自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器在皮卡車后橋的應用研究

張安霞 胡德鵬 許慶超 楚斌峰

1.鄭州日產(chǎn)汽車有限公司 河南省鄭州市 450016 2.吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 引言

差速器是汽車驅(qū)動橋中的重要部件，其主要功能是當汽車轉(zhuǎn)彎行駛或在不平路面上行駛時，使左右驅(qū)動輪以不同的轉(zhuǎn)速滾動，即保證兩側(cè)驅(qū)動輪作純滾動運動，并將動力分配給左右車輪。

自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器是一款復合型的差速器，是對普通差速器的革新與改進，它克服了普通差速器只能平均分配扭矩的缺點。自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器能夠根據(jù)道路條件的變化自動分配左右兩側(cè)車輪的扭矩，使發(fā)動機傳遞過來的扭矩向附著條件好的一側(cè)車輪轉(zhuǎn)移，從而抑制車輪打滑，提高車輛在濕滑路面的安全行駛能力。當極限工況下一側(cè)車輪懸空空轉(zhuǎn)時，自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器可以自動鎖止兩半軸，將全部扭矩轉(zhuǎn)移給附著條件好的那側(cè)車輪上，從而使車輛脫困，提高車輛在壞路面的越野性能。車輛一旦駛出壞路面恢復附著力或者車速高于30km/h，自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器還能夠自動解鎖。

自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器相比其他差速器具有以下優(yōu)點：①相比僅在特別惡劣路況下才起作用的鎖止式差速器，增加了限滑功能，給車輛提供更穩(wěn)定的通過能力和更可靠的安全保障；②相比僅有限滑功能的防滑差速器，增加了鎖止功能，能夠在一側(cè)車輪懸空或完全打滑時自動鎖止兩半軸，提高惡劣路況下的脫困能力；③相比普通開式差速器，除具備正常的差速功能外，還具有限滑功能和鎖止功能。

2 自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器結(jié)構(gòu)特點

自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器主要包括差速器殼體、殼體內(nèi)左右對稱設置的左半軸齒輪和右半軸齒輪、與左半軸齒輪嚙合的三個左行星齒輪、與右半軸齒輪嚙合的三個右行星齒輪、設置在殼體內(nèi)的鎖止機構(gòu)，如圖1 所示。其獨特之處在于：行星齒輪和半軸齒輪均為螺旋齒輪，三個左行星齒輪與三個右行星齒輪兩兩嚙合，螺旋齒輪副運轉(zhuǎn)時與殼體之間將產(chǎn)生較大的內(nèi)摩擦力，起到限滑并轉(zhuǎn)移扭矩的作用，提高車輛在打滑路面的安全行駛性能。

圖1 限滑鎖止式差速器結(jié)構(gòu)示意圖

自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器的工作原理和傳統(tǒng)的差速器有很大不同，傳統(tǒng)的差速器只是簡單的限制車輪打滑，從而被動的轉(zhuǎn)移小部分扭矩，此過程會消耗車輛動力。自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器從限制打滑到轉(zhuǎn)移扭矩的過程中，螺旋齒輪嚙合會產(chǎn)生較大的軸向力、螺旋齒輪副運轉(zhuǎn)時與殼體之間會產(chǎn)生較大的內(nèi)摩擦力，這些力的合力，與車輛牽引力的方向一致，即合力與車輛前進方向一致，可以有效提升車輛的加速能力。

自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器內(nèi)部設置有摩擦片及鎖止裝置和解鎖裝置。當車速小于30km/h 且兩驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速差大于等于100r/min 時，鎖止機構(gòu)會自動鎖止兩半軸，將100%的扭矩轉(zhuǎn)移給附著力好的一側(cè)車輪，幫助車輛順利脫困。其解鎖裝置內(nèi)置的安全保護裝置，在車速達到30km/h 時會自動解鎖，保證了車輛在30km/h 以上速度時，永遠不會鎖止。差速器內(nèi)的摩擦片能夠保證鎖止柔和、減緩沖擊，可以有效保護傳動零件的安全。既提高了皮卡汽車的通過性，又給駕駛者提供更舒適、自然的駕駛感受。在皮卡車后橋安裝自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器，能有效提升車輛的商品競爭力。因此研究自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器在皮卡車上的應用具有重要的現(xiàn)實指導意義。

3 試驗方案

3.1 試驗系統(tǒng)及試驗準備

自動機械限滑螺旋鎖差速器的工作穩(wěn)定性和可靠性的試驗驗證，是通過控制差速器輸入端、輸出端轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，模擬汽車實際運行工況，進行的臺架性能試驗。

本文的臺架試驗主要是利用對差速器輸入端、輸出端轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制，模擬汽車實際運行工況。首先選定一款在山區(qū)銷量較好的皮卡車，在皮卡后橋上安裝自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器，然后根據(jù)該皮卡車的實際運行工況對后橋進行臺架性能試驗，對自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器可能出現(xiàn)的安全風險進行充分的試驗驗證。該車相關(guān)參數(shù)如下：主減速器速比i=4.1；變速器一檔速比i=4.313；分動器速比i=2.48；輪胎滾動半徑r=0.364 米；發(fā)動機最大輸出扭矩T=300N.m；整車滿載質(zhì)量3150 千克，后橋載荷m=1850 千克；差速器主動錐最大輸入扭矩M=380N.m（附著系數(shù)按照0.8 計算，作用載荷按0.5 倍滿載）。

在進行限滑差速器臺架性能試驗前，先把限滑差速器裝入相匹配試驗后橋中，并可靠的連接到試驗臺中，添加規(guī)定品種的適量潤滑油（齒輪油加注量要保證能從加油口下沿溢出），然后對試驗用后橋總成按照0.2、0.3 倍載荷進行磨合。

3.2 試驗方法及步驟

在試驗臺架上模擬限滑差速器的實際工況，應選擇限滑差速器的典型工作工況進行試驗，首先確定汽車各種行駛工況下的左右輪的轉(zhuǎn)速差及差速器輸入端轉(zhuǎn)矩。

皮卡汽車在常規(guī)良好路面上正常行駛時，沒有出現(xiàn)大的轉(zhuǎn)速差，一般載荷較大。試驗載荷系數(shù)K 分別取0.3、0.4、0.5 倍滿載進行，轉(zhuǎn)速差取5、10、20、30r/min 分別進行試驗。模擬良好路面行駛工況時，車速取50/60/70/80 km/h。皮卡汽車在壞路面上行駛時，轉(zhuǎn)速差較大，此時試驗載荷系數(shù)K 分別取0.3、0.4、0.5 倍滿載進行，轉(zhuǎn)速差取10、20、30、50r/min 分別進行試驗。模擬良好路面行駛工況時，試驗車速取10/20/30km/h。綜合臺架模擬試驗工況如表1 所示，表2 所示為試驗操作時的差速器輸入端轉(zhuǎn)速與車速的對照表。

表1 臺架模擬工況列表

表2 輸入轉(zhuǎn)速與車速的對照表

臺架試驗步驟如下：

（1）車速5km/h 時，在差速器輸入端施加轉(zhuǎn)速n=150，施加轉(zhuǎn)矩M=386N.m，試驗轉(zhuǎn)速差△n=10，運轉(zhuǎn)20 秒，分別記錄差速器快端半軸輸出轉(zhuǎn)矩M和慢端半軸輸出轉(zhuǎn)矩M；

（2）在差速器輸入端施加轉(zhuǎn)速n=150，施加轉(zhuǎn)矩M=386N.m，試驗轉(zhuǎn)速差△n=20，運轉(zhuǎn)20 秒，分別記錄差速器快端半軸輸出轉(zhuǎn)矩M和慢端半軸輸出轉(zhuǎn)矩M；

（3）在差速器輸入端施加轉(zhuǎn)速n=150，施加轉(zhuǎn)矩M=386N.m，試驗轉(zhuǎn)速差△n=30，運轉(zhuǎn)20 秒，分別記錄差速器快端半軸輸出轉(zhuǎn)矩M和慢端半軸輸出轉(zhuǎn)矩M；

（4）在差速器輸入端施加轉(zhuǎn)速n=150，施加轉(zhuǎn)矩M=386N.m，試驗轉(zhuǎn)速差△n=50，運轉(zhuǎn)20 秒，分別記錄差速器快端半軸輸出轉(zhuǎn)矩M和慢端半軸輸出轉(zhuǎn)矩M；

（5）車速5km/h 時，差速器輸入端轉(zhuǎn)矩M=515N.m，重復步驟(1)～(4)。

（6）車速5 km/h 時，差速器輸入端轉(zhuǎn)矩M=644N.m，重復步驟(1)～(4)。

（7）車速10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h 時，分別重復步驟(1)～(6)。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 限滑轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速差的關(guān)系

基本限滑性能是指主動控制式限滑差速器的限滑性能與車輛行駛狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，可采用限滑轉(zhuǎn)矩與左右半軸轉(zhuǎn)速差的關(guān)系曲線來表征。

根據(jù)式⑴對本文臺架試驗得到的數(shù)據(jù)進行處理，可以得到該皮卡車螺旋鎖差速器的限滑轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速差的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 限滑轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速差的關(guān)系曲線

從圖2 中可以看出，在同等車速時，限滑轉(zhuǎn)矩隨左右半軸轉(zhuǎn)速差的增加而增加；在同等轉(zhuǎn)速差時，限滑轉(zhuǎn)矩隨車速增加而降低，但在較高車速時降低幅度減緩，比較符合皮卡的實際運行工況。因此本文臺架試驗中選取的試驗參數(shù)和試驗步驟的操作都比較符合皮卡的真實使用情況，試驗結(jié)果數(shù)據(jù)更能真實反應的差速器的效果和工作穩(wěn)定性。

4.2 不同車速時轉(zhuǎn)速差、輸入轉(zhuǎn)矩與鎖緊系數(shù)的關(guān)系

對臺架試驗得到的數(shù)據(jù)按照式(2) 進行處理，可以得到不同車速時轉(zhuǎn)速差、輸入轉(zhuǎn)矩與鎖緊系數(shù)的關(guān)系，如圖3～圖8 所示。

圖3 車速在5Km/h 時不同轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速差與鎖緊系數(shù)關(guān)系曲線

圖4 車速在10Km/h 時不同轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速差與鎖緊系數(shù)關(guān)系曲線

圖5 車速在20Km/h 時不同轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速差與鎖緊系數(shù)關(guān)系曲線

圖6 車速在30Km/h 時不同轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速差與鎖緊系數(shù)關(guān)系曲線

圖7 車速在40Km/h 時不同轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速差與鎖緊系數(shù)關(guān)系曲線

圖8 車速在50Km/h 時不同轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速差與鎖緊系數(shù)關(guān)系曲線

(1)車速在5Km/h 時不同轉(zhuǎn)速差及不同輸入轉(zhuǎn)矩時的鎖緊系數(shù)

車速在10Km/h 時不同轉(zhuǎn)速差及不同輸入轉(zhuǎn)矩時的鎖緊系數(shù)

(3)車速在20Km/h 時不同轉(zhuǎn)速差及不同輸入轉(zhuǎn)矩時的鎖緊系數(shù)

(4)車速在30Km/h 時不同轉(zhuǎn)速差及不同輸入轉(zhuǎn)矩時的鎖緊系數(shù)

(5)車速在40Km/h 時不同轉(zhuǎn)速差及不同輸入轉(zhuǎn)矩時的鎖緊系數(shù)

(6)車速在50Km/h 時不同轉(zhuǎn)速差及不同輸入轉(zhuǎn)矩時的鎖緊系數(shù)

由圖3～圖8 可知，皮卡車后橋安裝自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器后，在不同車速下的轉(zhuǎn)速差、輸入轉(zhuǎn)矩與鎖緊系數(shù)的關(guān)系曲線均較為緊湊，鎖緊系數(shù)分布相對集中，說明該后橋的自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器性能穩(wěn)定、工作可靠性高，可以批量應用于該皮卡車系。

5 結(jié)論

自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器既有限滑功能、又有鎖止功能，可以給車輛提供更強大的越野能力、更穩(wěn)定的通過能力和更可靠的安全保障，還能提升皮卡產(chǎn)品的市場競爭力。本文以某皮卡車為研究對象，對裝有自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器的后橋進行了臺架性能試驗，探討了臺架試驗方法和試驗數(shù)據(jù)分析方法。研究結(jié)果表明，自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器性能穩(wěn)定、工作可靠性高，為進一步研究差速鎖在汽車上的應用提供了經(jīng)驗依據(jù)，為自動機械鎖止式螺旋齒限滑差速器的推廣應用奠定了基礎(chǔ)。