摘 要

汽车驱动桥差速器时汽车传动系统的重要组件，其主要功用是在汽车转弯行驶时使内外侧车轮转速不同，以达到车轮纯滚动的目的。差速器工作性能的好坏将直接影响汽车的操作和转弯性能，本文以目前汽车上使用较多的对称式圆锥齿轮差速器为基础，分析其动力学特性。

本文首先运用Pro/E软件对驱动桥差速器的三维模型进行构建，随后导入到ADAMS内构建差速器虚拟样机模型，然后对不同行驶工况进行了分析。通过对不同车速下差速器的动力学分析，得到了差速器齿轮转速、角加速度和啮合力与车速的关系；通过对转弯行驶工况的分析验证了差速器的转速特性，并得出了与直线行驶时相比转弯过程中差速器齿轮转速波动更大；通过对起步工况的分析，得出了加速过程中差速器齿轮转速及其啮合力的变化曲线。

此外，还对差速器半轴齿轮和行星齿轮发生偏移和偏转时差速器的工作特性进行了仿真分析，得出了半轴齿轮的偏移和偏转会影响差速器的运动特性，使差速器不能正常工作，而半轴齿轮的偏移和偏转对差速器的正常工作影响不大等一些列结论。

关键词：差速器；ADAMS；动力学；运动仿真

Abstract

The main function of the automobile transmission system when the vehicle drive axle differential is used is to make the inner and outer wheels rotate at different speeds during the turning of the automobile so as to achieve the purpose of wheel pure rolling. The performance of the differential will directly affect the operation and cornering performance of the car. This paper analyzes the dynamic characteristics based on the symmetric bevel gear differential that is currently used in most vehicles.

This paper first uses Pro/E software to construct the three-dimensional model of the drive axle differential, and then imports it into ADAMS to construct the differential virtual prototype model, and then analyzes the different driving conditions. By analyzing the dynamics of differentials at different vehicle speeds, the relationship between differential gear speed, angular acceleration, meshing force and vehicle speed is obtained; the speed characteristics of the differential are verified through analysis of turning conditions and obtained. Compared with the straight-line driving, the gear speed of the differential gear fluctuates more during the turn; through the analysis of the starting conditions, the change curve of the speed of the differential gear and its meshing force in the acceleration process is obtained.

In addition, the performance characteristics of the differential when the differential gears and planet gears are offset and deflected are simulated. It is concluded that the offset and deflection of the axle gears will affect the speed characteristics of the differentials. Differentials do not work properly, and the offset and deflection of the axle gear have little effect on the normal operation of the differential.

Key Words：Differential；ADAMS；Dynamic；Simulation analysis

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究的主要内容及技术路线 3

1.4 本章小结 3

第2章 电动汽车驱动桥的基础理论 4

2.1 驱动桥基本结构与功用 4

2.2 主减速器 4

2.3 差速器 5

2.3.1 差速器的功用及其基本结构 5

2.3.2 对称式圆锥齿轮差速器的差速原理 6

2.3.3 对称式圆锥齿轮差速器的转矩特性 9

2.4 半轴和桥壳 9

2.5 本章小结 10

第3章 差速器三维模型的构建 11

3.1 Pro/Engineer Wildfire5.0软件简介 11

3.2 Pro/Engineer Wildfire5.0主要模块简介 11

3.3 差速器主要零部件的建模 12

3.4 差速器的虚拟装配 12

3.5 本章小结 13

第4章差速虚拟样机模型的构建 14

4.1 虚拟样机技术简述 14

4.2 ADAMS软件简介 14

4.3 齿轮碰撞接触理论 15

4.4 运用ADAMS对差速器虚拟样机模型进行构建 16

4.4.1 将三维模型导入ADAMS 16

4.4.2 建立差速器虚拟样机模型 16

4.5 本章小结 19

第5章 差速器在不同行驶工况下的动力学仿真分析 21

5.1 汽车以30km/h车速直线行驶的差速器动力学分析 21

5.2 汽车以90km/h车速直线行驶的差速器动力学分析 27

5.3 以恒定车速转弯时的差速器动力学分析 31

5.4 汽车起步工况差速器动力学分析 37

5.5 本章小结 40

第6章 存在装配误差下的差速器动力学分析 41

6.1 差速器齿轮间啮合间隙存在误差时的动力学分析 41

6.1.1 差速器右端半轴齿轮向左偏移0.2cm的动力学分析 41

6.1.2 差速器右端半轴齿轮向右偏移0.2cm的动力学分析 46

6.1.3 差速器上端行星齿轮向下偏移0.2cm的动力学分析 50

6.1.4 差速器上端行星齿轮向上偏移0.2cm的动力学分析 55

6.2 差速器齿轮间啮合角度存在误差时的动力学分析 58

6.2.1 差速器右端半轴齿轮逆时针偏转1°的动力学分析 58

6.2.2 差速器右端半轴齿轮顺时针偏转1°的动力学分析 61

6.2.3 差速器上端行星齿轮逆时针偏转1°的动力学分析 63

6.2.4差速器上端行星齿轮顺针偏转1°的动力学分析 65

6.3 本章小结 67

第7章 总结 69

参考文献 70

致 谢 72

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

2017年我国新能源电动汽车销量依旧呈现较高增长势头，全年累计销售量高达77.7万，相比于去年增长53.3%。随着欧美等国率先宣布本世纪中叶将全面禁销燃油车，电动汽车即将迎来高速发展的浪潮。电动汽车可以有效的避免传统燃油车带来的环境污染和能量枯竭等问题，因此受到世界各国的广泛关注和大力发展。传动系统是电动汽车的重要组成部分，而驱动桥位于传动系统的末端，其中的部件差速器对汽车的可靠性和转向性能的好坏起决定性的作用，因此对汽车驱动桥差速器的动力学进行设计分析就显得尤为重要^[1]。

差速器作为驱动桥的核心部件，位于驱动桥的中部，包括两个行星齿轮和两个半轴齿轮等部件。当汽车进行转弯时，距离转向中心较远的车轮比距离转向中心较近的车轮要多行进一段距离。除此之外，当汽车直线行驶时，也会因为车轮左右两边路面状况和左右两边轮胎所处状态的差异，导致左右两边车轮的滚动半径的差别。此时，如果缺少差速器这一核心部件，而直接将两侧车轮刚性连接，汽车在弯道行驶时左右两侧车轮将会发生滑转或是滑移的不良运动状态。不但影响汽车的操纵性和转向性能，还会导致轮胎磨损速度加快以及燃油使用量增加。而差速器的使用，可以根据两侧车轮所处状态的不同，将发动机传来的转速和转矩以不同的大小分配到两侧车轮，从而可以有效的避免转弯行驶时车轮的滑转和滑移，提高通过性^[2-3]。因此对差速器的动力学进行设计分析可以对汽车在不同行驶路况的性能进行优化设计，对提高汽车整体性能具有重要意义。

1.2 国内外研究现状

由于西方发达国家汽车工业起步早实力雄厚，而差速器作为汽车的关键部件，其核心技术依然被西方发达国家所垄断。西方各个汽车生产厂商和学者也对差速器进行了大量的研究。差速器最先是由法国雷诺公司创始人路易斯·雷诺所创造。在此之后差速器相关技术取得了突飞猛进的进展。Jozef Wojnarowski和Valentin Onishchenko在几何和运动学模型的帮助下，分析了变形和磨损对齿轮动力学的影响，结果表明，在计算齿轮传动装置的耐久性时，必须考虑由于磨损而导致的齿线的变化^[4]。Wang J等学者基于有限元分析软件对齿轮修行参数进行了研究并改进，对齿轮形状的设计提供了理论层面上的依据^[5-7]。M. Guagliano，L.Vergani,M.Vimercati提出了一种数值方法来研究具有交叉轴线的齿轮副（即准双曲面齿轮）中的表面裂纹扩展机制；从对复杂齿轮几何形状的精确三维描述开始，通过先进的接触求解器进行的数值分析允许在整个啮合循环中获得未开裂齿中的接触压力分布和位移场；分析卡车差速传动装置的实际准双曲面齿轮中的圆形子表面裂纹^[8]。D. Park, A. Kahraman基于准双曲面齿轮运动学和齿面几何形状，提出了用于计算沿着齿接触区域的滑动距离的方，并且使用接触模型来预测正常接触压力分布；分析了准双曲面齿轮副的磨损行为，演示了齿轮位置误差对磨损模式的影响^[9]。美国学者Alfonso Fuentes-Aznar等双联锁圆弧刀直齿圆锥齿轮的计算机化生成，并展示了啮合和接触的仿真结果以及有限元分析^[10]。I. Dadon、N. Koren等学者的研究提出了一种新的通用齿轮动力学模型，该模型通过数值求解，并结合了最先进的齿轮建模方法，成功的模拟了真实环境中真实齿轮对的加速度信号，为我们提供了一种新的分析公式，用于模拟位于整个接触区域的完整齿面故障^[11]。Mikhail I. Kurushin等人通过研究表明，差动齿轮的主要激励源是中心内齿轮，激励强度取决于齿轮的制造精度，随着太阳齿轮齿顶上侧翼尺寸的增加超过特定值，齿轮中的振动水平增加；结果表明在齿轮中引入齿距变化的最佳值可将振动减至最小^[12]。

目前，国内差速器技术的发展虽然相较于欧美汽车强国还有一定差距，但随着近些年来，我们世界第一汽车生产销售大国的地位日益凸显，国内众多高校学者对差速器的研究也日益成熟，对促进我国差速器相关技术的发展具有重要意义。2006年吉林大学的蒋法国基于ANSYA软件中的APDL语言开发出了一种用于直齿锥齿轮三维参数化建模及其应力分析的新途径。在参数化分析时，我们只需改变某些参数，便能实现往复分析各种单元类型，不同尺寸和载荷的目标。此方法极大地简便了分析过程，减少了成本^[13]。同年合肥工业大学的毛啸滇则是运用ANSYA软件对防滑差速器壳体在仅有普通差速器、有防滑差速器且汽车左轮打滑右轮附着良好、有防滑差速器且右轮打滑左轮附着良好的三种不同工况进行了分析，对防滑差速器的实用性进行了验证^[14]。2007年浙江大学的田磊对影响行星齿轮差速器转矩分配的重要影响参数内摩擦力矩进行了阐述。其通过对差速器行星齿轮和半轴齿轮进行受力分析，得出了计算内摩擦力矩的公式^[15]。2010年武汉理工大学的刘薇利用三维建模软件Pro/E建立了行星齿轮差速器的实体模型，并运用有限元分析软件ANSYA对三维实体模型进行静力学分析，对差速器结构设计是否合理进行了验证^[16]。2013年安徽农业大学的鲁磊在利用UG对差速器进行三维模型的基础上，基于ADAMS软件对汽车在从直线行驶到转弯过程的差速器齿轮进行了刚体动力学分析，得到了差速器行星齿轮及半轴齿轮的相关动力学参数^[17]。2014年南京理工大学的端木萍萍对行星差速器的齿轮进行了动态啮合模拟，对齿根弯曲应力及分布状况进行了研究，并且对行星齿轮的疲劳轻度进行了验证^[18]。2015年辽宁工业大学的王晓怡基于轻量化，减少使用体积的目的，设计了一种新型的直齿圆柱齿轮差速器，为我们提供了一种新型差速器的设计思路^[19]。2017年济南大学的徐振利用有限元分析软件Workbench分别对半轴齿轮和行星齿轮啮合模型、差速器壳体和差速器总成分别进行了模态分析，对模型的前六阶固有频率进行了研究，为系统的动态设计做了理论铺垫^[20]。