差速器的運動仿真與分析

2013-06-19  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

利用COSMOS/Motion軟件對該差速器進行了大量的運動仿真。仿真結果表明,當兩側差速輪(半軸齒輪)反轉矩差為20 N m左右時,其差速輪的角速度之和近似等于差速器殼角速度的兩倍,且基本能夠滿足轉矩分配關系T1+T2=T0,其鎖緊系數和轉矩分配系數比較大,提高了車輛的越野能力。

目前,國內車輛所配備的防滑自鎖式差速器包括高摩擦式、自由輪式和變傳動比式等。高摩擦式有帶摩擦元件的圓錐齒輪式、滑塊凸輪式和蝸輪式等。在普通錐齒輪差速器基礎上改進的帶摩擦元件的圓錐齒輪差速器雖然結構簡單,摩擦系數較高,但其體積大,影響車輛的越野性能。為了提高車輛通過性,又出現了滑塊凸輪式差速器,這種差速器的轉矩比可達2.3~3.0,有較高的轉向操縱靈活性,但其結構比較復雜,精度、技術要求高,制造困難,成本很高。自由輪式差速器可分為滾柱式和牙嵌式,滾柱式只用于傳遞載荷不大的場合,牙嵌式改進后有良好的使用性,其鎖緊系數可為無限大,使汽車的通過性有了很大提高,但其左右輪傳遞轉矩時斷時續,導致傳動裝置內載荷不均勻。
   
中國是人口大國,隨著經濟的飛速發展,國內汽車的生產量和消售量在國際市場都占有很大的比重,為了適應汽車的發展需求,孫傳祝等人研制了“軸向滑塊凸輪式差速器”,路試結果已表明,該新型產品體積小,越野能力強,穩定性較好。
   
為了提高軸向滑塊凸輪差速器的結構設計水平,我們對這種差速器進行運動仿真與分析,探討滑塊的運動規律,建立左右兩側差速輪(半軸齒輪)與差速器殼之間的運動關系。

1 軸向滑塊凸輪式差速器的建模與裝配

    1.1結構分析及建模
   
軸向滑塊凸輪式差速器卞要由差速器殼、差速輪、滑塊及碟形彈簧等組成,如圖1所示。

    1.1.1差速輪
   
差速輪的凸輪面(工作面)為左右螺旋交替、螺距相同的螺旋面,且螺旋面的母線呈內高外低的傾斜狀態如圖2b所示,通過與滑塊的螺旋凹面相嚙合而驅動車輛行駛。左由兩差速輪結構相同,均采用花鍵與左右半軸聯接。
   
由草圖尺寸旋轉而得到外形實體輪廓后,即可對差速輪的工作內進行建模。首先插入螺旋線如圖2a,注意保證其直徑和螺距,以便于裝配。由于螺旋內(工作內)左右對稱,選擇掃描輪廓所在基準平內為鏡像平內來鏡像螺旋內,便得到一個凸峰,然后再經圓周陣列,即得到一完整的差速輪工作內如圖2b所示。

    1.1.2滑塊
   
滑塊外形結構如圖3c所示為棱形,有相互對稱的兩種形式,其兩端分別加工有與差速輪相對應的、左右交替的螺旋凹面,差速時沿差速輪凸輪內滑動。裝配時,兩種形式的滑塊沿差速器殼內孔表內的圓周方向,相間地裝入軸向槽內。滑塊的背面靠梯形凸起與差速器殼內孔表內的軸向槽相配合,使滑塊在隨差速器殼轉動的同時,還可沿軸向槽相對于差速器殼移動。
   
滑塊的建模過程如圖3所示。首先在與螺旋線直徑相同的圓柱面上插入螺旋線,并選擇要求的恒定螺距,再畫出掃描輪廓,然后進行掃描切除即得到一個螺旋面如圖3a所示,然后鏡像出另一個面如圖3b所示。最后再做一旋轉軸圓周陣列出其它兩個螺旋面如圖3c所示。由于滑塊的兩種形式相互對稱,因此只需對一種形式建模,然后鏡像即可。

    1.1.3麥速器殼與殼速器蓋
   
差速器殼和差速器蓋用螺栓與車輛主減速器的從動輪固定在一起,作為動力源輸入轉矩。差速器殼的內孔表面加工有軸向槽如圖4所示),以此帶動滑塊轉動,并在差速過程中,允許滑塊相對于差速器殼做軸向移動。

差速器殼、差速器蓋以及碟形彈簧等零件的建模比較簡單,畫出草圖后采用旋轉、拉伸、陣列等特征即可完成,這里不再贅述。

    1.2差速器的裝配
   
為了便于后面的運動分析,裝配前需建立一圓柱形零件作為差速器運動的固定參考件。插入差速器殼、差速輪及滑塊等其它零件時,均將其定義為相對于固定參考件的活動零件。除“同軸”、“重合”等基本操作外,應特別注意差速輪與滑塊間的“碰撞檢查”,還應注意陣列關系的解除等。最后,檢查各處是否存在運動干涉。

2 運動仿真結果及分析

    2.1模擬仿真前的處理
   
首先在Solidworks中設置COSMOS/Motion插件,然后打開差速器裝配文件,讓裝配關系自動映射成約束條件。另外還要設置一些運動分析參數,才能保證分析結果的正確性。

2.1.1添加摩擦
   
由于各相對運動零件之間均存在摩擦,因此需要對有接觸、碰撞關系的各個約束條件添加摩擦。由于差速器各零件的材料均為鋼材,工作過程中各摩擦表面之間均能實現潤滑油潤滑,因此在使用材料對話框中選擇Steel(Creasy)材料,其余設置為默認即可。

    2.1.2設置碰撞
   
差速器運行過程中,滑塊與左右差速輪之間存在摩擦碰掛,因此需要設置碰撞條件。在COSMOS/Motion的碰掛菜單中選擇“添加3D碰撞”,并在對話框中設置兩個碰撞容器,然后將所有滑塊和左右兩差速輪分別放在這兩個容器中。最后,在碰撞按鈕下選擇使用材料為Sleel(Greasy),其余默認。

    2.1.3添加線性彈簧
   
差速器的運動分析過程中,碟形彈簧的設置尤為重要。由于Solidworks中沒有碟形彈簧數據參數,設置時只能采用圓柱螺旋彈簧代替。因此,必須把碟形彈簧的各種參數換算成圓柱螺旋彈簧參數,才能進行運動分析。筆者將材料為60Si2MnA的碟形彈簧,在液壓機上做了壓縮變形試驗,所得數據如圖5所示。

    由圖5可以看出,變形量在400~160Oμm時比較平穩,是穩定的工作區間。因此,取彈簧極限壓縮量的70%作為該彈簧的額定壓縮量,其剛度為1200N/mm左石。由手冊查得4種圓柱螺旋彈簧的一此性能參數如表1所示,其單圈剛度均與碟形彈簧相近。

在COSMOS/Motion下根據圓柱彈簧的參數來設置添加的參數,筆者汽先選擇第一組參數進行仿真運動。

    2.1.4添加角速度
   
由前面的分析知,車輛行駛中差速器殼為主動件,因此需要給差速器殼設置一角速度。根據該差速器所用車輛的行駛速度,運動仿真時給差速器殼設置一繞z軸旋轉的恒定角速度為2000°/s。

    2.2仿真結果及分析
   
模擬仿真時,其禎數設置為5000禎。根據車輛常用的驅動轉矩,筆者對左右兩差速輪取90,70,60和40N m四組不同的合反轉矩進行了運動仿真,其結果如表2所示。

由表2發現,當兩側差速輪的反轉矩之差為20N m時,速器正常差速;≥30 Nm時則產生反轉等現象,為正常差速;當合反轉矩≤70 Nm,且兩側差速輪的反轉矩差≤10Nm時,差速效果一直不明顯。
   
COSMOS/Motion軟件可輸出左右兩差速輪的角速度曲線,因此通過該曲線來分析仿真模擬結果。圖6所示是合反轉矩為90N m、反轉矩差為10N m的左右兩差速輪的角速度曲線。可以看出,兩差速輪的角速度曲線分別在差速器殼角速度。ω0=2000°/s時上下波動,差速比較明顯。

為了更清楚地說明差速器殼與左右兩差速輪的運動關系,可將仿真結果以Excel表格的形式輸出數據如表3所示。由表3看出,左右兩差速輪的平均角速度之和為4000.1°/s,近似等于差速器殼角速度ω0=2000°/s的兩倍,因此可以說差速器殼與左右兩輪的運動關系基本符合ω1+ω2=2ω0這一特性。    

圖7是差速器殼的轉矩T0曲線圖,可以看出,其值在9090N m上下輕微波動。而兩側差速輪的合反轉矩也為90N m,這說明左右兩差速輪的反轉矩之和近似等于差速器殼的驅動轉矩,即基本符合差速器的轉矩分配關系T1+T2=T0。

根據轉矩比表達式K=T2/T1,由表2可得該差速器的轉矩比約為2~3,說明該差速器的鎖緊系數較大,可以大大提高汽車的通過性。而差速器的轉矩分配特性用轉矩分配系數若=T2/T0來表,由表2得該差速器的轉矩分配系數為0.61~0.75,因此可進一步提高車輛的越野性能。

3 結論
   
在給定差速器殼恒定角速度ω0=2000°/s的前提下,通過對軸向滑塊凸輪式差速器的仿真運動分析,得到如下結論:
   
1)該差速器在兩側差速輪反轉矩差為20Nm左右時,其差速輪的角速度之和近似等于差速器殼角速度的兩倍,即ω1+ω2=2ω0。
   
2)該差速器基本能夠滿足轉矩分配關系T1+T2=T0。
   
3)該差速器的鎖緊系數比較大,轉矩分配系數達0.61~0.75,提高了車輛的越野能力。

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