越野汽车蜗轮蜗杆式限滑差速器的研究
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差速器的效率η0和传动功率η之间的关系是：
η=1- B （ 1-η0 ）=1- B K
2R 1+η0
2R
式中：B为驱动桥轮距； R 为转弯半径。
由以上分析可知， 差速器的差速器的效率η0 区别于传动效率η，前者仅与差速器的结构有关，
而后者还与汽车后驱动桥中间点的转弯半径R及
轮距B有关，并随R的变化而改变。 差速器的效率
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。
3.4 设计计算
由于蜗轮蜗杆差速器的特殊性， 欲通过实际
计算来寻求其与普通渐开线圆柱蜗杆传动的设计
差异。
以某越野车为例，已知参数：发动机额定功率
-3-
工作研究
1
0.9
0.8
传动效率
0.7
0.6
0.5
0.4 效率
0.3
0.2
0.1
0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
减小轮胎磨损等方面考虑， 转矩比Kb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
工作研究
大的另一端车轮产生足以克服行驶阻力的驱动
力。
3.3.2 差速器效率η0和传动效率η 差速器的效率是指差速器壳不转时， 一个
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7及蜗轮8绕半轴蜗杆5、9转动，实现动力从差速 器壳体到蜗杆轴进而到车轮的传递。 3.1 工作原理
当n1=n2汽车直线行驶时， 发动机的动力到达 差速器外壳3后，再通过蜗轮轴7传到蜗轮8，最后 传到左半轴蜗杆9和右半轴蜗杆5。左、右半轴蜗杆 轴将动力分别传至车轮。由于两蜗杆轴转速相等， 蜗轮和蜗杆中间没有相对转动， 两个啮合的直齿 圆柱齿轮5中间也没有相对转动，差速器壳与两蜗 杆 轴 均 绕 蜗 杆 轴 线 同 步 转 动 ，即n1=n2=n3，差 速 器 不起作用， 差速器外壳也将转矩平均分配给左右 半轴蜗杆。
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
由于此时两半轴转向相反，转速 相 等 ，即n1=
n2，故有
η0=
T1 T2
=
1 Kb
=
1-K 1+K
差速器的效率η0为其转矩比Kb的倒数。η0约为
0.1 （ 某 些 蜗 轮 式 差 速 器 ）～0.9 （ 普 通 的 圆 锥 行 星 齿
主题词：限滑差速器 蜗轮蜗杆式 高摩擦力矩 性能指标 设计计算 中图分类号：u463.218+.4 文献标识码：A
1 前言
普通圆锥行星齿轮式差速器内摩擦力矩小， 转矩平均分配给左、右驱动车轮，当在汽车越野行 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， 影响了汽车的通过性。 限（防）滑差速器它能使大 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， 有效地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。
接的影响。在汽车设计中是根据汽车的类型、性能
要 求 以 及 使 用 条 件 等 来 选 择 差 速 器 的 转 矩 比 Kb 的。 在一般的情况下， 从汽车的通过性的要求来
看 ，希 望 转 矩 比Kb的 值 越 大 越 好 ， 蜗 轮 蜗 杆 式 限 滑 差速器Kb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
限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、 自由轮式三种［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。
2 限滑差速器与普通差速器
汽车的驱动轮的总牵引力可能达到的最大
值 ［1］：
Ftmax=2Fφmin+
Tf rr
式 中 ：Ftmax― 驱 动 轮 总 牵 引 力 的 最 大 值 ；Fφmin― 附
图3.1 蜗轮蜗杆限滑差速器
蜗轮蜗杆限滑差速器由齿轮轴1、从动输出轴 2、差速器壳体3、空心轴4、右半轴蜗杆5、直齿圆柱 齿 轮 6 （12 个 ）、 蜗 轮 － 齿 轮 轴 7 （6 个 ）、 蜗 轮 8 （6 个 ）、 左半轴蜗杆9等组成。空心轴2与差速器壳体3通过 花键连接， 每个蜗轮－齿轮轴6的中间有一个蜗轮 8， 其两侧各有1个尺寸完全相同的直齿圆柱齿轮 6，而蜗轮－齿轮轴6则安装在差速器壳体3上。其中 左边3个蜗轮8与左半轴蜗杆9相啮合， 另右边3个 蜗轮8与右半轴蜗杆5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。左半轴蜗杆与齿轮轴1 为一体，右半轴蜗杆5与从动输出轴4为一体。
作者简介： 王 欢 ，（1977－），女 ，湖 北 十 堰 ，硕 士 ，讲 师 ，从 事 机 械 设 计 、机 械 原 理 和 先 进 制 造 技 术 等 方 面 的 研 究 。
-1-
工作研究
3
4
1
2
5 6 9
8 7
1-差速器齿轮轴 4-从动输出轴 3-差速器壳体 4-空心轴 5-右半轴蜗杆 6-直齿圆柱齿轮 7-蜗轮轴 8-蜗轮 9 -左半轴蜗杆
差 速 器 的 转 矩 分 配 特 性 可 以 用 转 矩 比Kb来
表示两侧驱动车轮的转矩可能相差的最大倍数，
即
Kb=
T2 T1
转矩比Kb＞1。 对于托森差速器，其转矩比Kb值
的大小取决于蜗杆的螺旋升角以及传动的摩擦条
件：Kb=
tan（γ+ρv） tan（γ-ρv）
。
其中，γ为蜗杆节圆柱上螺旋线
的升角，ρv为蜗杆蜗轮啮合面上的摩擦角。 当γ=ρv
数, 表明内摩擦转矩占差速器传递转矩的比例，
K= T2-T1 = Tf T1+T2 T0
锁紧系数K其数值大小一般为 0～1，普通差速
器K=0.05～0.15， 滑块凸轮式差速器K=0.5～0.7，摩
擦 片 式 自 锁 差 速 器 K=0.6～0.7， 蜗 轮 蜗 杆 式 差 速 器
K=0.7～0.8［4］。
《装备维修技术》2010 年第 4 期（总期第 138 期）
工作研究
越野汽车蜗轮蜗杆式限滑差速器的研究
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：蜗轮蜗杆限滑差速器克服普通锥齿轮差速器平均分配转矩防滑性能差的缺点，有效地提高了汽车的通过性 和安全性。 首先对限滑差速器和普通锥齿轮差速器性能进行分析比较，然后介绍了蜗轮蜗杆差速器的结构、工作原理、转 矩分配原理以及性能评价指标，最后以某越野汽车为实例对其蜗轮蜗杆差速器进行设计计算。
着力较 小 的 驱 动 轮 与 地 面 的 附 着 力 ；Tf― 差 速 器
的内摩擦力矩；rr―车轮的滚动半径。 由此可见， 由于差速器的内摩擦的存在使汽
车的总牵引力增大了Tf /rr。 普通圆锥行星齿轮式 差速器的内摩擦力矩不大， 所以驱动轮的总牵引 力的增大不大于它的4％～6％。 因此，当Fφmin很小时 （比如陷入泥坑时）， 汽车的总驱动 力Ftmax将 会 很 小。 这样，汽车的通过性就不好。 高摩擦式差速器 有较大的内摩擦力矩， 使得作用在汽车的驱动轮 上 的 总 牵 引 力 增 大 10％～15％ ， 蜗 轮 蜗 杆 式 托 森 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。
锁紧系数
图 3.4 差速器效率 η0、传动效率 η和锁紧系数 k
p0＝112KW； 额 定 转 速 n0=2700r/min； 变 速 器 最 大 速
比 imax =4.141； 主 减 速 器 速 比 i =41/16； 轮 距 B =
1820mm；后桥中心点最小转弯半径＝8077mm。
由于属于高摩擦式差速器， 因此该蜗轮蜗杆
3 蜗轮蜗杆式托森差速器
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 。 差 速 器 的 结 构 如 图3.1所 示。
《装备维修技术》2010 年第 4 期（总期第 138 期）
节，从而使汽车转弯时有良好的驾驶性。
3.3 性能指标
蜗轮差速器的具体评价指标通常用锁紧系数
K、转矩比Kb、差速器效率η0、差速器 传 动 效 率η等 参 数 来 表 示 ［3］。
3.3.1 锁紧系数K与转矩比Kb 锁紧系数K是表征限滑差速器限滑能力的参
7- 蜗 轮 轴
n0 8-蜗轮
6- 直 齿 圆 柱 齿 轮
5- 右 半 轴 蜗 杆
n1
n2
9- 左 半 轴 蜗 杆
3- 差 速 器 壳 体
图3.2 直线行驶（n1=n2）
n0
n1
n2
图3.3 左右车轮转速不等（n1≠n2）
3.2 转矩分配原理 蜗轮式托森差速器是利用蜗杆传动副的高内
摩擦力矩Tf来进行转矩分配的。 转矩分配为T1=T0Tf，T2=T0+Tf，T1为 旋 转 较 快 的 半 轴 齿 轮 上 的 转 矩 ， T2为 旋 转 较 慢 的 半 轴 齿 轮 上 的 转 矩 ，Tf为 差 速 器 壳 上的转矩， 为差速器元件在相对运动时所产生的 内摩擦转矩。 由此可见，当汽车在转弯时，转速较 低的车轮得到了较大的驱动力， 如果由于驱动力 过大而使车轮打滑，此时，该车轮转速加快，同时 部分驱动力立刻回转给另外一个车轮。 该差速器 驱动力的分配可以根据汽车转弯的要求自动调
η=1- B （ 1-η0 ）=1- B K
2R 1+η0
2R
式中：B为驱动桥轮距； R 为转弯半径。
由以上分析可知， 差速器的差速器的效率η0 区别于传动效率η，前者仅与差速器的结构有关，
而后者还与汽车后驱动桥中间点的转弯半径R及
轮距B有关，并随R的变化而改变。 差速器的效率
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。
3.4 设计计算
由于蜗轮蜗杆差速器的特殊性， 欲通过实际
计算来寻求其与普通渐开线圆柱蜗杆传动的设计
差异。
以某越野车为例，已知参数：发动机额定功率
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工作研究
1
0.9
0.8
传动效率
0.7
0.6
0.5
0.4 效率
0.3
0.2
0.1
0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
减小轮胎磨损等方面考虑， 转矩比Kb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
工作研究
大的另一端车轮产生足以克服行驶阻力的驱动
力。
3.3.2 差速器效率η0和传动效率η 差速器的效率是指差速器壳不转时， 一个
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7及蜗轮8绕半轴蜗杆5、9转动，实现动力从差速 器壳体到蜗杆轴进而到车轮的传递。 3.1 工作原理
当n1=n2汽车直线行驶时， 发动机的动力到达 差速器外壳3后，再通过蜗轮轴7传到蜗轮8，最后 传到左半轴蜗杆9和右半轴蜗杆5。左、右半轴蜗杆 轴将动力分别传至车轮。由于两蜗杆轴转速相等， 蜗轮和蜗杆中间没有相对转动， 两个啮合的直齿 圆柱齿轮5中间也没有相对转动，差速器壳与两蜗 杆 轴 均 绕 蜗 杆 轴 线 同 步 转 动 ，即n1=n2=n3，差 速 器 不起作用， 差速器外壳也将转矩平均分配给左右 半轴蜗杆。
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
由于此时两半轴转向相反，转速 相 等 ，即n1=
n2，故有
η0=
T1 T2
=
1 Kb
=
1-K 1+K
差速器的效率η0为其转矩比Kb的倒数。η0约为
0.1 （ 某 些 蜗 轮 式 差 速 器 ）～0.9 （ 普 通 的 圆 锥 行 星 齿
主题词：限滑差速器 蜗轮蜗杆式 高摩擦力矩 性能指标 设计计算 中图分类号：u463.218+.4 文献标识码：A
1 前言
普通圆锥行星齿轮式差速器内摩擦力矩小， 转矩平均分配给左、右驱动车轮，当在汽车越野行 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， 影响了汽车的通过性。 限（防）滑差速器它能使大 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， 有效地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。
接的影响。在汽车设计中是根据汽车的类型、性能
要 求 以 及 使 用 条 件 等 来 选 择 差 速 器 的 转 矩 比 Kb 的。 在一般的情况下， 从汽车的通过性的要求来
看 ，希 望 转 矩 比Kb的 值 越 大 越 好 ， 蜗 轮 蜗 杆 式 限 滑 差速器Kb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
限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、 自由轮式三种［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。
2 限滑差速器与普通差速器
汽车的驱动轮的总牵引力可能达到的最大
值 ［1］：
Ftmax=2Fφmin+
Tf rr
式 中 ：Ftmax― 驱 动 轮 总 牵 引 力 的 最 大 值 ；Fφmin― 附
图3.1 蜗轮蜗杆限滑差速器
蜗轮蜗杆限滑差速器由齿轮轴1、从动输出轴 2、差速器壳体3、空心轴4、右半轴蜗杆5、直齿圆柱 齿 轮 6 （12 个 ）、 蜗 轮 － 齿 轮 轴 7 （6 个 ）、 蜗 轮 8 （6 个 ）、 左半轴蜗杆9等组成。空心轴2与差速器壳体3通过 花键连接， 每个蜗轮－齿轮轴6的中间有一个蜗轮 8， 其两侧各有1个尺寸完全相同的直齿圆柱齿轮 6，而蜗轮－齿轮轴6则安装在差速器壳体3上。其中 左边3个蜗轮8与左半轴蜗杆9相啮合， 另右边3个 蜗轮8与右半轴蜗杆5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。左半轴蜗杆与齿轮轴1 为一体，右半轴蜗杆5与从动输出轴4为一体。
作者简介： 王 欢 ，（1977－），女 ，湖 北 十 堰 ，硕 士 ，讲 师 ，从 事 机 械 设 计 、机 械 原 理 和 先 进 制 造 技 术 等 方 面 的 研 究 。
-1-
工作研究
3
4
1
2
5 6 9
8 7
1-差速器齿轮轴 4-从动输出轴 3-差速器壳体 4-空心轴 5-右半轴蜗杆 6-直齿圆柱齿轮 7-蜗轮轴 8-蜗轮 9 -左半轴蜗杆
差 速 器 的 转 矩 分 配 特 性 可 以 用 转 矩 比Kb来
表示两侧驱动车轮的转矩可能相差的最大倍数，
即
Kb=
T2 T1
转矩比Kb＞1。 对于托森差速器，其转矩比Kb值
的大小取决于蜗杆的螺旋升角以及传动的摩擦条
件：Kb=
tan（γ+ρv） tan（γ-ρv）
。
其中，γ为蜗杆节圆柱上螺旋线
的升角，ρv为蜗杆蜗轮啮合面上的摩擦角。 当γ=ρv
数, 表明内摩擦转矩占差速器传递转矩的比例，
K= T2-T1 = Tf T1+T2 T0
锁紧系数K其数值大小一般为 0～1，普通差速
器K=0.05～0.15， 滑块凸轮式差速器K=0.5～0.7，摩
擦 片 式 自 锁 差 速 器 K=0.6～0.7， 蜗 轮 蜗 杆 式 差 速 器
K=0.7～0.8［4］。
《装备维修技术》2010 年第 4 期（总期第 138 期）
工作研究
越野汽车蜗轮蜗杆式限滑差速器的研究
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：蜗轮蜗杆限滑差速器克服普通锥齿轮差速器平均分配转矩防滑性能差的缺点，有效地提高了汽车的通过性 和安全性。 首先对限滑差速器和普通锥齿轮差速器性能进行分析比较，然后介绍了蜗轮蜗杆差速器的结构、工作原理、转 矩分配原理以及性能评价指标，最后以某越野汽车为实例对其蜗轮蜗杆差速器进行设计计算。
着力较 小 的 驱 动 轮 与 地 面 的 附 着 力 ；Tf― 差 速 器
的内摩擦力矩；rr―车轮的滚动半径。 由此可见， 由于差速器的内摩擦的存在使汽
车的总牵引力增大了Tf /rr。 普通圆锥行星齿轮式 差速器的内摩擦力矩不大， 所以驱动轮的总牵引 力的增大不大于它的4％～6％。 因此，当Fφmin很小时 （比如陷入泥坑时）， 汽车的总驱动 力Ftmax将 会 很 小。 这样，汽车的通过性就不好。 高摩擦式差速器 有较大的内摩擦力矩， 使得作用在汽车的驱动轮 上 的 总 牵 引 力 增 大 10％～15％ ， 蜗 轮 蜗 杆 式 托 森 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。
锁紧系数
图 3.4 差速器效率 η0、传动效率 η和锁紧系数 k
p0＝112KW； 额 定 转 速 n0=2700r/min； 变 速 器 最 大 速
比 imax =4.141； 主 减 速 器 速 比 i =41/16； 轮 距 B =
1820mm；后桥中心点最小转弯半径＝8077mm。
由于属于高摩擦式差速器， 因此该蜗轮蜗杆
3 蜗轮蜗杆式托森差速器
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 。 差 速 器 的 结 构 如 图3.1所 示。
《装备维修技术》2010 年第 4 期（总期第 138 期）
节，从而使汽车转弯时有良好的驾驶性。
3.3 性能指标
蜗轮差速器的具体评价指标通常用锁紧系数
K、转矩比Kb、差速器效率η0、差速器 传 动 效 率η等 参 数 来 表 示 ［3］。
3.3.1 锁紧系数K与转矩比Kb 锁紧系数K是表征限滑差速器限滑能力的参
7- 蜗 轮 轴
n0 8-蜗轮
6- 直 齿 圆 柱 齿 轮
5- 右 半 轴 蜗 杆
n1
n2
9- 左 半 轴 蜗 杆
3- 差 速 器 壳 体
图3.2 直线行驶（n1=n2）
n0
n1
n2
图3.3 左右车轮转速不等（n1≠n2）
3.2 转矩分配原理 蜗轮式托森差速器是利用蜗杆传动副的高内
摩擦力矩Tf来进行转矩分配的。 转矩分配为T1=T0Tf，T2=T0+Tf，T1为 旋 转 较 快 的 半 轴 齿 轮 上 的 转 矩 ， T2为 旋 转 较 慢 的 半 轴 齿 轮 上 的 转 矩 ，Tf为 差 速 器 壳 上的转矩， 为差速器元件在相对运动时所产生的 内摩擦转矩。 由此可见，当汽车在转弯时，转速较 低的车轮得到了较大的驱动力， 如果由于驱动力 过大而使车轮打滑，此时，该车轮转速加快，同时 部分驱动力立刻回转给另外一个车轮。 该差速器 驱动力的分配可以根据汽车转弯的要求自动调
