越野汽車變傳動比限滑差速器研究現(xiàn)狀分析

王白王　譚曉明　馬鵬

摘要 以提升越野汽車通過性為主要目的，分析了越野汽車變傳動比限滑差速器的研究現(xiàn)狀。在介紹各種限滑差速器的基礎(chǔ)上，說明了研究變傳動比限滑差速器的重要意義。總結(jié)了國內(nèi)外越野汽車變傳動比限滑差速器的研究現(xiàn)狀，針對現(xiàn)階段研究所存在的問題提出了進一步的研究方向，對提升我國越野汽車通過性具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞 越野汽車 變傳動比限滑差速器 非圓錐齒輪

1變傳動比限滑差速器概述

汽車差速器是能夠使左、右（或前、后）驅(qū)動輪實現(xiàn)以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動的機構(gòu)，功用是當汽車轉(zhuǎn)彎行駛或在不平路面上行駛時，保證汽車驅(qū)動橋兩側(cè)車輪在行程不等時能以相應的不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，使兩側(cè)驅(qū)動車輪與地面問作純滾動，避免車輪產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)或滑移。越野汽車經(jīng)常要在泥濘、松軟路面甚至無路等特殊情況下行駛，將可能出現(xiàn)汽車驅(qū)動輪與路面之間附著條件相差過大，驅(qū)動輪的一個輪子將不能從滑動中脫出，差速器無法正常使用的情況。因此需要使用具有限滑功能的差速器，以增大鎖緊系數(shù)，提升越野汽車在左、右附著系數(shù)相差較大的路面上行駛時的通過性。

限滑差速器有多種結(jié)構(gòu)型式，如圖1所示，限滑差速器按控制方式可分為人工式、被動控制式和主動控制式三類。人工控制式是指通過駕駛員的手動操作來改變中間差速器或半軸差速器的扭矩分配比，主要是各種手動差速鎖。被動控制式分為扭矩差感應式和轉(zhuǎn)速差感應式兩種，分別通過感知差速器兩端的扭矩差和速度差，被動地限制差速器差動。主動控制式限滑差速裝置是利用外部控制實現(xiàn)主動限滑，它主要是利用傳感器來收集汽車動態(tài)參數(shù)的信息，經(jīng)控制單元處理后，發(fā)出指令使機構(gòu)執(zhí)行相應動作，以達到限滑目的。

現(xiàn)代越野汽車限滑差速器一般不使用差速鎖，多使用內(nèi)摩擦式、超越式、粘性聯(lián)軸節(jié)、電子防滑差速系統(tǒng)、變傳動比差速器等型式。對于內(nèi)摩擦式、超越式、粘性聯(lián)軸節(jié)、電子防滑差速系統(tǒng)等來說，盡管它們都具有一定的限滑能力，但結(jié)構(gòu)復雜、成本較高且不便于維修，而變傳動比限滑差速器相比較而言具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、使用方便等優(yōu)點，許多越野汽車在驅(qū)動橋中使用的都是變傳動比限滑差速器。因此總結(jié)越野汽車變傳動比限滑差速器研究現(xiàn)狀，分析其進一步的研究方向，對提升我國越野汽車的通過性具有重要意義。

2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

變傳動比限滑差速器是利用兩側(cè)半軸輪之間周期性的傳動比波動給差動運動造成一個勢壘，起到限制滑動的作用。在國外，美國Timken公司于20世紀30年代開始便將變傳動比差速器裝到載貨汽車驅(qū)動橋上。這種差速器的鎖緊系數(shù)通常在1.25-1.5范圍內(nèi)變化，與一些自鎖式差速器相比較，其鎖緊系數(shù)是最小的，不能滿足汽車越野行駛的需要，故至今僅用于一些普通載貨汽車上作為輪間差速器使用。從外表上看，該差速器與普通圓錐行星齒輪差速器相類似，所不同的是它有較少的齒數(shù)和特殊的齒形。

在國內(nèi)，對變傳動比限滑差速器的研究則起步較晚，直到1990年才由西安交通大學王小椿等人提出了變傳動比差速器的概念。其團隊在分析圓錐齒輪差速器合理的傳動比及齒面特點與形成原理的基礎(chǔ)上，通過齒形設(shè)計和齒輪齒廓修型的方法，使圓錐齒輪副傳動比能夠以周節(jié)為周期在一定范圍內(nèi)變化，研制出了單周節(jié)變傳動比限滑差速器。根據(jù)這種思想設(shè)計的差速器存在兩種缺陷：一是傳動比變化的周期過短，可能會出現(xiàn)沖擊或脈動的現(xiàn)象：二是傳動比變化幅度較小，無法達到越野汽車的要求。2001年，王小椿等人經(jīng)過不斷改進，終于在單周節(jié)變傳動比差速器的基礎(chǔ)上研發(fā)出了性能更加出色的三周節(jié)變傳動比限滑差速器。這種差速器的行星齒輪及半軸齒輪齒形較為特殊，分為高齒和低齒，三個齒為一組，利用兩半軸輪之間周期性的傳動比變化給差動運動造成一個勢壘。該設(shè)計顯著增大了差速器的鎖緊系數(shù)，改善了齒輪嚙合性能，并延長了差速器的壽命。

2003年軍事交通學院賈巨民教授及其團隊為了克服王小椿等人設(shè)計的差速器中的缺陷，研制出了一種新的變傳動比限滑差速器。這種差速器使用一種全新的非圓錐齒輪副，在行星輪整圈區(qū)間內(nèi)設(shè)置其傳動比變化規(guī)律，這樣可以擴大其數(shù)值變化范圍，從而提高差速器的鎖緊系數(shù)，同時減小脈動和沖擊，達到汽車越野要求，這種類型的差速器現(xiàn)已經(jīng)使用在了我軍自主研制的二代勇士越野車上。由于非圓錐齒輪設(shè)計復雜，為簡化計算難度，賈巨民同時針對非圓錐齒輪副的設(shè)計提出了一種新方法：首先利用保測地曲率映射原理將球面節(jié)曲線展開成平面當量節(jié)曲線；然后依據(jù)非圓齒輪設(shè)計方法對齒形進行設(shè)計和計算，得到平面當量齒形；最后將平面當量齒形重新映射回球面，完成對非圓錐齒輪的設(shè)計，該方法通過將空間齒形設(shè)計轉(zhuǎn)化為平面齒形設(shè)計，極大地簡化了非圓錐齒輪副設(shè)計的難度，缺陷是這種方法是一種近似方法，存在一定程度上的原理誤差，無法對設(shè)計出的非圓錐齒輪進行精加工。2012年賈巨民教授在其研制的非圓錐變傳動比限滑差速器的基礎(chǔ)上，又提出了一種改進型的變傳動比限滑動差速器。該差速器行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)之比為1：2，傳動比以行星齒輪轉(zhuǎn)一圈為一個變化周期，突破了齒數(shù)與周節(jié)的限制，可以最大限度地提高傳動比的變化幅值（達到土40%），增大了差速器的鎖緊系數(shù)，可以顯著提高車輛的越野性能。賈巨民教授設(shè)計的一系列非圓錐齒輪副差速器的主要缺陷是由于需要在非圓錐齒輪副中心打孔讓驅(qū)動軸穿過，會導致齒輪副強度下降，出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象，因此這種差速器無法應用到重型越野車輛中。

3未來研究方向

通過對越野汽車變傳動比限滑差速器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析，可以總結(jié)出能夠?qū)嶋H應用的變傳動比限滑差速器至少要滿足傳動比的變化范圍要足夠克服打滑的影響，傳動比變化周期不能太短，差速器中的齒輪副必須具有一定的強度避免斷齒，需要盡可能避免脈動和沖擊等基本要求。以上幾個方面現(xiàn)階段研究中亟待解決的問題主要有如何進一步簡化非圓錐齒輪的設(shè)計，如何提升變傳動比限滑差速器齒輪副強度以適應重型越野車輛的要求避免斷齒等。針對上述問題，可以分析出越野汽車變傳動比限滑差速器進一步的研究方向：

一是研究提升變傳動比限滑差速器非圓錐齒輪副強度的方法，滿足重型越野汽車需求。提升錐齒輪副強度的一般利用齒廓修形、增大齒厚等方法改善齒面嚙合性能，減少沖擊與脈動，減小單位面積內(nèi)輪齒承受應力等；也可以通過齒形設(shè)計，如直齒輪改為螺旋齒和弧齒，漸開線齒形改為其他曲線齒形等（例如擺線）：還可以通過重新設(shè)置齒輪副節(jié)曲線相關(guān)參數(shù)，改變相互嚙合的非圓錐齒輪副的齒數(shù)之比等方法提升強度。

二是研究非圓錐齒輪副的設(shè)計與加工方法。非圓錐齒輪的設(shè)計方法復雜，計算繁瑣。雖然賈巨民等學者通過保測地曲率映射將空間齒輪設(shè)計轉(zhuǎn)化為了平面當量齒輪設(shè)計，夏繼強等人提出一種基于球面嚙合理論，在傳動比關(guān)系與軸間夾角給定的情況下完成對非圓錐齒輪副的齒形設(shè)計及三維建模，但是其設(shè)計仍然繁瑣，亟待進一步簡化。而為了便于非圓錐齒輪副限滑差速器應用于制造更精密的越野汽車上，還應研究類似于柱齒輪磨齒精加工之類的能夠讓非圓錐齒輪進行精加工的方法。

三是研究新的差速器齒輪副結(jié)構(gòu)形式。變傳動比限滑差速器能夠起到限制滑動作用的根本原因是在于具有特殊齒形的變傳動比非圓錐齒輪副將促使差速器中的行星輪偏離平衡位置，而使分配到快轉(zhuǎn)輪和慢轉(zhuǎn)輪上的扭矩不等（快轉(zhuǎn)輪上的小，慢轉(zhuǎn)輪上的大），從而增大了差速器的鎖緊系數(shù)，起到了防滑的作用。因此，從理論上講能夠傳遞相交軸變傳動比，具有特殊齒形的空間齒輪副機構(gòu)都能夠作為變傳動比限滑差速器的核心構(gòu)件，不一定非要使用非圓錐齒輪副。探究其他傳遞空間相交軸變傳動比的齒輪副機構(gòu)是否能夠滿足越野汽車限滑差速器所要求的緊縮系數(shù)、結(jié)構(gòu)強度和尺寸大小等基本要求，可能是變傳動比限滑差速器取得進一步突破的關(guān)鍵。

上述三個方面可能是越野汽車變傳動比限滑差速器未來進一步的研究方向，其研究成果將對提升我國越野汽車防滑性能，增強通過性具有重要意義。

4結(jié)語

（1）介紹了差速器的概念與分類，說明了研究越野汽車變傳動比限滑差速器的重要意義。（2）詳細分析了越野汽車變傳動比限滑差速器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)了現(xiàn)階段我國越野汽車變傳動比限滑差速器研究存在的問題。（3）根據(jù)研究中存在的問題為越野汽車變傳動比限滑差速器進一步的研究指明了方向，對提升我國越野汽車通過性具有一定的參考價值。