本文探討研究了在COSMOSMotion下的軸向滑塊凸輪式差速器運(yùn)動仿真相關(guān)內(nèi)容。
0引言
隨著計算機(jī)輔助設(shè)計制造技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)仿真技術(shù)已成為工程技術(shù)人員極其重要的科研工具，使得工程技術(shù)人員的設(shè)計方法和手段越來越豐富，計算機(jī)仿真技術(shù)在現(xiàn)代工程設(shè)計中發(fā)揮著極其重要的作用。
COSMOSMotion軟件是一種能為廣大用戶提供實(shí)現(xiàn)數(shù)字化功能樣機(jī)的優(yōu)秀工具，它與當(dāng)今主流的三維CAD軟件Solid Works無縫集成，是全功能的運(yùn)動仿真軟件，可以建立各種復(fù)雜運(yùn)動機(jī)構(gòu)的精確運(yùn)動模型，并對運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真，得到機(jī)構(gòu)中各零部件的運(yùn)動情況，分析其零件的位移、速度、加速度、作用力與反作用力等，并以圖形、動畫、表格等多種形式輸出運(yùn)算結(jié)果。通過對零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、應(yīng)用材料以及工作條件的調(diào)整，可得到不同的仿真結(jié)果，盡而選擇最佳設(shè)計方案。大大簡化了機(jī)構(gòu)的設(shè)計開發(fā)過程，縮短了開發(fā)周期，減少了開發(fā)費(fèi)用。同時又提高了產(chǎn)品質(zhì)量、總之.COSMOSMotion功能強(qiáng)大，求解可靠，求得的仿真結(jié)果與實(shí)際情況十分吻合，完全能夠滿足用戶對運(yùn)動仿真的各種需求。差速器是驅(qū)動橋的核心部件，它的性能好壞直接影響車輛的通過性。針對現(xiàn)有差速器存在的鎖緊系數(shù)小、尺寸大等問題，孫傳祝等人研制了一種軸向滑塊凸輪式差速器。該差速器的綜合性能好，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，提高了車輛的通過性。為此，本文根據(jù)軸向滑塊凸輪式差速器的設(shè)計要求和特點(diǎn)，利用COSMOSMotion軟件仿真模擬了該差速器的運(yùn)動和工作過程。利用運(yùn)動仿真技術(shù)分析研究了差速器的運(yùn)動特性，驗(yàn)證了其差速原理，并獲得了所需要的數(shù)據(jù)。
1差速器的用途
車輛在拐彎時，車輪的運(yùn)動軌跡是一條圓弧(如圖1所示)，在相同的時間里，兩側(cè)車輪滾動的距離不相等。即使車輛直線行駛，也會由于左右車輪在同一時間內(nèi)所滾過路面的垂向波形的不同，或由于左右輪胎氣壓、輪胎負(fù)荷、胎面磨損程度的不同以及制造誤差等因素，引起左右車輪外徑不同或滾動半徑不相等。為使車輪做純滾動，既不產(chǎn)生滑移又不產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)，則需兩側(cè)車輪存在一個轉(zhuǎn)速差，于是就有了差速器。差速器的作用是將主減速器傳來的動力傳遞給左、右半軸的同時，允許左右半軸以不同的速度旋轉(zhuǎn)，使得兩側(cè)車輪以純滾動的形式做不等距離行駛，以減少輪胎與地面的磨損，降低動力消耗。設(shè)計差速器時，要滿足左右兩側(cè)半軸的轉(zhuǎn)速之和等于差速器輸人轉(zhuǎn)速的兩倍這一關(guān)系。
2軸向滑塊凸輪式差速器簡介
2.1結(jié)構(gòu)組成
軸向滑塊凸輪式差速器主要由差速器殼、差速器蓋、差速輪、滑塊及碟形彈簧等組成，如圖2所示。
2.1.1差速輪
差速輪的凸輪面(工作面)為左右旋交替、螺距相同的螺旋面，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3所示，左右兩差速輪結(jié)構(gòu)相同，采用花鍵分別與左右半軸聯(lián)接。差速輪是該差速器的動力輸出件，它將動力通過花鍵軸傳遞給驅(qū)動輪。
2.1.2滑塊
滑塊為棱形，其兩端分別加有與差速輪相對應(yīng)的、左右交替的螺旋面。滑塊有兩種形式，為左右對稱的實(shí)體，如圖4所示，裝配時，沿差速器殼內(nèi)孔表面圓周方向相間地裝入軸向槽內(nèi)。滑塊的主要作用是將差速器殼傳遞來的動力分配給左右兩差速輪。
2.1.3差速器殼
差速器殼內(nèi)孔表面加工有多個軸向梯形槽，在帶動滑塊轉(zhuǎn)動的同時，差速時還允許滑塊沿軸向槽移動。它直接與主減速器的從動齒輪相連，把主減速器傳遞來的動力通過滑塊傳遞給左右兩差速輪。
2.2工作原理
車輛直線行駛時，左右兩輪受到地面的阻力矩相同，差速器分配給左右兩差速輪的轉(zhuǎn)矩也相同，左右兩差速輪與滑塊的轉(zhuǎn)速達(dá)到一種平衡狀態(tài)，三者轉(zhuǎn)速相同，此時差速器不起差速作用。
車輛轉(zhuǎn)彎時，由于外側(cè)驅(qū)動輪存在滑移趨勢，而內(nèi)側(cè)驅(qū)動輪存在滑轉(zhuǎn)趨勢，兩驅(qū)動輪此時就會產(chǎn)生兩個方向相反的附加力。根據(jù)"最小能耗原理"，驅(qū)動輪在轉(zhuǎn)彎時會自動趨向能耗最低狀態(tài)，導(dǎo)致兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速不同，并通過半軸反映到差速輪上，使得左右兩差速輪轉(zhuǎn)速也不相同，迫使滑塊在轉(zhuǎn)動的同時，克服碟形彈簧壓力產(chǎn)生軸向滑移。由于彈簧的軸向壓力作用，使滑塊兩端螺旋面始終與差速輪不同凸起的螺旋面相嚙合，從而保證兩側(cè)車輪在不脫離傳動的情況下實(shí)現(xiàn)差速。左右驅(qū)動輪之間的轉(zhuǎn)速差是由于行駛阻力大小不同造成的，正是這一轉(zhuǎn)速差迫使滑塊產(chǎn)生軸向滑移。
由于差速器殼直接與主減速器的從動齒輪相連，即為主動件，因此設(shè)差速器殼的角速度(即滑塊的角速度)為ωo，兩差速輪為從動件，設(shè)其角速度分別為ω1和ω2。當(dāng)車輛直線行駛時，差速器不起差速作用，滑塊也不會產(chǎn)生軸向滑移，此時ω1=ω2=ω0;車輛轉(zhuǎn)向時，ω1與ω2不相等，此時差速器起到差速作用，且應(yīng)滿足ω1+ω2=2ω。這里利用COSMOSMotion軟件，通過運(yùn)動仿真來驗(yàn)證軸向滑塊凸輪式差速器是否能夠滿足差速器的設(shè)計要求。
3運(yùn)動仿真
3.1仿真實(shí)體模型的建立
3.1.1零件實(shí)體模型的建立與裝配
三維實(shí)體模型的建立是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動仿真的基礎(chǔ)，正確與否直接影響著運(yùn)動仿真的結(jié)果。因此，應(yīng)按照二維圖形尺寸，利用特征選項(xiàng)里的拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣、鏡像及陣列等操作命令，分別對各零部件進(jìn)行準(zhǔn)確建模。
裝配是進(jìn)行運(yùn)動仿真的基本保障。通過指定零件各面之間的配合關(guān)系，來確定零件的相對位置并完成裝配，零件間的配合關(guān)系按其裝配關(guān)系進(jìn)行設(shè)置，配合關(guān)系的正確與否直接影響著運(yùn)動仿真的結(jié)果。在零件裝配過程中要按順序進(jìn)行，特別是滑塊與差速輪之間，一定要進(jìn)行碰撞檢查，以保證二者之間螺旋面的完全貼合。裝配時，只需按上述要求裝人相鄰的兩個滑塊即可，其余滑塊可采用圓周陣列裝人，簡化了裝配過程。由于仿真過程中采用的是虛擬彈簧，所以裝配過程中勿須裝人碟形彈簧。裝配完畢后進(jìn)行干涉檢查，查看各零件之間是否存在下涉。裝配完成后可生成爆炸圖(如圖2所示)，直觀地表達(dá)裝配關(guān)系與裝配意圖。
3.1.2運(yùn)動副和約束的建立
完成三維裝配之后，可在裝配模塊下直接進(jìn)人仿真環(huán)境。雖然COSMOSMotion可以自動識別SolidWorks裝配休零件間的約束副，但這些由自動映射得到的約束并不能滿足差速器的仿真要求。由于在滑塊裝配過程中采用了圓周陣列特征，而陣列滑塊與差速器殼間的約束關(guān)系無法白動映射，滑塊與差速器殼間只有相對滑動，因此滑塊與差速器殼間要建立移動副約束，使滑塊相對于差速器殼只能軸向移動，其余5個自由度受到限制。差速器殼為主動件，應(yīng)相對于裝配體添加一個旋轉(zhuǎn)副。其余構(gòu)件采用自動映射的約束，勿須再添加其它約束。
3.1.3碰撞約束的添加
差速器在運(yùn)行過程中，滑塊將差速器殼傳遞來的動力，通過滑塊與差速輪間的接觸碰撞和摩擦傳遞給兩側(cè)差速輪。所以.滑塊與差速輪間要添加3D碰撞，將滑塊與差速輪分別添加到容器1和容器2中，然后按實(shí)際工作情況進(jìn)行碰撞選項(xiàng)摩擦參數(shù)設(shè)置(根據(jù)實(shí)際情況直接從材料數(shù)據(jù)庫中獲得，如圖5所示)。
3.1.4彈簧的設(shè)置
由于COSMOSMotion軟件中沒有碟形彈簧模型，所以需要將碟形彈簧按實(shí)際工作參數(shù)轉(zhuǎn)化為圓柱螺旋彈簧，仿真效果完全相同。根據(jù)碟形彈簧剛度試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù).轉(zhuǎn)化為圓柱螺旋彈簧后的參數(shù)設(shè)置如圖6所示。
3.2運(yùn)動仿真
3.2.1差速行駛狀態(tài)仿真模擬
根據(jù)該差速器所用于車輛的行駛速度30~60km/h，經(jīng)換算后得差速器的角速度一般為1200~2400°/s，因此將差速器殼旋轉(zhuǎn)副速度設(shè)置為2000°/s。車輛轉(zhuǎn)彎時，左右兩驅(qū)動輪的阻力矩大小不同，所以應(yīng)給兩差速輪添加旋轉(zhuǎn)方向與差速器殼方向相反的單作用力矩，其值分別為40N·m和20N·m。設(shè)置運(yùn)動仿真時間為5s，幀數(shù)為5000，然后即可開始仿真運(yùn)算。根據(jù)運(yùn)算仿真結(jié)果，分別輸出左右差速輪在3.3~3.4，時間段的速度曲線如圖7所示，其中圖(a)的阻力矩為40N · m，圖(b ),的為20N·m。
由于仿真結(jié)果輸出csv后，一以電子表格的形式輸出了差速輪間隔0.001 s的角速度值，由此可求得左右兩差速輪的平均角速度分別為ω1=1976.8°/s;ω2=2021.1°/s，二者的平均值為1998.95°/s，由此得ω1+ω2≈2ω0，這也驗(yàn)證了軸向滑塊凸輪式差速器基本能夠滿足差速器的設(shè)計要求。
3.2.2直線行駛狀態(tài)仿真模擬
在差速行駛狀態(tài)模型基礎(chǔ)上，將兩差速輪的單作用力矩大小都設(shè)置為30 N·m,其余參數(shù)設(shè)置都不變，這樣即可進(jìn)行直線行駛狀態(tài)的仿真模擬。仿真時間設(shè)置為3s,幀數(shù)為3000，然后開始仿真運(yùn)算。根據(jù)仿真運(yùn)算結(jié)果，輸出左右兩差速輪0.07-0.17s時間段的速度曲線如圖8所示，其中圖(a)為左側(cè)差速輪的角速度曲線，圖(b)為右側(cè)差速輪的角速度曲線。并由此輸出csv后，以電子表格的形式輸出了差速輪間隔0.001 s的角速度值，由此求得差速輪的平均角速度分別為ω1=2000.3°/s , ω2=2001.2°/s。由此得ω1≈ω2≈ω0，ω1+ω2≈2ω0。
4結(jié)束語
本文根據(jù)差速器的設(shè)計要求，應(yīng)用Solidworks軟件制作了軸向滑塊凸輪式差速器主要零件的實(shí)體模型，并完成虛擬裝配。然后利用SolidWorks插件工具COSMOSMotion軟件，對該差速器進(jìn)行了運(yùn)動仿真。通過對各零部件的三維參數(shù)化建模、裝配及運(yùn)動仿真的有機(jī)結(jié)合，直觀、形象地再現(xiàn)了差速器的工作過程，一獲得了有關(guān)零件的運(yùn)動特性，分析計算結(jié)果表明，當(dāng)左右兩差速輪的合阻力矩為60N·m，且兩側(cè)阻力矩差為20N·m或0 N·m時，有ω1+ω2≈2ω0。因此，可以認(rèn)為軸向滑塊凸輪式差速器基本能夠滿足差速器的設(shè)計要求。另外，本文為差速器的設(shè)計與研究提供了一種方法和捷徑，在研發(fā)過程中應(yīng)用這種方法可大大縮短差速器的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，并為以后進(jìn)一步對這一新型差速器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、制造及運(yùn)動分析奠定了基礎(chǔ)。