汽车差速器的结构及作用

汽车行驶过程中,车轮与路面的相对运动有滚动和滑动两种状态。

当汽车转弯行驶时,内外两侧车轮在同一时间内驶过的距离显然不同,即外侧车轮移过的距离大于内侧的车轮。若两侧车轮都固定在同一刚性转轴上,则两轮角速度必然相同,而两轮却要在相同时间内走过不同路程,因此,车轮必然不是纯滚动,此时外轮必然是边滚动边滑移,内轮必然是边滚动边滑转。

同样,汽车在不平路面上直线行驶时,两侧车轮实际移过曲线距离也不相同。即使路面非常平直,但由于轮胎制造、装配过程中的尺寸误差、磨损程度不同、承受载荷不同或充气压力不等,各个轮胎的滚动半径不可能相等。因此,只要各车轮角速度相等,车轮对地面的滑动就必然存在。

车轮对地面的滑动不仅会加速轮胎磨损,增加汽车的动力消耗,而且导致转向和制动性能的恶化。为了消除上述不良现象,汽车左、右两侧驱动轮分别通过左、右半轴驱动,中间安装差速器。

差速器的功用是根据汽车行驶需要,在传递动力的同时,使内、外侧驱动轮能以不同的转速旋转,以便车辆转弯或适应由于轮胎及路面差异而造成的内外侧驱动轮转速差。

(一)普通差速器

普通差速器中应用最为广泛的是对称式锥齿轮差速器,其结构如图11-60与图11-61所示。普通差速器由差速器壳、行星齿轮、半轴齿轮等组成。差速器壳2与主减速器从动锥齿轮1用螺栓紧固成一体,壳体由两个圆锥滚子轴承支承在驱动桥壳上。差速器壳体内的两个行星齿轮7空套在行星齿轮轴上,两个半轴齿轮6的内孔有花键,用以和半轴5连接。行星齿轮和半轴齿轮背面与差速器壳间有减磨垫片,在起差速作用时可以减轻它们之间的摩擦。差速器零件用驱动桥壳内飞溅的润滑油润滑,为了使润滑油能进入各相对运动表面,差速器壳上开有窗口;齿轮和垫片上分别开有油孔和油槽;行星齿轮轴轴颈部分经过铣平后,可保留润滑油,保证行星齿轮轴孔的润滑。

图11-60　圆锥齿轮差速器

(a)差速器的基本构造;(b)圆锥齿轮差速器简图1、4—半轴齿轮;2—行星齿轮;3—行星轮;5、7—半轴;6—差速器壳

图11-61　闭式差速器

1—主传动大锥齿轮;2—差速器壳体;3—销钉;4—差速锁滑套;5—半轴;6—半轴齿轮;7—行星齿轮

闭式差速器拆装方便,主减速器从动锥齿轮装在差速器壳上,刚度大,能保证较好地啮合。在汽车和轮式拖拉机上得到广泛应用。

某些轻型载货汽车和大部分轿车因传递的转矩不大,可用两个行星齿轮,因而行星齿轮轴相应为一根带锁止销的直销轴,差速器壳制成整体式的,其前后两侧都开有大窗孔,以便拆装行星齿轮和半轴齿轮。奥迪100型轿车差速器即为这种结构,如图11-62所示。

图11-62　奥迪100型轿车轮间差速器

1、9—左、右调整垫片;2、8—左、右轴承外座圈;3、7—左、右轴承架及座圈;4—从动锥齿轮;5—差速器壳;6—从动锥齿轮螺栓;10—速度表圆磁铁;11—球形耐磨垫片;12—弹性圆柱销;13—行星齿轮;14—行星齿轮轴;15—半轴齿轮

(二)差速器运动学与动力学特性

1.运动学分析

对称式锥齿轮差速器的运动关系如图11-63所示。

对称式锥齿轮差速传动机构是一种行星齿轮机构。差速器壳体5与行星齿轮轴4连成一体,形成行星架。因它与中央传动或主减速器的从动齿轮6固连在一起,故为主动件,设其角速度为ω0;半轴齿轮1和2为从动件,其角速度为ω1和ω2。A、B两点分别为行星齿轮4与两半轴齿轮1和2的啮合点。行星齿轮的中心点为C。A、B、C点到差速器旋转轴线的距离均为r[图11-63(a)]。

差速器之所以能够起差速作用,行星齿轮起了很重要的作用。行星齿轮的运动情况有两种,即公转和既公转又自转。

图11-63　差速器运动原理示意图

(a)结构示意图;(b)行星齿轮公转;(c)行星齿轮同时进行公转与自动1、2—半轴齿轮;3—行星齿轮;4—行星齿轮轴;5—差速器壳体;6—主减速器从动齿轮

当行星齿轮3只随行星架绕差速器旋转轴线公转时,具有相同半径r的A、B、C三点的圆周速度都相等[图11-63(b)],于是有ω1r=ω2r=ω0r,两半轴角速度等于差速器壳的角速度,差速器不起差速作用。

当行星齿轮除公转外,还绕本身的行星齿轮轴以角速度ω3自转时[图11-67(c)],啮合点A的圆周速度为ω1r=ω0r+ω3r3,啮合点B的圆周速度为ω2r=ω0r-ω3r3。

则

ω1r+ω2r=(ω0r+ω3r3)+(ω0r-ω3r3)

ω1+ω2=2ω0

若角速度以每分钟转速n表示,则

n1+n2=2n0

上式即两半轴齿轮直径相等的对称式锥齿轮差速器的运动特性方程式。它表明:左右两侧半轴齿轮的转速之和等于差速器壳转速的2倍,而与行星齿轮转速无关。因此,在汽车转弯行驶或其他行驶情况下,都可以借助行星齿轮以相应转速自转,使两侧驱动车轮以不同转速在地面上滚动而无滑动。(www.xing528.com)

由运动特性方程还可得知:

(1)当任何一侧半轴齿轮的转速为0时,另一侧半轴齿轮的转速为差速器壳转速的两倍。

(2)当差速器壳转速为0(例如用中央制动器制动传动轴时),若一侧半轴齿轮受其他外来力矩而转动,则另一侧半轴齿轮即为相同转速反向转动。

2.动力学分析

在上述差速器中,由中央传动或主减速器传来的转矩M0经差速器壳、行星齿轮轴和行星齿轮传给半轴齿轮。行星齿轮相当一个等臂杠杆,而两个半轴齿轮半径也是相等的。因此当行星齿轮没有自转时,总是将转矩M0平均分配给左、右两半轴齿轮,即

M1=M2=0.5M0

当两半轴齿轮以不同转速朝相同方向转动时,设左、右半轴转速n1、n2,且n1＞n2。则行星齿轮将按图11-64上实线箭头n3的方向绕行星齿轮轴4自转。

图11-64　差速器动力分析

1、2—半轴齿轮;3—行星齿轮;4—行星齿轮轴

此时,行星齿轮孔与行星齿轮轴间以及齿轮背部与差速器壳之间都产生摩擦。行星齿轮所受的摩擦力矩MT方向与其转速n3方向相反;如图11-64上虚线箭头所示,此摩擦力矩使行星齿轮分别对左右半轴齿轮附加作用了大小相等两方向相反的两个圆周力F1和F2。F1使传到转得快的半轴上的转矩M1减小,而F2却使传到转得慢的右半轴上的转矩M2增加。因此,当左右驱动车轮存在转速差时,M1=0.5(M0-MT),M2=0.5(M0+MT)。左、右驱动轮上的转矩之差等于差速器的内摩擦力矩MT。

为了衡量差速器内摩擦力矩的大小及转矩分配特性,常以转矩比K表示:

K=M2/M1

目前广泛使用的对称式锥齿轮差速器,其内摩擦力矩很小,转矩比K为1.1～1.4。实际上可以认为无论左右驱动轮转速是否相等,而转矩总是平均分配的。这样的分配比例对于车辆在良好路面上直线或转弯行驶时,都是理想的。但当车辆在坏路面行驶时,却严重影响了通过能力。

例如当汽车的一个驱动车轮接触到泥泞或冰雪路面时,即使另一个车轮是在良好路面上,往往汽车仍不能前进。此时在泥泞路面上的车轮原地滑转,而在好路面上的车轮静止不动。这是因为,在泥泞路面上车轮与地面之间附着力很小,路面只能对半轴作用很小的反作用转矩,虽然另一车轮与良好路面间的附着力较大,但因对称式锥齿轮差速器平均分配转矩的特点,使这一个车轮分配到的转矩只能与传到滑转的驱动轮上的很小的转矩相等。以致总的牵引力不足以克服行驶阻力,汽车便不能前进。只有使用防滑差速器才能解决这个问题。

(三)强制锁止式差速器

简单差速器平均分配扭矩的性质对汽车的附着性能带来极为不利的影响。如当两侧驱动轮分别行驶在不同的路面上,由于差轴器平均分配扭矩的性质使得两则驱动轮的切线牵引力基本相等,这时,整个车辆所能发挥的最大驱动力受限于不良路面一侧驱动轮的附着性能。

为提高车辆通过能力可采用强制锁止式差速器,如图11-65所示。强制锁止式差速器的差速锁直接或间接地使差速器任意二个主要零件相连,从而使两半轴实现整体转动。以便充分利用良好地面那一侧驱动轮的附着力,提高通过性能。

图11-65　强制锁止式差速器

(a)半轴与差速器壳联接;(b)两半轴联接

强制锁止式差速器有两种形式,一种是将一根半轴与差速器壳联接,如图11-65(a);另一种是连接两半轴,如图11-65(b)。差速锁上设有弹簧回位机构,只要松开操纵手柄或踏板,差速锁就自动分离。当强制锁止式差速器接合时,使两半轴成一体,扭矩不再平均分配给两半轴,整个车辆的驱动力将取决于两侧驱动轮的附着力之和,这时,如遇到前述路面情况,车辆就有可能前进。

强制锁止式差速器结构简单,易于制造。但操纵不便,一般要在停车时进行;而且使用中应特别注意及时分离差速锁,否则转弯时将造成极大困难。

(四)自锁差速器

在简单差速器上加一个差速锁,虽然原理与结构简单,但在汽车驱动桥上的布置以及操纵不便,必须在停车时方能接合差速锁,而且过早接合与过晚分离差速锁都会使左、右驱动轮失去差速作用,造成操纵困难。目前多数汽车采用自锁差速器。

图11-66　摩擦片自锁式差速器

1—差速器壳;2—推力压盘;3—行星齿轮;4—十字轴;5—V形斜面;6—主、从动摩擦片

自锁差速器可分为两类:一类为高摩擦自锁差速器,其锁紧系数K=3～15;另一类为自由轮式差速器,其锁紧系数K=∞。

摩擦片式自锁差速器的结构如图11-66所示,它是在简单差速器的基础上发展而成的。为了增加差速器的内摩擦力矩,在半轴齿轮与差速器壳1之间装有主、从动摩擦片6。十字轴4由两根互相垂直的行星齿轮轴组成,其端部均切出凸V形斜面5,相应的差速器壳孔上也有凹V形斜面,两根行星齿轮轴的V形面是反向安装的。每个半轴齿轮的背面有推力压盘2和主、从动摩擦片,推力压盘以内花键与半轴相连,而其轴颈处用外花键与从动摩擦片相连,主动摩擦片则用花键与差速器壳相连。推力压盘和主、从动摩擦片均可作微小的轴向移动。

当车辆直线行驶,两半轴无转速差时,转矩平均分配给两半轴。由于差速器壳通过斜面对行星齿轮轴两端压紧,斜面上产生的轴向力迫使两行星齿轮轴分别向左、右方向略微移动,通过行星齿轮使推力盘压紧摩擦片。此时转矩一路经行星齿轮轴、行星齿轮和半轴齿轮将大部分转矩传给半轴,另一路则由差速器壳经主、从动摩擦片、推力压盘传给半轴。

当一侧车轮在路面上滑转或车辆转弯时,行星齿轮自转,起差速作用,左、右半轴齿轮的转速不等。由于转速差的存在和轴向力的作用,主从动摩擦片间在滑转同时产生摩擦力矩,其数值大小与差速器传递的转矩和摩擦片数量成正比,而摩擦力矩的方向与快转半轴的旋向相反,与慢转半轴的旋向相同。较大数值内摩擦力矩作用的结果,使慢半轴传递的转矩明显增加。

这种差速器结构简单、工作平稳、锁紧系数高,常用于轿车、轻型货车以及四轮驱动拖拉机前驱动桥上。