重型越野车分动器差速器运动分析

陈传增

（安徽江淮汽车集团股份有限公司重型商用车公司，安徽 合肥 230001）

前言

分动器广泛应用于多轴驱动的汽车上，在越野汽车上应用广泛，因为越野汽车要面对低附着路面（雨雪、泥淖）、山区坑洼路面、以及壕沟、垂直障碍、陡坡等复杂状况，这要求车辆能尽可能多的利用车轮与地面间的附着力来提供驱动力。

在4×4、6×6、8×8等全驱动车型上，分动器一般作为独立部件安装在变速器与驱动桥之间，通过将来自变速器的转矩按照设定的比例分配给前桥和后桥。另外某些分动器还设有一组或两组减速齿轮，用于增大变速器输出的扭矩，起到副变速箱的作用。

1 结构

重型越野车用大功率分动器为应对各种工况，一般采用两个挡位：越野挡和公路挡，通过两种挡位实现在越野和公路行驶时整车对动力性和经济性平衡。分动器按照前后扭矩分配型式的不同可分为两种，一种是无差速器结构，一种为有差速器结构。

1.1 无差速器结构

该型式分动器如图1（a）所示：

该型式分动器结构简单，用于分时四驱车辆，即在平时使用中，啮合套5不与前轴啮合，这时候车辆仍然是后轴驱动。当车辆驶入低附着路面，后轴驱动力下降出现打滑时，通过操纵装置将啮合套5与前轴啮合，实现全轮驱动，使车辆顺利脱困。但该结构在实现全轮驱动时，无法实现前后轴车轮的轮速差，使传动系统产生功率循环，整车油耗增加，加剧轮胎的磨损。

图1（a）

采用无差速器结构的分动器，在啮合前轴时，前后轴扭矩的分配随两轴地面附着力的大小而变，这样可以充分利用地面附着力，但也可能会造成前轴扭矩过大而损坏齿轮及传动件。

1.2 有差速器结构

该型式分动器如图1（b）所示：

图1（b）

该型式分动器与图1（a）相比增加了8-差速器。该差速器该结构如图1（c）所示：

图1（c）

该差速器实际上就是2Z-X型差动行星齿轮，该机构具有2个自由度，由行星架（转臂）输入，a太阳轮输出到前轴，b内齿圈输出到后轴。该差动机构稳定运转的约束条件为前后轴的阻力矩和转速差。

2 差速器运动分析

2.1 扭矩分配

图2（a）为分动器差动行星齿轮传动示意图，其中ra、rb、rx分别为太阳轮、内齿圈、行星架的回转半径，ωa、ωb、ωx分别为其对应的角速度。

图2（a）

工况一

当车辆在平路行驶，且车辆前后轮胎滚动半径一致，理论上此时分动器前后输出轴转速相等，即ωa=ωb，此时行星轮c无自转，即△ω=0，设此时行星轮上A、B、C三点的线速度分别为VA、VB、VC，有：

则ωa=ωb=ωx

即，此时差速器行星齿轮无自转，此时行星轮c上A、B两点的受力

FA=FB=

设行星架x受到输入的扭矩为Tx，则有

Tx=FC·rx=FC·；

设前输出轴连接的太阳轮a的扭矩Ta，则有

Ta=FA·ra=FC·

设后输出轴连接的内齿圈b的扭矩Tb，则有

Tb=FB·rb=FC·

则Ta/Tb=ra/rb=Za/Zb

如VG2000分动器，其差速器参数如下表，该分动器的前后输出扭矩比。

表1 VG2000分动器差速器参数

工况二

工况一实际上只存在于理论中，在实际车辆运行中，前后车轴路面的差异、车轮轮胎磨损不同、胎压差异必然会导致分动器前后输出轴的转速存在差值。此时由于前后输出轴存在转速差，行星轮将会自转以保证机构运行。

以两轴车分析该工况，假设在轮胎等气压状态下，后轴轴荷大于前轴轴荷，则轮胎滚动半径R前滚＞R后滚，此时车辆会出现前轴轮胎滑转，后轴轮胎滑移的运动趋势。地面会对前后车轴轮胎产生沿地面切线方向的力F0，该力将通过分动器输入、输出轴，即通过太阳轮与内齿圈作用于行星轮上，在A、B两点产生力△F，该力使行星轮产生自转，设自转角速度为△ω。由于行星轮自转，在A、B两点的线速度将会产生差异△V。

△V=△ω·rc=△ω·

rc为行星轮半径。

此时，

VA= ra·ωx-△ω·

VB=rb·ωx+△ω·

则有：

其中p为行星齿轮特性参数

则太阳轮与内齿圈的角速度增量分别为：

整理（3）、（4）得：

由（5）可知，分动器前输出轴增量△ωa是分动器后输出轴增量的-p倍，为恒定值，这样就避免了车辆行驶中出现的轮胎滑移或滑转情况，避免传动系统功率循环，保证轮胎纯滚运动。

由（1）、（2）两式可得：

公式（8）为2Z-X型差动行星齿轮的运动学方程，变换后得：

由（9）可知，分动器差速器的输入转速与前后轴额输出转速之间拥有恒定的关系，该关系与差动行星齿轮的特性参数有关。

工况三

通过工况（二）的分析，装配有差动行星齿轮差速器的分动器的输入、输出转速存在恒定的比例关系，当车辆行驶在附着力良好路面的时候是没有问题的，但是当车辆某一根驱动轴车轮陷入泥水等低附着路面时，对车辆的脱困行驶是极不利的。

根据结论（9），当前轴车轮陷入泥水中或悬空时，由于差速器的作用，处于良好附着路面车轴的车轮将原地不动，即ωb=0，此时前轴将以（1+p）ωx的速度滑转，无法发挥车辆牵引力，造成车辆停驶。

所以装配有差动行星齿轮差速器的分动器一般都配有差速锁。VG2000系列分动器配有强制锁止式差速器，如图1（b）（5）所示，该差速锁采用气动操纵，通过花键啮合使太阳轮a与行星架x刚性的连接在一起，此时，整个差速器构结合为一个刚性连接体。此时分动器前后轴输出的力矩将会根据前后轴荷以及前后轴轮胎所处的地面附着系数进行分配。

假设车辆前轴驱动轮行驶在低附着系数μmin路面，后轴驱动轮行驶在高附着系数μ的路面。

当差速锁不锁止时，汽车能提供的最大牵引力为：

当分动器差速锁锁止时，汽车能提供的最大牵引力为：

其中G1为第一驱动轴负荷，G2位第二驱动轴负荷。

可见，差速锁锁止可以充分利用地面附着系数良好的驱动轮，使车辆脱困。

3 结论

通过对分动器差速器各传动齿轮的运动和受力分析，明确了分动器的扭矩分配原理和差速原理，为分动器在整车的匹配和使用奠定了基础。

[1] 饶振纲.行星齿轮传动设计.[M]化学工业出版社.第二版,2014.05.

[2] 王望予.汽车设计.[M]机械工业出版社.[M]第4版,2004.08.

[3] 刘豫徽,吴社强.带轴间差速器的分动器特性分析,[M]专用汽车.2000年第2期.