国内外限滑差速器结构及性能对比
国外限滑差速器结构及性能对比
一、国外几种常用限滑差速器简介
在发达国家，限滑差速器是一种非常常用的汽车零部件，比如在欧美国家，几乎所有的皮卡都装备有限滑差速器，但在国，限滑差速器由于价格较贵，目前只有少数厂家采用，并且只作为选装件。由于大多数限滑差速器的结构复杂，制造成本高，同时有些关键问题不能很好的解决，因此国的限滑差速器绝大多数从国外进口。
根据结构类型限滑差速器可以分为以下几种：
图1 限滑差速器结构分类
根据工作原理亦可归纳为摩擦式、超越式、与ABS刹车系统相结合的电子限滑差速系统、齿轮变传动比式等几种，分别简述如下：
1.摩擦式：具体结构可以分为无预压摩擦片式和弹簧预压摩擦片式限滑差速器。
图2无预压摩擦片式限滑差速器图3 弹簧预压摩擦片式限滑差速器其工作原理是利用摩擦片之间的摩擦力限制半轴轮相对于差速器壳体转动，使相对转动的阻力增大，从而限制打滑。该类型差速器工作平稳，技术成熟，在国外的高级轿车、越野车和工程机械上应用较广。
该类型差速器缺点是：
①易磨损，维修难；
②锁紧系数大了转向难，小了限滑功能差；
③这类差速器对润滑油有特殊要求，故在选用润滑油时要兼顾齿轮和摩擦片对油的不同要求；
④该型差速器结构复杂，价格较高。
2.超越式差速器：
工作原理是只允许一侧半轴转的比差速器壳快，不允许比差速器壳慢，否则就被锁在差速器壳上。由此差速器壳快的车轮上没有任何牵引力，只能被拖着走，因此在超越和给合的转换过程中工作不太平稳，转
向阻力和转向时对轮胎磨损较大。
3.与ABS刹车系统相结合的电子限滑差速系统：
工作原理：该限滑——防抱死系统通过传感器监视两侧半轴的转速及方向盘的转角，并根据方向盘的转角计算两侧车轮的转速比例。若两侧车轮的转速之比与计算值之差超过给定的误差围，便通过ABS制动系统对转速相对偏高的车轮进行适度的制动，使两轮的转速之比保持在理论值附近。
这种限滑系统的优点是工作平稳，准确，对转向毫无影响。
该限滑系统缺点是：
①该类差速器通过制动快速轮来增加慢转轮的扭矩，而不像其他类型的限滑差速器，通过将快转轮上的扭矩转移到慢转轮上来防止快转轮打滑，故要获得同样的牵引力，消耗的发动机功率要增加许多；
②该类差速器牵涉电子系统复杂，传感器被泥泞污染后即失去功能。
4.齿轮结构限滑差速器：
齿轮结构限滑差速器学名叫变传动比限滑差速器，包括：单周节和三周节变传动比限滑差速器两种。变传动比的限滑差速器早在20世纪30年代TIMKEN公司就将它装到载货汽车的驱动桥上，经过几十年的改进，目前主要应用在工程机械中，目前的应用厂家主要有ZF、日本小松和中国的一些工程机械厂家。
A.单周节变传动比限滑差速器结构：
单周节限滑差速器齿轮每个齿都一样，齿轮采用了非渐开线的分段齿形设计，行星轮和半轴轮的每个齿从刚开始啮合到结束啮合这个过程
中的压力角始终在发生变化，单周节齿轮是在一个周节进行速比变换，行星轮齿数必须为奇数才能保证与半轴轮啮合时，当一侧速比达到最大时，另外一侧达到最小。
单周节齿轮有两个缺陷：
①扭矩分配比不够大，按单周节变传动比的原理来设计，扭矩比不会超过1:1.85。
②齿面的接触应力比较大，单周节齿面的接触应力比普通非限滑差速器齿轮的接触应力大35%左右，齿轮表面容易损坏。为了不使表面损坏，齿轮需要做的很大，这样就会加大差速器的尺寸。
基于以上原因，基本限制了单周节变传动比齿轮的应用围。目前只有国只有ZF公司在采用单周节齿轮。
B.三周节变传动比差速器：由于在一个速比变化周期里3个齿中每个齿的工作围不同，相邻3个齿的齿形和齿高是不同的，每3个齿一组，故称为三周节变传动比差速器，最大可使差速器的转矩比达到3.5。“三周节”齿轮，从外表上也可以看得出，齿有高齿和低齿，三个一组，如图4所示。（一般为一个高齿和两个等高的低齿，低齿的两侧齿面不同，两个低齿的齿形相对于两个低齿的中心线对称）
“三周节”齿轮齿形设计也采用了非渐开线的分段齿形设计。
图4 三周节变传动比差速器齿轮
三周节变传动比差速器工作原理：当车辆在非湿滑路面上直行时，该差速器的行星轮和半轴轮之间没有相对运动，两侧扭矩比始终为1：1。车轮的一侧在湿滑路面上打滑时，在这里我们首先定义一个“初始位置”，如图5所示的位置，行星轮和半轴轮的位置都相对于坐标轴Y轴对称，此时两侧扭矩相等，扭矩比为1：1。我们假设车辆从“初始位置”开始运动的。
图5 初始位置
当车轮的一侧行驶在湿滑路面上，湿滑路面一侧的车轮有要打滑的趋势。假设右侧在湿滑路面上，则在开始打滑的瞬间，右侧转速高，左侧转速慢，差速器的两个半轴齿轮产生了转速差，从而推动行星轮发生自转，行星轮的转动方向必然是被快转轮朝慢转轮方向推，假设在打滑瞬间的某一时刻，行星轮和半轴轮的相对位置为图6所示，我们把这个瞬时行星轮从“初始位置”偏转的角度称为“行星轮的偏转角”，简称“偏转角”。
图6 两侧扭矩比开始发生变化
对于行星轮来说，在忽略行星轮本身质量的情况下，它的两侧半轴轮对其产生的力矩将构成一个平衡力矩。因此在图6中，可以满足这样的关系：
（1）
（2）
（3）
图中的点O、O1和O2分别为行星轮，左侧半轴轮和右侧半轴轮的中心。F1和F2分别表示两侧半轴轮给行星轮的力，A1和B1点为F1和F2的作用线分别同线段O1O和OO2的交点。L1为A1O的长度，L2为OB1的长度，L3为O1 A1的长度，L4为B1O2的长度。T1和T2分别为行星轮分配给左右半轴的扭矩。为在该时刻行星轮的“偏转角”。
由式（1）可以得到：
（4）
因此
（5）
在图中，L1 如果在图6位置的时候，车辆还不足以停止打滑，则“偏转角”继续增大，两侧扭矩差继续增大，直到使车不再打滑为止。车的一侧打滑的瞬间，“偏转角”发生，两侧扭矩发生变化，打滑一侧（转速高的一侧）所分配的扭矩小，不打滑一侧（转速低的一侧）所分配的扭矩大。只要有“偏转角”产生，扭矩分配比就会自动发生变化，这是由“三周节”齿轮的特性决定的。 三周节变传动比限滑差速器的优点： a)具有ABS功能，在同样情况下，使用三周节变传动比限滑差速器 的车辆在刹车时比使用普通差速器的车辆不但刹车距离短，而且 几乎不发生摆尾，极大的提高了车辆的安全性。 b)能防止在突然刹车时对半轴等零部件的损坏，是一个“缓冲器”， 对于三周节变传动比限滑差速器，即使在刹车的时候，其两侧扭 矩和加速度是波动变化的，不会立刻将两侧转速降为零，而这种 波动的变化实际上对零部件起到了一个缓冲的作用，因此可以防 止对半轴等零部件的损坏。 c)在两轮附着系数相同的情况下，装三周节变传动比限滑差速器的 车辆的牵引力比装普通差速器的同类型车辆有较大提高。 变传动比限滑差速器和普通非限滑的差速器相比，只有齿轮的齿形不同，其它结构可以完全相同，换句话说，我们只要将普通差速器中的齿轮替换成特殊齿形的齿轮就可以将普通差速器升级为限滑差速器。 目前从三星精锻了解到，中环动力、汉德、常林集团、厦工、山工都已有部分工程机械采用变传动比限滑差速器，目前临工与沃德也正在联系变传动比齿轮差速器事宜。 对比以上几种类型的限滑差速器，摩擦片式和变传动比式限滑差速器比较适合工作路况比较差的载货车。但需要根据所需锁紧系数的大小以及车型的需要来做出选择，到底采用摩擦片式还是变传动比式。 二、TL120摩擦片式限滑差速器与经典摩擦片式差速器、变传动比限滑 差速器对比 1、TL120摩擦片式限滑差速器与经典摩擦片式差速器对比： 1.1TL120中限滑差速器采用摩擦片式结构，由主从动摩擦片组成摩擦副，依靠摩擦片之间的摩擦力形成限滑作用。从动摩擦片双面喷敷粉末冶金材料，从动摩擦片依靠花键与半轴轮固定，主动摩擦片为热处理钢片，嵌在差壳上，主从动摩擦片之间相对滑动产生摩擦力，两者之间油润滑情况下动摩擦系数大约在0.7左右。（图7为我厂摩擦片结构形式差速器） 图7 卡拉罗120马力拖拉机前驱桥限滑差速器结构TL120摩擦片式限滑差速器的优点是工作平稳。 TL120摩擦片式限滑差速器缺点是:摩擦片喷敷冶金粉末材料容易磨损，需要定期更换，并且摩擦片润滑油同时参与齿轮的润滑，腔的环境很容易影响摩擦片的润滑效果，过多的杂质容易使摩擦片产生异常磨损。 1.2经典摩擦片式限滑差速器结构主要分为无预压摩擦片式限滑 差速器和预压摩擦片式限滑差速器。 图8为一个无预压摩擦片式差速器的结构简图，其结构是：①两根行星轮轴相互垂直，且轴的两端制成V形面，与差速器壳孔上的V 形面相配；②每个半轴齿轮的背面有压盘和两组摩擦片，一组摩擦片通过外花键与差壳相连，另外一组通过花键与压盘相连，压盘通过花键与半轴相连。 图8 行星齿轮轴－差速器壳／压力盘Ｖ形槽结构差速器这种无预压摩擦片式限滑差速器由行星轮轴与差速器壳V形斜面联接及锥齿轮啮合产生的轴向力使摩擦片压紧。由于差速器壳V形槽位置 的加工误差，以及两侧摩擦片厚度不相等，会使两侧摩擦力矩变化很大，导致锁紧系数变化很大，因此在制造中必须严格控制有关零件的加工精度。 图9为预压摩擦片式限滑差速器结构简图， 图9 预压摩擦片式限滑差速器结构简图预压摩擦片式是在两个半轴轮之间增加预压弹簧，利用预压弹簧对摩擦片形成摩擦力，以形成防滑差速器效果。这种防滑差速器可以产生很大的摩擦力矩，但是预紧弹簧通过弹簧挡板和半轴齿轮始终压紧摩擦片，这在增加摩擦片磨损的同时，也增加了油耗。 2、 TL120摩擦片式限滑差速器与变传动比齿轮限滑差速器对比： 2.1 TL120摩擦片式限滑差速器对齿轮齿形无特殊要求，而变传动比齿轮限滑差速器需要做成特殊齿形，且此特殊齿形受制于专利限制，目前只有采用专利合作的形式进行。 2.2 TL120摩擦片式限滑差速器与变传动比齿轮限滑差速器相比，前者需要增加摩擦片，并且半轴齿轮需要加工外花键，而变传动比齿轮限滑差速器只需要在非限滑差速器基础上改变齿轮齿形即可。 2.3 对于三周节变传动比限滑差速器来说，由于其限滑功能是靠其扭矩比的峰值来决定的，同时在转向时扭矩比是波动的，因此转向和限滑功能可以兼顾，三周节变传动比的差速器的扭矩比在所有限滑差速器中居于最高的行列，因此限滑能力极强，但在转向方面却几乎是所有限滑差速器中对转向影响最小的行列，即使在没有任何转向助力机构的情况下，司机也没有任何感觉。 2.4 更进一步来讲，对于普通中重卡桥和矿车桥来说，如果对特定车型或特定路况增加限滑差速器功能，这既是一个亮点也是卖点。对于摩擦片式和变传动比式结构的限滑差速器，后者更具成本和性能优势。 三、综上所述，对比摩擦片式限滑差速器与变传动比限滑差速器，前者成本较高，零部件较多，对要求大扭矩比的差速器前者不适用；后者扭矩分配比大，成本较低，制造简单，具有资源优势。 如果可以试用的话建议先在矿区将单周节变传动比差速器用在大吨位矿车上进行试验，这种结构对差速器更改变动最小，实现起来比较容易。对拖拉机前驱桥的摩擦片式结构我们也需要继续跟进，探索为什么在拖拉机前驱桥会采用摩擦片式限滑差速器及其设计理念。 车桥技术部2013-9-6