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1、现有技术介绍因为车辆在行驶过程中两侧车轮或前后轮轴的转速可能不同，所以车辆都需 要一种装置，能够自动将发动机输出的动力分配到转速不同的两个车轮或车轴上 提供这样最基本功能的装置，就是现在最广泛使用的开放式差速器。它使用一组 随驱动轴一起，沿从动轴方向公转的行星齿轮来传递动力，同时又利用行星齿轮 的自转来允许两侧从动轴有转速差，提供差速功能。在这样的开放式差速器作用 下，从一个驱动轴输入的动力经过差速器变成了从两侧从动轴输出的动力，但是 这样开放式差速器有几个特点：第一是两侧从动轴的转速可以自由变化，这是根 据两侧的最小阻力转速来决定的，即在这样的转速下，这一侧的从动轴所受阻力 最小，不论提高或
2、是降低转速，从动轴所受阻力都会显著增大，即需要增加驱动 轴向从动轴分配的动力。第二是两侧从动轴分配的动力的扭矩是成固定比例的， 这个比例与和行星齿轮啮合的从动轴上的齿轮的规格有关。即在开放式差速器工 作时，任何时候某一从动轴输出扭力的大小是与驱动轴和另一侧从动轴所受阻力 有关系的，这一侧的从动轴输出的动力需要增大，那另一侧从动轴的转动阻力和 驱动轴的扭力输入也要同步增大才行，也即是说，一侧从动轴的阻力减小，也会 使得另一侧从动轴的扭力减小。正是因为开放式差速器的上述两个特点，开放式 差速器在高效地为车辆行驶时传递动力和轮间、轴间差速的同时，不可避免的也 会因为一侧车轮出现打滑而造成动力向打滑侧
3、车轮流失，而非打滑侧的车轮的动 力却显著降低，使车辆出现丧失动力困车甚至失控的现象。深入分析这样的情况 我们会发现，当车辆正常行驶时，地面附着力良好，轮胎在地面上的静摩擦力足 够大，没有相对滑动，驱动力等比例地传递到车轮上。但是因为一些路面原因， 比如泥泞或者路面起伏造成车轮打滑悬空，或者因为一些行驶原因，比如高速转 向，重心转移和侧向支撑力过大，突破某一车轮的静摩擦力极限出现滑动，某一 侧从动轴会出现阻力显著降低的情况。开放式差速器会因为这一侧从动轴出现阻 力降低的情况而使得另一侧从动轴的驱动力也降低，这种情况可能造成动力流失 而困车的窘境。并且因为在这样的情况下驱动轴的动力出现过盈，阻力降
4、低的一 侧的从动轴会加速旋转，这样的加速更加不利于阻力降低一侧从动轴的阻力恢复 甚至在高速行车时会造成车辆的彻底失控。我们将开放差速器的这一现象成为开 放差速器的滑动现象。正是因为上述的这些情况，装备开放式差速器的汽车虽然正常行驶时不会出 现问题，但车辆功能性和操控性却有不足，性能有限而无法面对某些极限情况。 为了克服这些问题，各个厂商推出了各式各样的改进差速器和差速锁。我们就比 较常见的几种来做简单对比。现在奥迪等厂商广泛使用托森差速器常作为四驱车 辆的中央差速器。托森差速器是通过扭力感应的原理，利用蜗轮和蜗杆相互匹配 使得两侧从动轴扭力分配不是绝对的固定比例，而是有一个根据从动轴所受阻力
5、即从动轴上扭力来自动变化的范围。托森差速器减少了困车和失控的情况，但托 森差速器也有弊端。比如，蜗轮蜗杆的结构对材料强度和润滑的要求非常高，成 本和技术要求都很高；托森差速器虽然能够自动分配两侧从动轴的驱动力，但范 围有限，如果一侧出现严重的附着力流失，或完全失去附着力，即所受阻力接近 于零，托森差速器仍然无能为力；另外因为托森差速器结构复杂、体积庞大，既 局限了托森差速器的应用范围，也使得车辆性能受到重量影响而降低。伊顿公司 出品了一种名为伊顿差速锁的装置。伊顿差速锁是在普通开放式差速器的基础上 加装了锁止装置，在车辆低速行驶的情况下，当两侧从动轴的转速出现较大差距 时，伊顿差速锁会锁止两侧
6、的从动轴，强行使得两侧从动轴转速差为零。伊顿差 速锁高效简便的克服了车辆某一车轮出现打滑而动力流失并困车的情况。但其缺 点也显而易见，伊顿差速锁的工作原理是出现打滑后，非打滑侧动力流失、打滑 侧转速加速，再强行锁止差速器的差速功能达到脱困目的。这样的原理反应速度 慢，在某些极限条件下可能仍无法让车辆脱困，并且因为强行锁止差速器，对结 构强度和行驶性能会产生较大影响，应用范围有限。还有一些限滑差速器，其原 理大致都一样，即是通过加大两侧从动轴相对转动的阻力，限制行星齿轮自转， 即加大差速阻力来达到一定程度上限制车辆高速行驶时一侧车轮失控打滑，驱动 力流失打滑车轮加速旋转，加剧失控的情况。但同时该
7、差速器会使得车辆在正常 行驶时差速阻力增大，转向性能降低。另外还有各种各样通过电子原理的差速锁 他们也都是为了克服开放式差速器的上述问题而诞生的，但也不可避免的有一些 反应速度慢，功能有限的问题。机械防滑差速器原理介绍综上所述，现在市面上的差速器和差速锁虽然相对于开放式差速器有一些优 点，但各种差速器其实都有各自的不足，并不是理论上完美的差速器。完美的差 速器应该是在普通情况下，两侧从动轴的驱动力根据比例分配，在出现滑动的情 况下根据附着力即阻力的变化及时自动地减小滑动侧的扭力，并且不影响非滑动 侧的扭力分配或能加大非滑动侧的扭力分配。其实有一简单的模型就能实现这样的目的：图1如图一所示，A、
8、B、C为可自由旋转的齿轮，A与B, A与C相互啮合。A、B、 C的轴只可沿Y方向垂直于水平面上下运动。A与B的轴心连线同A和C的轴心连 线与水平面的夹角均为a。B和C的自转扭矩K与轴心垂直方向的支撑力F满足一 个公式，F=K*r*cosa。即 Fb=Kb*rb*cosa, Kb 的正方向为逆时针方向，Fc=Kc*rc*cosa, Kc的正方向为顺时针方向。当A受力Fa向下运动，B和C根据自己的运动特性， 会产生Fb和Fc的支撑力，Fb=Fc=1/2Fa，整个系统平衡。当Fa持续增大，Fb和Fc 也会持续等比例增大，假设C齿轮的支撑力Fc最大只能达到Fcmax的值，C的扭 矩最大只有Kcmax。
9、当Fc达到Fcmax后，Fa继续增大，A齿轮就会顺时针旋转并 且掉落， B 齿轮也会逆时针旋转并掉落。整个系统崩溃。但是，如果我们加入一个 条件：B和A的轴心在水平方向的作用力会产生一个对他们的垂直方向的一个作 用力。即B向左侧的力会对B产生一个向上的力Fb2, A向右侧的力会对A产生一 个向上的力Fa2。加入这个条件后，Fc小于Fcmax时，情况不变，整个系统平衡。 当Fc等于Fcmax后，Fa继续增大，A齿轮出现顺时针旋转并掉落的趋势，但这样 的趋势同时会产生A向右侧的挤压力，该挤压力对A产生了一个向上的力Fa2,同 样，B齿轮也会出现逆时针旋转掉落的趋势，但这样的趋势同样会产生B向左侧的
10、 挤压力，该挤压力对B产生了一个向上的力Fb2。只要产生的Fa2和Fb2的和等于 或大于当Fc等于Fcmax之后Fa继续增大的值，系统仍将平衡。现在我们将刚刚看 到的图 1 画到纸上，将纸上下对卷起来，刚好可以用在本文的机械防滑差速器的 原理介绍中。C齿轮则是打滑侧齿轮，当C齿轮侧打滑后，A和B会出现水平方向 的挤压力，该挤压力我们可以通过摩擦片的方式补偿成非打滑侧的扭力，这样即 是说差速器可根据需要，减小了打滑一侧的扭力分配，通过摩擦片扭力补偿的方 式，将多余的扭力传递到非打滑一侧继续工作。达到了完美差速器的要求。如图2所示， 1为差速器驱动壳体，驱动壳体1中间有主行星齿轮2， 2的两 侧分
11、别有两副行星齿轮3与之啮合， 3又与传动行星齿轮4啮合，传动行星齿轮4 主要起到反向的作用。 4与传动锥齿轮6共轴同转， 6与输出锥齿轮7啮合， 3、4、 6均安装在半轴托架5上， 5在1内可沿输出轴9方向自由旋转， 7安装在输出轴9 上，9 上固定有摩擦片 8 ，当主行星齿轮 2 对半轴托架 5 产生轴向挤压力时，半 轴托架 5 同时也会和 1一起挤压摩擦片 8 产生扭矩补偿作用。10 为差速器外壳。图3图 3 为差速器驱动壳体 1 上的主行星齿轮位置示意图，其中 K 是用作差速器反向工作时的卡隼，使差速器在反向工作时成为一普通开放式差速器。图4图 4 为差速器沿输出轴 9 和副行星齿轮 3
12、 轮轴的剖面图。图 5 为差速器沿主行星齿轮 2 轮面、副行星齿轮 3 轮面和传动行星齿轮 4 轮 面的剖面图。当差速器驱动壳体 1 转动，带动主行星齿轮 2 沿输出轴公转，主行星齿轮 2 推动副行星齿轮 3 公转，其中副行星齿轮 3，传动行星齿轮 4 和输出锥齿轮 6 相互 啮合并且均安装在半轴托架 5 上，通过合适的齿比设定，使得主行星齿轮 2 作用 在副行星齿轮 3 上的力产生的齿轮本身的自转扭矩和公转扭矩相互平衡，即主行 星齿轮 2 传递给副行星齿轮 3 的公转扭矩全部被传动锥齿轮 6 传递到输出轴上， 半轴托架 5 处于悬浮状态，传递的公转扭矩不会作用在半轴托架上。当然，实际 产品不
13、可能做到绝对的平衡，我们只需要将齿比设定到尽量接近平衡状态，并且 略微倾向于公转扭矩放大的状态，即图1示例中FbKb*rb*cosa。这样即是赋予差 速器略微的差速阻力，提高了差速器反应灵敏度和系统可靠性，也使得上述理论 具备可行性。当一侧出现滑动时，主行星齿轮因为齿轮的出现自转扭矩不平衡而 挤压非打滑侧半轴托架，半轴托架则会将这个力与驱动壳体 1 共同挤压摩擦片， 使得扭力直接传递到非打滑侧的输出轴上，整个差速器减小了打滑一侧的扭力， 并始终保持可能的附着力最大状态，并将多余的扭力分配到了非打滑的一侧。这 样的设计还非常容易判断打滑出现的位置，能为车辆其他电子系统提供准确迅速 地传感信号。只
14、要减轻半轴托架上的总质量，就能够提高差速器的灵敏度，差速器完全通 过机械方式工作，性能可靠，反应迅速。摩擦片的仅在出现附着力不足的时候短 时间工作，车轮打滑并且有差速的情况下才会对摩擦片有磨损，正常行驶下摩擦 片完全不工作，因此摩擦片的可靠性很高，整个差速器的使用寿命和传动效率也 极高。本机械防滑差速器能够实现 100%自动防滑，但当有差速的情况下转速较慢的 一侧出现滑动时上文介绍的差速器会出现短时间的失效，当打滑侧车轮加速到和 非打滑侧车轮相同的转速时即会停止滑动，因此在高速行车的某些特定情况下防 滑功能可能反应较慢。可以在摩擦片同输出轴之间加装相对于外壳的减速装置， 或者通过外部的电子系统感应滑动方向，克服这一现象。现在该机械防滑差速器设计已申请国家发明专利和实用新型专利。
