1 驅(qū)動橋概述
汽車驅(qū)動橋是傳動系統(tǒng)的重要組成部分，一般位于傳動系的末端。它主要由主減速器、差速器、半軸、橋殼等組成。
驅(qū)動橋的布置形式有多種，按照分布位置的不同可分為前驅(qū)、后驅(qū)和四驅(qū)（即兩個驅(qū)動橋）。目前應(yīng)用較為廣泛的有發(fā)動機前置前輪驅(qū)動、發(fā)動機前置后輪驅(qū)動兩種。發(fā)動機前置前輪驅(qū)動是將驅(qū)動橋與變速箱連為一體，扭矩在傳遞時直接從變速箱輸入到主減速器，省去了傳動裝置。這使得整車結(jié)構(gòu)更為緊湊，乘坐舒適性好，燃油經(jīng)濟性高。發(fā)動機前置后輪驅(qū)動是一種較為傳統(tǒng)的布置形式，相比于前置前驅(qū)，驅(qū)動輪與地面有更大的附著力，因此該形式十分適合爬坡或加速啟動，而且汽車的行駛平穩(wěn)性和操縱靈活性好。此外還有發(fā)動機中置后輪驅(qū)動、發(fā)動機后置后輪驅(qū)動等等，不過應(yīng)用范圍較小。
驅(qū)動橋的功用主要有以下四點[1]：
①減速增扭，改變力矩的傳遞方向。汽車在行駛時要通過變速器來改變傳動比，輸出合適的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。但是當(dāng)變速器在最高檔位時，輸出的轉(zhuǎn)速較高，因此需要將動力經(jīng)主減速器處理，以降低轉(zhuǎn)速，增大轉(zhuǎn)矩。其次，發(fā)動機輸出的動力要經(jīng)過90°轉(zhuǎn)向才能傳給車輪，因此主減速器具有改變轉(zhuǎn)矩傳遞方向的作用。
②滿足左右車輪的差速要求，并合理分配轉(zhuǎn)矩。汽車在不平路面行駛或轉(zhuǎn)彎時，外側(cè)車輪轉(zhuǎn)速快，內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)速慢。為了滿足這一要求，差速器通過行星齒輪的自轉(zhuǎn)帶動半軸齒輪，從而實現(xiàn)差速作用。同時，差速器還能合理的分配轉(zhuǎn)矩以提高汽車通過性。
③傳遞轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動橋是一個動力傳遞機構(gòu)，其中半軸的作用就是將差速器輸出的轉(zhuǎn)矩傳到驅(qū)動車輪[2]。
④承載整車重量及傳力。驅(qū)動橋中的橋殼具有很強的剛度和強度，其承受著路面與車架之間的鉛垂力，也要承受驅(qū)動力和制動力等縱向力以及車輛轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的橫向力。
2 差速器的結(jié)構(gòu)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的動力傳給左右兩個半軸，二是起差速作用，保證車輪與地面做純滾動。
2.1 圓錐齒輪差速器的結(jié)構(gòu)分析
普通的圓錐齒輪差速器由2個半軸齒輪、行星齒輪軸（十字軸）、2-4個行星齒輪和殼體組成。動力按照主減速從動齒輪——差速器殼——行星齒輪軸——行星齒輪——半軸齒輪——半軸——驅(qū)動輪的順序傳遞。當(dāng)汽車右轉(zhuǎn)彎時，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(zhuǎn)使行星齒輪左側(cè)的圓周速度等于自轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)速度之和，右側(cè)等于自轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)速度之差，導(dǎo)致左側(cè)半軸轉(zhuǎn)速加快，右側(cè)半軸轉(zhuǎn)速減慢，保證了汽車順利過彎[3]。
差速器是一種行星齒輪機構(gòu)，由于軸向力的存在，在實際使用過程中總會出現(xiàn)差速器磨損嚴(yán)重的情況，且以黏著磨損和疲勞磨損為主，這嚴(yán)重影響了差速器的工作性能，甚至影響了整車的安全性。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，同時要選擇粗糙度低，硬度高的墊片，以減小差速器的磨損，延長使用壽命。
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為主減速器從動齒輪的轉(zhuǎn)速，由于差速器殼與主減速器從動齒輪固連在一起構(gòu)成行星齒輪架，所以ω0既為差速器殼的轉(zhuǎn)速。ω1、ω2分別為左右半軸齒輪的轉(zhuǎn)速。
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圖1 圓錐齒輪差速器的工作原理圖
①汽車在平直路面沿直線行駛。
行星齒輪帶動半軸齒輪一起，繞著半軸中心線公轉(zhuǎn)，而無自轉(zhuǎn)運動，此時ω1=ω2=ω3，差速器不起差速作用。
②汽車轉(zhuǎn)彎行駛及其他行駛情況。
差速器起差速作用時，行星齒輪不僅有繞半軸中心線的公轉(zhuǎn)，還有繞行星齒輪軸的自轉(zhuǎn)。這時行星齒輪一側(cè)的圓周速度等于自轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)速度之和，另一側(cè)等于自轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)速度之差。設(shè)行星齒輪的自轉(zhuǎn)為ω3，則外側(cè)車輪及其半軸的轉(zhuǎn)速將增高，其轉(zhuǎn)速為：
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內(nèi)側(cè)車輪及其半軸的轉(zhuǎn)速將降低，其轉(zhuǎn)速為：
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z1、z3分別為外側(cè)半軸齒輪和行星齒輪的齒數(shù)。
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驅(qū)動輪。在圖1中，F(xiàn)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(cè)會受到F/2的反作用力，其方向指向下。ΔF表示由于摩擦元件運動帶來的附加阻力。
①汽車在平直路面沿直線行駛。
當(dāng)汽車在平直路面沿直線行駛時，差速器各摩擦元件沒有相對運動，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滿足下列關(guān)系。
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②汽車轉(zhuǎn)彎行駛及其他行駛情況。
當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎行駛及其他行駛情況時，行星齒輪受到附加阻力ΔF并開始自轉(zhuǎn)，其自轉(zhuǎn)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(cè)半軸齒輪來說，其旋轉(zhuǎn)速度較快、力矩較小，
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對于內(nèi)側(cè)半軸齒輪來說，其旋轉(zhuǎn)速度較慢、力矩較大，
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M0、M1、M2滿足下列關(guān)系。
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由于普通圓錐行星齒輪差速器的內(nèi)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(zhuǎn)矩分配特性。
2.2.3 力學(xué)特性分析
差速器中的內(nèi)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(nèi)摩擦力矩統(tǒng)一用Msp表示；二是行星齒輪與滑動軸承之間，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(zhuǎn)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齒輪軸移動的趨勢。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(shè)半軸齒輪的節(jié)圓半徑為rd，行星齒輪的節(jié)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摩擦系數(shù)，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(shè)μsd是半軸齒輪與殼體間的動摩擦系數(shù)，則摩擦力為
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pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40對于內(nèi)外半軸齒輪來說有不同的表達式，等效圓周力為pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40外側(cè)齒輪表達式：
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內(nèi)側(cè)齒輪表達式：
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則外側(cè)和內(nèi)側(cè)的摩擦力矩為：
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3 差速器的性能參數(shù)分析
評價差速器的性能參數(shù)主要有鎖緊系數(shù)和轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)。
鎖緊系數(shù)是表征差速器“鎖緊”程度的物理量，目前鎖緊系數(shù)K主要有兩種表示方式，第一種是
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M1——快轉(zhuǎn)半軸上的轉(zhuǎn)矩；
M2——慢轉(zhuǎn)半軸上的轉(zhuǎn)矩。
即慢轉(zhuǎn)半軸側(cè)的轉(zhuǎn)矩與快轉(zhuǎn)半軸側(cè)的轉(zhuǎn)矩比的最大值。該表達式說明了使差速器工作的轉(zhuǎn)矩條件，左右兩側(cè)半軸轉(zhuǎn)矩相差的比值必須大于等于鎖緊系數(shù)，差速器才會工作起差速作用。值是一個大于1的數(shù)。
第二種表達方式：
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式中
ΔM——差速器的內(nèi)摩擦力矩；
M0——差速器的輸入轉(zhuǎn)矩。
即差速器的內(nèi)摩擦力矩與輸入轉(zhuǎn)矩的比值。此表達式下的 K＜1。
轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)是慢轉(zhuǎn)半軸的轉(zhuǎn)矩占總輸入轉(zhuǎn)矩的總比值，用公式表示為：
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它表征了左右轉(zhuǎn)矩的分配情況，顯然ξ＜1，一般來說，ξ值較大的差速器其鎖緊系數(shù)也較大。
鎖緊系數(shù)K和轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)ξ是評價差速器的主要性能參數(shù)，企業(yè)在生產(chǎn)汽車時，會根據(jù)車型，適用路面和客戶需求來選擇合適的差速器。一般來說，似乎鎖緊系數(shù)越大越好，但是過大的鎖緊系數(shù)會帶來一系列諸如轉(zhuǎn)向困難、行駛不穩(wěn)等問題，因此鎖緊系數(shù)應(yīng)限定在一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。對于普通圓錐齒輪差速器來說，K=1.1～1.5、ξ=0.55～0.6的取值是合適的，但是對于越野汽車等要在復(fù)雜路面行駛的車輛來說，還應(yīng)繼續(xù)提高鎖緊系數(shù)。
4 結(jié)語
本文詳細(xì)介紹了驅(qū)動橋和差速器的結(jié)構(gòu)特點；重點研究了差速器的工作原理，從差速原理、轉(zhuǎn)矩分配特性、力學(xué)特性三個方面進行了分析；在充分考慮內(nèi)摩擦因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了內(nèi)摩擦力矩的計算模型；最后分析了鎖緊系數(shù)和轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)對差速器性能的影響，為汽車選擇合適的差速器有一定的指導(dǎo)意義。
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