汽车的差速器

车发动机的动力经离合器、变速器、传动轴,最后传送到驱动桥再左右分配给半轴驱动车轮,在这条动力传送途径上,驱动桥是最后一个总成,它的主要部件是减速器和差速器。减速器的作用就是减速增矩,这个功能完全靠齿轮与齿轮之间的啮合完成,比较容易理解。而差速器就比较难理解,什么叫差速器,为什么要“差速”?
车差速器是驱动轿的主件。它的作用就是在向两边半轴传递动力的同时,允许两边半轴以不同的转速旋转,满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶,减少轮胎与地面的摩擦。
车在拐弯时车轮的轨线是圆弧,如果汽车向左转弯,圆弧的中心点在左侧,在相同的时间里,右侧轮子走的弧线比左侧轮子长,为了平衡这个差异,就要左边轮子慢一点,右边轮子快一点,用不同的转速来弥补距离的差异。
果后轮轴做成一个整体,就无法做到两侧轮子的转速差异,也就是做不到自动调整。为了解决这个问题,早在一百年前,法国雷诺汽车公司的创始人路易斯.雷诺就设计出了差速器这个玩意。
通差速器由行星齿轮、行星轮架(差速器壳)、半轴齿轮等零件组成。发动机的动力经传动轴进入差速器,直接驱动行星轮架,再由行星轮带动左、右两条半轴,分别驱动左、右车轮。差速器的设计要求满足:(左半轴转速)+(右半轴转速)=2(行星轮架转速)。当汽车直行时,左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态,而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏,导致内侧轮转速减小,外侧轮转速增加。
种调整是自动的,这里涉及到“最小能耗原理”,也就是地球上所有物体都倾向于耗能最小的状态。例如把一粒豆子放进一个碗内,豆子会自动停留在碗底而绝不会停留在碗壁,因为碗底是能量最低的位置(位能),它自动选择静止(动能最小)而不会不断运动。同样的道理,车轮在转弯时也会自动趋向能耗最低的状态,自动地按照转弯半径调整左右轮的转速。
转弯时,由于外侧轮有滑拖的现象,内侧轮有滑转的现象,两个驱动轮此时就会产生两个方向相反的附加力,由于“最小能耗原理”,必然导致两边车轮的转速不同,从而破坏了三者的平衡关系,并通过半轴反映到半轴齿轮上,迫使行星齿轮产生自转,使外侧半轴转速加快,内侧半轴转速减慢,从而实现两边车轮转速的差异。(2000.3.9)

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汽车上的双曲线齿轮

车上用到齿轮传动的部件有驱动桥、变速器、发动机、方向机等总成,不同的部件采用形式不同大小不一的齿轮。在各式各样的齿轮中,有一种名叫“双曲线”的齿轮,在汽配市场上还有专门用于它的润滑油叫做“双曲线齿轮油”。这种齿轮用在驱动桥的主减速器上。

减速器为什么要用双曲线齿轮,它有什么好处?首先要明确主减速器的功能。汽车驱动桥上的主减速器不但要减速增扭,还要改变传动方向,将变速器输出轴的转动改变90度方向,变为车轮的转动。这种功能是依靠主减速器的一对齿轮来完成的,这对齿轮多用螺旋锥齿轮或者双曲线齿轮。

轿车上的主减速器一般采用双曲线齿轮。这是因为双曲线齿轮与螺旋锥齿轮比较,前者运转噪音少,工作更平稳,轮齿强度较高,而且还具有主动齿轮轴线可以相对从动齿轮轴线偏移的特点,这一点对于汽车的技术性能非常重要,工程师可以在不改变发动机的位置尺寸就可以直接改变驱动桥的离地间隙,也就是改变整部车的离地间隙。

例如有些汽车主减速器的双曲线齿轮的偏移距达30多毫米,在保持一定的离地间隙情况下,可降低主动齿轮和传动轴的位置,使车身重心降低,有利于提高汽车高速行驶的平稳性。
两齿轮轴线相交    主动轮向下偏移

有些汽车在同一车架上生产轿车和运动休闲车,其底盘的参数变换也是利用了双曲线齿轮这一特性。由于有这些优点,目前汽车的驱动桥已经趋向于用双曲线齿轮,实际上近年进口汽车基本上是采用双曲线齿轮,国产汽车也有许多车型采用双曲线齿轮,并已经越来越多地在中、重型货车上得到采用。
双曲线齿轮工作时,齿面间会有较大的相对滑动,且齿面压力很大,齿面油膜容易被破坏。为减少摩擦,提高效率,必须要采用含有防刮伤添加剂的专用双曲线齿轮油,绝不能用其它的齿轮油代替,否则将使齿面迅速磨损和擦伤,严重影响汽车的运行状态。
(2000.5.12)

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汽车驱动桥上的锁止机构

我们曾经讨论过汽车的差速器(参阅《技术漫谈》底盘部分"汽车的差速器"一文),它的作用就是在向两边半轴传递动力的同时,允许两边半轴以不同的转速旋转,满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶,减少轮胎与地面的摩擦。

在汽车拐弯时,外侧轮有滑拖的现象,内侧轮有滑转的现象,两个驱动轮产生两个方向相反的附加力,通过半轴反映到半轴齿轮上,迫使行星齿轮产生自转,使外侧半轴转速加快,内侧半轴转速减慢,从而解决了车辆使用的一方面问题。也就是说,驱动轴分为两半后,各半轴的转动速度是依靠两侧轮子的地面阻力进行调节的。虽然这样可以解决转弯时两侧轮子转速不同的问题,但是同时也引起了另一方面的问题,当一边车轮陷入泥潭,失去地面附着力时,左右两半轴的阻力矩相差悬殊,造成一侧轮子飞转而另一侧停止。在这个时候,我们又希望汽车的动力传递与地面阻力无关,驱动轴不要分成两半。

为了解决这个矛盾,在一些汽车上装置了锁止机构。在汽车正常行驶时锁止机构不起作用,一旦发生单侧打滑,锁止机构立即动作,强行带动慢半轴转动或制止快半轴飞转。一种自动锁止机构的简单原理如图所示,它包含超越离合器和齿轮变速装置两大部分。超越离合器有两个环,一个与半轴(红色)花键联接,另一个环(绿色)上的齿轮1与齿轮2啮合,齿轮2与齿轮3做成一体,齿轮3又与固联在差速器壳体上的齿轮4啮合。差速器壳和双联齿轮2-3通过轴承安装在与车身固连的外壳(灰色)上。

超越离合器两环的相对转速有一个临界值,由汽车最小转弯半径决定。汽车正常行驶时,两半轴的转速变化不会超出最小转弯半径所规定的范围,此时超越离合器超越运行,两环互相分离,锁止机构不起作用(类似骑自行车下坡,车轮飞转而你的双脚可以静止)。一旦出现打滑(超出临界转速),超越离合器就会接合,传动轴锥齿轮6的动力经齿轮6-5-4-3-2-1传到超越离合器,最后由接合状态下的超越离合器强行带动半轴转动(类似正常行驶时的骑自行车,你的脚所施加的力能够全部传递到车轮)。

具有自动锁止功能的差速器使得汽车的通过性和操纵性同时得到改善。(2000.8.18)

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