直齿差速器设计构想与运动仿真

0 概述
差速器是汽车驱动桥的主要部件。它的功能就是在向 两边半轴传递动力的同时, 允许两边半轴以不同的转速旋 转, 满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶, 减 少轮胎与地面的摩擦 。目前, 汽车上广泛应用的是对称式 锥齿轮差速器, 这种差速器全部由锥齿轮组成。本文构想了 一种全部由直齿轮组成的差速器来代替目前广泛使用的锥 齿轮差速器, 在满足使用性能的前提下, 更具备加工性能和制 造成本方面的优势。
设计
研究
分析
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文章编号 : 1002- 6886( 2009) 01- 0032- 02
直齿差速器设计构想与运动仿真
张晋西, 张甲瑞, 郭学琴, 周静
( 重庆工学院汽车学院 , 重庆 400050) 摘要: 本文构想并设计了一种直齿轮差速器, 与传统锥齿轮差速器具有同样的功能, 通过 Solid W o rks /CO M OS M otion 运动仿真, 分 析了各构件的运动特性, 验证了理论推导的正确性, 为汽车差速器的改进设计提供了新的思路。 关键词: 差速器 齿轮 运动仿真 Solid W o rks COS M OSM otion 中图分类号: TP391 文献标识码: A
H 12
Hale Waihona Puke Baidu1 普通圆锥齿轮差速器功能与基本原理
对称式锥齿轮差速器结构如图 1所示, r 为车辆转弯时 不同的转弯半径, 2 L 为车两后轮轮距。它由圆锥行星齿轮、 行星齿轮轴、 圆锥半轴齿 轮和差速器壳等组成, 发 动机的转动经变速后传 给差速器的锥齿轮 1 ,最 终由半轴锥齿轮 3 和 5 输出不同的转速。根据 轮系传动比计算理论 , 可以得到差速器传动比 为: z5 n3 - nH H = - = -1 i35 = z3 n5 - nH 即: ( 1)
6 结论
H
-
H
) / (
4
)
本文构想并设计了直齿轮差速器, 通过 Solid W orks/ COM OS M otion运动仿真, 验证了理论推导的正确性。直齿 轮差速器在结构上与传统的锥齿轮差速器在结构上有较 大区别 , 对汽车差速器的改进设计具有一定的价值。
参考文献
1陈家瑞. 汽车构造 (M ). 北京: 机械工业出版社, 2004 .6 2申永胜. 机械原理教程 (M ). 北京: 清华大学出版社, 2004 . 12 3张晋西, 郭学琴. Solid W orks 及 COSMOSM otion 机械仿真设 计 (M ). 北京: 清华大学出版社, 2007 . 1 4陈辛波, 李晏. 空间交 错 轴等 角速 传动 RCCR 双 曲 柄机 构的 分析 ( J). 上海: 机械设计, 1999 . 5
3 2 1
5 空间交错轴机构改变传动方向
差速器输入运动与输出运动须成 90# 关系。为此 , 可 引入 RCCR 双曲柄机构
[ 4]
, 如图 5 所示 , 它与直齿轮差速
器连成一体 , 改变转矩传递方向 , 它由构件 1、 2、 3 及机架 组成, 含有二个转动副 ( R ) 和二个圆柱副 ( C ), 其中构件 1 和 2、 2和 3 组成两个圆柱副 , 构件 1 和 3 分别与机架组 成两个转 动副。经过对 其仿 真分析, 结果 表明这是一 种 结构简单、 构件少 , 低副结构 耐磨损性好的等角速 回转双 曲柄机构 , 可 应用于空间 交 错轴的等角速传动。
将 ( 6)代如 ( 5)则得到公式 ( 2), 由此证明了直齿差速器 也能实现差速功能, 也就是说图 2的设计是可行的。
3 三维建模与运动仿真
本文用 SolidW orks 进行 直齿差速器三维建模如图 3 , 其中, 行星轮 4的齿数 Z4 = 30 ; 中心轮 1的内齿轮齿数: Z1 = 90 , 外齿轮齿数: Z1 ! = 54 ; 中心轮 2的齿数 Z2 = Z 2 ! = 30 ; 取 两 半轴 齿轮 Z3 = 60 , Z5 = 36 。
Design Sche m e and K ine m atical Si mulation of Spur Gear D ifferential
ZHANG J inx,i ZHANG J iaru,i GUO Xueqin , ZHOU Jing
Abstract : Th is article introduces us a design of spur gear differentia,l which has the sa m e function w ith trad itional bevel gear . So lid W orks/COMOSM otion has been used to S m i ulate and analyzes kine ma tica l features o f every co mponen, t which testifies theory illation s co r rectness and g ives us a new way to m i prove the automob ile differentia.l K eywords : differentia;l gear ; k ine m atical sm i ulation; so lid w orks ; CO S MO S M otion
4 运动仿真
COSMOSM otion是 Solid W orks 的一个外插件, 可用来进 行机械仿真, 它的计算部分内核是著名的多体动力学软件 ADAM S 。它与 SolidW orks 无缝集成, 直接对三维装配体各零 件添加运动、 约束、 力、 碰撞等, 可对机械进行运动和动力仿真 模拟, 用动画、 图形、 数据等多种形式输出零部件的轨迹、 速 度、 加速度、 作用力、 反作用力等运动和动力参数。 在运动分析之前, 必须用各种运动副, 如旋转副, 移动 副, 球面副等将各零件联接起来。装配时添加的各种配合, 将 自动映射为运动分析的约束, 本文用耦合方式模拟轮系的运 转 [ 3] , 可以得到比较流畅、 快速的运动效果。耦合设置中, 主 动齿轮和从动齿轮转动角度之比, 为两轮齿数之比。 如果把行星架视为机架, 所有齿轮相对于行星架转动, 就是一个定轴轮系, 各齿轮相对于行星架的角速度之比, 等于 其齿数的反比。这就是转化轮系计算周转轮系的概念。 中心轮 1相对于行星架的角速度 ∀ 行星 4相对于行星架的角速度 = ( = - z2 /z1 = 30 / 90 中心轮 2相对于行星架的角速度 ∀ 行星 4相对于行星架的角速度 = ( = - z2 /z3 = - 30 / 30 耦合仿真要注意, 必须满足中心轮 1 、 中心轮 2、 行星 4 都有与行星架组成的运动副, 如果没有, 则要添加旋转副, 否则不能设置耦合转动。 设定半轴 3 转速为
[ 1]
nH =
1 (n + n5 ) 2 3
( 2)
其中, n3 、 n5 为两半轴即两输出轴的转速, nH 为行星架转速, z3、 z5 分别为两半轴 3和 5的齿数。结合车辆转弯时不同的 转弯半径, 得到两个车轮的转速为: n3 = r- L nH r n5 = r+ L nH r ( 3)
2 直齿差速器原理
-
H
) /(
4
-
H
)
= 240 deg /sec , 半轴 5转速为
1 ( n3 + n5 )可知, 此时行 。根据公式 nH = 5 = 380 deg / sec 2 星架 H 即行星架的角速度应为:
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现代机械
z5 /z1 = 1/ 2 n3 = 3 n 2 2 n5 = 则有:
H
2009 年第 1 期
令 z3 /z2 = 3/ 2
=
1 n 2 1
( 6)
1 ( 240+ 380) = 310 deg/ sec 2
运行仿真, 得到行星架角速度曲线如图 4所示。 曲线图 显 示 半 轴 3 与 半 轴 5 的 速 度 之 和 等 于 310 deg / sec , 为行星架 H 速度的两倍, 即验证了该轮系满 足差速功能公式 ( 2) 。同样地 , 无论怎样改变两半轴的转 速, 都可以得到它们与行星架 H 满足公式 ( 2) 。
差速器之所以能实现差 速, 是由于差速器各齿轮之 间满足公式 ( 2), 下面介绍用 直齿轮构成新的差速器, 并 证明它也满足该公式。直齿 轮差速器结构简图如图 2 。 其中, 1 、 2 、 4 和 H 组成 一个差动轮系, 发动机的运 动从变速箱经传动轴传给行 星轮 4 , 带动齿轮 1 和 2 转 动; 1和 2通过齿轮传动把转 速和力矩传递给两半轴 3和 5。设齿轮 2和 1的齿数比为 3, 则直齿差速器差动轮系满足:
[ 2]
i = 将 ( 3)变换为: nH =
z2 n1 - nH = - = - 3 z1 n2 - nH 1 3 n+ n 2 1 2 2
( 4)
1 1 (n1 + 3n2 ) = 4 2
( 5)
作者简介: 张晋西 ( 1962- ), 男, 四川岳池人, 硕士, 教授, 主要研究方向: CAD /CAM /CAE。 收稿日期: 2008- 8- 19