大学生电动方程式赛车设计：防滑差速器

普通齿轮差速器扭矩等量分布特性对赛车在良好路面上的行驶是有利的。但是当左、右车轮之间的附着力差距过大时，会严重影响赛车的通过性能。例如，当赛车高速过弯时，由于离心力的作用，车体向外侧倾斜，使外侧车轮附着力增加，而内侧车轮附着力降低。基于普通齿轮差速器扭矩分布均匀的特点，内、外侧轮得到的扭矩相等。其结果是：外轮动力不足，内轮输出无效动力，严重影响赛车的过弯速度和动力性能。在极限情况下，当外轮的附着力远远大于其得到的转矩时，外轮就停止转动，而内轮在原地滑转。因此，赛车需要使用防滑差速器。防滑差速器又分为人工锁止式防滑差速器和自动锁止式防滑差速器。前者依靠人为控制差速器锁来达到防滑的目的，对于操作烦琐的赛车并不适用。下面主要介绍两款应用最广泛的自动锁止式防滑差速器。

1.托森差速器

托森差速器利用蜗轮、蜗杆传动的不可逆性原理和齿面高摩阻条件，使差速器根据其内部摩擦转矩的大小自动锁定或松开，即在其内部摩擦转矩较小的情况下起到差动作用，在摩擦转矩较大的情况下自动锁定，从而有效提高通过车辆的能力。

托森差速器的工作原理：当汽车在平直道路上直线行驶时，在蜗轮、蜗杆上施加的两个半轴力矩是相同的，由于蜗轮两端的直齿轮没有相对转动，因此左右两个半轴蜗杆以相同的速度转动。如果汽车左转弯或左侧轮打滑，则左侧半轴转速增大，转速大于右侧半轴，左侧蜗杆带动蜗轮按图5－11中箭头方向转动，蜗轮两端的直齿轮按箭头指示方向转动，则右侧蜗轮向反方向运动，实现转速差。因为蜗轮、蜗杆逆传动的效率非常低，所以当两轴的转速差达到一定值时，蜗轮、蜗杆就会锁死，避免转速差继续增大，从而实现了防滑功能。

图5－11　托森差速器

1—蜗杆；2—蜗轮；3—直齿轮

从以上可知，托森差速器是利用蜗轮与蜗杆间逆传动效率低的特点，实现了差速器的防滑锁死。防滑效率取决于两个输出轴的转速差异和差速器内摩擦力矩的大小，转速差异是由路面条件决定的，而差速器内摩擦力矩则主要取决于蜗杆特性参数。蜗杆螺旋角和摩擦角的设置可改变托森差速器的锁定系数，以获得所需的锁定效能。一般而言，轴间差速器转速差比较小，可选择较大的锁定系数，而轮间差速器要保证过弯的稳定性，通常会选择稍小些的锁定系数。

2.摩擦片式防滑差速器

摩擦片式防滑差速器的基本原理与自由差速器相似，都是通过行星架上的锥齿轮转动来实现两侧输出轴的转速差。区别在于，摩擦片式防滑差速器的行星架并未直接固定于差速器壳体上，而是通过摩擦片组与差速器壳体连接。摩擦片组由锁止片和旋转片组成，锁止片和差速器外壳固定，旋转片和差速器的行星架固定，通过调整两者的数量和比例可以改变差速器工作时的锁止率。图5－12所示为摩擦片式防滑差速器的结构。

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图5－12　摩擦片式防滑差速器

1—半轴齿轮；2—行星齿轮；3—行星架；4—摩擦片组；5—差速器壳

摩擦片式防滑差速器的工作原理：当车辆两侧半轴所需扭矩相同时，差速器壳体通过行星齿轮传递给两侧半轴齿轮或者通过预紧的摩擦片组和差速器壳体将扭矩平均传递给两侧半轴。当两侧车轮所需扭矩不同时，由于半轴齿轮的斜面与行星架齿轮之间是锥齿轮配合，因此在传递扭矩时会产生平行于半轴的轴向分力，迫使两根半轴齿轮轴分别向左、右方向略微移动，压紧摩擦片。假设左侧车轮抓地力较大、右侧车轮抓地力较小，则左半轴齿轮受到的轴向力更大，摩擦片组间的摩擦力矩更大，差速器外壳的动力传递给左侧车轮。相应地，右侧车轮的动力受到限制。同时，如果锁止率设置较低，斜面齿轮分离动作所产生的推动力没有那么高，摩擦片式防滑差速器也只能起到普通差速器的作用。所以，此类差速器锁止率的设计非常关键。

还有一种常用的摩擦片式防滑差速器，在各类高端跑车上非常常见，如图5－13所示。它的防滑原理和普通摩擦片式防滑差速器基本一样。

图5－13　Cusco差速器

1—保持架；2—行星齿轮；3—行星架；4—预紧弹簧5—摩擦片组；6—1.5 way保持架槽；7—2 way保持架槽
（a）Cusco差速器结构；（b）Cusco差速器工作方式差异

Cusco差速器的工作原理：主动轴传递的动力通过行星齿轮组和差速器壳体传递给从动轴。当某侧车轮抓地力发生变化时，除了行星齿轮所产生的轴向力变化外，滑动牙口会对行星齿轮产生径向力，通过行星齿轮转化为加载在摩擦片组上的轴向力。这样它就具有为抓地力大的一侧轮胎提供较大扭矩的特点，实现差速作用。

滑动牙口的设计是决定摩擦力的重要因素之一。通过对滑动牙口的斜面设计，可以调控牙口对行星齿轮施加作用力的时机、大小等，可以使差速器呈现1 way、1.5 way、2 way等3种不同的工作模式。其中1 way是指差速器在有动力输出的状态下起防滑作用，无动力输出时防滑功能关闭；1.5 way是指差速器在有动力输出的状态下起防滑作用，无动力输出时只产生50%的防滑作用；2 way是指无论有无动力输出，差速器防滑作用均开启。图5－13所示为安装状态为1.5 way状态，将行星架安装到相邻的保持架槽里面即为2 way状态。这是一个1.5 way、2 way可调防滑差速器。

为保证赛车在过弯时有良好的动力输出，同时有灵敏的转向响应，一般方程式赛车的差速器设定为1.5 way。

市面上有一些防滑差速器如日本Cusco差速器，其强度和转矩传递能力都是根据超跑数据标定的，对于动力性和整车质量都要小很多的FSAE赛车来说则不太适用，而且质量太大。若选用此产品，则需对差速箱进行轻量化改造，常用的差速器改造外壳由高强度铝合金材料构成。在改造过程中，如何保证所需差速的锁定系数以及匹配赛车特性都需要慎重考虑。Drexler是一家高端品牌，有几款专门为FSEC设计的差速器，不仅性能可靠，质量也很轻，但价格不菲。值得一提的是，摩擦片式防滑差速器损耗速度非常快，在使用时还需要考虑其热衰减效应。