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、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 潘虎*孫傳祝來源: 萬方數(shù)據(jù)
關鍵字: 差速器差速輪轉矩鎖緊系數(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)車輛轉彎行駛時的實際情況,利用COSMOS/M0TION編輯和添加相關約束、載荷等參數(shù)后,進行動態(tài)仿真。

在新車型的研發(fā)中,驅動橋作為汽車傳動系中的一個關鍵性部件,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。差速器的作用是當汽車轉彎行使或在不平路面上行使時,使左右驅動輪以不同的角速度滾動,以保證兩側驅動輪與地面問作純滾動運動。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,其應用領域各異,優(yōu)缺點明顯。

孫傳祝等在總結了各類差速器的優(yōu)缺點后,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,結構簡單,體積更小.成本低廉,已實際應用于發(fā)動機排量在400 mL以下(功率≤20 kw)的越野車,左右兩輪差速效果比較理想,兩半軸的轉矩也比較大。本文針對用于發(fā)動機排量為500 mL,即車輛功率增大后的該差速器做了進一步分析研究。

   1 結構及工作原理

   1.1 結構

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,其結構如圖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。左右差速輪的結構相同,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的、左右旋交替的螺旋面,如圖3所示。它有相互對稱的兩種形式,裝配時沿差速器殼內(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,因為差速輪螺旋面的母線內(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是差速器蓋的結構圖,裝配時差速器蓋通過螺栓連接在差速器殼上,潤滑油經(jīng)進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.動力由差速器殼通過滑塊帶動左右差速輪旋轉,并且在摩擦力作用下滑塊與羞速器殼之間也無相對滑動,三者轉速相等。

轉彎行駛時.由于兩驅動輪遇到的阻力不同,使得左右差速輪也產(chǎn)生轉速差。此時,滑塊除帶動兩差速輪轉動外,還在差速器殼內(nèi)孔表面的軸向槽內(nèi)軸向移動,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滑動。由于滑塊與左右差速輪產(chǎn)生的摩擦轉矩作用,使慢轉差速輪可以得到比快轉差速輪更大的轉矩。

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,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運動仿真概述

現(xiàn)代科學研究、生產(chǎn)開發(fā)、社會工程、經(jīng)濟運行中涉及的許多項目,都有一定的規(guī)模和復雜度。在進行項目設計和規(guī)劃時,往往需要對項目的合理性、經(jīng)濟性等品質加以評價;在項目實際運行前,也希望對項目的實施結果加以預測,以便選擇正確、高效的運行策略或提前糾正該項目設計中的缺陷,最大限度地提高實際系統(tǒng)的運行水平。采用仿真技術町以省時、省力.省錢地達到下述目的。

計算機仿真的顯著特點是:它是一種在計算機上進行試驗的方法,試驗所依賴的是實際產(chǎn)品抽象出來的仿真模型。由于這一特點,計算機仿真給出的是由試驗選出的較優(yōu)解,而不像數(shù)學分析方法那樣給出問題確定性的最優(yōu)解。

   2.2仿真設置

基于COSMOS/MOTION軟件的動態(tài)仿真,可以依據(jù)如圖6所示的基本步驟進行。為了達到仿真與實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,并設置差速器各零部件間的工作條件為潤滑,為各個零件設置密度和質量。

車輛轉彎時,由于地面施加給內(nèi)外側車輪的摩擦力不一樣,所以兩輪上的反轉矩也不相等。在仿真中給兩輪沒定不同的反轉矩值,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,最大驅動轉矩為140 N·m,因此,設定差速器殼(即滑塊)的角速度為ω0=2 000(°)/s,在30~140 N·m范圍內(nèi),給兩差速輪設置了多組合反轉矩值進行仿真模擬。

   2.3仿真結果分析

在仿真過程中,選取發(fā)動機排量為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)格的差速器進行動態(tài)仿真。為區(qū)分左右兩側差速輪,分別取名為輪l,輪2。仿真中發(fā)現(xiàn).當合反轉矩及反轉矩差不同時,差速器既有正常差速,也有反轉等非正常差速,還有差速不明顯或相當于直線行駛狀態(tài)的不差速。所謂反轉,就是添加較大反轉矩的差速輪旋轉方向與差速器殼的旋轉方向相反,即不正常結果。

   2.3.1 發(fā)動機排量為500 mL.螺距為84 mm時的仿真與分析在30~140 N·m范圍內(nèi),各組合反轉矩下的仿真統(tǒng)計結果如表1所示。

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由表l看出,當合反轉矩在50~110 N·m范圍內(nèi),反轉矩差≤24 N·m時,差速器在各合反轉矩下基本卜都能正常差速運行。圖7是兩輪的合反轉矩為100 N·m時差速輪的角速度曲線,其中圖7a、圖7b添加的反轉矩分別為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,而輪2的角速度在2 005(°)/s上下波動。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,可以認為,當兩輪的合反轉矩為100 N·m,且轉矩差為20 N·m時,能夠正常差速,并且ω1+ω2=2ω0。

   2)合反轉矩對差速效果的影響

仿真中發(fā)現(xiàn),如果差速輪合反轉矩降低到40 N·m時,差速就不明顯了。圖8是兩輪的合反轉矩為40 N·m時差速輪的角速度曲線,其中圖8a、圖8b添加的反轉矩分別為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;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,可認為當兩差速輪合反轉矩減小到40 N·m時.差速器基本上就不再差速了,而足以直線狀態(tài)運行。

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3)左右兩輪的轉矩分配關系

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

   k=T3/T0

   定義快慢差速論的轉矩之比T2/T1,為轉矩比,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,左右兩輪的轉矩比kb=1.11~1.35,如果主減速器傳給差速器的驅動轉矩為100N·m,則普通圓錐齒輪差速器的內(nèi)摩擦轉矩幾乎等于O,左右半軸轉矩比近似為50:50。

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

不同螺距軸向滑塊凸輪式差速器的仿真分析solidworks simulation應用技術圖片圖片10

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

   T1+T2=T0

上述仿真模擬的是車輛轉彎時的情況,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滑動均存在較大的摩擦.所以將產(chǎn)生一內(nèi)摩擦轉矩T3,該摩擦轉矩使慢轉的輪l轉矩增加,而使快轉的輪2轉矩減小。因此當左、右輪存在轉速差時,T1=(T0+T3)/2 ,T2=(T0-T3)/2即滿足


分析時截取合反轉矩在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)摩擦轉矩的平均值為24.86 N·m,左右兩輪的轉矩比平均值為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)動機排量為500 ml螺距為120 mm時的仿真與分析

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

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   3 結論

   1)當反轉矩差≤24N·m時,差速器在50-110N·m范圍內(nèi)的各反轉矩下,基本上都能正常差速運行,并且左右兩側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)當兩差速論合反轉矩減小到40N·m,且轉矩差≤30N·m時,差速器基本上就不再差速了。

   3)在發(fā)動機排量為500 mL,差速輪和滑塊的螺距為84 mm時,鎖緊系數(shù)的平均值為O.36,內(nèi)摩擦轉矩的平均值為24.86 N·m,左右兩輪的轉矩比為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,會得到不同的鎖緊系數(shù).兩輪轉矩比也會相應地增大。

   5)目前.該差速器在發(fā)動機500 mL以下排量(功率在25 kw以下)車輛上已得到r實際應用,效果良好。但是,用于發(fā)動機大排量車輛的差速器尚處于試驗研究階段,許多性能參數(shù)有待于進一步探討研究。

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