托森差速器的设计和实现汽车工程专业

托森差速器的设计摘要: 介绍了托森差速器的工作原理和转矩分配原理, 建立了托森差速器转矩分配的动力学模型, 定性分析了锁紧系数和转矩比随输入转速比的变化规律。 托森差速器充分利用了蜗轮蜗杆机构高内摩擦的特点, 在输入不同转速比时, 能自动调节锁紧系数和转矩比, 提高了汽车的通过性和行驶平顺性。关键字：托森差速器，锁紧系数，转矩比，蜗轮蜗杆机构Abstract：This paper introduces the working principle of tolkien's differential and torque distribution principle, establish the dynamic model of tolkien's differential torque distribution, the qualitative analysis of the locking coefficient and torque than the input speed than the change rule. Tolkien's differential take full advantage of the characteristics of the worm and worm wheel mechanism high internal friction, the input different speed ratio, can automatically adjust the locking coefficient and torque ratio, improved the car through sex and riding comfort. Keywords：Torson differential, locking coefficient, torque ratio, worm gear mechanism一托森差速器的简介在汽车生产的过程中差速器是非常重要的配件。差速器具有下列的作用：差速器是由减速齿轮组建而成，当汽车的变速箱中输出高转速时，差速器能将高转速反化为正常转速，从而实现汽车的转速平衡。差速器在运行的过程中，可以确保汽车左右驱动轮保持不同的速度。汽车在通过弯道时，差速器能实现里车轮和外车轮会输出不同的转速，确保汽车顺利通过弯道。如果汽车是在滑湿的路面行驶，可能会因为车轮打滑、地面摩擦减小而失去牵引力。因此人们在差速器中加入限滑功能，有效的弥补了普通差速器的缺陷。确保汽车在恶劣天气下也能行驶顺畅。上述所提的差速器也被称为限滑差速器，限滑差速器的英文简称为LSD。文章通过调查研究发现，全轮驱动轿车AWD系统主要是由几个差速器构成，差速器在整个系统中会有效的控制车的前后轮、驱动轴扭矩。而这些差速器也属于限滑差速器，不是普通的差速器。除此以外，上述差速器还具有独特的自锁功能。例如：汽车在行驶的过程中轮胎出现打滑现象时，差速器自带的自锁功能能够有效的帮助汽车平衡内外轮胎的转速差错，而确保汽车的稳定运行。目前，限滑差速器种类繁多。文章选择Torsen差速器作为研究对象，对其工作原理等进行较为细致的研究和分析。托森差速器可以依据车辆车轮对牵引力的不同需求来进行扭矩的合理分配。托森差速器具有自感应式的分配扭矩的功能。在分配扭矩的过程中，托森差速器能快速反应，且托森差速器扭矩分配结果非常准确。托森差速器中蜗轮、蜗杆是非常重要的组成部分。文章通过对托森查速器的结构的分析研究发现，蜗轮、蜗杆的结构实现了托森差速器的锁止功能。而汽车锁止功能有效解决汽车行驶过程中的打滑问题。汽车在弯道行驶的过程中，车轮没有打滑现象时，此时的托森差速器功能与普通差速器功能没有区别。如果车轮出现打滑，托森差速器中的蜗轮、蜗杆会及时调整扭矩的输出。汽车左转时，此时汽车右侧车轮的差速器和汽车左侧轮的差速器相比，前者速度会更快。虽然汽车左右车轮行驶速度不同，但是由于托森差速器中的蜗轮、蜗杆对扭矩的及时调节，能确保扭矩的合理分配。如果汽车左侧车轮出现打滑时，普通的差速器不会把动力传输到左侧车轮，托森差速器中右侧蜗轮会驱动右侧蜗杆转动。而右侧蜗杆到转动也会带动左侧蜗杆的转动，且会驱动左侧蜗轮的转动。托森差速器的自锁功能也确保了汽车行驶车轮打滑时有足够的牵引力。文章对托森差速器的特点进行分析发现，托森差速器是由恒时四驱组成。在汽车运行的过程中，托森差速器能进行牵引力的合理分配。因此，托森差速器有效解决汽车转弯或车轮打滑时，出现的牵引力不足的问题。由于托森差速器具有自锁功能，能保证前车轮和后车轮扭矩的合理分配。因此，如果汽车在行驶的过程中出现牵引力不足问题时，托森差速器会把大约80%的扭距输出给行驶较慢、牵引力不足的车轮。由此可知，托森差速器能对扭矩进行及时的调整和管理。托森差速器对扭矩的调整没有任何的延迟，且具有持续性。在其运行的过程中也不会造成扭矩的损失。因此托森差速器和其他普通的差速器相比，托森差速器具有绝对的优势。文章通过调查研究发现，传统的自锁差速器在工作的过程中，会出现较多的磨损。而托森差速器则有效的弥补了上述缺点，减少了维护的成本。此外，托森差速器还可以和不同的变速器等设备进行匹配，具有较好的兼容性。由于托森差速器属于机械，当车轮出现打滑现象时就会立即进行自锁，从而帮助车辆获取足够的牵引力。托森差速器由于成本较高、体积和重量较大，增加了安装在车辆上的负担。例如：奥迪等车辆没有使用托森差速器，由于，托森差速器在配置的过程中会出现较高的成本。许多车辆在生产的过程中会慎重考虑差速器成本的问题。二托森差速器的工作原理文章通过对托森差速器内部构造进行详细的分析研究后发现，托森差速器主要是由以下几个部分构成：蜗轮、蜗杆前、后轴、空心轴、12个齿轮、外壳。托森差速器中的空心轴是与外壳结合在一起的。齿轮会安装在托森差速器的外壳上，且与齿轮相连的有蜗杆前轴和蜗杆后轴。蜗杆前轴和蜗杆后轴都会与着与直齿圆柱齿轮有效了解。当汽车运行时，发动机的动力会通过空心轴传递到托森差速器的外壳，且通过与外壳相连的齿轮传递到蜗杆前轴和蜗杆后轴。且通过与蜗杆前、后轴相连的直齿圆柱齿轮传递到前、后桥，进而湿疹扭矩的合理分配。如果汽车在运行过程中出现转弯时，此时差速器的前后驱动轴会出现转速不同的现象。而托森差速器可以通过直齿圆柱齿轮的转动，使前后驱动轴中转速较快的进行适宜的减速，转速较慢的进行适宜的加速，从而实现整体转速的平衡。下图为托森差速器的整体结构。图一托森差速器和普通的差速器相比，两者的结构布局、动力传递方式都大致相同。但是两者还是存在很大的不同，区别在于托森加速器加入了新型的齿轮转动方式。由于，托森差速器与普通差速器在齿轮转动上的不同，也导致托森差速器在运行过程中，转速差受到很大的影响。此外，托森差速器能够进行自动感应式的扭矩调节，从而为汽车提供充足的牵引力。文章对托森差速器和普通差速器比较分析后发现：（1）当n1=n2时，差速器在运行过程中，如果前后蜗杆的转速相同时，差速器中的直齿圆柱齿轮、前后蜗轮都不会转动。由此可知，此时差速器没有发挥任何的作用。差速器在汽车运行的过程中，会将汽车动力平均分配给左右蜗杆，从而确保汽车的直线运行状态。（2）如果n1与n2不相等时，这种情况通常是汽车在行驶的过程中，处于转弯或由于路滑而导致车轮打滑的状态。如果汽车进行右转时，此时n1的数值大于n2的数值。为了便于后续的计算和说明，文章假设汽车右转时，左右驱动车轮之间差速器没有被锁死。此时汽车是由一根车轴来驱动前后车轮的转动。结合车辆运动相关理论可知，汽车右转时外侧的车轮会出现连滚带拖滑的状况，而内侧的车轮会出现连滚带滑转的状况。文章分别设置作用在外侧车轮、内侧车轮的阻力F1、F2。如果遇到上述状况，托森差速器会使转速较快的车轮的转速逐渐减小，使转速较慢的车轮的转速逐渐增大，进而实现汽车整体转速的平衡。文章分别设置汽车在转弯过程中对内侧车轮、外侧车轮的阻力分别为F1和F2。且阻力F1和F2共同形成了企业的阻力矩。且阻力矩也就是差速器的差速的外力矩。文章通过计算发现，阻力矩与差速器内的摩擦力矩数值相同。上述理论也适用于所有的差速器。托森差速器在设计的过程中，加入了蜗轮蜗杆。且托森差速器在运行的过程中，允许蜗轮蜗杆的正向、逆向转动，托森差速器正向、逆向转动的频率和蜗杆的螺旋角度、传动摩擦有直接关系。由此可知，托森差速器在运行的过程中，蜗杆旋转角与托森差速器的自锁效果密切相关。文章通过调查研究发现，如果汽车内驱动车轮、外驱动车轮之间的数值相差不大时。通常汽车会处于转弯的状态。此时，蜗轮与蜗杆之间的内摩擦力矩会减小。此时差速器会通过直齿圆柱齿轮来进行内侧车轮、外侧车轮转速的平衡。如果汽车内驱动车轮、外驱动车轮的转速差n数值较大时，通常会出现在汽车打滑的过程中。此时汽车内摩擦的力矩会随着n值的增大而不断增大，且内摩擦力矩的增大，也有效的限制了差速器的差速，也能把转矩合理的分配到转速较慢的车轮上，从而实现车轮转速的平衡。综上所示，结合相关理论可以将差速器外壳的转矩设置为T0，将汽车左半轴对差速器的反转矩设置为T1，将汽车右半轴对差速器的反转矩设置为T2，将差速器中的内摩擦力矩设置为Tr。且通过力矩平衡可得下列公式：T1+T2=T0，T2-T1=Tr此时将差速器的锁紧系统设置为K，此时K=Tr/T0，有上述已知条件可得下列公式：T1=0.5T0(1-K)T2=0.5T0(1+K )通过上述公式，且此时K=0，则普通差速器的转矩T0会均匀的分配为左右半轴。如果T2>T1，且设置转速较慢的半轴转矩为Kb，则Kb=T2/T1，且Kb与K的关系可以通过下列公式计算得出：Kb=( 1+ K ) / ( 1 - K )K=( Kb - 1) /( Kb +1)1.托森差速器的工作过程。 托森差速器在工作的过程中，会遇到以下两种情况。文章在讨论下列情况时，首先将托森差速器外壳转速设置为n0、前轴蜗杆转速设置为n1，后轴蜗杆转速设置为n2。 （1）当n1=n2时，此时汽车是呈直线运动的状态。汽车运动过程中，发动机的动力会穿过空心轴传到外壳上。且动力会通过与外壳相连的蜗轮传递到蜗杆上，而蜗杆会传递到前、后桥。在汽车直线运动时，蜗轮和蜗杆、直齿圆柱齿轮和蜗杆都没有相对运动。此时外壳与前蜗杆轴、后蜗杆轴都是围绕着蜗杆轴进行转动的。且此时满足n1=n2=n0。在汽车运行的过程中，车轮之间的转矩是呈平均分配的状态。文章假设托森差速器外壳此时接受转矩为M0。前蜗杆轴接受的转矩为M1，前蜗杆轴接受的转矩为M2，则可以满足下列公式M1+M2=M0。图二 （2）当n1和n2不相等时，此时汽车可能处于转弯状态或打滑状态。文章为了便于后续的分析和研究将n0设置为0。且如果n1大于n2，则在n1的作用下，前蜗杆轴会驱动与其相结合的蜗轮进行转动，与被驱动蜗轮相结合的直齿圆柱也会被驱动转动，设置直齿圆柱转动的转速设置为Nr，直齿圆柱会驱动直齿圆柱齿轮向反方向转动，直齿圆柱齿轮也会带动后轴蜗轮进行向反方向的转动。结合相关理论分析可知，上述的推论无法成立。这是由于蜗轮蜗杆传动力效率非常低。在托森差速器工作的过程中，差速器外壳不会长时间保持不转动。在现实生活中，托森差速器的外壳是一直处于旋转的状态，由此可知n0不等于0。前轴蜗杆与后轴蜗杆会向相同的方向进行转动。综上可知，由于前轴蜗杆带动齿轮转动，齿轮会驱动后轴蜗轮的转动，最终驱动后轴蜗杆的转动。且在托森差速器转动的过程中，会有较大的摩擦力。由此也能对齿轮转动的速度进行有效的限制。图三2.托森差速器的转矩分配原理文章通过对托森差速器转矩分配原理的研究和分析发现，托森差速器是根据蜗轮蜗杆转动内的摩擦力矩实现转