越野汽车托森轮间差速器的效率研究

收稿日期：2010-09-11
作者简介：王欢（1977－），女，湖北十堰人，硕士，从事机械设计、机械原理和先进制造技术等方面的研究。

普通的圆锥行星齿轮式差速器将转矩平均分配给左、右驱动车轮，这样的分配比例在汽车越野行驶或在泥泞、冰雪路上行驶，且一侧驱动车轮与地面的附着系数很小时，有陷车而不能前进的危险。

限（防）滑差速器它使大部分甚至全部扭矩传给另外一个不滑转的驱动轮，以充分利用这一驱动轮的附着力而产生足够的牵引力，大大提高了汽车在双附着系数路面上的动力性和通过性，显著改善了汽车操纵稳定性，有效提高了汽车行驶安全性［1］。

因此，防滑差速器首先在越野汽车、中型和重型汽
车、多功能汽车、工程机械以及拖拉机等车辆上得到广泛应用，近年在轿车和商务车上也有采用。

限（防）滑差速器的结构形式主要有自锁式和强制锁止式。

自锁式又可分为高摩擦式、变传动比式、自由轮式3种［1］。

蜗轮蜗杆式、摩擦片式、滑块凸轮式等差速器都属于高摩擦限滑差速器。

蜗轮蜗杆式差速器是高摩擦式差速器中综合性能相当出众的一种，它可以根据各个轮对牵引力的需求而分配扭矩的输出，最为难得的是这样的分配完全靠机械装置类实现，反应迅速而准确。

doi ：10.3969/j.issn.1008-5483.2010.04.009
越野汽车托森轮间差速器的效率研究
王
欢，孙传琼，孙国兴
（湖北汽车工业学院机械工程系，湖北十堰442002）
摘要：蜗轮蜗杆式托森差速器克服普通锥齿轮差速器将转矩平均分配给左、右驱动车轮而防滑能力差的缺点，
有效地提高了汽车的通过性和安全性。

首先阐述了托森轮间差速器的结构组成、工作原理、转矩分配原理以及性能评价指标，然后对差速器的效率进行了分析，最后通过实例计算某越野汽车上托森差速器的效率。

关键词：托森差速器；蜗轮蜗杆式；限滑差速器；锁紧系数；转矩比；效率中国分类号：U463.218+.4
文献标志码：A
文章编号：1008-5483（2010）04-0035-04
Research on Efficiency of Torsen Inter-wheel Differential
for Off-road Vehicle
Wang Huan ，Sun Chuanqiong ，Sun Guoxing
（Dept.of Mechanical Engineering ，Hubei Automotive Industries Institute ，Shiyan 442002，China ）
Abstract ：The structure and composition,working principle ，torque distribution principle and the performance evaluation parameters of Torsen inter-wheel differential were introduced.The efficiency of Torsen differential was analyzed ，and the efficiency of Torsen differential for an off-road vehicle was calculated.
Key words ：Torsen differential ；worm gear ；limited differential ；locking coefficient ；torque ratio ；efficiency
湖北汽车工业学院学报Journal of Hubei Automotive Industries Institute
第24卷第4期2010年12月
Vol.24No.4Dec.2010
湖北汽车工业学院学报2010年12月
1
蜗轮蜗杆式托森轮间差速器
蜗轮蜗杆式托森差速器利用蜗杆传动的不可
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（差速器的内摩擦力矩）大小而自动锁死或松开，即在差速器内差动转矩较小时起差速作用，而过大时自动将差速器锁死，有效地提高了汽车的通过性。

它的核心是蜗轮蜗杆齿轮啮合系统，扭矩分配就是通过啮合系统的自锁功能实现的，同时它的锁止介入没有时间上的延迟，也不消耗总扭矩数值的大小，它被广泛用于中央轴间差速器及后驱动桥的轮间差速器。

托森轮间差速器的结构如图
1所示，托森轮间差速器与托森轴间差速器的区别
仅在于前者的输入转矩是经主减速器从动齿轮直接传给差速器壳体，而不需要托森轴间差速器所具有的空心驱动轴，除此以外，其它结构完全相同［2］。

每个蜗轮－齿轮轴的中间有一个蜗轮，其两侧各有1个尺寸完全相同的直齿圆柱齿轮，而蜗轮－齿轮轴则安装在差速器壳体上。

左半轴蜗杆与左边
3个蜗轮相啮合，右边3个蜗轮与右半轴蜗杆相啮
合，而与左、右半轴蜗杆相啮合的成对的蜗轮彼此之间则通过其两侧相互啮合的圆柱齿轮发生联系。

左半轴蜗杆与左半轴为一体，右半轴蜗杆与右半轴为一体。

差速器壳与主减速器从动齿轮盘相联，是差速器的动力输入元件。

差速器壳又带动蜗轮－齿轮轴及蜗轮绕半轴蜗杆转动，实现动力从差速器壳体到蜗杆轴进而到车轮的传递。

1.1工作原理
当汽车直线行驶时，两半轴无转速差，如图2a
所示，两半轴蜗杆转速相等且等于差速器壳体转速，此时蜗轮和蜗杆之间、2个啮合的直齿圆柱齿轮7之间均没有相对转动，差速器、左右半轴犹如一个整体一起转动，差速器不起作用，且差速器外壳将转矩平均分配给左、右半轴。

当汽车转向或某侧车轮陷于泥泞路面时，如图
2b 所示。

假设左半轴1转速大些，这时2个啮合的
直齿圆柱齿轮产生相对转动，左侧齿轮的旋转方向与左侧的蜗轮和蜗杆加快转动相符合，而右侧齿轮相反的旋转方向与右侧的蜗轮和蜗杆减慢转动相符合，即两轮之间的转速差通过两个啮合的直齿圆柱齿轮的相对转动而实现。

由于齿面之间有很大的摩擦力限制了左半轴蜗杆转速的增加，因此只有当两蜗杆轴转速差不大时才能差速。

1.2转矩分配原理
蜗轮式托森差速器在差速时是利用蜗杆传动副的高内摩擦转矩来进行转矩分配的。

当左半轴转速较高时，左半轴蜗杆推动左蜗轮自转，左蜗杆受到蜗轮的摩擦转矩与其转动方向相反，而右半轴蜗杆则受到右蜗轮的推动，摩擦转矩与右蜗杆的转动方向一致，即由于摩擦转矩的存在使得快转的左半轴转矩减小，大小为（T 0-T f ）；而慢转的右半轴转矩增大，大小为（T 0+T f ）；其中T 0为差速器壳上的转矩，T f 为摩擦转矩。

如果由于右轮较大的驱动力而
1-左半轴；2-右半轴；3-差速器壳体；4-左半轴蜗杆
5-右半轴蜗杆；6-蜗轮；7-直齿圆柱齿轮8-蜗轮-齿轮轴；9-主减速器从动锥齿轮
图1托森轮间差速器
a 直线行驶（n 1=n 2）
b 左、右车轮转速不等（n 1≠n 2）
图2差速器工作原理图
1
9
8
7
6
54
3
2
n 1
n 2
n 0
蜗轮轴
蜗轮
右半轴蜗杆
差速器壳体
左半轴蜗杆
直齿圆柱齿轮
n 0
n 2
n 1
36——
第24卷第4期
使车轮打滑，此时，右轮车轮转速加快，同时部分驱动力立刻回转给左轮。

该差速器驱动力的分配可以根据汽车转弯的要求自动调节，从而使汽车转弯时有良好的驾驶性。

1.3性能指标——
—锁紧系数与转矩比
锁紧系数是表征限滑差速器限滑能力的参数,表明内摩擦转矩占差速器传递转矩的比例：
k=T2-T1
T2+T1=T f T0
式中：T1—旋转较快的半轴上的转矩；T2—旋转较慢的半轴上的转矩。

差速器的转矩分配特性可以用转矩比k b来表示两侧驱动车轮的转矩可能相差的最大倍数：
k b=T2
T1
对于托森差速器，其转矩比k b值的大小取决于蜗杆的螺旋升角以及传动的摩擦条件：
k b=tan（β+ρv）
（v）
式中：β—蜗杆节圆柱上螺旋线的升角；ρv—蜗杆蜗轮啮合面上的当量摩擦角。

锁紧系数k与转矩比k b之间的关系为
k b=1+k
1-k
一般情况下，从汽车通过性的要求来看，希望转矩比的值越大越好，蜗轮蜗杆式限滑差速器k b 可达5.5～9；但是从转向操纵的灵活性、行驶的稳定性、延长有关传动零件的使用寿命和减小轮胎磨损等方面考虑，转矩比k b的值又不宜过大，一般降低到3～4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［2］。

k和k b主要决定于差速器的结构形式。

选取不同的蜗杆螺旋升角可得到不同的转矩比k b，升角越小，转矩比k b越大，锁紧系数越大。

2托森轮间差速器的效率研究
2.1差速器效率
差速器效率η0是指差速器壳不转时，一个半轴驱动另一个半轴时输出功率与输入功率之比［1］，即
η0=n1T1
n2T2式中：T1—输出半轴上的转矩；n1—输出半轴上车轮的转速；T2—输入半轴上的转矩；n2—输入半轴上车轮的转速。

由于此时两半轴转速相等，即n1= n2，故有
η0=T1
T2
=1
k b
=1+k
1-k
托森差速器的内摩擦力矩越大，其锁紧系数也越大，转矩比越大，将使得差速器的效率也越低，则越有利于两侧驱动车轮转矩的重新分配，越有利于提高汽车的通用性。

2.2差速器传动效率
差速器传动效率是指动力经差速器壳传给左、右半轴的效率，即
η=T1n1+T2n2
T0n0
式中：n0—差速器壳体转速；T0—转矩；n1—慢半轴车轮转速；T1—慢半轴车轮转矩；n2—快半轴车轮转速；T2—快半轴车轮转矩。

2.2.1转弯时
图4为转弯时后驱动桥的运动学简图。

η=T1n1+T2n2
T0n0
=1+△n（η0-1）
n0（η0+1）
=
1-B
2R
（1-η0
1+η0
）［1］=1-B
2R
k
式中：B—轮距；R—后驱动桥中间点的转弯半径。

2.2.2直线行驶时
即使路面非常平直，但由于轮胎制造装配误差、磨损程度的不同、承受载荷不同或充气压力不等等原因使得在直线行驶时各轮胎的滚动半径实际上不可能相等［2］，若各轮转速相等则车轮与对地面产生滑动，于是差速器作用使得各轮转速也会有所差异。

如图5所示为转弯时后驱动桥的运动学简图。

后驱动桥两车轮的转速为n1、n2，两轮的滚动半径分别为r1、r2（r1＞r2），因为
n1+n2=2n0，n1
n2
=r2
r1
则n1=2n0r2
r1+r2
，n2=2n0r1
r1+r
2
图4转弯时的运动学简图
王欢，等：越野汽车托森轮间差速器的效率研究37
——
湖北汽车工业学院学报2010年12月η
=T1n1+T2n2
T0n0
=1+△n（η0-1）
n0（η0+1）
=
1-r1-r2
r1+r21
（1-η0
1+η0
）=1-（r1-r2
r1+r2
）k
如果n0=1000r·min-1，r1=400mm，r2=380mm，
则n1=2n0r2
r1+r2
=974.36r·min-1
n2=2n0r2
r1+r2
=1025.64r·min-1
整车在直线行驶时两前轮转速为1025.64r·min-1。

图5滚动半径不同时直线行驶的运动学简图
2.3差速器的传动效率与效率的区别
差速器的效率η0区别于传动效率η，前者主
要与差速器的结构有关，而后者还与转弯半径R、
轮距B、滚动半径r1和r2有关。

差速器的效率η0和
传动效率η都会随着锁紧系数k发生变化［3］，当B/
2R为0.14，从图6可以看出，锁紧系数k的变化对
效率η0的影响较传动效率η要敏感。

另外从图7
可以得到高摩擦式自锁差速器即使在效率η0很低
的情况下，传动效率η仍然可以得到很高的数值；
但锁紧系数不能取得太大，否则会使差速器效率降
到太低而影响车辆的正常行驶。

3实例分析
以某越野车为例，已知参数：发动机额定功率
p0为112kW；额定转速n0为2700r·min-1；变速器
最大速比i max为4.141；主减速器速比i为41/16；轮
距B为1820mm；后桥中心点最小转弯半径为
8077mm。

设计计算初选择常用的渐开线圆柱蜗杆。

考虑
到此对蜗杆副的特殊性（重载性），蜗杆材料选用
40Cr，调质及渗碳处理，表淬硬度48～55HRC。

磨
削加工。

蜗轮材料选用20CrMnMo，渗碳淬火及回
火处理，渗碳表淬硬度HRC≥56～62。

用成形铣刀
加工。

设计计算结果：蜗杆头数Z1为13；蜗轮齿数
Z2为8；模数m为5mm；蜗杆分度圆直径d1为
90mm；中心距a为65mm；蜗杆螺旋升角β为
35.83°；齿面的当量摩擦角ρv为16.29°；K b为3.5。

因此，差速器效率
η0=1
k b
=1
3.5
=28.57%
转弯时差速器传动效率与转弯半径之间的关系见图
8。

最小传动效率
η=1-0.56×B
2R
=0.9374=93.74%
4结束语
蜗轮蜗杆利用了正逆两对蜗轮蜗杆传动高摩
擦、低效率的特性，提高了左右半轴的转矩比k b，它
（下转第43页）图6差速器效率、传动效率和锁紧系数变化曲线图
图7差速器效率、传动效率关系曲线图
图8差速器传动效率与转弯半径关系曲线38
——
第24卷第4期能根据转速差的变化，自动调整左右驱动车轮的转矩分配，提高了汽车的通过性和安全性。

它被广泛用于中央轴间差速器及后驱动桥的轮间差速器，但由于这种差速器在转速、转矩差较大时有自动锁止作用，通常不用作转向驱动桥的轮间差速器［2］。

随着汽车技术的发展，普通差速器的性能不能再满足人们对汽车良好性能的追求，于是具有转矩分配能力的限滑差速器将得到越来越多的关注和发展。

参考文献：
［1］刘惟信.汽车车桥设计［M ］.北京：清华大学出版社，
2004.
［2］陈家瑞.汽车构造（下册）［M ］.2版.北京：机械工业出
版社，2005.
［3］王建华，王云成，付铁军，等.转矩敏感式限滑差速器结
构性能分析及其评价［J ］.汽车技术，2005（9）：18-19.
（上接第38页）
载后的载体需要收回预放量，起到防尘保护的作用，这就是载体自动收缩功能。

此时，载体控制系统比打印机延迟60s 关机，载体轴电机反转直到JS 为
1，使载体收缩到合适位置，其控制过程如图8所示。

图8载体自动预收放和收缩控制图
5
结束语
针对国产乐彩LC750型写真机的NIOS Ⅱ多载
体控制系统样品已调试成功，实现了下载体箱载体
1~3的自动识别、加载、卸载、预放和收缩等控制功
能，极大的提高了印前效率和节约资源成本。

对于不同品牌的宽幅打印机，需要调整多载体箱的高度，使引导板与打印平台等高，且自动送纸轮与打印机进纸轮直径相同。

参考文献：
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制器设计［D ］.西安：西安电子科技大学，2008.
［2］北京斯达微步控制技术有限公司.57BYG096步进电
机产品资料［EB/OL ］.［2010-10-25］.http ：//.
［3］TOSHIBA ，Semiconductor Company.TB6560AHQ Step -
ping Motor Drivers IC ［K ］.2009.
a 自动预收放b
自动收缩!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
孙海明，等：基于NIOSII 的宽幅打印机多载体控制系统设计
43——。