范春利，宁雪松，申春宝，保万全，徐伟健

（中国第一汽车股份有限公司，吉林 长春 130011）

螺旋齿式限滑差速器的结构性能分析及试验研究

范春利，宁雪松，申春宝，保万全，徐伟健

（中国第一汽车股份有限公司，吉林 长春 130011）

对螺旋齿式限滑差速器的结构及工作原理进行分析研究，并提出了限滑性能的主要评价参数，结合限滑差速器台架试验，对安装两种不同螺旋角的螺旋齿式限滑差速器进行对比试验分析，试验结果表明：螺旋角越大，限滑性能越好。

螺旋齿；台架试验；限滑差速器；限滑性能；螺旋角

前言

基于普通圆锥行星齿轮式差速器的结构特点[1]，其内摩擦力矩小，只能将转矩平均分配给左、右驱动车轮，而无法实现按需分配。当汽车在泥泞或冰雪路面上行驶，且一侧驱动车轮与地面附着系数相对很小时，容易导致单侧车轮过度滑转而使整车无法获得良好的动力性和通过性。限滑差速器的开发和应用，克服了普通锥齿轮差速器只能“差速不差转矩”的缺点，它能够使发动机传递到驱动桥转矩的大部分甚至全部扭矩传给高附着系数侧驱动车轮，以充分利用这一驱动车轮的附着力而产生足够的牵引力，大大提高了汽车在双附着系数路面上的驱动性能，显著改善了汽车操纵稳定性，有效提高了汽车平顺性和行驶安全性。

因此，随着用户出行和运输业的需求不断提高，限滑差速器的应用日益广泛，装车率也迅速提高。越来越多的越野汽车、中型和重型汽车、多功能汽车、工程机械以及拖拉机等车辆提供限滑差速器作为高配置选装件，近年在轿车和微型汽车上也逐渐采用。

作者通过对螺旋齿式限滑差速器的结构性能进行分析研究和针对不同螺旋角的螺旋齿式限滑差速器进行的台架试验，研究了装配螺旋齿式限滑差速器的驱动桥在试验测试中的性能表现，得到了限滑性能评价参数及不同工况下限滑性能之间的关系，为螺旋齿式限滑差速器的改进设计提供试验数据，同时为限滑差速器的选型和实际应用提供了科学依据。

1 螺旋齿式限滑差速器的结构性能分析

1.1 结构特征及工作原理

限滑差速器[2]根据其工作原理分为转矩敏感式、转速敏感式和主动控制式3类，螺旋齿式限滑差速器是转矩敏感式限滑差速器中综合性能较高的一种，是将普通差速器的齿轮从直齿改成螺旋齿，通过只有螺旋齿轮才能实现的安装位置和形式，利用齿轮的减速比来限制左右驱动轮转速差的，从而实现转矩的再分配。

螺旋齿式限滑差速器结构如图1所示，该种限滑差速器的主要特征在于它采用螺旋齿式的行星齿轮和半轴齿轮，其中行星齿轮和半轴齿轮分为左右两组，左右两侧齿轮旋向相反。左行星齿轮同时与左半轴齿轮、右行星齿轮啮合，同理，右行星齿轮同时与右半轴齿轮、左行星齿轮啮合，行星齿轮采用全浮式结构，其外圆与差速器壳上相对应的圆柱形孔大间隙配合。差速器壳与主减速器从动锥齿轮相联，是差速器的动力输入元件。差速器壳带动行星齿轮和半轴齿轮转动，实现动力从差速器壳到半轴进而到车轮的传递。

图1 螺旋齿式限滑差速器

当汽车作直线行驶、左右半轴无转速差时，左、右半轴转速与差速器壳转速均相等，此时左右行星齿轮和相应的半轴齿轮之间无相对转动，差速器壳、左右半轴如同整体在一起转动，差速器不起作用，此时从差速器壳上分配到左右半轴上的转矩是等分的。当汽车转向行驶或某一驱动车轮滑转使左右半轴产生转速差时，左右行星齿轮将产生相对转动，且快转侧的旋转方向与相应侧半轴齿轮加快旋转相符合，而慢转侧的旋转方向与相应侧半轴齿轮减慢旋转相符合，即左右半轴齿轮的转速差是通过左右行星齿轮之间的相对转动来实现的。这时快转侧半轴齿轮使快转侧的行星齿轮转动，从而迫使慢转侧行星齿轮带动慢转侧半轴齿轮转动，由于螺旋齿传动的特点，此时会在齿面间产生很大的摩擦力，限制了慢转侧行星齿轮转速的增加，进而阻止快转侧行星齿轮及快转侧半轴齿轮转速的增加，实现对快转侧驱动车轮的限滑作用。

1.2 转矩分配特性

螺旋齿式限滑差速器在差速时是利用相互啮合的螺旋齿轮副的内摩擦转矩进行转矩分配的。当左半轴转速较高时，左半轴齿轮带动左行星齿轮快速转动，左半轴齿轮受到左行星齿轮的摩擦转矩与其转动方向相反，而转速较低的右半轴齿轮受到右行星齿轮的推动，摩擦转矩与其转动方向相同，即由于内摩擦转矩的存在，使快转的左半轴齿轮的转矩Tl减小，慢转侧的右半轴齿轮的转矩Tr增大，转矩分配为：

式中：T0——差速器壳上的转矩；

Tf——内摩擦转矩。

同理，若右半轴转速较高时，右侧车轮打滑其驱动力减小，根据螺旋齿式限滑差速器的转矩分配特点，部分驱动力转移至左侧车轮。因此无论哪一侧车轮处于地面附着力低的路面工况，此种限滑差速器都能够自适应调节转矩的再分配，使地面附着力高的一侧驱动力增加，提高整车的防滑能力和通过性。

1.3 限滑性能主要评价参数

通过对螺旋齿式限滑差速器结构与工作原理的研究与分析，并结合对所匹配某微型车驱动桥进行的台架试验研究，采用以下参数作为螺旋齿式限滑差速器的性能评价指标。

1.3.1 内摩擦转矩

在限滑差速器工作的稳态下，左右半轴传递转矩之差即为内摩擦转矩Tf，即：

式中：T1——转矩较高侧的半轴传递扭矩；

T2——转矩较低侧的半轴传递扭矩。内摩擦转矩Tf也称为限滑转矩[3]，是表征限滑差速器处于工作状态时左右半轴转移转矩能力的参数，对于螺旋齿式限滑差速器，该参数与差速器输入转矩近似呈正比线性关系。

1.3.2 锁紧系数

在限滑差速器工作的稳态下，限滑转矩与差速器传递转矩的比值即为锁紧系数Ks，即：

锁紧系数Ks是表征限滑差速器限滑能力的参数，表明限滑转矩占差速器传递转矩的比例，其数值的大小一般为 0～1。对于螺旋齿式限滑差速器，该参数与螺旋齿轮的螺旋角密切相关，其数值为0.4～0.8。

1.3.3 转矩比

在限滑差速器工作的稳态下，转矩较高侧的半轴传递扭矩与转矩较低侧的半轴传递扭矩的比值即为转矩比KT，即：

转矩比KT也是表征限滑差速器限滑能力的参数，其数值的大小表明两侧车轮的转矩相差的最大倍数，其数值的大小一般为 1.6～3.2。对于螺旋齿式限滑差速器，该参数也取决于螺旋齿轮的螺旋角的设计大小，其数值为2.5～2.9。

转矩比KT与锁紧系数Ks的之间关系如下：

螺旋齿式限滑差速器的转矩比KT和锁紧系数Ks在产品设计阶段定性之后，其限滑能力的大小就以确定，在使用过程中无法调整。这两个参数对汽车性能有直接影响，从汽车通过性的角度看，转矩比KT的数值越大越好，但从车辆行驶的稳定性、转向操纵的灵活性、延长有关传动零件的使用寿命和减小轮胎磨损等方面考虑，转矩比KT的值又不宜过大，因此一般情况下，要根据所设计的车型、性能要求和使用条件等选择合适的转矩比KT和锁紧系数Ks。

1.3.4 限滑差速器传动效率[4]

在限滑差速器工作的稳态下，动力经过限滑差速器壳体传递给左、右半轴的效率即限滑差速器传动效率η，即：

式中：n1——转矩较高侧的半轴转速；n2——转矩较低侧的半轴转速；Tin——限滑差速器输入转矩；nin——限滑差速器输入转速；T1、T2定义同上。

限滑差速器传动效率是限滑差速器的一项重要的性能指标，表明经过限滑差速器传递路径后有效功率占驱动功率的比例。对于螺旋齿式限滑差速器，其数值与普通开式差速器传动效率差异不大，其数值为91%～98%。

2 螺旋齿式限滑差速器的性能试验研究

2.1 试验条件及试验方法

表1 试件相关参数表

图2 主减速器总成

图3 试验台布置形式

本文以安装螺旋齿式限滑差速器的某微型车驱动桥总成为研究对象，分别安装两种螺旋角的限滑差速器，通过台架试验对螺旋齿式限滑差速器的主要性能参数进行试验研究，掌握该形式的产品在台架试验过程中各项性能指标的能力，为产品的改进设计提供科学的试验依据。试件相关参数见表1，参照国标GB／T6323—1994和一汽集团企业标准中规定的方法进行试验。安装螺旋齿式限滑差速器的主减速器总成，见图2，驱动桥总成性能试验台布置形式见图3。

2.2 试验结果与分析

2.2.1 限滑转矩特性及锁紧系数试验

根据某微型车驱动桥总成的实际使用工况和承载能力特点，将道路试验路谱转化为台架试验的试验条件。通过试验台给定桥总成 20km/h的车速，同时逐渐加载输入转矩，输入转矩由额定输入转矩的15%一直加载至额定输入转扭矩，经数据处理，得到差速器输入扭矩与限滑转矩的关系曲线见图4。

图4 差速器输入扭矩与限滑转矩的关系曲线

图5 转矩比性能曲线

从图4可以看出，限滑转矩随着差速器输入扭矩的增加呈线性增长趋势，即限滑转矩与差速器输入转矩呈正比关系。同时，在相同的差速器输入转矩下，50°螺旋角样品的限滑转矩明显大于45°螺旋角样品的限滑转矩，即说明螺旋角越大，所产生的限滑转矩越大。

由锁紧系数的定义可知，图4中直线的斜率即为锁紧系数，明显地，50°螺旋角样品的直线斜率大于45°螺旋角样品的直线斜率，也说明了螺旋角越大，锁紧系数越大，锁紧能力越强。

2.2.2 转矩比性能试验

通过试验台给定桥总成 20km/h的车速，同时使左右半轴产生12r/min的转速差，即保证限滑差速器处于工作状态，逐渐加载输入转矩，输入转矩由额定输入转矩的15%一直加载至额定输入转扭矩，采集左右半轴传递扭矩的实际测量值，经数据处理，得到转矩比性能曲线见图5。

从图5可以看出，随着输入转矩的增加，左右半轴传递的转矩也逐渐增大，由于限滑差速器的转矩再分配的作用，使两侧的传递扭矩差值逐渐变化。由转矩比的定义可知，图5中直线的斜率即为转矩比，可以看出，在相同的试验工况下，50°螺旋角样品的直线斜率大于45°螺旋角样品的直线斜率，即螺旋角越大，转矩比越大。

2.2.3 限滑差速器传动效率试验

为充分考察螺旋齿式限滑差速器工作状态下的传动效率，传动效率试验分两种工况测试：一种是定转矩变转速差，另一种是定转速差变转矩。

定转矩变转速差测试：通过试验台给定桥总成 20km/h的车速，保持差速器输入转矩300N·m，然后使左右半轴产生转速差，转速差以12r/min为步长，逐渐增大至120r/min，经数据处理，得到定转矩变转速差与传动效率的关系曲线见图6。

图6 定转矩变转速差与传动效率的关系曲线

图7 定转速差变转矩与传动 效率的关系曲线

从图6可以看出， 随着转速差的增大，限滑差速器的传动效率逐渐降低，主要由于限滑差速器处于工作状态下，螺旋齿轮副之间的摩擦力产生的效率损失和差速工况引起齿轮油流体运动场变化引起的搅油损失加大导致。同时可以看出，在相同的试验工况下，50°螺旋角样品的传动效率大于45°螺旋角样品的传动效率。

定转速差变转矩测试：通过试验台给定桥总成 20km/h的车速，保持转速差为100r/min，逐渐加载输入转矩，输入转矩由额定输入转矩的15%一直加载至额定输入转扭矩，经数据处理，得到定转速差变转矩与传动效率的曲线见图7。

从图7可以看出， 随着差速器输入转矩的逐渐增加，限滑差速器的传动效率呈先增大后降低的趋势，主要由于限滑差速器处于工作状态下，输入转矩增加，齿轮啮合趋于稳定，齿轮油热量逐渐达到热平衡，传动效率逐渐增大；当输入转矩增大到一定程度，齿轮副磨损增加，传动效率将会降低。同时可以看出，在相同的试验工况下，50°螺旋角样品的传动效率大于45°螺旋角样品的传动效率。

3 结论

（1）螺旋齿式限滑差速器是利用齿轮的减速比来限制左右驱动轮转速差的，从而实现转矩的再分配，有效的克服了普通锥齿轮差速器只能“差速不差转矩”的缺点。

（2）应用限滑转矩、锁紧系数、转矩比和限滑差速器传动效率等性能参数对螺旋齿式限滑差速器进行限滑性能评价，可以满足对产品限滑能力设计水平的试验验证。

（3）螺旋角的大小对螺旋齿式限滑差速器的限滑性能有很大影响，试验表明，螺旋角越大，限滑能力越好。

[1] 刘惟信,汽车车桥设计[M],北京,清华大学出版社,2003:215-217.

[2] 陈家瑞,汽车构造（第五版）[M],北京,人民交通出版社,2005:146-150.

[3] 王建华等, 转矩敏感式限滑差速器结构性能分析及其评价[J],汽车技术,,2005:18-20.

[4] 刘白,汪大鹏,齿轮传动效率的试验研究[J],机械工程学报,2001:109 -112.

The structural performance analysis and the experimental study of screw rack differential differential

Fan Chunli, Ning Xuesong, Shen Chunbao, Wan Baoquan , Xu Weijian
( China first automobile co., LTD., Jilin Changchun 130011 )

Study and analyze the structure and working principle of helix gear limited slip differential, the main evaluation parameters of limited slip performance are presented, combined with the limited slip differential bench test, the comparative test analysis of two kinds of helix gears with different helix angles is carried out, the experimental results show that the higher the helix angle is, the better the limited slip performance is.

Helix gear; Bench test; Limited Slip Differential; Limited slip performance; helix angles

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-132-04

U467.3 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)12-132-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.044

范春利（1981-），男，就职于中国第一汽车股份有限公司技术中心。主要从事汽车传动系统台架试验、试验方法分析与优化等研究。