斜齿式限滑差速器动力学分析及优化

发布时间：2020-07-04 09:23

【摘要】：在车辆众多零部件中,差速器是车辆驱动桥中一个重要的动力传输部件。差速器分为普通差速器和限滑差速器,限滑差速器有效解决了普通差速器差速不差扭的问题,提高了整车的通过性。目前,限滑差速器的研究多集中在结构、传动原理及性能分析上,对运动学及动力学的分析与仿真研究相对较少。因此,进行限滑差速器运动学及动力学分析仿真研究,对丰富限滑差速器的研究具有重要意义。壳体作为限滑差速器的重要组成部分,在限滑差速器组成中占据的质量最大,且在车辆运行中壳体承受着外部载荷的作用,运行环境复杂。设计时在壳体尺寸合理的前提下,如何既能保证壳体满足静力学(强度、刚度)和动力学(模态)要求,又能使其质量减小,以实现限滑差速器的轻量化,这是目前限滑差速器设计中仍需要解决的问题。限滑差速器壳体轻量化研究,对于降低企业制造成本、实现整车轻量化具有重要意义。本文以斜齿式限滑差速器为研究对象,在阅读大量文献资料的基础上,采用多体动力学仿真理论、有限元分析方法、拓扑优化方法对斜齿式限滑差速器进行深入研究,其主要内容如下:(1)详细论述了限滑差速器的国内外研究现状及发展趋势,对比分析了不同形式的限滑差速器的结构特性及优缺点。(2)利用CATIA三维软件建立了斜齿式限滑差速器的参数化模型,并对壳体的设计结构进行了分析。分工况对斜齿式限滑差速器的运动形式、输出扭矩变化、内部齿轮啮合力进行系统的分析和理论推导。为后续多体动力学仿真分析及有限元仿真分析提供理论支撑,为壳体结构优化提供指导。(3)基于多体动力学理论,采用ADAMS软件创建了虚拟样机模型,对斜齿式限滑差速器进行多刚体动力学仿真,模拟了车辆在良好路面和双附着系数路面两种典型工况的运行情况,得出了齿轮的转速特性曲线、啮合力仿真曲线及限滑时转矩变化曲线,验证了模型的正确性及仿真方法的可行性与有效性,证明了斜齿式限滑差速器可有效实现限滑和差速功能。(4)以模态理论为基础,对斜齿式限滑差速器壳体进行基于NASTRAN的有限元模态分析,得到壳体前6阶非刚体模态振动频率和振型。搭建自由模态实验平台,通过测试得到壳体的振动频率。对仿真和试验得到的壳体振动频率进行比较,相对误差最大为2.66%,符合要求,有效验证了斜齿式限滑差速器壳体有限元模型的正确性。基于模态振动频率数据,分析了相关激励源的激振频率,得出壳体无共振现象发生。(5)基于有限元分析方法,运用HyperWorks系列软件对斜齿式限滑差速器壳体进行有限元分析,得出了在极限工况下壳体的应力应变云图,通过分析得出该限滑差速器壳体整体满足静力学要求,但存在局部应力值远小于壳体的屈服强度而造成材料利用率低的现象。针对这一问题,采用拓扑优化的方法对壳体局部结构进行改进设计,并对优化后的壳体模型进行模态和静力学分析,有效验证了拓扑优化后壳体模型的合理性,实现了壳体进一步的轻量化。
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U463.218.4
【图文】：

转速感应,滑差,摩擦片

2016 年，JJ Nolte，DP Schankin 等为改善螺旋齿轮式限滑差速器壳体及动时在接触表面摩擦产生噪音与振动的现象，采用在行星齿轮端面和齿顶盖与齿轮端面接触部位表面轮廓进行压痕处理，减少了噪音和振动[19]。国外对于限滑差速器的研究时间长，技术很成熟，研究也非常精细化，产加多样化，极大地推动了限滑差速器的发展。目前，国外已经开发出了各式各样的限滑差速器，且性能良好。其主要的高摩擦式限滑差速器、自由轮式限滑差速器、变传动比式限滑差速器。基转矩的机理可分为三种形式：转矩感应式（Torque Sensitive LSD）、转速eed Sensitive LSD）和主动控制式（Active Control LSD）。转矩感应式 LSD根据驱动轴的扭矩输入大小来决定差动限制扭矩的差速器，称为转矩感。从实现机构上分为多片摩擦式、轮齿式、锥盘式，目前，应用较多的是SD，如图 1.1 所示。摩擦片式 LSD 的限滑过程是通过推力压盘压紧摩擦的，结构组成主要由壳体、行星齿轮、半轴齿轮、十字轴、推力压盘、主等[7]。摩擦片结构有转矩比例式、预压式和转矩比例式加预压式三种形式[5

粘性联轴器,硅油

第 1 章绪论时内摩擦力矩的大小取决于左、右半轴之间的转速差，转速差加。典型的产品有硅油式、凸轮调节式、硅油与摩擦片组合是硅油式限滑差速器（粘性联轴器式）。硅油式限滑差速器主体、传力毂、内外叶片、后传动轴等，其运行原理是利用液体油的粘性摩擦特性感知速度差，提高非打滑侧驱动轮的转矩]。粘性联轴器结构如图 1.2 所示。

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