半開放式差速器的技術(shù)優(yōu)勢及實踐應(yīng)用探討

盛陽

摘 要：差速器提供了自由的轉(zhuǎn)速差滿足車輛的行駛需要，然而卻在特殊路況下導(dǎo)致了車輪空轉(zhuǎn)車輛停滯。差速鎖介入消除了轉(zhuǎn)速差，解決了這一特殊情況的同時卻帶來了其他問題。差速器不限制的轉(zhuǎn)速差超出使用要求，差速鎖直接砍掉全部轉(zhuǎn)速差。差速器與差速鎖，本身就是矛盾對立的二者，汽車總是在二者之間艱難的取舍。其實我們并不需要差速鎖，只需差速器保留正常行駛所需要的轉(zhuǎn)速比的即可，我們將之命名為：半開放式差速器。基于機械控制式的、結(jié)構(gòu)簡單的、功能可開可關(guān)的半開放式差速器已經(jīng)實現(xiàn)了技術(shù)突破并試驗成功，也取得了相關(guān)發(fā)明專利，故在本文中研究討論。

關(guān)鍵詞：脫困 越野 轉(zhuǎn)速差 轉(zhuǎn)速比

Discussion on the Technical Advantages and Practical Application of Semi-open Differential

Sheng yang

Abstract：The differential provides a free speed difference to meet the driving needs of the vehicle， but it causes the idling vehicle to stall under special road conditions. The intervention of the differential lock eliminates the speed difference， which solves this special situation and brings other problems at the same time. The unrestricted speed difference of the differential exceeds the use requirements， and the differential lock directly cuts off all the speed differences. Differentials and differential locks are themselves contradictory and opposite， and cars always make a difficult choice between the two. In fact， we don't need a differential lock， just the differential retains the speed ratio required for normal driving. We named it： semi-open differential. The semi-open differential， which is based on mechanical control， simple structure， and can be opened and closed， has achieved technological breakthroughs and successfully tested， and has also obtained related invention patents， which the paper will study and discuss in this article.

Key words：anti-skid， get-out-of trouble， off-road， speed difference， speed ratio

說起差速鎖，不得不提汽車的重要零部件——差速器。它給同軸的驅(qū)動輪提供了相同的扭力，自由的轉(zhuǎn)速差，讓驅(qū)動輪完美的匹配路面，推動汽車在變化的路線和復(fù)雜的路況上穩(wěn)定的行駛。但也正因為給驅(qū)動輪提供的這兩個功能，使得一旦某個驅(qū)動輪遇到地面濕滑到摩擦力低于行駛所需的力矩時，便會出現(xiàn)打滑空轉(zhuǎn)，導(dǎo)致車輛停滯。包括雪地、冰面、濕滑凹坑以及單輪懸空等狀況。

為了解決空轉(zhuǎn)帶來的車輛停滯，誕生了差速鎖。然而鎖死差速器是要付出代價的，否則為什么要發(fā)明差速器？與差速器相反，差速鎖將驅(qū)動輪剛性連接后轉(zhuǎn)速比鎖定到1：1，介入時總有一個輪子不匹配路面，雖然未打滑的輪子會獲得更多的動力脫困，但是路面是復(fù)雜的，很多時候那個沒有打滑的輪子，能夠獲得的摩擦力就在行駛需求的臨界值附近，而那個打滑的輪子因為與路面不匹配會帶來反向阻力，妨礙車子脫困，甚至拖累那個未打滑的驅(qū)動輪也一起打滑，導(dǎo)致定向功能消失，側(cè)滑隨時發(fā)生。脫困后進入良好的路面，行駛不穩(wěn)定的同時還會徒增輪胎磨損。

差速鎖的弊端不旦體現(xiàn)在轉(zhuǎn)速比1：1的功能上，更體現(xiàn)在如何開啟與關(guān)閉。從超出行駛需要的轉(zhuǎn)速差，到?jīng)]有轉(zhuǎn)速差，是一個相對運動到相對靜止的跳躍過程，如何實現(xiàn)？我們主要討論在市場上生存下來兩種方式，牙嵌式與多摩擦片式。牙嵌式為機械咬合，剛性沖擊大，因此開啟前汽車必須切斷動力，或最多只能輕微發(fā)力，車輛必然提前停止。多摩擦片式，我們將它理解成兩個驅(qū)動輪之間的離合器，當然不像我們想象的手動檔車型離合器那么簡單，扭力經(jīng)過變速箱的低檔位減速后已經(jīng)放大很多倍了，又受制于半徑限制，能完全鎖死已實屬不易。生熱嚴重、壽命短、動作執(zhí)行慢，實際使用上也是車輛停滯后才起作用。不過好在此種方式剛性沖擊小，可在轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動過程中開啟，方便自動化控制，但動作也不會太快，不能頻發(fā)使用，現(xiàn)為主流方式。但無論是哪種差速鎖，均無法判定應(yīng)該何時退出，脫困后的高磨損很難解決。為此以多摩擦片式差速鎖為基礎(chǔ)發(fā)展了LSD限滑差速器，放棄鎖死只提供有限的扭力分配，即一個鎖不死的差速鎖，來降低脫困后的磨損。當然還有蝸桿式的托森差速器，作用與LSD類似，當然脫困防滑極限能力也大打折扣。

現(xiàn)在的高端汽車，為了克服打滑空轉(zhuǎn)，通常是幾種差速鎖或限滑差速器相結(jié)合，取各自結(jié)構(gòu)的長處，但是最終都沒能跳出轉(zhuǎn)速比1：1的死點。執(zhí)行遲鈍、行駛停滯、鎖死突兀、松鎖判定不準確均無法解決。

為什么差速鎖的性能始終不理想？消除轉(zhuǎn)速差本身就違背行駛需要，只是特殊工況的一個不得已方案。

正如上文所提，所有的差速鎖開啟之前，都要檢測是否超出行駛所需的轉(zhuǎn)速比。那這個行駛所需的轉(zhuǎn)速比比，到底是多少？

參考下圖，我們可以計算一下最極限的工況下的轉(zhuǎn)速比：

平坦路面滿舵工況下轉(zhuǎn)速比：

前輪轉(zhuǎn)速比==≈1.31

后輪轉(zhuǎn)速比==≈1.56

前后軸轉(zhuǎn)速比===≈ 1.28

直行單側(cè)輪跨越障礙工況下轉(zhuǎn)速比：

輪間轉(zhuǎn)速比==cos60°=2（前后軸間轉(zhuǎn)速比亦同）

因此得出最大轉(zhuǎn)速比 = 滿舵轉(zhuǎn)速比 x 跨障轉(zhuǎn)速比

前輪最大轉(zhuǎn)速比=1.31×2=2.62

后輪最大轉(zhuǎn)速比=1.56×2=3.12

前后軸間最大轉(zhuǎn)速比=1.28×2=2.56

經(jīng)此計算，我們得出結(jié)論，車子既不需要無限自由的轉(zhuǎn)速差，又不能沒有轉(zhuǎn)速差。車子需要的只是一個合理的轉(zhuǎn)速比，一個滿足各種工況的轉(zhuǎn)速比范圍即可。

至于上述計算為什么我的參考障礙只有輪胎半徑一半而沒有更多？首先因為輪胎和懸架均有彈性，可以吸收一些水平方向的瞬間速度，其次如果障礙再高會刮車頭底盤，計算意義不大，況且太高的障礙物能提供的縱向摩擦力也無法供輪子攀爬上去，必須靠其他輪子硬推來增加壓力，差速器的扭力均等原則自然無法勝任。

既然已經(jīng)通過計算得出車子需要一個滿足各種工況的轉(zhuǎn)速比范圍即可，那么我們分析一下能提供這樣的轉(zhuǎn)速比范圍的半開放式差速器，在脫困及正常行駛時，相比差速鎖他會有哪些優(yōu)勢：

（1）無法逾越的轉(zhuǎn)速比，使得當打滑輪子趨向空轉(zhuǎn)加速而另一側(cè)輪子減速的過程中，達到轉(zhuǎn)速比限定值后馬上被限制住，非滑輪子馬上獲得足夠動力，車子根本沒有停滯，在降速到一定值后馬上勻速的行駛并脫困，運動十分流暢;

（2）因為轉(zhuǎn)速比在限制范圍內(nèi)與差速器一樣自由，使得脫困完成進入良好路面車輪會及時的與路面匹配，不存在差速鎖那種不匹配的狀態(tài)，車輛行駛很穩(wěn)定。

（3）脫困時打滑車輪轉(zhuǎn)速一直大于等于實際路線，不會產(chǎn)生反向阻力，不會帶來負擔(dān)的同時還會貢獻一點力量，最大可能的保證另一側(cè)輪子不會側(cè)滑，因此脫困時的穩(wěn)定性也提高很多。

（4）因為不影響正常行駛，所以可以在行駛過程中提前開啟或一直開啟，無需停滯開啟。

（5）不受制于傳動軸轉(zhuǎn)速影響，使用范圍更廣。

而實際設(shè)計出來的半開放式差速器模型，實測驗證后，具備了以上理論分析的所有優(yōu)點，規(guī)避了剛性沖擊、摩擦生熱、壽命短、成本高等等。除此之外，還具備了與檔位相匹配的反向阻止功能，既防溜車功能，使得坡道上行駛及停車的安全性大大提高。差速鎖之所以不能普及，其根本在于短壽命和高成本加持下，性能卻馬馬虎虎。半開放差速器技術(shù)，作為目前世界的首創(chuàng)，繼承了差速器的同時，又克服了差速鎖的諸多弊端，必將得到廣泛應(yīng)用，使得未來城鄉(xiāng)交通與生活將得到更好的銜接。北方的冬季及南方的雨季非鋪裝路面下，人們不必過多的擔(dān)心路好不好走，能不能走，也無需掏出很多的購買及維護成本。

差速鎖脫困過程：

打滑開始→感知打滑，下達命令→開始動作→消除間隙，開始黏合→黏合完成，獲得動力→脫困成功，路面不匹配→繼續(xù)進行松鎖判定

半開放式差速器脫困過程：

打滑開始→達到限定值，及時獲得動力→脫困成功，匹配路面（全過程無停滯）。