最终传动和车轮传动

官方工学老师·34 页·深入(追求细节与边界)·0 次浏览·2 天前
驱动桥主减速器差速器齿轮传动

最终传动和车轮传动

看清从主减速器到轮边的完整扭矩流与工程边界

按 空格/→ 演示下一步

1 / 34 页

全部页面点击任意一页,跳回舞台从这页播放

驱动桥主减速器差速器齿轮传动

最终传动和车轮传动

看清从主减速器到轮边的完整扭矩流与工程边界

1第 1 页 · 最终传动和车轮传动

最终传动的功能

变速箱已经替我们降过好几轮转速,可功率推到轮边之前,还得再过最后一道坎。这一步不仅再降一次,还顺手解决方向问题——纵置发动机的传动轴前后走向,半轴却要横向输出。

最终再降一次速
传动比通常 3~5,与变速箱串联,总传动比可达 30~100;行星方案可在更紧凑包体内逼近这一区间
扭矩按传动比放大
理想 M_out = M_in × i,实际打 η ≈ 0.9~0.95 折扣,损耗以啮合摩擦与搅油发热形式溜走
旋转方向转 90°
纵置发动机的传动轴前后走向,经一对锥齿轮后变为横向,左右半轴再各自传到车轮
角磨机的斜齿轮组对应 →拖拉机最终传动锥齿轮副

电机纵轴高速小力→砂轮横轴低速大力,三件事一次都办了

i=ninnout=MoutMinηi = \frac{n_{in}}{n_{out}} = \frac{M_{out}}{M_{in}\cdot\eta}
2第 2 页 · 最终传动的功能

驱动桥传动路线

沿箭头方向读动力流向:从变速箱出发,经传动轴、锥齿轮副、差速器、半轴到达左右车轮。

图解渲染中…
C与小齿轮啮合,把纵向动力改为横向D齿比大于1,转速下降扭矩放大E行星齿轮结构,可让左右半轴差速
3第 3 页 · 驱动桥传动路线

主减速器的位置与作用

上一页我们走完了驱动桥的传动路线,从传动轴一路追到半轴。这一站我们停下来细看其中最关键的一环——主减速器。它藏在传动路线的中段,是整条传动链上减速力度最大的一段。

安装位置
纵置发动机驱动桥中,位于传动轴末端与差速器壳体之间,是传动链的中段枢纽
减速增扭
传动比 i₀ 多在 3~5 之间,是整车总传动比的主要承担者
改变传递方向
纵置布局靠锥齿轮副实现约 90° 换向;横置发动机常省去此环节
锥齿轮副结构
主动小齿轮+从动大齿轮;可选螺旋锥齿轮或双曲面齿轮,后者允许更大偏置
千斤顶的手柄对应 →主减速器的减速增扭

千斤顶用长手柄换起千斤重物;主减速器用高转速换出大扭矩,都是'距离/速度换力'

i0=n1n2=Z2Z1i_0 = \frac{n_1}{n_2} = \frac{Z_2}{Z_1}
4第 4 页 · 主减速器的位置与作用

主减速器基本结构

从中心向外看,主减速器由三大件组成。先认零件,再看它们如何配合。

图解渲染中…
a1小锥形齿轮,输入端连传动轴,主动旋转a2大冠齿轮,与主动齿轮啮合,输出减速增扭a3承载从动齿轮和差速器总成的壳体
5第 5 页 · 主减速器基本结构

主减速器齿轮类型

锥齿轮副与圆柱齿轮副的应用

主减速器齿轮类型
锥齿轮副与圆柱齿轮副的应用
6第 6 页 · 主减速器齿轮类型

单级vs双级主减速器

同样是主减速器,卡车用两对齿轮而轿车只用一对——传动比不够时,怎么"加级"是工程师的关键抉择。

单级主减速器
  • 结构:一对锥齿轮(主动+从动)
  • 传动比:一般 3~5,受齿轮外径限制
  • 传动链短,效率高、噪声低
  • 适用:轿车、SUV、轻型商用车
双级主减速器
  • 结构:锥齿轮 + 圆柱齿轮(两对串联)
  • 传动比:可达 7~12,两级减速比相乘
  • 轴向尺寸大,结构复杂、制造成本高
  • 适用:重型卡车、大型客车、工程车
传动比需求 ≤5、空间紧凑优先选单级;需要 ≥7 的大传动比必须用双级。
7第 7 页 · 单级vs双级主减速器

单级主减速器详解

单级主减速器靠一对锥齿轮把动力拐弯再降速放大扭矩,整个过程分五步看清。

1
动力传入主动齿
输入轴直接驱动小锥齿轮,转速高、扭矩小,是传递起点
2
齿面啮合推力
螺旋齿面沿啮合线滑移推动大齿轮,齿数差决定降速幅度
3
方向偏转90°
锥齿轮副天然把纵向旋转转为横向,恰好对接半轴与差速器
4
降速放扭
从动齿数远多于主动齿,转速下降而扭矩按齿数比等比放大
5
速比 i=Z₂/Z₁
速比等于从动齿数除以主动齿数,也等于主动转速除以从动转速
8第 8 页 · 单级主减速器详解

双级主减速器详解

双级主减速器靠两对齿轮接力,把扭矩放大到单级做不到的水平。

1
锥齿轮副首级
主动锥齿带动从动锥齿,转向转 90° 并完成第一级减速
2
中间轴过渡
从动锥齿与中间轴做成一体,把动力横向传到下一级
3
圆柱齿轮副次级
中间轴小齿轮带动大齿轮,继续放大扭矩
4
集成差速器壳
大齿轮与差速器壳一体,带动半轴输出动力
9第 9 页 · 双级主减速器详解

行星齿轮减速器

看齿轮分流:动力从太阳轮进入行星轮组,齿圈固定就减速,齿圈放转就脱开。

图解渲染中…
E内齿圈是行星齿轮的关键控制点,锁住还是放转决定两种工作模式F行星架作为输出端,带动车轮获得大减速比,传动比通常3-5G齿圈自由时三元件一起空转,车轮脱开动力,相当于机械式空挡
10第 10 页 · 行星齿轮减速器

主减速器的支承方式

上一页拆完双级主减速器的齿轮啮合,这一页回到轴本身:它在桥壳里怎么'站'?是两侧都托住,还是一端悬空?这就引出跨置式与悬置式两种支承方式。

跨置式支承
环形齿轮由两侧轴承夹持,刚性高、承载强
悬置式支承
环形齿轮仅一端支承,另一端悬臂伸出
结构特点对比
跨置式轴向尺寸大、轴承数多;悬置式轴向紧凑、零件少
适用工况
跨置式见于重载与工程机械桥;悬置式多用于轿车与轻型桥
阳台从墙体一侧悬挑对应 →悬置式支承的环形齿轮

齿轮像阳台一样从轴承端伸出,受弯矩大、易变形,正好解释悬置式为何承载受限

11第 11 页 · 主减速器的支承方式

主减速器的调整

主减速器调整分三阶段:轴承预紧→啮合调整→复检锁紧,每步都关系噪声与寿命。

1
预紧主动锥齿轮轴承
用垫片或螺母压紧主动齿轮两端轴承,使其转动有适度阻力矩
2
预紧从动锥齿轮轴承
调整差速器壳两侧轴承盖垫片,使从动齿轮转动平稳无轴向窜动
3
检查齿面接触斑点
在齿面上涂红丹粉转动齿轮,检查接触区位置和大小是否居中
4
调整啮合位置与齿隙
通过增减垫片移动齿轮,将接触区调到齿面中部并符合齿隙要求
5
复检并锁紧调整件
复测预紧力和接触斑点合格后,拧紧锁紧螺母和轴承盖螺栓
12第 12 页 · 主减速器的调整

差速器的功用

汽车向左转,左轮走的弧线比右轮短——如果左右轮被一根硬轴绑死,要么左轮打滑,要么右轮拖行。差速器的任务,就是把'能转弯'这件事从'硬连接'手里解放出来。

转弯带来的矛盾
外侧轮走的弧长大于内侧轮,硬连接必然导致一侧边滚边滑
核心功用
允许左右半轴以不同转速转动,同时把扭矩传给两侧车轮
扭矩按需分配
左右轮阻力不等时,差速器自动把更多扭矩分给阻力小的一侧
固有弱点
一侧车轮失去附着力,扭矩几乎全流到打滑轮,车辆反而走不了
两人抬长杆过弯对应 →差速器自动调速

内侧人自然慢步、外侧人快步,杆才不会卡住或被扭断

nL+nR=2nH(左、右半轴转速之和恒等于两倍差速器壳转速)n_L + n_R = 2\,n_H \quad (\text{左、右半轴转速之和恒等于两倍差速器壳转速})
13第 13 页 · 差速器的功用

差速器工作原理

从动力输入到左右车轮,看差速器如何自动分配转速

图解渲染中…
c1行星齿轮,既随壳公转,又可绕自身轴自转e1路况决定差速器走哪条分支f1齿轮与左右半轴齿轮无相对运动f2齿轮分割扭矩,形成左右转速差
14第 14 页 · 差速器工作原理

差速器结构组成

从差速器壳出发,沿箭头看零件嵌套与啮合关系,半轴齿轮是动力输出口。

图解渲染中…
a2十字轴固定在壳上,是行星齿轮的支承轴a3行星齿轮空套在十字轴上,可自由自转a4半轴齿轮空套在壳内,通过花键驱动半轴
15第 15 页 · 差速器结构组成

差速器运动特性

n左+n右=2n壳的数学推导

差速器运动特性
n左+n右=2n壳的数学推导
16第 16 页 · 差速器运动特性

差速特性数值实例

给一组具体转弯数据,按差速原理算出左右轮转速,并验证平均转速不变。

图解渲染中…
AR=4 m(转弯半径)、T=2 m(轮距)、ω₀=1 rad/s(车桥平均角速度)Br左=R−T/2=3 m;r右=R+T/2=5 mC由 v=ωr 得 ω左=0.75、ω右=1.25 rad/sEΔω=ω右−ω左=0.5 rad/s,即外轮比内轮多转的部分
17第 17 页 · 差速特性数值实例

普通差速器的局限

差速器的「等扭矩」天性,在一侧车轮打滑时反而成了致命弱点。

正常附着路面
  • 两轮扭矩相等,行驶顺畅
  • 满足转弯差速需求
  • 直线行驶稳定可靠
  • 动力有效传递到地面
一侧车轮打滑
  • 扭矩全涌向打滑轮
  • 好路面轮扭矩归零
  • 车辆原地空转无法前进
  • 发动机功率白白浪费
普通差速器无法适应左右附着力差异,这是结构原理的固有缺陷。
18第 18 页 · 普通差速器的局限

限滑差速器概述

上一节我们看到普通差速器有个悖论——一侧打滑时扭矩反而全跑向打滑轮,附着力大的车轮却分不到动力。本节看工程师怎么破局:从「限制滑转」入手,把附着率往上推。

普通差速器困境
打滑轮吸走全部扭矩,车辆陷入越滑越没动力的死循环
限滑核心思路
在差速器内引入可控摩擦,主动钳制两侧转速差
滑转率与附着系数
附着系数随滑转率先升后降,存在明显峰值区间
限滑的根本目的
把滑转率压到峰值附近,最大化有效驱动力
自行车链条松了空蹬对应 →普通差速器打滑空转

链条松=白蹬不走;限滑=加张紧轮,扭矩真传到后轮

ηa=FxNμpeak\eta_a = \frac{F_x}{N \cdot \mu_{peak}}
19第 19 页 · 限滑差速器概述

扭矩敏感型LSD结构

两条支路汇合:预紧弹簧常闭提供基础锁止,速差触发额外压紧,最终共同抑制打滑。

图解渲染中…
P装在差速器壳与压盘之间,始终向压盘施压B压盘与半轴齿轮之间的多片摩擦副,靠压紧力产生扭矩U行星齿轮自转时端头凸起轴向推挤压盘Q同时承受弹簧预紧和齿轮推挤两种轴向力
20第 20 页 · 扭矩敏感型LSD结构

托森差速器原理

实线是扭矩正常流向,虚线是自锁阻断的反向路径。

图解渲染中…
a3蜗杆-蜗轮副,靠啮合角小于摩擦角实现自锁a1来自主减速器环齿轮
21第 21 页 · 托森差速器原理

轴间vs轮间托森

名字一样,位置不同功能就不同——中央管前后桥,轮间管左右轮。

中央托森
  • 装在前后驱动桥之间
  • 分配前后桥扭矩比例
  • 用于全时四驱车型
  • 解决前后桥转速差
轮间托森
  • 装在同一桥左右轮之间
  • 限滑并分配左右轮扭矩
  • 用于高性能或越野车桥
  • 解决单轮打滑丢扭矩
看装在哪两个对象之间:前后桥之间选中央托森,左右轮之间选轮间托森。
22第 22 页 · 轴间vs轮间托森

冠齿型限滑差速器

从差速器壳出发看两条路径:上为离合器组+冠齿轮,下为行星齿轮差速,两路在半轴齿轮汇合。

图解渲染中…
a2外片,花键连差速器壳a3内片,与冠齿轮花键连接a4锥齿轮,啮合半轴齿轮a7十字轴,支撑行星齿轮
23第 23 页 · 冠齿型限滑差速器

限滑差速器类型对比

两类LSD的触发逻辑完全不同:靠「力」还是靠「转速」来决定锁止时机,是分类的根本依据。

扭矩敏感型
  • 触发信号:左右半轴的扭矩差
  • 响应特性:扭矩一出现就锁止,几乎无延迟
  • 典型结构:摩擦片、蜗轮蜗杆、冠齿
  • 典型场景:高性能轿跑、硬派越野
速度敏感型
  • 触发信号:左右半轴的转速差
  • 响应特性:靠流体或凸轮渐进介入,有延迟
  • 典型结构:粘性耦合器、凸轮机构
  • 典型场景:城市SUV、适时四驱
扭矩敏感型响应直接、可预知,是性能车与硬派越野主流;速度敏感型仅在追求日常平顺的家用AWD中保留优势。
24第 24 页 · 限滑差速器类型对比

半轴的功能与类型

前面几页我们围绕差速器讲了扭矩分配和限滑结构。但差速器输出的扭矩怎么送到轮毂?这就要靠半轴——驱动桥传动的'最后一段'。

功能定位
差速器输出的扭矩经半轴传到车轮,是驱动桥传动的最后一段
全浮式半轴
只传递扭矩;车轮的垂直、侧向、纵向载荷全部由两列轮毂轴承承担
半浮式半轴
既传扭矩又支撑车轮全部载荷,半轴承受弯矩,结构更紧凑
3/4浮式半轴
外端轴承分担轴向力,半轴仍承弯矩,介于全浮与半浮之间
选型逻辑
非独立悬架重载车多用全浮;独立悬架乘用车多用半浮或3/4浮
工厂分工对应 →半轴三种承载方式

全浮=专人专岗(半轴只传扭、轴承承重);半浮=一人多岗(半轴又传扭又承重);3/4浮介于两者间

25第 25 页 · 半轴的功能与类型

固定式vs摆动式半轴

半轴形式由悬架结构决定——整体桥用固定式,独立悬架用摆动式,差异就在"能不能摆动"四字。

固定式半轴
  • 适用非断开式驱动桥
  • 半轴与桥壳无相对运动
  • 整体随车桥一起定位
  • 不需要万向节补偿
摆动式半轴
  • 适用断开式驱动桥
  • 半轴可相对主减速器摆动
  • 随悬架跳动改变角度
  • 必须配等速万向节
选哪种看桥壳断没断:非断开→固定式(简单可靠);断开→摆动式(必须配等速万向节补偿跳动)。
26第 26 页 · 固定式vs摆动式半轴

轮边减速器

动力流向图:半轴进、车轮出,重点看齿圈被锁死这一步

图解渲染中…
a3三个行星轮沿圆周均布,自转同时公转a4齿圈用螺栓固在减速器壳体上,禁止转动a5行星架是减速器唯一的对外输出端
27第 27 页 · 轮边减速器

常见驱动桥类型

三种桥,三种取舍:非断开求承载,断开求舒适,断口求离地间隙。

图解渲染中…
a3整桥刚性,载货车首选,离地间隙低b3两侧独立跳动,轿车首选,结构复杂c2断口桥灵魂:轮心高于半轴轴线c3离地间隙最大,越野车/军车采用
28第 28 页 · 常见驱动桥类型

驱动桥解剖图

沿扭矩流向从左读到右,每框是一段部件组,箭头表示扭矩传递方向。

图解渲染中…
a2从动锥齿与差速器壳一体,随其一起转a4差速器行星齿轮,公转同时可自转a10齿圈固定在桥壳上不转动
29第 29 页 · 驱动桥解剖图

主减速器装配关系

从主动轴到从动齿,看主减速器核心装配关系

图解渲染中…
A1小锥齿,与轴常做成一体或压装B大锥齿,减速增扭的核心C1承受轴向力并定位主动轴E增减片数调整轴承预紧
30第 30 页 · 主减速器装配关系

差速器装配关系

自上而下读图,看差速器各零件的安装层级与齿轮啮合关系。

图解渲染中…
S两根十字轴互相垂直90°安装P行星齿轮空套在十字轴上可自转G1半轴齿轮通过花键与半轴相连
31第 31 页 · 差速器装配关系

知识要点回顾

  • 主减速器本质是减速增扭:单级够用则单级,大比值时上双级或行星
  • 普通差速器"差速不差扭",代价是单轮打滑即丧失驱动力
  • 各类LSD都是"允许差速"与"锁止传扭"之间的工程折中
  • 半轴形式与轮边减速的有无,由载重等级和整车布置共同决定
延伸主题:四驱系统中央差速器选型主减速器润滑与齿轮失效模式差速锁的触发逻辑与场景
32第 32 页 · 知识要点回顾

自测题

检验对主减速器和差速器的理解

自测题
检验对主减速器和差速器的理解
33第 33 页 · 自测题

课后思考

先合上笔记,独自想 30 秒,再对照参考答案找差距。

1为什么普通差速器允许左右车轮以不同转速转动,却始终把扭矩平均分配给两边?

参考答案提示:行星齿轮同时做两种运动——绕半轴公转推动整车前进,绕自身轴自转补偿转速差。两侧阻力相同时,公转力矩对称相等,故扭矩被严格平均分配。

2在越野脱困场景中,托森差速器和摩擦片式LSD各有什么优势与代价?

参考答案提示:托森靠蜗轮蜗杆纯机械自锁,响应快、免维护、耐久;摩擦片靠摩擦力矩,长时高负荷易热衰减、需冷却与保养,但锁止率可调、制造成本低。

3如果去掉机械差速器,改用两台电机分别驱动左右半轴,原本由差速器承担的功能该由什么替代?

参考答案提示:差速可由左右电机转速差直接实现(电子差速);扭矩分配由整车控制器(VCU)按算法主动完成。省去整套机械差速器,但极度依赖传感器精度与软件可靠性。

34第 34 页 · 课后思考