摩擦片式限滑差速器設計參數分析與測試

前言
車輛透過傳動系統將動力輸出，帶動車輛前進。當汽車轉向時，內、外側輪因為不同的行進軌跡，內側與外側輪必須以不同的轉速過彎，工程師因此發展出了差速器(Differential)，透過差速器中的差速小齒輪，讓內外側輪的轉速在轉向時可以不同，減少打滑磨耗的產生。差速器擁有二自由度，此特性讓左右輪可以有不同的轉速，使車輛轉向時輪胎打滑的情況大幅減少，降低能量損失。但當遇到摩擦力較差之路面時，如果其中一輪摩擦力過低而開始打滑，因差速器之機構特性，全部的動力會傳送到那個打滑側的車輪上，使得打滑一側的車輪飛快旋轉，而另一側車輪失去驅動力[1]。
為了解決差速器遇打滑時之問題，性質介於開放式差速器和實軸之間的限滑差速器便被發明出來，德國ZF公司在1935年研發出限滑差速器，此機構利用摩擦元件限制左右輪之轉速差，於打滑時自鎖。
Dana公司在2004年發展了電子式限滑差速器(Electronically Controlled Limited-slip Differential, ELSD)[2]，有別於機械式限滑差速器於裝設時即決定限滑鎖定之條件，採用可控之離合器能夠即時調整鎖定條件。無論是機械式或電子式限滑差速器，都是將高速輪的扭矩經由差速器內部的機構傳遞至低速輪，以達到限制高速輪轉速的效果。
本文章將主要針對機械式限滑差速器中的多板摩擦式限滑差速器進行深入分析與設計參數探討，並以實驗數據進行對照。
限滑差速器
常見的限滑差速器有三種，分別為：扭矩感應型、轉速感應型以及電控機械型，本節會介紹這幾種限滑差速器的差異特性以及其限滑的原理和效果。
1. 扭矩感應型限滑差速器
扭矩感應型限滑差速器是利用摩擦元件增加差速器的內摩擦係數，其限滑扭矩與輸入扭矩呈正相關。又可分為齒輪式以及多板摩擦式。
齒輪式是由複數個齒輪所組成，僅依靠齒面間或差速器殼間的摩擦力達到限滑效果。其限滑力雖不及上述多板摩擦式限滑差速器，但保養和維護難度較低，與開放式差速器相同。
常見的齒輪式限滑差速器包含托森式 (Torsen) 限滑差速器、Helical限滑差速器[、Quaife限滑差速器及Detroit Truetrac限滑差速器。其中Helical限滑差速器是托森式限滑差速器的一種變形。
托森式限滑差速器多使用蝸輪蝸桿搭配以代替摩擦式限滑差速器中離合器片或錐形齒輪的功能。較常見的托森式限滑差速器的有三種，托森式限滑差速器機構中包含左右兩組蝸輪和蝸桿。當扭矩單方面地自蝸輪蝸輪端傳送到蝸桿端時，機構便能差速鎖止，達到限滑的目的。
Type-A使用了蝸桿蝸輪機構，用有較高的扭矩分配性能，屬於高扭矩分配值（Torque bias）以及限滑比（Locking ratio）的齒輪式限滑差速器。多用於後輪驅動的賽車後軸，可以提升高速轉向以及越野行駛性能。Type-B則是使用了螺旋齒輪，在低扭矩的時候也擁有良好的扭矩分配性能，能夠更為及時地應對路面的變化，前後軸皆適合裝設，又稱為Helical限滑差速器。Type-C採用了行星齒輪機構，達到縮減體積以及輕量化的效果。多作為四輪驅動車輛的中央差速器使用，藉由適當地分配前後軸的扭矩，可以得到更安定的操縱性能。
齒輪式限滑差速器和多板摩擦式限滑差速器相較，由於不是靠兩軸的轉速差來控制扭矩分配，因此反應時間上幾乎沒有延遲。不若黏性耦合式限滑差速器或者多板摩擦式限滑差速器有預壓造成的摩擦力，不會拘束輸出入軸間相對轉速。並且因為不須使用特殊的潤滑油或者黏性流體，對於溫度的安定性也較高[4]。
另一方面，多板摩擦式限滑差速器，常稱為機械式限滑差速器。其內部藏有多片離合片與摩擦片，可以提供較大的限滑力。然而由於一般行駛在公路上的自駕車並不需要太大的限滑比，限滑力又來自摩擦片的摩擦力，需要使用特殊的潤滑劑，保養也較為頻繁和繁瑣，如今多用於競技用車以及特殊車輛或者重型車輛上。
依照油門開啟及關閉時對應的凸輪角度，又可將多板摩擦式限滑差速器分為1way、2way及1.5way三類。1way指的是只有加速時具有限滑功能的限滑差速器；2way則是無論加減速都具有同等限滑力的限滑差速器；1.5way則泛指減速時較加速時限滑力弱的所有限滑差速器。
2. 轉速感應型限滑差速器
黏性耦合（Viscous coupling，縮寫為VC）限滑差速器為最常見的轉速感應型限滑差速器之一。黏性耦合式限滑差速器是將差速用齒輪及離合片封入充滿矽基油的容器中，利用差速時矽基油受熱膨脹將離合片以矽基油「黏合」使摩擦，以達到鎖定兩側驅動軸的目的。
雖然構造簡單而常用於適時型四輪驅動車，由於黏性耦合式限滑差速器是藉由矽基油的熱膨脹達成的，溫度的安定性較低。且若一直處於轉速差較大的情況下，可能導致humping，使得金屬離合片間直接摩擦，產生嚴重的磨耗。