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目 錄
一．托森差速器的簡(jiǎn)介-------------------------------1
二．托森差速器的工作原理---------------------------2
三．蝸輪、蝸桿設(shè)計(jì)--------------------------------------------------5
四．蝸桿前、后軸的設(shè)計(jì)--------------------------------------------9
五．空心軸的設(shè)計(jì)----------------------------------------------------10
六．直齒圓柱齒輪設(shè)計(jì)------------------------------11
七．蝸輪軸設(shè)計(jì)------------------------------------14
八．差速器外殼的設(shè)計(jì)------------------------------16
九．參考車(chē)型相關(guān)數(shù)據(jù)------------------------------17
十．設(shè)計(jì)心得--------------------------------------17
十一.參考文獻(xiàn)---------------------------------------------------------20
一．托森差速器的簡(jiǎn)介
每輛汽車(chē)都要配備有差速器，我們知道普通差速器的作用：第一，它是一組減速齒輪，使從變速箱輸出的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為正常車(chē)速；第二，可以使左右驅(qū)動(dòng)輪速度不同，也就是在彎道時(shí)對(duì)里外車(chē)輪輸出不同的轉(zhuǎn)速以保持平衡。它的缺陷是在經(jīng)過(guò)濕滑路面時(shí)就會(huì)因打滑失去牽引力。而如果給差速器增加限滑功能就能滿(mǎn)足轎車(chē)在惡劣路面具有良好操控性的需求了，這就是限滑差速器(Limited Slip Differential，簡(jiǎn)稱(chēng)LSD)。全輪驅(qū)動(dòng)轎車(chē)AWD系統(tǒng)的基本構(gòu)成是具有3個(gè)差速器，它們分別控制著前輪、后輪、前后驅(qū)動(dòng)軸扭矩分配。這3個(gè)差速器不只是人們常見(jiàn)的簡(jiǎn)單差速器，它們是LSD差速器，帶有自鎖功能以保證在濕滑路面輪胎發(fā)生打滑時(shí)驅(qū)動(dòng)輪始終保持有充足的扭矩輸出從而在惡劣路況獲得良好的操控。世界上的LSD差速器有好幾種形式，今天我們就來(lái)看看Torsen自鎖差速器系統(tǒng)。
Torsen的音譯，這個(gè)名字取自Torque-sensing Traction的單詞頭幾個(gè)字母的組合。其專(zhuān)業(yè)意思是：牽引力自感應(yīng)式扭矩分配。從字面意思就可以理解：它可以根據(jù)各個(gè)車(chē)輪對(duì)牽引力的需求而分配扭矩輸出。最為難得可貴的是：這樣的分配完全靠機(jī)械裝置來(lái)完成，反應(yīng)迅速而準(zhǔn)確。。 Torsen的核心是蝸輪、蝸桿齒輪嚙合系統(tǒng)。 從Torsen差速器的結(jié)構(gòu)視圖中我們可以看到雙蝸輪、蝸桿結(jié)構(gòu)，正是它們的相互嚙合互鎖以及扭矩單向地從蝸輪傳送到蝸桿齒輪的構(gòu)造實(shí)現(xiàn)了差速器鎖止功能，正是這一特性限制了滑動(dòng)。在彎道行駛沒(méi)有車(chē)輪打滑時(shí)，前、后差速器的作用是傳統(tǒng)差速器，蝸桿齒輪不影響半軸輸出速度的不同。如車(chē)向左轉(zhuǎn)時(shí)，右側(cè)車(chē)輪比差速器快，而左側(cè)速度低，左右速度不同的蝸輪能夠嚴(yán)密地匹配同步嚙合齒輪。此時(shí)蝸輪蝸桿并沒(méi)有鎖止，因?yàn)榕ぞ厥菑奈佪喌轿仐U齒輪。 當(dāng)右側(cè)車(chē)輪打滑時(shí)，蝸輪蝸桿組件發(fā)揮作用，如是傳統(tǒng)差速器將不會(huì)傳輸動(dòng)力到左輪。對(duì)于Torsen LSD差速器，此時(shí)快速旋轉(zhuǎn)的右側(cè)半軸將驅(qū)動(dòng)右側(cè)蝸桿，并通過(guò)同步嚙合齒輪驅(qū)動(dòng)左側(cè)蝸桿，此時(shí)蝸輪蝸桿特性發(fā)揮作用。當(dāng)蝸桿驅(qū)動(dòng)蝸輪時(shí)，它們就會(huì)鎖止，左側(cè)蝸桿和右側(cè)蝸桿實(shí)現(xiàn)互鎖，保證了非打滑車(chē)輪具有足夠的牽引力。
Torsen差速器的特點(diǎn)：Torsen差速器是恒時(shí)4驅(qū)，牽引力被分配到了每個(gè)車(chē)輪，于是就有了良好的彎道、直線(干/濕)駕駛性能。Torsen自鎖中心差速器確保了前后輪均一的動(dòng)力分配。任何速度的不同，如前輪遇到冰面時(shí)，系統(tǒng)會(huì)快速做出反應(yīng)，75%的扭矩會(huì)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速慢的車(chē)輪，在這里也就是后輪。 Torsen差速器實(shí)現(xiàn)了恒時(shí)、連續(xù)扭矩控制管理，它持續(xù)工作，沒(méi)有時(shí)間上的延遲，但不介入總扭矩輸出的調(diào)整，也就不存在著扭矩的損失，與牽引力控制和車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)相比具有更大的優(yōu)越性。因?yàn)闆](méi)有傳統(tǒng)的自鎖差速器所配備的多片式離合器，也就不存在著磨損，并實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)。純機(jī)械LSD具有良好的可靠性。 Torsen差速器可以與任何變速器、分動(dòng)器實(shí)現(xiàn)匹配，與車(chē)輛其它安全控制系統(tǒng)ABS、TCS(Traction Control Systems，牽引力控制)、SCS(Stability Control Systems，車(chē)身穩(wěn)定控制)相容。Torsen差速器是純機(jī)械結(jié)構(gòu)，在車(chē)輪剛一打滑的瞬間就會(huì)發(fā)生作用，它具有線性鎖止特性，是真正的恒時(shí)四驅(qū)，在平時(shí)正常行駛時(shí)扭矩前后分配是50∶50。
缺點(diǎn)：一是造價(jià)高，所以一般托森差速器都用在高檔車(chē)上；二是重量太大，裝上它后對(duì)車(chē)輛的加速性是一份拖累。托森差速器幾乎可以成為20世紀(jì)繼轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)以后精妙機(jī)械設(shè)計(jì)的典范。不過(guò)正是因?yàn)檫@套機(jī)構(gòu)的精妙，導(dǎo)致其需要非常高的加工精度、制造工藝和高強(qiáng)度的材料才能保證其性能的發(fā)揮，所以成本非常之高。奧迪Quattro之所以沒(méi)有在前后差速器上都采用托森差速器，估計(jì)也是出于成本的考慮。
二．托森差速器的工作原理
托森差速器主要是由外殼，空心軸，蝸輪（6個(gè)），齒輪（12個(gè)），蝸桿前軸，蝸桿后軸?？招妮S通過(guò)花鍵與外殼聯(lián)接在一體，齒輪通過(guò)蝸輪軸安裝在差速器外殼上，其中三個(gè)蝸輪與前軸蝸桿嚙合，另外三個(gè)蝸輪與后軸蝸輪相嚙合。與前、后軸蝸桿相嚙合彼此通過(guò)直齒圓柱齒輪相嚙合，前桿和驅(qū)動(dòng)橋的差速器前齒輪軸為一體，后軸蝸桿和驅(qū)動(dòng)后橋的差速器后齒輪軸為一體。當(dāng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)時(shí)，來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過(guò)空心軸傳至差速器外殼，差速器外殼通過(guò)蝸桿軸傳至蝸輪。前軸蝸桿通過(guò)差速器前齒輪軸將動(dòng)力傳至前橋，后軸蝸桿通過(guò)差速器后齒輪軸傳至后橋，從而實(shí)現(xiàn)前、后驅(qū)動(dòng)橋的驅(qū)動(dòng)牽引作用，當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，前后驅(qū)動(dòng)軸出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差，通過(guò)嚙合的直齒圓柱齒輪相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使一軸轉(zhuǎn)速加快，另一軸轉(zhuǎn)速下降，實(shí)現(xiàn)差速作用。圖一是托森差速器的結(jié)構(gòu)，圖二，圖三是托森差速器在奧迪車(chē)中安裝的部位圖。
圖一
1.托森差速器的工作過(guò)程。
托森差速器的工作過(guò)程可以分為2種情況：設(shè)前、后軸蝸桿轉(zhuǎn)速分別為、差速器殼轉(zhuǎn)速為。
1）.當(dāng)=時(shí)，為汽車(chē)直線行駛，當(dāng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)時(shí)，來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過(guò)空心軸傳至差速器外殼，再通過(guò)蝸輪軸傳至蝸輪最后傳到蝸桿。前、后蝸桿軸將動(dòng)力分別傳至前、后橋。由于兩蝸桿軸將動(dòng)力分別傳至前、后橋。由于兩蝸桿軸轉(zhuǎn)速相等，故蝸輪與蝸桿之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩相嚙合的直齒圓柱齒輪之間亦無(wú)相對(duì)傳動(dòng)，差速器殼與兩蝸桿軸均繞蝸桿軸線同步轉(zhuǎn)動(dòng)，即==。其轉(zhuǎn)矩平均分配。設(shè)差速器殼接受轉(zhuǎn)矩為，前、后蝸桿軸上相對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分別為、，則有+=。
圖二
2）.當(dāng)時(shí)，汽車(chē)轉(zhuǎn)彎或某側(cè)車(chē)輪陷于泥濘路面時(shí)，為便于分析，假設(shè)差速器外殼不懂動(dòng)，即=0，又，在作用下，前軸蝸桿帶動(dòng)與其嚙合的蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪兩端的直齒圓柱亦隨之以轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)與其嚙合的直齒圓柱齒輪以轉(zhuǎn)速反向轉(zhuǎn)動(dòng)，因齒輪與后軸蝸桿一體，則后軸蝸桿朝相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。顯然，這是不可能的，因蝸輪蝸桿傳動(dòng)副的傳動(dòng)逆效率極低。實(shí)際上，差速器殼一直在旋轉(zhuǎn)，0，前、后軸蝸桿亦隨之同向旋轉(zhuǎn)。此時(shí)兩軸之間的轉(zhuǎn)速差是通過(guò)一對(duì)相嚙合的圓柱齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。由上述分析知，前蝸桿軸使齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪隨之被迫轉(zhuǎn)動(dòng)，并迫使后軸蝸輪帶動(dòng)后軸蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，因其齒面之間存在很大的摩擦力，限制了齒輪轉(zhuǎn)速的增加，減少了齒輪及前軸蝸桿轉(zhuǎn)速的增加。顯然，只有當(dāng)兩軸轉(zhuǎn)速差不大時(shí)才能差速。
圖三
2.托森差速器的轉(zhuǎn)矩分配原理
托森差速器是利用蝸輪蝸桿傳動(dòng)副的高內(nèi)摩擦力矩M進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配的。其原理簡(jiǎn)述如下:設(shè)前軸蝸桿1的轉(zhuǎn)速大于后軸蝸桿2的轉(zhuǎn)速,即n≥n,前軸蝸桿1將使前端渦輪轉(zhuǎn)動(dòng),渦輪軸上的直齒圓柱齒輪3也將轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)與之嚙合的后端直齒圓柱齒輪4同步轉(zhuǎn)動(dòng),而與后端直齒圓柱齒輪同軸的蝸輪也將轉(zhuǎn)動(dòng)。則后端蝸輪帶動(dòng)后軸蝸桿2轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸輪帶動(dòng)蝸桿的逆?zhèn)鲃?dòng)效率取決于蝸桿的螺旋角及傳動(dòng)副的摩擦條件。對(duì)于一定的差速器結(jié)構(gòu)其螺旋角是一定的。故此時(shí)傳動(dòng)主要由摩擦狀況來(lái)決定。即取決于差速器的內(nèi)摩擦力矩M,而M又取決于兩端輸出軸的相對(duì)轉(zhuǎn)速。當(dāng)n, n轉(zhuǎn)速差比較小時(shí),后端蝸輪帶動(dòng)蝸桿摩擦力亦較小,通過(guò)差速器直齒圓柱齒輪吸收兩側(cè)輸出軸的轉(zhuǎn)速差。當(dāng)前軸蝸桿n較高時(shí),蝸輪驅(qū)動(dòng)蝸桿的摩擦力矩也較大,差速器將抑制該車(chē)輪的空轉(zhuǎn),將輸入轉(zhuǎn)矩M多分配到后端輸出軸上,轉(zhuǎn)矩分配為M=1/2(M-M)，M=1/2(M＋M)。當(dāng)n=0,前軸蝸桿空轉(zhuǎn)時(shí),由于后端蝸輪與蝸桿之間的內(nèi)摩擦力矩M過(guò)高,使M全部分配到后軸蝸桿上,此時(shí),相當(dāng)于差速器鎖死不起差速作用。圖四為工作原理圖
圖四
蝸輪式差速器轉(zhuǎn)矩比,其中為蝸桿螺旋角, 為摩擦角.當(dāng)=時(shí),轉(zhuǎn)矩比,差速器自鎖.一般可達(dá)5.5~9,鎖緊系數(shù)K可達(dá)0.7~0.8.選取不同的螺旋升角可得到不同的鎖緊系數(shù),使驅(qū)動(dòng)力既可來(lái)自蝸桿,也可以來(lái)自蝸輪.為減少磨損,提高使用壽命, 一般降低到3~3.5左右較好,這樣即使在一端車(chē)輪附著條件很差的情況下,仍可以利用附著力大的另一端車(chē)輪產(chǎn)生足以克服行駛阻力的驅(qū)動(dòng)力.
托森差速器由于其結(jié)構(gòu)及性能上的諸多優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于全輪驅(qū)動(dòng)轎車(chē)的中央軸間差速器及后驅(qū)動(dòng)橋的輪間差速器.但由于在轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩差較大十的自動(dòng)鎖止作用,通常不用做轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋的輪間差速器。
三．蝸輪 蝸桿設(shè)計(jì)
1.選擇蝸桿傳動(dòng)類(lèi)型
根據(jù)GB/T10085-1988的推薦,采用漸開(kāi)線蝸桿(ZI)。
2.選擇材料
蝸桿采用40CR,并經(jīng)淬火處理,硬度為48-55HRC,蝸輪采用ZCUSN10P1,金屬模鑄造,為節(jié)約材料.齒圈用青銅,輪芯用灰鑄鐵HT100鑄造。
3.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì),再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度,傳動(dòng)中心矩：
（式1）；
——蝸桿傳動(dòng)的中心距；
——蝸輪的許用接觸應(yīng)力；
——蝸輪傳遞的轉(zhuǎn)矩；
——載荷系數(shù)；
——彈性影響系數(shù)；
——接觸系數(shù)；
1).確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩
按=4,估取=0.90,則
P=99.36KW, n=1400/3=466.7r/min
T=9.55 10 =9.55 10 =182986
2).確定載荷系數(shù)K
因工作載荷較穩(wěn)定,故取載荷分布不均勻系數(shù)=1,由[7]表11-5選取使用系數(shù)=1.15.由于轉(zhuǎn)速不高,沖擊不大,可取動(dòng)載系數(shù)=1.05,則
K= =1.15 1.05 1 1.21 (式2)；
——使用系數(shù)；
——?jiǎng)虞d系數(shù)；
——載荷分布不均勻系數(shù)
3).確定彈性影響系數(shù)
因選用的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配,故=160 MPa
4).確定接觸系數(shù)
先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d和傳動(dòng)中心距a的比值d/a=0.5,從[7]中圖11-18中可查到=2.7
5).確定許用接觸應(yīng)力
根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCUSN10P1,金屬摸鑄造,蝸桿螺旋齒面硬度45HRC,可從[7]表11-7中查到蝸輪的基本許用應(yīng)力
=268MPa
設(shè)要求壽命L為120000h,
應(yīng)力循環(huán)次數(shù):
N=60jnL=601466.7120000=3.3610(式3)；
壽命系數(shù)：
K==0.36
=`K=0.36268=96.48MPa(式4)；
`——蝸輪基本許用接觸應(yīng)力；
K——壽命系數(shù)。
6).計(jì)算中心距
a 35mm
取中心距a=64 mm,故從[7]中表11-2取模數(shù)m=8,蝸桿分度圓直徑d=32 mm.這時(shí)d/a=0.5,從[7]圖11-18中可查得接觸系數(shù)Z`=2.7,因?yàn)閆` Z。因此以上計(jì)算結(jié)果可用。
4.蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸
1).蝸桿
軸向齒距:
P=m=3.148=25.12mm.(式5)；
直徑系數(shù)：
q= d/m=4（式6）；
齒頂圓直徑：
d= d+2hm=32+218=48 mm.(式7)；
齒根圓直徑:
d=d－2(hm+c）=32－2(8+4)=8mm(式8)；
分度圓導(dǎo)程角：
r==45°(式9)；
2).蝸輪
蝸輪齒數(shù)Z=12；
變位系數(shù)X=0 ；
驗(yàn)算傳動(dòng)比：
= z/z=12/4 =3(式10)；
這時(shí)傳動(dòng)比誤差為(3－3)/3=0，允許。
蝸輪分度圓直徑：
d=mZ=8×12=96mm(式11)；
蝸輪喉圓直徑：
d= d+2h=96+28=112mm(式12)；
蝸輪齒根圓直徑：
d= d－2h=96－28(1+0.25)=76mm(式13)；
蝸輪咽喉母圓半徑：
r=a－d=64－×112=8mm(式14)；
5.校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
=YY (式15)；
——載荷系數(shù)；
Y——螺旋角影響系數(shù)；
Y——齒形系數(shù)；
——許用彎曲應(yīng)力；
——彎曲應(yīng)力；
——傳遞的轉(zhuǎn)矩。
當(dāng)量齒數(shù)：
Z= = =82.8(式16)；
根據(jù)X=﹣0.5，Z=82.8，從圖11-19中可查得齒形系數(shù)：
Y=2.38
螺旋角系數(shù)：
Y=1－=0.68
許用彎曲應(yīng)力：
=`K
從[7]表11-8中查得由制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力
`=56
壽命系數(shù)：
K==0.41
=560.41=22.96MPa
==27.66MPa
彎曲強(qiáng)度是滿(mǎn)足的。
四.蝸桿前、后軸的設(shè)計(jì)
1.選擇軸的材料
軸的材料為40，由[7]中表15-3查得，40的為35~55MPa。
2.求出軸上的功率、轉(zhuǎn)速
n=446.7r/min
P=99.36×0.9=89.42KW
3.初步確定軸的最小直徑
A值為112~97，由[7]中式15-2查得
d(式17)；
——功率；
——轉(zhuǎn)速；
A——面積。
dmm，d取為66mm
由[7]表15-4查得:
W0.1d=0.1343000=34300(式18)；
W0.2d=0.2343000=68600(式19);
T=9.5510N·mm(式20)；
(式21)；
合格。
五.空心軸的設(shè)計(jì)
1.選擇軸的材料
軸的材料為40，由[7]中表15-3查得40的為35~55MPa。
2.求出軸上的功率、轉(zhuǎn)速
n=1400 r/min，I檔傳動(dòng)比為4.31，
n=324.83r/min
=99.360.9=89.42KW
3.初步確定軸的最小直徑
A值為112~97，由[7]中式15-2查得
d;
d;
d取為72mm。
d=72mm100，軸徑增大5%~7%，取為75.6~77.04，取為77。
由[1]表15-4查得 =，
Wd(1－)=21187.5
W=0.2d(1－)=42375
(式22)；
合格。
4.空心軸上花鍵的選擇
d≥70.8，由機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)表9-26知：
小徑d取為72mm，選用中系列，其規(guī)格為N×d×D×B=10×72×78×12，C=0.6，r=0.5，參考d=67.4mm，a =1.0mm，裝配形式為固定，采用一般用公差帶，外花鍵中的d用h7，D為a11，B為h10。
六．直齒圓柱齒輪設(shè)計(jì)
已知：輸入功率p=99.360.9=89.42KW 齒輪轉(zhuǎn)速n=1400r/min,齒數(shù)比u=1，工作壽命為120000小時(shí)。
1.選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)。
1）．選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)；
2）．選用7級(jí)精度；
3）．材料選擇,選擇齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS。
4）．選擇齒數(shù)Z=Z=24。
2.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)。
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，即
d≥2.32(式23)；
d——分度圓直徑；
K——載荷系數(shù)；
T——齒輪傳遞的扭矩；
——齒數(shù)比；
Z ——材料的彈性影響系數(shù)；
——接觸疲勞許用應(yīng)力；
——齒寬系數(shù)；
1).確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值。
（1）．試選載荷系數(shù)K=1.3；
（2）．計(jì)算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩：
T=95.5×10P/n=95.5×1089.42/1340.1=5.37×10N·mm；
（3）．齒寬系數(shù) 。
（4）．材料的彈性影響系數(shù)Z=189.8MPa。
（5）．按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度MPa。
（6）．計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N=60njL=60×1340.1×1×120000=9.65×10(式24)；
（7）．查得接觸疲勞壽命系數(shù)；
（8）．計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效率為1%，安全系數(shù)S=1，得：
MPa(式25)；
2).計(jì)算
（1）．試算齒輪分度圓直徑d，代入數(shù)值得：
d≥2.32mm
（2）．計(jì)算圓周速度V
V=m/s
（3）．計(jì)算齒寬b
b=mm
(4)．計(jì)算齒寬與齒高之比
模數(shù) m=d/z=26/24=1.08mm
齒高 h=2.25m=2.25×5.43=2.44m
b/h=26/2.44=10.6
（5）．計(jì)算載荷系數(shù)
據(jù)V=0.58，7級(jí)精度，查得動(dòng)載系數(shù)K=1.18
直齒輪，假設(shè)KF/b≥100N/mm，查得K=K=1.1
查得使用系數(shù)K=1，查得7級(jí)精度，齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)，
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 查得K=1.44，故載荷系數(shù):
K=KKKK=1×1.18×1.1×1.468=2.079(式26)；
K——?jiǎng)虞d系數(shù)；
K——使用系數(shù)；
K、K——齒間載荷分配系數(shù)。
（6）．按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，得
d=dmm(式27)；
（7）．計(jì)算模數(shù)m
M=d/z=30.4/24=1.27mm
3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
m(式28)；
K——載荷系數(shù)；
Y——齒形系數(shù)；
Y——應(yīng)力校正系數(shù)；
m——模數(shù)；
Z——齒數(shù)；
T——轉(zhuǎn)矩；
Q——齒寬系數(shù)。
1).確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值。
（1）．查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限MPa；
（2）．查得彎曲疲勞壽命系數(shù)K=0.85；
（3）．計(jì)算彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,得
=303.57MPa(式29)；
（4）．計(jì)算載荷系數(shù)K
K=KKKK=1×1.18×1.1×1.44=2.02(式30)；
（5）．查取齒行系數(shù)Y=2.65
（6）．查取應(yīng)力校正系數(shù)Y=1.58
（7）．計(jì)算齒輪的并加以比較
==0.01379
2).設(shè)計(jì)計(jì)算
mmm
圓整后取m=1.5mm,因?yàn)閐=26.0mm
Z=d/m=26/1.5=17.3；取18。
4.幾何尺寸計(jì)算：
1).計(jì)算分度圓直徑
d=Zm=18×1.5=27mm
2).齒寬
b=Qd=1×27=27mm
3).中心距
a=(d＋d)/2=24mm
5.驗(yàn)算：
F=N(式31)；
N/mm≥100N/mm(式32)；
合適。
七.蝸輪軸設(shè)計(jì)
1.求解軸上的功率P，轉(zhuǎn)速n,轉(zhuǎn)矩T
P=99.36×0.9=89.42KW
n=1400r/min
T=95.5×10×=6.1×10N·mm
2.求作用在齒輪上的力
已知齒輪的分度圓直徑為：d=27mm；
F=N
F=FN
蝸輪的分度圓直徑為d=258.3mm
F=
F=FN
F=FN
3.初步確定軸的最小直徑
初步估算軸的直徑。選取軸的材料為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)。取A=112，于是得：
d=Amm=18.01mm
由于軸安裝的是套筒的直徑是最小的，所以取套筒的直徑為19mm
4.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1).擬定軸上的零件的裝配方案
如圖所示的裝配方案
2).根據(jù)軸向定位確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
（1）.為了齒輪與蝸輪的周向定位,我們選用套筒,所以
mm；
mm；
（2）.由于齒寬b=27mm,所以mm,mm。
（3）．由于蝸輪長(zhǎng)度為82mm,所以mm,mm。
（4）．軸總長(zhǎng)mm。
圖五
3).軸上零件的周向定位
齒輪、蝸輪與軸的周向定位均采用花鍵聯(lián)接，由手冊(cè)查得平鍵截面b×h=8mm×7mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)為14mm,同時(shí)為了保證齒輪與軸配合有良好的對(duì)中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為,同樣，蝸輪與軸的配合選用，蝸輪輪轂與軸的配合為，軸承與軸的周向定位是借過(guò)渡配合來(lái)保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。
4).確定軸上圓角和倒角尺寸
取軸端倒角為1×45°。
5).按彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面B）的強(qiáng)度，根據(jù)[2]15-5及上面的數(shù)值，并取a=0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力
前已選定軸的材料為45鋼，由[2]表查得,故，故安全
八．差速器外殼的設(shè)計(jì)
用半徑為115mm,寬度為160mm的圓柱體。為便于安裝，把外殼分成兩部分，用螺栓聯(lián)接。在外殼與空心軸的連接處加個(gè)套筒，套筒直徑選用80mm，長(zhǎng)度15mm。在外殼與前、后蝸桿軸的聯(lián)接處加墊片，以減少之間的摩擦。在蝸桿與差速器殼處也用墊片。安裝時(shí)，我們把外殼與空心軸用花鍵聯(lián)接好，然后把前、后蝸桿軸套在外殼中，再來(lái)安裝好蝸輪軸最后用外殼、用螺栓擰緊。如圖六
圖六
九.參考車(chē)型相關(guān)數(shù)據(jù)
裝載重量：2.5t,汽車(chē)總重量：7.94t，發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率：P/n=99.36/3000KW；發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩：T/n=360∽380/1200∽1400Nm；主減速器傳動(dòng)比：6.17；輪胎尺寸：子午線輪胎11-18-4；變速器傳動(dòng)比：Ⅰ.5.31，Ⅱ.4.31，Ⅲ.2.45，Ⅳ.1.54，Ⅴ.1.00，R.7.66；分動(dòng)器傳動(dòng)比：高檔：1.08，低檔：2.05；最高車(chē)速：80km/h。
十.設(shè)計(jì)心得
經(jīng)過(guò)2個(gè)星期的托森差速器的設(shè)計(jì),我從中學(xué)習(xí)到了許多東西,讓我感受很深,使我受益匪淺。
在這次設(shè)計(jì)中,由于所有的設(shè)計(jì)說(shuō)明都要在電腦上完成,首先一點(diǎn)就是讓我更加熟悉對(duì)Word 文檔的使用程度,同時(shí)我也學(xué)會(huì)了怎樣利用公式編輯器來(lái)編入我需要輸入的公式.同時(shí)對(duì)我的打字速度也有了一定的提高.
其次,讓我又重新復(fù)習(xí)了一下我剛學(xué)過(guò)的《機(jī)械工程底盤(pán)》以及大三時(shí)候?qū)W習(xí)的《機(jī)械設(shè)計(jì)》和《機(jī)械原理》課程,同時(shí)也復(fù)習(xí)了一些《材料力學(xué)》以及大一時(shí)候?qū)W習(xí)的《畫(huà)法幾何》的知識(shí),還有大二時(shí)候?qū)W習(xí)的《CAD制圖技術(shù)》等,可以說(shuō)通過(guò)這次設(shè)計(jì),使我對(duì)現(xiàn)在和以前的課程和專(zhuān)業(yè)知識(shí)又復(fù)習(xí)了一遍,又鞏固了一遍,可以說(shuō)溫故而知新啊!增強(qiáng)了專(zhuān)業(yè)知識(shí),使我更加熟悉差速器的工作原理和設(shè)計(jì)過(guò)程.對(duì)托森差速器也有了更深刻的了解。并對(duì)差速器有了很深的了解，差速器有三大功用： 把發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力傳輸?shù)杰?chē)輪上； 充當(dāng)汽車(chē)主減速齒輪，在動(dòng)力傳到車(chē)輪之前將傳動(dòng)系的轉(zhuǎn)速減下來(lái) 將動(dòng)力傳到車(chē)輪上，同時(shí)，允許兩輪以不同的輪速轉(zhuǎn)動(dòng)。差速器就是一種將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩一分為二的裝置，允許轉(zhuǎn)向時(shí)輸出兩種不同的轉(zhuǎn)速。
在現(xiàn)代轎車(chē)或貨車(chē)，包括許多四輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)上，都能找到差速器。這些四輪驅(qū)動(dòng)車(chē)的每組車(chē)輪之間都需要差速器。同樣，其兩前輪和兩后輪之間也需要一個(gè)差速器。這是因?yàn)槠?chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，前輪較之后輪，走過(guò)的距離是不相同的。
部分四輪驅(qū)動(dòng)車(chē)前后輪之間沒(méi)有差速器。相反的，他們被固定聯(lián)結(jié)在一起，以至于前后輪轉(zhuǎn)向時(shí)能夠以同樣的平均轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是為什么當(dāng)四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)忙碌時(shí)，這種車(chē)輛轉(zhuǎn)向困難的原因。
不同車(chē)速下轉(zhuǎn)彎
我們將從最簡(jiǎn)單的一類(lèi)差速器——開(kāi)式差速器，講起。首先，我們需要了解一些技術(shù)：下圖就是一個(gè)開(kāi)式差速器部件。
當(dāng)一輛轎車(chē)沿著一條路直線行駛時(shí)，兩側(cè)車(chē)輪以同一轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。輸入小齒輪帶動(dòng)螺旋錐齒輪和殼體。殼體內(nèi)的小齒輪都不轉(zhuǎn)動(dòng)，兩邊的齒都有效的將殼體鎖住。
注意到輸入小齒輪的齒比螺旋錐齒輪的齒小。如果主減速比為4.10，螺旋錐齒輪的齒數(shù)就要比輸入小齒輪的齒多4.10倍。更多關(guān)于傳動(dòng)率的信息請(qǐng)參閱齒輪是如何工作的。
當(dāng)一輛汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，車(chē)輪必須以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
殼體內(nèi)的小齒輪在車(chē)輛轉(zhuǎn)向時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。以此實(shí)現(xiàn)兩側(cè)車(chē)輪以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。內(nèi)側(cè)車(chē)輪要比殼體轉(zhuǎn)得慢。但外側(cè)車(chē)輪就要轉(zhuǎn)得相對(duì)快點(diǎn)。
在薄冰上行駛
開(kāi)式差速器一般都是將相同大小的扭矩分配到兩側(cè)車(chē)輪上。有兩個(gè)因素決定分配到車(chē)輪扭矩的多少：設(shè)備及牽引力。在干燥的環(huán)境、有充足的牽引力的情況下，分配到車(chē)輪的扭矩受到發(fā)動(dòng)機(jī)及齒輪的限制；在牽引力較小的情況下，諸如在冰面上行駛。在這種情況下，扭矩的大小受限于車(chē)輪不至于打滑。所以，即使一輛車(chē)可以產(chǎn)生更大的扭矩，同樣需要足夠的牽引力用以將這些扭轉(zhuǎn)力矩傳輸?shù)降孛嫔?。如果?dāng)車(chē)輪開(kāi)始打滑時(shí)，你用力睬油門(mén)，只會(huì)使車(chē)輪轉(zhuǎn)得更快。
如果你曾經(jīng)在冰面上開(kāi)過(guò)車(chē)，你可能知道使加速變得容易的方法。那就是你不以一檔起步而是二檔起步，甚至是三檔。因?yàn)樽兯倨骼锏臋n位越高，傳到車(chē)輪上的扭矩會(huì)變的更少。這樣就會(huì)讓車(chē)輪在不轉(zhuǎn)的情況下加速更快。
當(dāng)一個(gè)汽車(chē)主動(dòng)輪在附著系數(shù)較高的路面上，而另一個(gè)主動(dòng)輪卻在冰面上時(shí)，會(huì)發(fā)生什么情況呢？這就是開(kāi)式差速器的問(wèn)題所在。
記住，開(kāi)式差速器總是運(yùn)用于兩輪轉(zhuǎn)矩相等的情況下，最大扭矩受限于最大防滑系數(shù)的限制。他并不會(huì)給在冰面上的車(chē)輪以更大的扭矩。而且牽引力好的那個(gè)車(chē)輪僅獲得很少量的扭矩。此時(shí)，你的車(chē)就不能正常運(yùn)行。
除此之外，開(kāi)式差速器可能在你越野的時(shí)候給你帶來(lái)麻煩。如果你有一輛前后都有差速器的四輪驅(qū)動(dòng)車(chē)或越野車(chē)，你可能被卡住。
開(kāi)式差速器一般都是給兩輪傳遞相等的扭矩。如果一側(cè)前輪及一側(cè)后輪陷入地中，兩輪只能在空無(wú)助的旋轉(zhuǎn)，汽車(chē)根本無(wú)法移動(dòng)。
這類(lèi)問(wèn)題只能通過(guò)防滑式差速器（LSD）來(lái)解決，有時(shí)也叫做“positraction”。防滑差速器使用多種機(jī)械技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)常規(guī)差速器使車(chē)輛轉(zhuǎn)彎的行為。當(dāng)一側(cè)車(chē)輪打滑時(shí)，提供更多的扭矩給不打滑的輪子。
由于托森差速器是一新的設(shè)計(jì)技術(shù)在以前書(shū)本很難查找到，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們大量的翻閱了書(shū)籍和網(wǎng)頁(yè)，并在遇到難關(guān)時(shí)得到老師的幫助，再發(fā)揮自己的想象力和書(shū)本上學(xué)過(guò)的知識(shí)終于設(shè)計(jì)出了結(jié)果。
最后就是讓我感悟到,作為一名技術(shù)員或設(shè)計(jì)員,一定要有專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)知識(shí)和設(shè)計(jì)精神,要有不怕苦,不怕累,勇于創(chuàng)新,敢于接受新挑戰(zhàn),要有耐心,不能浮躁,做事要穩(wěn)重,要有恒心和堅(jiān)定的信心。腳踏實(shí)地的精神。特別是作為一名設(shè)計(jì)人員一定要有細(xì)心,不能有半點(diǎn)馬虎,有認(rèn)真負(fù)責(zé)的精神。
通過(guò)這次設(shè)計(jì),為以后工作增加了大量的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),為以后自己的發(fā)展鋪下基石。同時(shí)也要感謝薛龍老師對(duì)我的指導(dǎo)和幫助!
十一.參考文獻(xiàn)
[1]濮良貴，紀(jì)名剛.《機(jī)械設(shè)計(jì)》.高等教育出版設(shè).
[2]申永勝.《機(jī)械原理教程》.清華大學(xué)出版社.
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[8]張文春.《汽車(chē)?yán)碚摗?機(jī)械工業(yè)出版社.
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設(shè)計(jì)者：王德龍 20
華東交通大學(xué)
目 錄
一．托森差速器的簡(jiǎn)介-------------------------------1
二．托森差速器的工作原理---------------------------2
三．蝸輪、蝸桿設(shè)計(jì)--------------------------------------------------5
四．蝸桿前、后軸的設(shè)計(jì)--------------------------------------------9
五．空心軸的設(shè)計(jì)----------------------------------------------------10
六．直齒圓柱齒輪設(shè)計(jì)------------------------------11
七．蝸輪軸設(shè)計(jì)------------------------------------14
八．差速器外殼的設(shè)計(jì)------------------------------16
九．參考車(chē)型相關(guān)數(shù)據(jù)------------------------------17
十．設(shè)計(jì)心得--------------------------------------17
十一.參考文獻(xiàn)---------------------------------------------------------20
設(shè)計(jì)者：王德龍 1