不同螺距軸向滑塊凸輪式差速器的仿真分析

2013-05-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-www.br5w05v.cn 來源:仿真在線

作者: 潘虎*孫傳祝來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 差速器差速輪轉(zhuǎn)矩鎖緊系數(shù)
利用Solidworks軟件建立了軸向滑塊凸輪式差速囂的三維模型,并根據(jù)車輛轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)的實(shí)際情況,利用COSMOS/M0TION編輯和添加相關(guān)約束、載荷等參數(shù)后,進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。

在新車型的研發(fā)中,驅(qū)動(dòng)橋作為汽車傳動(dòng)系中的一個(gè)關(guān)鍵性部件,其性能直接影響著整車性能,而差速器則是其中的重中之重。差速器的作用是當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎行使或在不平路面上行使時(shí),使左右驅(qū)動(dòng)輪以不同的角速度滾動(dòng),以保證兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪與地面問作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。眾所周知,差速器的種類繁多,如開式、防滑式、鎖止式、電子差速鎖式,其應(yīng)用領(lǐng)域各異,優(yōu)缺點(diǎn)明顯。

孫傳祝等在總結(jié)了各類差速器的優(yōu)缺點(diǎn)后,提出了一種新型差速器--軸向滑塊凸輪式差速器。它是防滑差速器的一種,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積更小.成本低廉,已實(shí)際應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)排量在400 mL以下(功率≤20 kw)的越野車,左右兩輪差速效果比較理想,兩半軸的轉(zhuǎn)矩也比較大。本文針對(duì)用于發(fā)動(dòng)機(jī)排量為500 mL,即車輛功率增大后的該差速器做了進(jìn)一步分析研究。

   1 結(jié)構(gòu)及工作原理

   1.1 結(jié)構(gòu)

軸向滑塊凸輪式差速器主要由差速器殼、差速器蓋、差速輪、滑塊以及碟形彈簧等組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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差速輪的齒面為左右旋交替、螺距相間的螺旋面,從而沿圓周形成了多個(gè)形狀相同的凸起,且螺旋面的母線呈內(nèi)高外低的傾斜狀態(tài),如圖2所示。左右差速輪的結(jié)構(gòu)相同,通過花鍵與左右半軸連接。差速輪的背面加工有一條阿基米德螺旋線,用以將差速器殼外面的潤滑油引入殼內(nèi),為差速輪和滑塊創(chuàng)造潤滑條件。

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滑塊兩端分別加工有與差速輪相應(yīng)的、左右旋交替的螺旋面,如圖3所示。它有相互對(duì)稱的兩種形式,裝配時(shí)沿差速器殼內(nèi)孔表面的圓周方向相間地裝人內(nèi)孔表面的軸向槽內(nèi)。

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差速器殼內(nèi)表面加工有與滑塊數(shù)量相同的軸向槽,滑塊沿軸向槽移動(dòng),因?yàn)椴钏佥喡菪娴哪妇€內(nèi)高外低,而滑塊內(nèi)低外高.使得滑塊背面受到差速輪徑向力的作用,使其始終貼合在差速器殼的內(nèi)壁上.如圖4所示。

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圖5是差速器蓋的結(jié)構(gòu)圖,裝配時(shí)差速器蓋通過螺栓連接在差速器殼上,潤滑油經(jīng)進(jìn)油槽流入差速器殼體內(nèi),保證滑塊、差速輪以及差速器殼能夠在潤滑環(huán)境中正常工作。

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1.2工作原理

車輛直線行駛時(shí).動(dòng)力由差速器殼通過滑塊帶動(dòng)左右差速輪旋轉(zhuǎn),并且在摩擦力作用下滑塊與羞速器殼之間也無相對(duì)滑動(dòng),三者轉(zhuǎn)速相等。

轉(zhuǎn)彎行駛時(shí).由于兩驅(qū)動(dòng)輪遇到的阻力不同,使得左右差速輪也產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差。此時(shí),滑塊除帶動(dòng)兩差速輪轉(zhuǎn)動(dòng)外,還在差速器殼內(nèi)孔表面的軸向槽內(nèi)軸向移動(dòng),但由于碟形彈簧的軸向壓力作用,差速輪的螺旋面始終與滑塊的螺旋面嚙合.并且兩者之間存在相對(duì)滑動(dòng)。由于滑塊與左右差速輪產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩作用,使慢轉(zhuǎn)差速輪可以得到比快轉(zhuǎn)差速輪更大的轉(zhuǎn)矩。

軸向滑塊凸輪式差速器的鎖緊系數(shù)與凸輪表面的摩擦系數(shù)和傾角有關(guān),正是利用了滑塊與差速輪問產(chǎn)生的較大數(shù)值的內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)矩,才使得該差速器的鎖緊系數(shù)較大,成為一種高摩擦自鎖式差速器。

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   2仿真與分析

   2.1運(yùn)動(dòng)仿真概述

現(xiàn)代科學(xué)研究、生產(chǎn)開發(fā)、社會(huì)工程、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中涉及的許多項(xiàng)目,都有一定的規(guī)模和復(fù)雜度。在進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)和規(guī)劃時(shí),往往需要對(duì)項(xiàng)目的合理性、經(jīng)濟(jì)性等品質(zhì)加以評(píng)價(jià);在項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行前,也希望對(duì)項(xiàng)目的實(shí)施結(jié)果加以預(yù)測(cè),以便選擇正確、高效的運(yùn)行策略或提前糾正該項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的缺陷,最大限度地提高實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行水平。采用仿真技術(shù)町以省時(shí)、省力.省錢地達(dá)到下述目的。

計(jì)算機(jī)仿真的顯著特點(diǎn)是:它是一種在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)的方法,試驗(yàn)所依賴的是實(shí)際產(chǎn)品抽象出來的仿真模型。由于這一特點(diǎn),計(jì)算機(jī)仿真給出的是由試驗(yàn)選出的較優(yōu)解,而不像數(shù)學(xué)分析方法那樣給出問題確定性的最優(yōu)解。

   2.2仿真設(shè)置

基于COSMOS/MOTION軟件的動(dòng)態(tài)仿真,可以依據(jù)如圖6所示的基本步驟進(jìn)行。為了達(dá)到仿真與實(shí)際情況盡最大可能相符,在差速輪與滑塊、滑塊與差速器殼、差速輪與差速器殼之間分別添加了摩擦,并設(shè)置差速器各零部件間的工作條件為潤滑,為各個(gè)零件設(shè)置密度和質(zhì)量。

車輛轉(zhuǎn)彎時(shí),由于地面施加給內(nèi)外側(cè)車輪的摩擦力不一樣,所以兩輪上的反轉(zhuǎn)矩也不相等。在仿真中給兩輪沒定不同的反轉(zhuǎn)矩值,根據(jù)車輛的正常行駛速度及差速器的額定載荷,配有該差速器的車輛最高行駛速度約為50 km/h,車輪直徑為800 mm,最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為140 N·m,因此,設(shè)定差速器殼(即滑塊)的角速度為ω0=2 000(°)/s,在30~140 N·m范圍內(nèi),給兩差速輪設(shè)置了多組合反轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行仿真模擬。

   2.3仿真結(jié)果分析

在仿真過程中,選取發(fā)動(dòng)機(jī)排量為500 mL,差速輪(滑塊)螺旋面螺距分別為84 mm和120 mm兩組不同規(guī)格的差速器進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。為區(qū)分左右兩側(cè)差速輪,分別取名為輪l,輪2。仿真中發(fā)現(xiàn).當(dāng)合反轉(zhuǎn)矩及反轉(zhuǎn)矩差不同時(shí),差速器既有正常差速,也有反轉(zhuǎn)等非正常差速,還有差速不明顯或相當(dāng)于直線行駛狀態(tài)的不差速。所謂反轉(zhuǎn),就是添加較大反轉(zhuǎn)矩的差速輪旋轉(zhuǎn)方向與差速器殼的旋轉(zhuǎn)方向相反,即不正常結(jié)果。

   2.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)排量為500 mL.螺距為84 mm時(shí)的仿真與分析在30~140 N·m范圍內(nèi),各組合反轉(zhuǎn)矩下的仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

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由表l看出,當(dāng)合反轉(zhuǎn)矩在50~110 N·m范圍內(nèi),反轉(zhuǎn)矩差≤24 N·m時(shí),差速器在各合反轉(zhuǎn)矩下基本卜都能正常差速運(yùn)行。圖7是兩輪的合反轉(zhuǎn)矩為100 N·m時(shí)差速輪的角速度曲線,其中圖7a、圖7b添加的反轉(zhuǎn)矩分別為60 N·m和40 N·m。

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由圖7可以看出,輪l的角速度在1 995(°)/s上下波動(dòng),而輪2的角速度在2 005(°)/s上下波動(dòng)。在ExceI中輸出O.30~O.50 s范圍內(nèi)兩差速輪的角速度值.并計(jì)算其平均角速度得:ω1=l 994.472(°)/s,ω2=2005.488(°)/8,其平均值為l 999.98(°)/s。因此,可以認(rèn)為,當(dāng)兩輪的合反轉(zhuǎn)矩為100 N·m,且轉(zhuǎn)矩差為20 N·m時(shí),能夠正常差速,并且ω1+ω2=2ω0。

   2)合反轉(zhuǎn)矩對(duì)差速效果的影響

仿真中發(fā)現(xiàn),如果差速輪合反轉(zhuǎn)矩降低到40 N·m時(shí),差速就不明顯了。圖8是兩輪的合反轉(zhuǎn)矩為40 N·m時(shí)差速輪的角速度曲線,其中圖8a、圖8b添加的反轉(zhuǎn)矩分別為30 N·m和lO N·m。由圖8可以看出,兩差速輪的角速度均在2 O00(°)/s上下波動(dòng);輸出兩輪的角速度值后,所求得的各差速輪的平均角速度與滑塊角速度的差值均不超過O.1%。因此,可認(rèn)為當(dāng)兩差速輪合反轉(zhuǎn)矩減小到40 N·m時(shí).差速器基本上就不再差速了,而足以直線狀態(tài)運(yùn)行。

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3)左右兩輪的轉(zhuǎn)矩分配關(guān)系

差速器性能的主要評(píng)價(jià)參數(shù)是其鎖緊系數(shù),定義為差速器的內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)矩乃與差速器殼接受的轉(zhuǎn)矩T0之比,即

   k=T3/T0

   定義快慢差速論的轉(zhuǎn)矩之比T2/T1,為轉(zhuǎn)矩比,以kb表示

   kb=T2/T1=(1+k)/(1-k)

普通圓錐齒輪差速器的鎖緊系數(shù)為K=0.05~0.15,左右兩輪的轉(zhuǎn)矩比kb=1.11~1.35,如果主減速器傳給差速器的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為100N·m,則普通圓錐齒輪差速器的內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)矩幾乎等于O,左右半軸轉(zhuǎn)矩比近似為50:50。

仿真結(jié)束后,分別輸出差速器殼、差速輪的反作用轉(zhuǎn)矩曲線,圖9、圖lO分別就是左右輪合反轉(zhuǎn)矩為100 N·m、110N·m時(shí),輪l、輪2及差速器殼的反作用轉(zhuǎn)矩曲線,其中圖a,b分別是輪l、輪2的反作用轉(zhuǎn)矩曲線,圖c是差速器殼的反作用轉(zhuǎn)矩曲線。

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在Excel中分別輸出、并計(jì)算兩圖中差速器殼的反作用轉(zhuǎn)矩平均值,結(jié)果分別是100.47 N·m和110.78 N·m。根據(jù)作用力和反作用力的關(guān)系,輪l、輪2及差速器殼的反作用轉(zhuǎn)矩,即是它們各自的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。設(shè)由主減速器傳給差速器殼的轉(zhuǎn)矩為%,分配給輪l、輪2的轉(zhuǎn)矩分別為L和疋。由曲線圖和計(jì)算結(jié)果分析得到兩輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩符合下列關(guān)系

   T1+T2=T0

上述仿真模擬的是車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的情況,即ω1<ω2(輪l、輪2的角速度分別為ω1,ω2)。由于滑塊與羞速輪的螺旋面、以及差速輪與差速器殼間的相對(duì)滑動(dòng)均存在較大的摩擦.所以將產(chǎn)生一內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)矩T3,該摩擦轉(zhuǎn)矩使慢轉(zhuǎn)的輪l轉(zhuǎn)矩增加,而使快轉(zhuǎn)的輪2轉(zhuǎn)矩減小。因此當(dāng)左、右輪存在轉(zhuǎn)速差時(shí),T1=(T0+T3)/2 ,T2=(T0-T3)/2即滿足


分析時(shí)截取合反轉(zhuǎn)矩在50~llO N·m之間的一段數(shù)據(jù),并且從中提取出仿真中即將出現(xiàn)不正常差速的l臨界值,其如表2所示。

從表2中,可以得到在50~110 N·m范圍內(nèi),鎖緊系數(shù)的平均值為0.36,最大內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)矩的平均值為24.86 N·m,左右兩輪的轉(zhuǎn)矩比平均值為2.09。這與內(nèi)摩擦小,鎖緊系數(shù)小的普通錐齒輪差速器相比具有比較大的優(yōu)越性,基本上能滿足汽車越野通過性的要求。

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   2.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)排量為500 ml螺距為120 mm時(shí)的仿真與分析

在仿真中還選取發(fā)動(dòng)機(jī)排量為500 mL.螺距為120 mm的差速器模型作為仿真對(duì)象。圖11是發(fā)動(dòng)機(jī)排量500 mL.螺距為120 mm,兩差速輪輸入100 N·m合反轉(zhuǎn)矩時(shí),差速輪和差速器殼反作用轉(zhuǎn)矩曲線,其中罔a.b分別是輪l、輪2的反作用轉(zhuǎn)矩曲線,圖c是差速器殼的反作用轉(zhuǎn)矩曲線。

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   3 結(jié)論

   1)當(dāng)反轉(zhuǎn)矩差≤24N·m時(shí),差速器在50-110N·m范圍內(nèi)的各反轉(zhuǎn)矩下,基本上都能正常差速運(yùn)行,并且左右兩側(cè)差速論的角速度之和和近似等于差速器殼角速度的兩倍,

   即:ω1+ω2≈2ω0

   2)當(dāng)兩差速論合反轉(zhuǎn)矩減小到40N·m,且轉(zhuǎn)矩差≤30N·m時(shí),差速器基本上就不再差速了。

   3)在發(fā)動(dòng)機(jī)排量為500 mL,差速輪和滑塊的螺距為84 mm時(shí),鎖緊系數(shù)的平均值為O.36,內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)矩的平均值為24.86 N·m,左右兩輪的轉(zhuǎn)矩比為2.09,滿足了汽車越野通過性的要求。

   4)通過改變差速輪和滑塊的螺距.即改變螺旋面的傾角,會(huì)得到不同的鎖緊系數(shù).兩輪轉(zhuǎn)矩比也會(huì)相應(yīng)地增大。

   5)目前.該差速器在發(fā)動(dòng)機(jī)500 mL以下排量(功率在25 kw以下)車輛上已得到r實(shí)際應(yīng)用,效果良好。但是,用于發(fā)動(dòng)機(jī)大排量車輛的差速器尚處于試驗(yàn)研究階段,許多性能參數(shù)有待于進(jìn)一步探討研究。

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