汽车差速器的结构和工作原理

汽车差速器的结构和工作原理汽车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。当汽车转弯行驶时，外侧车轮比内侧车轮所走过的路程长(图1)；汽车在不平路面上直线行驶时，两侧车轮走过的曲线长短也不相等；即使路面非常平直，但由于轮胎制造尺寸误差，磨损程度不同，承受的载荷不同或充气压力不等，各个轮胎的滚动半径实际上不可能相等，若两侧车轮都固定在同一刚性转轴上，两轮角速度相等，则车轮必然出现边滚动边滑动的现象。图1车轮对路面的滑动不仅会加速轮胎磨损，增加汽车的动力消耗，而且可能导致转向和制动性能的恶化。若主减速器从动齿轮通过一根整轴同时带动两侧驱动轮，则两侧车轮只能同样的转速转动。为了保证两侧驱动轮处于纯滚动状态，就必须改用两根半轴分别连接两侧车轮，而由主减速器从动齿轮通过差速器分别驱动两侧半轴和车轮，使它们可用不同角速度旋转。这种装在同一驱动桥两侧驱动轮之间的差速器称为轮间差速器。在多轴驱动汽车的各驱动桥之间，也存在类似问题。为了适应各驱动桥所处的不同路面情况，使各驱动桥有可能具有不同的输入角速度，可以在各驱动桥之间装设轴间差速器。差速器可分为普通差速器和防滑差速器两大类。普通差速器的结构及工作原理目前国产轿车及其它类汽车基本都采用了对称式锥齿轮普通差速器。对称式锥齿轮差速器由行星齿轮、半轴齿轮、行星齿轮轴（十字轴或一根直销轴）和差速器壳等组成（见图1）。（从前向后看）左半差速器壳2和右半差速器壳8用螺栓固紧在一起。主减速器的从动齿轮7用螺栓（或铆钉）固定在差速器壳右半部8的凸缘上。十字形行星齿轮轴9安装在差速器壳接合面处所对出的园孔内，每个轴颈上套有一个带有滑动轴承（衬套）的直齿圆锥行星齿轮6，四个行星齿轮的左右两侧各与一个直齿圆锥半轴齿轮4相啮合。半轴齿轮的轴颈支承在差速器壳左右相应的孔中，其内花键与半轴相连。与差速器壳一起转动（公转）的行星齿轮拨动两侧的半轴齿轮转动，当两侧车轮所受阻力不同时，行星齿轮还要绕自身轴线转动--自转，实现对两侧车轮的差速驱动。行星齿轮的背面和差速器壳相应位置的内表面，均做成球面，这样作能增加行星齿轮轴孔长度，有利于和两个半轴齿轮正确地啮合。在传力过程中，行星齿轮和半轴齿轮这两个锥齿轮间作用着很大的轴向力，为减少齿轮和差速器壳之间的磨损，在半轴齿轮和行星齿轮背面分别装有平垫片3和球面垫片5。垫片通常用软钢、铜或者聚甲醛塑料制成。1-轴承；2-左外壳；3-垫片；4-半轴齿轮；5-垫圈；6-行星齿轮；7-从动齿轮；8-右外壳；9-十字轴；10-螺栓图2差速器构造零件的分解差速器的润滑是和主减速器一起进行的。为了使润滑油进入差速器内，往往在差速器壳体上开有窗口。为保证润滑油能顺利到达行星齿轮和行星齿轮轴轴颈之间，在行星齿轮轴轴颈上铣出一平面，并在行星齿轮的齿间钻出径向油孔。在中级以下的汽车上，由于驱动车轮的转矩不大，差速器内多用两个行星齿轮。相应的行星齿轮轴相为一根直销轴，差速器壳可以制成开有大窗孔的整体式壳，通过大窗孔，可以进行拆装行星齿轮和半轴齿轮的操作。普通齿轮式差速器的两个特性对称式锥齿轮差速器中的运动特性关系式如图3所示为普通对称式锥齿轮差速器简图。差速器壳3作为差速器中的主动件，与主减速器的从动齿轮6和行星齿轮轴5连成一体。半轴齿轮1和2为差速器中的从动件。行星齿轮即可随行星齿轮轴一起绕差速器旋转轴线公转，又可以绕行星齿轮轴轴线自转。设在一段时间内，差速器壳转了N0圈，半轴齿轮1和2分别转了N1圈和N2（N0、N1和N2不一定是整数）圈，则当行星齿轮只绕差速器旋转轴线公转而不自转时，行星齿轮拨动半轴齿轮1和2同步转动，则有：N1＝N2＝N0当行星齿轮在公转的同时，又绕行星齿轮轴轴线自转时，由于行星齿轮自转所引起一侧半轴齿轮1比差速器壳多转的圈数（N4）必然等于另一侧半轴齿轮2比差速器壳少转的圈数。于是有：N1＝N0＋N4和N2＝N0－N4以上两种情况，N1、N2与N0之间都有以下关系式：N1＋N2＝2N0若用角速度表示，应有：ω1＋ω2＝2ω0其中ω1、ω2和ω0分别为左、右半轴和差速器壳的转动角速度。上式表明，左右两侧半轴齿轮的转速之和等于差速器壳转速的两倍，这就是两半轴齿轮直径相等的对称式锥齿轮差速器的运动特性关系式。B对称式锥齿轮差速器中的转矩分配关系式在以上差速器中，设输入差速器壳的转矩为M0，输出给左、右两半轴齿轮的转矩为M1和M2。当与差速器壳连在一起的行星齿轮轴带动行星齿轮转动时，行星齿轮相当于一根横向杆，其中点被行星齿轮轴推动，左右两端带动半轴齿轮转动，作用在行星齿轮上的推动力必然平均分配到两个半轴齿轮之上。又因为两个半轴齿轮半径也是相等的。所以当行星齿轮没有自转趋势时，差速器总是将转矩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，设左半轴转速nl大于右半轴转速n2，则行星齿轮将按图4上实线箭头n4的方向绕行星齿轮轴轴颈5自转，此时行星齿轮孔与行星齿轮轴轴颈间以及行星齿轮背部与差速器壳之间都产生摩擦，半轴齿轮背部与差速器壳之间也产生摩擦。这几项摩擦综合作用的结果，使转得快的左半轴齿轮得到的转矩M1减小，设减小量为0.5Mf；而转得慢的右半轴齿轮得到的转矩M1增大，增大量也为0.5Mf。因此，当左右驱动车轮存在转速差时，M1=0.5（M0-Mf）M2=0.5（M0+Mf）左、右车轮上的转矩之差等于折合到半轴齿轮上总的内摩擦力矩Mf。1,2-半轴齿轮；3-差速器壳；4-行星齿轮；5-行星齿轮轴；6-主减速器从动齿轮图3差速器运动原理示意图1-半轴齿轮；2-半轴齿轮；3-行星齿轮轴；4-行星齿轮图4差速器扭矩分配示意图差速器中折合到半轴齿轮上总的的内摩擦力矩Mf与输入差速器壳的转矩M0之比叫作差速器的锁紧系数K，即K＝Mf／M0输出给转得快慢不同的左右两侧半轴齿轮的转矩可以写成：M1=0.5M0（1－K）M2=0.5M0（1+K）输出到低速半轴的转矩与输出到高速半轴的转矩之比Kb可以表示为:Kb=M2/M1=(1+K)/(1-K)锁紧系数K可以用来衡量差速器内摩擦力矩的大小及转矩分配特性，目前广泛使用的对称式锥齿轮差速器，其内摩擦力矩很小，锁紧系数K为0.05～0.15,输出到两半轴的最大转矩之比Kb＝1.11～1.35。因此可以认为无论左右驱动轮转速是否相等，对称式锥齿轮差速器总是将转矩近似平均分配给左右驱动轮的。这样的转矩分配特性对于汽车在良好路面上行驶是完全可以的，但当汽车在坏路面行驶时，却会严重影响其通过能力。例如当汽车的一侧驱动车轮驶入泥泞路面，由于附着力很小而打滑时，即使另一车轮是在好路面上，汽车往往不能前进。这是因为对称式锥齿轮差速器平均分配转矩的特点，使在好路面上车轮分配到的转矩只能与传到另一侧打滑驱动轮上很小的转矩相等，以致使汽车总的牵引力不足以克服行驶阻力而不能前进。为了提高汽车在坏路上的通过能力，可采用各种型式的抗滑差速器。抗滑差速器的共同特点是在一侧驱动轮打滑时，能使大部分甚至全部转矩传给不打滑的驱动轮，充分利用另一侧不打滑驱动轮的附着力而产生足够的牵引力，使汽车继续行驶。抗滑差速器种类常用的抗滑差速器有：强制锁止式差速器、高摩擦自锁式差速器（有摩擦片式、滑块凸轮式等结构型式）、牙嵌式自由轮差速器和托森差速器等。下面对强制锁止式差速器和托森差速器的结构和工作原理作比较简单的介绍。强制锁止式差速器：在对称式锥齿轮差速器上设置差速锁（见图D－C5－9）。可以用电磁阀控制的气缸操纵一个离合机构，使一侧半轴与差速器壳相接合。由该种差速器中的运动特性关系式：ω1＋ω2＝2ω0如ω1或ω2＝ω0，则必有ω1＝ω2，这就相当于把左右两半轴锁成一体一同旋转。这样，当一侧驱动轮打滑而牵引力过小时，从主减速器传来的转矩绝大部分部分配到另一侧驱动轮上，使汽车得以通过这样的路段。强制锁止式差速器结构简单，但一般要在停车时进行操纵。而且接上差速锁时，左右车轮刚性连接，将产生前转向困难，轮胎磨损严重等问题。1-活塞；2-活塞皮碗；3-气路管接头；4-工作缸；5-套管；6-半轴；7-压力弹簧；8-锁圈；9-外接合器；10-内接合器；11-差速器壳(待改)图D－C5－9强制锁止式差速器托森差速器托森差速器的结构如图D－C5－10所示，该差速器由差速器壳，左、右半轴蜗杆、蜗轮轴和蜗轮等组成。差速器壳与主减速器的被动齿轮相连。三对蜗轮通过蜗轮轴固定在差速器壳上，分别与左、右半轴蜗杆相啮合，每个蜗轮两端固定有直齿圆柱直齿轮。成对的蜗轮通过两端相互啮合的直齿圆柱齿轮发生联系。差速器外壳通过蜗轮轴带动蜗轮绕差速器半轴轴线转动，蜗轮再带动半轴蜗杆转动。当汽车转向时，左、右半轴蜗杆出现转速差，通过成对蜗轮两端相互啮合的直齿圆柱齿轮相对转动，使一侧半轴蜗杆转速加快，另一侧半轴蜗杆转速下降，实现差速作用。转速比差速器壳快的半轴蜗杆受到三个蜗轮给予的与转动方向相反的附加转矩，转速比差速器壳慢的半轴蜗杆受到另外三个蜗轮给予的与转动方向相同的附加转矩，从而使转速低的半轴蜗杆比转速高的半轴蜗杆得到的驱动转矩大，即当一侧驱动轮打滑时，附着力大的驱动轮比附着力小的驱动轮得到的驱动转矩大。1-差速器壳；2-直齿轮轴；3-半轴；4-直齿轮；5-主减速器被动齿轮；6-蜗伦；7-蜗杆图D－C5－10托森轮间差速器托森差速器又称蜗轮－蜗杆式差速器，其锁紧系数K为0.56,输出到两半轴的最大转矩之比Kb＝3.5。