半開放式差速器的原理及結構優勢的探討

盛陽

摘 要：家用汽車與它的四個輪子作為一個整體，在沒有打滑的情況下，彼此之間是遵守“同動”效應的，四輪之間的差異只在于運動快慢，即變化的轉速比。差速器提供的不限制的轉速差遠超正常行駛需要，帶來了汽車驅動輪單側空轉的弊端并無解。為了解決此種弊端，差速鎖直接鎖死差速器幫助車子脫困。差速鎖不去解決差速器多余轉速差，而是關閉差速器消除全部轉速差，原理上就走錯了方向，這使得它無論采取怎樣的工作方式，都很難達到一個理想的效果。而半開放式差速器，在差速器基礎上砍掉多余的轉速比，原理上這才是正確的方向。

關鍵詞：同動 轉速比 轉速差 自轉 公轉

Discussion on the Principle and Structural Advantages of Semi-open Differential

Sheng Yang

Abstract：The family car and its four wheels as a whole， in the absence of skidding， follow the "simultaneous motion" effect. The difference between the four wheels is only in the speed of movement， that is， the changing speed ratio. The unrestricted speed difference provided by the differential far exceeds the requirements of normal driving， and the disadvantage of the single-sided idling of the driving wheel of the car is not solved. To solve this drawback， the differential lock directly locks the differential to help the car get out of trouble. The differential lock does not solve the extra speed difference of the differential， but closes the differential to eliminate all the speed differences. In principle， the car goes in the wrong direction. This makes it difficult to achieve an ideal effect no matter what working method adopted. The semi-open differential cuts off the excess speed ratio on the basis of the differential， which ， in principle， is right.

Key words：simultaneous motion， speed ratio， speed difference， rotation， revolution

差速器作為汽車傳動的重要部件，其創新性在于驅動軸并不直接嚙合車輪軸齒輪，而是先直驅一個行星輪盤，再由行星輪盤內部同步公轉的行星輪嚙合左右車輪的半軸齒輪。行星輪公轉從動于行星輪盤，而自轉卻從動于兩側半軸齒輪，將力矩平均分配給兩個車輪的同時允許車輪有自由的轉速差。這種結構最大優點是無論轉彎還是路面凹凸不平，兩個車輪都能精準的匹配路面，同時又能提供提供均等的推力，是最優秀的結構。但是一旦某個車輪懸空或者打滑，均等推力的特性使得另一個車輪也無法提供推力，來自驅動軸的全部功率都用在給空轉輪加速上。差速器自由的轉速差不受限制，必然自帶這種情況，多余的轉速比遠超行駛需求。目前解決這種弊端的主流方法就是使用差速鎖，它的原理是將行星輪盤繞過行星齒輪直接與車輪軸同步連接，屏蔽差速器消除全部轉速差。但實際狀況是：車輪既不需要無限自由的轉速差，又不能沒有轉速差。車輪需要的，只是一個合理的轉速比，一個滿足各種路況的轉速比即可（參見上一期《半開放式差速器的技術優勢及實踐應用探討》中的內容）。面對差速器多余的轉速比，差速鎖選擇了直接關閉差速器。這種一刀切的方式必然帶來一系列弊端，否則為什么發明差速器？差速鎖原理方向上就錯了，無論采用什么樣的方式都很難達到理想的效果。下面我們就從結構上分析差速鎖的原理及結構上的缺陷。

根據差速器圖片結構，我們可以得知正常行駛時車輪之間本身就有轉速差，車輪軸本身就很少與行星輪盤同步。當打滑空轉發生時兩車輪轉速比超出正常范圍，車輪與行星輪盤轉速差特別大。以下為幾種主要差速鎖：

（1）電控與手控差速鎖的工作原理是將車輪軸與行星輪盤在轉速差異巨大的狀況下同步。倘若結構上使用牙嵌剛性同步的方式，為避免剛性沖擊就必須切斷動力機構停轉情況下進行，整車停滯;如果采用摩擦片柔性黏合同步的方式，必然導需要一定時間，而且經變速箱減速到達差速器的扭矩，已經放大很多倍了，結構位置也對直徑有苛刻要求，所以黏合同步過程難度及完成時間遠超變速箱之前的離合器，并伴隨生熱嚴重，使用壽命很短，而且是近些年才勉強做到徹底黏合同步，是傳統限滑差速器的加強版。這兩種工作方式的差速鎖駛出打滑空轉路段后因為沒有轉速差，脫困過程中也會造成側滑，脫困后也會造成車輛行駛不穩定。而從差速器結構上看，驅動軸與行星輪盤本身就有巨大的減速比，所驅動軸上的扭矩就要小很多，將前后差速器通過驅動軸同步就要容易很多。這也是為什么市面上很多四驅車輛使用適時四驅的中央限滑差速器。

（2）伊頓差速鎖工作原理是將行星輪盤與車輪軸轉速差大小轉換成轉動機構的離心力，大到預定值時一個鉤子自動開啟同時勾住兩個半軸齒輪，雖然可以做到自動松鎖，但是開啟方式決定必須達到一定轉速差，所以避免不了劇烈的剛性沖擊，承受扭矩也有限。

（3）電子差速鎖是通過將打滑空轉的車輪制動來實現功率向其他車輪流動，但是電子剎車盤提供的制動力難以與摩擦力瞬息萬變的路面相匹配，經常因為制動力過大造成單輪剎車的效果，同樣面臨生熱及壽命問題，脫困時側滑現象更嚴重。

（4）除了差速鎖之外，市場上還有蝸桿限滑差速器，也稱為扭力感應差速器。它采用了不均等比例的扭矩分配方式，轉速高的車輪獲得的扭矩永遠是固定的低比例的扭矩，只要有轉速差就開始扭力不均等分配無論是否達到打滑空轉的情況。優點是在平整的路面上直行時防滑效果最好，校正速度最快。缺點就是這個過于提前的扭矩比例分配能力致使它只適合用作中央差速器，如果用作車輪之間的差速器，推力大小不均等分配不但影響車輛穩定性，而且更容易造成打滑。況且分配比固定，所以達不到100：0，無法勝任苛刻的防滑要求。

以上為市場上防滑技術的匯總，種種方法，均沒有在差速器基礎上解決多余的轉速比。轉速比限定在1：1違背行駛需要，影響正常行駛所以必須在空轉打滑后開啟，有遲滯效應，且做不到及時退出;扭矩大小比例分配的方式卻犧牲差速器推力均等功能，在需要時作用有限，不需要時卻適得其反。接下來從原理結構上探討半開放式差速器原理及結構優勢：

根據差速器結構圖我們得知，行星輪盤的自轉等于行星輪的公轉。車輪的轉速取決于行星輪盤自轉與行星輪自轉的綜合，所以V車輪=V行星輪盤±（V行星輪*傳動比），左右車輪轉速比計算公式為：

V行星輪方向性決定其對于不同的車輪轉速呈加減作用。也就是說，（V行星輪*傳動比）如果等于V行星輪盤，就可以使某個車輪停滯，控制好與V行星輪與V行星輪盤的比例范圍，既行星輪的自轉與公轉比范圍就可以使左右車輪的轉速比限制在一定范圍內。

半開放差速器，正是采用控制行星輪自轉與公轉比的方法來實現限制轉速比的功能。以普通差速器為基礎，在行星輪外側同步一個傳動比更大的外行星輪，并嚙合自己的外半軸齒輪。外半軸齒輪與一個雙向棘輪機構同步連接，通過操控同向止逆棘爪阻止外半軸齒輪逆轉，迫使V外半軸齒輪≥0從而決定。

以圖示機構為例，外側行星輪傳動比為1，內側行星輪傳動比為0.5，同向止逆的棘爪介入迫使V外半軸齒輪≥0，因此≤1，既≤1，當最極端的狀況=1時，=3/1，因此圖示結構比例的半開放式差速器轉速比范圍在1：3與3：1之間。

從原理結構上看，半開放式差速器在普通差速器的基礎上，通過限制行星輪自轉與公轉比，達到轉速比限制在特定范圍內的作用，因此它繼承了差速器這個最優秀的結構的一切優點。在轉速比達到限定值時馬上被限制住，車輛只是降速后便勻速，打滑空轉輪轉速大于等于實際需要使得它依舊在幫助脫困，脫困后馬上恢復正常速度行駛。在整個脫困過程中，車輛狀態為：正常車速-降檔-恢復正常，正好符合惡劣路況的行駛需要，而差速鎖是：正常車速-停滯-恢復正常。半開放式差速器的功能因為不影響正常行駛，所以可以提前開啟或一直開啟，功能在需要的時候及時作用，不需要的時候及時退出。無論是轉速比、速度、還是路程曲線，半開放式差速器都有著更及時的工作過程與更柔和的運動曲線。

從圖示結構參數角度分析受力，工作時外行星輪齒面承擔的扭矩為內行星輪的一半，齒面厚度做到內行星輪厚度一半即可滿足持續工作的需要。棘爪棘輪機構作為半開放式差速器的另一核心機構，廣泛應用于日常生活中，例如自行車鏈輪盤、棘輪扳手都從側面證明了棘輪機構的使用壽命及可承受扭矩，也側面證明了半開放式差速器的反應速度、承受扭矩、使用壽命三大指標對比差速鎖的優勢。