越野汽车限滑差速器特点及应用研究

  • 投稿柏舟
  • 更新时间2018-01-29
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  摘要文章介绍了越野汽车需要使用限滑差速器的原因,分析了高摩擦式、变传动比式和电子防滑系统等常用越野汽车限滑差速器的特点。在此基础上,总结了国内外常用越野汽车限滑差速器近年来的最新应用情况与研究成果,为进一步提升我国限滑差速器性能具有一定参考价值。
 
  关键词越野汽车限滑差速器车辆通过性
 
  中图分类号:U463.215文献标识码:ADOI:10.16400/j.cnki.kjdks.2017.12.018
 
  0引言
 
  车辆在道路上行驶时,車轮相对地面进行两种运动,分别为滑动和滚动。为减少车辆运行时的摩擦、轮胎磨损及动力消耗,应尽量使车轮做纯滚动,减少滑动。但当汽车转弯或在不平路面行驶时,两侧车轮移动的距离不同,若连接两轮的是一根刚性轴,那么行驶时必然会产生滑动,使得车辆行驶性能降低。因此,同一驱动桥的两侧车轮需要使用两根半轴分别进行驱动,使左右车轮能够以不同的速度转动,以尽可能地保证车轮作纯滚动。越野车辆需要在颠簸、泥泞、滑溜、松软等路面甚至是无路地段行驶,这些地面附着系数较小。当一侧车轮位于附着系数较小的地面时,虽然另一侧车轮与地面附着系数良好,也无法有效利用汽车所能达到的牵引力,导致汽车不能正常行驶。
 
  为解决越野汽车可能出现的上述问题,需要使用具有防滑功能的差速装置,常用的方法有采用差速锁和限滑差速器。差速锁通过差速器外壳和汽车半轴紧锁在一起,可以让差速器停止差速作用,其紧锁系数相当于无穷大,这样能使得汽车充分利用两侧车轮的附着力,使牵引力增加到最大。但是差速锁在进入难行驶路段时需要人工操作锁住,在良好路段若未及时将其松开,汽车可能由于无差速作用而酿成事故,因此现代越野汽车大多不使用差速锁,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传递给不产生滑转的驱动轮,以利用该轮的附着力而产生充足的牵引力,在一定程度上提升汽车在附着系数较小路面上的通过性。限滑差速器种类很多,但是现代越野汽车一般较常使用高摩擦式限滑差速器、电子防滑差速系统和变传动比式限滑差速器。
 
  1越野汽车限滑差速器特点
 
  1.1高摩擦式限滑差速器
 
  高摩擦式差速器通过增加差动转动时的内摩擦来提高差速器的锁紧系数,其实用的结构大致有三种:内摩擦式限滑差速器、滑块凸轮式限滑差速器和蜗轮蜗杆式限滑差速器。内摩擦式差速器在半轴的背面与差速器壳体之间通过加装摩擦片来提高差动转动的阻力矩。其可分为有弹簧预载和无弹簧预载两类:其中有弹簧预载式的差速器其差动阻力矩基本上为常数,与驱动桥的输出扭矩大小无关,因此车辆在轻载下转向时,外侧车轮产生的牵引力为负,既降低了车辆的动力,又增加了轮胎的损耗;非预载式差速器需要在半轴后叠加多个摩擦片,才能达到所需的锁紧系数,而且其结构不紧凑。这类差速器对润滑油有特殊要求,选用时要兼顾双曲线齿轮和摩擦片对油的不同要求。由于其工作较为平稳,技术已经比较成熟,在国外广泛应用于越野车、高级轿车和工程机械上,其缺点是结构比较复杂,价格较高。
 
  滑块凸轮式差速器是一种高摩擦自锁式差速器,其利用内摩擦力矩提升紧锁系数,[1]特点是转矩经由传动轴经过轴间差速器分配给驱动桥中桥锥齿轮和后桥传动轴。由于滑块与内外凸轮间产生了较大的摩擦力矩,使得慢转的驱动轮上得到比快转的驱动轮上更大的扭矩,起到“差扭”作用,提升紧锁系数,起到限滑作用。滑块凸轮式限滑差速器的紧锁系数能达到0.5~0.7,可以极大提升越野汽车的通过性,但其构造较为复杂,加工难度大,又由于依靠摩擦限滑,因此构件损耗较大。
 
  滑块凸轮式差速器不能传递大扭矩,因此不能应用于重型越野车辆,一般用于轿车和轻型越野汽车上,而蜗轮蜗杆式差速器利用齿面间的摩擦来实现限滑效果,紧锁系数可达6~15,可用于重型越野车辆。蜗轮蜗杆式差速器通过蜗杆传动的高摩擦条件和不可逆性原理,让差速器凭借内摩擦力矩大小而主动锁死或松开,有效地增大了差速器紧锁系数,提升了汽车通过性。蜗轮蜗杆式差速器虽然解决了其他两种高摩擦式差速器无法应用于重型车辆上的问题,但是其结构复杂,制造困难,成本很高。
 
  1.2电子防滑差速系统
 
  电子防滑差速系统通过车载传感器监测两半轴的转动速度和方向盘的转角来计算两侧车轮的转速比。若两侧车轮运行过程中实际的转速比与理论设定值之差超过给定的误差范围,汽车便自动通过ABS对转速偏高的车轮进行一定程度制动,使两轮的转速比保持在系统设定的最佳值附近。此类防滑系统工作平稳,控制准确,对汽车转向操作没有影响。但是由于其是通过制动快转轮来增加慢转轮的扭矩,而不像其他种类的防滑差速器,是通过将快转轮上的扭矩转移到慢转轮上以防止快转轮产生滑动。因此想要获得同等程度的牵引力,要增大发动机功率消耗;而且电子系统复杂,容易出现故障,在先阶段技术条件下维护困难。
 
  1.3变传动比式限滑差速器
 
  变传动比限滑差速器是扭矩差感应式限滑差速器的一种,其最大的优点在于可以在不改变驱动桥总体结构的情况下,利用两侧半轴齿轮之间周期性的传动比波动给差动运动形成势垒,起到限制滑动的作用。[2]变传动比式限滑差速器以非圆锥齿轮副为核心构件,可以解决圆锥齿轮差速器中容易产生脉动与冲击以及变化周期太短、幅度太小的缺陷。但是由于非圆锥齿轮副的特性,其设计繁琐复杂,无法进行磨齿精加工,导致变传动比限滑差速器无法应用于需要精密传动的轿车之中;而且由于非圆锥齿轮的形状,在其底座设计汽车驱动轴穿孔时,使得非圆锥齿轮副强度下降,容易产生断齿现象,导致其无法应用于重型越野汽车的传动中。
 
  2越野汽车限滑差速器国内外应用现状
 
  2.1扭矩差感应式限滑差速器
 
  扭矩差感应式限滑差速器是指限滑转矩大小取决于差速器的输入转矩的差速器。为增大差速器的内摩擦力矩,可以在其结构中加装摩擦构件,形成一种具有摩擦构件的圆锥齿轮限滑差速器。白俄罗斯BEJIA-531型牵引汽车使用的就是這种带有摩擦构件的差速器,该差速器在行星轮的背面固定有一个摩擦构件——球面凸缘,极大地增大了内摩擦力矩。与普通差速器相比,此类差速器行星齿轮和半轴齿轮轮齿数量的差别较大,即该差速器的两齿轮径向尺寸相差较大,因此为利于缩小行星齿轮径向尺寸取消了十字轴。美国重型载货汽车HAULPAK也采用此种类型的差速器。
 
  滑块凸轮式限滑差速器应用范围很广,主要构件包括差速器壳、滑块及内外凸轮等。根据滑块安置方向的不同可以分为径向滑块式和轴向滑块式;根据滑块安置排数的不同可以分为单排滑块式和双排滑块式。当左右两车轮和路面的附着系数不同,且两者的比值不超过锁紧系数时,滑块凸轮式差速器可以保证附着系数较差的车轮不出现滑动。当左右两车轮和路面附着情况较好时,左右车轮可以按运动要求正常滚动,并保持良好的转向性能。但此类差速器结构较复杂,对成型、材料、化学处理、热处理等方面要求较高,因而成本也较高。
 
  蜗轮蜗杆式限滑差速器主要应用在载货汽车、越野汽车以及道路牵引车上,可以应对各种复杂的路面环境,当前应用最为广泛的是托森差速器。托森差速器由美国的格里森公司研发,[3]充分利用了蜗轮蜗杆自锁和高摩擦的特性,使差速器的锁紧系数得到了大幅提升。托森差速器的性能可靠、结构紧凑,不但能自动防滑,而且还可以根据转弯半径和路面行驶条件的不同自动调整锁紧系数。但当遇到转矩差较大的情况时,此类差速器会出现自动锁止的现象,影响了正常的差速功能,因此此类差速器一般不作为转向驱动桥上的轮间差速器使用。
 
  2.2主动控制式差速器
 
  随着人们对差速器的性能要求不断提升,以及电子控制技术的不断发展,国外开始着手研究主动控制式限滑差速器,并取得了一系列成果。此类差速器最大的特点在于可以根据路面环境和行驶状态的不同,将驱动转矩合理的分配到汽车的各个驱动轮上,最大限度地提升车辆的驱动性能、通过性能及安全性能。目前,应用比较广泛的是电液式、电磁式及电机式限滑差速器。因为主动控制式限滑差速器造价比较高,而且其电子系统十分复杂,维护困难,一定程度上限制了它的应用。但随着技术的发展和成本的降低,此类差速器在将来很有可能会成为主流。
 
  2.3转速差感应式差速器
 
  粘性限滑差速器主要由单排圆柱行星齿轮机构及粘性离合器构成。二十世纪七十年代初,粘性限滑差速器由英国的汽车公司成功开发,并装于汽车前后轴间,在汽车上得到实际应用。七十年代末,美国的Chrysler汽车公司在“EAGLE”汽车上使用此类差速器,并在美国完成生产。八十年代中后期,德国Volkswagen公司与Daimler公司将共同开发制造出的粘性式限滑差速器应用到汽车传动系中。这种差速器的内摩擦力矩由左、右半轴间的转速差确定,转速差增加则内摩擦力矩变大,防滑作用更加明显。此类限滑差速器运行稳定,能有效提升汽车动力、制动及转弯等方面的性能。
 
  2.4国内研究现状
 
  国内对限滑差速器的开发研究起步比较晚,基础较为薄弱,始于上世纪八十年代,最初只有同济大学、吉林大学等对其传动原理、构成与性能等方面进行了探索。但由于国家的重点扶持以及科研人员的不懈努力,我国在限滑差速器方面也取得了一定的成绩。1993年,西安交通大学张社民等人使用双曲柄滑块机构替代普通差速器,该结构可以使左右两车轮的转矩比达到1.96。2003年,吉林大学的LSD课题组研制出了电机驱动式限滑差速器,推动了主动控制式限滑差速器在国内的研究进程。同年,军事交通学院贾巨民教授及其团队研制出一种新型自适应变速比限滑差速器。目前,限滑差速器已经被使用在许多国产汽车上,例如高尔夫汽车上使用了摩擦片式自锁差速器;一些中型和重型车辆上应用了牙嵌式自由轮差速器;Audi80及Audi90汽车上使用了托森差速器。
 
  3结语
 
  由上文分析可以看出,现阶段国内汽车限滑差速器水平还远远不如国外,且研究水平还处于较为初级的阶段,只有进一步深化对限滑差速器的研究,研制出性能更强、价格更合理的越野汽车限滑差速器,才能摆脱我国受制于国外的局面,提升我国越野汽车通过性的整体水平。
 
  作者:王白王登
    参考文献 
  [1] 毛啸滇.防滑差速器的应用研究[D].合肥:合肥工业大学,2006. 
  [2] 姜虹,王小椿.三周节变传动比限滑差速器性能分析及试验研究[J].工程机械,2006.12:19-22+1. 
  [3] 侯运丰.托森差速器的传动特性分析[J].机械设计,2008.3:33-35. 
  [4] 张鹏.粘性式限滑差速器汽车的动力性和操纵稳定性分析与研究[D].吉林:吉林大学,2003. 
  [5] 贾巨民,高波,乔永卫.越野汽车变传动比差速器的研究[J].汽车工程,2003.25(5):498-500. 
  [6] 王欢,孙川琼,孙国兴.越野汽车蜗轮蜗杆式限滑差速器的研究[J].装备维修技术(工作研究),2010.4:1-4. 
  [7] 王云成,王建华,付铁军,张宝生.主动控制式限滑差速器结构分析及其性能评价[J].汽车技术,2008.7:35-38,43. 
  [8] 王云成,王建华,谢飞,张宝生.电控限滑差速器对汽车动力性的影响[J].吉林大学学报(工学版),2008S1:18-22.