基于奥迪quattro全时四驱系统的托森差速器设计与仿真.docx

2025-04-14 本站作者【字体：大中小】

PAGE11

基于奥迪Quattro全时四驱系统的托森差速器设计与仿真

第1章前言

1.1课题的研究背景、及意义

自从法国人雷诺创造了汽车差速器的几百年以来，即使汽车上有万千个零件，但是差速器一直是汽车上的核心零部件之一，也就享有小零件大用的美誉。同时，雷诺也是法国汽车公司雷诺的主要创始人之一。众所周知，在地面侧向反力作用下，汽车会实现转弯，然而汽车转弯时内外侧的移动距离以及曲率半径是不一样的，外轮移动距离明显要大于内轮的移动距离。此时，差速器的功能与作用就显示出来了，即使得汽车转向轴的左右车轮以不同速度行驶来保证转向的稳定性。然而目前我国汽车差速器发展至今没有自己的核心技术，仍然要与美日德等汽车强国进行合资来保证我国差速器在大量使用下的差速器用量。即使我国差速器技术在近些年来已经取得十足的进步了，但是距离世界最先进水平的差速器还有一定的距离，同时这也多多少少阻碍了我国的汽车产业往高新技术含量方面的发展，也造成了不得不严重依赖于进口或者合资汽车厂。

1.2国内国外汽车差速器的研究发与展现状

当前如何使得汽车进一步的提高动力性的同时降低燃油经济性仍然是汽车发展方向的热门方向之一，要想兼顾动力性与燃油经济性，需要汽车每一个部件想协调并做出相应的调整。所以作为汽车核心部件的差速器当仁不让的成为了我们的研究对象，我们也正在研究改变的差速器的各种性能与设计，只有不断成熟我们的技术，才能是得差速器可以有进一步的发展。尤其是在近十多年来，人民生活在提高，有更多可支配收入可消费在汽车上，并且随着我国与世界的汽车产业在汽车性能上的发展，使得我国成为世界汽车生产与消费大国，我国已经成为世界上汽车行业生产和销售第一大国，根据官方的不完全统计资料，从2010年到2020年这十年来，每一年都在连续刷新世界的最高销售记录，特别地，在受到新型冠状病毒的影响下，我国在2020年的汽车销售量仍然高达2877万辆，在一次刷新销售记录。显然汽车已经成为了人们最重要的点对点，点对线，点对面的代步工具。然而对于普通的群众来说，对于汽车的关注点将从原来的价格质量转为汽车性能与经济型和安全性的方面转变。这些东西的好坏直接关系着一个车型的销售，然而也正是这些关注点的改变也迫使汽车生产厂商们对于汽车在性能上、经济、安全上的重视与改变，汽车行业中的各个厂商也在进行着激烈的竞争，主动积极研发新模式、新平台、新模块化生产的方式来促进汽车生产商的竞争力，只有主动把握新技术的发展方向，才能更好在竞争中胜出。

图1-1托森差速器

1.2.2国内汽车差速器的研究发展现状

从现阶段我国汽车发展形式来看，我国汽车产业自从之后的大规模的合资汽车厂的建立以来，，也取得了极大的进步，当然，汽车差速器也是一样取得的十足的成就，但现阶段仍然是我国汽车产业飞速发展的时代，汽车方向也不仅仅局限与汽车的本体上的零部件，也是正在想低燃油消耗高性能甚至是电动车、智能化的方向靠近，但是差速器在我国也经历着十足的改变，我们在这段时间内极其快速的提高我们差速器的自主核心技术。

差速器作为汽车的上的一个重要零部件，但是差速器也有着自己的缺陷，比如结构比差速器简单许多，零件也少上许多，所以很少有单独研究汽车差速器的论文，并且差速器在我国发展时间比较短，也缺少汽车生产商与学者们系统性的研究。

在2006年，吉大汽车实验室的蒋法国教授等人就对于差速器中的齿轮的应力校核与计算而研发了一种新型计算分析之法，通过仿真分心的有限元应用来进行应力分析，并且建立了一种高精度的参数化模型。这种算法通过改变差速器的外形及其尺寸来进行快速解除，在该模型的计算过程中，快速分析锥齿轮副所承受的转矩与弯矩及其它应力，通过APDL语言完成加载，并作出载荷分布。

在2007年，华中科技大学汽车实验室的研究人员及其学者对与差速器的齿轮接触中的碰撞应力进行模拟计算分析。建立了差速器中的齿轮模型，施加一定应力，通过该模型进行分析与计算进行碰撞模拟，成功完善差速器齿轮的使用寿命、碰撞分析、应力分析的模型，将我国差速器的研发推向新的高度。

2015年，重庆塘沽大学批准了一个新的基于差动圆柱刀具行星定位的行星交换项目。提出了一种用于差动安装的新型限流器，它由摩擦片和锥形板组成。建立了最终元件的微分模型，并对不同模型之间的差异进行了评价和分析。通过静力分析和共振分析，从理论上验证了新的差动限流器。基于粒子群优化算法，陈立青等建立了差分量化终端模型，验证了模型的准确性。

虽然我国对于差速器研究相对于国外起步晚，但是也经历过了短时间的飞速发展，而现在也正是我国汽车产业飞速发展的黄金时期，我们更加应该投入大量人力物力与资金来研发差速器，确保我们能赶上国外的差速器的研发水平，缩小我国差速器相对于世界先进水平甚至于超过。而现在国内仍然不够重视冠齿轮式差速器，托森差速器的研发，而是集中于有极大缺陷的锥齿轮式差速器，相较于国外成熟且大批量生产的限滑式差速器产业显得无比落后。并且我国也并不注重于差速器的准确性与精度的提升，导致我国汽车在传统底盘研发仍然要落后与国外并且严重依赖进口。

1.2.1国外汽车差速器的研究发展现状

至于国外的差速器研究的科研水平依然大幅领先我国国内的差速器的设计与研究水平，并且这个差距在短时间内没有大量资金、人力物力的注入很难赶上国外的先进水平，并且国外的汽车生产商以及相应的汽车零部件制造商们的汽车零部件生产水平非常之高，还在不断提高完善之中。例如，每年利润额高达14.827亿欧元的汽车零部件生产商的伊顿公司集团仍然在投入大量资金来研发汽车差速器，而且这个伊顿公司汽车集团的发动机管理水平领先全世界，其尾气和安全排放控制系统的管理范围在全球的激烈竞争中都是极其优秀的。该集团经过使用的高精度加工与先进制作方法等手段，来对汽车差速器的核心零件如轴承，传动齿轮以及其他部件进行大规模批量生产。伊顿公司汽车集团也正在对与新型的限滑式差速器进行研究开发，也正在研发锁止式差速器，锁止式差速器在伊顿公司的开发下，与其他的差速器与其他差速器有一定的差异，尤其是在差速器的工作原理以及结构形式上大为不同新设计的锁式差速器的工作原理和结构与原差速器不同。主要区别在于，当车轮从一侧向下滑动时，在正常运动过程中，传统的开式差速器很难保证方向盘向左右的有效扭矩，伊顿公司开发的新型封闭式差速器，可以在车轮打滑时关闭发动机，同时，将整个起动发动机的扭矩传递到作用下，以克服各种路况，装配后这类车辆的平顺性得到明显提高。使用有限的软件分析因此，如果一个方向是空的，那么伊顿开发的块式差速器会立即关闭驱动力，并将所有驱动力转移到车轮的另一侧，从而产生离合器，确保汽车在各个方向都能平稳运行。毫无疑问，最终目的是确保汽车平稳运行，包括提高车辆的平稳性和安全性，提高车辆质量要求。目前，发展汽车工业的新目标是提高汽车的经济效益、动力和性能。

汽车的需求越来越迫切。因此，汽车行业最重要的是保证自身安全。

当然，这是一般观点，但是，从车辆的角度来看，随着技术的发展，它会得到进一步的优化和区别对待。

同时，对车辆性能的要求也越来越高，尤其是在可衡量的施工方法方面。

图1-2对称式锥齿轮差速器

1.3差速器的简介

汽车的差速器使两侧（或前后轴）的行驶车轮以不同的速度运转，当汽车在地面上以某一角度曲线行驶的时候，两个行星齿轮和一个锥齿轮使左右车轮以不同的速度滚动不规则路面，即使得汽车左右两侧车轮保持着纯纯的滚动运动。差速器用于调整左右车轮之间的速度差。要在四轮驱动中驱动四个车轮，必须打开所有车轮。如果四个车轮是机械地转动的，为了使汽车在转弯时以相同的速度行驶，需要一个中间差速器来调整差值。

差速器这种自我调整也是一种自发的自动的调整，由地面作用与汽车轮胎的一个侧向反作用力，是得差速器中的行星齿轮在除了做自转运动还有绕着太阳轮做的公转运动。这其中有联系到了一种原理名为哦最小能耗原理，也就是说，咱们这个蓝色星球上的绝对物体都有熵增的原理，换句话说向着能耗最低的状态运动。同样的原理运用到汽车的差速器中，车轮在做曲线行驶的时候，我们不必消耗发动机的能量来使得车辆两侧保持着纯滚动运动，自然按照曲率半径来选择合适的转弯半径进行转弯，即自我调整左右车轮的转速,能够按照左右车轮保持纯滚动运动来实现转动。

由每一位汽车学子均可知道，汽车在转弯行驶的时候，左轮或右轮都会造成一种滑拖的状态，而另一侧则会有滑转的状态，两侧轮胎在行使过程中会由地面产生一个大小相同，方向相反的反作用力，有上述的原理可以推测出，此时定会出现驱动轮的两侧车速是不一样的，从而导致了两者的平衡关系被打破，并通过传动轴的力与力矩传到半轴齿轮上，强行带动行星齿轮除自转外还有公转，内外半轴的速度不一致而致使两侧车轮的汽车在转弯行驶时的转速不一致。

1.3.1汽车差速器的工作原理

图1-3差速器工作原理

1.3.2汽车差速器在汽车中的功用

汽车的每一个差速器都包含了大量的零件与部件，但是绝大多数的差速器当中都包含着一下几个部件：左右半轴齿轮，行星轮，太阳轮，行星架，齿轮架等核心部件。其中的行星齿轮就是用保证汽车两侧车轮的车速的不同来实现转弯，故而使得汽车在转弯时两侧车轮都不发生左右滑动的趋势，即使得两侧车轮不打滑行驶。每一辆汽车均包差速器，在小轿车当中一般使用的是轮间差速器，但是尤其是在四驱越野车中还有包含轴间差速器的设计。那么汽车安装差速器的作用就很明显了，就是为了保证左右两侧车轮的轮速的不一致。四驱车中，汽车开启四驱模式后，内燃机传出的功率有离合器，变速器，传动轴，万向节，主减速器等零件传到差速器之后，内燃机就可以驱使四个车轮转动，即前后车轮都是驱动轮，因此，整个汽车的四个轮胎成为一个整体，被差速器连接在一起的一个整体。由此我们可以知道，这种汽车在装配后，无论是前驱车，后驱车还是四驱车都可以使得前轴、后轴，左轮、右轮一不同车速转动以实现汽车的转弯前进

1.3.3汽车差速器的分类

差速器一般大概分为式差速器，限滑式差速器，托森差速器，锁止式差速器，粘性联轴器，冠齿式差速器。

a式差速器的介绍：

式差速器在汽车产业中应用的规模是最大的，但是式差速器由于在结构上的缺陷，导致其功能上也有很大缺点。下面将会详细介绍一下式差速器的缺陷而导致我们汽车生产商们逐渐青睐于限滑式差速器：由于式的差速器的转矩分配原理使得汽车驱动轮上的两侧转矩分配的转矩是相等的，故而当汽车行驶在两侧附着系数不同，尤其是当一侧的附着系数很小时，比如一侧式下雨后湿滑泥土路面时，转矩平均分配原理可知道，驱动轮一侧驱动力远大于该车轮的附着力而导致汽车一侧打滑而不能前进的现象。汽车总会有直线行驶的工况的时候，汽车左侧轮胎与右侧轮胎所受反作用力永远不会存在有不一致的情况，左右两个半轴的车速应该是一致的。其中半轴齿轮在传动轴的连接下与驱动轮胎连接起来。因此，在转矩与功率被层层传递，驱动轮轮胎转速与差速器中的从动齿圈转速相比，并没有发生任何变化。而当汽车在转弯行驶的工况下，其中一侧车轮的车速必须要低于另一侧的车速，而要想要该此种现象和状态发生，则必须要行星齿轮进行公转与自转，使得左右两侧半轴的转速出现差别，但是在这个工况下，力矩与功率的传递并没有发生任何变化。讲述了这么多式差速器的优点与工作原理，我们也需要提及一下式差速器的缺点，比如差速器左右两侧的转矩大小是相同的，甚至有可能造成将一半的转矩输出都不太需要转矩的一侧车轮，而造成改侧的车轮发生空转现象。

图1-4式差速器b限滑差速器的介绍

正是因为式或者说是锥齿轮式差速器的转矩平均分配原理和其他的在结构上的缺陷导致式差速器在近些年来的汽车零部件的市场的销售量有所下降，故而我们聪明的汽车生产商们将自己的目光聚集在了一种新型的限滑式差速器上。相较于式差速器的，限滑式差速器又多了两个很重要的结构，比如说弹簧压盘和离合器组件。下面我们将来分析一下限滑式差速器的工作原理和结构。当汽车在进行曲线行驶或者转弯工况下，且汽车具备有新型的限滑式差速器的汽车会使得汽车产生一个足够

因为式差速器有着很多的缺点，因此设计厂商又重新设计了新型的限滑差速器。与差速器相比较，他增加了两个零件，这两个零件分别是弹簧压盘和离合器组件。汽车在转弯的时候，配备有限滑差速器的车辆产生的力大到能够让半轴齿轮和离合器产生相对滑动。这样，左边和右边两驱动半轴的转速就不会相同。而分离离合器所在这个过程的扭矩分配是由弹簧组件的硬度和离合器材料的表面摩擦情况一起分配的。

优点：保证差速器在转动时不会发生空转。

图1-5限滑式差速器c锁止式差速器的介绍

锁止式差速器是式差速器发展过后的另一种系列，他的驱动桥实际上相当于一根实心轴，他的两半轴齿轮一般用电动气动或者是液压机构来锁止在一起的。一般配备锁止式差速器的车辆都是越野车或者越野赛车，因为此类车型经常会在路面状况极差的环境下行驶，很多时候一侧车轮都会离开地面。而锁止式差速器因为他相当于一根实心轴，因此就相当于把两侧车轮给直接连接在一体，这样他们之间的转速也就完全一样。

d托森差速器的介绍

Torsen差速器是限滑差速器（LimitedSlipDifferential）的一种，其名字来源于Torque-sensingTraction单词几个字母的组合。意为牵引力自感应式扭矩分配，通俗来讲就是扭矩输出是根据各个车轮的实际需求来分配的。他的两大关键结构是蜗轮、蜗杆齿轮啮合系统，正是双蜗轮蜗杆的相互啮合互锁和扭矩单向的从蜗轮传到蜗杆齿轮的构造，从而成功的保证了差速器的锁止功能，保证车辆在行驶的时候不打滑[8]。在弯道行驶车轮没有打滑时，如果汽车车向右转时，内侧车轮快，外侧车轮慢。对于托森差速器而言，左侧半轴驱动左侧蜗杆，并且凭借同步啮合齿轮来驱动车辆右侧的车轮，而当蜗杆驱动蜗轮时，他们两侧蜗杆就会自动的锁止。正是这一特性保证了没有打滑的车轮它的牵引力是足够让汽车正常行驶的。

Torsen差速器的特点：由于他是全时4驱，4个车轮都有牵引力的分配，汽车无论在各种路面上的性能都很好。实现了随时随地的扭矩管理，并且在这一过程中不会中断也不会产生损失。与其他的差速器相对比，托森差速器在结构的设计中并没有配备多片式离合器，因此在转动过程中就根本不会产生摩擦，因而不会对零件有任何的磨损，从而避免了我们维护的麻烦，他的可靠性是非常高的，他能够几乎所有的变速器、分配器正常一起的使用，能够与车辆的其他控制系统如安全控制系统等完美的相兼容。TorsenLSD是经典纯机械结构，他所独特线性锁止功能，是货真价实的全时四驱。

缺点：由于结构比较复杂，一方面导致加工制造难度十分大，所以整体成本过高，因此很多时候都只能够装备在高端车型上，另一方面造成整个汽车的自重过高，汽车加速性能相比其他没有配备托森的汽车加速性能逊色不少

。托森差速器是纯机械设计的典范，但是因此需要非常高的加工精度、高强度的材料、制造工艺，造成成本非常高。所以一般我们见到运用的车型都是奥迪旗下的高端车里面，在普通车型里面很少配备。

托森差速器的主要零部件结构及尺寸的设计

1涡轮、蜗杆的设计

1.蜗杆的传动类型选取

根据GB/T10085-1988的推荐,采用渐开线蜗杆(ZI)[11]。

3.按照齿面接触疲劳强度设计准则进行设计

按照闭式蜗杆传动的设计原则,我们进行设计时第一步按照齿面接触疲劳强度进行设计,之后再根据计算出来的数据校核齿根弯曲疲劳强度和传动中心矩：

（式3-1）；其中：

（式3-1）；

其中：

：蜗杆传动的中心距；