基于Pro/E的汽車差速器裝配與機(jī)構(gòu)仿真

林新英　林宗德　劉偉

摘要：介紹了差速器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，按照裝配關(guān)系將各元件連接組裝并建立連接，借助Pro/E的機(jī)構(gòu)仿真建立差速器運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析，獲取分析結(jié)果，驗(yàn)證了差速器的工作原理和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

關(guān)鍵詞：Pro/E;差速器;機(jī)構(gòu)仿真分析

中圖分類號(hào)：TH391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）06-0093-02

0 引言

汽車差速器能夠使左、右（或前、后）驅(qū)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。主要由左右半軸齒輪、兩個(gè)行星齒輪及齒輪架組成。功用是當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎行駛或在不平路面上行駛時(shí)，使左右車輪以不同轉(zhuǎn)速滾動(dòng)，即保證兩側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。差速器是為了調(diào)整左右輪的轉(zhuǎn)速差而裝置的。在四輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，為了驅(qū)動(dòng)四個(gè)車輪，必須將所有的車輪連接起來，如果將四個(gè)車輪機(jī)械連接在一起，汽車在曲線行駛的時(shí)候就不能以相同的速度旋轉(zhuǎn)，為了能讓汽車曲線行駛旋轉(zhuǎn)速度基本一致性，這時(shí)需要加入中間差速器用以調(diào)整前后輪的轉(zhuǎn)速差。

1 汽車差速器的工作原理

汽車差速器是空間周轉(zhuǎn)輪系機(jī)構(gòu)，如圖1所示為汽車差動(dòng)輪系的實(shí)體圖和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。其中系桿H固連在齒輪2上。發(fā)動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)汽車在平坦的路上直線行駛時(shí)，左右兩輪滾過的距離相等，轉(zhuǎn)速相同，齒輪2、3、4、5不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)汽車右拐時(shí)，右轉(zhuǎn)彎半徑比左轉(zhuǎn)彎半徑小，為使車輪與地面不發(fā)生滑動(dòng)，就要求左輪比右輪快些。因此輪3和輪4之間便發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，由齒輪2（即行星輪系桿）、3、4、5組成的差動(dòng)輪系發(fā)生作用，行星輪不僅繞3、4輪的公共軸線做公轉(zhuǎn)還要自轉(zhuǎn)，使左右輪產(chǎn)生差速，速度關(guān)系為2nH=n3+n4。

2 差速器的虛擬裝配

裝配時(shí)，會(huì)彈出“元件放置”窗口，此窗口有3個(gè)頁(yè)面：“放置”、“移動(dòng)”、“連接”。其中一種裝配元件方法是在“放置”頁(yè)面給元件加入各種固定約束，將元件的自由度減少到0，因元件的位置被完全固定，這樣裝配的元件不能用于運(yùn)動(dòng)分析;另一種裝配元件的方法是在“連接”頁(yè)面給元件加入各種組合約束，如銷釘、圓柱、剛體、球、6DOF等，因自由度沒有完全消除（剛體、焊接、常規(guī)除外），這些組合約束裝配的元件可以自由移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，這樣裝配的元件可用于運(yùn)動(dòng)分析[3]。

通過新建組件文件后，逐步添加各元件并按照對(duì)應(yīng)的連接類型進(jìn)行組裝，主要元件的連接關(guān)系如表1所示，裝配后的差速器模型如圖2所示。

3 差速器的齒輪連接

分別對(duì)四個(gè)行星輪和右半軸組件和左半軸組件進(jìn)行齒輪連接，傳動(dòng)比為1.44，并建立主動(dòng)輪元件和從動(dòng)輪元件的齒輪連接，傳動(dòng)比為2.42。

4 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

4.1 運(yùn)動(dòng)分析

運(yùn)動(dòng)分析用于模擬汽車在平坦路面直行的情況。進(jìn)入機(jī)構(gòu)工作界面，首先進(jìn)行伺服電機(jī)的設(shè)置，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)軸選擇主動(dòng)輪的銷釘連接符號(hào)并設(shè)置電機(jī)的速度為30deg/sec，進(jìn)行運(yùn)行可知差速器中的各個(gè)齒輪不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，等效于一個(gè)整體，左右輪速度相等。

4.2 動(dòng)力分析

動(dòng)力分析用于模擬汽車行駛時(shí)差速器的工作情況。汽車在0-20s時(shí)間內(nèi)直行，20-50s內(nèi)右轉(zhuǎn)，50-80s內(nèi)左轉(zhuǎn)，80-100s內(nèi)直行。通過仿真觀察差速器的運(yùn)轉(zhuǎn)和左右半軸的轉(zhuǎn)速變化。

4.2.1 定義質(zhì)量屬性和重力

指定整個(gè)組件的質(zhì)量密度為7.8e-9tonne/mm3，設(shè)置重力加速度的模為9806mm/s2。

4.2.2 定義阻尼

分別對(duì)系桿和殼體、主動(dòng)輪和殼體、左半軸與殼體、右半軸與殼體的運(yùn)動(dòng)軸（銷釘連接）進(jìn)行旋轉(zhuǎn)阻尼設(shè)置，值為6mm2/（deg sec）。

4.2.3 伺服電機(jī)的定義

結(jié)合差速器的運(yùn)動(dòng)分別定義3個(gè)伺服電機(jī)的速度變化，具體速度定義如表2所示。

對(duì)差速器進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析并運(yùn)行并測(cè)量主要元件的轉(zhuǎn)速，其測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知在20-50s汽車右轉(zhuǎn)，50-80s汽車左轉(zhuǎn)，左右中心輪和系桿三者的速度不同。因?yàn)樾行禽啿粌H自轉(zhuǎn)，還要繞中心輪公轉(zhuǎn)，差速器工作，左右輪產(chǎn)生差速，但是轉(zhuǎn)速始終保持的關(guān)系為兩中心輪的轉(zhuǎn)速之和是系桿轉(zhuǎn)速的2倍。

5 結(jié)語

通過Pro/E 的模擬裝配和機(jī)構(gòu)仿真，通過運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力觀察差速器的運(yùn)動(dòng)輸出，能夠更加直觀地了解并掌握其運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，可簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程。

參考文獻(xiàn)

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Automobile Differential Assembly and Mechanism Simulation based on Pro/E

LIN Xin-ying，LIN Zong-de，LIU Wei

（Minnan University of Science and Technology，Industrial Robot Measurement and Control and Mold Manufacturing of Key Laboratories in Fujian Province， Shishi? Fujian? 362700）

Abstract：This paper introduces the structure and working principle of the differential. According to the assembly relationship， the components are connected and assembled and connected. The motion analysis and dynamic analysis of the differential are established by means of Pro/E mechanism simulation. The analysis results are obtained and verified. The working principle and motion law of the differential.

Key words：Pro/E;differential;mechanism simulation analysis