搜索COSMOSMotion軸向滑塊凸輪式差速器的運動仿真
2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
COSMOSMotion軟件是一種能為廣大用戶提供實現(xiàn)數(shù)字化功能樣機的優(yōu)秀工具,它與當(dāng)今主流的三維CAD軟件Solid Works無縫集成,是全功能的運動仿真軟件,可以建立各種復(fù)雜運動機構(gòu)的精確運動模型,并對運動機構(gòu)進行運動學(xué)和動力學(xué)仿真,得到機構(gòu)中各零部件的運動情況,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)費用。同時又提高了產(chǎn)品質(zhì)量、總之.COSMOSMotion功能強大,求解可靠,求得的仿真結(jié)果與實際情況十分吻合,完全能夠滿足用戶對運動仿真的各種需求。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,利用COSMOSMotion軟件仿真模擬了該差速器的運動和工作過程。利用運動仿真技術(shù)分析研究了差速器的運動特性,驗證了其差速原理,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)?；瑝K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,通過運動仿真來驗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運動仿真
3.1仿真實體模型的建立
3.1.1零件實體模型的建立與裝配
三維實體模型的建立是實現(xiàn)運動仿真的基礎(chǔ),正確與否直接影響著運動仿真的結(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,分別對各零部件進行準(zhǔn)確建模。
裝配是進行運動仿真的基本保障。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)系進行設(shè)置,配合關(guān)系的正確與否直接影響著運動仿真的結(jié)果。在零件裝配過程中要按順序進行,特別是滑塊與差速輪之間,一定要進行碰撞檢查,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,然后按實際工作情況進行碰撞選項摩擦參數(shù)設(shè)置(根據(jù)實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)置運動仿真時間為5s,幀數(shù)為5000,然后即可開始仿真運算。根據(jù)運算仿真結(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,然后開始仿真運算。根據(jù)仿真運算結(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,對該差速器進行了運動仿真。通過對各零部件的三維參數(shù)化建模、裝配及運動仿真的有機結(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、制造及運動分析奠定了基礎(chǔ)。
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