基于3D技术的汽车差速器造型设计与模拟仿真

0 引言

    近年来，汽车行业快速发展，汽车的开发技术越来越先进，开发速度越来越快。无论是国际市场或是国内市场来看，消费者的多元化需求是无止境的，消费者对车的各种性能和功能的要求以及审美需求越来越高，从而推动着汽车设计理念不断更新。而科技的进步与发展，则为汽车的发展趋势提供了坚实的基础。技术的迅速扩散，导致产品越来越趋于同质化，这就迫使汽车制造企业积极寻求新的突破点，打造新的车种，开辟新的细分市场，占领新的市场制高点，尽早获取新的领先优势，从小的零部件到车身造型的整车设计等都需要有新的突破。例如，以汽车差速器作为研究对象，利用参数化软件技术设计出汽车零部件的三维造型与模拟仿真，不断完善和改进原来的造型或性能，设计出更具人性化与新技术的差速器，并将此技术运用到其它零部件的设计及生产制造当中，以提高汽车的性能。

    本研究主要探讨基于3D技术的汽车差速器造型设计与模拟仿真。

1 差速器构造分析

    目前的汽车基本都采用了对称式锥齿轮普通差速器，如图1所示。本研究以此为例对其结构特点进行进一步分析，并设计出不同造型但更精密的结构。

图1 普通锥齿轮差速器结构分析图

    对称式锥齿轮差速器由行星齿轮、半轴齿轮、行星齿轮轴（十字轴或一根直销轴）和差速器壳等组成。动力传递是由主减速器、从动齿轮、差速器壳、行星齿轮轴、行星齿轮、半轴齿轮，经半轴传至驱动轮。其功用是使左右车轮能以不同的转速，进行纯滚动转向或直线行驶，称为差速特性（即n特性），也能把主减速器传来的扭矩平分给两半轴，使两侧车轮驱动力尽量相等，此称为扭矩等分特性（即M特性）。

    差速器的速度特性是行星齿轮只随行星架绕差速器旋转轴线公转，差速器不起作用，半轴角速度等于差速器壳的角速度。行星齿轮除公转外，还绕行星齿轮轴自转，左右两半轴齿轮转速之和等于差速器壳转速的两倍，与行星齿轮转速无关（即n1+n2=2n0）。

    差速器的转矩特性是在行星齿轮没有自转时，将传来的扭矩Mo平均分配给左右两半轴齿轮（M1=M2=M0/2），当两半轴齿轮转速不同时，产生自转，摩擦力矩方向与自转方向相反，附加在两半轴齿轮上（M1=M0/2-M/2，M2=M0/2+Mr/2）。

    对称式锥齿轮差速器，其内摩擦力矩T很小，锁紧系数（K=M2/M1）一般为1.1-1.4。实际上可认为无论左右半轴转速是否相同，而转矩总是平均分配的。这样的分配比例反映了对称式锥齿轮差速器的转矩平均分配特性。差速器转矩的平均分配特性对于汽车在良好路面上直线或转弯行驶时，都能达到要求。而当汽车在较差路面行驶时，会影响其通过能力。如汽车的一侧驱动轮行驶在泥泞或冰雪路面，而另一侧驱动轮在良好路面上，由于在坏路面上的轮子与地面附着力小，所产生的驱动力矩也很小。这时根据转矩的平均分配特性，另一侧在好路面上的驱动力矩也很小，无法产生足够的驱动力来使汽车前进。这时车轮运动现象出现一侧车轮转速为零，另一侧车轮以差速器壳转速的两倍高速空转。