重型越野車分動器差速器運動分析

陳傳增

（安徽江淮汽車集團股份有限公司重型商用車公司，安徽 合肥 230001）

前言

分動器廣泛應(yīng)用于多軸驅(qū)動的汽車上，在越野汽車上應(yīng)用廣泛，因為越野汽車要面對低附著路面（雨雪、泥淖）、山區(qū)坑洼路面、以及壕溝、垂直障礙、陡坡等復(fù)雜狀況，這要求車輛能盡可能多的利用車輪與地面間的附著力來提供驅(qū)動力。

在4×4、6×6、8×8等全驅(qū)動車型上，分動器一般作為獨立部件安裝在變速器與驅(qū)動橋之間，通過將來自變速器的轉(zhuǎn)矩按照設(shè)定的比例分配給前橋和后橋。另外某些分動器還設(shè)有一組或兩組減速齒輪，用于增大變速器輸出的扭矩，起到副變速箱的作用。

1 結(jié)構(gòu)

重型越野車用大功率分動器為應(yīng)對各種工況，一般采用兩個擋位：越野擋和公路擋，通過兩種擋位實現(xiàn)在越野和公路行駛時整車對動力性和經(jīng)濟性平衡。分動器按照前后扭矩分配型式的不同可分為兩種，一種是無差速器結(jié)構(gòu)，一種為有差速器結(jié)構(gòu)。

1.1 無差速器結(jié)構(gòu)

該型式分動器如圖1（a）所示：

該型式分動器結(jié)構(gòu)簡單，用于分時四驅(qū)車輛，即在平時使用中，嚙合套5不與前軸嚙合，這時候車輛仍然是后軸驅(qū)動。當(dāng)車輛駛?cè)氲透街访妫筝S驅(qū)動力下降出現(xiàn)打滑時，通過操縱裝置將嚙合套5與前軸嚙合，實現(xiàn)全輪驅(qū)動，使車輛順利脫困。但該結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)全輪驅(qū)動時，無法實現(xiàn)前后軸車輪的輪速差，使傳動系統(tǒng)產(chǎn)生功率循環(huán)，整車油耗增加，加劇輪胎的磨損。

圖1（a）

采用無差速器結(jié)構(gòu)的分動器，在嚙合前軸時，前后軸扭矩的分配隨兩軸地面附著力的大小而變，這樣可以充分利用地面附著力，但也可能會造成前軸扭矩過大而損壞齒輪及傳動件。

1.2 有差速器結(jié)構(gòu)

該型式分動器如圖1（b）所示：

圖1（b）

該型式分動器與圖1（a）相比增加了8-差速器。該差速器該結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示：

圖1（c）

該差速器實際上就是2Z-X型差動行星齒輪，該機構(gòu)具有2個自由度，由行星架（轉(zhuǎn)臂）輸入，a太陽輪輸出到前軸，b內(nèi)齒圈輸出到后軸。該差動機構(gòu)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的約束條件為前后軸的阻力矩和轉(zhuǎn)速差。

2 差速器運動分析

2.1 扭矩分配

圖2（a）為分動器差動行星齒輪傳動示意圖，其中ra、rb、rx分別為太陽輪、內(nèi)齒圈、行星架的回轉(zhuǎn)半徑，ωa、ωb、ωx分別為其對應(yīng)的角速度。

圖2（a）

工況一

當(dāng)車輛在平路行駛，且車輛前后輪胎滾動半徑一致，理論上此時分動器前后輸出軸轉(zhuǎn)速相等，即ωa=ωb，此時行星輪c無自轉(zhuǎn)，即△ω=0，設(shè)此時行星輪上A、B、C三點的線速度分別為VA、VB、VC，有：

則ωa=ωb=ωx

即，此時差速器行星齒輪無自轉(zhuǎn)，此時行星輪c上A、B兩點的受力

FA=FB=

設(shè)行星架x受到輸入的扭矩為Tx，則有

Tx=FC·rx=FC·；

設(shè)前輸出軸連接的太陽輪a的扭矩Ta，則有

Ta=FA·ra=FC·

設(shè)后輸出軸連接的內(nèi)齒圈b的扭矩Tb，則有

Tb=FB·rb=FC·

則Ta/Tb=ra/rb=Za/Zb

如VG2000分動器，其差速器參數(shù)如下表，該分動器的前后輸出扭矩比。

表1 VG2000分動器差速器參數(shù)

工況二

工況一實際上只存在于理論中，在實際車輛運行中，前后車軸路面的差異、車輪輪胎磨損不同、胎壓差異必然會導(dǎo)致分動器前后輸出軸的轉(zhuǎn)速存在差值。此時由于前后輸出軸存在轉(zhuǎn)速差，行星輪將會自轉(zhuǎn)以保證機構(gòu)運行。

以兩軸車分析該工況，假設(shè)在輪胎等氣壓狀態(tài)下，后軸軸荷大于前軸軸荷，則輪胎滾動半徑R前滾＞R后滾，此時車輛會出現(xiàn)前軸輪胎滑轉(zhuǎn)，后軸輪胎滑移的運動趨勢。地面會對前后車軸輪胎產(chǎn)生沿地面切線方向的力F0，該力將通過分動器輸入、輸出軸，即通過太陽輪與內(nèi)齒圈作用于行星輪上，在A、B兩點產(chǎn)生力△F，該力使行星輪產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，設(shè)自轉(zhuǎn)角速度為△ω。由于行星輪自轉(zhuǎn)，在A、B兩點的線速度將會產(chǎn)生差異△V。

△V=△ω·rc=△ω·

rc為行星輪半徑。

此時，

VA= ra·ωx-△ω·

VB=rb·ωx+△ω·

則有：

其中p為行星齒輪特性參數(shù)

則太陽輪與內(nèi)齒圈的角速度增量分別為：

整理（3）、（4）得：

由（5）可知，分動器前輸出軸增量△ωa是分動器后輸出軸增量的-p倍，為恒定值，這樣就避免了車輛行駛中出現(xiàn)的輪胎滑移或滑轉(zhuǎn)情況，避免傳動系統(tǒng)功率循環(huán)，保證輪胎純滾運動。

由（1）、（2）兩式可得：

公式（8）為2Z-X型差動行星齒輪的運動學(xué)方程，變換后得：

由（9）可知，分動器差速器的輸入轉(zhuǎn)速與前后軸額輸出轉(zhuǎn)速之間擁有恒定的關(guān)系，該關(guān)系與差動行星齒輪的特性參數(shù)有關(guān)。

工況三

通過工況（二）的分析，裝配有差動行星齒輪差速器的分動器的輸入、輸出轉(zhuǎn)速存在恒定的比例關(guān)系，當(dāng)車輛行駛在附著力良好路面的時候是沒有問題的，但是當(dāng)車輛某一根驅(qū)動軸車輪陷入泥水等低附著路面時，對車輛的脫困行駛是極不利的。

根據(jù)結(jié)論（9），當(dāng)前軸車輪陷入泥水中或懸空時，由于差速器的作用，處于良好附著路面車軸的車輪將原地不動，即ωb=0，此時前軸將以（1+p）ωx的速度滑轉(zhuǎn)，無法發(fā)揮車輛牽引力，造成車輛停駛。

所以裝配有差動行星齒輪差速器的分動器一般都配有差速鎖。VG2000系列分動器配有強制鎖止式差速器，如圖1（b）（5）所示，該差速鎖采用氣動操縱，通過花鍵嚙合使太陽輪a與行星架x剛性的連接在一起，此時，整個差速器構(gòu)結(jié)合為一個剛性連接體。此時分動器前后軸輸出的力矩將會根據(jù)前后軸荷以及前后軸輪胎所處的地面附著系數(shù)進行分配。

假設(shè)車輛前軸驅(qū)動輪行駛在低附著系數(shù)μmin路面，后軸驅(qū)動輪行駛在高附著系數(shù)μ的路面。

當(dāng)差速鎖不鎖止時，汽車能提供的最大牽引力為：

當(dāng)分動器差速鎖鎖止時，汽車能提供的最大牽引力為：

其中G1為第一驅(qū)動軸負荷，G2位第二驅(qū)動軸負荷。

可見，差速鎖鎖止可以充分利用地面附著系數(shù)良好的驅(qū)動輪，使車輛脫困。

3 結(jié)論

通過對分動器差速器各傳動齒輪的運動和受力分析，明確了分動器的扭矩分配原理和差速原理，為分動器在整車的匹配和使用奠定了基礎(chǔ)。

[1] 饒振綱.行星齒輪傳動設(shè)計.[M]化學(xué)工業(yè)出版社.第二版,2014.05.

[2] 王望予.汽車設(shè)計.[M]機械工業(yè)出版社.[M]第4版,2004.08.

[3] 劉豫徽,吳社強.帶軸間差速器的分動器特性分析,[M]專用汽車.2000年第2期.