汽車差速器結(jié)構(gòu)設(shè)計、三維建模與虛擬裝配研究

    差速器的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計基本上采用二維系統(tǒng)，缺點是零件的結(jié)構(gòu)形狀不能靈活改變，同時，零部件之間的裝配關(guān)系通過二維裝配圖表達使設(shè)計人員只能由二維圖想象零部件的三維安裝定位情況，實際裝配中若產(chǎn)品的設(shè)計有誤差而無法進行準(zhǔn)確的裝配時，則往往會導(dǎo)致產(chǎn)品的重新設(shè)計，使開發(fā)周期延長、開發(fā)成本增加。

    參數(shù)化設(shè)計是一種使用參數(shù)快速構(gòu)造和修改幾何模型的造型方法。本文在差速器結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，基于Pro/E軟件平臺，先將參數(shù)化技術(shù)引入差速器零件三維建模設(shè)計中，再將已建立三維實體的各零部件進行虛擬裝配，其優(yōu)點是一旦發(fā)現(xiàn)干涉現(xiàn)象或存在尺寸問題，可隨時修改相關(guān)零件尺寸，且零件和裝配件的相關(guān)部分自動修改，并按比例自動重新生成，能真實反映零部件的實際形狀和相互位置關(guān)系，便于確認修改結(jié)果。

1 差速器結(jié)構(gòu)設(shè)計

    差速器結(jié)構(gòu)設(shè)計是其零部件三維建模的基礎(chǔ)，必須綜合考慮匹配車型、動力總成特性參數(shù)、汽車通過性參數(shù)（如地隙）、平均路面條件等。為此，將其結(jié)構(gòu)設(shè)計主要內(nèi)容和思路簡述如下：

    一般需依據(jù)汽車設(shè)計規(guī)范，查閱設(shè)計公式圖表進行差速器齒輪（包括行星齒輪、半軸齒輪）基本參數(shù)（包括各齒輪齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、行星齒輪安裝尺寸等）選擇，再進行差速器齒輪幾何尺寸計算與強度校核。由于行星齒輪在差速器工作中經(jīng)常只起等臂推力桿的作用，僅在左、右車輪有轉(zhuǎn)速差時行星齒輪和半軸齒輪間才有相對滾動，故對差速器齒輪可不考慮其疲勞壽命，僅進行彎曲強度校核即可，強度校核中差速器錐齒輪的材料可選為20CrMnTi、20CrMoTi和20CrMo等。

    差速器殼是裝在主減速器從動齒輪上，故在確定主減速器從動齒輪尺寸時，應(yīng)考慮差速器的安裝。差速器殼的輪廓尺寸也受到從動齒輪及主動齒輪導(dǎo)向軸承支座的限制。差速器殼體的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有殼體厚度、殼體外部直徑、內(nèi)部直徑、長度及半軸直徑等。差速器殼體的內(nèi)部直徑主要由行星齒輪和半軸齒輪的直徑?jīng)Q定，差速器的外部直徑則有殼體厚度和內(nèi)部直徑?jīng)Q定。差速器殼沿驅(qū)動軸方向的長度與半軸齒輪、行星齒輪及半軸齒輪內(nèi)部花鍵的長度有關(guān)。殼體的厚度主要決定因素是差速器殼體強度，在滿足強度和足夠的安全系數(shù)條件下，殼體厚度應(yīng)盡量減小，以減輕重量，節(jié)約成本。

    同時差速器殼體的結(jié)構(gòu)參數(shù)還與半軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，特別是與半軸的直徑關(guān)系最密切。如半軸與差速器連接處的花鍵的齒數(shù)、模數(shù)及直徑直接決定了差速器殼沿驅(qū)動軸方向的長度。

2 差速器各零件的三維實體建模

    差速器結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，就可以使用各零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)在Pro/E軟件中進行其三維實體精確建模了，這項工作可為差速器各零件數(shù)控加工提供精確的模型信息。對于十字軸、差速器左（右）半殼等零件，因僅涉及Pro/E的基本特征，操作相對簡單，這里僅給出其三維建模結(jié)果，如圖1~圖2所示。其中十字軸可利用拉伸和旋轉(zhuǎn)特征生成，差速器左半殼利可用拉伸、旋轉(zhuǎn)以及孔、筋、陣列和倒角等特征生成。

圖1 十字軸

圖2 差速器左半殼

    至于依據(jù)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，如各齒輪齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、行星齒輪安裝尺寸等進行行星齒輪和半軸齒輪的三維實體建模因涉及Pro/E中高級操作，現(xiàn)將主要思路簡述如下：由于齒輪齒廓是復(fù)雜曲線———漸開線，可以通過選取一定密度的漸開線數(shù)據(jù)點，來擬合輪齒漸開線，這種“自文件創(chuàng)立基準(zhǔn)曲線”方法建模精度不高。為給數(shù)控加工提供精確的模型信息，在行星齒輪和半軸齒輪三維建模中，采用“自方程創(chuàng)立基準(zhǔn)曲線”的方式，即，通過直接輸入漸開線方程創(chuàng)建一個齒槽兩側(cè)漸開線，再利用混合特征（blend）生成該齒槽，最后，通過陣列特征（patterntool）完成全部齒輪齒廓的三維建模。行星齒輪三維建模效果如圖3。半軸齒輪的三維建模與行星齒輪基本相同，其過程和具體步驟略，半軸齒輪三維建模效果如圖4。

圖3 行星齒輪

圖4 半軸齒輪

3 差速器三維裝配模型的建立

    在Pro/E環(huán)境中，建立差速器各零件的三維實體模型后，可定義各零部件之間的裝配配合關(guān)系，進而建立差速器總成三維實體模型。Pro/E軟件中，裝配樹（多叉樹）的層次關(guān)系體現(xiàn)了實際形成產(chǎn)品的裝配順序，形象地表達了產(chǎn)品、部件、零件之間的父子從屬關(guān)系，其層次結(jié)構(gòu)表達方法，可滿足人機交互裝配規(guī)劃和裝配過程仿真功能的要求。

    根據(jù)差速器零件三維模型結(jié)構(gòu)特點及其功能要求，可確定各零部件間的裝配約束關(guān)系。Pro/E中提供了4種標(biāo)準(zhǔn)配合約束關(guān)系，即，（1）匹配（mate）或匹配偏距（mate offset），（2）對齊（align）或?qū)R偏距（alignoffset），（3）定向（orient），（4）插入（insert）。差速器裝配中主要用到匹配與對齊兩種約束關(guān)系。利用將元件添加到組件等操作可生成差速器總成裝配圖，如圖5。在根據(jù)實際的裝配關(guān)系對差速器零件進行裝配時，應(yīng)注意進行零件之間干涉分析和檢驗，以便及時發(fā)現(xiàn)問題并更改零件結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。利用Pro/E中視圖/分解/分解視圖命令，完成裝配圖的初步分解，進一步可生成差速器總成爆炸視圖，如圖6。

圖5 差速器總成裝配圖

圖6 差速器總成爆炸視圖

4 結(jié)語

    以基于特征的參數(shù)化建模方法，可以建立汽車差速器各零件的三維實體模型，從而為差速器各零件的虛擬裝配、數(shù)控加工提供精確的數(shù)字化模型信息。將虛擬裝配技術(shù)引入差速器結(jié)構(gòu)設(shè)計中，有助于發(fā)現(xiàn)并在設(shè)計階段及時解決零部件干涉等結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，縮短了差速器產(chǎn)品的研發(fā)周期，加快了汽車產(chǎn)品對不斷變化的客戶需求進行及時響應(yīng)的速度，降低了設(shè)計成本，提高了設(shè)計質(zhì)量。