搜索COSMOSMotion軸向滑塊凸輪式差速器的運(yùn)動(dòng)仿真
2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
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(wú)縫集成,是全功能的運(yùn)動(dòng)仿真軟件,可以建立各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精確運(yùn)動(dòng)模型,并對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真,得到機(jī)構(gòu)中各零部件的運(yùn)動(dòng)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(dòng)畫、表格等多種形式輸出運(yùn)算結(jié)果。通過(guò)對(duì)零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jì)方案。大大簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程,縮短了開發(fā)周期,減少了開發(fā)費(fèi)用。同時(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)仿真的各種需求。差速器是驅(qū)動(dòng)橋的核心部件,它的性能好壞直接影響車輛的通過(guò)性。針對(duì)現(xiàn)有差速器存在的鎖緊系數(shù)小、尺寸大等問(wèn)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(jiǎn)單,體積小,提高了車輛的通過(guò)性。為此,本文根據(jù)軸向滑塊凸輪式差速器的設(shè)計(jì)要求和特點(diǎn),利用COSMOSMotion軟件仿真模擬了該差速器的運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程。利用運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)分析研究了差速器的運(yùn)動(dòng)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(shí),車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條圓弧(如圖1所示),在相同的時(shí)間里,兩側(cè)車輪滾動(dòng)的距離不相等。即使車輛直線行駛,也會(huì)由于左右車輪在同一時(shí)間內(nèi)所滾過(guò)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(dòng)半徑不相等。為使車輪做純滾動(dòng),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(gè)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(lái)的動(dòng)力傳遞給左、右半軸的同時(shí),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(dòng)的形式做不等距離行駛,以減少輪胎與地面的磨損,降低動(dòng)力消耗。設(shè)計(jì)差速器時(shí),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(jiǎn)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(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(dòng)力輸出件,它將動(dòng)力通過(guò)花鍵軸傳遞給驅(qū)動(dòng)輪。
2.1.2滑塊
滑塊為棱形,其兩端分別加有與差速輪相對(duì)應(yīng)的、左右交替的螺旋面?；瑝K有兩種形式,為左右對(duì)稱的實(shí)體,如圖4所示,裝配時(shí),沿差速器殼內(nèi)孔表面圓周方向相間地裝入軸向槽內(nèi)?；瑝K的主要作用是將差速器殼傳遞來(lái)的動(dòng)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(gè)軸向梯形槽,在帶動(dòng)滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí),差速時(shí)還允許滑塊沿軸向槽移動(dòng)。它直接與主減速器的從動(dòng)齒輪相連,把主減速器傳遞來(lái)的動(dòng)力通過(guò)滑塊傳遞給左右兩差速輪。
2.2工作原理
車輛直線行駛時(shí),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(shí)差速器不起差速作用。
車輛轉(zhuǎn)彎時(shí),由于外側(cè)驅(qū)動(dòng)輪存在滑移趨勢(shì),而內(nèi)側(cè)驅(qū)動(dòng)輪存在滑轉(zhuǎn)趨勢(shì),兩驅(qū)動(dòng)輪此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的附加力。根據(jù)"最小能耗原理",驅(qū)動(dòng)輪在轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)自動(dòng)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(guò)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(dòng)的同時(shí),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(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)差速。左右驅(qū)動(dòng)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(dòng)齒輪相連,即為主動(dòng)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(dòng)件,設(shè)其角速度分別為ω1和ω2。當(dāng)車輛直線行駛時(shí),差速器不起差速作用,滑塊也不會(huì)產(chǎn)生軸向滑移,此時(shí)ω1=ω2=ω0;車輛轉(zhuǎn)向時(shí),ω1與ω2不相等,此時(shí)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(guò)運(yùn)動(dòng)仿真來(lái)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(jì)要求。
3運(yùn)動(dòng)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(dòng)仿真的基礎(chǔ),正確與否直接影響著運(yùn)動(dòng)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(duì)各零部件進(jìn)行準(zhǔn)確建模。
裝配是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的基本保障。通過(guò)指定零件各面之間的配合關(guān)系,來(lái)確定零件的相對(duì)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(dòng)仿真的結(jié)果。在零件裝配過(guò)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(shí),只需按上述要求裝人相鄰的兩個(gè)滑塊即可,其余滑塊可采用圓周陣列裝人,簡(jiǎn)化了裝配過(guò)程。由于仿真過(guò)程中采用的是虛擬彈簧,所以裝配過(guò)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(dòng)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(dòng)識(shí)別SolidWorks裝配休零件間的約束副,但這些由自動(dòng)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(guò)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(wú)法白動(dòng)映射,滑塊與差速器殼間只有相對(duì)滑動(dòng),因此滑塊與差速器殼間要建立移動(dòng)副約束,使滑塊相對(duì)于差速器殼只能軸向移動(dòng),其余5個(gè)自由度受到限制。差速器殼為主動(dòng)件,應(yīng)相對(duì)于裝配體添加一個(gè)旋轉(zhuǎn)副。其余構(gòu)件采用自動(dòng)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(guò)程中,滑塊將差速器殼傳遞來(lái)的動(dòng)力,通過(guò)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(kù)中獲得,如圖5所示)。
3.1.4彈簧的設(shè)置
由于COSMOSMotion軟件中沒(méi)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(dòng)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(shí),左右兩驅(qū)動(dòng)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(dòng)仿真時(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(yǔ)
本文根據(jù)差速器的設(shè)計(jì)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(duì)該差速器進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。通過(guò)對(duì)各零部件的三維參數(shù)化建模、裝配及運(yùn)動(dòng)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(guò)程,一獲得了有關(guān)零件的運(yùn)動(dòng)特性,分析計(jì)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(shí),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(jì)要求。另外,本文為差速器的設(shè)計(jì)與研究提供了一種方法和捷徑,在研發(fā)過(guò)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(duì)這一新型差速器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)動(dòng)分析奠定了基礎(chǔ)。
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