搜索差速器的運(yùn)動(dòng)仿真與分析
2013-06-19 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線(xiàn)
利用COSMOS/Motion軟件對(duì)該差速器進(jìn)行了大量的運(yùn)動(dòng)仿真。仿真結(jié)果表明,當(dāng)兩側(cè)差速輪(半軸齒輪)反轉(zhuǎn)矩差為20 N m左右時(shí),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(mǎn)足轉(zhuǎn)矩分配關(guān)系T1+T2=T0,其鎖緊系數(shù)和轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)比較大,提高了車(chē)輛的越野能力。
目前,國(guó)內(nèi)車(chē)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(dòng)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(chǔ)上改進(jìn)的帶摩擦元件的圓錐齒輪差速器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,摩擦系數(shù)較高,但其體積大,影響車(chē)輛的越野性能。為了提高車(chē)輛通過(guò)性,又出現(xiàn)了滑塊凸輪式差速器,這種差速器的轉(zhuǎn)矩比可達(dá)2.3~3.0,有較高的轉(zhuǎn)向操縱靈活性,但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,精度、技術(shù)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(chǎng)合,牙嵌式改進(jìn)后有良好的使用性,其鎖緊系數(shù)可為無(wú)限大,使汽車(chē)的通過(guò)性有了很大提高,但其左右輪傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)斷時(shí)續(xù),導(dǎo)致傳動(dòng)裝置內(nèi)載荷不均勻。
中國(guó)是人口大國(guó),隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,國(guó)內(nèi)汽車(chē)的生產(chǎn)量和消售量在國(guó)際市場(chǎng)都占有很大的比重,為了適應(yīng)汽車(chē)的發(fā)展需求,孫傳祝等人研制了“軸向滑塊凸輪式差速器”,路試結(jié)果已表明,該新型產(chǎn)品體積小,越野能力強(qiáng),穩(wěn)定性較好。
為了提高軸向滑塊凸輪差速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平,我們對(duì)這種差速器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真與分析,探討滑塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,建立左右兩側(cè)差速輪(半軸齒輪)與差速器殼之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
1 軸向滑塊凸輪式差速器的建模與裝配
1.1結(jié)構(gòu)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(xiàn)呈內(nèi)高外低的傾斜狀態(tài)如圖2b所示,通過(guò)與滑塊的螺旋凹面相嚙合而驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。左由兩差速輪結(jié)構(gòu)相同,均采用花鍵與左右半軸聯(lián)接。
由草圖尺寸旋轉(zhuǎn)而得到外形實(shí)體輪廓后,即可對(duì)差速輪的工作內(nèi)進(jìn)行建模。首先插入螺旋線(xiàn)如圖2a,注意保證其直徑和螺距,以便于裝配。由于螺旋內(nèi)(工作內(nèi))左右對(duì)稱(chēng),選擇掃描輪廓所在基準(zhǔn)平內(nèi)為鏡像平內(nèi)來(lái)鏡像螺旋內(nèi),便得到一個(gè)凸峰,然后再經(jīng)圓周陣列,即得到一完整的差速輪工作內(nèi)如圖2b所示。
1.1.2滑塊
滑塊外形結(jié)構(gòu)如圖3c所示為棱形,有相互對(duì)稱(chēng)的兩種形式,其兩端分別加工有與差速輪相對(duì)應(yīng)的、左右交替的螺旋凹面,差速時(shí)沿差速輪凸輪內(nèi)滑動(dòng)。裝配時(shí),兩種形式的滑塊沿差速器殼內(nèi)孔表內(nèi)的圓周方向,相間地裝入軸向槽內(nèi)?；瑝K的背面靠梯形凸起與差速器殼內(nèi)孔表內(nèi)的軸向槽相配合,使滑塊在隨差速器殼轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí),還可沿軸向槽相對(duì)于差速器殼移動(dòng)。
滑塊的建模過(guò)程如圖3所示。首先在與螺旋線(xiàn)直徑相同的圓柱面上插入螺旋線(xiàn),并選擇要求的恒定螺距,再畫(huà)出掃描輪廓,然后進(jìn)行掃描切除即得到一個(gè)螺旋面如圖3a所示,然后鏡像出另一個(gè)面如圖3b所示。最后再做一旋轉(zhuǎn)軸圓周陣列出其它兩個(gè)螺旋面如圖3c所示。由于滑塊的兩種形式相互對(duì)稱(chēng),因此只需對(duì)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(chē)輛主減速器的從動(dòng)輪固定在一起,作為動(dòng)力源輸入轉(zhuǎn)矩。差速器殼的內(nèi)孔表面加工有軸向槽如圖4所示),以此帶動(dòng)滑塊轉(zhuǎn)動(dòng),并在差速過(guò)程中,允許滑塊相對(duì)于差速器殼做軸向移動(dòng)。
差速器殼、差速器蓋以及碟形彈簧等零件的建模比較簡(jiǎn)單,畫(huà)出草圖后采用旋轉(zhuǎn)、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(yùn)動(dòng)分析,裝配前需建立一圓柱形零件作為差速器運(yùn)動(dòng)的固定參考件。插入差速器殼、差速輪及滑塊等其它零件時(shí),均將其定義為相對(duì)于固定參考件的活動(dòng)零件。除“同軸”、“重合”等基本操作外,應(yīng)特別注意差速輪與滑塊間的“碰撞檢查”,還應(yīng)注意陣列關(guān)系的解除等。最后,檢查各處是否存在運(yùn)動(dòng)干涉。
2 運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果及分析
2.1模擬仿真前的處理
首先在Solidworks中設(shè)置COSMOS/Motion插件,然后打開(kāi)差速器裝配文件,讓裝配關(guān)系自動(dòng)映射成約束條件。另外還要設(shè)置一些運(yùn)動(dòng)分析參數(shù),才能保證分析結(jié)果的正確性。
2.1.1添加摩擦
由于各相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件之間均存在摩擦,因此需要對(duì)有接觸、碰撞關(guān)系的各個(gè)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(guò)程中各摩擦表面之間均能實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油潤(rùn)滑,因此在使用材料對(duì)話(huà)框中選擇Steel(Creasy)材料,其余設(shè)置為默認(rèn)即可。
2.1.2設(shè)置碰撞
差速器運(yùn)行過(guò)程中,滑塊與左右差速輪之間存在摩擦碰掛,因此需要設(shè)置碰撞條件。在COSMOS/Motion的碰掛菜單中選擇“添加3D碰撞”,并在對(duì)話(huà)框中設(shè)置兩個(gè)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(gè)容器中。最后,在碰撞按鈕下選擇使用材料為Sleel(Greasy),其余默認(rèn)。
2.1.3添加線(xiàn)性彈簧
差速器的運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程中,碟形彈簧的設(shè)置尤為重要。由于Solidworks中沒(méi)有碟形彈簧數(shù)據(jù)參數(shù),設(shè)置時(shí)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(shù)換算成圓柱螺旋彈簧參數(shù),才能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。筆者將材料為60Si2MnA的碟形彈簧,在液壓機(jī)上做了壓縮變形試驗(yàn),所得數(shù)據(jù)如圖5所示。
由圖5可以看出,變形量在400~160Oμm時(shí)比較平穩(wěn),是穩(wěn)定的工作區(qū)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(cè)查得4種圓柱螺旋彈簧的一此性能參數(shù)如表1所示,其單圈剛度均與碟形彈簧相近。
在COSMOS/Motion下根據(jù)圓柱彈簧的參數(shù)來(lái)設(shè)置添加的參數(shù),筆者汽先選擇第一組參數(shù)進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)。
2.1.4添加角速度
由前面的分析知,車(chē)輛行駛中差速器殼為主動(dòng)件,因此需要給差速器殼設(shè)置一角速度。根據(jù)該差速器所用車(chē)輛的行駛速度,運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)給差速器殼設(shè)置一繞z軸旋轉(zhuǎn)的恒定角速度為2000°/s。
2.2仿真結(jié)果及分析
模擬仿真時(shí),其禎數(shù)設(shè)置為5000禎。根據(jù)車(chē)輛常用的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,筆者對(duì)左右兩差速輪取90,70,60和40N m四組不同的合反轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真,其結(jié)果如表2所示。
由表2發(fā)現(xiàn),當(dāng)兩側(cè)差速輪的反轉(zhuǎn)矩之差為20N m時(shí),速器正常差速;≥30 Nm時(shí)則產(chǎn)生反轉(zhuǎn)等現(xiàn)象,為正常差速;當(dāng)合反轉(zhuǎn)矩≤70 Nm,且兩側(cè)差速輪的反轉(zhuǎn)矩差≤10Nm時(shí),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(xiàn),因此通過(guò)該曲線(xiàn)來(lái)分析仿真模擬結(jié)果。圖6所示是合反轉(zhuǎn)矩為90N m、反轉(zhuǎn)矩差為10N m的左右兩差速輪的角速度曲線(xiàn)。可以看出,兩差速輪的角速度曲線(xiàn)分別在差速器殼角速度。ω0=2000°/s時(shí)上下波動(dòng),差速比較明顯。
為了更清楚地說(shuō)明差速器殼與左右兩差速輪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,可將仿真結(jié)果以Excel表格的形式輸出數(shù)據(jù)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(shuō)差速器殼與左右兩輪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系基本符合ω1+ω2=2ω0這一特性。
圖7是差速器殼的轉(zhuǎn)矩T0曲線(xiàn)圖,可以看出,其值在9090N m上下輕微波動(dòng)。而兩側(cè)差速輪的合反轉(zhuǎn)矩也為90N m,這說(shuō)明左右兩差速輪的反轉(zhuǎn)矩之和近似等于差速器殼的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,即基本符合差速器的轉(zhuǎn)矩分配關(guān)系T1+T2=T0。
根據(jù)轉(zhuǎn)矩比表達(dá)式K=T2/T1,由表2可得該差速器的轉(zhuǎn)矩比約為2~3,說(shuō)明該差速器的鎖緊系數(shù)較大,可以大大提高汽車(chē)的通過(guò)性。而差速器的轉(zhuǎn)矩分配特性用轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)若=T2/T0來(lái)表,由表2得該差速器的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)為0.61~0.75,因此可進(jìn)一步提高車(chē)輛的越野性能。
3 結(jié)論
在給定差速器殼恒定角速度ω0=2000°/s的前提下,通過(guò)對(duì)軸向滑塊凸輪式差速器的仿真運(yùn)動(dòng)分析,得到如下結(jié)論:
1)該差速器在兩側(cè)差速輪反轉(zhuǎn)矩差為20Nm左右時(shí),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(mǎn)足轉(zhuǎn)矩分配關(guān)系T1+T2=T0。
3)該差速器的鎖緊系數(shù)比較大,轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)達(dá)0.61~0.75,提高了車(chē)輛的越野能力。
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