王白王　譚曉明　馬鵬

摘 要 文章介紹了越野汽車(chē)需要使用限滑差速器的原因，分析了高摩擦式、變傳動(dòng)比式和電子防滑系統(tǒng)等常用越野汽車(chē)限滑差速器的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外常用越野汽車(chē)限滑差速器近年來(lái)的最新應(yīng)用情況與研究成果，為進(jìn)一步提升我國(guó)限滑差速器性能具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 越野汽車(chē) 限滑差速器 車(chē)輛通過(guò)性

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(chē)輛在道路上行駛時(shí)，車(chē)輪相對(duì)地面進(jìn)行兩種運(yùn)動(dòng)，分別為滑動(dòng)和滾動(dòng)。為減少車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的摩擦、輪胎磨損及動(dòng)力消耗，應(yīng)盡量使車(chē)輪做純滾動(dòng)，減少滑動(dòng)。但當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎或在不平路面行駛時(shí)，兩側(cè)車(chē)輪移動(dòng)的距離不同，若連接兩輪的是一根剛性軸，那么行駛時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，使得車(chē)輛行駛性能降低。因此，同一驅(qū)動(dòng)橋的兩側(cè)車(chē)輪需要使用兩根半軸分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使左右車(chē)輪能夠以不同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，以盡可能地保證車(chē)輪作純滾動(dòng)。越野車(chē)輛需要在顛簸、泥濘、滑溜、松軟等路面甚至是無(wú)路地段行駛，這些地面附著系數(shù)較小。當(dāng)一側(cè)車(chē)輪位于附著系數(shù)較小的地面時(shí)，雖然另一側(cè)車(chē)輪與地面附著系數(shù)良好，也無(wú)法有效利用汽車(chē)所能達(dá)到的牽引力，導(dǎo)致汽車(chē)不能正常行駛。

為解決越野汽車(chē)可能出現(xiàn)的上述問(wèn)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(guò)差速器外殼和汽車(chē)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(dāng)于無(wú)窮大，這樣能使得汽車(chē)充分利用兩側(cè)車(chē)輪的附著力，使?fàn)恳υ黾拥阶畲蟆５遣钏冁i在進(jìn)入難行駛路段時(shí)需要人工操作鎖住，在良好路段若未及時(shí)將其松開(kāi)，汽車(chē)可能由于無(wú)差速作用而釀成事故，因此現(xiàn)代越野汽車(chē)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(chǎn)生滑轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)輪，以利用該輪的附著力而產(chǎn)生充足的牽引力，在一定程度上提升汽車(chē)在附著系數(shù)較小路面上的通過(guò)性。限滑差速器種類(lèi)很多，但是現(xiàn)代越野汽車(chē)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(dòng)比式限滑差速器。

1 越野汽車(chē)限滑差速器特點(diǎn)

1.1 高摩擦式限滑差速器

高摩擦式差速器通過(guò)增加差動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦來(lái)提高差速器的鎖緊系數(shù)，其實(shí)用的結(jié)構(gòu)大致有三種：內(nèi)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(nèi)摩擦式差速器在半軸的背面與差速器殼體之間通過(guò)加裝摩擦片來(lái)提高差動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力矩。其可分為有彈簧預(yù)載和無(wú)彈簧預(yù)載兩類(lèi)：其中有彈簧預(yù)載式的差速器其差動(dòng)阻力矩基本上為常數(shù)，與驅(qū)動(dòng)橋的輸出扭矩大小無(wú)關(guān)，因此車(chē)輛在輕載下轉(zhuǎn)向時(shí)，外側(cè)車(chē)輪產(chǎn)生的牽引力為負(fù)，既降低了車(chē)輛的動(dòng)力，又增加了輪胎的損耗；非預(yù)載式差速器需要在半軸后疊加多個(gè)摩擦片，才能達(dá)到所需的鎖緊系數(shù)，而且其結(jié)構(gòu)不緊湊。這類(lèi)差速器對(duì)潤(rùn)滑油有特殊要求，選用時(shí)要兼顧雙曲線齒輪和摩擦片對(duì)油的不同要求。由于其工作較為平穩(wěn)，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在國(guó)外廣泛應(yīng)用于越野車(chē)、高級(jí)轎車(chē)和工程機(jī)械上，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價(jià)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(nèi)摩擦力矩提升緊鎖系數(shù)，[1]特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩經(jīng)由傳動(dòng)軸經(jīng)過(guò)軸間差速器分配給驅(qū)動(dòng)橋中橋錐齒輪和后橋傳動(dòng)軸。由于滑塊與內(nèi)外凸輪間產(chǎn)生了較大的摩擦力矩，使得慢轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)輪上得到比快轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)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。滑塊凸輪式限滑差速器的緊鎖系數(shù)能達(dá)到0.5～0.7，可以極大提升越野汽車(chē)的通過(guò)性，但其構(gòu)造較為復(fù)雜，加工難度大，又由于依靠摩擦限滑，因此構(gòu)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(yīng)用于重型越野車(chē)輛，一般用于轎車(chē)和輕型越野汽車(chē)上，而蝸輪蝸桿式差速器利用齒面間的摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)限滑效果，緊鎖系數(shù)可達(dá)6～15，可用于重型越野車(chē)輛。蝸輪蝸桿式差速器通過(guò)蝸桿傳動(dòng)的高摩擦條件和不可逆性原理，讓差速器憑借內(nèi)摩擦力矩大小而主動(dòng)鎖死或松開(kāi)，有效地增大了差速器緊鎖系數(shù)，提升了汽車(chē)通過(guò)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(wú)法應(yīng)用于重型車(chē)輛上的問(wèn)題，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)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(guò)車(chē)載傳感器監(jiān)測(cè)兩半軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角來(lái)計(jì)算兩側(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速比。若兩側(cè)車(chē)輪運(yùn)行過(guò)程中實(shí)際的轉(zhuǎn)速比與理論設(shè)定值之差超過(guò)給定的誤差范圍，汽車(chē)便自動(dòng)通過(guò)ABS對(duì)轉(zhuǎn)速偏高的車(chē)輪進(jìn)行一定程度制動(dòng)，使兩輪的轉(zhuǎn)速比保持在系統(tǒng)設(shè)定的最佳值附近。此類(lèi)防滑系統(tǒng)工作平穩(wěn)，控制準(zhǔn)確，對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向操作沒(méi)有影響。但是由于其是通過(guò)制動(dòng)快轉(zhuǎn)輪來(lái)增加慢轉(zhuǎn)輪的扭矩，而不像其他種類(lèi)的防滑差速器，是通過(guò)將快轉(zhuǎn)輪上的扭矩轉(zhuǎn)移到慢轉(zhuǎn)輪上以防止快轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生滑動(dòng)。因此想要獲得同等程度的牽引力，要增大發(fā)動(dòng)機(jī)功率消耗；而且電子系統(tǒng)復(fù)雜，容易出現(xiàn)故障，在先階段技術(shù)條件下維護(hù)困難。

1.3 變傳動(dòng)比式限滑差速器

變傳動(dòng)比限滑差速器是扭矩差感應(yīng)式限滑差速器的一種，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以在不改變驅(qū)動(dòng)橋總體結(jié)構(gòu)的情況下，利用兩側(cè)半軸齒輪之間周期性的傳動(dòng)比波動(dòng)給差動(dòng)運(yùn)動(dòng)形成勢(shì)壘，起到限制滑動(dòng)的作用。[2]變傳動(dòng)比式限滑差速器以非圓錐齒輪副為核心構(gòu)件，可以解決圓錐齒輪差速器中容易產(chǎn)生脈動(dòng)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(shè)計(jì)繁瑣復(fù)雜，無(wú)法進(jìn)行磨齒精加工，導(dǎo)致變傳動(dòng)比限滑差速器無(wú)法應(yīng)用于需要精密傳動(dòng)的轎車(chē)之中；而且由于非圓錐齒輪的形狀，在其底座設(shè)計(jì)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)軸穿孔時(shí)，使得非圓錐齒輪副強(qiáng)度下降，容易產(chǎn)生斷齒現(xiàn)象，導(dǎo)致其無(wú)法應(yīng)用于重型越野汽車(chē)的傳動(dòng)中。

2 越野汽車(chē)限滑差速器國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 扭矩差感應(yīng)式限滑差速器

扭矩差感應(yīng)式限滑差速器是指限滑轉(zhuǎn)矩大小取決于差速器的輸入轉(zhuǎn)矩的差速器。為增大差速器的內(nèi)摩擦力矩，可以在其結(jié)構(gòu)中加裝摩擦構(gòu)件，形成一種具有摩擦構(gòu)件的圓錐齒輪限滑差速器。白俄羅斯BEJIA-531型牽引汽車(chē)使用的就是這種帶有摩擦構(gòu)件的差速器，該差速器在行星輪的背面固定有一個(gè)摩擦構(gòu)件——球面凸緣，極大地增大了內(nèi)摩擦力矩。與普通差速器相比，此類(lèi)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(guó)重型載貨汽車(chē)HAULPAK也采用此種類(lèi)型的差速器。

滑塊凸輪式限滑差速器應(yīng)用范圍很廣，主要構(gòu)件包括差速器殼、滑塊及內(nèi)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(dāng)左右兩車(chē)輪和路面的附著系數(shù)不同，且兩者的比值不超過(guò)鎖緊系數(shù)時(shí)，滑塊凸輪式差速器可以保證附著系數(shù)較差的車(chē)輪不出現(xiàn)滑動(dòng)。當(dāng)左右兩車(chē)輪和路面附著情況較好時(shí)，左右車(chē)輪可以按運(yùn)動(dòng)要求正常滾動(dòng)，并保持良好的轉(zhuǎn)向性能。但此類(lèi)差速器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)成型、材料、化學(xué)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(yīng)用在載貨汽車(chē)、越野汽車(chē)以及道路牽引車(chē)上，可以應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的路面環(huán)境，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的是托森差速器。托森差速器由美國(guó)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(jié)構(gòu)緊湊，不但能自動(dòng)防滑，而且還可以根據(jù)轉(zhuǎn)彎半徑和路面行駛條件的不同自動(dòng)調(diào)整鎖緊系數(shù)。但當(dāng)遇到轉(zhuǎn)矩差較大的情況時(shí)，此類(lèi)差速器會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)鎖止的現(xiàn)象，影響了正常的差速功能，因此此類(lèi)差速器一般不作為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋上的輪間差速器使用。

2.2 主動(dòng)控制式差速器

隨著人們對(duì)差速器的性能要求不斷提升，以及電子控制技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)外開(kāi)始著手研究主動(dòng)控制式限滑差速器，并取得了一系列成果。此類(lèi)差速器最大的特點(diǎn)在于可以根據(jù)路面環(huán)境和行駛狀態(tài)的不同，將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩合理的分配到汽車(chē)的各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上，最大限度地提升車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)性能、通過(guò)性能及安全性能。目前，應(yīng)用比較廣泛的是電液式、電磁式及電機(jī)式限滑差速器。因?yàn)橹鲃?dòng)控制式限滑差速器造價(jià)比較高，而且其電子系統(tǒng)十分復(fù)雜，維護(hù)困難，一定程度上限制了它的應(yīng)用。但隨著技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，此類(lèi)差速器在將來(lái)很有可能會(huì)成為主流。

2.3 轉(zhuǎn)速差感應(yīng)式差速器

粘性限滑差速器主要由單排圓柱行星齒輪機(jī)構(gòu)及粘性離合器構(gòu)成。二十世紀(jì)七十年代初，粘性限滑差速器由英國(guó)的汽車(chē)公司成功開(kāi)發(fā)，并裝于汽車(chē)前后軸間，在汽車(chē)上得到實(shí)際應(yīng)用。七十年代末，美國(guó)的Chrysler汽車(chē)公司在“EAGLE”汽車(chē)上使用此類(lèi)差速器，并在美國(guó)完成生產(chǎn)。八十年代中后期，德國(guó) Volkswagen 公司與 Daimler 公司將共同開(kāi)發(fā)制造出的粘性式限滑差速器應(yīng)用到汽車(chē)傳動(dòng)系中。這種差速器的內(nèi)摩擦力矩由左、右半軸間的轉(zhuǎn)速差確定，轉(zhuǎn)速差增加則內(nèi)摩擦力矩變大，防滑作用更加明顯。此類(lèi)限滑差速器運(yùn)行穩(wěn)定，能有效提升汽車(chē)動(dòng)力、制動(dòng)及轉(zhuǎn)彎等方面的性能。

2.4 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)限滑差速器的開(kāi)發(fā)研究起步比較晚，基礎(chǔ)較為薄弱，始于上世紀(jì)八十年代，最初只有同濟(jì)大學(xué)、吉林大學(xué)等對(duì)其傳動(dòng)原理、構(gòu)成與性能等方面進(jìn)行了探索。但由于國(guó)家的重點(diǎn)扶持以及科研人員的不懈努力，我國(guó)在限滑差速器方面也取得了一定的成績(jī)。1993年，西安交通大學(xué)張社民等人使用雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)替代普通差速器，該結(jié)構(gòu)可以使左右兩車(chē)輪的轉(zhuǎn)矩比達(dá)到1.96。2003年，吉林大學(xué)的LSD課題組研制出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)式限滑差速器，推動(dòng)了主動(dòng)控制式限滑差速器在國(guó)內(nèi)的研究進(jìn)程。同年，軍事交通學(xué)院賈巨民教授及其團(tuán)隊(duì)研制出一種新型自適應(yīng)變速比限滑差速器。目前，限滑差速器已經(jīng)被使用在許多國(guó)產(chǎn)汽車(chē)上，例如高爾夫汽車(chē)上使用了摩擦片式自鎖差速器；一些中型和重型車(chē)輛上應(yīng)用了牙嵌式自由輪差速器；Audi80及Audi90汽車(chē)上使用了托森差速器。

3 結(jié)語(yǔ)

由上文分析可以看出，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)汽車(chē)限滑差速器水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如國(guó)外，且研究水平還處于較為初級(jí)的階段，只有進(jìn)一步深化對(duì)限滑差速器的研究，研制出性能更強(qiáng)、價(jià)格更合理的越野汽車(chē)限滑差速器，才能擺脫我國(guó)受制于國(guó)外的局面，提升我國(guó)越野汽車(chē)通過(guò)性的整體水平。

參考文獻(xiàn)

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

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

[3] 侯運(yùn)豐.托森差速器的傳動(dòng)特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2008.3：33-35.

[4] 張鵬.粘性式限滑差速器汽車(chē)的動(dòng)力性和操縱穩(wěn)定性分析與研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2003.

[5] 賈巨民，高波，喬永衛(wèi).越野汽車(chē)變傳動(dòng)比差速器的研究[J].汽車(chē)工程，2003.25（5）：498-500.

[6] 王歡，孫川瓊，孫國(guó)興.越野汽車(chē)蝸輪蝸桿式限滑差速器的研究[J].裝備維修技術(shù)（工作研究），2010.4：1-4.

[7] 王云成，王建華，付鐵軍，張寶生.主動(dòng)控制式限滑差速器結(jié)構(gòu)分析及其性能評(píng)價(jià)[J].汽車(chē)技術(shù)，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(duì)汽車(chē)動(dòng)力性的影響[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2008S1：18-22.endprint