自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器在皮卡车后桥的应用研究

张安霞 胡德鹏 许庆超 楚斌峰

1.郑州日产汽车有限公司 河南省郑州市 450016 2.吉利汽车研究院（宁波）有限公司 浙江省宁波市 315336

1 引言

差速器是汽车驱动桥中的重要部件，其主要功能是当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时，使左右驱动轮以不同的转速滚动，即保证两侧驱动轮作纯滚动运动，并将动力分配给左右车轮。

自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器是一款复合型的差速器，是对普通差速器的革新与改进，它克服了普通差速器只能平均分配扭矩的缺点。自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器能够根据道路条件的变化自动分配左右两侧车轮的扭矩，使发动机传递过来的扭矩向附着条件好的一侧车轮转移，从而抑制车轮打滑，提高车辆在湿滑路面的安全行驶能力。当极限工况下一侧车轮悬空空转时，自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器可以自动锁止两半轴，将全部扭矩转移给附着条件好的那侧车轮上，从而使车辆脱困，提高车辆在坏路面的越野性能。车辆一旦驶出坏路面恢复附着力或者车速高于30km/h，自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器还能够自动解锁。

自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器相比其他差速器具有以下优点：①相比仅在特别恶劣路况下才起作用的锁止式差速器，增加了限滑功能，给车辆提供更稳定的通过能力和更可靠的安全保障；②相比仅有限滑功能的防滑差速器，增加了锁止功能，能够在一侧车轮悬空或完全打滑时自动锁止两半轴，提高恶劣路况下的脱困能力；③相比普通开式差速器，除具备正常的差速功能外，还具有限滑功能和锁止功能。

2 自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器结构特点

自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器主要包括差速器壳体、壳体内左右对称设置的左半轴齿轮和右半轴齿轮、与左半轴齿轮啮合的三个左行星齿轮、与右半轴齿轮啮合的三个右行星齿轮、设置在壳体内的锁止机构，如图1 所示。其独特之处在于：行星齿轮和半轴齿轮均为螺旋齿轮，三个左行星齿轮与三个右行星齿轮两两啮合，螺旋齿轮副运转时与壳体之间将产生较大的内摩擦力，起到限滑并转移扭矩的作用，提高车辆在打滑路面的安全行驶性能。

图1 限滑锁止式差速器结构示意图

自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器的工作原理和传统的差速器有很大不同，传统的差速器只是简单的限制车轮打滑，从而被动的转移小部分扭矩，此过程会消耗车辆动力。自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器从限制打滑到转移扭矩的过程中，螺旋齿轮啮合会产生较大的轴向力、螺旋齿轮副运转时与壳体之间会产生较大的内摩擦力，这些力的合力，与车辆牵引力的方向一致，即合力与车辆前进方向一致，可以有效提升车辆的加速能力。

自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器内部设置有摩擦片及锁止装置和解锁装置。当车速小于30km/h 且两驱动轮转速差大于等于100r/min 时，锁止机构会自动锁止两半轴，将100%的扭矩转移给附着力好的一侧车轮，帮助车辆顺利脱困。其解锁装置内置的安全保护装置，在车速达到30km/h 时会自动解锁，保证了车辆在30km/h 以上速度时，永远不会锁止。差速器内的摩擦片能够保证锁止柔和、减缓冲击，可以有效保护传动零件的安全。既提高了皮卡汽车的通过性，又给驾驶者提供更舒适、自然的驾驶感受。在皮卡车后桥安装自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器，能有效提升车辆的商品竞争力。因此研究自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器在皮卡车上的应用具有重要的现实指导意义。

3 试验方案

3.1 试验系统及试验准备

自动机械限滑螺旋锁差速器的工作稳定性和可靠性的试验验证，是通过控制差速器输入端、输出端转矩和转速，模拟汽车实际运行工况，进行的台架性能试验。

本文的台架试验主要是利用对差速器输入端、输出端转矩和转速的控制，模拟汽车实际运行工况。首先选定一款在山区销量较好的皮卡车，在皮卡后桥上安装自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器，然后根据该皮卡车的实际运行工况对后桥进行台架性能试验，对自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器可能出现的安全风险进行充分的试验验证。该车相关参数如下：主减速器速比i=4.1；变速器一档速比i=4.313；分动器速比i=2.48；轮胎滚动半径r=0.364 米；发动机最大输出扭矩T=300N.m；整车满载质量3150 千克，后桥载荷m=1850 千克；差速器主动锥最大输入扭矩M=380N.m（附着系数按照0.8 计算，作用载荷按0.5 倍满载）。

在进行限滑差速器台架性能试验前，先把限滑差速器装入相匹配试验后桥中，并可靠的连接到试验台中，添加规定品种的适量润滑油（齿轮油加注量要保证能从加油口下沿溢出），然后对试验用后桥总成按照0.2、0.3 倍载荷进行磨合。

3.2 试验方法及步骤

在试验台架上模拟限滑差速器的实际工况，应选择限滑差速器的典型工作工况进行试验，首先确定汽车各种行驶工况下的左右轮的转速差及差速器输入端转矩。

皮卡汽车在常规良好路面上正常行驶时，没有出现大的转速差，一般载荷较大。试验载荷系数K 分别取0.3、0.4、0.5 倍满载进行，转速差取5、10、20、30r/min 分别进行试验。模拟良好路面行驶工况时，车速取50/60/70/80 km/h。皮卡汽车在坏路面上行驶时，转速差较大，此时试验载荷系数K 分别取0.3、0.4、0.5 倍满载进行，转速差取10、20、30、50r/min 分别进行试验。模拟良好路面行驶工况时，试验车速取10/20/30km/h。综合台架模拟试验工况如表1 所示，表2 所示为试验操作时的差速器输入端转速与车速的对照表。

表1 台架模拟工况列表

表2 输入转速与车速的对照表

台架试验步骤如下：

（1）车速5km/h 时，在差速器输入端施加转速n=150，施加转矩M=386N.m，试验转速差△n=10，运转20 秒，分别记录差速器快端半轴输出转矩M和慢端半轴输出转矩M；

（2）在差速器输入端施加转速n=150，施加转矩M=386N.m，试验转速差△n=20，运转20 秒，分别记录差速器快端半轴输出转矩M和慢端半轴输出转矩M；

（3）在差速器输入端施加转速n=150，施加转矩M=386N.m，试验转速差△n=30，运转20 秒，分别记录差速器快端半轴输出转矩M和慢端半轴输出转矩M；

（4）在差速器输入端施加转速n=150，施加转矩M=386N.m，试验转速差△n=50，运转20 秒，分别记录差速器快端半轴输出转矩M和慢端半轴输出转矩M；

（5）车速5km/h 时，差速器输入端转矩M=515N.m，重复步骤(1)～(4)。

（6）车速5 km/h 时，差速器输入端转矩M=644N.m，重复步骤(1)～(4)。

（7）车速10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h 时，分别重复步骤(1)～(6)。

4 试验结果分析

4.1 限滑转矩与转速差的关系

基本限滑性能是指主动控制式限滑差速器的限滑性能与车辆行驶状态参数之间的关系，可采用限滑转矩与左右半轴转速差的关系曲线来表征。

根据式⑴对本文台架试验得到的数据进行处理，可以得到该皮卡车螺旋锁差速器的限滑转矩与转速差的关系曲线，如图2所示。

图2 限滑转矩与转速差的关系曲线

从图2 中可以看出，在同等车速时，限滑转矩随左右半轴转速差的增加而增加；在同等转速差时，限滑转矩随车速增加而降低，但在较高车速时降低幅度减缓，比较符合皮卡的实际运行工况。因此本文台架试验中选取的试验参数和试验步骤的操作都比较符合皮卡的真实使用情况，试验结果数据更能真实反应的差速器的效果和工作稳定性。

4.2 不同车速时转速差、输入转矩与锁紧系数的关系

对台架试验得到的数据按照式(2) 进行处理，可以得到不同车速时转速差、输入转矩与锁紧系数的关系，如图3～图8 所示。

图3 车速在5Km/h 时不同转矩下转速差与锁紧系数关系曲线

图4 车速在10Km/h 时不同转矩下转速差与锁紧系数关系曲线

图5 车速在20Km/h 时不同转矩下转速差与锁紧系数关系曲线

图6 车速在30Km/h 时不同转矩下转速差与锁紧系数关系曲线

图7 车速在40Km/h 时不同转矩下转速差与锁紧系数关系曲线

图8 车速在50Km/h 时不同转矩下转速差与锁紧系数关系曲线

(1)车速在5Km/h 时不同转速差及不同输入转矩时的锁紧系数

车速在10Km/h 时不同转速差及不同输入转矩时的锁紧系数

(3)车速在20Km/h 时不同转速差及不同输入转矩时的锁紧系数

(4)车速在30Km/h 时不同转速差及不同输入转矩时的锁紧系数

(5)车速在40Km/h 时不同转速差及不同输入转矩时的锁紧系数

(6)车速在50Km/h 时不同转速差及不同输入转矩时的锁紧系数

由图3～图8 可知，皮卡车后桥安装自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器后，在不同车速下的转速差、输入转矩与锁紧系数的关系曲线均较为紧凑，锁紧系数分布相对集中，说明该后桥的自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器性能稳定、工作可靠性高，可以批量应用于该皮卡车系。

5 结论

自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器既有限滑功能、又有锁止功能，可以给车辆提供更强大的越野能力、更稳定的通过能力和更可靠的安全保障，还能提升皮卡产品的市场竞争力。本文以某皮卡车为研究对象，对装有自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器的后桥进行了台架性能试验，探讨了台架试验方法和试验数据分析方法。研究结果表明，自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器性能稳定、工作可靠性高，为进一步研究差速锁在汽车上的应用提供了经验依据，为自动机械锁止式螺旋齿限滑差速器的推广应用奠定了基础。