越野汽車限滑差速器特點及應用研究

王白王　譚曉明　馬鵬

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。在此基礎上，總結了國內外常用越野汽車限滑差速器近年來的最新應用情況與研究成果，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 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.12.018

Study on the Characteristics and Application of Off-road Car Automobile Limited - slip Differential

WANG Baiwang， TAN Xiaoming， MA Peng

（Graduate School Management Team of Military Traffic College， Tianjin 300161）

Abstract This paper introduces the reasons why the off-road vehicle needs to use the limited slip differential， and analyzes the characteristics of the limited slip differential of the commonly used off-road vehicles， such as high friction type， variable transmission ratio and electronic antiskid system. On this basis， summarizes the commonly used off-road vehicle VLSD latest application in recent years and research results， to further enhance the international performance of slip differential has a certain reference value.

Keywords off-road car； limited slip differential； vehicle passability

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，應盡量使車輪做純滾動，減少滑動。但當汽車轉彎或在不平路面行駛時，兩側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生滑動，使得車輛行駛性能降低。因此，同一驅動橋的兩側車輪需要使用兩根半軸分別進行驅動，使左右車輪能夠以不同的速度轉動，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。當一側車輪位于附著系數(shù)較小的地面時，雖然另一側車輪與地面附著系數(shù)良好，也無法有效利用汽車所能達到的牽引力，導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)相當于無窮大，這樣能使得汽車充分利用兩側車輪的附著力，使牽引力增加到最大。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生滑轉的驅動輪，以利用該輪的附著力而產生充足的牽引力，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動時的內摩擦來提高差速器的鎖緊系數(shù)，其實用的結構大致有三種：內摩擦式限滑差速器、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動的阻力矩。其可分為有彈簧預載和無彈簧預載兩類：其中有彈簧預載式的差速器其差動阻力矩基本上為常數(shù)，與驅動橋的輸出扭矩大小無關，因此車輛在輕載下轉向時，外側車輪產生的牽引力為負，既降低了車輛的動力，又增加了輪胎的損耗；非預載式差速器需要在半軸后疊加多個摩擦片，才能達到所需的鎖緊系數(shù)，而且其結構不緊湊。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)，技術已經比較成熟，在國外廣泛應用于越野車、高級轎車和工程機械上，其缺點是結構比較復雜，價格較高。

滑塊凸輪式差速器是一種高摩擦自鎖式差速器，其利用內摩擦力矩提升緊鎖系數(shù)，[1]特點是轉矩經由傳動軸經過軸間差速器分配給驅動橋中橋錐齒輪和后橋傳動軸。由于滑塊與內外凸輪間產生了較大的摩擦力矩，使得慢轉的驅動輪上得到比快轉的驅動輪上更大的扭矩，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)能達到0.5～0.7，可以極大提升越野汽車的通過性，但其構造較為復雜，加工難度大，又由于依靠摩擦限滑，因此構件損耗較大。

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用于重型車輛上的問題，但是其結構復雜，制造困難，成本很高。endprint

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)測兩半軸的轉動速度和方向盤的轉角來計算兩側車輪的轉速比。若兩側車輪運行過程中實際的轉速比與理論設定值之差超過給定的誤差范圍，汽車便自動通過ABS對轉速偏高的車輪進行一定程度制動，使兩輪的轉速比保持在系統(tǒng)設定的最佳值附近。此類防滑系統(tǒng)工作平穩(wěn)，控制準確，對汽車轉向操作沒有影響。但是由于其是通過制動快轉輪來增加慢轉輪的扭矩，而不像其他種類的防滑差速器，是通過將快轉輪上的扭矩轉移到慢轉輪上以防止快轉輪產生滑動。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)復雜，容易出現(xiàn)故障，在先階段技術條件下維護困難。

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動橋總體結構的情況下，利用兩側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件，可以解決圓錐齒輪差速器中容易產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，其設計繁瑣復雜，無法進行磨齒精加工，導致變傳動比限滑差速器無法應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，在其底座設計汽車驅動軸穿孔時，使得非圓錐齒輪副強度下降，容易產生斷齒現(xiàn)象，導致其無法應用于重型越野汽車的傳動中。

2 越野汽車限滑差速器國內外應用現(xiàn)狀

2.1 扭矩差感應式限滑差速器

扭矩差感應式限滑差速器是指限滑轉矩大小取決于差速器的輸入轉矩的差速器。為增大差速器的內摩擦力矩，可以在其結構中加裝摩擦構件，形成一種具有摩擦構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件的差速器，該差速器在行星輪的背面固定有一個摩擦構件——球面凸緣，極大地增大了內摩擦力矩。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用范圍很廣，主要構件包括差速器殼、滑塊及內外凸輪等。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，并保持良好的轉向性能。但此類差速器結構較復雜，對成型、材料、化學處理、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用在載貨汽車、越野汽車以及道路牽引車上，可以應對各種復雜的路面環(huán)境，當前應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、結構緊湊，不但能自動防滑，而且還可以根據(jù)轉彎半徑和路面行駛條件的不同自動調整鎖緊系數(shù)。但當遇到轉矩差較大的情況時，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向驅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，將驅動轉矩合理的分配到汽車的各個驅動輪上，最大限度地提升車輛的驅動性能、通過性能及安全性能。目前，應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)十分復雜，維護困難，一定程度上限制了它的應用。但隨著技術的發(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 轉速差感應式差速器

粘性限滑差速器主要由單排圓柱行星齒輪機構及粘性離合器構成。二十世紀七十年代初，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。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用到汽車傳動系中。這種差速器的內摩擦力矩由左、右半軸間的轉速差確定，轉速差增加則內摩擦力矩變大，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、制動及轉彎等方面的性能。

2.4 國內研究現(xiàn)狀

國內對限滑差速器的開發(fā)研究起步比較晚，基礎較為薄弱，始于上世紀八十年代，最初只有同濟大學、吉林大學等對其傳動原理、構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，西安交通大學張社民等人使用雙曲柄滑塊機構替代普通差速器，該結構可以使左右兩車輪的轉矩比達到1.96。2003年，吉林大學的LSD課題組研制出了電機驅動式限滑差速器，推動了主動控制式限滑差速器在國內的研究進程。同年，軍事交通學院賈巨民教授及其團隊研制出一種新型自適應變速比限滑差速器。目前，限滑差速器已經被使用在許多國產汽車上，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 結語

由上文分析可以看出，現(xiàn)階段國內汽車限滑差速器水平還遠遠不如國外，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。

參考文獻

[1] 毛嘯滇.防滑差速器的應用研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2006.

[2] 姜虹，王小椿.三周節(jié)變傳動比限滑差速器性能分析及試驗研究[J].工程機械，2006.12：19-22+1.

[3] 侯運豐.托森差速器的傳動特性分析[J].機械設計，2008.3：33-35.

[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，2003.

[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].汽車工程，2003.25（5）：498-500.

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[7] 王云成，王建華，付鐵軍，張寶生.主動控制式限滑差速器結構分析及其性能評價[J].汽車技術，2008.7：35-38，43.

[8] 王云成，王建華，謝飛，張寶生.電控限滑差速器對汽車動力性的影響[J].吉林大學學報（工學版），2008S1：18-22.endprint