汽车构造：驱动桥及差速器功能

驱动桥的作用就是把万向传动装置传来的变速器转矩通过驱动桥主减速器的转换，实现降速以增大转矩传给驱动轮。驱动桥主要由主减速器、差速器、半轴以及桥壳组成。驱动桥的结构类型主要有断开式（独立悬架系统）与非断开式（非独立悬架系统）两种。非断开式和断开式驱动桥结构示意图如图3-110所示。

图3-110 非断开式和断开式驱动桥结构示意图

1—主减速器 2—半轴 3—弹性元件 4—减振器 5—车轮 6—摆臂 7—摆臂轴

3.1.7.1 驱动桥传动系统

驱动桥的传动系统是一套减速系统，它包括一级、二级和多级减速齿轮传动装置和一套行星轮差速装置。

1.主减速器的作用

主减速器的功用是将输入的转矩增大、转速降低，并将动力传递的方向改变后（有些横向布置发动机的除外）传给差速器，通过半轴或万向节连接的驱动轴（断开式（独立悬架系统）驱动桥（轿车））驱动车轮。

2.主减速器的类型

按参加传动的齿轮副数目，可分为单级式主减速器和双级式主减速器。有些重型汽车又将双级式主减速器的第二级圆柱齿轮传动装置设置在两侧驱动轮处，称为轮边减速器。普通轿车通常采用一级齿轮减速器（前置前驱轿车的主减速器通常与变速器装配为一体），大型车辆通常采用二级或二级以上齿轮减速器。在主减速器内还设置了一套行星轮差速系统。

按主减速器传动速比个数，可分为单速和双速式主减速器。单速式的传动比是一定值，而双速式则有两个传动比（即两条传动路线）供驾驶人选择。

按齿轮副结构形式，可分为圆柱齿轮式（又可分为定轴轮系和行星轮系）主减速器和圆锥齿轮式（又可分为螺旋锥齿轮式和双曲面锥齿轮式）主减速器。

3.主减速器的构造与工作原理

（1）单级主减速器

1）应用：轿车和一般轻、中型货车。

2）特点：结构简单、体积小、重量轻、传动效率高。

3）构造及工作情况：万向传动装置传来的动力由叉形凸缘经花键传给主动齿轮、从动齿轮，减速变向后，通过螺栓传给差速器壳，由差速器传给两侧半轴驱动齿轮，在普通轿车上通常把主减速器和变速器做成一体。其构造情况和特点如图3-111轿车主减速器与变速器的构造形式和图3-112汽车主减速器及差速器和驱动桥的结构示意图所示。

图3-111 轿车主减速器与变速器的构造形式

图3-112 汽车主减速器及差速器和驱动桥的结构示意图

（2）双级主减速器 在一些减速比比较大的减速器常常采用，第一级为锥齿轮传动，第二级为圆柱斜齿轮传动。双级主减速器的结构特点：

1）第一级为圆锥齿轮传动，其调整装置与单级主减速器类似。

2）由于双级减速，减小了从动锥齿轮的尺寸，其背面一般不需要止推装置。

3）第二级为圆柱齿轮传动，圆柱齿轮多采用斜齿或人字齿，传力平稳。

4）双级主减速器的减速比为两对齿轮副减速比的乘积。

汽车主减速器及差速器和驱动桥的结构示意图如图3-112中右上图所示。

3.1.7.2 差速器

1.差速器的功用

差速器是一个差速传动机构，用来保证各驱动轮在各种运动条件下的动力传递，避免轮胎与地面间打滑。

2.差速器的工作原理

为保证两侧驱动轮与地面接触作纯滚动，汽车在弯道或路面质量较差的时候，需要左右轮具有不同的转速。差速器装置可实现这一功能。设轮中心相对地面移动的线速度为v，车轮转动角速度为ω，车轮半径为r，则纯滚动时v=ωr，进入弯道时两侧轮的v值与转弯半径R相关，即v_内≠v_外，若角速度相同，上式不成立。车辆在直线行驶时，由于路面不平，两侧车轮中心实际平移的距离不等，因此也存在上述问题。汽车转弯过程如图3-113汽车转向驱动轮运动和差速器结构示意图中左图所示。根据两端输出转矩是否相等，差速器可分为对称式（等矩）和非对称式（不等矩）两类。

图3-113 汽车转向驱动轮运动和差速器结构示意图

（1）对称式圆锥齿轮差速器（常规差速器） 对称式圆锥齿轮差速器是一种行星机构。差速器外壳与行星架、主减速器从动轮联为一体，构成差动器的主动件，两半轴齿轮为从动件。汽车转向驱动轮运动和差速器结构示意图如图3-113右图所示。

差速器差动原理图如图3-114所示，汽车转向驱动轮运动和差速器结构示意图如图3-113右图所示，设主动件角速度为ω₀，从动件1、2角速度分别为ω₁、ω₂，A、B两点分别为行星轮4与半轴齿轮1、2的啮合点，行星轮中心为C，A、B、C三点到差速器转轴轴线距离为r。行星轮4与行星架一起只作公转，无自转，A、B、C三点圆周速度相等，有ω₀=ω₁=ω₂；当行星轮4同时绕自身轴5以ω₄的角速度自传时：A点圆周速度为ω₁r=ω₀r+ω₄r，B点圆周速度为ω₂r=ω₀r-ω₄r。

图3-114 差速器差动原理图

1，2—半轴齿轮 3—差速器壳 4—行星齿轮 5—行星齿轮轴 6—主减速器从动齿轮

可得：ω₁r+ω₂r=（ω₀r+ω₄r）+（ω₀r-ω₄r）

即ω₁r+ω₂r=2ω₀r

当角速度以nr/min表示，则：n₁+n₂=2n₀。

由此可见：左右两侧半轴齿轮转速之和等于差速器壳转速的两倍，与行星齿轮转速无关。即两侧驱动轮在各种复杂情况下都可借助行星轮自转，而获得不同的转速。当一侧半轴不转时，另一半轴的转速是差速器壳转速的两倍；当差速器壳因某种原因静止时，若一侧半轴转动，另一侧则按相反的方向以相同的转速转动。

（2）对称式差速器力矩分配 轮系中行星轮相当于一个等臂杠杆，两个半轴齿轮半径也相等，所以在无行星轮自转的情况下，两侧输出力矩总是相等的，即：

M₀/2=M₁=M₂

（M₀为万向传动装置输出的转矩）

当两侧不等速，但方向相同输出，设n₁＞n₂，行星轮按n₄方向转动，摩擦力矩M_r与n₄方向相反。此时对两侧半轴齿轮都产生如图3-115差速器力矩分配示意图所示的圆周力F₁、F₂，有：

M₁=（M₀-M_r）/2

M₂=（M₀+M_r）/2

即影响两侧输出力矩的主要因素是差速器内摩擦力矩。由于目前使用的对称式差速器内摩擦力矩都很小，因此可以认为两侧驱动力矩基本上是相等的（包括n₁≠n₂反向的状况）。

图3-115 差速器力矩分配示意图

3.对称式差速器的缺陷

当两侧驱动轮有一侧处于小附着力状况下，由于力矩平均分配，导致另一侧也无法进行驱动。克服这一缺点，应采用各种不同形式的防滑差速器。如强制自锁式差速器、高摩擦自锁式差速器等。随着现代设计、制造技术的高速发展，差速器结构不仅限于上述齿轮副机构。在重型汽车上常用牙嵌式自由轮差速器；多轴驱动汽车常用托森差速器、黏性联轴差速器等。另外，在许多前置发动机传动系统中，一般将变速器、主轴传动系、差速器设计成一体，称为变速驱动桥，缩短了机械传动路线，有效提高传动效率。

4.其他类型差速器

差速器通常与主减速器的末级大齿轮连为一体，由行星轮、行星轮轴销、半轴齿轮等构成，根据使用状况的不同差速器结构会有些变化各类差速器的构成结构示意图如图3-116所示，汽车主减速器及差速器和驱动桥的结构示意图如图3-112所示。

图3-116 各类差速器的构成结构示意图(www.xing528.com)

（1）托森差速器 奥迪汽车的四驱系统称为quattro全时四驱，其引以为豪的quattro四轮驱动的核心技术是托森差速器，以下我们简介一下托森差速器的结构和原理

1）托森差速器的结构。如图3-116b所示，托森差速器由差速器壳、蜗轮轴（6个）、前轴蜗杆、后轴蜗杆、直齿圆柱齿轮（12个）、蜗轮（6个）等组成。空心轴和差速器外壳通过花键相连而一同转动。每个蜗轮轴上的中间有一个蜗轮和两个尺寸相同的直齿圆柱齿轮。蜗轮和直齿圆柱齿轮通过蜗轮轴安装在差速器外壳上。其中三个蜗轮与前轴蜗杆啮合，另外三个蜗轮与后轴的蜗杆相啮合。与前、后轴蜗杆相啮合的蜗轮彼此通过直齿圆柱齿轮相啮合，前轴蜗杆和驱动前桥的差速器前齿轮轴为一体，后轴蜗杆和驱动后桥的差速器后齿轮轴为一体。利用蜗杆传动的不可逆性原理和齿面高摩擦条件，使差速器根据其内部差动转矩的大小而自动锁死或松开，即在差速器内差动转矩较小时起差速作用，而过大时自动将差速器锁死，有效地提高了汽车通过性。

奥迪80和奥迪90全轮驱动轿车的前、后轴间的差速器采用了这种新型的托森差速器。发动机输出的转矩经输入轴输入变速器，经相应档位变速后，由输出轴（空心轴）输入到托森差速器的外壳，经托森差速器的差速作用，一部分转矩通过差速器齿轮轴传至前桥，另一部分转矩通过驱动轴凸缘盘传至后桥，实现前、后轴同时驱动和前、后轴转矩的自动调节。

2）托森差速器的工作原理。当汽车驱动时，来自发动机的动力通过空心轴传至差速器外壳，差速器外壳通过蜗轮轴传到蜗轮，再传到蜗杆。前轴蜗杆通过差速器前齿轮轴将动力传至前桥，后轴蜗杆通过差速器后齿轮轴传至后桥，从而实现前、后驱动桥的驱动牵引作用。

当汽车转弯时，前、后驱动轴出现转速差，通过啮合的直齿圆柱齿轮相对转动，使一轴转速加快，另一轴转速下降，实现差速作用。

托森差速器的转矩分配是利用其结构中的蜗轮蜗杆传动副的高内摩擦力矩M_r进行转矩分配的。而M_r又取决于两端输出轴的相对转速。当n₁、n₂转速差比较小时，后端蜗轮带动蜗杆摩擦力亦较小，通过差速器直齿圆柱齿轮吸收两侧输出轴的转速差。当前轴蜗杆转速较高时，蜗轮驱动蜗杆的摩擦力矩也较大，差速器将抑制该车轮的空转，将输入转矩M₀多分配到后端输出轴上，转矩分配为M₁=1/2（M₀-M_r），M₂=1/2（M₀+M_r）。

（2）防滑差速器（摩擦片式自锁差速器） 我们经常会看到这样的情况：在滑湿的路面，一辆车的一个驱动轮在附着力小的路面（如积水、泥土路面）打滑，无论驾驶人如何踩加速踏板，这个车轮就是打滑，而另一侧车轮却无动于衷。这时，驾驶人要做的是在积水车轮下加一些干燥的土石，以增加这个车轮的附着力。上述这种情况就是普通差速器的最大缺点，即当一侧车轮在路面打滑时，另一侧驱动轮将没有驱动力。所以有些车就设计了防滑差速器。

1）防滑差速器的结构。防滑差速器是在原来普通差速器的基础上，在差速器内的半轴齿轮与差速器壳之间增加了摩擦片等防滑装置，汽车正常行驶时，差速器壳通过行星齿轮轴及行星齿轮将动力传递给半轴齿轮，此时半轴齿轮与差速器壳的转速及转向是相同的，转弯时，因为行星齿轮发生了自转，两侧半轴齿轮的转速相对于差速器壳的转速增加或减少：一侧增加的转速等于另一侧减少的转速，实现汽车的转变。而当出现一侧车轮在附着力小的滑湿路面打滑时，另一侧车轮没有驱动力，此时，打滑车轮侧的半轴齿轮的转速是差速器壳转速的两倍，在这种严重打滑的状态下，位于半轴齿轮与差速器壳之间的防滑装置接合，差速器壳通过防滑装置（如摩擦片）将动力直接传递给半轴齿轮，打滑侧的半轴齿轮转速下降后，另一侧车轮就会获得驱动力。

2）防滑差速器的控制方式。防滑差速器中半轴齿轮与差速器壳之间的防滑摩擦片的控制方式有两种：一种是自动控制，当一侧车轮发生打滑时，两侧半轴出现转速差，差速器壳与半轴齿轮之间的摩擦片自动产生摩擦阻力，使另一侧车轮得到一定的转矩而驱动汽车继续行驶。当两侧车轮没有转速差时，摩擦阻力消失，自动恢复差速器的作用。这种方式结构比较复杂，但不需要驾驶人进行操作。目前已越来越多地在汽车上得到应用；另一种是手动控制如图3-116d所示（强制锁止式差速器）。

3.1.7.3 其他类型主减速器

1.轮边减速器

（1）功用 为了获得更大的离地间隙和主传动比，将第二级减速齿轮机构制成相同的两套，安装在靠近两侧驱动轮位置。

（2）应用 重型货车、越野车、大型客车。

（3）结构 如图3-117所示，太阳轮与半轴相连，是主动件，行星轮架与轮毂（轮盘）相连，是从动件，齿圈与壳体相连，是固定件，传动比与齿圈齿数、太阳轮齿数相关。传动比i=（齿圈齿数/半轴齿轮齿数（太阳轮））+1

图3-117 轮边减速器安装位置及机构简化和实物图

2.双速主减速器

（1）结构特点 双速主减速器可以由圆柱齿轮组（图3-118a）或行星齿轮组（图3-118b）构成。圆柱齿轮式双速主减速器结构尺寸和质量较大，可获得的主减速比较大。只要更换圆柱齿轮轴、去掉一对圆柱齿轮，即可变形为普通的双级主减速器。行星齿轮式双速主减速器结构紧凑，质量较小，具有较高的刚度和强度，桥壳与主减速器壳都可与非双速通用，但需加强行星轮系和差速器的润滑。

（2）变速操控 对于行星齿轮式双速主减速器，当汽车行驶条件要求有较大的牵引力时，驾驶人通过操纵机构将啮合套及太阳轮推向右方（如图3-118b所示位置），离合齿轮的短齿与固定在主减速器上的接合齿环相接合，太阳轮就与主减速器壳连成一体，并与行星齿轮架的内齿环分离，而仅与行星齿轮啮合。于是，行星机构的太阳轮成为固定轮，与从动锥齿轮连成一体的齿圈为主动轮，与差速器左壳连在一起的行星齿轮架为从动件，行星齿轮起减速作用，其减速比为（1+a），a为太阳轮齿数与齿圈齿数之比。在一般行驶条件下，通过操纵机构使啮合套及太阳轮移到左边位置，啮合套的离合齿轮与固定在主减速器壳上的接合齿环分离，太阳轮与行星齿轮及行星齿轮架的内齿环同时啮合，从而使行星齿轮无法自转，行星齿轮机构不再起减速作用。显然，此时双速主减速器相当于一个单级主减速器。

双速主减速器的换档是由远距离操纵机构实现的，一般有电磁式、气压式和电—气压综合式操纵机构。由于双速主减速器无换档同步装置，因此其主减速比的变换是在停车时进行的。双速主减速器主要在一些单桥驱动的重型汽车上采用。

图3-118 双速主减速器构成示意图

3.贯通式主减速器

（1）单级贯通式主减速器 贯通式主减速器（单级贯通式主减速器结构剖视图如图3-119所示，双级贯通式主减速器结构剖视图如图3-120所示）根据其减速形式可分成单级和双级两种。单级贯通式主减速器具有结构简单，体积小，质量小，并可使中、后桥的大部分零件尤其是使桥壳、半轴等主要零件具有互换性等优点，主要用于轻型多桥驱动的汽车上。根据减速齿轮形式不同，单级贯通式主减速器又可分为双曲面齿轮式及蜗轮蜗杆式两种结构。双曲面齿轮式单级贯通式主减速器（图3-119a）是利用双曲面齿轮副轴线偏移的特点，将一根贯通轴穿过中桥并通向后桥。但是这种结构受主动齿轮最少齿数和偏移距大小的限制，而且主动齿轮工艺性差，主减速比最大值仅在5左右，故多用于轻型汽车的贯通式驱动桥上。当用于大型汽车时，可通过增设轮边减速器或加大分动器速比等方法来加大总减速比。蜗轮蜗杆式单级贯通式主减速器（图3-119b）在结构质量较小的情况下可得到较大的速比。它用于各种吨位多桥驱动汽车的贯通式驱动桥的布置。另外，它还具有工作平滑无声、便于汽车总布置的优点。如蜗杆下置式布置方案被用于大客车的贯通式驱动桥中，可降低车厢地板高度。

图3-119 单级贯通式主减速器结构剖视图

图3-120 双级贯通式主减速器结构剖视图

（2）双级贯通式主减速器 对于中、重型多桥驱动的汽车，由于主减速比较大，多采用双级贯通式主减速器。根据齿轮的组合方式不同，可分为锥齿轮—圆柱齿轮式和圆柱齿轮—锥齿轮式两种形式。锥齿轮—圆柱齿轮式双级贯通式主减速器（图3-120a）可得到较大的主减速比，但是结构高度尺寸大，主动锥齿轮工艺性差，从动锥齿轮采用悬臂式支承，支承刚度差，拆装也不方便。圆柱齿轮—锥齿轮式双级贯通式主减速器（图3-120b）的第一级圆柱齿轮副具有减速和贯通的作用。有时仅用作贯通用，将其速比设计为1。在设计中应根据中、后桥锥齿轮的布置、旋转方向，双曲面齿轮的偏移方式以及圆柱齿轮副在锥齿轮副前后的布置位置等因素来确定锥齿轮的螺旋方向，所选的螺旋方向应使主、从动锥齿轮有相斥的轴向力。这种结构与前者相比，结构紧凑，高度尺寸减小，有利于降低车厢地板及整车质心高度。

3.1.7.4 半轴

1.半轴的功用

差速器与驱动轮或轮边减速器之间传递运动和动力的实心轴。

半轴的受力状况取决于支承形式，现代汽车基本采用全浮式半轴支承和半浮式半轴支承两种形式。

2.半轴的结构

半轴的结构因驱动桥结构形式的不同而不同。整体式驱动桥中的半轴为一刚性整轴。而转向驱动桥（前轮驱动桥）和断开式驱动桥中的半轴则分段并用万向节连接。半轴内端一般有外花键与半轴齿轮连接。半轴外端结构形式，有的直接在轴端锻造出凸缘盘；也有的制成花键与单独制成的凸缘盘滑动配合；还有的制成锥形并通过键和螺母与轮毂固定连接。

在非断开式驱动桥内，半轴一般是实心的；在断开式驱动桥处，往往采用万向传动装置给驱动轮传递动力；在转向驱动桥内，半轴一般需要分为内半轴和外半轴两段，中间用等角速万向节相连接。半轴结构如图3-121所示。

3.支承形式

在非断开式驱动桥内，半轴与驱动轮的轮毂在桥壳上的支承形式决定了半轴的受力状况。现代汽车多采用全浮式和半浮式两种半轴支承形式。

全浮式半轴支承广泛应用于各型货车、大客车和工程车上，其结构如图3-122a所示。半轴外端锻造有半轴凸缘，用螺栓紧固在轮毂上，轮毂用两个圆锥滚子轴承1和2支承在半轴套管上，半轴套管与空心梁压配成一体，组成驱动桥壳。这种支承形式，半轴与桥壳没有直接联系。半轴内端用花键与半轴齿轮套合，并通过差速器壳支承在主减速器壳的座孔中。

图3-121 各类半轴结构图

图3-122 半轴在驱动桥中的支承形式

半浮式半轴支承如图3-122b所示，半轴外端制成锥形，锥面上铣有键槽，最外端制有螺纹。轮毂以其相应的锥孔与半轴上锥面配合，并用键连接，用锁紧螺母紧固，半轴用一个圆锥滚子轴承直接支承在桥壳凸缘的座孔内。车轮与桥壳之间无直接联系，而支承于悬伸出的半轴外端。因此，地面作用于车轮和各种反力都须经半轴外端的悬伸部分传给桥壳，使半轴外端不仅要承受转矩，还要承受各种反力及其形成的弯矩。半轴内端通过花键与半轴齿轮连接，不承受弯矩。故称这种支承方式为半浮式半轴支承。

3.1.7.5 驱动桥桥壳

1.驱动桥壳的功用

驱动桥壳能支承、保护主减速器、差速器、半轴等；确定左右驱动轮间距；支承车架及其上其他总成的重量；承受车轮与地面的反力。

2.驱动桥壳形式

按结构形式分为：整体式（桥体整体制造）、分段式（将桥体分段制造再装配成一体）。

（1）整体式 整体式强度、刚度大，承载能力强，常用材料：各类铸钢。整体式驱动桥壳结构如图3-123所示。

图3-123 整体式驱动桥壳

（2）分段式 特点：易于铸造，加工简便，但装车后不便于驱动桥的维修。分段式驱动桥壳结构如图3-124所示。

图3-124 分段式驱动桥壳结构示意图

（3）断开式驱动桥 在高档轿车中有较多应用，主减速传动器与桥架分开，装配工序多，整体桥架减振性能较好。其结构如图3-125所示。