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具扭力調控之差速器技術研究

刊登日期：2021/09/01

摘要

在汽車產業中，差速器為傳動關鍵零組件之一，一般開放式差速器的機構限制，遇到結冰、泥地或水灘等摩擦力較低的路面，會發生打滑及動力損失的情況。本研究開發目標為重型載具底盤傳動扭力調配系統，此技術同時可提供傳動鏈限滑差速以及100%扭力鎖定功能，並以電控配合機構手段，無須人員操作調整，兼具高速動態穩定以及越野全扭力傳遞特性，增加安全可靠度以及降低失誤率。本研究透過機構設計、數值分析、ADAMS動態分析、ABAQUS應力分析、雛型機功能驗證，建立具扭力調控之差速器技術。

Abstract

In automotive industry, differentials are the key components of the transmission. Due to restrictions of the general open differential mechanism, when encountering icy, muddy, watery or other low friction surface conditions of the road, it could cause the vehicle to slip and loss power. The goal of this research is to develop a transmission with torque adjustable system for the heavy-duty chassis. This technology can also provide the transmission chain with limited slip differential LSD (limited-slip differential) and 100% torque lock function. Through the automatic electronic control method, operator adjustment is unnecessary. It has not only the characteristics of high-speed dynamic stability, off-road full torque transmission, higher safety and reliability, but also with lower error rate. In this study, the differential technology with torque adjustable function is established and its Prototype being verified through mechanism design, numerical analysis, ADAMS dynamic analysis and ABAQUS stress analysis.

前言
汽車是不可或缺的移動工具，透過傳動系統將動力輸出，帶動車輛前進。在車輛的動力傳動系統之演進過程中，最早是以實軸（Spool）連接左右輪軸並且傳達動力，因此兩者會同步運動。但當汽車轉向時，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，但因實軸的限制，兩側車輪無法以不同轉速旋轉，車輛過彎時輪胎將造成磨耗與打滑。
為了解決此一問題，工程師發展出了差速器(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。一般開放式差速器的機構限制，遇到結冰、泥地或水灘等摩擦力較低的路面，其中一輪摩擦力過低而開始打滑，全部的動力會傳送到該打滑側的車輪上，使得打滑一側的車輪飛快旋轉，而另一側車輪失去驅動力。
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(Limited-slip differential，LSD)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)[1]，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。無論是機械式或者電子式限滑差速器，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。
本研究開發目標為重型載具底盤傳動扭力調配系統，此技術同時可提供傳動鏈限滑差速以及100%扭力鎖定性能，並以電控配合機構手段，無須人員操作調整，兼具高速動態穩定以及越野全扭力傳遞特性，增加安全可靠度以及降低失誤率。
具扭力調控之差速器技術研究
本研究分成三個部分，第一部分為機構原理開始說明，介紹如何將現滑差速器結合電磁鎖定機構，並針對做動方式，進行動力流的說明。第二部分為模擬分析，利用ADAMS及ABAQUS分別對鎖定式限滑差速器進行動態及靜態上的分析。最後是製造出雛型樣機，進行扭力調控測試，驗證此機構具有限滑以及完全鎖定的兩種功能。
1.機構原理
圖1為具扭力調控之差速器(以下簡稱ELSD)之示意圖，以多板摩擦式限滑差速器(Clutch-type Limited Slip Differentials)[1]為基礎，加上設計之可鎖定機構，達成具有限滑即鎖定效果的差速器。從圖1中可看出ELSD之零件組成，一般多板摩擦式限滑差速器之零件可分為一對促動器座 (Actuator Housing,標示1) 、四個小齒輪 (Pinion Gear,之標示2) 與兩個支架軸 (Spider Shaft, 標示3)、左右各一個傘齒輪 (Side Gear, 標示4)、左右各兩組反應板 (Reaction Plate, 標示5) 與摩擦片 (Friction Plate, 標示6) ，以及左右各一組擋片 (Baffle, 標示7) ，加上可鎖定的機構包括一個電磁鐵(Electromagnet, 標示a)、一個ELOCK凸輪板(ELOCK Face Cam, 標示b)、四個作用板推桿(Pushrod, 標示c)、一個作用板(Acting Plate, 標示d)、一組波型彈簧(Wave Spring, 標示e)，以及一個傘齒輪凸輪板(Side Gear Face Cam, 標示f)，固定於機殼 (Case Housing, 標示8) 與機蓋 (Case Cover, 標示9)之中。

圖1 機構示意圖

差速鎖定步驟一：當左右輪轉速差較小時鎖定機構不會啟動，差速器只具有限滑的效果。此時鎖定機構中的作用板和作用板推桿因和機殼的鍵槽相連，會與機殼有相同轉速，並帶動ELOCK凸輪板一起轉動。當偵測到左右輪轉速差過大時電磁鐵會啟動將ELOCK凸輪板吸住不轉動，但作用板推桿仍需轉動，因此會沿著ELOCK凸輪板的斜面上升，並且將作用板頂往傘齒輪凸輪板的方向，如圖2(a)。