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奇思妙想差速器

2021-01-21 21:16 作者:定制玩家  | 我要投稿


1.  差速器的作用

        在汽车行驶过程中,车轮对路面有两种相对运动状态——纯滚动滑动。滑动还包括滑转滑移。纯滚动很好理解,就是车轮中心速度V=ωr。ω为角速度,r为车轮半径。滑转是V<ωr,类似烧胎。滑移是V>ωr,类似抱死。

        而当汽车转弯时,如果两侧车轮通过一根轴刚性连接(即两侧车轮角速度相同),由于内侧车轮要比外侧车轮走过的路径更短,转速要求更慢的内侧车轮,在转速要求更快的外侧车轮“拉动”下,就会产生“转弯制动”现象,这样就会互相干涉,那么势必会造成内侧车轮滑转,外侧车轮滑移。这就会造成车辆动力消耗,轮胎磨损,以及转向和制动性能恶化,也就是我们常说的车轮之间互相较劲。因此,为了使两侧驱动轮拥有不同的角速度,使两侧车轮没有相对地面的滑动,就需要用到差速器。


        对于任何车型,他的驱动轴上必定存在轮间差速器,用来保证车辆可以正常的转弯。

同样的,不只是一个轴上的两个车轮有这种现象,对于四驱汽车来说,前后轴也会出现转速不同的情况。因此,四驱车型不止在两个驱动轴上拥有轮间差速器,两轴之间也有中央差速器(轴间差速器)。

2.  差速器的原理

        先说差速器的特点:保持差速器两端的车轮的驱动力相同,这样才能保证车辆直线行驶不发生打转,车辆在转弯时可以正常行驶。

我们知道,车轮行驶的直接原因是车轮和地面的摩擦力给车轮一个向前的力,我们把它成为驱动力。我们把传动轴上传递给车轮的力矩叫做驱动转矩。四驱汽车为例,假设从发动机输出的转矩全部输出到中央差速器和分动器上,中央差速器将转矩分配给前后轴,比如前后轴转矩50:50。然后前后轴各自的轮间差速器在分配到4个车轮上,例如50:50。这时,4个轮子的驱动转矩均为25%。在正常行驶的道路上,每个车轮的得到的25%驱动转矩可以获得25%的驱动力。注:不要混淆驱动力和驱动转矩。在未发生打滑的情况下驱动力和驱动转矩的分配比例保持一致。

未发生打滑,驱动力与驱动转矩比例一致


        但是,当某一个车轮发生打滑,即车轮和地面的摩擦力减小,那么获得的驱动力也就随之减小。假设某一时刻右前轮压到了积水,只能获得10%的驱动力,那么由于差速器要保持两端的车轮的驱动力相同,使得未发生打滑的左前轮也只能获得10%的驱动力,这时差速器传给左前轮的驱动转矩只有10%,而右前轮将获得40%驱动转矩,并且其中30%被浪费掉。

右前轮打滑,浪费掉大量驱动转矩


3.  圆锥齿轮差速器

        圆锥齿轮差速器主要用作轮间差速器。圆锥齿轮差速器主要是由4个(或6个)圆锥齿轮,左右两个半轴齿轮,以及中间2个行星齿轮组成。当左右半轴转速相同时,中间的行星齿轮只有绕着半轴轴线的公转。若两个半轴产生了转速差,此时行星齿轮在绕半轴轴线进行公转的同时还会产生绕自身轴线的自转,从而吸收两个半轴之间的转速差,使车辆正常行驶。

行星齿轮的自转是差速的关键


差速器转速原理分析:

差速器壳3与行星齿轮轴5形成行星架为主动件,角速度为ω0,半轴齿轮1,2为从动件,角速度分别为ω1,ω2 。4为行星齿轮,C是行星齿轮中心点,AB是行星齿轮与半轴齿轮的啮合点。ABC三点到半轴轴线距离均为r 。


(1) 当两个半轴未产生转速差

行星齿轮仅公转,A,B,C点角速度一样,即

ω120

(2) 当两个半轴产生转速差

行星齿轮除了公转,还要绕自身的行星齿轮轴5自转,自转角速度设为ω4 ,

啮合点A,B的线速度分别为:

ω1r=ω0r+ω4r4 ; ω2r=ω0r-ω4r4        其中r4 为行星齿轮半径。

那么有,

ω1r+ω2r=ω0r+ω4r4+ω0r-ω4r4=2ω0r,

ω12=2ω0

 




差速器转矩原理分析:


(1) 当两个半轴未产生转速差

      主减速器转矩M0转矩平均分配给左右两个半轴,即

M1=M2=M0/2

(2) 当两个半轴产生转速差

    假设左半轴的转速n1比右半轴转速n2更快,此时行星齿轮顺时针自转,转速为n4,行星齿轮受到的摩擦力矩Mr与转速方向n4相反,这样会使转速快的左半轴产生反向转矩。

左右半轴的转矩M1,M2分别为,

   我们常用锁紧系数K来表征限滑差速器的限滑能力,


   Mb为转矩较高侧半轴转矩,Ms为转矩较低侧半轴转矩。

 

 

4.  差速器的缺陷

但是,我们可以想象,差速器会引发一个致命性的缺陷:当一辆四驱汽车前轴其中一个车轮完全失去驱动力时,由于轮间差速器的存在,另一侧的车轮也失去驱动力。又由于中央差速器的存在,要保持前后轴驱动力一致,所以后轴也失去驱动力,车辆便彻底瘫痪了。

一轮打滑,4轮失效

限滑差速器(limited slip differential)应运而生。教主常说的,前驱车的灵魂LSD就值得是这个。LSD的存在可以让车辆过弯时内侧车辆驱动力下降的情况下,依然给足外侧车轮驱动转矩,让车头更好的完成转向。

LSD车神教
第6代quattro四驱系统采用的托森C型限滑差速器


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