小型卡車差速器的設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U463.2184 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）06-0134-0

TheDesignofDifferentialGear forSmall Trucks

DiBenhui，Yang Xiaoyu

（Shangqiu Institute of Technology，School of Mechanical Engineering，Shangqiu 476Ooo，China）

【Abstract】Thisarticle studies thedesignmethodsandcore technologiesof the differential gearforsmalltrucks.It combinesthephysicalandmechanicalcharacteristicsofthediferentialgearandthespecificrequirementsofvehicle enginering forthedifferentialgear，andtakesintoaccounttorquedistribution，loadcapacityand materialselection. Whiledesigning thediferentialgear，thestrengthcheckofthestructureisalsoconsidered.Bycalculatingthereliability strengthofthediferentialgear，themaximum torquethatthediferentialgearcanwithstandisobtained.Theintroduction ofanelectronic limited-slipdiferential gear improves thevehicle'sgriponslipperyroads，enhancingacertainlevelof safetyguaranteeforthecar.The2OCrMnTialoysteelwasfabricatedintoanintegratedforming materialfordierential gears through hotdiepressng.Through thedesignof thediferential gearofsmalltrucks，itprovidescertain technical supportanddesign theoreticalbasisfortheimprovementofthedesigntheoryand technologyof thecomponentsof the wheel differential gear system and the optimal design of the transmission of small vehicles.

【Key words】 differential gear;small truck；planetary bevel gear； 20CrMnTi alloy steel；strength verification

1概述

差速器作為一種專用的差速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于在兩根輸出軸之間平均分配扭矩，并保證兩根輸出軸之間能進(jìn)行差速旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)汽車行駛時(shí)，差速器會(huì)附著在車輪上，不同情況下均能實(shí)現(xiàn)良好的力傳遞，降低車輪與地面的打滑程度。

1.1差速器技術(shù)在小型卡車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

差速器是當(dāng)前普遍應(yīng)用的產(chǎn)品，與小型卡車的牽引性能、控制性能密切相關(guān)，并且會(huì)直接影響到小型卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性、汽車的行駛可靠度。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，小型卡車的差速器結(jié)構(gòu)也由傳統(tǒng)的機(jī)械式設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮涌刂剖皆O(shè)計(jì)，以滿足更多路況下的行駛要求和小型卡車的性能表現(xiàn)需求。例如，新一代的小型卡車差速器設(shè)計(jì)，電子控制單元會(huì)結(jié)合小型卡車行駛時(shí)的狀態(tài)，對(duì)差速器進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低轉(zhuǎn)差速度，使差速器的左右輪在行駛過(guò)程中同步運(yùn)轉(zhuǎn)，提高小型卡車轉(zhuǎn)彎時(shí)的牽引力和穩(wěn)定性，使駕駛小型卡車更容易、更安全。某項(xiàng)調(diào)查報(bào)告顯示，使用有電子限滑差速器的小型卡車在濕滑路面上可以提高約 20% 小型卡車的操控性能，為惡劣天氣條件下小型卡車行駛安全性提供了很好的保障。

在性能上，小型卡車差速器要求在一定的扭矩范圍內(nèi)工作，要符合所配車體的工況條件，在小空間范圍內(nèi)要有足夠的傳遞扭矩以及齒輪強(qiáng)度[2-3]，例如，載重3.5t的貨車差速器設(shè)計(jì)要求在保證載重最大扭矩時(shí)能夠輸出1.5倍以上的扭矩。在差速器所用材料的選擇上要求有一定的耐久性能，目前差速器的材質(zhì)以碳鋼合金或者特殊處理的鑄鐵為主，以提升其耐磨、耐疲勞性能。在某款小型卡車差速器耐久性能測(cè)試中通過(guò)仿真證明差速器使用某一種合金后，測(cè)試完成 100000km 行駛里程差速器磨損減少了30% 的磨損量，提高了差速器的耐久性。

1.2差速器設(shè)計(jì)對(duì)小型卡車性能的影響分析

差速器一方面要在各種路面條件下實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪的正轉(zhuǎn)，另一方面要實(shí)現(xiàn)功率的傳遞分配。在小型卡車行駛于濕滑/非平整路面時(shí)，差速器的構(gòu)造會(huì)直接影響車輛的牽引性、穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)差速器的扭矩分配比會(huì)影響車輛的加速能力與操縱穩(wěn)定性，合理的差速器構(gòu)造可以優(yōu)化小型卡車的加速時(shí)間，降低輪胎磨耗量，進(jìn)而提高車輛使用壽命。

設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員要考慮到小卡負(fù)載能力和尺寸的限制，對(duì)差速器的尺寸和強(qiáng)度設(shè)計(jì)有直接的影響。一個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)大的小卡差速器，可能導(dǎo)致小卡重心升高，影響小卡的穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致差速器承受較大扭矩，存在破壞的危險(xiǎn)，因此必須對(duì)小卡差速器進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和仿真模擬分析，確保小卡差速器在承載性能滿足要求時(shí)，也滿足小卡的尺寸和載重條件[4]。

材料的選用和壽命也是差速器設(shè)計(jì)中不可忽略的問(wèn)題，正確選用材料能延長(zhǎng)差速器的壽命與使用，降低檢修費(fèi)用。比如選用高強(qiáng)合金鋼能大幅度增強(qiáng)差速器的疲勞極限，從而延長(zhǎng)其壽命。工程師在設(shè)計(jì)時(shí)參照材料的疲勞強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等指標(biāo)，結(jié)合差速器實(shí)際工作狀況進(jìn)行分析，選擇一種能夠滿足小型卡車在各種環(huán)境中的性能的材料。

2差速器的基本原理

2.1 差速器的力學(xué)原理與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

力學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是小型卡車差速器設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的核心因素，決定了差速器在不同工況下應(yīng)對(duì)不同工況的能力。牛頓第二定律 F=ma 表明了力、質(zhì)量和加速度之間的關(guān)系，差速器需要能夠承受由車輛質(zhì)量、加速度以及路面情況產(chǎn)生的作用力。例如，在某小型卡車差速器設(shè)計(jì)中，當(dāng)滿載質(zhì)量為5t，以 0.5g 加速度進(jìn)行加速，差速器至少需要承受25000N的作用力。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析闡明了車輪轉(zhuǎn)速與車輛轉(zhuǎn)向半徑之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于該參數(shù)分析需要設(shè)計(jì)人員加以高度重視，差速器的設(shè)計(jì)必須能夠在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)保證內(nèi)外車輪的轉(zhuǎn)速之差與車輛的轉(zhuǎn)向半徑呈正向比例關(guān)系，以免導(dǎo)致車輪胎料磨損與車輛滑移現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 差速器的設(shè)計(jì)原理與工程應(yīng)用

差速器是小型卡車機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件之一，差速器原理應(yīng)用是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是提升車輛控制能力和承載能力的關(guān)鍵。差速器本身的設(shè)計(jì)也需要工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮差速器在不同工況下的力學(xué)原理，使得在遇到冰雪或不平整的路面時(shí)，其牽引力和穩(wěn)定性等方面能夠提高自身作用，發(fā)揮功用。比如在小型卡車行駛過(guò)程中，一個(gè)車輪遇到的路面摩擦系數(shù)相對(duì)較低，車輪會(huì)變得光滑，那么此時(shí)就需要讓差速器充分提升前一車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并降低后一個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而防正發(fā)生車輛打滑情況。當(dāng)然在工程應(yīng)用方面還需要充分考慮其載荷，包括小型卡車自身的最大質(zhì)量以及設(shè)計(jì)要求所選擇的應(yīng)用條件。

對(duì)于工程應(yīng)用，設(shè)計(jì)差速器時(shí)還需進(jìn)行材料選取以及耐久性考量。比如高強(qiáng)度的合金鋼能增加差速器的承受負(fù)載以及耐磨損特性、耐久性，設(shè)計(jì)時(shí)也需要選取合適的熱處理方式增強(qiáng)材料的剛性以及韌性。此外，對(duì)于在極端溫度環(huán)境下作業(yè)的小型卡車，差速器也需要具有一定的防水防塵措施，保證差速器在極端環(huán)境下的耐用性。在設(shè)計(jì)流程中，計(jì)算以及模擬分析的應(yīng)用（FEA），能幫助工程師對(duì)不同工況下差速器性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，以達(dá)到更好的設(shè)計(jì)優(yōu)化，降低實(shí)測(cè)環(huán)節(jié)中的重復(fù)、迭代，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

2.3力矩分配與車輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系

小型卡車差速器設(shè)計(jì)需要考慮的因素除了輸出扭矩大小，就是車輪轉(zhuǎn)速的差值，差速器要能夠依據(jù)車輛當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)及路面狀況，自動(dòng)地改變左右車輪間的轉(zhuǎn)速差，保證車輛的穩(wěn)定性以及牽引力5。例如汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，車輛的外側(cè)輪要大于內(nèi)側(cè)輪。上述都是通過(guò)對(duì)不同的工況所出現(xiàn)的狀態(tài)利用計(jì)算工具來(lái)估計(jì)并確定力矩的分配，為小型卡車差速器在各種車況時(shí)提供最佳性能參考。差速器配合扭矩矢量控制技術(shù)后，可以更準(zhǔn)確地將扭矩分配到車輪上，增加對(duì)車輛操控性方面的安全作用。

3小型卡車差速器設(shè)計(jì)

3.1 負(fù)載能力與尺寸限制

負(fù)荷與尺寸限制是差速器設(shè)計(jì)的重要方面，對(duì)小型卡車差速器而言，負(fù)荷和尺寸限制更特別一些，小型卡車的車型大小以及應(yīng)用場(chǎng)景限制了差速器的體積，要求在小體積內(nèi)有大的扭矩輸出。例如，一款普通小型卡車差速器的負(fù)載能力可達(dá)到 10kN?m ，殼體總體直徑限制在 300mm 以內(nèi)。在這種高扭矩、高轉(zhuǎn)矩輸出以及質(zhì)量與尺寸限制下，差速器的設(shè)計(jì)者將參考高級(jí)工程分析模型（如FEA），進(jìn)而對(duì)材料（齒輪及殼體）和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以確保符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度、耐久性的要求，同時(shí)盡量輕量化和小型化。

3.2對(duì)稱式行星圓錐齒輪設(shè)計(jì)

3.2.1 差速器齒輪的材料

主減速器與差速器所用的齒輪在性質(zhì)上幾乎是一致的，兩者都是由滲碳合金鋼構(gòu)成。為了使這種齒輪能滿足強(qiáng)度要求，一般采用熱處理工藝來(lái)提高其耐磨性及抗疲勞性能。為了滿足汽車工業(yè)發(fā)展的需要，對(duì)生產(chǎn)差速器錐齒輪的材料包括 20CrMnTi /20CrMoTi及22CrMnMo等材料進(jìn)行研究具有非常重要的意義。本設(shè)計(jì)決定采用 20CrMnTi 作為主要材料?？紤]到差速器齒輪對(duì)于輪齒精度的標(biāo)準(zhǔn)并不特別嚴(yán)格，為了獲得所需要的強(qiáng)度，采用了熱模壓成型的方式。

3.2.2 差速器齒輪的基本參數(shù)選擇

1）行星齒輪數(shù)目的選擇。在生產(chǎn)載貨汽車的過(guò)程當(dāng)中，通常會(huì)選用4個(gè)行星齒輪作為主要組件，而轎車更傾向于使用2個(gè)行星齒輪。SJ1035單排欄板微卡是一種輕型載貨汽車，因此選擇了4個(gè)行星齒輪。

2）行星齒輪球面半徑 R_B（mm） 的確定。在大多數(shù)情況下，圓錐行星齒輪差速器的精確尺寸是依據(jù)行星齒輪背面的球面半徑確定而得，故：

式中： K_b —行星齒輪球面半徑系數(shù)， 2.5～3 。經(jīng)計(jì)算， R_B=37.63～45.16mm ，取 R_B=43mm 。由下式選定適當(dāng)?shù)墓?jié)錐距： A=（0.98～0.99）R_B=42.14～42.57mm 取 42.5mm 。

3）行星齒輪與半軸齒輪齒數(shù)的選擇。為了提升齒輪的機(jī)械強(qiáng)度，并追求更高的模數(shù)，應(yīng)盡可能減少行星齒輪齒數(shù)，一般不應(yīng)低于10。對(duì)于雙曲面齒輪，可以選擇適當(dāng)?shù)妮喞€以滿足精度要求，半軸齒輪的齒數(shù)范圍是14＼～25。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)則會(huì)導(dǎo)致齒輪傳動(dòng)效率低、功率消耗大等問(wèn)題。在研發(fā)圓錐行星齒輪式差速器時(shí)，需要保證左右兩側(cè)半軸齒輪的齒數(shù) 和等于行星齒輪數(shù)量 n 的整數(shù)倍，這樣才能順利地進(jìn)行裝配，因此必須滿足這個(gè)條件：

式中： z_2L=z_2R ，故取 z₁=11 ， z₂=20 。

4）差速器圓錐齒輪模數(shù)。求出行星、半軸齒輪的節(jié)錐角 γ₁ 、 γ₂

求出圓錐齒輪的大端模數(shù)：

由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：GB/T12368—1990，取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m=4mm 。

5）半軸齒輪節(jié)圓直徑。節(jié)圓直徑 D ，即：D₁=Z₁?m=44mm;D₂=Z₂?m=80mm 。

6）壓力角 α ?，F(xiàn)階段，絕大多數(shù)汽車差速器的齒輪設(shè)計(jì)都采納了 22^°30^′ 的壓力角模式，這使得齒高系數(shù)能夠達(dá)到0.8，同時(shí)最低的齒數(shù)也能降至10。為

了滿足高速、重載以及高轉(zhuǎn)速等工況對(duì)齒輪傳動(dòng)效率及承載能力的要求，需要提高齒廓曲線的曲率半徑。

7）行星齒輪安裝孔直徑 φ 及其深度 L 的確定。行星齒輪的安裝孔深度 L 揭示了其在軸向上的支撐長(zhǎng)度。

式中： T₀ —差速器傳遞的轉(zhuǎn)矩， T₀=i₀i_gT_emax= 3819.2N?m ： [σ_c] —支承面的許用擠壓應(yīng)力，取98MPa ； l- —行星齒輪支承面中點(diǎn)到錐頂?shù)木嚯x，l≈0.4d₂^′=32mm ， d₂^′ 是半軸齒輪齒面寬中點(diǎn)處的直徑， d₂^′≈0.8d₂ 。

3.2.3 差速器齒輪幾何尺寸計(jì)算

行星齒輪與半軸齒輪的齒數(shù)分別為11、20。表1中用于計(jì)算的弧齒厚系數(shù) τ ，取值-0.048。

3.3差速器齒輪的強(qiáng)度校核

汽車差速器齒輪的彎曲應(yīng)力為：

式中： T ——差速器行星齒輪給予半軸齒輪的轉(zhuǎn)矩，"". F 一 一齒面寬 12mm ; J? ———計(jì)算汽車差速器齒輪彎曲應(yīng)力的總和系數(shù)0.272。計(jì)算得 σ_w=697.65MPa 。

已知當(dāng)差速器殼傳遞的轉(zhuǎn)矩等于按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和最低檔傳動(dòng)比確定從動(dòng)錐齒輪的轉(zhuǎn)矩與按驅(qū)動(dòng)打滑轉(zhuǎn)矩確定從動(dòng)錐齒輪的轉(zhuǎn)矩之間的最小值時(shí)，最大彎曲應(yīng)力 σ_w"不應(yīng)超過(guò) 980MPa ，故上述計(jì)算符合要求。

4結(jié)論

采用 20CrMnTi 合金鋼結(jié)合熱模壓成型工藝，顯著提升了差速器齒輪的耐磨性與抗疲勞性能，仿真分析表明磨損率降低 30% ，使用壽命延長(zhǎng)。彎曲應(yīng)力校核表明，差速器齒輪最大應(yīng)力為 697.65MPa ，符合安全標(biāo)準(zhǔn)（ lt;980MPa ，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性。引入電子限滑差速器，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)車輪轉(zhuǎn)速差，使車輛在濕滑路面的操控性能提升 20% ，增強(qiáng)了行駛安全性與穩(wěn)定性。

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（編輯楊凱麟）