托森差速器设计（完整图纸）.doc

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优秀设计目录CAD图纸，联系各专业。托森差速器简介--------------------------------1 二、托森差速器工作原理----- ----------------------23。蜗轮蜗杆设计-------------------------------------------------------- ---- ----54．蜗杆前后轴设计---------------------------------------- -- -95。空心轴设计--------------------------------------------------------- --- ------10 六．正齿轮设计--------------------------------11 七．蜗轮轴设计------------------------------------14差速器壳的设计--------------------------------169．车型相关参考资料--------------------------------17 10.设计经验------ -----------------------------------17 11. 参考文献---- ------- ------------------------------------------- ---201．托森差速器简介 每辆车都必须配备差速器。我们知道普通差速器的作用：一是它是一组减速齿轮，将变速箱的高速输出转换成正常车速；其次，左右驱动轮可以以不同的速度驱动，即转弯时内外轮输出不同的转速以保持平衡。

其缺点是在湿滑路面上通过时会因打滑而失去牵引力。如果给差速器加上限滑功能，就可以满足汽车在恶劣路面上良好操控性的需要。这就是限滑差速器（Slip，简称LSD）。全轮驱动汽车的AWD系统的基本结构是具有三个差速器，分别控制前轮、后轮和前后驱动轴的扭矩分配。这三种差速器不仅仅是常见的简单差速器，它们是带有自锁功能的LSD差速器，可以保证轮胎在湿滑路面打滑时驱动轮始终保持足够的扭矩输出，从而能够在恶劣的工况下运行。路况控制得很好。世界上存在多种形式的 LSD 差异。今天我们就来了解一下自锁差速系统。音译，这个名字取自该词的前几个字母的组合。其技术含义是：牵引力自感知扭矩分配。你可以从字面上理解它：它根据每个车轮的牵引力需求来分配扭矩输出。最难能可贵的是，这种分配完全由机械装置完成，响应迅速、准确。 。其核心是蜗轮与蜗轮的啮合系统。从差速器的结构图中我们可以看到双蜗轮蜗杆结构。正是它们的相互啮合、互锁以及从蜗轮到蜗轮的单向传递扭矩，实现了差速锁功能。正是这个功能限制了滑动。

在无车轮打滑的弯道行驶时，前后差速器的作用与传统差速器相同，蜗轮不影响半轴输出转速的差异。例如，汽车左转时，右轮比差速器快，左侧慢。左右不同转速的蜗轮可以与同步啮合齿轮紧密配合。此时蜗轮并未锁定，因为扭矩是从蜗轮传递到蜗轮。当右轮打滑时，蜗轮组件开始发挥作用，传统差速器不会将动力传输到左轮。对于LSD差速器，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。这时，蜗轮的特性就发挥作用了。当蜗杆带动蜗轮时，它们锁紧，左右蜗杆互锁，保证防滑轮有足够的牵引力。差速器特点：差速器为永久4轮驱动，牵引力分配到各个车轮，从而产生良好的过弯和直线（干/湿）行驶性能。自锁中央差速器确保动力均匀分配到前轮和后轮。任何速度差异，例如当前轮遇到冰时，系统都会快速反应，75％的扭矩将被引导到较慢的车轮，在这种情况下是后轮。差速器实现恒定时间、连续的扭矩控制管理。它继续工作，无延时，但不干预总扭矩输出的调整，因此不存在扭矩损失。它类似于牵引力控制和车身稳定控制系统。比有更大的优势。

由于没有传统自锁差速器配备的多片离合器，因此没有磨损，而且免维护。纯机械LSD具有良好的可靠性。该差速器可与任何变速箱和分动箱匹配，并与其他车辆安全控制系统ABS、TCS（牵引力控制）、SCS（车身稳定性控制）兼容。差速器是一种纯机械结构，在车轮打滑时起作用。它具有线性锁定特性，是真正的永久四轮驱动。正常行驶时，前后扭矩分配为50:50。缺点：一是成本较高，所以托森差速器一般用在高档轿车上；第二，重量太大，安装后会对车辆的加速产生拖累。托森差速器几乎可以成为继转子发动机之后20世纪精美机械设计的典范。但也正是因为这种机构的精致，需要非常高的加工精度、制造技术和高强度的材料来保证其性能，所以成本非常高。奥迪之所以在前后差速器上都没有采用托森差速器，很可能是出于成本方面的考虑。二。托森差速器的工作原理主要由壳体、空心轴、蜗轮（6片）、齿轮（12片）、蜗杆前轴、蜗杆后轴组成。空心轴通过花键与壳体连接，齿轮通过蜗轮轴安装在差速器壳体上。其中三个蜗轮与前轴蜗轮啮合，另外三个蜗轮与后轴蜗轮啮合。

前后轴蜗杆通过正齿轮相互啮合，前杆与驱动桥差速器前齿轮轴为一体，后桥蜗杆与驱动后桥的差速器后齿轮轴为一体。汽车行驶时，发动机发出的动力通过空心轴传递到差速器壳，差速器壳通过蜗杆轴传递到蜗轮。前桥蜗杆通过差速器前齿轮轴将动力传递至前桥，后桥蜗杆通过差速器后齿轮轴将动力传递至后桥，从而实现前后驱动桥的驱动和牵引功能。当汽车转弯时，前、后轴传动轴存在转速差，啮合的正齿轮相互相对旋转，使一轴转速加快，另一轴转速降低，达到差异化的效果。图1是托森差速器的结构图，图2和图3是托森差速器安装在奥迪汽车上的零件图。 1.托森差速器的工作过程。托森差速器的工作过程可分为两种情况：假设前、后轴蜗杆转速分别为 ，差速器箱转速为 。 1）。当 = 时，汽车沿直线行驶。汽车行驶时，发动机发出的动力通过空心轴传递到差速器壳，再通过蜗轮轴传递到蜗轮，最后传递到蜗杆。前蜗杆轴和后蜗杆轴分别将动力传递至前轴和后轴。因为两根蜗杆轴分别将动力传递到前轴和后轴。由于两蜗杆轴的转速相等，因此蜗轮与蜗杆之间没有相对运动，啮合的两个正齿轮之间也没有相对传动。差速器壳与两蜗杆轴绕蜗杆轴同步旋转，即==。其扭矩分布均匀。假设差速器壳承受的扭矩为 ，对应的前、后蜗杆轴上的驱动扭矩分别为 ，则有 += 。

2）。此时，当汽车转弯或一侧车轮卡在泥泞路面上时，为了分析方便，假设差速器壳不动，即=0。同时，在该作用下，前轴蜗杆带动与其啮合的蜗轮转动，蜗轮转动。两端的直齿圆柱也以一定的转速旋转，同时带动与其啮合的直齿圆柱齿轮以一定的转速向相反方向旋转。由于齿轮与后轴蜗杆成一体，因此后轴蜗杆沿相反方向旋转。显然，这是不可能的，因为蜗轮传动副的传动效率极低。事实上，差速器壳不断地旋转，0，前后轴蜗杆也同向旋转。此时，两轴之间的转速差是通过一对啮合圆柱齿轮的相对旋转来实现的。从上面的分析我们知道，前轴蜗杆带动齿轮旋转，齿轮被迫旋转，后轴蜗轮带动后轴蜗杆旋转。由于齿面之间存在较大的摩擦力，齿轮转速的提高受到限制。齿轮和前轴蜗杆转速的增加降低。显然，只有当两轴之间的速度差不大时才能实现差速。 2、托森差速器的扭矩分配原理。托森差速器利用蜗轮传动副的高内摩擦扭矩M来分配扭矩。其原理简述如下：假设前轴蜗杆1的转速大于后轴蜗杆2的转速，即n≥n，则前轴蜗杆1将使前端涡轮旋转，涡轮轴上的正齿轮3也会旋转，带动与之啮合的后端正齿轮4同步旋转，与后端正齿轮同轴的蜗轮也随之旋转。然后后端蜗轮带动后轴蜗杆2旋转。蜗杆驱动的蜗轮的反向传动效率取决于蜗杆的螺旋角和传动副的摩擦条件。

对于一定的微分结构，其螺旋角是一定的。因此，此时的传动主要由摩擦条件决定。即取决于差速器的内摩擦扭矩M，M取决于两端输出轴的相对速度。当n与n之间的转速差较小时，后端蜗轮带动蜗杆的摩擦力也较小，差速器的正齿轮吸收两侧输出轴的转速差。当前轴蜗杆n较高时，蜗杆传动蜗杆的摩擦力矩也较大。差速器将抑制车轮空转并将更多的输入扭矩M分配至后输出轴。扭矩分配为M=1/ 2(MM)、M=1/2(M+M)。当n=0时，前轴蜗杆空转时，后蜗轮与蜗杆之间的内摩擦力矩M太大，导致M全部分配给后轴蜗杆。这时候相当于差速器被锁住了，无法发挥作用。行动迅速。图4为蜗轮差速比工作原理图，其中 为蜗杆螺旋角， 为摩擦角。当=，扭矩比时，差速器是自锁的。一般可达5.5~9，锁定系数K可达0.7~0.8。通过选择不同的螺旋角可以获得不同的锁定系数，从而驱动力可以来自蜗杆和蜗轮。为了减少磨损，增加使用寿命，一般将其降低到3~3.5左右为宜，这样即使一端轮的附着力状况很差，另一端附着力强的轮子仍可用于产生足以克服驱动阻力的驱动力。由于其结构，托森差速器在性能上具有诸多优点，广泛应用于全轮驱动汽车的中轴差速器和后驱动桥的轮间差速器。但由于转速和扭矩差较大时的自动锁止作用，通常不需要使用轮间差速器来对变速驱动桥进行转向。

三。蜗轮设计 1、按GB/-1988的建议选择蜗杆传动型式，采用渐开线蜗杆（ZI）。 2. 选择材料。蜗杆材质为40CR，经过淬火处理，硬度为48-55HRC。蜗轮采用金属模铸造而成，节省材料。齿圈由青铜制成，轮芯由灰口铸铁HT100铸造。 3、根据齿面接触疲劳强度进行设计。根据闭式蜗杆传动设计规范，首先按齿面接触疲劳强度进行设计，然后校核齿根弯曲疲劳强度和传动中心力矩：（式1）； - 蜗杆传动中心距； ——蜗轮的许用接触应力； - 蜗轮传递扭矩； ——载荷系数； ——弹性影响系数； ——接触系数； 1）。确定作用在蜗轮上的扭矩=4，估算=0.90，则P=99.36KW，n=1400/3=466.7r/minT=9.55 10 =9.55 10 = 2）。确定载荷系数K。由于工作载荷比较稳定，故选取不均匀载荷分配系数=1。使用系数=1.15选自[7]的表11-5。由于转速不高，影响不大，适宜动载荷系数=1.05，则K= =1.15 1.05 1 1.21（式2）； ——服务系数； ——动载荷系数； - 不均匀载荷分配系数3)。确定弹性影响系数，因选用铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相匹配，故=)。为确定接触系数，首先假设蜗杆分度圆直径d与传动中心距a的比值d/a=0.5，可参见[7]中图11-18=2.75）。根据确定许用接触应力 蜗轮材料为铸锡磷青铜，金属模具铸造，蜗杆螺旋齿面硬度为45HRC，蜗轮基本许用应力可由表11-7查得[7]中=假设所需寿命L为，应力循环次数：N=60jnL=.=3.3610（公式3）；寿命系数：K==0.36=`K=0.36268=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a 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d=32 mm。此时d/a=0.5 ，由[7]图11-18可知，接触系数Z`=2.7，因为Z`为Z。因此可得上述计算结果。 4、蜗杆、蜗轮主要参数及几何尺寸1）．蜗杆轴向节距：P=m=3.148=25.12mm。 (式5)；直径系数：q=d/m=4（式6）；齿顶圆直径：d=d+2hm=32+218=48mm。 (式7)；齿根圆直径：d=d-2(hm+c)=32-2(8+4)=8mm (式8)；分度圆导程角：r==45°（式9）； 2）。蜗轮齿数Z=12；位移系数X=0；检查传动比： = z/z=12/4 =3（公式 10）；此时传动比误差为(3-3)/3=0，是允许的。蜗轮分度圆直径：d=mZ=8×12=96mm（式11）；蜗轮喉圆直径：d=d+2h=96+28=112mm（式12）；蜗轮根圆直径：d= d-2h=96-28(1+0.25)=76mm（公式13）；蜗轮喉部母圆半径：r=ad=64-×112=8mm（式14）； 5、校核齿根弯曲疲劳强度=YY（公式15）； ——载荷系数； Y——螺旋角影响系数； Y——齿形系数； ——许用弯曲应力； ——弯曲应力； ——传递扭矩。

等效齿数：Z= = =82.8（公式16）；根据[7]表11-8中的K，满足`=56制造的蜗轮的基本许用弯曲应力和寿命系数：K==0.41=560.41=22.96MPa==27.66MPa。四、蜗杆前后轴的设计 1、选择轴的材料。轴的材质为40。从[7]中表15-3可知，40的材质为35~55MPa。 2、求轴上的功率和转速n=446.7r/minP=99.36×0.9=89.42KW3。初步确定轴的最小直径A值为112~97，由[7]中的中式15-2求出d（式17）；——功率；——转速； A——区域。 dmm，d取66mm，由[7]表15-4查得：W0.1d=0.=34300（式18）； W0.2d=0.=68600（式19）； T=9.5510N·mm（式20）； (公式21)；合格的。五、空心轴的设计 1、选择轴的材料。轴的材质为40，从[7]中表15-3可知，40的材质为35~55MPa。 2、求轴上功率和转速n=1400r/min，I档传动比为4.31，n=324.83r/min=99.360.9=89.42KW3。根据[7]中国公式15-2，d初步确定轴的最小直径A值为112~97； d； d取72mm。

d=，轴径增加5%~7%，取75.6~77.04，取77。根据[1]表15-4，=，Wd(1-)=21187.5W=0.2 d(1-)=42375 (式22)；合格的。 4、空心轴上花键的选用d≥70.8。根据机械设计指南表9-26，小直径d取72mm，选用中系列。其规格为N×d×D×B=10×72×78×12，C=0.6，r=0.5，参考d=67.4mm，a=1.0mm，装配形式固定，一般公差带为通过了。外花键中的D为h7，D为a11，B为h10。六。已知正齿轮设计：输入功率p=99.360.9=89.42KW，齿轮转速n=1400r/min，传动比u=1，工作寿命为小时。 1. 选择齿轮类型、精度等级、材料和齿数。 1)．采用直齿圆柱齿轮传动； 2）。选择7级精度； 3）。材料选择，选择齿轮材料为40Cr（调质），硬度为 。 4).选择齿数Z=Z=24。 2、根据齿面接触强度设计。按设计计算公式计算，即d≥2.32（式23）； d——分度圆直径； K——载荷系数； T——齿轮传递的扭矩；——传动比； Z——材料弹性影响系数； ——接触疲劳许用应力； ——齿宽系数； 1）。确定公式中的各个计算值。

(1).试选负载系数K=1.3； （2）。计算齿轮传递的扭矩：T=95.5×10P/n=95.5×1089.42/1340.1=5.37×10N·mm； （3）。齿宽系数。 (4)．材料的弹性影响系数Z=189.8MPa。 (5)．根据齿面硬度求出齿轮的接触疲劳强度MPa。 （6）。计算应力循环次数N=60njL=60×1340.1×1×=9.65×10（公式24）； （7）。检查接触疲劳寿命系数； （8）。计算接触疲劳许用应力，取故障率为1%，安全系数S=1，可得： MPa（式25）； 2）。计算(1)。试算出齿轮分度圆直径d，代入数值：d≥2.32mm (2)。计算圆周速度VV=m/s (3)。计算齿宽bb=mm (4)。计算齿宽齿高比模m=d/z=26/24=1.08mm齿高h=2.25m=2.25×5.43=2.44mb/h=26/2.44=10.6 (5)。计算负载系统数据V=0.58，7级精度，求出正齿轮的动负载系数K=1.18。假设KF/b≥100N/mm，则K=K=1.1。我们求出使用系数K=1，求出7级精度，齿轮相对支撑不对称性布置时K=K+0.18(1+0.6Q)Q+0.23×10b=1.18+0.18(1+0.6×1 )×1+0.23×10×5.3=1.468 由b/h=10.6，K=1.468 可知K=1.44，故载荷系数：K=KKKK=1×1.18×1.1×1.468=2.079（式26）； K——动载荷系数； K——服务系数； K、K——齿间载荷分布系数。

（6）。根据实际载荷系数修正计算出的分度圆直径，得d=dmm（式27）； （7）。计算模数mm=d/z=30.4/24=1.27mm3。根据齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为m（式28）； K——载荷系数； Y——齿形系数； Y——应力修正系数； m——模数； Z——齿数； T——扭矩； Q——齿宽系数。 1）。确定公式中的每个计算值。 (1).求齿轮的弯曲疲劳强度极限MPa； （2）。发现弯曲疲劳寿命系数K=0.85； （3）。计算弯曲疲劳安全系数S=1.4，得=303.57MPa（式29）； （4）。计算载荷系数KK=KKKK=1×1.18×1.1×1.44=2.02（式30）； （5）。校核齿排系数Y=2.65（6）。校核应力修正系数Y=1.58 (7)。计算齿轮并比较 ==0。）。设计计算mmm 取整后，取m=1.5mm，因d=26.0mmZ=d/m=26/1.5=17.3；取18。 4.几何尺寸的计算： 1)．计算分度圆直径d=Zm=18×1.5=27mm2)。齿宽b=Qd=1×27=27mm3）。中心距a=(d+d)/2=24mm5。计算：F=N（式31）； N/mm≥100N/mm（式32）；合适的。

七、蜗轮轴设计 1、求解轴上的功率P、转速n、扭矩TP=99.36×0.9=89.42KWn=1400r/minT=95.5×10×=6.1×10N·mm2。求效果 齿轮上的力已知。齿轮分度圆直径为：d=27mm； F=NF=FN。蜗轮分度圆直径d=258.3mm。 F=F=FNF=FN3。初步确定轴的最小直径。初步估计轴的直径。所选轴的材料为45号钢，经调质处理。取A=112，则得：d=Amm=18.01mm。由于安装在轴上的套筒直径最小，故套筒直径取19mm。 4、轴的结构设计1）．规划轴上零件的装配。该方案为装配方案2）如图所示。根据轴向定位确定轴各段直径和长度（1）mm；毫米; （2）。由于齿宽b=27mm，所以mm，mm。 (3)．由于蜗轮的长度为82mm，所以mm，mm。 (4)．轴总长度毫米。 3）。轴上零件的圆周定位，齿轮、蜗轮与轴均采用花键连接。根据说明书，平键截面b×h=8mm×7mm，键槽用键槽铣刀加工，长度为14mm。 ，同时为了保证齿轮与轴的配合有良好的对中性，所以选择齿轮毂与轴的配合。同样，选择蜗轮与轴的配合。选择蜗轮轮毂与轴的配合。轴承和轴的圆周定位通过过渡配合来保证。这里所选轴的直径公差为m6。

4).确定轴上圆角和倒角的尺寸，取轴端倒角为1×45°。 5）。按组合弯矩应力校核轴的强度时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面B）的强度。根据[2]15-5及以上数值，取a=0.6。在计算轴的应力之前，轴的材料已选定为45钢，从表[2]可以查到。因此，安全8.差速器壳设计为半径为115mm、宽度为160mm的圆柱体。为方便安装，外壳分为两部分，并用螺栓连接。在壳体与空心轴连接处加套筒。套筒直径为80mm，长度为15mm。在壳体与前后蜗杆轴连接处加垫片，减少相互间的摩擦。还在蜗轮和差速器壳上使用垫圈。安装时，我们将壳体与空心轴花键连接，然后将前后蜗杆轴套在壳体内，安装蜗轮轴，并用螺栓紧固壳体。如图6、图69所示。参见车型相关数据。装载重量：2.5t，车辆总重：7.94t，发动机最大功率：P/n=99.36/；发动机最大扭矩：T/n=360∽380/1200∽；主减速器传动比：6.17；轮胎规格英制：子午线轮胎11-18-4；传动比：Ⅰ.5.31、Ⅱ.4.31、Ⅲ.2.45、Ⅳ.1.54、Ⅴ.1.00、R.7.66；分动箱传动比：高档：1.08，低档：2.05；最高速度：80公里/小时。

10、设计经验 经过两周的托森差速器设计，我从中学到了很多东西，让我感触很深，也让我受益匪浅。在这次设计中，由于所有的设计指令都要在电脑上完成，所以第一点就是让我更加熟悉Word，同时我也学会了如何使用公式编辑器来编译我需要输入的公式。同时，我的打字速度也有了一定程度的提高。其次，它让我能够回顾刚刚学到的东西。大三学习的《机械工程底盘》和《机械设计》、《机械原理》课程。还复习了一些《材料力学》以及大一学过的课程。我还学习了《绘图几何》的知识和大二时学过的《CAD绘图技术》。可以说，通过这次设计，我对自己现在和以前的课程和专业知识进行了回顾和巩固。再次可以说是温故而知新！增强了我的专业知识，让我更加熟悉了差速器的工作原理和设计流程。我对托森差速器也有了更深入的了解。我对差异也有了深刻的认识。差速器具有三大功能：将动力从发动机传递到车轮；充当汽车的主减速齿轮，在动力传输到车轮之前降低传动系统的速度。差速器是将发动机输出扭矩一分为二的装置，让两个车轮以不同的速度旋转，从而在转弯时可以输出两种不同的速度。现代汽车或卡车上都有差速器，包括许多四轮驱动车辆。

这些四轮驱动车辆在每组车轮之间需要差速器。同样，两个前轮和两个后轮之间需要差速器。这是因为当汽车转弯时，前轮与后轮行驶的距离不同。有些四轮驱动车辆的前轮和后轮之间没有差速器。相反，它们固定地连接在一起，以便在转向时前轮和后轮以相同的平均速度转动。这就是为什么这辆车在四轮驱动系统繁忙时转向困难的原因。我们将从最简单的差速器类型开始——开放式差速器——在不同车速转弯时。首先，我们需要了解一些技术：下图是一个开放式差分元件。当汽车沿道路直线行驶时，两侧车轮以相同的速度旋转。输入小齿轮驱动螺旋锥齿轮和壳体。壳体内的小齿轮不旋转，两侧的齿有效锁定壳体。请注意，输入小齿轮的齿小于螺旋锥齿轮的齿。如果主减速比为4.10，则螺旋锥齿轮的齿数为输入小齿轮齿数的4.10倍。有关传动比的更多信息，请参阅齿轮如何工作。当汽车转弯时，车轮必须以不同的方向移动

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