托森差速器的设计

目 录

一．托森差速器的简介-------------------------------1

二．托森差速器的工作原理---------------------------2

三．蜗轮、蜗杆设计--------------------------------------------------5

四．蜗杆前、后轴的设计--------------------------------------------9

五．空心轴的设计----------------------------------------------------10

六．直齿圆柱齿轮设计------------------------------11

七．蜗轮轴设计------------------------------------14

八．差速器外壳的设计------------------------------16

九．参考车型相关数据------------------------------17

十．设计心得--------------------------------------17

十一.参考文献

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一．托森差速器的简介

每辆汽车都要配备有差速器，我们知道普通差速器的作用：第一，它是一组减速齿轮，使从变速箱输出的高转速转化为正常车速；第二，可以使左右驱动轮速度不同，也就是在弯道时对里外车轮输出不同的转速以保持平衡。它的缺陷是在经过湿滑路面时就会因打滑失去牵引力。而如果给差速器增加限滑功能就能满足轿车在恶劣路面具有良好操控性的需求了，这就是限滑差速器(Limited Slip Differential，简称LSD)。全轮驱动轿车AWD系统的基本构成是具有3个差速器，它们分别控制着前轮、后轮、前后驱动轴扭矩分配。这3个差速器不只是人们常见的简单差速器，它们是LSD差速器，带有自锁功能以保证在湿滑路面轮胎发生打滑时驱动轮始终保持有充足的扭矩输出从而在恶劣路况获得良好的操控。世界上的LSD差速器有好几种形式，今天我们就来看看Torsen自锁差速器系统。

Torsen的音译，这个名字取自Torque-sensing Traction的单词头几个字母的组合。其专业意思是：牵引力自感应式扭矩分配。从字面意思就可以理解：它可以根据各个车轮对牵引力的需求而分配扭矩输出。最为难得可贵的是：这样的分配完全靠机械装置来完成，反应迅速而准确。。 Torsen的核心是蜗轮、蜗杆齿轮啮合系统。 从Torsen差速器的结构视图中我们可以看到双蜗轮、蜗杆结构，正是它们的相互啮合互锁以及扭矩单向地从蜗轮传送到蜗杆齿轮的构造实现了差速器锁止功能，正是这一特性限制了滑动。在弯道行驶没有车轮打滑时，前、后差速器的作用是传统差速器，蜗杆齿轮不影响半轴输出速度的不同。如车向左转时，右侧车轮比差速器快，而左侧速度低，左右速度不同的蜗轮能够严密地匹配同步啮合齿轮。此时蜗轮蜗杆并没有锁止，因为扭矩是从蜗轮到蜗杆齿轮。 当右侧车轮打滑时，蜗轮蜗杆组件发挥作用，如是传统差速器将不会传输动力到左轮。对于Torsen LSD差速器，此时快速旋转的右侧半轴将驱动右侧蜗杆，并通过同步啮合齿轮驱动左侧蜗杆，此时蜗轮蜗杆特性发挥作用。当蜗杆驱动蜗轮时，它们就会锁止，左侧蜗杆和右侧蜗杆实现互锁，保证了非打滑车轮具有足够的牵引力。

Torsen差速器的特点：Torsen差速器是恒时4驱，牵引力被分配到了每个车轮，于是就有了良好的弯道、直线(干/湿)驾驶性能。Torsen自锁中心差速器确保了前后轮均一的动力分配。任何速度的不同，如前轮遇到冰面时，系统会快速做出反应，75%的扭矩会转向转速慢的车轮，在这里也就是后轮。 Torsen差速器实现了恒时、连续扭矩控制管理，它持续工作，没有时间上的延迟，但不介入总扭矩输出的调整，也就不存在着扭矩的损失，与牵引力控制和车身稳定控制系统相比具有更大的优越性。因为没有传统的自锁差速器所配备的多片式离合器，也就不存在着磨损，并实现了免维护。纯机械LSD具有良好的可靠性。 Torsen差速器可以与任何变速器、分动器实现匹配，与车辆其它安全控制系统ABS、TCS(Traction Control Systems，牵引力控制)、SCS(Stability Control Systems，车身稳定控制)相容。Torsen差速器是纯机械结构，在车轮刚一打滑的瞬间就会发生作用，它具有线性锁止特性，是真正的恒时四驱，在平时正常行驶时扭矩前后分配是50∶50。

缺点：一是造价高，所以一般托森差速器都用在高档车上；二是重量太大，装上它后对车辆的加速性是一份拖累。托森差速器几乎可以成为20世纪继转子发动机以后精妙机械设计的典范。不过正是因为这套机构的精妙，导致其需要非常高的加工精度、制造工艺和高强度的材料才能保证其性能的发挥，所以成本非

常之高。奥迪Quattro之所以没有在前后差速器上都采用托森差速器，估计也是出于成本的考虑。

二．托森差速器的工作原理

托森差速器主要是由外壳，空心轴，蜗轮（6个），齿轮（12个），蜗杆前轴，蜗杆后轴。空心轴通过花键与外壳联接在一体，齿轮通过蜗轮轴安装在差速器外壳上，其中三个蜗轮与前轴蜗杆啮合，另外三个蜗轮与后轴蜗轮相啮合。与前、后轴蜗杆相啮合彼此通过直齿圆柱齿轮相啮合，前杆和驱动桥的差速器前齿轮轴为一体，后轴蜗杆和驱动后桥的差速器后齿轮轴为一体。当汽车驱动时，来自发动机的动力通过空心轴传至差速器外壳，差速器外壳通过蜗杆轴传至蜗轮。前轴蜗杆通过差速器前齿轮轴将动力传至前桥，后轴蜗杆通过差速器后齿轮轴传至后桥，从而实现前、后驱动桥的驱动牵引作用，当汽车转弯时，前后驱动轴出现转速差，通过啮合的直齿圆柱齿轮相对转动，使一轴转速加快，另一轴转速下降，实现差速作用。图一是托森差速器的结构，图二，图三是托森差速器在奥迪车中安装的部位图。

1.托森差速器的工作过程。

托森差速器的工作过程可以分为2种情况：设前、后轴蜗杆转速分别为n1、n2差速器壳转速为n0。

1）.当n1=n2时，为汽车直线行驶，当汽车驱动时，来自发动机的动力通过空心

轴传至差速器外壳，再通过蜗轮轴传至蜗轮最后传到蜗杆。前、后蜗杆轴将动力分别传至前、后桥。由于两蜗杆轴将动力分别传至前、后桥。由于两蜗杆轴转速相等，故蜗轮与蜗杆之间无相对运动，两相啮合的直齿圆柱齿轮之间亦无相对传动，差速器壳与两蜗杆轴均绕蜗杆轴线同步转动，即n0=n1=n2。其转矩平均分

配。设差速器壳接受转矩为M0，前、后蜗杆轴上相对应驱动转矩分别为M1、M2，则有M1+M2=M0。

2）.当n1n2时，汽车转弯或某侧车轮陷于泥泞路面时，为便于分析，假设差速器外壳不懂动，即n0=0，又n1n2，在n1作用下，前轴蜗杆带动与其啮合的蜗轮转动，蜗轮两端的直齿圆柱亦随之以转速nr转动，同时带动与其啮合的直齿圆柱齿轮以转速nr反向转动，因齿轮与后轴蜗杆一体，则后轴蜗杆朝相反方向转动。显然，这是不可能的，因蜗轮蜗杆传动副的传动逆效率极低。实际上，差速器壳一直在旋转，n00，前、后轴蜗杆亦随之同向旋转。此时两轴之间的转速差是通过一对相啮合的圆柱齿轮的相对转动而实现的。由上述分析知，前蜗杆轴使齿轮转动，齿轮随之被迫转动，并迫使后轴蜗轮带动后轴蜗杆转动，因其齿面之间存在很大的摩擦力，限制了齿轮转速的增加，减少了齿轮及前轴蜗杆转速的增加。显然，只有当两轴转速差不大时才能差速。

2.托森差速器的转矩分配原理

托森差速器是利用蜗轮蜗杆传动副的高内摩擦力矩Mr进行转矩分配的。其原理简述如下:设前轴蜗杆1的转速大于后轴蜗杆2的转速,即n1≥n2,前轴蜗杆1将使前端涡轮转动,涡轮轴上的直齿圆柱齿轮3也将转动,带动与之啮合的后端直齿圆柱齿轮4同步转动,而与后端直齿圆柱齿轮同轴的蜗轮也将转动。则后端蜗轮带动后轴蜗杆2转动。蜗轮带动蜗杆的逆传动效率取决于蜗杆的螺旋角及传动副的摩擦条件。对于一定的差速器结构其螺旋角是一定的。故此时传动主要由摩擦状况来决定。即取决于差速器的内摩擦力矩Mr,而Mr又取决于两端输出轴的相对转速。当n1, n2转速差比较小时,后端蜗轮带动蜗杆摩擦力亦较小,通过差速器直齿圆柱齿轮吸收两侧输出轴的转速差。当前轴蜗杆n1较高时,蜗轮驱动蜗杆的摩擦力矩也较大,差速器将抑制该车轮的空转,将输入转矩M0多分配到后端输出轴上,转矩分配为M1=1/2(M0-Mr)，M2=1/2(M0＋Mr)。当n2=0,前轴蜗杆空转时,由于后端蜗轮与蜗杆之间的内摩擦力矩Mr过高,使M0全部分配到后轴蜗杆上,此时,相当于差速器锁死不起差速作用。图四为工作原理图

蜗轮式差速器转矩比btan,其中为蜗杆螺旋角, 为摩擦角.tan当=时,转矩比b,差速器自锁.一般b可达5.5~9,锁紧系数K可达0.7~0.8.选取不同的螺旋升角可得到不同的锁紧系数,使驱动力既可来自蜗杆,也可以来自蜗轮.为减少磨损,提高使用寿命, b一般降低到3~3.5左右较好,这样即使在一端车轮附着条件很差的情况下,仍可以利用附着力大的另一端车轮产生足以克服行驶阻力的驱动力.

托森差速器由于其结构及性能上的诸多优点,被广泛用于全轮驱动轿车的中央轴间差速器及后驱动桥的轮间差速器.但由于在转速转矩差较大十的自动锁止作用,通常不用做转向驱动桥的轮间差速器。

三．蜗轮 蜗杆设计

1.选择蜗杆传动类型

根据GB/T10085-1988的推荐,采用渐开线蜗杆(ZI)。

2.选择材料

蜗杆采用40CR,并经淬火处理,硬度为48-55HRC,蜗轮采用ZCUSN10P1,金属模铸造,为节约材料.齿圈用青铜,轮芯用灰铸铁HT100铸造。

3.按齿面接触疲劳强度进行设计

根据闭式蜗杆传动的设计准则,先按齿面接触疲劳强度进行设计,再校核齿根弯曲疲劳强度,传动中心矩：

2

——蜗杆传动的中心距； ；  （式1）2

——蜗轮的许用接触应力；

2——蜗轮传递的转矩；

——载荷系数；

——弹性影响系数；

——接触系数；

1).确定作用在蜗轮上的转矩2

按1=4,估取=0.90,则

P=99.36KW, n=1400/3=466.7r/min

p99.360.96T2=9.55  106 =9.55  106  =182986 mm 466.7n

2).确定载荷系数K

因工作载荷较稳定,故取载荷分布不均匀系数=1,由[7]表11-5选取使用系数=1.15.由于转速不高,冲击不大,可取动载系数v=1.05,则

K= v=1.15 1.05 1 1.21 (式2)；

——使用系数；

——动载系数；

v——载荷分布不均匀系数

3).确定弹性影响系数

因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配,故=160 MPa1/2

4).确定接触系数

先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值d1/a=0.5,从[7]中图11-18中可查到=2.7

5).确定许用接触应力

根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCUSN10P1,金属摸铸造,蜗杆螺旋齿面硬度45HRC,可从[7]表11-7中查到蜗轮的基本许用应力

`=268MPa

设要求寿命Lh为120000h,

应力循环次数:

N=60jn2Lh=601466.7120000=3.36109(式3)；

寿命系数：

710K==0.36 3.36109

=`K=0.36268=96.48MPa(式4)；

`——蜗轮基本许用接触应力；

K——寿命系数。

6).计算中心距

21602.7a1.21182986.896.48 35mm

取中心距a=64 mm,故从[7]中表11-2取模数m=8,蜗杆分度圆直径d1=32 mm.这时d1/a=0.5,从[7]图11-18中可查得接触系数Z`=2.7,因为Z` Z。因此以上计算结果可用。

4.蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸

1).蜗杆

轴向齿距:

Pa=m=3.148=25.12mm.(式5)；

直径系数：

q= d1/m=4（式6）；

齿顶圆直径：

da1= d1+2h*

am=32+218=48 mm.(式7)；

齿根圆直径:

df1=d1－2(h*

am+c）=32－2(8+4)=8mm(式8)；

分度圆导程角：

r=arctan1=45°(式9)； q

2).蜗轮

蜗轮齿数Z2=12；

变位系数X2=0 ；

验算传动比：

i= z2/z1=12/4 =3(式10)；

这时传动比误差为(3－3)/3=0，允许。 蜗轮分度圆直径：

d2=mZ2=8×12=96mm(式11)；

蜗轮喉圆直径：

da2= d2+2ha2=96+28=112mm(式12)；

蜗轮齿根圆直径：

df2= d2－2hf=96－28(1+0.25)=76mm(式13)；

蜗轮咽喉母圆半径：

rg2=a－11da2=64－×112=8mm(式14)； 22

5.校核齿根弯曲疲劳强度

=

k——载荷系数；

Y——螺旋角影响系数；

YFa2——齿形系数；

F——许用弯曲应力；

——弯曲应力；

T2——传递的转矩。

当量齿数：

Zv2= 212= =82.8(式16)； cos3rcos3451.53k2YFa2YF (式15)； d1d2m

根据X2=﹣0.5，Zv2=82.8，从1图11-19中可查得齿形系数：

YFa2=2.38

螺旋角系数：

Y=1－

许用弯曲应力：

45=0.68 140

F=F`KFN

从[7]表11-8中查得由zcusn10p1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力

F`=56Mpa

寿命系数：

610KFN==0.41 93.3610

F=560.41=22.96MPa

1.531.21182986.82.350.68=27.66MPa 636.3258.3

弯曲强度是满足的。 F=

四.蜗杆前、后轴的设计

1.选择轴的材料

轴的材料为40Cr，由[7]中表15-3查得，40Cr的为35~55MPa。

2.求出轴上的功率、转速

n1=446.7r/min

P=99.36×0.9=89.42KW

3.初步确定轴的最小直径

A0值为112~97，由[7]中式15-2查得 d0(式17)； n

——功率；

n——转速；

A0——面积。 d112由[7]表15-4查得:

W0.1d3=0.1343000=34300(式18)； 89.4265.5mm，d取为66mm 446.7