關亮亮 賴文鐵 徐宏波 徐子豪

摘 要：汽車差速器是能夠使左、右兩個驅動輪實現(xiàn)以不同轉速轉動的一種機構。主要由左右半軸齒輪、行星齒輪（至少一組）及齒輪架組成。功用是當汽車轉彎行駛或在不平路面上行駛時，使左右車輪以不同轉速滾動，即保證兩側驅動車輪作純滾動運動。托森（Torsen）差速器就是眾多差速器中十分著名的一種。文章將針對托森差速器，在3D建模軟件Solid Works中建立裝配模型，并對其進行運動學仿真，通過對運動學仿真結果分析，得到其運動特性。

關鍵詞：托森差速器;運動仿真;Solid Works

中圖分類號：TP23 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）12-85-03

Abstract： Automotive differential is a mechanism which allows the left and right driving wheels rotate at different speeds. It mainly consists of left and right half axle gears， planetary gears （a pair at least） and the gear frame. Its function is to allow the left and right wheels rolling at different speeds when the car is steering or driving on uneven roads， which ensure the pure rolling motion of the driving wheels on both sides. Torsen differential is one of the most famous differentials. In this paper， the assembly model of Torson differential is built in Solid Works， which is a 3D modeling software， and its kinematics simulation is carried out. Through the analysis of kinematics simulation results， the kinematics characteristics of Torson differential are obtained.

Keywords： Torsen Differential; Kinematics Simulation; Solid Works

CLC NO.： TP23 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）12-85-03

引言

汽車差速器是一種能夠使左、右驅動輪實現(xiàn)不同速度轉動的機械結構。功用是當汽車轉彎或駛過不平路面時，允許左右車輪以不同轉速滾動，進而保證兩側驅動車輪作純滾動。Torsen（托森）差速器，是一種由美國人發(fā)明的差速器，從最初的A型差速器到B型，再到現(xiàn)在的托森C型差速器，一共經歷三代產品。它利用蝸輪蝸桿傳動的不可逆性原理和齒面高摩擦條件，使差速器根據其內部差動轉矩的大小而自動鎖死或松開，這樣可以有效地提高汽車的通過能力。

本文將針對第一代托森差速器，即A型托森差速器（如圖1所示），進行3D模型建立和裝配及運動仿真，并對其差速結果和運動學特性進行分析。

1 裝配模型

本文章所建立3D模型的A型托森差速器，其主要參數如下：

利用三維軟件Solid Works建立模型如下圖所示：

2 運動仿真

2.1 仿真設置

分別按以下幾種工況進行運動仿真。

1）直線行駛工況，即左右半軸以相同的速度旋轉，在此工況下，將差速器殼體的轉速，與其中一個半軸的轉速設置成相同的數值，將另外一個半軸的轉速設置成為自由輸出端，同時輸出左右半軸及差速器殼體的轉速，并對三者的轉速關系進行分析。

2）差速行駛工況，即左右半軸以不同的速度旋轉，在此工況下，將差速器殼體的轉速設置成為固定轉速，其中一個半軸的轉速設置成與差速器轉速不同的數值，將另外一個半軸的轉速設置成為自由輸出端，同時輸出左右半軸及差速器殼體的轉速，并對三者的轉速關系進行分析。在此種工況運動仿真中，共進行兩種狀態(tài)的仿真，第一種是一個半軸轉速為0，第二種是將該半軸轉速設置為差速器轉速的一半。

在Solid Works軟件的運動仿真界面的motion分析，對黃色半軸與差速器殼體，分別設置兩個馬達。如下圖所示：

（a）在0-5s內，兩個馬達以相同轉速30RPM進行轉動。

（b）5-6s，黃色半軸的馬達速度減為0，差速器殼體仍以30RPM進行轉動。

（c）6-11s，黃色半軸馬達速度保持為0，差速器以30RPM進行轉動。

（d）11-12s，黃色半軸的馬達速度從0變?yōu)椴钏倨鳉んw的一半，即15RPM，差速器殼體仍以30RPM進行轉動。

（e）12-17s，黃色半軸的馬達速度以15RPM轉動，差速器殼體仍以30RPM進行轉動。

2.2 仿真結果

仿真后可知，各部分運轉嚙合良好，齒輪與其他部分裝配良好，無干涉現(xiàn)象。

最后得出各部分的轉速曲線，如下圖所示。由于差速器殼體在整個仿真過程中一直以固定的速度轉動，所以其轉速并未輸出用于分析。在Solid Works軟件motion模塊中轉速設置單位都是RPM，即每分鐘旋轉圈速，為方便對比，下面將RPM轉為DPS，即每秒轉過角度，轉變關系為：30RPM=180DPS。轉變后，將左右兩個半軸轉速曲線輸出，如圖4所示。

2.3 數據分析

若差速器殼體轉速為n0， 左半軸轉速為n1，右半軸轉速為n2，由以上仿真曲線可以得出結論：

1）左右半軸與差速器殼體轉速在所有工況下都滿足關系：n1+n2=2n0，即兩個半軸的轉速之和等于2倍的差速器殼體轉速。

2）直線行駛工況下，左右半軸與差速器殼體的轉速相同，n1=n2= n0=180DPS。

3）當左側半軸轉速為零時，n1=0，右側半軸的轉速為殼體轉速的2倍，n2=2n0。

4）當左側半軸轉速為殼體轉速一半時，即n1=n0/2= 90DPS，右側半軸的轉速滿足1）中所以得結論，即n2= 2n0- n1=1.5 n0=270DPS。

3 結論

通過本文中，對托森差速器進行了3D實體建模及運動仿真分析，可以得出該差速器的左右半軸和差速器殼體的轉速，在不同工況下的數學關系如下。在直線行駛的工況下，左右半軸和差速器殼體的轉速相同，三者同步旋轉。當出現(xiàn)轉彎或其它路況時，假設差速器殼體轉速不變，其中一個半軸轉速降低時，另外一個半軸的轉速會出現(xiàn)上升的情況，且二者降幅與增幅是相同的。通過進一步分析，左右半軸和差速器殼體的轉速始終滿足一個關系，即n1+n2=2n0。

在此結論基礎上，我們可以對該差速器的速度特性有了準確的了解，對差速器的工作方式和工作原理有了進一步的掌握。

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