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浅析轴向滑块凸轮式差速器的运动仿真
摘 要：本文利用三维软件对轴向滑块凸轮式差速器各零件进行了三维参数化建模、虚拟装配、干涉检查和模拟仿真，简化了产品的研发过程，缩短了产品的研发周期，降低了产品的研发成本。通过运动仿真还能及时地发现产品设计中存在的问题，提高产品的综合性能。仿真结果表明，该差速器在直线行驶和转弯行驶两种状态下，基本上都能满足“两侧差速轮的角速度之和等于差速器壳角速度的两倍”这一关系。
关键词：差速器 COSMOSMotion 运动仿真
Abstract：This disquisition use three-dimensional software make three-dimensional parameter modelling virtual assemble interference examine and simulation for every part of the axial sliders cam differential, this predigest the period and reduce the cost of production’ investigation and invention. It can find the problem of the production design through the movement simulation, and increase compositive capability of the production. The results of simulation indicate that when car beeline or swerve run the differential can basically satisfaction the relation that sum of the palstances of the two spider gears is approximatively as twice as that of spider gears’ shell.
Key words：Differential；COSMOSMotion；Movement simulation
引 言
差速器是当今社会上各种动力车辆上普遍采用的一种传动装置，其主要功用是在车辆直线行驶时把主减速器传来的动力平均分配给两侧驱动轮，车辆转弯时使两侧驱动轮以不同的转速转动，依此来保证两侧驱动轮做纯滚动。若没有差速器，车辆在转弯时，其运动相当于平移和自转的合成运动，即外侧车轮边滚动边滑移，内侧车轮边滚动边滑转。这样以来，将造成车轮的严重磨损，如果车辆转弯过急甚至有可能造成车辆的侧翻或甩尾。为此，在车辆转弯时就必须要求两侧驱动轮以不同的转速转动，这就要求两侧车轮之间不能刚性连接，而且要装有差速装置。目前，各种车辆广泛采用对称圆锥行星齿轮式差速器，但这种差速器由于其内摩擦力矩极小，基本上是平均分配力矩，不具备防滑功能，故不适合在附着系数较小的路面上行驶。另外，由于这种差速器体积比较大，也影响车辆的通过性，特别不适合越野车和工程车辆。因此，各种越野车辆迫切需要一种体积小、防滑能力强、性能稳定的新型差速器。正因为如此，孙传祝[1]等人研制了一种轴向滑块凸轮式差速器。
1 轴向滑块凸轮式差速器的结构原理
1.1 结构特点
轴向滑块凸轮式差速器在结构上与对称圆锥行星齿轮式差速器有相似之处，它主要有差速器壳、差速器盖、左右两个差速轮、滑块及碟形弹簧等组成，如图1所示。其中差速器壳与主减速器的从动齿轮连接成一体并接受动力，起到主传动套作用，内部开有轴向槽。
图1 轴向滑块凸轮式差速器
差速轮的外凸轮面是由六个形状相同的凸峰组成，每一个凸峰都由两个等螺距的内高外低的左右螺旋面交替围成，如图2所示。差速轮的内孔中开有内花键，用于连接左右半轴并输出动力。
图2 差速轮
滑块有Ⅰ、Ⅱ两种形式，图3所示为其中一种，另一种与此相对称。每一个滑块两端都加工有与差速轮相配合的左右旋螺旋面，背部为外圆弧面与差速器壳的内孔相配合。另外背部还有一个凸起，装配时与差速器壳的轴向槽相配合，以接受差速器壳传来的动力，同时滑块还可相对于差速器壳作轴向移动。
图3 滑块
1.2 工作原理
当车辆直线行驶时，差速器壳把力矩通过轴向槽传给滑块，滑块再依靠螺旋面把力矩平均分配给两侧差速轮，以实现两侧驱动轮等速旋转。当车辆转弯时，由于左右两侧驱动轮转速不相等，此时滑块一边由差速器壳带动旋转，一边沿差速器壳的轴向槽作轴向移动。由于差速轮采用内高外低的螺旋面，因此碟形弹簧的轴向压力所产生的径向分力，使得滑块在实现差速时始终与左右差速轮保持正确啮合。在滑块轴向移动时，必须克服碟形弹簧的轴向压力，使碟形弹簧产生变形而获得轴向运动的空间。这时，在滑块与差速轮之间就产生了极大的正压力，由此而产生驱动力矩传递给两侧驱动轮，并且使转速较慢的差速轮上得到比转速快的差速轮上更大的力矩，从而使差速器获得较强的抗滑能力。轴向滑块凸轮式差速器还有一个过载保护功能，也就是当两侧驱动轮遇到过大的阻力时，滑块通过差速轮将碟形弹簧压平，获得充足的轴向移动空间，使滑块从两侧差速轮之间滑过，从而保护其它重要零件不被损坏。
2 轴向滑块凸轮式差速器的运动仿真
2.1 三维建模及其设置
差速器在车辆的驱动桥中是一个重要的组成部分，其设计方案的确定、样机的设计、制造及其试验等是一个十分繁琐的过程。因此，研发周期较长，费用昂贵。为了降低成本，缩短研发周期，提高设计水平，并赋予差速器优良的使用性能，现借助先进的计算机技术对其进行运动仿真。本文采用SolidWorks软件中的无逢集成机构仿真软件COSMOSMotion对差速器的实际运动状态进行了虚拟仿真，并对仿真结果进行分析讨论，最后通过修改设置以达到实际使用性能要求。
COSMOSMotion是一个全真的运动仿真软件，可以对复杂的机械系统进行全真的运动学和动力学仿真，得到每个零件的运动状况，包括机械系统在运动过程中的动态干涉检查，位移、速度、加速度、作用力及反作用力等。并以动画、图形、表格等多种形式输出结果，还可将零部件在复杂运动情况下的复杂载荷情况直接输出到主流有限元分析软件中，从而进行正确的强度和结构分析[2]。
仿真之前首先要进行SolidWorks三维建模，并进行虚拟装配。正确的装配是模拟仿真的重要保障，因此装配时需要特别注意滑块与差速轮之间的相对位置关系，为确保滑块与差速轮之间运行中的正确啮合，二者之间应进行碰撞检查。为了简化装配过程，避免运动干涉等错误的发生，装配时只需将其中的两个滑块按正确位置装配，然后阵列即可。
装配完成后需进行干涉检查，确保装配体无干涉后直接进入仿真模块。仿真前首先应设置基本参数，在本文中力的单位为(N)，时间单位为(s)，帧数为5000。仿真模块 COSMOSMotion可以将装配体中的几何关系自动转换为约束，但这些约束不能满足运动仿真的需要，还需添加它他约束。因为在整个模拟过程中差速器的各个零件都是运动的，而在这个仿真模块中要求必须有一个物体是固定的来作为参照物，所以在仿真前应先添加一个参照物，然后再添加其他约束。为避免重复约束，可先进行
关键词：差速器 COSMOSMotion 运动仿真
Abstract：This disquisition use three-dimensional software make three-dimensional parameter modelling virtual assemble interference examine and simulation for every part of the axial sliders cam differential, this predigest the period and reduce the cost of production’ investigation and invention. It can find the problem of the production design through the movement simulation, and increase compositive capability of the production. The results of simulation indicate that when car beeline or swerve run the differential can basically satisfaction the relation that sum of the palstances of the two spider gears is approximatively as twice as that of spider gears’ shell.
Key words：Differential；COSMOSMotion；Movement simulation
引 言
差速器是当今社会上各种动力车辆上普遍采用的一种传动装置，其主要功用是在车辆直线行驶时把主减速器传来的动力平均分配给两侧驱动轮，车辆转弯时使两侧驱动轮以不同的转速转动，依此来保证两侧驱动轮做纯滚动。若没有差速器，车辆在转弯时，其运动相当于平移和自转的合成运动，即外侧车轮边滚动边滑移，内侧车轮边滚动边滑转。这样以来，将造成车轮的严重磨损，如果车辆转弯过急甚至有可能造成车辆的侧翻或甩尾。为此，在车辆转弯时就必须要求两侧驱动轮以不同的转速转动，这就要求两侧车轮之间不能刚性连接，而且要装有差速装置。目前，各种车辆广泛采用对称圆锥行星齿轮式差速器，但这种差速器由于其内摩擦力矩极小，基本上是平均分配力矩，不具备防滑功能，故不适合在附着系数较小的路面上行驶。另外，由于这种差速器体积比较大，也影响车辆的通过性，特别不适合越野车和工程车辆。因此，各种越野车辆迫切需要一种体积小、防滑能力强、性能稳定的新型差速器。正因为如此，孙传祝[1]等人研制了一种轴向滑块凸轮式差速器。
1 轴向滑块凸轮式差速器的结构原理
1.1 结构特点
轴向滑块凸轮式差速器在结构上与对称圆锥行星齿轮式差速器有相似之处，它主要有差速器壳、差速器盖、左右两个差速轮、滑块及碟形弹簧等组成，如图1所示。其中差速器壳与主减速器的从动齿轮连接成一体并接受动力，起到主传动套作用，内部开有轴向槽。
图1 轴向滑块凸轮式差速器
差速轮的外凸轮面是由六个形状相同的凸峰组成，每一个凸峰都由两个等螺距的内高外低的左右螺旋面交替围成，如图2所示。差速轮的内孔中开有内花键，用于连接左右半轴并输出动力。
图2 差速轮
滑块有Ⅰ、Ⅱ两种形式，图3所示为其中一种，另一种与此相对称。每一个滑块两端都加工有与差速轮相配合的左右旋螺旋面，背部为外圆弧面与差速器壳的内孔相配合。另外背部还有一个凸起，装配时与差速器壳的轴向槽相配合，以接受差速器壳传来的动力，同时滑块还可相对于差速器壳作轴向移动。
图3 滑块
1.2 工作原理
当车辆直线行驶时，差速器壳把力矩通过轴向槽传给滑块，滑块再依靠螺旋面把力矩平均分配给两侧差速轮，以实现两侧驱动轮等速旋转。当车辆转弯时，由于左右两侧驱动轮转速不相等，此时滑块一边由差速器壳带动旋转，一边沿差速器壳的轴向槽作轴向移动。由于差速轮采用内高外低的螺旋面，因此碟形弹簧的轴向压力所产生的径向分力，使得滑块在实现差速时始终与左右差速轮保持正确啮合。在滑块轴向移动时，必须克服碟形弹簧的轴向压力，使碟形弹簧产生变形而获得轴向运动的空间。这时，在滑块与差速轮之间就产生了极大的正压力，由此而产生驱动力矩传递给两侧驱动轮，并且使转速较慢的差速轮上得到比转速快的差速轮上更大的力矩，从而使差速器获得较强的抗滑能力。轴向滑块凸轮式差速器还有一个过载保护功能，也就是当两侧驱动轮遇到过大的阻力时，滑块通过差速轮将碟形弹簧压平，获得充足的轴向移动空间，使滑块从两侧差速轮之间滑过，从而保护其它重要零件不被损坏。
2 轴向滑块凸轮式差速器的运动仿真
2.1 三维建模及其设置
差速器在车辆的驱动桥中是一个重要的组成部分，其设计方案的确定、样机的设计、制造及其试验等是一个十分繁琐的过程。因此，研发周期较长，费用昂贵。为了降低成本，缩短研发周期，提高设计水平，并赋予差速器优良的使用性能，现借助先进的计算机技术对其进行运动仿真。本文采用SolidWorks软件中的无逢集成机构仿真软件COSMOSMotion对差速器的实际运动状态进行了虚拟仿真，并对仿真结果进行分析讨论，最后通过修改设置以达到实际使用性能要求。
COSMOSMotion是一个全真的运动仿真软件，可以对复杂的机械系统进行全真的运动学和动力学仿真，得到每个零件的运动状况，包括机械系统在运动过程中的动态干涉检查，位移、速度、加速度、作用力及反作用力等。并以动画、图形、表格等多种形式输出结果，还可将零部件在复杂运动情况下的复杂载荷情况直接输出到主流有限元分析软件中，从而进行正确的强度和结构分析[2]。
仿真之前首先要进行SolidWorks三维建模，并进行虚拟装配。正确的装配是模拟仿真的重要保障，因此装配时需要特别注意滑块与差速轮之间的相对位置关系，为确保滑块与差速轮之间运行中的正确啮合，二者之间应进行碰撞检查。为了简化装配过程，避免运动干涉等错误的发生，装配时只需将其中的两个滑块按正确位置装配，然后阵列即可。
装配完成后需进行干涉检查，确保装配体无干涉后直接进入仿真模块。仿真前首先应设置基本参数，在本文中力的单位为(N)，时间单位为(s)，帧数为5000。仿真模块 COSMOSMotion可以将装配体中的几何关系自动转换为约束，但这些约束不能满足运动仿真的需要，还需添加它他约束。因为在整个模拟过程中差速器的各个零件都是运动的，而在这个仿真模块中要求必须有一个物体是固定的来作为参照物，所以在仿真前应先添加一个参照物，然后再添加其他约束。为避免重复约束，可先进行
