1 驅動(dòng)橋概述
汽車(chē)驅動(dòng)橋是傳動(dòng)系統的重要組成部分，一般位于傳動(dòng)系的末端。它主要由主減速器、差速器、半軸、橋殼等組成。
驅動(dòng)橋的布置形式有多種，按照分布位置的不同可分為前驅、后驅和四驅?zhuān)磧蓚€(gè)驅動(dòng)橋）。目前應用較為廣泛的有發(fā)動(dòng)機前置前輪驅動(dòng)、發(fā)動(dòng)機前置后輪驅動(dòng)兩種。發(fā)動(dòng)機前置前輪驅動(dòng)是將驅動(dòng)橋與變速箱連為一體，扭矩在傳遞時(shí)直接從變速箱輸入到主減速器，省去了傳動(dòng)裝置。這使得整車(chē)結構更為緊湊，乘坐舒適性好，燃油經(jīng)濟性高。發(fā)動(dòng)機前置后輪驅動(dòng)是一種較為傳統的布置形式，相比于前置前驅?zhuān)寗?dòng)輪與地面有更大的附著(zhù)力，因此該形式十分適合爬坡或加速啟動(dòng)，而且汽車(chē)的行駛平穩性和操縱靈活性好。此外還有發(fā)動(dòng)機中置后輪驅動(dòng)、發(fā)動(dòng)機后置后輪驅動(dòng)等等，不過(guò)應用范圍較小。
驅動(dòng)橋的功用主要有以下四點(diǎn)[1]：
①減速增扭，改變力矩的傳遞方向。汽車(chē)在行駛時(shí)要通過(guò)變速器來(lái)改變傳動(dòng)比，輸出合適的轉矩和轉速。但是當變速器在最高檔位時(shí)，輸出的轉速較高，因此需要將動(dòng)力經(jīng)主減速器處理，以降低轉速，增大轉矩。其次，發(fā)動(dòng)機輸出的動(dòng)力要經(jīng)過(guò)90°轉向才能傳給車(chē)輪，因此主減速器具有改變轉矩傳遞方向的作用。
②滿(mǎn)足左右車(chē)輪的差速要求，并合理分配轉矩。汽車(chē)在不平路面行駛或轉彎時(shí)，外側車(chē)輪轉速快，內側車(chē)輪轉速慢。為了滿(mǎn)足這一要求，差速器通過(guò)行星齒輪的自轉帶動(dòng)半軸齒輪，從而實(shí)現差速作用。同時(shí)，差速器還能合理的分配轉矩以提高汽車(chē)通過(guò)性。
③傳遞轉矩。驅動(dòng)橋是一個(gè)動(dòng)力傳遞機構，其中半軸的作用就是將差速器輸出的轉矩傳到驅動(dòng)車(chē)輪[2]。
④承載整車(chē)重量及傳力。驅動(dòng)橋中的橋殼具有很強的剛度和強度，其承受著(zhù)路面與車(chē)架之間的鉛垂力，也要承受驅動(dòng)力和制動(dòng)力等縱向力以及車(chē)輛轉彎時(shí)產(chǎn)生的橫向力。
2 差速器的結構與原理分析
差速器的功用主要有兩種，一是將主減速器傳來(lái)的動(dòng)力傳給左右兩個(gè)半軸，二是起差速作用，保證車(chē)輪與地面做純滾動(dòng)。
2.1 圓錐齒輪差速器的結構分析
普通的圓錐齒輪差速器由2個(gè)半軸齒輪、行星齒輪軸（十字軸）、2-4個(gè)行星齒輪和殼體組成。動(dòng)力按照主減速從動(dòng)齒輪——差速器殼——行星齒輪軸——行星齒輪——半軸齒輪——半軸——驅動(dòng)輪的順序傳遞。當汽車(chē)右轉彎時(shí)，附加阻力作用在行星齒輪上，所形成的力矩起到差速作用。其自轉使行星齒輪左側的圓周速度等于自轉和周轉速度之和，右側等于自轉和周轉速度之差，導致左側半軸轉速加快，右側半軸轉速減慢，保證了汽車(chē)順利過(guò)彎[3]。
差速器是一種行星齒輪機構，由于軸向力的存在，在實(shí)際使用過(guò)程中總會(huì )出現差速器磨損嚴重的情況，且以黏著(zhù)磨損和疲勞磨損為主，這嚴重影響了差速器的工作性能，甚至影響了整車(chē)的安全性。因此在半軸齒輪和差速器殼體間裝有平墊片，在行星齒輪和差速器殼體間裝有球面墊片，同時(shí)要選擇粗糙度低，硬度高的墊片，以減小差速器的磨損，延長(cháng)使用壽命。
2.2 圓錐齒輪差速器的原理分析
2.2.1 差速原理分析
圓錐行星齒輪差速器工作原理如圖1所示，ω0為主減速器從動(dòng)齒輪的轉速，由于差速器殼與主減速器從動(dòng)齒輪固連在一起構成行星齒輪架，所以ω0既為差速器殼的轉速。ω1、ω2分別為左右半軸齒輪的轉速。
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圖1 圓錐齒輪差速器的工作原理圖
①汽車(chē)在平直路面沿直線(xiàn)行駛。
行星齒輪帶動(dòng)半軸齒輪一起，繞著(zhù)半軸中心線(xiàn)公轉，而無(wú)自轉運動(dòng)，此時(shí)ω1=ω2=ω3，差速器不起差速作用。
②汽車(chē)轉彎行駛及其他行駛情況。
差速器起差速作用時(shí)，行星齒輪不僅有繞半軸中心線(xiàn)的公轉，還有繞行星齒輪軸的自轉。這時(shí)行星齒輪一側的圓周速度等于自轉和周轉速度之和，另一側等于自轉和周轉速度之差。設行星齒輪的自轉為ω3，則外側車(chē)輪及其半軸的轉速將增高，其轉速為：
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內側車(chē)輪及其半軸的轉速將降低，其轉速為：
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z1、z3分別為外側半軸齒輪和行星齒輪的齒數。
將以上兩式相加可以得到：
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這就是圓錐行星齒輪差速器的運動(dòng)特性方程式[4]。
2.2.2 扭矩分配特性分析
扭矩經(jīng)主減速器傳遞給差速器，并由差速器按比例分配給左右兩個(gè)驅動(dòng)輪。在圖1中，F表示行星齒輪受到十字軸的作用力，其方向指向上；行星齒輪兩側會(huì )受到F/2的反作用力，其方向指向下。ΔF表示由于摩擦元件運動(dòng)帶來(lái)的附加阻力。
①汽車(chē)在平直路面沿直線(xiàn)行駛。
當汽車(chē)在平直路面沿直線(xiàn)行駛時(shí)，差速器各摩擦元件沒(méi)有相對運動(dòng)，差速器只受到F、F/2的作用力，其受力達到平衡，且半軸齒輪的半徑相等，都為r，因此傳遞給左右半軸的扭矩是相等的。輸入扭矩M0、輸出扭矩M1、M2滿(mǎn)足下列關(guān)系。
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②汽車(chē)轉彎行駛及其他行駛情況。
當汽車(chē)轉彎行駛及其他行駛情況時(shí)，行星齒輪受到附加阻力ΔF并開(kāi)始自轉，其自轉力矩為2ΔFr'（r'為行星齒輪的半徑），此力矩使得行星齒輪對左右半軸齒輪施加大小相等，方向相反的力，如圖1所示。
對于外側半軸齒輪來(lái)說(shuō)，其旋轉速度較快、力矩較小，
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對于內側半軸齒輪來(lái)說(shuō)，其旋轉速度較慢、力矩較大，
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M0、M1、M2滿(mǎn)足下列關(guān)系。
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由于普通圓錐行星齒輪差速器的內摩擦力不大，所以傳遞給左右半軸齒輪的力矩可近似看成相等。這就是普通圓錐行星齒輪差速器的轉矩分配特性。
2.2.3 力學(xué)特性分析
差速器中的內摩擦力矩存在于以下部位：一是行星齒輪與殼體、齒輪軸之間，內摩擦力矩統一用Msp表示；二是行星齒輪與滑動(dòng)軸承之間，用Mbp表示；三是半軸齒輪與殼體之間，用Msd表示
①行星齒輪受力分析。
對行星齒輪進(jìn)行受力分析，如圖2所示。
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圖2 行星齒輪受力分析圖
Fn表示半軸齒輪對行星齒輪的正壓力，將Fn分解為Fn1、Fn2、Fn3。Fn1是等效圓周力，它使行星齒輪有自轉的趨勢；Fn2是正壓力的徑向分量，它使行星齒輪與半軸齒輪之間有壓緊的趨勢；Fn3是正壓力的軸向分量，它使行星齒輪有沿著(zhù)齒輪軸移動(dòng)的趨勢。則有如下關(guān)系式：
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其中α是行星齒輪的壓力角，θ是錐頂角。
由式（8）可得：
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設半軸齒輪的節圓半徑為rd，行星齒輪的節圓半徑為rp，與齒輪軸相配合的孔半徑為rk，球面大端半徑為r，背球面半徑為Rs，差速器的輸入扭矩為M0，則行星齒輪與殼體之間的正壓力為[5]：
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μsp為行星齒輪與殼體之間的滑動(dòng)摩擦系數，則兩者之間的摩擦力為：
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摩擦力矩可表示為：
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經(jīng)整理：
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同理，行星齒輪與滑動(dòng)軸承之間的摩擦力為：
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經(jīng)整理可得摩擦力矩為：
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②半軸齒輪受力分析。
對半軸齒輪進(jìn)行受力分析，如圖3所示。
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圖3 半軸齒輪受力分析圖
pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40表示行星齒輪對半軸齒輪的正壓力，其可以分解為徑向力pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40、軸向力pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40以及合力pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40，pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40除了包括等效圓周力外，還包括Msp、Mbp在半軸齒輪上產(chǎn)生的附加力。有如下關(guān)系式：
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式中，α行星齒輪的壓力角，β是半軸齒輪的錐頂角。
由式（16）得
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設μsd是半軸齒輪與殼體間的動(dòng)摩擦系數，則摩擦力為
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pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40對于內外半軸齒輪來(lái)說(shuō)有不同的表達式，等效圓周力為pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40外側齒輪表達式：
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內側齒輪表達式：
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則外側和內側的摩擦力矩為：
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3 差速器的性能參數分析
評價(jià)差速器的性能參數主要有鎖緊系數和轉矩分配系數。
鎖緊系數是表征差速器“鎖緊”程度的物理量，目前鎖緊系數K主要有兩種表示方式，第一種是
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M1——快轉半軸上的轉矩；
M2——慢轉半軸上的轉矩。
即慢轉半軸側的轉矩與快轉半軸側的轉矩比的最大值。該表達式說(shuō)明了使差速器工作的轉矩條件，左右兩側半軸轉矩相差的比值必須大于等于鎖緊系數，差速器才會(huì )工作起差速作用。值是一個(gè)大于1的數。
第二種表達方式：
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式中
ΔM——差速器的內摩擦力矩；
M0——差速器的輸入轉矩。
即差速器的內摩擦力矩與輸入轉矩的比值。此表達式下的 K＜1。
轉矩分配系數是慢轉半軸的轉矩占總輸入轉矩的總比值，用公式表示為：
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它表征了左右轉矩的分配情況，顯然ξ＜1，一般來(lái)說(shuō)，ξ值較大的差速器其鎖緊系數也較大。
鎖緊系數K和轉矩分配系數ξ是評價(jià)差速器的主要性能參數，企業(yè)在生產(chǎn)汽車(chē)時(shí)，會(huì )根據車(chē)型，適用路面和客戶(hù)需求來(lái)選擇合適的差速器。一般來(lái)說(shuō)，似乎鎖緊系數越大越好，但是過(guò)大的鎖緊系數會(huì )帶來(lái)一系列諸如轉向困難、行駛不穩等問(wèn)題，因此鎖緊系數應限定在一個(gè)適當的范圍內。對于普通圓錐齒輪差速器來(lái)說(shuō)，K=1.1～1.5、ξ=0.55～0.6的取值是合適的，但是對于越野汽車(chē)等要在復雜路面行駛的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，還應繼續提高鎖緊系數。
4 結語(yǔ)
本文詳細介紹了驅動(dòng)橋和差速器的結構特點(diǎn)；重點(diǎn)研究了差速器的工作原理，從差速原理、轉矩分配特性、力學(xué)特性三個(gè)方面進(jìn)行了分析；在充分考慮內摩擦因素的基礎上，構建了內摩擦力矩的計算模型；最后分析了鎖緊系數和轉矩分配系數對差速器性能的影響，為汽車(chē)選擇合適的差速器有一定的指導意義。
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