基于Pro/E的汽车差速器装配与机构仿真

林新英　林宗德　刘伟

摘要：介绍了差速器的结构组成和工作原理，按照装配关系将各元件连接组装并建立连接，借助Pro/E的机构仿真建立差速器运动分析和动力分析，获取分析结果，验证了差速器的工作原理和运动规律。

关键词：Pro/E;差速器;机构仿真分析

中图分类号：TH391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）06-0093-02

0 引言

汽车差速器能够使左、右（或前、后）驱动轮实现以不同转速转动的机构。主要由左右半轴齿轮、两个行星齿轮及齿轮架组成。功用是当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时，使左右车轮以不同转速滚动，即保证两侧驱动车轮作纯滚动运动。差速器是为了调整左右轮的转速差而装置的。在四轮驱动时，为了驱动四个车轮，必须将所有的车轮连接起来，如果将四个车轮机械连接在一起，汽车在曲线行驶的时候就不能以相同的速度旋转，为了能让汽车曲线行驶旋转速度基本一致性，这时需要加入中间差速器用以调整前后轮的转速差。

1 汽车差速器的工作原理

汽车差速器是空间周转轮系机构，如图1所示为汽车差动轮系的实体图和机构运动简图。其中系杆H固连在齿轮2上。发动机通过传动轴驱动齿轮1转动。当汽车在平坦的路上直线行驶时，左右两轮滚过的距离相等，转速相同，齿轮2、3、4、5不产生相对运动。当汽车右拐时，右转弯半径比左转弯半径小，为使车轮与地面不发生滑动，就要求左轮比右輪快些。因此轮3和轮4之间便发生相对转动，由齿轮2（即行星轮系杆）、3、4、5组成的差动轮系发生作用，行星轮不仅绕3、4轮的公共轴线做公转还要自转，使左右轮产生差速，速度关系为2nH=n3+n4。

2 差速器的虚拟装配

装配时，会弹出“元件放置”窗口，此窗口有3个页面：“放置”、“移动”、“连接”。其中一种装配元件方法是在“放置”页面给元件加入各种固定约束，将元件的自由度减少到0，因元件的位置被完全固定，这样装配的元件不能用于运动分析;另一种装配元件的方法是在“连接”页面给元件加入各种组合约束，如销钉、圆柱、刚体、球、6DOF等，因自由度没有完全消除（刚体、焊接、常规除外），这些组合约束装配的元件可以自由移动或旋转，这样装配的元件可用于运动分析[3]。

通过新建组件文件后，逐步添加各元件并按照对应的连接类型进行组装，主要元件的连接关系如表1所示，装配后的差速器模型如图2所示。

3 差速器的齿轮连接

分别对四个行星轮和右半轴组件和左半轴组件进行齿轮连接，传动比为1.44，并建立主动轮元件和从动轮元件的齿轮连接，传动比为2.42。

4 机构的运动仿真

4.1 运动分析

运动分析用于模拟汽车在平坦路面直行的情况。进入机构工作界面，首先进行伺服电机的设置，电动机的运动轴选择主动轮的销钉连接符号并设置电机的速度为30deg/sec，进行运行可知差速器中的各个齿轮不发生相对运动，等效于一个整体，左右轮速度相等。

4.2 动力分析

动力分析用于模拟汽车行驶时差速器的工作情况。汽车在0-20s时间内直行，20-50s内右转，50-80s内左转，80-100s内直行。通过仿真观察差速器的运转和左右半轴的转速变化。

4.2.1 定义质量属性和重力

指定整个组件的质量密度为7.8e-9tonne/mm3，设置重力加速度的模为9806mm/s2。

4.2.2 定义阻尼

分别对系杆和壳体、主动轮和壳体、左半轴与壳体、右半轴与壳体的运动轴（销钉连接）进行旋转阻尼设置，值为6mm2/（deg sec）。

4.2.3 伺服电机的定义

结合差速器的运动分别定义3个伺服电机的速度变化，具体速度定义如表2所示。

对差速器进行动态分析并运行并测量主要元件的转速，其测量结果如图3所示。

由图3可知在20-50s汽车右转，50-80s汽车左转，左右中心轮和系杆三者的速度不同。因为行星轮不仅自转，还要绕中心轮公转，差速器工作，左右轮产生差速，但是转速始终保持的关系为两中心轮的转速之和是系杆转速的2倍。

5 结语

通过Pro/E 的模拟装配和机构仿真，通过运动分析和动力观察差速器的运动输出，能够更加直观地了解并掌握其运动的规律，可简化机构的设计开发过程。

参考文献

[1] 夏元白.机械运动仿真与动力分析[M].北京：电子工业出版社，2015：6.

[2] 王凯，曹西京.基于Pro/E的机械产品机构运动的仿真设计[J].轻工机械，2006（1）：62-64.

[3] 荣治明.基于Pro/E的机构虚拟装配与仿真[J].科技与企业，2013（4）：268.

[4] 周培显.基于PROE曲柄滑块机构的运动仿真及分析[J].新技术新工艺，2012（2）：26-28.

Automobile Differential Assembly and Mechanism Simulation based on Pro/E

LIN Xin-ying，LIN Zong-de，LIU Wei

（Minnan University of Science and Technology，Industrial Robot Measurement and Control and Mold Manufacturing of Key Laboratories in Fujian Province， Shishi  Fujian  362700）

Abstract：This paper introduces the structure and working principle of the differential. According to the assembly relationship， the components are connected and assembled and connected. The motion analysis and dynamic analysis of the differential are established by means of Pro/E mechanism simulation. The analysis results are obtained and verified. The working principle and motion law of the differential.

Key words：Pro/E;differential;mechanism simulation analysis