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重型越野汽車要經常在泥濘、松軟路面甚至無路地區行駛，地面通過性是重要的性能指標之一。差速器鎖止機構自動控制系統，可根據地面附著狀況，在車輛行駛過程中適時自動鎖止差速器，最大限度地利用全部車輪的地面附著力，從而提高汽車通過性，套合器為差速器鎖止機構自動控制系統中機械執行機構的關鍵部件，與驅動橋差速器串聯在一起，起到差速鎖的作用。汽車行駛過程中，一旦某驅動輪因地面附著狀況惡化而打滑，輪速差達到某個值時，控制系統會使相應的套合器接合，如圖所示，其中左側為滑動嚙合套，右側為固定嚙合套。此時若車輪附著狀況未改善，由于套合器兩端傳遞力矩，其齒面間存在壓力，套合器靠齒面間摩擦力保持接合狀態。一旦汽車附著狀況改善，套合器齒面間壓力降低到其軸向分力小于回位彈簧恢復力時，滑動嚙合套回到原來位置，即套合器處于分離位置，解除鎖止，如圖所示。因此套合器的強度是否滿足要求是一個相當重要的問題。對于套合器的強度，文獻僅從能量守恒定律出發，得到了沖擊功與轉速差的關系式，并未具體分析。因此本文對套合器的強度和剛度進一步研究，采用有限元軟件ANSYS對其進行受力及有限元分析，找到最大應力發生的部位，確定套合器輪齒斷裂的原因，從而為其設計提供依據。
重型越野汽車差速鎖的工作條件惡劣，套合器材料應滿足彎曲和表面接觸強度，而且芯部應有適當的韌性以避免在沖擊載荷作用下齒根折斷，所以套合器選用低合金滲碳鋼20CrMnTi，該合金鋼淬火低溫回火，滲碳后具有良好的耐磨性和彎曲強度。差速器鎖止機構套合器具有以下四個優點。套合器采用牙嵌式結構，如圖所示。相互接合的嚙合套齒頂面在同一個圓錐面上召角為齒頂面徑向傾角，如圖所示，采用該結構具有良好的自定心性，提高齒面的承載能力。該類型差速鎖軸向視圖為弧形齒面，如圖所示。弧形齒面對兩軸相對位移和制造誤差不太敏感，可防止因邊緣接觸而引起的應力集中，因而能提高齒面的承載能力及抗沖擊性能，并可在較高轉速差下接合。圖為齒頂面徑向投影圖，即圖中的X向投影。從圖中看出，壓力角為負值，固定及滑動嚙合套的采用相同的齒側面壓力角。采用這種結構是當齒側面間在一定的壓力作用下時，能保持差速鎖始終處于可靠鎖止狀態，只有當壓力小到一定程度時，該差速鎖在復位彈簧的作用下才結束鎖止。在滿足強度要求的前提下，應使齒高較短，以減小齒根部的彎矩和剪應力。而且可以減少接合與脫離時間。壓力角為負值，其大小主要與接合套工作面的摩擦系數，齒根強度和分離瞬間打滑驅動輪(橋)滑轉率有關。根據以上套合器齒形參數的設計公式及原則。
以前橋輪間套合器的滑動嚙合套為例，研究建立有限元三維模型。由于套合器輪齒形狀比較復雜，輪齒各個面都是圓錐曲面或圓環面，所以首先在建模功能強大的Pro/E軟件建立準確的套合器三維模型，如圖所示。因為套合器中的花鍵滿足強度要求，不是重點考慮內容，且形狀復雜將占用大量計算時間，故將花鍵剪切。然后無縫連接導入ANSYS有限元軟件中，如圖所示。考慮到套合器工作時，套合器的輪齒可能發生折斷，屬于重要考慮因素，為了真實的模擬套合器工作時的變形和應力，輪齒部分的小倒角、小圓角和凸臺不能省略和簡化，如圖所示。根據套合器的特殊性，由于套合器存在多齒嚙合現象，所以把輪齒區域劃分的比較密集。這樣，既可使輪齒的地方符合計算要求，又可在非輪齒的地方節省計算時間。套合器實體模型的網格劃分如圖所示，其單元數為58.5萬，節點數10.8萬。套合器的功能是實現兩端軸的轉速相同或接近，其工作時傳遞的轉矩多數時間由輪齒部分接觸面承擔，所以為了準確地模擬套合器實際受力，加載力的位置在每個輪齒上部三分之一處。根據汽車發動機的功率，選取最低轉速時扭矩最大，按照分動器轉矩分配比，套合器受到的最大轉矩約為500Nm。根據實際工作情況，僅對套合器最內一圈節點施加約束，限制套合器在轉矩作用發生旋轉。
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