半开放式差速器的原理及结构优势的探讨

盛阳

摘 要：家用汽车与它的四个轮子作为一个整体，在没有打滑的情况下，彼此之间是遵守“同动”效应的，四轮之间的差异只在于运动快慢，即变化的转速比。差速器提供的不限制的转速差远超正常行驶需要，带来了汽车驱动轮单侧空转的弊端并无解。为了解决此种弊端，差速锁直接锁死差速器帮助车子脱困。差速锁不去解决差速器多余转速差，而是关闭差速器消除全部转速差，原理上就走错了方向，这使得它无论采取怎样的工作方式，都很难达到一个理想的效果。而半开放式差速器，在差速器基础上砍掉多余的转速比，原理上这才是正确的方向。

关键词：同动 转速比 转速差 自转 公转

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

差速器作为汽车传动的重要部件，其创新性在于驱动轴并不直接啮合车轮轴齿轮，而是先直驱一个行星轮盘，再由行星轮盘内部同步公转的行星轮啮合左右车轮的半轴齿轮。行星轮公转从动于行星轮盘，而自转却从动于两侧半轴齿轮，將力矩平均分配给两个车轮的同时允许车轮有自由的转速差。这种结构最大优点是无论转弯还是路面凹凸不平，两个车轮都能精准的匹配路面，同时又能提供提供均等的推力，是最优秀的结构。但是一旦某个车轮悬空或者打滑，均等推力的特性使得另一个车轮也无法提供推力，来自驱动轴的全部功率都用在给空转轮加速上。差速器自由的转速差不受限制，必然自带这种情况，多余的转速比远超行驶需求。目前解决这种弊端的主流方法就是使用差速锁，它的原理是将行星轮盘绕过行星齿轮直接与车轮轴同步连接，屏蔽差速器消除全部转速差。但实际状况是：车轮既不需要无限自由的转速差，又不能没有转速差。车轮需要的，只是一个合理的转速比，一个满足各种路况的转速比即可（参见上一期《半开放式差速器的技术优势及实践应用探讨》中的内容）。面对差速器多余的转速比，差速锁选择了直接关闭差速器。这种一刀切的方式必然带来一系列弊端，否则为什么发明差速器？差速锁原理方向上就错了，无论采用什么样的方式都很难达到理想的效果。下面我们就从结构上分析差速锁的原理及结构上的缺陷。

根据差速器图片结构，我们可以得知正常行驶时车轮之间本身就有转速差，车轮轴本身就很少与行星轮盘同步。当打滑空转发生时两车轮转速比超出正常范围，车轮与行星轮盘转速差特别大。以下为几种主要差速锁：

（1）电控与手控差速锁的工作原理是将车轮轴与行星轮盘在转速差异巨大的状况下同步。倘若结构上使用牙嵌刚性同步的方式，为避免刚性冲击就必须切断动力机构停转情况下进行，整车停滞;如果采用摩擦片柔性黏合同步的方式，必然导需要一定时间，而且经变速箱减速到达差速器的扭矩，已经放大很多倍了，结构位置也对直径有苛刻要求，所以黏合同步过程难度及完成时间远超变速箱之前的离合器，并伴随生热严重，使用寿命很短，而且是近些年才勉强做到彻底黏合同步，是传统限滑差速器的加强版。这两种工作方式的差速锁驶出打滑空转路段后因为没有转速差，脱困过程中也会造成侧滑，脱困后也会造成车辆行驶不稳定。而从差速器结构上看，驱动轴与行星轮盘本身就有巨大的减速比，所驱动轴上的扭矩就要小很多，将前后差速器通过驱动轴同步就要容易很多。这也是为什么市面上很多四驱车辆使用适时四驱的中央限滑差速器。

（2）伊顿差速锁工作原理是将行星轮盘与车轮轴转速差大小转换成转动机构的离心力，大到预定值时一个钩子自动开启同时勾住两个半轴齿轮，虽然可以做到自动松锁，但是开启方式决定必须达到一定转速差，所以避免不了剧烈的刚性冲击，承受扭矩也有限。

（3）电子差速锁是通过将打滑空转的车轮制动来实现功率向其他车轮流动，但是电子刹车盘提供的制动力难以与摩擦力瞬息万变的路面相匹配，经常因为制动力过大造成单轮刹车的效果，同样面临生热及寿命问题，脱困时侧滑现象更严重。

（4）除了差速锁之外，市场上还有蜗杆限滑差速器，也称为扭力感应差速器。它采用了不均等比例的扭矩分配方式，转速高的车轮获得的扭矩永远是固定的低比例的扭矩，只要有转速差就开始扭力不均等分配无论是否达到打滑空转的情况。优点是在平整的路面上直行时防滑效果最好，校正速度最快。缺点就是这个过于提前的扭矩比例分配能力致使它只适合用作中央差速器，如果用作车轮之间的差速器，推力大小不均等分配不但影响车辆稳定性，而且更容易造成打滑。况且分配比固定，所以达不到100：0，无法胜任苛刻的防滑要求。

以上为市场上防滑技术的汇总，种种方法，均没有在差速器基础上解决多余的转速比。转速比限定在1：1违背行驶需要，影响正常行驶所以必须在空转打滑后开启，有迟滞效应，且做不到及时退出;扭矩大小比例分配的方式却牺牲差速器推力均等功能，在需要时作用有限，不需要时却适得其反。接下来从原理结构上探讨半开放式差速器原理及结构优势：

根据差速器结构图我们得知，行星轮盘的自转等于行星轮的公转。车轮的转速取决于行星轮盘自转与行星轮自转的综合，所以V车轮=V行星轮盘±（V行星轮*传动比），左右车轮转速比计算公式为：

V行星轮方向性决定其对于不同的车轮转速呈加减作用。也就是说，（V行星轮*传动比）如果等于V行星轮盘，就可以使某个车轮停滞，控制好与V行星轮与V行星轮盘的比例范围，既行星轮的自转与公转比范围就可以使左右车轮的转速比限制在一定范围内。

半开放差速器，正是采用控制行星轮自转与公转比的方法来实现限制转速比的功能。以普通差速器为基础，在行星轮外侧同步一个传动比更大的外行星轮，并啮合自己的外半轴齿轮。外半轴齿轮与一个双向棘轮机构同步连接，通过操控同向止逆棘爪阻止外半轴齿轮逆转，迫使V外半轴齿轮≥0从而决定。

以图示機构为例，外侧行星轮传动比为1，内侧行星轮传动比为0.5，同向止逆的棘爪介入迫使V外半轴齿轮≥0，因此≤1，既≤1，当最极端的状况=1时，=3/1，因此图示结构比例的半开放式差速器转速比范围在1：3与3：1之间。

从原理结构上看，半开放式差速器在普通差速器的基础上，通过限制行星轮自转与公转比，达到转速比限制在特定范围内的作用，因此它继承了差速器这个最优秀的结构的一切优点。在转速比达到限定值时马上被限制住，车辆只是降速后便匀速，打滑空转轮转速大于等于实际需要使得它依旧在帮助脱困，脱困后马上恢复正常速度行驶。在整个脱困过程中，车辆状态为：正常车速-降档-恢复正常，正好符合恶劣路况的行驶需要，而差速锁是：正常车速-停滞-恢复正常。半开放式差速器的功能因为不影响正常行驶，所以可以提前开启或一直开启，功能在需要的时候及时作用，不需要的时候及时退出。无论是转速比、速度、还是路程曲线，半开放式差速器都有着更及时的工作过程与更柔和的运动曲线。

从图示结构参数角度分析受力，工作时外行星轮齿面承担的扭矩为内行星轮的一半，齿面厚度做到内行星轮厚度一半即可满足持续工作的需要。棘爪棘轮机构作为半开放式差速器的另一核心机构，广泛应用于日常生活中，例如自行车链轮盘、棘轮扳手都从侧面证明了棘轮机构的使用寿命及可承受扭矩，也侧面证明了半开放式差速器的反应速度、承受扭矩、使用寿命三大指标对比差速锁的优势。