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重型越野汽車要經(jīng)常在泥濘、松軟路面甚至無路地區(qū)行駛，地面通過性是重要的性能指標(biāo)之一。差速器鎖止機(jī)構(gòu)自動控制系統(tǒng)，可根據(jù)地面附著狀況，在車輛行駛過程中適時自動鎖止差速器，最大限度地利用全部車輪的地面附著力，從而提高汽車通過性，套合器為差速器鎖止機(jī)構(gòu)自動控制系統(tǒng)中機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，與驅(qū)動橋差速器串聯(lián)在一起，起到差速鎖的作用。汽車行駛過程中，一旦某驅(qū)動輪因地面附著狀況惡化而打滑，輪速差達(dá)到某個值時，控制系統(tǒng)會使相應(yīng)的套合器接合，如圖所示，其中左側(cè)為滑動嚙合套，右側(cè)為固定嚙合套。此時若車輪附著狀況未改善，由于套合器兩端傳遞力矩，其齒面間存在壓力，套合器靠齒面間摩擦力保持接合狀態(tài)。一旦汽車附著狀況改善，套合器齒面間壓力降低到其軸向分力小于回位彈簧恢復(fù)力時，滑動嚙合套回到原來位置，即套合器處于分離位置，解除鎖止，如圖所示。因此套合器的強(qiáng)度是否滿足要求是一個相當(dāng)重要的問題。對于套合器的強(qiáng)度，文獻(xiàn)僅從能量守恒定律出發(fā)，得到了沖擊功與轉(zhuǎn)速差的關(guān)系式，并未具體分析。因此本文對套合器的強(qiáng)度和剛度進(jìn)一步研究，采用有限元軟件ANSYS對其進(jìn)行受力及有限元分析，找到最大應(yīng)力發(fā)生的部位，確定套合器輪齒斷裂的原因，從而為其設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
重型越野汽車差速鎖的工作條件惡劣，套合器材料應(yīng)滿足彎曲和表面接觸強(qiáng)度，而且芯部應(yīng)有適當(dāng)?shù)捻g性以避免在沖擊載荷作用下齒根折斷，所以套合器選用低合金滲碳鋼20CrMnTi，該合金鋼淬火低溫回火，滲碳后具有良好的耐磨性和彎曲強(qiáng)度。差速器鎖止機(jī)構(gòu)套合器具有以下四個優(yōu)點(diǎn)。套合器采用牙嵌式結(jié)構(gòu)，如圖所示。相互接合的嚙合套齒頂面在同一個圓錐面上召角為齒頂面徑向傾角，如圖所示，采用該結(jié)構(gòu)具有良好的自定心性，提高齒面的承載能力。該類型差速鎖軸向視圖為弧形齒面，如圖所示�；⌒锡X面對兩軸相對位移和制造誤差不太敏感，可防止因邊緣接觸而引起的應(yīng)力集中，因而能提高齒面的承載能力及抗沖擊性能，并可在較高轉(zhuǎn)速差下接合。圖為齒頂面徑向投影圖，即圖中的X向投影。從圖中看出，壓力角為負(fù)值，固定及滑動嚙合套的采用相同的齒側(cè)面壓力角。采用這種結(jié)構(gòu)是當(dāng)齒側(cè)面間在一定的壓力作用下時，能保持差速鎖始終處于可靠鎖止?fàn)顟B(tài)，只有當(dāng)壓力小到一定程度時，該差速鎖在復(fù)位彈簧的作用下才結(jié)束鎖止。在滿足強(qiáng)度要求的前提下，應(yīng)使齒高較短，以減小齒根部的彎矩和剪應(yīng)力。而且可以減少接合與脫離時間。壓力角為負(fù)值，其大小主要與接合套工作面的摩擦系數(shù)，齒根強(qiáng)度和分離瞬間打滑驅(qū)動輪(橋)滑轉(zhuǎn)率有關(guān)。根據(jù)以上套合器齒形參數(shù)的設(shè)計(jì)公式及原則。
以前橋輪間套合器的滑動嚙合套為例，研究建立有限元三維模型。由于套合器輪齒形狀比較復(fù)雜，輪齒各個面都是圓錐曲面或圓環(huán)面，所以首先在建模功能強(qiáng)大的Pro/E軟件建立準(zhǔn)確的套合器三維模型，如圖所示。因?yàn)樘缀掀髦械幕ㄦI滿足強(qiáng)度要求，不是重點(diǎn)考慮內(nèi)容，且形狀復(fù)雜將占用大量計(jì)算時間，故將花鍵剪切。然后無縫連接導(dǎo)入ANSYS有限元軟件中，如圖所示�？紤]到套合器工作時，套合器的輪齒可能發(fā)生折斷，屬于重要考慮因素，為了真實(shí)的模擬套合器工作時的變形和應(yīng)力，輪齒部分的小倒角、小圓角和凸臺不能省略和簡化，如圖所示。根據(jù)套合器的特殊性，由于套合器存在多齒嚙合現(xiàn)象，所以把輪齒區(qū)域劃分的比較密集。這樣，既可使輪齒的地方符合計(jì)算要求，又可在非輪齒的地方節(jié)省計(jì)算時間。套合器實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分如圖所示，其單元數(shù)為58.5萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)10.8萬。套合器的功能是實(shí)現(xiàn)兩端軸的轉(zhuǎn)速相同或接近，其工作時傳遞的轉(zhuǎn)矩多數(shù)時間由輪齒部分接觸面承擔(dān)，所以為了準(zhǔn)確地模擬套合器實(shí)際受力，加載力的位置在每個輪齒上部三分之一處。根據(jù)汽車發(fā)動機(jī)的功率，選取最低轉(zhuǎn)速時扭矩最大，按照分動器轉(zhuǎn)矩分配比，套合器受到的最大轉(zhuǎn)矩約為500Nm。根據(jù)實(shí)際工作情況，僅對套合器最內(nèi)一圈節(jié)點(diǎn)施加約束，限制套合器在轉(zhuǎn)矩作用發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
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