滑動(dòng)齒輪差速器的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真分析

肖名濤等

摘要：介紹一種滑動(dòng)齒輪式差速器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，采用UG建立樣機(jī)的物理模型，通過(guò)UG與ADAMS的數(shù)據(jù)交換接口把模型的幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ADAMS動(dòng)力學(xué)模型。直線(xiàn)行駛和轉(zhuǎn)向行駛工況仿真計(jì)算結(jié)果表明，該差速器符合低速農(nóng)業(yè)機(jī)械差速轉(zhuǎn)向要求。

關(guān)鍵詞：差速器；虛擬樣機(jī)；動(dòng)力學(xué)分析；仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）07-0018-04

汽車(chē)行駛時(shí)，左右車(chē)輪在同一時(shí)間內(nèi)所滾過(guò)的路程通常不等，如果驅(qū)動(dòng)橋的左右車(chē)輪剛性連接，則行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)輪在路面上會(huì)不可避免地滑移或滑轉(zhuǎn)，不僅會(huì)加劇輪胎磨損與功率、燃料的消耗，而且可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向和操作性能惡化。為防止這些現(xiàn)象發(fā)生，汽車(chē)左右輪間都裝有輪間差速器。但是當(dāng)汽車(chē)越野行駛或在泥濘、冰雪路面上行駛，一側(cè)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪與地面的附著系數(shù)很小時(shí)，盡管另一側(cè)車(chē)輪與地面有良好的附著，其驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨之減小，無(wú)法發(fā)揮潛在的牽引力，進(jìn)而使汽車(chē)停駛。為保證汽車(chē)行駛，越野汽車(chē)通常裝設(shè)差速鎖和防滑差速器，這些結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，不適用于農(nóng)業(yè)機(jī)械。

農(nóng)業(yè)機(jī)械的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常不安裝差速器，所以轉(zhuǎn)向比較困難。輪距窄的開(kāi)溝機(jī)、田園管理機(jī)等轉(zhuǎn)向時(shí)，利用人力強(qiáng)行扭轉(zhuǎn)機(jī)械使機(jī)具的左右輪在地面相對(duì)滑動(dòng)。輪距相對(duì)較寬的移栽機(jī)、插秧機(jī)等，靠人力扭轉(zhuǎn)機(jī)械基本不能轉(zhuǎn)向。所以通常在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用牙嵌式轉(zhuǎn)向離合器，轉(zhuǎn)向時(shí)通過(guò)分離該側(cè)的牙嵌式離合器，切斷動(dòng)力傳遞，另外一側(cè)因動(dòng)力沒(méi)有被切斷而繼續(xù)行駛，實(shí)現(xiàn)大輪距農(nóng)業(yè)機(jī)械轉(zhuǎn)向。牙嵌式離合器轉(zhuǎn)向雖然可以滿(mǎn)足上述要求，但操作復(fù)雜、轉(zhuǎn)向靈活性差、牙嵌齒輪有沖擊。為此，設(shè)計(jì)一種滑動(dòng)齒輪式差速器，差速時(shí)保證至少有一只動(dòng)力輸出軸運(yùn)動(dòng)，能夠可靠的傳遞驅(qū)動(dòng)力矩，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、實(shí)用性強(qiáng)。

1 滑動(dòng)齒輪差速器的總體結(jié)構(gòu)

滑動(dòng)齒輪差速器（見(jiàn)圖1）主要由滑動(dòng)齒輪、滾輪、滾輪軸、滾輪架、彈簧、滾輪軸卡箍、支撐軸、輸出軸等組成。其中支撐軸通過(guò)動(dòng)力輸出軸內(nèi)端的圓孔定位和支撐，滑動(dòng)齒輪安裝在支撐軸上，滾輪通過(guò)滾輪軸安裝在滾輪架上組成滾輪傳動(dòng)組件，滾輪傳動(dòng)組件相對(duì)滑動(dòng)齒輪對(duì)稱(chēng)布置；滑動(dòng)齒輪兩端圓周方向均布凸臺(tái)，滾輪安裝在凸臺(tái)凹槽一半處，當(dāng)動(dòng)力輸出軸兩端阻力矩相同時(shí)，滑動(dòng)齒輪位于兩滾輪架中間，動(dòng)力輸出軸同向等速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)動(dòng)力輸出軸兩端助力矩不同時(shí)，滑動(dòng)齒輪向力矩小的一端移動(dòng)，小力矩端驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速加快，大力矩?cái)噢D(zhuǎn)速降低；當(dāng)兩端助力矩相差在一定程度時(shí)，大力矩端動(dòng)力中斷，小力矩端保持動(dòng)力傳遞，實(shí)現(xiàn)差速。該差速器能產(chǎn)生一定的差速鎖緊扭矩，特別適合低速車(chē)輛和農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力傳遞使用。

2 滑動(dòng)齒輪差速器的工作原理

滑動(dòng)齒輪式差速器工作時(shí)，滑動(dòng)齒輪在一定范圍內(nèi)左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的差速驅(qū)動(dòng)。

2.1 直線(xiàn)行駛運(yùn)動(dòng)分析

滑動(dòng)齒輪差速器的核心工作部件是滑動(dòng)齒輪。在滑動(dòng)齒輪的兩側(cè)端面分別對(duì)稱(chēng)設(shè)置凸臺(tái)。凸臺(tái)（見(jiàn)圖2）由兩側(cè)斜面、底端面、頂端面、內(nèi)臺(tái)面、外臺(tái)面組成。

初始狀態(tài)時(shí)，在彈簧彈力的作用下，滑動(dòng)齒輪凸臺(tái)底端面與滾輪體相距半個(gè)滾輪體半徑位置，滾輪體與滑動(dòng)齒輪凸臺(tái)斜面接觸。在直線(xiàn)行駛時(shí)，兩側(cè)滾輪對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力矩相等，滑動(dòng)齒輪處于正中心位置，等速驅(qū)動(dòng)兩側(cè)車(chē)輛。直線(xiàn)行駛示意圖如圖3所示。

2.2 轉(zhuǎn)向行駛運(yùn)動(dòng)分析

以水平公路左轉(zhuǎn)向?yàn)槔珩{駛員小扭矩扭轉(zhuǎn)機(jī)械，相當(dāng)于在滑動(dòng)齒輪中心作用一個(gè)扭矩M1（見(jiàn)圖4）。由于扭矩M1的作用，左側(cè)滾輪作用在凸臺(tái)斜面的軸向分力大于右側(cè)滾輪作用在凸臺(tái)斜面的軸向分力，設(shè)此分力為F1。當(dāng)F1的分力小于右側(cè)彈簧在x/2位置變相的胡克力F2時(shí)，在F1的作用下，滑動(dòng)齒輪開(kāi)始向左側(cè)滑動(dòng)一個(gè)小于x/2的位置t，同時(shí)左側(cè)滾輪向后移動(dòng)一段距離b，右側(cè)滾輪向前移動(dòng)一段相同距離b，從而兩輪走過(guò)的路程出現(xiàn)差別，實(shí)現(xiàn)小幅度轉(zhuǎn)向差速。駕駛員大扭矩扭轉(zhuǎn)機(jī)械時(shí)，扭矩M1增大，分力F1增加。當(dāng)分力F1大于右側(cè)彈簧在x/2位置變相的胡克力F2時(shí)，滑動(dòng)齒輪滑動(dòng)到右側(cè)極限位置，使左側(cè)滾輪向后移動(dòng)距離b1，到凸臺(tái)頂面并向下繼續(xù)移動(dòng)至下一個(gè)凸臺(tái)斜面，左側(cè)滾輪向后移動(dòng)，左側(cè)驅(qū)動(dòng)力在此位置打滑，直至分力F1小于右側(cè)彈簧在x/2位置變相的胡克力F2，停止打滑。同時(shí)右側(cè)滾輪向前移動(dòng)距離b2，右側(cè)滾輪繼續(xù)保持直線(xiàn)行駛，兩側(cè)動(dòng)力輪走過(guò)的路程差加大，實(shí)現(xiàn)大幅度轉(zhuǎn)向差速或原地掉頭，F(xiàn)2即為該差速器的鎖緊力。同理可實(shí)現(xiàn)向右轉(zhuǎn)向。

3 Adams運(yùn)動(dòng)仿真分析

在Adams中建立復(fù)雜三維模型的難度較大，為此先在UG軟件中建立模型，再導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行約束和運(yùn)動(dòng)幅等相關(guān)參數(shù)設(shè)置和分析。建立的Adams模型如圖5所示。

3.1 等速行駛（兩輪阻力相同）運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)于兩輪所受地面給其阻力相同的情況，可看成直線(xiàn)行駛，即齒輪中間位置帶動(dòng)兩個(gè)半軸同速轉(zhuǎn)動(dòng)。分別給兩半軸和中心軸之間添加一個(gè)固定幅，定義構(gòu)建方式類(lèi)型為兩體一點(diǎn)定位。測(cè)量?jī)奢喌妮敵隽?，如圖6所示。

3.2 差速行駛（兩輪阻力不同）運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)于差速轉(zhuǎn)向行駛的情況，以右轉(zhuǎn)彎為例，右輪受到的阻力大于左輪受到的阻力，根據(jù)該差速器原理，中間齒輪受到右邊彈簧的力大于左邊彈簧的力，齒輪被壓到與左邊半軸嚙合的更多一些，從而帶動(dòng)左輪更快速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)差速。在軟件環(huán)境中，給右輪加載一個(gè)額外的阻力矩，而左輪受力情況不變，其差速仿真結(jié)果如圖7所示。測(cè)量左右輪的速度、加速度、位移等情況，如圖8所示。

仿真結(jié)果表明，左輪基本保持測(cè)試形態(tài)，而右側(cè)車(chē)輪的速度、加速度發(fā)生了大幅變化，位移不斷增大，右輪位移先保持一段距離，然后后移。當(dāng)轉(zhuǎn)向力消除后繼續(xù)前進(jìn)，表明差速效果明顯，將上述圖形集成后如圖9所示。

4 結(jié)論

仿真分析結(jié)果表明，該差速器符合低速農(nóng)業(yè)機(jī)械差速轉(zhuǎn)向要求。仿真結(jié)果與機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理相符合，說(shuō)明UG建立的實(shí)體模型與Adams建立的數(shù)據(jù)模型真實(shí)可靠。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳立平，張?jiān)魄澹涡l(wèi)群，等.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2] 杜中華，王興貴，狄長(zhǎng)春.用Pro/E和ADAMS聯(lián)合建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的仿真模型[J].機(jī)械，2002，29（增刊）：153-154.

[3] 李三群，賈長(zhǎng)治，武彩崗，等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的齒輪嚙合動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（4）：901-902.

[4] 龍凱，程穎.齒輪嚙合力仿真計(jì)算的參數(shù)選取研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2002，19（6）：87-88.

[5] 曲紅.FD420 型集裝箱叉車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].叉車(chē)技術(shù)，2004（1）：25-26.

[6] 李軍，邢俊文，覃文潔.ADAMS實(shí)例操作教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

[7] 王國(guó)強(qiáng).虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

摘要：介紹一種滑動(dòng)齒輪式差速器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，采用UG建立樣機(jī)的物理模型，通過(guò)UG與ADAMS的數(shù)據(jù)交換接口把模型的幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ADAMS動(dòng)力學(xué)模型。直線(xiàn)行駛和轉(zhuǎn)向行駛工況仿真計(jì)算結(jié)果表明，該差速器符合低速農(nóng)業(yè)機(jī)械差速轉(zhuǎn)向要求。

關(guān)鍵詞：差速器；虛擬樣機(jī)；動(dòng)力學(xué)分析；仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）07-0018-04

汽車(chē)行駛時(shí)，左右車(chē)輪在同一時(shí)間內(nèi)所滾過(guò)的路程通常不等，如果驅(qū)動(dòng)橋的左右車(chē)輪剛性連接，則行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)輪在路面上會(huì)不可避免地滑移或滑轉(zhuǎn)，不僅會(huì)加劇輪胎磨損與功率、燃料的消耗，而且可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向和操作性能惡化。為防止這些現(xiàn)象發(fā)生，汽車(chē)左右輪間都裝有輪間差速器。但是當(dāng)汽車(chē)越野行駛或在泥濘、冰雪路面上行駛，一側(cè)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪與地面的附著系數(shù)很小時(shí)，盡管另一側(cè)車(chē)輪與地面有良好的附著，其驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨之減小，無(wú)法發(fā)揮潛在的牽引力，進(jìn)而使汽車(chē)停駛。為保證汽車(chē)行駛，越野汽車(chē)通常裝設(shè)差速鎖和防滑差速器，這些結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，不適用于農(nóng)業(yè)機(jī)械。

農(nóng)業(yè)機(jī)械的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常不安裝差速器，所以轉(zhuǎn)向比較困難。輪距窄的開(kāi)溝機(jī)、田園管理機(jī)等轉(zhuǎn)向時(shí)，利用人力強(qiáng)行扭轉(zhuǎn)機(jī)械使機(jī)具的左右輪在地面相對(duì)滑動(dòng)。輪距相對(duì)較寬的移栽機(jī)、插秧機(jī)等，靠人力扭轉(zhuǎn)機(jī)械基本不能轉(zhuǎn)向。所以通常在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用牙嵌式轉(zhuǎn)向離合器，轉(zhuǎn)向時(shí)通過(guò)分離該側(cè)的牙嵌式離合器，切斷動(dòng)力傳遞，另外一側(cè)因動(dòng)力沒(méi)有被切斷而繼續(xù)行駛，實(shí)現(xiàn)大輪距農(nóng)業(yè)機(jī)械轉(zhuǎn)向。牙嵌式離合器轉(zhuǎn)向雖然可以滿(mǎn)足上述要求，但操作復(fù)雜、轉(zhuǎn)向靈活性差、牙嵌齒輪有沖擊。為此，設(shè)計(jì)一種滑動(dòng)齒輪式差速器，差速時(shí)保證至少有一只動(dòng)力輸出軸運(yùn)動(dòng)，能夠可靠的傳遞驅(qū)動(dòng)力矩，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、實(shí)用性強(qiáng)。

1 滑動(dòng)齒輪差速器的總體結(jié)構(gòu)

滑動(dòng)齒輪差速器（見(jiàn)圖1）主要由滑動(dòng)齒輪、滾輪、滾輪軸、滾輪架、彈簧、滾輪軸卡箍、支撐軸、輸出軸等組成。其中支撐軸通過(guò)動(dòng)力輸出軸內(nèi)端的圓孔定位和支撐，滑動(dòng)齒輪安裝在支撐軸上，滾輪通過(guò)滾輪軸安裝在滾輪架上組成滾輪傳動(dòng)組件，滾輪傳動(dòng)組件相對(duì)滑動(dòng)齒輪對(duì)稱(chēng)布置；滑動(dòng)齒輪兩端圓周方向均布凸臺(tái)，滾輪安裝在凸臺(tái)凹槽一半處，當(dāng)動(dòng)力輸出軸兩端阻力矩相同時(shí)，滑動(dòng)齒輪位于兩滾輪架中間，動(dòng)力輸出軸同向等速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)動(dòng)力輸出軸兩端助力矩不同時(shí)，滑動(dòng)齒輪向力矩小的一端移動(dòng)，小力矩端驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速加快，大力矩?cái)噢D(zhuǎn)速降低；當(dāng)兩端助力矩相差在一定程度時(shí)，大力矩端動(dòng)力中斷，小力矩端保持動(dòng)力傳遞，實(shí)現(xiàn)差速。該差速器能產(chǎn)生一定的差速鎖緊扭矩，特別適合低速車(chē)輛和農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力傳遞使用。

2 滑動(dòng)齒輪差速器的工作原理

滑動(dòng)齒輪式差速器工作時(shí)，滑動(dòng)齒輪在一定范圍內(nèi)左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的差速驅(qū)動(dòng)。

2.1 直線(xiàn)行駛運(yùn)動(dòng)分析

滑動(dòng)齒輪差速器的核心工作部件是滑動(dòng)齒輪。在滑動(dòng)齒輪的兩側(cè)端面分別對(duì)稱(chēng)設(shè)置凸臺(tái)。凸臺(tái)（見(jiàn)圖2）由兩側(cè)斜面、底端面、頂端面、內(nèi)臺(tái)面、外臺(tái)面組成。

初始狀態(tài)時(shí)，在彈簧彈力的作用下，滑動(dòng)齒輪凸臺(tái)底端面與滾輪體相距半個(gè)滾輪體半徑位置，滾輪體與滑動(dòng)齒輪凸臺(tái)斜面接觸。在直線(xiàn)行駛時(shí)，兩側(cè)滾輪對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力矩相等，滑動(dòng)齒輪處于正中心位置，等速驅(qū)動(dòng)兩側(cè)車(chē)輛。直線(xiàn)行駛示意圖如圖3所示。

2.2 轉(zhuǎn)向行駛運(yùn)動(dòng)分析

以水平公路左轉(zhuǎn)向?yàn)槔珩{駛員小扭矩扭轉(zhuǎn)機(jī)械，相當(dāng)于在滑動(dòng)齒輪中心作用一個(gè)扭矩M1（見(jiàn)圖4）。由于扭矩M1的作用，左側(cè)滾輪作用在凸臺(tái)斜面的軸向分力大于右側(cè)滾輪作用在凸臺(tái)斜面的軸向分力，設(shè)此分力為F1。當(dāng)F1的分力小于右側(cè)彈簧在x/2位置變相的胡克力F2時(shí)，在F1的作用下，滑動(dòng)齒輪開(kāi)始向左側(cè)滑動(dòng)一個(gè)小于x/2的位置t，同時(shí)左側(cè)滾輪向后移動(dòng)一段距離b，右側(cè)滾輪向前移動(dòng)一段相同距離b，從而兩輪走過(guò)的路程出現(xiàn)差別，實(shí)現(xiàn)小幅度轉(zhuǎn)向差速。駕駛員大扭矩扭轉(zhuǎn)機(jī)械時(shí)，扭矩M1增大，分力F1增加。當(dāng)分力F1大于右側(cè)彈簧在x/2位置變相的胡克力F2時(shí)，滑動(dòng)齒輪滑動(dòng)到右側(cè)極限位置，使左側(cè)滾輪向后移動(dòng)距離b1，到凸臺(tái)頂面并向下繼續(xù)移動(dòng)至下一個(gè)凸臺(tái)斜面，左側(cè)滾輪向后移動(dòng)，左側(cè)驅(qū)動(dòng)力在此位置打滑，直至分力F1小于右側(cè)彈簧在x/2位置變相的胡克力F2，停止打滑。同時(shí)右側(cè)滾輪向前移動(dòng)距離b2，右側(cè)滾輪繼續(xù)保持直線(xiàn)行駛，兩側(cè)動(dòng)力輪走過(guò)的路程差加大，實(shí)現(xiàn)大幅度轉(zhuǎn)向差速或原地掉頭，F(xiàn)2即為該差速器的鎖緊力。同理可實(shí)現(xiàn)向右轉(zhuǎn)向。

3 Adams運(yùn)動(dòng)仿真分析

在Adams中建立復(fù)雜三維模型的難度較大，為此先在UG軟件中建立模型，再導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行約束和運(yùn)動(dòng)幅等相關(guān)參數(shù)設(shè)置和分析。建立的Adams模型如圖5所示。

3.1 等速行駛（兩輪阻力相同）運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)于兩輪所受地面給其阻力相同的情況，可看成直線(xiàn)行駛，即齒輪中間位置帶動(dòng)兩個(gè)半軸同速轉(zhuǎn)動(dòng)。分別給兩半軸和中心軸之間添加一個(gè)固定幅，定義構(gòu)建方式類(lèi)型為兩體一點(diǎn)定位。測(cè)量?jī)奢喌妮敵隽?，如圖6所示。

3.2 差速行駛（兩輪阻力不同）運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)于差速轉(zhuǎn)向行駛的情況，以右轉(zhuǎn)彎為例，右輪受到的阻力大于左輪受到的阻力，根據(jù)該差速器原理，中間齒輪受到右邊彈簧的力大于左邊彈簧的力，齒輪被壓到與左邊半軸嚙合的更多一些，從而帶動(dòng)左輪更快速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)差速。在軟件環(huán)境中，給右輪加載一個(gè)額外的阻力矩，而左輪受力情況不變，其差速仿真結(jié)果如圖7所示。測(cè)量左右輪的速度、加速度、位移等情況，如圖8所示。

仿真結(jié)果表明，左輪基本保持測(cè)試形態(tài)，而右側(cè)車(chē)輪的速度、加速度發(fā)生了大幅變化，位移不斷增大，右輪位移先保持一段距離，然后后移。當(dāng)轉(zhuǎn)向力消除后繼續(xù)前進(jìn)，表明差速效果明顯，將上述圖形集成后如圖9所示。

4 結(jié)論

仿真分析結(jié)果表明，該差速器符合低速農(nóng)業(yè)機(jī)械差速轉(zhuǎn)向要求。仿真結(jié)果與機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理相符合，說(shuō)明UG建立的實(shí)體模型與Adams建立的數(shù)據(jù)模型真實(shí)可靠。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳立平，張?jiān)魄?，任衛(wèi)群，等.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2] 杜中華，王興貴，狄長(zhǎng)春.用Pro/E和ADAMS聯(lián)合建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的仿真模型[J].機(jī)械，2002，29（增刊）：153-154.

[3] 李三群，賈長(zhǎng)治，武彩崗，等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的齒輪嚙合動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（4）：901-902.

[4] 龍凱，程穎.齒輪嚙合力仿真計(jì)算的參數(shù)選取研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2002，19（6）：87-88.

[5] 曲紅.FD420 型集裝箱叉車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].叉車(chē)技術(shù)，2004（1）：25-26.

[6] 李軍，邢俊文，覃文潔.ADAMS實(shí)例操作教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

[7] 王國(guó)強(qiáng).虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

摘要：介紹一種滑動(dòng)齒輪式差速器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，采用UG建立樣機(jī)的物理模型，通過(guò)UG與ADAMS的數(shù)據(jù)交換接口把模型的幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ADAMS動(dòng)力學(xué)模型。直線(xiàn)行駛和轉(zhuǎn)向行駛工況仿真計(jì)算結(jié)果表明，該差速器符合低速農(nóng)業(yè)機(jī)械差速轉(zhuǎn)向要求。

關(guān)鍵詞：差速器；虛擬樣機(jī)；動(dòng)力學(xué)分析；仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）07-0018-04

汽車(chē)行駛時(shí)，左右車(chē)輪在同一時(shí)間內(nèi)所滾過(guò)的路程通常不等，如果驅(qū)動(dòng)橋的左右車(chē)輪剛性連接，則行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)輪在路面上會(huì)不可避免地滑移或滑轉(zhuǎn)，不僅會(huì)加劇輪胎磨損與功率、燃料的消耗，而且可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向和操作性能惡化。為防止這些現(xiàn)象發(fā)生，汽車(chē)左右輪間都裝有輪間差速器。但是當(dāng)汽車(chē)越野行駛或在泥濘、冰雪路面上行駛，一側(cè)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪與地面的附著系數(shù)很小時(shí)，盡管另一側(cè)車(chē)輪與地面有良好的附著，其驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨之減小，無(wú)法發(fā)揮潛在的牽引力，進(jìn)而使汽車(chē)停駛。為保證汽車(chē)行駛，越野汽車(chē)通常裝設(shè)差速鎖和防滑差速器，這些結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，不適用于農(nóng)業(yè)機(jī)械。

農(nóng)業(yè)機(jī)械的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常不安裝差速器，所以轉(zhuǎn)向比較困難。輪距窄的開(kāi)溝機(jī)、田園管理機(jī)等轉(zhuǎn)向時(shí)，利用人力強(qiáng)行扭轉(zhuǎn)機(jī)械使機(jī)具的左右輪在地面相對(duì)滑動(dòng)。輪距相對(duì)較寬的移栽機(jī)、插秧機(jī)等，靠人力扭轉(zhuǎn)機(jī)械基本不能轉(zhuǎn)向。所以通常在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用牙嵌式轉(zhuǎn)向離合器，轉(zhuǎn)向時(shí)通過(guò)分離該側(cè)的牙嵌式離合器，切斷動(dòng)力傳遞，另外一側(cè)因動(dòng)力沒(méi)有被切斷而繼續(xù)行駛，實(shí)現(xiàn)大輪距農(nóng)業(yè)機(jī)械轉(zhuǎn)向。牙嵌式離合器轉(zhuǎn)向雖然可以滿(mǎn)足上述要求，但操作復(fù)雜、轉(zhuǎn)向靈活性差、牙嵌齒輪有沖擊。為此，設(shè)計(jì)一種滑動(dòng)齒輪式差速器，差速時(shí)保證至少有一只動(dòng)力輸出軸運(yùn)動(dòng)，能夠可靠的傳遞驅(qū)動(dòng)力矩，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、實(shí)用性強(qiáng)。

1 滑動(dòng)齒輪差速器的總體結(jié)構(gòu)

滑動(dòng)齒輪差速器（見(jiàn)圖1）主要由滑動(dòng)齒輪、滾輪、滾輪軸、滾輪架、彈簧、滾輪軸卡箍、支撐軸、輸出軸等組成。其中支撐軸通過(guò)動(dòng)力輸出軸內(nèi)端的圓孔定位和支撐，滑動(dòng)齒輪安裝在支撐軸上，滾輪通過(guò)滾輪軸安裝在滾輪架上組成滾輪傳動(dòng)組件，滾輪傳動(dòng)組件相對(duì)滑動(dòng)齒輪對(duì)稱(chēng)布置；滑動(dòng)齒輪兩端圓周方向均布凸臺(tái)，滾輪安裝在凸臺(tái)凹槽一半處，當(dāng)動(dòng)力輸出軸兩端阻力矩相同時(shí)，滑動(dòng)齒輪位于兩滾輪架中間，動(dòng)力輸出軸同向等速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)動(dòng)力輸出軸兩端助力矩不同時(shí)，滑動(dòng)齒輪向力矩小的一端移動(dòng)，小力矩端驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速加快，大力矩?cái)噢D(zhuǎn)速降低；當(dāng)兩端助力矩相差在一定程度時(shí)，大力矩端動(dòng)力中斷，小力矩端保持動(dòng)力傳遞，實(shí)現(xiàn)差速。該差速器能產(chǎn)生一定的差速鎖緊扭矩，特別適合低速車(chē)輛和農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力傳遞使用。

2 滑動(dòng)齒輪差速器的工作原理

滑動(dòng)齒輪式差速器工作時(shí)，滑動(dòng)齒輪在一定范圍內(nèi)左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的差速驅(qū)動(dòng)。

2.1 直線(xiàn)行駛運(yùn)動(dòng)分析

滑動(dòng)齒輪差速器的核心工作部件是滑動(dòng)齒輪。在滑動(dòng)齒輪的兩側(cè)端面分別對(duì)稱(chēng)設(shè)置凸臺(tái)。凸臺(tái)（見(jiàn)圖2）由兩側(cè)斜面、底端面、頂端面、內(nèi)臺(tái)面、外臺(tái)面組成。

初始狀態(tài)時(shí)，在彈簧彈力的作用下，滑動(dòng)齒輪凸臺(tái)底端面與滾輪體相距半個(gè)滾輪體半徑位置，滾輪體與滑動(dòng)齒輪凸臺(tái)斜面接觸。在直線(xiàn)行駛時(shí)，兩側(cè)滾輪對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力矩相等，滑動(dòng)齒輪處于正中心位置，等速驅(qū)動(dòng)兩側(cè)車(chē)輛。直線(xiàn)行駛示意圖如圖3所示。

2.2 轉(zhuǎn)向行駛運(yùn)動(dòng)分析

以水平公路左轉(zhuǎn)向?yàn)槔珩{駛員小扭矩扭轉(zhuǎn)機(jī)械，相當(dāng)于在滑動(dòng)齒輪中心作用一個(gè)扭矩M1（見(jiàn)圖4）。由于扭矩M1的作用，左側(cè)滾輪作用在凸臺(tái)斜面的軸向分力大于右側(cè)滾輪作用在凸臺(tái)斜面的軸向分力，設(shè)此分力為F1。當(dāng)F1的分力小于右側(cè)彈簧在x/2位置變相的胡克力F2時(shí)，在F1的作用下，滑動(dòng)齒輪開(kāi)始向左側(cè)滑動(dòng)一個(gè)小于x/2的位置t，同時(shí)左側(cè)滾輪向后移動(dòng)一段距離b，右側(cè)滾輪向前移動(dòng)一段相同距離b，從而兩輪走過(guò)的路程出現(xiàn)差別，實(shí)現(xiàn)小幅度轉(zhuǎn)向差速。駕駛員大扭矩扭轉(zhuǎn)機(jī)械時(shí)，扭矩M1增大，分力F1增加。當(dāng)分力F1大于右側(cè)彈簧在x/2位置變相的胡克力F2時(shí)，滑動(dòng)齒輪滑動(dòng)到右側(cè)極限位置，使左側(cè)滾輪向后移動(dòng)距離b1，到凸臺(tái)頂面并向下繼續(xù)移動(dòng)至下一個(gè)凸臺(tái)斜面，左側(cè)滾輪向后移動(dòng)，左側(cè)驅(qū)動(dòng)力在此位置打滑，直至分力F1小于右側(cè)彈簧在x/2位置變相的胡克力F2，停止打滑。同時(shí)右側(cè)滾輪向前移動(dòng)距離b2，右側(cè)滾輪繼續(xù)保持直線(xiàn)行駛，兩側(cè)動(dòng)力輪走過(guò)的路程差加大，實(shí)現(xiàn)大幅度轉(zhuǎn)向差速或原地掉頭，F(xiàn)2即為該差速器的鎖緊力。同理可實(shí)現(xiàn)向右轉(zhuǎn)向。

3 Adams運(yùn)動(dòng)仿真分析

在Adams中建立復(fù)雜三維模型的難度較大，為此先在UG軟件中建立模型，再導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行約束和運(yùn)動(dòng)幅等相關(guān)參數(shù)設(shè)置和分析。建立的Adams模型如圖5所示。

3.1 等速行駛（兩輪阻力相同）運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)于兩輪所受地面給其阻力相同的情況，可看成直線(xiàn)行駛，即齒輪中間位置帶動(dòng)兩個(gè)半軸同速轉(zhuǎn)動(dòng)。分別給兩半軸和中心軸之間添加一個(gè)固定幅，定義構(gòu)建方式類(lèi)型為兩體一點(diǎn)定位。測(cè)量?jī)奢喌妮敵隽?，如圖6所示。

3.2 差速行駛（兩輪阻力不同）運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)于差速轉(zhuǎn)向行駛的情況，以右轉(zhuǎn)彎為例，右輪受到的阻力大于左輪受到的阻力，根據(jù)該差速器原理，中間齒輪受到右邊彈簧的力大于左邊彈簧的力，齒輪被壓到與左邊半軸嚙合的更多一些，從而帶動(dòng)左輪更快速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)差速。在軟件環(huán)境中，給右輪加載一個(gè)額外的阻力矩，而左輪受力情況不變，其差速仿真結(jié)果如圖7所示。測(cè)量左右輪的速度、加速度、位移等情況，如圖8所示。

仿真結(jié)果表明，左輪基本保持測(cè)試形態(tài)，而右側(cè)車(chē)輪的速度、加速度發(fā)生了大幅變化，位移不斷增大，右輪位移先保持一段距離，然后后移。當(dāng)轉(zhuǎn)向力消除后繼續(xù)前進(jìn)，表明差速效果明顯，將上述圖形集成后如圖9所示。

4 結(jié)論

仿真分析結(jié)果表明，該差速器符合低速農(nóng)業(yè)機(jī)械差速轉(zhuǎn)向要求。仿真結(jié)果與機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理相符合，說(shuō)明UG建立的實(shí)體模型與Adams建立的數(shù)據(jù)模型真實(shí)可靠。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳立平，張?jiān)魄?，任衛(wèi)群，等.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2] 杜中華，王興貴，狄長(zhǎng)春.用Pro/E和ADAMS聯(lián)合建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的仿真模型[J].機(jī)械，2002，29（增刊）：153-154.

[3] 李三群，賈長(zhǎng)治，武彩崗，等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的齒輪嚙合動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（4）：901-902.

[4] 龍凱，程穎.齒輪嚙合力仿真計(jì)算的參數(shù)選取研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2002，19（6）：87-88.

[5] 曲紅.FD420 型集裝箱叉車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].叉車(chē)技術(shù)，2004（1）：25-26.

[6] 李軍，邢俊文，覃文潔.ADAMS實(shí)例操作教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

[7] 王國(guó)強(qiáng).虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.