汽车差速器结构设计、三维建模与虚拟装配研究

    差速器的传统结构设计基本上采用二维系统，缺点是零件的结构形状不能灵活改变，同时，零部件之间的装配关系通过二维装配图表达使设计人员只能由二维图想象零部件的三维安装定位情况，实际装配中若产品的设计有误差而无法进行准确的装配时，则往往会导致产品的重新设计，使开发周期延长、开发成本增加。

    参数化设计是一种使用参数快速构造和修改几何模型的造型方法。本文在差速器结构设计完成后，基于Pro/E软件平台，先将参数化技术引入差速器零件三维建模设计中，再将已建立三维实体的各零部件进行虚拟装配，其优点是一旦发现干涉现象或存在尺寸问题，可随时修改相关零件尺寸，且零件和装配件的相关部分自动修改，并按比例自动重新生成，能真实反映零部件的实际形状和相互位置关系，便于确认修改结果。

1 差速器结构设计

    差速器结构设计是其零部件三维建模的基础，必须综合考虑匹配车型、动力总成特性参数、汽车通过性参数（如地隙）、平均路面条件等。为此，将其结构设计主要内容和思路简述如下：

    一般需依据汽车设计规范，查阅设计公式图表进行差速器齿轮（包括行星齿轮、半轴齿轮）基本参数（包括各齿轮齿数、模数、压力角、行星齿轮安装尺寸等）选择，再进行差速器齿轮几何尺寸计算与强度校核。由于行星齿轮在差速器工作中经常只起等臂推力杆的作用，仅在左、右车轮有转速差时行星齿轮和半轴齿轮间才有相对滚动，故对差速器齿轮可不考虑其疲劳寿命，仅进行弯曲强度校核即可，强度校核中差速器锥齿轮的材料可选为20CrMnTi、20CrMoTi和20CrMo等。

    差速器壳是装在主减速器从动齿轮上，故在确定主减速器从动齿轮尺寸时，应考虑差速器的安装。差速器壳的轮廓尺寸也受到从动齿轮及主动齿轮导向轴承支座的限制。差速器壳体的结构参数主要有壳体厚度、壳体外部直径、内部直径、长度及半轴直径等。差速器壳体的内部直径主要由行星齿轮和半轴齿轮的直径决定，差速器的外部直径则有壳体厚度和内部直径决定。差速器壳沿驱动轴方向的长度与半轴齿轮、行星齿轮及半轴齿轮内部花键的长度有关。壳体的厚度主要决定因素是差速器壳体强度，在满足强度和足够的安全系数条件下，壳体厚度应尽量减小，以减轻重量，节约成本。

    同时差速器壳体的结构参数还与半轴的结构参数有关，特别是与半轴的直径关系最密切。如半轴与差速器连接处的花键的齿数、模数及直径直接决定了差速器壳沿驱动轴方向的长度。

2 差速器各零件的三维实体建模

    差速器结构设计完成后，就可以使用各零件的结构参数在Pro/E软件中进行其三维实体精确建模了，这项工作可为差速器各零件数控加工提供精确的模型信息。对于十字轴、差速器左（右）半壳等零件，因仅涉及Pro/E的基本特征，操作相对简单，这里仅给出其三维建模结果，如图1~图2所示。其中十字轴可利用拉伸和旋转特征生成，差速器左半壳利可用拉伸、旋转以及孔、筋、阵列和倒角等特征生成。

图1 十字轴

图2 差速器左半壳

    至于依据基本结构参数，如各齿轮齿数、模数、压力角、行星齿轮安装尺寸等进行行星齿轮和半轴齿轮的三维实体建模因涉及Pro/E中高级操作，现将主要思路简述如下：由于齿轮齿廓是复杂曲线———渐开线，可以通过选取一定密度的渐开线数据点，来拟合轮齿渐开线，这种“自文件创立基准曲线”方法建模精度不高。为给数控加工提供精确的模型信息，在行星齿轮和半轴齿轮三维建模中，采用“自方程创立基准曲线”的方式，即，通过直接输入渐开线方程创建一个齿槽两侧渐开线，再利用混合特征（blend）生成该齿槽，最后，通过阵列特征（patterntool）完成全部齿轮齿廓的三维建模。行星齿轮三维建模效果如图3。半轴齿轮的三维建模与行星齿轮基本相同，其过程和具体步骤略，半轴齿轮三维建模效果如图4。

图3 行星齿轮

图4 半轴齿轮

3 差速器三维装配模型的建立

    在Pro/E环境中，建立差速器各零件的三维实体模型后，可定义各零部件之间的装配配合关系，进而建立差速器总成三维实体模型。Pro/E软件中，装配树（多叉树）的层次关系体现了实际形成产品的装配顺序，形象地表达了产品、部件、零件之间的父子从属关系，其层次结构表达方法，可满足人机交互装配规划和装配过程仿真功能的要求。

    根据差速器零件三维模型结构特点及其功能要求，可确定各零部件间的装配约束关系。Pro/E中提供了4种标准配合约束关系，即，（1）匹配（mate）或匹配偏距（mate offset），（2）对齐（align）或对齐偏距（alignoffset），（3）定向（orient），（4）插入（insert）。差速器装配中主要用到匹配与对齐两种约束关系。利用将元件添加到组件等操作可生成差速器总成装配图，如图5。在根据实际的装配关系对差速器零件进行装配时，应注意进行零件之间干涉分析和检验，以便及时发现问题并更改零件结构设计参数。利用Pro/E中视图/分解/分解视图命令，完成装配图的初步分解，进一步可生成差速器总成爆炸视图，如图6。

图5 差速器总成装配图

图6 差速器总成爆炸视图

4 结语

    以基于特征的参数化建模方法，可以建立汽车差速器各零件的三维实体模型，从而为差速器各零件的虚拟装配、数控加工提供精确的数字化模型信息。将虚拟装配技术引入差速器结构设计中，有助于发现并在设计阶段及时解决零部件干涉等结构设计问题，缩短了差速器产品的研发周期，加快了汽车产品对不断变化的客户需求进行及时响应的速度，降低了设计成本，提高了设计质量。