1、本科毕业论文（20 届）普拉多托森差速器设计所在学院专业班级 机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 2015 年 6 月 3 日毕业设计任务书设计题目： 普拉多托森差速器设计 1课题意义及目标为解决转向不足和转向过度的问题就需要差速器来调节，让汽车更安全的驶过弯道。现在我国已经对差速器有了深入的研究设计，但没有形成一定规模的工业化设计和制造，所以我们需要在这个领域开发和生产具有自主知识产权、适合我国国情的汽车差速器。2主要任务（1）掌握托森差速器结构
2、及其工作原理。（2）确定主要零部件（蜗杆、涡轮、涡杆前后轴、直齿圆柱齿轮、涡轮轴、车速器外壳空心轴）主要设计参数，完成所有参数、尺寸的计算。（3）使用绘图软件绘制蜗杆、涡轮、装配图图纸。（4）完成设计说明书，并以电子文档的形式给出。3主要参考资料1濮良贵，纪名刚.机械设计.高等教育出版设.2申永胜.机械原理教程.清华大学出版社.3胡宁.现代汽车底盘构造.上海交通大学出版社.4席振鹏.汽车底盘结构与维修.哈尔滨工业大学出版社.4进度安排设计各阶段名称 日 期1 调查研究，参考文献，设计方案确定 2015-03-012015-03-142 蜗轮蜗杆 涡杆前后轴 空心轴设计 2015-03-1520
3、15-03-283 直齿圆柱齿轮 涡轮轴 车速器外壳设计 2015-03-292015-04-30 4 绘制装配图 2015-05-012015-05-315 准备答辩 2015-06-012015-06-15审核人： 年 月 日普拉多托森差速器设计摘 要 ： 汽车差速器能够使左、右（或前、后）驱动轮实现以不同转速转动的机构。托森式差速器，它利用蜗轮蜗杆传动的不可逆性原理和齿面高摩擦条件，使差速器根据其内部差动转矩(即差速器的内摩擦转矩)的大小而自动锁死或松开，即当差速器内差动转矩较小时起差速作用，而当差速器内差动转矩过大时差速器将自动锁死，这样可以有效地提高汽车的通过能力。本设计基于普拉多托
4、森差速器，首先概述差速器的现状和发展趋势，介绍差速器领域的最新发展状况。其次，对工作原理做了阐述，对不同的差速器进行比较。再次，对差速器的涡轮、蜗杆、涡轮前后轴、空心轴、的零件做了详细的设计计算，并进行了受力分析、强度和刚度校核计算。关键词：托森差速器 、涡轮、蜗杆、涡轮前后轴、空心轴Prado torque sensitive differential designAbstract：The automobile differential can make the drive wheel of left and right (or front and rear) drive wheel to
5、rotate at different speed. Torsen differential. It uses of worm gear is not reversible principle and tooth surface with high friction condition, enables the differential mechanism according to the size of the internal differential torque (i.e. differential internal friction torque) and automatic loc
6、k die or loose, namely when the differential in differential torque than hours difference function of speed, and when the differential torque differential too big moveout velocity device will automatically lock. Only in this way can effectively improve the car through the ability.The design based on
7、 Prado Torsen differential, first an overview of the differential current situation and development trend, introduce the latest development of the field of differential. Secondly, the working principle is described, the comparison of different differential. Again, the differential turbine, worm, tur
8、bine axis, hollow shaft, parts made a detailed design calculation, and subjected to force analysis, strength and stiffness calculation.Keywords: torque sensitive differential、Turbine、Scroll bar、Turbine front axis、Hollow shaft目 录1绪论 .11.1 齿轮式差速器 .11.2 防滑差速器 .21.3 Torsen 核心系统 .31.4 双蜗杆差速器 .52.托森差速器的工作
9、原理 .62.1 托森差速器的工作过程 .62.2 托森差速器的转矩分配原理 .73.蜗轮 蜗杆设计 .93.1 选择蜗杆传动类型 .93.2 选择材料 .93.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 .93.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 .103.5 校核齿根弯曲疲劳强度 .114 蜗杆前、后轴的设计 .134.1 选择轴的材料 .134.2 求出轴上的功率、转速 .134.3 初步确定轴的最小直径 .135.空心轴的设计 .145.1 选择轴的材料 .145.2 求出轴上的功率、转速 .145.3 初步确定轴的最小直径 .145.4 空心轴上花键的选择 .146.直齿圆柱齿轮设计 .156.
10、1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 .156.2 按齿面接触强度设计 .156.3 按齿根弯曲强度设计 .176.4 几何尺寸计算 .186.5 验算 .187.蜗轮轴设计 .197.1 求解轴上的功率 P，转速 n,转矩 T.197.2 求作用在齿轮上的力 .197.3 初步确定轴的最小直径 .197.4 轴的结构设计 .197.5 差速器外壳 .218 结论 .22参考文献 .24致谢 .2511绪论图 1.1 普通差速器三维示意图普通差速器由行星齿轮、行星轮架（差速器壳）、半轴齿轮等零件组成。发动机的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、
11、右车轮。差速器的设计要求满足：（左半轴转速）+（右半轴转速）=2（行星轮架转速）。当汽车直行时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏，导致内侧轮转速减小，外侧轮转速增加。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)。全轮驱动轿车四驱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
12、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。现代汽车上的差速器通常按其工作特性分为齿轮式差速器和防滑差速器两大类。1.1 齿轮式差速器由于结构原因，这种差速器分配给左右轮的转矩相等。这种差速器转矩均分特性能满足汽车在良好路面上正常行驶。但当汽车在坏路上行驶时，却严重影响通过能力。例如当汽车的一个驱动轮陷入泥泞路面时，虽然另一驱动轮在2良好路面上，汽车却往往不能前进（俗称打滑）。此时在泥泞路面上的驱动轮原地滑转，在良好路面上的车轮却静止不动。这是因为在泥泞路面上的车轮与路面之间的附着力较小，路面只能通过此轮对半轴作用较小的反作用力矩，因此差速器分配给此
13、轮的转矩也较小，尽管另一驱动轮与良好路面间的附着力较大，但因平均分配转矩的特点，使这一驱动轮也只能分到与滑转驱动轮等量的转矩，以致驱动力不足以克服行驶阻力，汽车不能前进，而动力则消耗在滑转驱动轮上。1.2 防滑差速器图 1.2 防滑差速器为提高汽车在坏路上的通过能力，某些越野汽车及高级轿车上装置防滑差速器。防滑差速器的特点是，当一侧驱动轮在坏路上滑转时，能使大部分甚至全部转矩传给在良好路面上的驱动轮，以充分利用这一驱动轮的附着力来产生足够的驱动力，使汽车顺利起步或继续行驶。为实现上述要求，最简单的方法是在对称式锥齿轮差速器上设置差速锁，使之成为强制止锁式差速器。当一侧驱动轮滑转时，可利用差速锁
14、使差速器锁死而不起差速作用。防滑差速器能够克服普通锥齿轮式差速器因转矩平均分配给左、右轮而带来的在坏路面（泥泞、冰雪路面等）上行驶时，因一侧驱动轮接触泥泞、冰雪路面而在原地打滑（滑转），另一侧在好路面上的驱动轮却处在不动状态使汽车通过能力降低的缺点。这是因为与泥泞、冰雪路面接触的驱动轮与路面的附着力减少，路面对半轴作用有很小的反作用转矩，结合对称式锥齿轮差速器具有转矩平均分配的特点，这使处在好路面上的驱动轮所得到的转矩只能与处于坏路面上的驱动轮转矩相等，于是两者的合力不足以克服行驶阻力，汽车便停止不动。根据结构特点不同，防滑差速器有强制锁止式、高摩擦式和自由轮式 3 种。其中，高摩擦式中3又有
15、摩擦片式自锁差速器、托森差速器、蜗轮式差速器、滑块凸轮式差速器和粘性联轴器式差速器 5 种。托森差速器是美国格里森公司生产的转矩感应式差速器，即差速器可以根据其内部差动转矩的大小而决定是否限制差速器的差速作用。在结构上巧妙地利用涡轮蜗杆传动的不可逆原理而设计。作为一种新型差速机构，托森差速器以其独特的优越性能在各种汽车上得到广泛应用。托森差速器是是 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
16、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
17、 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。1.3 Torsen 核心系统图 1.3 托森 B 型差速器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4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，这一方向动力传输畅通无阻。当左侧车轮出现打滑时，传统差速器将会把动力传输到左轮，使发动机动力再大也只
18、能白白消耗。而托森差速器就不同了，此时快速旋转的左侧半轴将驱动左侧蜗杆，并通过同步啮合齿轮驱动右侧蜗杆。Torsen 差速器用在全时四驱系统上，牵引力被分配到了每个车轮，于是就有了良好的弯道、干/湿路面驾驶性能。托森中央差速器确保了前后轮均一的动力分配。如轮胎遇到冰面等摩擦力缺失的路面时，系统会快速做出反应，大部分的扭矩会转向转速慢的车轮，也就是还有抓地力的车轮。托森差速器的锁止介入没有时间上的延迟，也不会消耗总扭矩数值的大小，它没有传统锁止差速器所配备的多片式离合器，磨损非常小，可以实现免维护。除了本身性能上的优势，托森差速器还具备其他方面的优势，比如它可以与很多常用变速器、分动器实现匹配，
19、与车辆上 ABS、TCS、ESP 等电子设备共容，相辅相成的为整车安全和操控服务。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
20、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 5050。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。
