• 1为什么汽车需要差速器？
• 2差速器的设计

2.1第一步 – 通过销和可自由旋转的杆驱动分离的轴

2.2第二步 – 通过多个销和可自由旋转的杆驱动轴

2.3第三步——用锥齿轮替换销和杆

2.4第 4 步 – 通过其他锥齿轮驱动轴

2.5第五步——锥齿轮对称布置以避免弯曲应力

• 3差速器的运动学
• 4差速器作为行星齿轮箱的特例

为什么汽车需要差速器？

在汽车中，车轮通常由发动机使用锥齿轮驱动。这允许从发动机到车轮的旋转运动偏转 90°。但是，如果车轮通过共用轴刚性连接，则在转弯时会出现问题。在这种情况下，外轮必须比内轮行驶更大的距离。但是，由于两个轮子必须同时绕圈行驶，因此外轮必须比内轮旋转得更快。

图：转弯时的轴扭转

如果两个轮子通过一个共同的轴连接，轴会由于不同的转速而扭曲。迟早，这种扭曲会通过其中一个车轮的打滑得到补偿。这种弯道滑移不仅会降低驾驶安全性，还会导致轮胎严重磨损，从长远来看，还会导致轴断裂。

动画：转弯时传动轴的扭转

动画：转动时传动轴的扭转（特写）

过弯时，外轮必须比内轮转得快！

出于这个原因，在早期，只有一个轮子被驱动。另一个轮子自由地安装在轴上，以便它可以以不同的速度旋转。然而，这种单向驾驶导致车辆试图驾驶轻微弯道的事实。这不仅降低了驾驶乐趣，而且降低了驾驶安全性。因此，有必要找到一种解决方案来同时驱动两个车轮，同时允许不同的速度：差速齿轮诞生了。

动画：差速器的操作

下图是一辆卡车的差速器。可以看到小齿轮（在上面的动画中显示为黄色）和锥齿轮（在上面的动画中显示为橙色）。其他锥齿轮在外壳内部，从外面看不到。

图：卡车的差速器

差速器的设计

差速器的设计和工作原理乍一看并不容易理解。主要问题是如何提出这样的齿轮布置。为简单起见，首先了解差速齿轮概念背后的各个步骤是有意义的。

动画：差速器的工作原理

第一步 - 通过销和可自由旋转的杆驱动分离的轴

最初的想法是先把共用的传动轴分开，让每个轮子都有自己的传动轴。这确保了如果两个轮子之一以不同的速度旋转，轴不会扭曲。现在将两个销连接到每个单独的轴上。在这些销之间，一个可自由旋转的杆驱动相应的轮轴。

图：第一步——通过销轴和可自由旋转的杆驱动轴

这样，车轮可以在一定限度内旋转不同的角度。如果其中一个轮子减速，则可以通过可旋转的杆将相对的轮子移动一点。但是，不同的旋转不应该太大，否则杆会从销子中滑出，无法传递更多的力。

第 2 步 - 通过多个销和可自由旋转的杆驱动轴

为了增加但非常有限的运动，可以只使用几个销而不是只使用一个以及更多可旋转的杆。销钉和杆现在可以一个接一个地相互滑入。车轮驱动不再受到限制。一个轮子现在可以以完全不同的速度旋转，甚至静止不动，而另一个轮子可以继续被驱动。原则上，这种布置已经代表了功能齐全的差速器！

图：第 2 步 - 通过多个销和可自由旋转的杆驱动轴

仔细观察会发现，在这样的差速器下，减速的车轮减速到与另一个车轮加速相同的程度。车轮一侧的速度损失由另一侧相同幅度的速度增益补偿。这个原理是基于能量守恒定律。

车轮的这种运动学行为正是转弯时所需要的。转弯时，内轮必须旋转得更慢，而外轮必须旋转得更快。

差速齿轮确保在转弯时内轮旋转得更慢，而外轮旋转得更快！

第三步 - 用锥齿轮替换销和杆

销和杆的动力传递不是很有效。因此它们被齿轮取代，更准确地说是被锥齿轮取代。以蓝色显示的锥齿轮围绕车轮的轴旋转，也称为星形齿轮。原则上，这种星形齿轮只不过是行星齿轮中已知的行星齿轮。事实上，差速器可以看作是行星齿轮箱的一种特殊形式（稍后会详细介绍）。

图：第 3 步 – 用锥齿轮替换销和杆

第 4 步 – 通过其他锥齿轮驱动轴

星形齿轮的驱动当然不是靠手动，而是靠发动机。星形齿轮依次由锥齿轮单元（通常是准双曲面齿轮）驱动，该单元由一个小齿轮 （以黄色显示）和一个锥齿轮（以橙色显示）组成。蜘蛛齿轮安装在这个橙色锥齿轮上。由于橙色锥齿轮“承载”了旋转的星形齿轮，因此橙色锥齿轮也被称为载体。

图：第 4 步 – 通过其他锥齿轮驱动轴

第五步——锥齿轮对称布置以避免弯曲应力

为了避免车轮驱动轴中的弯曲应力，它们通常不是仅由一个星形齿轮驱动，而是由两个星形齿轮驱动。第二个星形齿轮偏移 180°。

图：第 5 步 – 对称布置锥齿轮以避免弯曲应力

下图显示，当使用两个星形齿轮时，力在水平方向上相互补偿。车轮的驱动轴然后纯粹受到扭转，而不是弯曲！

图：通过对称布置两个锥齿轮来避免弯曲应力

虽然差速齿轮为车轮提供不同的速度和不同的动力，但两个车轮上的扭矩是相同的！

差速器作为行星齿轮箱的特例

如前所述，差速器是一种特殊类型的行星齿轮箱。轮轴上的一个锥齿轮可被视为太阳齿轮，而另一个锥齿轮则在比喻意义上对应于齿圈。

图：差速器与行星齿轮的比较

在差动齿轮的情况下，固定的行星架传动比对应于当行星架固定时获得的传动比。如果其中一个轮子（“齿圈”）在这种状态下旋转，那么另一个轮子（“太阳轮”）显然以相同的速度旋转，但方向相反。因此固定载波传输比为i0 =-1。

动画：差动齿轮的固定传动比