本文探討研究了在COSMOSMotion下的軸向滑塊凸輪式差速器運動仿真相關內容。
0引言
隨著計算機輔助設計制造技術的飛速發展，計算機仿真技術已成為工程技術人員極其重要的科研工具，使得工程技術人員的設計方法和手段越來越豐富，計算機仿真技術在現代工程設計中發揮著極其重要的作用。
COSMOSMotion軟件是一種能為廣大用戶提供實現數字化功能樣機的優秀工具，它與當今主流的三維CAD軟件Solid Works無縫集成，是全功能的運動仿真軟件，可以建立各種復雜運動機構的精確運動模型，并對運動機構進行運動學和動力學仿真，得到機構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果。通過對零件的結構設計、應用材料以及工作條件的調整，可得到不同的仿真結果，盡而選擇最佳設計方案。大大簡化了機構的設計開發過程，縮短了開發周期，減少了開發費用。同時又提高了產品質量、總之.COSMOSMotion功能強大，求解可靠，求得的仿真結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。針對現有差速器存在的鎖緊系數小、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，結構簡單，體積小，提高了車輛的通過性。為此，本文根據軸向滑塊凸輪式差速器的設計要求和特點，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據。
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，既不產生滑移又不產生滑轉，則需兩側車輪存在一個轉速差，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，使得兩側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。設計差速器時，要滿足左右兩側半軸的轉速之和等于差速器輸人轉速的兩倍這一關系。
2軸向滑塊凸輪式差速器簡介
2.1結構組成
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高外低的傾斜狀態，如圖3所示，左右兩差速輪結構相同，采用花鍵分別與左右半軸聯接。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，沿差速器殼內孔表面圓周方向相間地裝入軸向槽內。滑塊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
差速器殼內孔表面加工有多個軸向梯形槽，在帶動滑塊轉動的同時，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矩也相同，左右兩差速輪與滑塊的轉速達到一種平衡狀態，三者轉速相同，此時差速器不起差速作用。
車輛轉彎時，由于外側驅動輪存在滑移趨勢，而內側驅動輪存在滑轉趨勢，兩驅動輪此時就會產生兩個方向相反的附加力。根據"最小能耗原理"，驅動輪在轉彎時會自動趨向能耗最低狀態，導致兩側車輪轉速不同，并通過半軸反映到差速輪上，使得左右兩差速輪轉速也不相同，迫使滑塊在轉動的同時，克服碟形彈簧壓力產生軸向滑移。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，從而保證兩側車輪在不脫離傳動的情況下實現差速。左右驅動輪之間的轉速差是由于行駛阻力大小不同造成的，正是這一轉速差迫使滑塊產生軸向滑移。
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，設其角速度分別為ω1和ω2。當車輛直線行駛時，差速器不起差速作用，滑塊也不會產生軸向滑移，此時ω1=ω2=ω0;車輛轉向時，ω1與ω2不相等，此時差速器起到差速作用，且應滿足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運動仿真的基礎，正確與否直接影響著運動仿真的結果。因此，應按照二維圖形尺寸，利用特征選項里的拉伸、旋轉、放樣、鏡像及陣列等操作命令，分別對各零部件進行準確建模。
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系，來確定零件的相對位置并完成裝配，零件間的配合關系按其裝配關系進行設置，配合關系的正確與否直接影響著運動仿真的結果。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)，直觀地表達裝配關系與裝配意圖。
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，應相對于裝配體添加一個旋轉副。其余構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設置(根據實際情況直接從材料數據庫中獲得，如圖5所示)。
3.1.4彈簧的設置
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轉化為圓柱螺旋彈簧，仿真效果完全相同。根據碟形彈簧剛度試驗所得的數據.轉化為圓柱螺旋彈簧后的參數設置如圖6所示。
3.2運動仿真
3.2.1差速行駛狀態仿真模擬
根據該差速器所用于車輛的行駛速度30~60km/h，經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副速度設置為2000°/s。車輛轉彎時，左右兩驅動輪的阻力矩大小不同，所以應給兩差速輪添加旋轉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。設置運動仿真時間為5s，幀數為5000，然后即可開始仿真運算。根據運算仿真結果，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計要求。
3.2.2直線行駛狀態仿真模擬
在差速行駛狀態模型基礎上，將兩差速輪的單作用力矩大小都設置為30 N·m,其余參數設置都不變，這樣即可進行直線行駛狀態的仿真模擬。仿真時間設置為3s,幀數為3000，然后開始仿真運算。根據仿真運算結果，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)為左側差速輪的角速度曲線，圖(b)為右側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結束語
本文根據差速器的設計要求，應用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化建模、裝配及運動仿真的有機結合，直觀、形象地再現了差速器的工作過程，一獲得了有關零件的運動特性，分析計算結果表明，當左右兩差速輪的合阻力矩為60N·m，且兩側阻力矩差為20N·m或0 N·m時，有ω1+ω2≈2ω0。因此，可以認為軸向滑塊凸輪式差速器基本能夠滿足差速器的設計要求。另外，本文為差速器的設計與研究提供了一種方法和捷徑，在研發過程中應用這種方法可大大縮短差速器的研發周期，降低產品的研發成本，并為以后進一步對這一新型差速器的結構優化設計、制造及運動分析奠定了基礎。