差速器技術發展與應用

摘要

在汽車產業中，差速器為傳動關鍵零組件之一，透過差速器的應用，得以讓車輛順利過彎以及分配各輪扭矩，增進拖曳力。本文中介紹差速器原理以及技術發展，且由於差速器本身的物理特性，在摩擦力較差之路面(如結冰、泥巴地、青苔、水漂)容易發生打滑、動力耗損的情形，因而發展出進階差速器，例如多樣的限滑差速器，包含離合式限滑差速器、主動式限滑差速器、托森式限滑差速器、差速器鎖、扭矩分配差速器及常見的電控電子差速鎖系統，解說其運作原理以及其在不同路況、車種之應用。

In automotive industry, differential mechanism is one of the key components in vehicle driveline. The application of differential enables the wheels to corner at different rotational speed, and distributes driving torque between each wheels at the same time. This article introduces the theory and development of differential mechanism. Due to the mechanism constraints, differential will cause wheel slipping and power loss when vehicle driving on low-friction road condition, like iced, muddy, mossy, hydroplaning terrains. Therefore, several types of differential are invented to overcome these disadvantages, such as clutch-based active/passive limited-slip differential (LSD), locking differential, Torsen LSD, torque vectoring differential (TVD) and electronic differential system (EDS). The working principle and application of these types of LSD are introduced in this article.

關鍵詞

差速器、車輛傳動技術、扭矩分配差速器

Differential, Vehicle transmission techniques, Torque vectoring differential  

前言

汽車是人類重要的移動工具，透過傳動系統將動力輸出至車輪以及地面，帶動車輛前進。在轉向時，由於車輛內外輪有著不同的迴轉半徑，兩輪行走的距離必不相同。在最早的實軸系統，兩側車輪有轉速保持相同的缺點，當車輛需要較靈活的轉向時，兩側共同的轉速造成運動學上的矛盾，造成轉向不易且容易造成輪胎打滑及磨損。為使車輛能順利轉向，並自動調整內外輪轉速及分配內外側車輪扭力，需要透過內外側輪動力分配系統達成，最常見的動力分配系統即為差速器(Differential)。最早的差速器應用在中國的指南車上，解決了實軸上兩輪速度相同過彎的缺點，允許內外側車輪以不同速度前進。到了1827年，差速器首次被應用在擁有自主推力的車輛上[1]，使得車輛過彎更平順。但由於差速器中齒輪對的物理限制，透過計算可得知差速器分配於兩側輸出輪端扭力總是相等[2]。在一般路面行駛下並無問題，但在較差的路況下行駛時，一側打滑、一側有磨擦力的條件下，打滑側的車輪轉速將逐漸提升，致使動力往轉速快的打滑側車輪輸送，而磨擦力較佳的一側則會失去動力，降低車輛的拖曳力及循跡性。為了解決這樣的缺點，進階的差速器如限滑差速器(LSD)、差速器鎖、托森式限滑差速器、電子差速器鎖系統(EDS)以及扭矩分配差速器(TVD)因應而生。

限滑差速器的發明，透過摩擦元件限制轉速差，讓未打滑側車輪仍可獲得足夠的驅動力，但其限滑性能及扭力導引的效果在機構及預載設計時即已決定，無法依照需求做調整。2004年，DANA公司發展了電子式限滑差速器(Electronically Controlled Limited-slip Differential, ELSD) [3]，採用可控的離合器，在單輪打滑下，導引扭力至未打滑輪，解決差速器先天物理限制。但由於離合器的特性，在轉彎時扭矩傳遞只能從轉速較高的外側傳到轉速較低的內側，內側扭矩的增加會造成車輛出現轉向不足的情況，而直線前進時，則因兩側車輪不存在轉速差，因而無法調整兩輪扭力輸出。

而近年來的扭矩分配差速器(Torque Vectoring Differential, TVD)的發展，則解決了以上扭矩分配的問題，可依駕駛情況調整內外側車輪之扭力分配，解決差速器失控的狀況，亦可控制轉向時的車身動態，提升安全性。目前市面上已有些車廠將TVD量產並配置於市售車中，如三菱汽車的主動偏擺控制(Active Yaw Control, AYC)系統[4]，但由於TVD結構複雜、製造成本高，目前尚未普及至一般車輛上。

差速器原理

參考黃靖雄[5]之一般差速器構造，如圖 2，兩個差速小齒輪與兩個與傳動半軸相接的左邊齒輪、右邊齒輪一起配置於差速器殼內，並相互嚙合在一起。當車輛直線前進時，兩側齒輪轉速相同，差速小齒輪不發生相對運動；而當車輛過彎時，差速小齒轉動，使左右兩側齒輪速度不同。

圖 1 一般差速器構造 [5]

差速器為二自由度系統，參考 Genta, et al.[2]的分析方式，將其視為等效的行星齒輪系統，如圖2所示。

圖 2 與差速器等效之二自由度行星齒輪系統