13DIFFERENTIALS ANDFINALDRIVES
The terms differential, transfer box and final drive are sometimes used imprecisely;in addition, these mechanisms are often integrated in the same subsystemin a wide variety of combinations. In this chapter we introduce definitions thatshould help to clarify this issue.
The differential is a mechanism that allows the torque from an input shaftto be divided into two predetermined parts, flowing through two output shafts;torque ratios are independent of the speed ratios of the same shafts.
This mechanism can be used either to divide the torque coming out of thefinal drive into equal parts acting on the traction wheels of the same axle, or todivide the torque coming out of the gearbox into two predetermined parts actingon different axles of the same vehicle. This second application is sometimes calledthe transfer box differential or central differential.
The final drive is a gear train that further reduces the speed of the gearboxoutput shaft to adapt it to the traction wheels; this gear train is usually integratedwith a differential mechanism. Under this name are sometimes included those speed reducers that are put on the transmission line after the differential final drive and integrated in the wheel hub.
The transfer box is a mechanism that provides for the movement of two or more drivelines through the single output shaft of the gearbox; it is used on vehicles with multiple traction axles. When multiple axle traction is permanent a differential is also needed to allow different mean rotation speeds on the axles; in such cases the differential train is usually integrated in the transfer box.
13.1 DIFFERENTIALS AND FINAL DRIVES
Different schemes exist according to the type of vehicle drive; in all of them the differential mechanism usually shows the same configuration.
Look at the diagrams shown in Figs. 1–3 to identify all possible configurations.
13.1.1 Rear wheel driven cars
On rear wheel driven cars final drives carry out the task of rotating the driveline axis 90 deg, from the longitudinal gearbox center line, to the transversal axle center line. In Fig. 13.1 the cross section of this subsystem is shown. Center line rotation and speed reduction are achieved through a pair of bevel gears with spiral teeth; the wheel is bolted to a hub in order to allow the easy adaptation of the same production line to different final transmission ratios.
Shafts are supported by bevel roller bearings, because the axial thrust is relevant. The differential train is made with straight teeth bevel gears, because their rotation is not continuous and their speed is low. Planetary wheels are fixed to half axles through splines, while satellites are idle on a short shaft fixed to a carrier through a pin; the bevel gear wheel of the final drive is bolted onto this carrier.
The differential assembly is a suspended, used in connection with independent suspensions: Half axles will therefore be moved through constant speed joints, as in a front wheel driven car. It should be remembered that a suspended differential casing must react to the vectorial resultant of the wheel traction torque, acting on the xz plane, and of the gearbox output torque, acting on the yz plane; for this reason the casing features a robust fixation interface, to suspend it from the car body, usually through an auxiliary frame.
Notice in the same figure the small elastic tube on the bevel pinion shaft; it allows the axial pre-load to be controlled on bevel roller bearings, compensating for axial dimension tolerance. In this application the final drive bevel gears feature hypoid teeth, becausetheir centre lines lie on different planes; this configuration allows the transmission line to be placed in a lower position with advantages for interior roominess.
Planetary wheels and satellite thrust bearings are simple wear resistant washers, because of the low relative speed.
13.1.2 Front wheel driven cars
On front wheel driven cars differential and final drive are integrated in the gearbox;the reaction torque therefore acts on the power train suspension. We canidentify two cases where the engine is transversal or longitudinal.
In the first case, shown in Fig. 13.2, the gearbox output shaft and wheelcentre lines are parallel; a pair of spur gears with helical teeth is sufficient. Thepinion is cut on the output shaft and meshes with a wheel, which in this case isalso flanged to the differential carrier.
The differential mechanism is similar to the previous. In this case planet wheel thrust bearings are made with needle cages to improve mechanical efficiency. A following paragraph will explain the influence of this mechanical efficiency on the dynamic behavior of the vehicle.
For the longitudinal engine, shown in Fig. 9.9, there are no relevant differencesin comparison with rear wheel drive; hypoid teeth are usually unnecessary.In Fig. 13.3 we see the differential assembly corresponding to the traction scheme in Fig. 1b; the bevel pinion is fixed on a very short transmission shaft that allows the front axle to be shifted in front of the gearbox output shaft end.
The driving wheel of this short shaft is a bevel gear and a simple damper for flexural vibration has been provided. This kind of architecture is necessary when front wheel overhang must be limited or when automatic epicycloidal gearboxes are used, where input and output shafts are aligned.
13.1.3 Industrial vehicles
On industrial vehicles the final drive and differential train are integrated in the same rigid structure supporting wheels and half axles, called the rigid axle (seeFig. 13.4).
Notwithstanding the increased robustness of the group, there are no noticeable differences in comparison with rear wheel driven cars: The final drive is made with bevel gea
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- 差速器和主减速器
术语差速器、变速箱和主减速器的使用有时并不精确，这些机器经常以各种各样的组合被集成在同一子系统中，本章就介绍了有助于阐明此问题的定义。
差速器是允许输入轴转矩分为预定两部分的机器，通过两个输出轴，转矩比独立于同轴速度比。
这种机构既可以把主减速器转矩划分为等份，作用在同一车轴的牵引轮上，或者把齿轮箱转矩分成两个预定部分，作用于相同或不同的车轴。第二种应用有时被称为变速箱差速器或中央差速器。
主减速器是一个齿轮系，可进一步降低齿轮箱输出轴的速度，以使其适应牵引轮，通常与差速器一起用。具有减速作用、安装在输电线路差速器上且最终集成在轮毂的机器有时都可以叫这个名字。
变速箱可通过齿轮箱的单输出轴提供两个或多个驱动线的运动，用于多牵引轴车辆。如果多轴牵引是永久性的，那么就需要一个差速器使车轴有不同的平均旋转速度，这种情况下，差速器通常集成在变速箱。
13.1差速器和主减速器
根据车辆驱动类型有不同的方案，它们的差速器配置相同。
如图1-3所示，识别所有可能配置。
13.1.1后轮驱动汽车
后轮驱动汽车的主减速器从纵向变速箱中心线至横向中心线对驱动线轴进行90度旋转，图13.1给出子系统的横截面。中心线旋转和减速通过一对螺旋齿锥齿轮实现。车轮用螺栓固定到轮毂以方便调整同一生产线适应不同传动比。
由于轴向推力是相关的，锥滚柱轴承支撑轴，差速器使用不连续转动的直齿锥齿轮，因为其速度较低。行星齿轮通过花键固定在半轴上，而钉在载体短轴上的卫星齿轮闲置，主减速器的锥齿轮固定在壳体上。
差速器组件与独立悬架结合使用：半轴因此可以通过恒定速度接头被移动，如在前轮驱动汽车中。应当记住的是，悬浮差速器壳体必须对轮牵引转矩的矢量合成作出反应，作用于xz平面；对齿轮箱输出转矩作出反应，作用于yz平面。因此壳体固定接头鲁棒性好，通常是通过辅助框架可从车身进行延展。
注意同一图中锥齿齿轮轴上的小弹性管，它使锥齿滚轴承对轴向预载荷进行控制，以弥补轴向的尺寸容差。应用的主减速器具有准双曲面齿轮，因为它们的中心线位于不同平面；此配置允许将传输线置于内部低点。
由于低相对速度，行星齿轮和卫星止推轴承只有简单的耐磨垫圈。
13.1.1前轮驱动汽车
前轮驱动汽车的差速器和主减速器集成在齿轮箱上，因此反作用力矩在动力传动悬挂系统上。我们可以识别引擎是横向还是纵向这两种情况。
在第一种情况下，如图13.2，齿轮箱输出轴和车轮中心线平行，此时一对正齿轮与螺旋齿就够了。我们可以切断输出轴上的小齿轮，转而与轮毂啮合，这种情况下小齿轮与差速器啮合。
差速器与前面类似。这种情况下，行星齿轮推力轴承可以改善机械效率。下面将对这种机械效率对车辆的动态性能的影响进行解释。
纵置发动机如图9.9所示，与后轮驱动相比没有相关的差异，通常不需要准双曲面齿轮，从图13.3中我们看到对应于图1b牵引方案的差速器组件。小锥齿轮固定在一个很短的传动轴上，使前轴在齿轮箱输出轴端的前方移动。
此短轴的驱动轮是一个小锥齿轮，提供弯曲振动的简单阻尼器。这种结构在必须限制前轮悬空或使用自动外摆线齿轮箱时很有必要，其中输入和输出轴对齐。
13.1.3工业车辆
工业车辆的主减速器和差速器集成在同一刚性结构中，支撑车轮和半轴，称为刚性轴（见图13.4）。
尽管整体稳健性增加，其与后轮驱动车相比没有显着差异：主减速器使用准曲线齿锥齿轮的，这种情况下使用与之前的方式相反的车轮偏置距以增加传动轴离地间隙。
注意右侧半轴的一个锁紧套筒，锁在改善湿滑路面启动能力方面特别有用。
想要构建越野车辆，单级减速器可能不足以获得传动比，因为传动比受所使用小锥齿轮尺寸和其定义后可切断的齿的最小数量限制。
这个问题可以通过安装一个额外的外摆线减速器来解决。这种情况下，所述差速器可以与外摆线驱动载体结合使用，其中环形齿轮固定在斜齿轮轴上。这样额外的驱动器不改变旋转方向。
限制过道地板的高度对城市公共汽车来说是非常重要的，因为地板高度和轮胎滚动半径限定小锥齿轮的最大直径。因此如图13.5所示，有必要在差速器输出轴上安装一个正齿轮减速器，因为它需要一个桥形刚性轴，其中心部分与低地面高度兼容。
倒桥结构也可以用于增加越野车离地间隙，这种情况下，将轮毂将低于半轴。
13.2全轮驱动变速箱
全轮驱动车辆的变速箱结构受两个因素制约：
bull;单周牵引的全驱动车辆的结构，参考图3中所示结构。
bull;事实上，该驱动器是永久性的（可以在任何车速使用）或非永久性（可偶尔在低速条件下于恶劣路面使用）。第一种情况下，中央差速器也是必要的，可以避免不必要的轮胎磨损以及当车轮速度不同时的其他滚动阻力；第二种情况下，可省去所述差速器。
我们认为无论是横向还是纵向引擎，动力传动系统的来源都是传统的后轮驱动车辆和前轮驱动车辆。
13.2.1修正后轮驱动车辆
所使用的架构很多，可以根据车辆的使用进行分类。比如越野车的主要目的是在肮脏湿滑路面具有良好的能动性；道路车辆的目标是卓越的稳定性和高速行驶的可控性。
越野车（图3示意图C）中，相比于发动机曲轴，传输线偏移以增加离地间隙。变速箱仅用于后轴驱动，变速箱布局设计如图13.6所示。
其他功能也都存在。事实上，变速箱输出轴解决了同步双速度范围减速的问题。减速器输出轴解决了第三轴设有小锥齿轮差速器，以允许分割两轴之间的转矩。同一图中还示意了爪形离合器，可以与前面的行星齿轮结合固定差速器，这样可以在湿滑路面以低速行驶。
曲轴与动力系统轴线之间的偏移是有益的，因为它允许在没有油槽干扰的情况下使用刚性轴悬。
这种类型的变速箱可以有一个简单的爪形离合器，而不是差速器，以便在湿滑路面低速行驶时插入前轮驱动。
对于公路车辆，原来的后轴驱动路径得以保留，利用中央差速器进行差速，并且增加一个分动器来驱动前轴。
如图13.7示例，其中到前轮轴的运动通过一惰轮给出，差速器是一种外摆线正齿轮类型，载体被固定到后轴传动轴，太阳齿轮移动到前驱动传动轴，环形齿轮由齿轮箱输出轴驱动。
多盘湿式离合器控制两轴的速度差，我们将对这个离合器的作用进行评论。
第二个离合器，图右所示，可以把前轴闲置。三种工作模式可供选择：后轮驱动、恒速全轮驱动和差速器锁全轮驱动。应当注意到所述载体包括双卫星，以允许前轴正确旋转。
采用直齿轮差速器外摆线使任何转矩的故障率排除50/50，轴负载不同时这是很有用的。任何情况下正确地控制车辆静态余量对于车辆的稳定性都很重要。
13.2.2修正前轮驱动车辆
它对于区分横向和纵向引擎可能是有用的。
最广泛使用的横向前发动机类型中，如图13.8所示，前轴差速器联接到一个简单的传动比接近1的锥齿轮传动，驱动锥齿轮被固定在前轴差速器载体上，后轴传动轴由动锥齿轮驱动。非永久全轮驱动的情况下可以用一个简单的齿式离合器移动后轴，图中没有示出。
后轮差速器组与后轮牵引驱动是相似的，永久牵引情况下，粘性耦合通常配合后轴驱动线。这个接头允许只有当前轴平均速度比后轴更大时，部分前轴可用转矩被减去。下面我们将对此接头及其工作方法进行评论。
一种自锁变速差速去可以在变速情况下进行安装，并避免粘性耦合。
纵向发动机如图13.9所示。全轮驱动看起来更简单，齿轮箱输出轴中空。轴对前差速器锥齿轮的移动由空腔转动决定，变速箱输出轴移动托森型差速器，我们将在稍后解释。此差速器的行星齿轮分别移动至前轴和后轴，差速器对两个车轴的转矩进行变速和控制。
13.3微分理论概论
本段验证了差分机械效率对转移转矩的影响，并与一个理想无摩擦的情况下相比微分相比。摩擦扭矩在不同的设备上是限定的增加，来控制输出扭矩。
13.3.1无摩擦微分
差速器是一个双向的自由机制，它可以理想化为一个黑盒子，输入轴以速度Omega;与力矩M输入；从这个黑盒子，两输出轴以速度Omega;1和Omega;2，力矩M1和M2的输出。双自由度可以是输入轴旋转角度和双输出轴的角位移差。
微分的性质必须如下：
1。这三种速度之间必须有一个关系：输出轴之间的速度差是不确定的（机制是根据这个属性命名的）
2.以一个与速度无关的恒定的比例，输入扭矩被分为2个输出扭矩。
3。输出力矩必须有相同的方向。
这些属性都是由一个外摆线齿轮所有的，有一定的规律，如图13.10。如果是普通的传动比，即具有一个自由度部件的传动比，固定载体，我们可得：
r=（Omega;2minus;Omega;）/(Omega;1minus;Omega;) (13.1)
Omega;2=Omega; r(Omega;1minus;Omega;) (13.2)
或:
Omega;2minus;Omega;1=(1minus;r)(Omega;minus;Omega;1) (13.3)
通过公式我们可以看出，双输出轴的速度差可以假设任何值。r的符号是负的，因为当载波被锁定时，其输出速度是相反的。
对于系统平衡，则有
M1 M2 = M (13.4)
如果无摩擦，则有
M1Omega;1 M2Omega;2 = MOmega; (13.5)
如果我们替换最后一个速度方程，我们得到：
M1 =minus;Mr/(1minus;r) (13.6)
M2 = M/(1minus;r) (13.7)
M1/M2=minus;r (13.8)
在这里我们可以看到，扭矩比是固定的，与速度无关。众所周知，普通传动比设置为minus;1时，普通锥齿轮差速器可以通过上面的公式；在这种情况下，输出扭矩总是等于输入扭矩。对于分动箱差速器，如果分裂比超过理想的50 / 50，这时候就要使用非minus;1的普通传动比。
13.3.2内摩擦微分
假设机械损失确实存在，并且它们可以通过机械效率的概念来表达，而这种机械效率的功率损耗与有用功率成一定的比例。
我们定义eta;是与微分相关的普通齿轮传动的机械效率；如果轴2旋转方向与力矩M2相同，这样的扭矩为输入扭矩，M1为输出转矩；在这种假设下：
M1 = minus;M2reta; (13.9)
如果 M1 为输入M2 为输出，则：
M2 = minus;M1eta;/r (13.10)
在功率流的两个不同方向下，效率eta;作为第一近似值为定值；如果Omega;不等于零，当轴2慢时第一个公式是有效，和轴2快公式二是有效的。
因此，当Omega;1 gt; Omega; gt; Omega;2，则有
M1 = reta;/（1 minus; reta;) (13.11)
M2 = M/(1minus;reta;) (13.12)
M2/M1=minus;1/reta; (13.13)
同样，当Omega;1 lt; Omega; lt; Omega;2，则有
M1 =minus;Mr/(eta;minus;r) (13.14)
M2 = Meta;/(eta;minus;r) (13.15)
M1/M2=minus;r/eta; (13.16)
如果三个速度相等，输出转矩在一定范围内是不确定的，类似的摩擦现象，如果摩擦转矩（或力）低于静态摩擦值，则无相对运动。轴的差也可以通过设置R =minus;1得到。与理想情况相反的是，如果一个车轮能承受较低的摩擦，则不发生摩擦。牵引力是由一个较低的牵引力系数，如果在上述限值范围内，车轮之间没有相对运动。
在锥齿轮差速器的情况下，我们可以参考该方案如图13.11，行星轮和恒星轮互换力。该方案是锥齿轮的三个参考平面图，因为如果他们在同一平面上，行星齿轮的绘图平面放置在卫星的上面。
根据压力角thetasym;倾斜，卫星齿面存在侧面切向力T2和T1。
但是，因为摩擦的存在，以分解力为N1和N2的方式来反对相对运动；在这个方案中我们假设：Omega;1 gt; Omega; gt; Omega;2 .
如果r是原始卫星锥的参考半径，我们可以得到卫星旋转平衡方程，摩擦角phi;，摩擦系数f，则
f = tan (phi;) ,
T1 tan (phi;) = N1 , (13.17)
T2 tan (phi;) = N2 ,
(T2 minus; T1)Rcos (thetasym;) = T1 T2 .<!--
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