奥迪自锁式中央差速器结构比较与原理

2024年1月11日发(作者：长安新豹mini双排)

奥迪自锁式中央差速器结构比较与原理

奥迪车身上的“quattro”标识代表着奥迪的四驱系统，“quattro”四驱系统为奥迪取得了无数的荣耀。四驱系统的构成应该有 3 个差速器，即前后桥的 2个轮间差速器和将动力分配给前后桥的 1 个中央差速器。这 3 个差速器保证了车辆在转弯、颠簸路况以及车轮打滑等情况下的行驶安全。

奥迪的四驱系统是所有车型中最为著名也是最有特色的，根据中央差速器不同的结构形式和所应用不同动力系统的布置，到目前为止可以分为 3 大类：自锁式中央差速器、液压多片离合器式中央差速器和粘性耦合器式中央差速器。目前为止奥迪共发布了 4 种类型的自锁式中央差速器。每种类型都有各自鲜明的特点，并不是新一代产品的诞生就弃用原来的技术，每一代技术都有很长的产品寿命和很好的延续性。

A 型：托森差速器

托森差速器（Torsen）是 Gleason 公司的注册商品，来自英文单词扭矩（Torque）和感应（Sensing），从托森的概念来说意味着“扭矩差异的感应”。它有2 个重要的任务：转速的调整和动力的传递。

托森差速器根据蜗轮蜗杆传动机构的基本原理设计。差速器的结构如图 2 所示，由蜗杆带动蜗轮，能顺利的传递动力，但是驱动力由蜗轮反向带动蜗杆时，会由于轮齿的锁紧系数产生自锁。锁紧系数的大小依赖于蜗轮的螺旋角度和蜗轮传动的摩擦力大小。越陡的螺旋角度，锁紧系数越小，甚至失效。托森差速器的锁紧系统大约为 1:3。这也意味着在行驶过程中，具有较大地面附着力车轴的力矩是另一侧较小地面附着力车轴的3 倍。

当车辆的前后轴转速一致时，从变速器输出的动力经过空心轴传递到差速器壳体上，壳体将动力经过蜗轮轴传递给蜗杆和蜗轮，并且通过蜗轮将动力传递给前轴和后轴。由于 A型托森差速器将连接前后轴的蜗轮设计成大小和齿数一致，所以此时变速器输出的扭矩由差速器均匀的分配给了前轴和后轴，即每 1 端都获得了 50%的驱动力。此时在蜗杆轴上的2 个行星轮之间没有相对的转动（没有自转，只有公转）。

当发生前后轴的转速不一致时，如车辆在转向的过程中，前轴车轮要比后轴的车轮绕过更大转向半径，走的路线也更长，转速也更快，于是前后轴出现了转速差。此时，蜗杆轴上的 2 个行星轮开始相对转动，后轴驱动的蜗轮被强制慢速转动，并且将前轴的扭矩分配给了后轴。实现了前轴转速高，后轴转速低，获得更大驱动力的情况。通过这个办法，保证了车辆在转向过程中有更大的地面附着力。

极端情况下，当车辆前后轴附着力差别很大的时候，比如一个车轮在冰面上或雪地里时，当其失去地面附着力时，由于蜗轮蜗杆机构的自锁作用，托森差速器可以抑制较少附着力车轮空转，根据托森差速器设计的锁紧系数，此时较大附着力的车轴分配更多的驱动力（为较小附着力车轴的3 倍），有足够的驱动力支撑。

B 型：平行轴式托森差速器

奥迪在 90 年代初发布的 A6allroad 车型上，将托森差速器进一步升级，变成了体积更小的 B 型托森差速器。由于将蜗杆与输入输出位置平行，所以它被称作平行轴托森差速器

（Parallel-Axis-Torsen，简称 PAT）。平行轴托森差速器的结构如图3 所示，蜗杆轴平行于动力的输入输出轴。另一个显著的特点就是动力传递至前后轴所用的蜗杆分别位于相邻的 2 根蜗杆轴上，每根蜗杆轴上都有 1 个行星轮，与相邻轴上的蜗杆啮合。

该类型的差速器工作时，当前后轴没有相对的转速差时，则动力由实心轴输入，实心轴和差速器壳体的花键刚性连接，从而带动差速器壳体旋转。安装在壳体内的蜗杆轴带动蜗杆和蜗轮旋转，连接前后轴的 2

个蜗轮大小和齿数一致，所以变速器输入的扭矩被平均分配至前后轴，即

50:50的扭矩分配。

当前后轴产生转速差时，转动比较快的轴就会通过行星轮强制让另一侧的轴转的慢，也将更多的扭矩分配给转动较慢的轴，产生自动的扭矩分配。当前后轴有一侧打滑时，由于蜗轮反向带动蜗杆产生的自锁效应，强制将更多的动力分配给没有打滑那侧的车轴，从而让车辆能顺利的行驶。

奥迪在发布 Q7 和 A6 allroad 之后，又发布了第三款 SUV，Q5。该车在德国 Ingolstadt 工厂生产，沿用了很多 A4 车上的零部件，但是新一代的自锁式中央差速器却是创新之作，这种新型自锁式中央差速器的结构来源于 A6 allroad 的平行轴托森差速器，但具有非对称动态力矩分配，基本力矩分配为前桥约为 40%，后桥约为 60%。

该中央差速器的结构如图 4 所示，它的基本原理是：变速器输出的动力由实心轴输入，实心轴和驱动毂由花键连接，驱动毂连接在差速器壳体上，带动壳体旋转。壳体带动 2 个蜗杆和大、小蜗轮旋转，小蜗轮（小太阳轮）和空心轴靠花键连接将动力传递给前轴，大蜗轮（大太阳轮）和实心输出轴靠花键连接将动力传递给后轴。小蜗轮（小太阳轮）和大蜗轮（大太阳轮）分度圆直径的比值为 2:3，则前后轴分配的扭矩大小为 40:60。

由于托森差速器的自锁系数，它会产生相应的锁紧力矩，根据车辆的行驶状态，最多可以将驱动力矩的约65%传递给前桥，或将驱动力矩的约85%传递给后桥。

C 型：行星齿轮式中央差速器

奥迪第一代 Q7 车型不论在坚实的路面上还是越野行驶时，车辆的动态性能都相当出色，新开发的行星齿轮式非对称动态力矩分配中央差速器正是传动系统中的核心部件。

如图 5 所示，行星齿轮式中央差速器动力由空心轴输入，空心轴由花键和差速器壳体连接，行星齿轮架和差速器壳体用螺栓连接在一起。当前后轴无相对的转速差时，差速器壳体带动行星架旋转，在行星架上的 6 个行星齿轮公转（没有自转）。行星轮带动太阳轮旋转，并将动力传递给和太阳轮花键连接的链轮。行星轮同时驱动齿圈旋转，齿圈和驱动毂花键连接，驱动毂带动驱动轴以及法兰盘，使动力向后桥传递。此时差速器内的摩擦片之间没有轴向的压力作用，所以摩擦片不起作用，减少了机械磨损和扭矩的损失。根据设计的太阳轮和齿圈的直径大小，大致可以计算出前后轴的扭矩分配为 42:58。

当车辆过弯或前后轴转速有差异时，行星齿轮在公转的同时产生自转，于是前后轴产生差速，并且扭矩由转速高的轴向转速低的轴分配。由于行星齿轮差速器内的各个齿轮都是特定的斜齿，差速产生的驱动力矩向轴向压迫各个摩擦片，从而产生一个摩擦系数。

在车辆处于牵引模式中，摩擦力矩使齿圈和差速器壳体之间摩擦力增大，太阳轮和行星架之间的摩擦力增大，起到了锁止作用，此时前桥产生最大的扭矩分配 60%，后桥则为 40%。

在车辆处于滑行模式中，摩擦力矩使齿圈压向行星轮，太阳轮压向驱动毂和差速器壳体，当产生最大锁止力矩时，后桥产生最大力矩分配为80%，此时前桥的力矩为 20%。

锁止力矩加上基本的扭矩分配决定了前后桥上的最大扭矩分配，中央差速器对前后桥的扭矩变化作出反应，也决定了 C 型差速器是动态力矩的分配特性。

C 型差速器根据与其搭配的变速器不同，有 3 种不同轴颈长度和输入轴的输入形式，但差速器内部的行星齿轮系结构几乎没有变化，原理也基本相同。前后轴基本分配扭矩大致为 40:60。

D 型：冠状齿轮中央差速器

在 2010 年为了庆祝 quattro 发明 30 周年，德国奥迪公司推出了新一代全时四驱系统———配备冠状齿轮中央差速器。这种差速器和前代产品一样都属于自锁式中央差速器，可实现非对称的扭矩分配功能。但是冠状齿轮差速器的结构更加紧凑、体积更小巧且重量更轻。

如图 6 所示，变速器输出的扭矩通过实心轴输入差速器，与差速器壳体内的花键毂相连，花键毂和差速器外壳依靠行星轮轴刚性连接在一起。4 个行星轮轴将扭矩传至行星齿轮，行星齿轮再将扭矩传至前后桥的

2个冠状齿轮上。前桥冠状齿轮通过空心轴将动力传至前桥，后桥冠状齿轮通过与之花键连接的实心输出轴将动力传至后桥。当前后轴没有产生转速差时，行星轮不会绕行星轮轴自转，只随着差速器壳体公转，此时为冠状齿轮差速器的基本力矩分配。由于前桥冠状齿轮与后桥冠状齿轮的分度圆直径比值大约为 2:3，所以此时前后桥的基本力矩分配为 40:60，形成非对称力矩分配。

在车辆转弯或者经过道路条件不好的路面时，前后桥产生一定的转速差时，此时冠状齿轮差速器内的行星轮开始自转，前后桥便产生差速效果，并且产生动态的力矩分配，这种动力的分配可以无延迟的完成。当前桥或者后桥失去牵引力或者打滑的情况下，由于差速器内的各个齿轮形式都为斜齿，于是在行星齿轮和冠状齿轮之间就会产生一个轴向力，使得 2 个冠状齿轮分别向外压紧多片离合器，产生一个接合力矩将冠状齿轮和差速器壳体连接在一起，由此就形成了相应的锁紧作用。这个力矩的大小取决于轴向力和齿轮几何外形。

在后桥打滑且没有超过最大的锁紧力矩时，最大可将 70%的变速器输出扭矩分配给前桥。在前桥打滑且没有超过最大锁紧力矩时，最大可将85%的扭矩分配给后桥。这样的动力分配使得冠状齿轮差速器的工作范围更加宽泛。

二、综合分析

A 型托森式中央差速器，这种设计原理以高锁止效果见长，不需要制动系统的介入即可完成高效的锁止。当前后桥之间的路面条件不同时，处于良好路面上的车桥分配到的扭矩最高可达另一个车桥的 3倍之多，前后桥扭矩分配可达 25:75或 75:25。但高锁止效果的不足之处在于，前后桥之间极有可能过度张紧，由于不太大的前后桥转速差而锁止，造成“托森摩擦”，造成动力的损耗。

B 型 PAT 平行轴托森差速器，相比 A 型而言的优点在于，其平行布置蜗杆的托森结构类型以及前后桥之间较低的预张紧倾向性。随着不对称扭矩分配的 B 型中央差速器的诞生，使前后桥的动力分配更加合理有效。此时蜗轮蜗杆的自锁虽然达不到 A 型的高锁止效果，但轴向挤压垫片产生的摩擦力，很好的弥补了锁止不足。B 型同样不需要制动系统的介入即可高效的锁止。

C 型行星齿轮式中央差速器的设计，进一步的减少了差速器的零部件数量，不但减轻了分动箱的重量也减小了体积，它能搭配的变速器种类更多。C 型中央差速器的锁止只依靠斜齿挤压垫片产生的摩擦力，相应的自锁效果也更加弱，但是相应的力矩动态分配更加灵活更加迅速。在这一代的中央差速器工作过程中，需要和制动系统相互配合，来达到最佳的扭矩分配效果。

D 型冠状齿轮中央差速器的设计，使得差速器小巧而轻便，但冠状齿轮的齿面变得更大，在起分动作用时产生的侧向力也更大。和 C 型一样拥有灵活的动态力矩分配，较弱的自锁效果，需要和制动系统相互配合来完成最佳的扭矩分配。

三、总结

奥迪所用的自锁式中央差速器都应用在发动机纵置的车型上，中央差速器的安装位置是在变速器输出轴之后，并和变速器壳体包裹在一起，共用变速器油。中央差速器在工作时磨损较小，所以变速器和差速器的油液终身免维护。

奥迪的自锁式中央差速器没有装备差速锁，要想完成差速器的锁止，前提条件是前后桥之间存在转速差。但纯机械的设计存在一定的摩擦极限，不能像机械式差速锁那样实现完全的将中央差速器的前桥或者后桥连接锁止，不能达到将 100%的扭矩分配到前桥或者后桥。配备这类中央差速器的车辆，我们可以认为它们是全时四驱车。

机械式的自锁式中央差速器可以自动进行无级调节扭力分配，提高了车辆乘坐舒适性和可控性，避免了驾驶者的误操作，提高了行驶安全性。扭力调节的灵敏度也是电控差速器不能匹及的。这种全时四驱系统提高了驾驶性能，通常用作公路驾驶而不是越野。

附：运动差速器：常规差速器是内侧减速，奥迪的运动差速器是外侧加速