不同速率旋转。

目前的差速器主要面临的问题就是如何确保车辆在以下3种情况下都能稳定传导动力以确保车辆良好的通过性。

(1)正常情况(路面)下保证车辆正常运转,避免因路面不平或轮胎气压不同等问题而降低车辆的操纵稳定性。

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(3)遇到泥泞或松软等附着系数较小的路面时能够及时提供动力,摆脱困境。

普通的差速器只能满足上述前两种情况,而对于情况三,当一侧车轮陷入打滑路面时,差速器的平均分配转矩特性使其成为在泥泞路面阻碍汽车正常行驶的一个短板。随着汽车领域的不断发展,机械行业对差速器的研究也越来越多,为弥补传统差速器的不足,限滑差速器应运而生,并在越野车辆上得到广泛应用。

限滑差速器是对普通差速器的一种改进,是指其两侧的驱动轮转速差值可在一定范围内波动,以此来保证车辆在直线、转弯、遇到泥泞路面情况下能够得到足够驱动力的新型差速器。目前,限滑差速器主要有主动控制式、被动控制式(包括转矩感应式和转速感应式)以及人工控制式三大类。

人工控制式是指通过驾驶员的手动操作来改变中间差速器或半轴差速器的扭矩分配比,主要是各种手动差速锁[1]。

被动控制式差速器中,转矩感应式按照输入转矩决定差动限制转矩方式,主要有变传动比式差速器和托森差速器等若干种;转速感应式是随着限滑差速器左、右半轴转速差来被动限制差速器差动。

主动控制式是基于被动控制差速器建立的一种可控制式差速器,主动控制式差速器可以根据车轮和路面的接触情况对转矩进行实时控制。

限滑差速器能确保车辆在行驶过程中满足驾驶人员对通过性、动力性、安全性的要求,保证车辆良好的运行状态,在一定程度上解决了车辆遇到打滑路面时,由于一侧轮胎打滑空转,传统差速器无法传导足够的动力给另一侧车轮,致使车辆产生的驱动力无法推动车辆行驶的困境。

本文主要以国内外对限滑差速器的需求和研究现状为背景,对限滑差速器中的变传动比式差速器和托森差速器进行研究和理论的对比分析,为下一步的研究工作提供参考。

 

2 托森差速器

托森差速器通过独特与精巧的机械设计来完成差速功能并有效提高了极限状态的抓地力。托森差速器的内部结构与传统差速器有着很大的不同。它的核心部件是一套特殊的齿轮啮合系统,包括左右半轴、螺旋齿轮、左右半轴传动蜗杆、直齿圆柱齿轮、差速器外壳等。托森差速器的工作原理是利用蜗轮与蜗杆之间的驱动特性来实现的。当转动蜗轮时,蜗杆可被轻松驱动,反之,转动齿轮时,却无法驱动蜗杆,在螺旋齿轮的两端,分别焊上一组同步齿轮,就可以完成基本的差速功能,如图2所示。

(2)转弯时,根据两侧车轮车速进行差速运转,为两侧车轮提供动力,保证车轮的不等距行驶。

当车辆转弯(右转)时,为保证车辆正常行驶,左侧车轮转速需要高于右侧车轮。此时,左侧车轮带动左侧蜗杆加速旋转,对应的齿轮随之旋转。另外,由于右侧蜗杆转速较慢,与外壳产生了转速差,也就是说,以外壳的视角来看,右侧蜗杆正在进行逆转,于是,右侧螺旋齿轮将会逆方向转动。固定在两端的同步齿轮将确保螺旋齿轮的转速时刻相同,这便带来了精确的等比例轮间差速。

当轮胎遇到打滑路面时,打滑一侧的车轮开始空转,螺旋齿轮的转速也会立即升高,借助同步齿轮,另一侧齿轮会将高转速同步给该侧齿轮,但是该侧螺旋齿轮无法将转速继续传递给左侧蜗杆(蜗轮无法驱动蜗杆),于是整个机构被卡死。左右侧车轮回归到相同的驱动速度,大量扭矩重新被输出到高抓地力的一侧,车身由此趋于稳定,开始正常行驶。

由于扭矩负载考虑,通常会装配三组同步的螺旋齿轮,其他差速器结构在彻底锁止前需要一小段的响应时间,而托森的全时啮合设计做到了即便是轻微、短暂的抓地力失衡都会快速地进行锁止。

3 变传动比限滑差速器

近几年,不同学者对限滑差速器的具体结构进行了改进,其中变传动比差速器(变速比差速器)就是限滑差速器的一种改进形式。改进后的变传动比差速器可以在行星轮整圈区间内根据实际情况来确定传动比变化规律,依靠变传动比传动的势垒效应来增大锁紧系数,并且不改变驱动桥总体结构,最终实现差速,改变了普通差速器在打滑路面无法传导动力的窘境。同时,限滑差速器传动比变化幅度小、变化周期短的问题通过变传动比差速器也得到了进一步解决。

由于传统的变传动比差速器其速比变化为一个周节,变速比难以满足车辆对越野性能的要求,中王小椿等提出了一种三周节变传动比限滑差速器,大大提高了车辆的牵引力。

中贾巨民提出了一种新的传动形式,它突破了齿数与周节的限制,使行星齿轮与半轴齿轮齿数之比为1∶2,可以最大限度地提高传动比的变化幅值(达到±40%),这种新的传动形式可以获得最大的传动比变化范围,从而获得大的锁紧系数,试验结果表明,理论和实际锁紧系数可达2.33和3.15,车辆越野性能显著提高。

中张学玲提出了一种新型非圆行星齿轮差速器,通过传动的变速比效应自动调整输出转矩分配,实现防滑,从而改善车辆的越野通过性。另外,作者根据提出的新型轴间非圆行星齿轮差速器结构,设计出多种差速器传动方案供选择,在某车型的差速器样机中已经完成了实验,结果证明新型差速器比原来的差速器传递转矩提高1.7倍。

中贾巨民提出了一种新型非圆行星齿轮差速器,用于越野汽车分动器,非圆中心齿轮形状相同,行星齿轮形状一致,相位相差90°,采用三组双联行星齿轮实现均载,可以实现两输出轴扭矩变比例分配,相当于增大了差速器的锁紧系数,从而有望提高车辆的越野通过性。

 

4 对比分析

托森差速器在实现差速过程中没有时间上的延迟,反应快,在需要实现差速时,驱动轮产生扭矩差,托森差速器能够在短时间内迅速响应,改变扭矩来改变调整轮差。另外,托森差速器与传统的差速器相比,由于没有多片式离合器,所以其不存在维护问题,可靠耐用。但是需要明确的是,托森差速器的加工精度和制造工艺要求非常高,所以其制造成本也非常高昂,目前只能在中高档车型上使用。除此之外,该差速器重量比较大,一定程度上影响车辆的重心和加速速度,在国内应用较少。

相对于托森差速器,变传动比差速器在国内的研究比较广泛,由于其制造成本相对于托森差速器来说相对易于接受,并且在一定程度上能够实现越野车辆对于差速器的要求,所以在国内车辆的应用上,变传动比限滑差速器应用相对广泛。

 

5 结语

本文分析了差速器普遍需要解决的现实问题,给出了限滑差速器的分类,并以托森差速器和变传动比限滑差速器为例进行了结构分析和原理说明,最后对两种限滑差速器进行了对比分析,相信随着汽车行业的发展,汽车差速器的设计研发也将得到进一步的发展。


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