范春利，寧雪松，申春寶，保萬全，徐偉健

（中國第一汽車股份有限公司，吉林 長春 130011）

螺旋齒式限滑差速器的結構性能分析及試驗研究

范春利，寧雪松，申春寶，保萬全，徐偉健

（中國第一汽車股份有限公司，吉林 長春 130011）

對螺旋齒式限滑差速器的結構及工作原理進行分析研究，并提出了限滑性能的主要評價參數(shù)，結合限滑差速器臺架試驗，對安裝兩種不同螺旋角的螺旋齒式限滑差速器進行對比試驗分析，試驗結果表明：螺旋角越大，限滑性能越好。

螺旋齒；臺架試驗；限滑差速器；限滑性能；螺旋角

前言

基于普通圓錐行星齒輪式差速器的結構特點[1]，其內摩擦力矩小，只能將轉矩平均分配給左、右驅動車輪，而無法實現(xiàn)按需分配。當汽車在泥濘或冰雪路面上行駛，且一側驅動車輪與地面附著系數(shù)相對很小時，容易導致單側車輪過度滑轉而使整車無法獲得良好的動力性和通過性。限滑差速器的開發(fā)和應用，克服了普通錐齒輪差速器只能“差速不差轉矩”的缺點，它能夠使發(fā)動機傳遞到驅動橋轉矩的大部分甚至全部扭矩傳給高附著系數(shù)側驅動車輪，以充分利用這一驅動車輪的附著力而產(chǎn)生足夠的牽引力，大大提高了汽車在雙附著系數(shù)路面上的驅動性能，顯著改善了汽車操縱穩(wěn)定性，有效提高了汽車平順性和行駛安全性。

因此，隨著用戶出行和運輸業(yè)的需求不斷提高，限滑差速器的應用日益廣泛，裝車率也迅速提高。越來越多的越野汽車、中型和重型汽車、多功能汽車、工程機械以及拖拉機等車輛提供限滑差速器作為高配置選裝件，近年在轎車和微型汽車上也逐漸采用。

作者通過對螺旋齒式限滑差速器的結構性能進行分析研究和針對不同螺旋角的螺旋齒式限滑差速器進行的臺架試驗，研究了裝配螺旋齒式限滑差速器的驅動橋在試驗測試中的性能表現(xiàn)，得到了限滑性能評價參數(shù)及不同工況下限滑性能之間的關系，為螺旋齒式限滑差速器的改進設計提供試驗數(shù)據(jù)，同時為限滑差速器的選型和實際應用提供了科學依據(jù)。

1 螺旋齒式限滑差速器的結構性能分析

1.1 結構特征及工作原理

限滑差速器[2]根據(jù)其工作原理分為轉矩敏感式、轉速敏感式和主動控制式3類，螺旋齒式限滑差速器是轉矩敏感式限滑差速器中綜合性能較高的一種，是將普通差速器的齒輪從直齒改成螺旋齒，通過只有螺旋齒輪才能實現(xiàn)的安裝位置和形式，利用齒輪的減速比來限制左右驅動輪轉速差的，從而實現(xiàn)轉矩的再分配。

螺旋齒式限滑差速器結構如圖1所示，該種限滑差速器的主要特征在于它采用螺旋齒式的行星齒輪和半軸齒輪，其中行星齒輪和半軸齒輪分為左右兩組，左右兩側齒輪旋向相反。左行星齒輪同時與左半軸齒輪、右行星齒輪嚙合，同理，右行星齒輪同時與右半軸齒輪、左行星齒輪嚙合，行星齒輪采用全浮式結構，其外圓與差速器殼上相對應的圓柱形孔大間隙配合。差速器殼與主減速器從動錐齒輪相聯(lián)，是差速器的動力輸入元件。差速器殼帶動行星齒輪和半軸齒輪轉動，實現(xiàn)動力從差速器殼到半軸進而到車輪的傳遞。

圖1 螺旋齒式限滑差速器

當汽車作直線行駛、左右半軸無轉速差時，左、右半軸轉速與差速器殼轉速均相等，此時左右行星齒輪和相應的半軸齒輪之間無相對轉動，差速器殼、左右半軸如同整體在一起轉動，差速器不起作用，此時從差速器殼上分配到左右半軸上的轉矩是等分的。當汽車轉向行駛或某一驅動車輪滑轉使左右半軸產(chǎn)生轉速差時，左右行星齒輪將產(chǎn)生相對轉動，且快轉側的旋轉方向與相應側半軸齒輪加快旋轉相符合，而慢轉側的旋轉方向與相應側半軸齒輪減慢旋轉相符合，即左右半軸齒輪的轉速差是通過左右行星齒輪之間的相對轉動來實現(xiàn)的。這時快轉側半軸齒輪使快轉側的行星齒輪轉動，從而迫使慢轉側行星齒輪帶動慢轉側半軸齒輪轉動，由于螺旋齒傳動的特點，此時會在齒面間產(chǎn)生很大的摩擦力，限制了慢轉側行星齒輪轉速的增加，進而阻止快轉側行星齒輪及快轉側半軸齒輪轉速的增加，實現(xiàn)對快轉側驅動車輪的限滑作用。

1.2 轉矩分配特性

螺旋齒式限滑差速器在差速時是利用相互嚙合的螺旋齒輪副的內摩擦轉矩進行轉矩分配的。當左半軸轉速較高時，左半軸齒輪帶動左行星齒輪快速轉動，左半軸齒輪受到左行星齒輪的摩擦轉矩與其轉動方向相反，而轉速較低的右半軸齒輪受到右行星齒輪的推動，摩擦轉矩與其轉動方向相同，即由于內摩擦轉矩的存在，使快轉的左半軸齒輪的轉矩Tl減小，慢轉側的右半軸齒輪的轉矩Tr增大，轉矩分配為：

式中：T0——差速器殼上的轉矩；

Tf——內摩擦轉矩。

同理，若右半軸轉速較高時，右側車輪打滑其驅動力減小，根據(jù)螺旋齒式限滑差速器的轉矩分配特點，部分驅動力轉移至左側車輪。因此無論哪一側車輪處于地面附著力低的路面工況，此種限滑差速器都能夠自適應調節(jié)轉矩的再分配，使地面附著力高的一側驅動力增加，提高整車的防滑能力和通過性。

1.3 限滑性能主要評價參數(shù)

通過對螺旋齒式限滑差速器結構與工作原理的研究與分析，并結合對所匹配某微型車驅動橋進行的臺架試驗研究，采用以下參數(shù)作為螺旋齒式限滑差速器的性能評價指標。

1.3.1 內摩擦轉矩

在限滑差速器工作的穩(wěn)態(tài)下，左右半軸傳遞轉矩之差即為內摩擦轉矩Tf，即：

式中：T1——轉矩較高側的半軸傳遞扭矩；

T2——轉矩較低側的半軸傳遞扭矩。內摩擦轉矩Tf也稱為限滑轉矩[3]，是表征限滑差速器處于工作狀態(tài)時左右半軸轉移轉矩能力的參數(shù)，對于螺旋齒式限滑差速器，該參數(shù)與差速器輸入轉矩近似呈正比線性關系。

1.3.2 鎖緊系數(shù)

在限滑差速器工作的穩(wěn)態(tài)下，限滑轉矩與差速器傳遞轉矩的比值即為鎖緊系數(shù)Ks，即：

鎖緊系數(shù)Ks是表征限滑差速器限滑能力的參數(shù)，表明限滑轉矩占差速器傳遞轉矩的比例，其數(shù)值的大小一般為 0～1。對于螺旋齒式限滑差速器，該參數(shù)與螺旋齒輪的螺旋角密切相關，其數(shù)值為0.4～0.8。

1.3.3 轉矩比

在限滑差速器工作的穩(wěn)態(tài)下，轉矩較高側的半軸傳遞扭矩與轉矩較低側的半軸傳遞扭矩的比值即為轉矩比KT，即：

轉矩比KT也是表征限滑差速器限滑能力的參數(shù)，其數(shù)值的大小表明兩側車輪的轉矩相差的最大倍數(shù)，其數(shù)值的大小一般為 1.6～3.2。對于螺旋齒式限滑差速器，該參數(shù)也取決于螺旋齒輪的螺旋角的設計大小，其數(shù)值為2.5～2.9。

轉矩比KT與鎖緊系數(shù)Ks的之間關系如下：

螺旋齒式限滑差速器的轉矩比KT和鎖緊系數(shù)Ks在產(chǎn)品設計階段定性之后，其限滑能力的大小就以確定，在使用過程中無法調整。這兩個參數(shù)對汽車性能有直接影響，從汽車通過性的角度看，轉矩比KT的數(shù)值越大越好，但從車輛行駛的穩(wěn)定性、轉向操縱的靈活性、延長有關傳動零件的使用壽命和減小輪胎磨損等方面考慮，轉矩比KT的值又不宜過大，因此一般情況下，要根據(jù)所設計的車型、性能要求和使用條件等選擇合適的轉矩比KT和鎖緊系數(shù)Ks。

1.3.4 限滑差速器傳動效率[4]

在限滑差速器工作的穩(wěn)態(tài)下，動力經(jīng)過限滑差速器殼體傳遞給左、右半軸的效率即限滑差速器傳動效率η，即：

式中：n1——轉矩較高側的半軸轉速；n2——轉矩較低側的半軸轉速；Tin——限滑差速器輸入轉矩；nin——限滑差速器輸入轉速；T1、T2定義同上。

限滑差速器傳動效率是限滑差速器的一項重要的性能指標，表明經(jīng)過限滑差速器傳遞路徑后有效功率占驅動功率的比例。對于螺旋齒式限滑差速器，其數(shù)值與普通開式差速器傳動效率差異不大，其數(shù)值為91%～98%。

2 螺旋齒式限滑差速器的性能試驗研究

2.1 試驗條件及試驗方法

表1 試件相關參數(shù)表

圖2 主減速器總成

圖3 試驗臺布置形式

本文以安裝螺旋齒式限滑差速器的某微型車驅動橋總成為研究對象，分別安裝兩種螺旋角的限滑差速器，通過臺架試驗對螺旋齒式限滑差速器的主要性能參數(shù)進行試驗研究，掌握該形式的產(chǎn)品在臺架試驗過程中各項性能指標的能力，為產(chǎn)品的改進設計提供科學的試驗依據(jù)。試件相關參數(shù)見表1，參照國標GB／T6323—1994和一汽集團企業(yè)標準中規(guī)定的方法進行試驗。安裝螺旋齒式限滑差速器的主減速器總成，見圖2，驅動橋總成性能試驗臺布置形式見圖3。

2.2 試驗結果與分析

2.2.1 限滑轉矩特性及鎖緊系數(shù)試驗

根據(jù)某微型車驅動橋總成的實際使用工況和承載能力特點，將道路試驗路譜轉化為臺架試驗的試驗條件。通過試驗臺給定橋總成 20km/h的車速，同時逐漸加載輸入轉矩，輸入轉矩由額定輸入轉矩的15%一直加載至額定輸入轉扭矩，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到差速器輸入扭矩與限滑轉矩的關系曲線見圖4。

圖4 差速器輸入扭矩與限滑轉矩的關系曲線

圖5 轉矩比性能曲線

從圖4可以看出，限滑轉矩隨著差速器輸入扭矩的增加呈線性增長趨勢，即限滑轉矩與差速器輸入轉矩呈正比關系。同時，在相同的差速器輸入轉矩下，50°螺旋角樣品的限滑轉矩明顯大于45°螺旋角樣品的限滑轉矩，即說明螺旋角越大，所產(chǎn)生的限滑轉矩越大。

由鎖緊系數(shù)的定義可知，圖4中直線的斜率即為鎖緊系數(shù)，明顯地，50°螺旋角樣品的直線斜率大于45°螺旋角樣品的直線斜率，也說明了螺旋角越大，鎖緊系數(shù)越大，鎖緊能力越強。

2.2.2 轉矩比性能試驗

通過試驗臺給定橋總成 20km/h的車速，同時使左右半軸產(chǎn)生12r/min的轉速差，即保證限滑差速器處于工作狀態(tài)，逐漸加載輸入轉矩，輸入轉矩由額定輸入轉矩的15%一直加載至額定輸入轉扭矩，采集左右半軸傳遞扭矩的實際測量值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到轉矩比性能曲線見圖5。

從圖5可以看出，隨著輸入轉矩的增加，左右半軸傳遞的轉矩也逐漸增大，由于限滑差速器的轉矩再分配的作用，使兩側的傳遞扭矩差值逐漸變化。由轉矩比的定義可知，圖5中直線的斜率即為轉矩比，可以看出，在相同的試驗工況下，50°螺旋角樣品的直線斜率大于45°螺旋角樣品的直線斜率，即螺旋角越大，轉矩比越大。

2.2.3 限滑差速器傳動效率試驗

為充分考察螺旋齒式限滑差速器工作狀態(tài)下的傳動效率，傳動效率試驗分兩種工況測試：一種是定轉矩變轉速差，另一種是定轉速差變轉矩。

定轉矩變轉速差測試：通過試驗臺給定橋總成 20km/h的車速，保持差速器輸入轉矩300N·m，然后使左右半軸產(chǎn)生轉速差，轉速差以12r/min為步長，逐漸增大至120r/min，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到定轉矩變轉速差與傳動效率的關系曲線見圖6。

圖6 定轉矩變轉速差與傳動效率的關系曲線

圖7 定轉速差變轉矩與傳動 效率的關系曲線

從圖6可以看出， 隨著轉速差的增大，限滑差速器的傳動效率逐漸降低，主要由于限滑差速器處于工作狀態(tài)下，螺旋齒輪副之間的摩擦力產(chǎn)生的效率損失和差速工況引起齒輪油流體運動場變化引起的攪油損失加大導致。同時可以看出，在相同的試驗工況下，50°螺旋角樣品的傳動效率大于45°螺旋角樣品的傳動效率。

定轉速差變轉矩測試：通過試驗臺給定橋總成 20km/h的車速，保持轉速差為100r/min，逐漸加載輸入轉矩，輸入轉矩由額定輸入轉矩的15%一直加載至額定輸入轉扭矩，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到定轉速差變轉矩與傳動效率的曲線見圖7。

從圖7可以看出， 隨著差速器輸入轉矩的逐漸增加，限滑差速器的傳動效率呈先增大后降低的趨勢，主要由于限滑差速器處于工作狀態(tài)下，輸入轉矩增加，齒輪嚙合趨于穩(wěn)定，齒輪油熱量逐漸達到熱平衡，傳動效率逐漸增大；當輸入轉矩增大到一定程度，齒輪副磨損增加，傳動效率將會降低。同時可以看出，在相同的試驗工況下，50°螺旋角樣品的傳動效率大于45°螺旋角樣品的傳動效率。

3 結論

（1）螺旋齒式限滑差速器是利用齒輪的減速比來限制左右驅動輪轉速差的，從而實現(xiàn)轉矩的再分配，有效的克服了普通錐齒輪差速器只能“差速不差轉矩”的缺點。

（2）應用限滑轉矩、鎖緊系數(shù)、轉矩比和限滑差速器傳動效率等性能參數(shù)對螺旋齒式限滑差速器進行限滑性能評價，可以滿足對產(chǎn)品限滑能力設計水平的試驗驗證。

（3）螺旋角的大小對螺旋齒式限滑差速器的限滑性能有很大影響，試驗表明，螺旋角越大，限滑能力越好。

[1] 劉惟信,汽車車橋設計[M],北京,清華大學出版社,2003:215-217.

[2] 陳家瑞,汽車構造（第五版）[M],北京,人民交通出版社,2005:146-150.

[3] 王建華等, 轉矩敏感式限滑差速器結構性能分析及其評價[J],汽車技術,,2005:18-20.

[4] 劉白,汪大鵬,齒輪傳動效率的試驗研究[J],機械工程學報,2001:109 -112.

The structural performance analysis and the experimental study of screw rack differential differential

Fan Chunli, Ning Xuesong, Shen Chunbao, Wan Baoquan , Xu Weijian
( China first automobile co., LTD., Jilin Changchun 130011 )

Study and analyze the structure and working principle of helix gear limited slip differential, the main evaluation parameters of limited slip performance are presented, combined with the limited slip differential bench test, the comparative test analysis of two kinds of helix gears with different helix angles is carried out, the experimental results show that the higher the helix angle is, the better the limited slip performance is.

Helix gear; Bench test; Limited Slip Differential; Limited slip performance; helix angles

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-132-04

U467.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-132-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.044

范春利（1981-），男，就職于中國第一汽車股份有限公司技術中心。主要從事汽車傳動系統(tǒng)臺架試驗、試驗方法分析與優(yōu)化等研究。