半开放式差速器的技术优势及实践应用探讨

盛阳

摘 要：差速器提供了自由的转速差满足车辆的行驶需要，然而却在特殊路况下导致了车轮空转车辆停滞。差速锁介入消除了转速差，解决了这一特殊情况的同时却带来了其他问题。差速器不限制的转速差超出使用要求，差速锁直接砍掉全部转速差。差速器与差速锁，本身就是矛盾对立的二者，汽车总是在二者之间艰难的取舍。其实我们并不需要差速锁，只需差速器保留正常行驶所需要的转速比的即可，我们将之命名为：半开放式差速器。基于机械控制式的、结构简单的、功能可开可关的半开放式差速器已经实现了技术突破并试验成功，也取得了相关发明专利，故在本文中研究讨论。

关键词：脱困 越野 转速差 转速比

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

說起差速锁，不得不提汽车的重要零部件——差速器。它给同轴的驱动轮提供了相同的扭力，自由的转速差，让驱动轮完美的匹配路面，推动汽车在变化的路线和复杂的路况上稳定的行驶。但也正因为给驱动轮提供的这两个功能，使得一旦某个驱动轮遇到地面湿滑到摩擦力低于行驶所需的力矩时，便会出现打滑空转，导致车辆停滞。包括雪地、冰面、湿滑凹坑以及单轮悬空等状况。

为了解决空转带来的车辆停滞，诞生了差速锁。然而锁死差速器是要付出代价的，否则为什么要发明差速器？与差速器相反，差速锁将驱动轮刚性连接后转速比锁定到1：1，介入时总有一个轮子不匹配路面，虽然未打滑的轮子会获得更多的动力脱困，但是路面是复杂的，很多时候那个没有打滑的轮子，能够获得的摩擦力就在行驶需求的临界值附近，而那个打滑的轮子因为与路面不匹配会带来反向阻力，妨碍车子脱困，甚至拖累那个未打滑的驱动轮也一起打滑，导致定向功能消失，侧滑随时发生。脱困后进入良好的路面，行驶不稳定的同时还会徒增轮胎磨损。

差速锁的弊端不旦体现在转速比1：1的功能上，更体现在如何开启与关闭。从超出行驶需要的转速差，到没有转速差，是一个相对运动到相对静止的跳跃过程，如何实现？我们主要讨论在市场上生存下来两种方式，牙嵌式与多摩擦片式。牙嵌式为机械咬合，刚性冲击大，因此开启前汽车必须切断动力，或最多只能轻微发力，车辆必然提前停止。多摩擦片式，我们将它理解成两个驱动轮之间的离合器，当然不像我们想象的手动档车型离合器那么简单，扭力经过变速箱的低档位减速后已经放大很多倍了，又受制于半径限制，能完全锁死已实属不易。生热严重、寿命短、动作执行慢，实际使用上也是车辆停滞后才起作用。不过好在此种方式刚性冲击小，可在转动轴转动过程中开启，方便自动化控制，但动作也不会太快，不能频发使用，现为主流方式。但无论是哪种差速锁，均无法判定应该何时退出，脱困后的高磨损很难解决。为此以多摩擦片式差速锁为基础发展了LSD限滑差速器，放弃锁死只提供有限的扭力分配，即一个锁不死的差速锁，来降低脱困后的磨损。当然还有蜗杆式的托森差速器，作用与LSD类似，当然脱困防滑极限能力也大打折扣。

现在的高端汽车，为了克服打滑空转，通常是几种差速锁或限滑差速器相结合，取各自结构的长处，但是最终都没能跳出转速比1：1的死点。执行迟钝、行驶停滞、锁死突兀、松锁判定不准确均无法解决。

为什么差速锁的性能始终不理想？消除转速差本身就违背行驶需要，只是特殊工况的一个不得已方案。

正如上文所提，所有的差速锁开启之前，都要检测是否超出行驶所需的转速比。那这个行驶所需的转速比比，到底是多少？

参考下图，我们可以计算一下最极限的工况下的转速比：

平坦路面满舵工况下转速比：

前轮转速比==≈1.31

后轮转速比==≈1.56

前后轴转速比===≈ 1.28

直行单侧轮跨越障碍工况下转速比：

轮间转速比==cos60°=2（前后轴间转速比亦同）

因此得出最大转速比 = 满舵转速比 x 跨障转速比

前轮最大转速比=1.31×2=2.62

后轮最大转速比=1.56×2=3.12

前后轴间最大转速比=1.28×2=2.56

经此计算，我们得出结论，车子既不需要无限自由的转速差，又不能没有转速差。车子需要的只是一个合理的转速比，一个满足各种工况的转速比范围即可。

至于上述计算为什么我的参考障碍只有轮胎半径一半而没有更多？首先因为轮胎和悬架均有弹性，可以吸收一些水平方向的瞬间速度，其次如果障碍再高会刮车头底盘，计算意义不大，况且太高的障碍物能提供的纵向摩擦力也无法供轮子攀爬上去，必须靠其他轮子硬推来增加压力，差速器的扭力均等原则自然无法胜任。

既然已经通过计算得出车子需要一个满足各种工况的转速比范围即可，那么我们分析一下能提供这样的转速比范围的半开放式差速器，在脱困及正常行驶时，相比差速锁他会有哪些优势：

（1）无法逾越的转速比，使得当打滑轮子趋向空转加速而另一侧轮子减速的过程中，达到转速比限定值后马上被限制住，非滑轮子马上获得足够动力，车子根本没有停滞，在降速到一定值后马上匀速的行驶并脱困，运动十分流畅;

（2）因为转速比在限制范围内与差速器一样自由，使得脱困完成进入良好路面车轮会及时的与路面匹配，不存在差速锁那种不匹配的状态，车辆行驶很稳定。

（3）脱困时打滑车轮转速一直大于等于实际路线，不会产生反向阻力，不会带来负担的同时还会贡献一点力量，最大可能的保证另一侧轮子不会侧滑，因此脱困时的稳定性也提高很多。

（4）因为不影响正常行驶，所以可以在行驶过程中提前开启或一直开启，无需停滞开启。

（5）不受制于传动轴转速影响，使用范围更广。

而实际设计出来的半开放式差速器模型，实测验证后，具备了以上理论分析的所有优点，规避了刚性冲击、摩擦生热、寿命短、成本高等等。除此之外，还具备了与档位相匹配的反向阻止功能，既防溜车功能，使得坡道上行驶及停车的安全性大大提高。差速锁之所以不能普及，其根本在于短寿命和高成本加持下，性能却马马虎虎。半开放差速器技术，作为目前世界的首创，继承了差速器的同时，又克服了差速锁的诸多弊端，必将得到广泛应用，使得未来城乡交通与生活将得到更好的衔接。北方的冬季及南方的雨季非铺装路面下，人们不必过多的担心路好不好走，能不能走，也无需掏出很多的购买及维护成本。

差速锁脱困过程：

打滑开始→感知打滑，下达命令→开始动作→消除间隙，开始黏合→黏合完成，獲得动力→脱困成功，路面不匹配→继续进行松锁判定

半开放式差速器脱困过程：

打滑开始→达到限定值，及时获得动力→脱困成功，匹配路面（全过程无停滞）。