新型摩擦式限滑差速器壳体有限元分析.pdf

J u n 2 0 1 3 机床与液压 Hy d r o me ch a t r o n i cs E n g in e e ri n g V0 l 4 1 No 1 2 DOI 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 2 0 2 2 Fin it e El e m e n t An a l y s is f o r a Ne w Fr ict io n ba s e d Limit e d s l ip Diffe r e n t ia l Ho us in g H U A N G X ia D I N G J u n Q I A O H u i l i C h o n g q i n g U n iv e r s i t y o f T e ch n o l o g y C h o n g q in g 4 0 0 0 5 4 C h in a 1 I n t r o d uct io n Ab s t r a ct A f r i ct i o n b a s e d l i mi t e d s l i p d i ff e r e n t i a l j s u s e d t o e n s u r e t h a t t h e wh e e ls o n b o t h s i d e s o f t h e dr i v e a x le mo v e a t d i ffe r e n t r o t a t i o n a l s p e e d s Th e d i ffe r e n t i a l a u t o ma t i ca l l y c h a n g e s t h e d i s t r i b u t i o n o f t or q M e b e t we e n t h e dr i v e wh e e l s d e p e n d i n g o n r o a d co n d i t i o n s t o i mp r o v e t h e p a s s a g e ca p a ci o f a v e h i cl e B a s e d o n t h e n e w f r i ct i o n b a s e d li mi t e d s l i p d i ff e r e n t i a l o f i mp o R e d d r i v e a x le o f h e a v y v e h i c l e s a f i n i t e e l e me n t a n a ly s i s o f s t r u c t u r e s t r e n g t h h a s b e e n c o n d u ct e d o n d i ff e r e n t i a l h o u s i n g f or v a r i o u s wo r k ca s e s Th e r e s u lt s i n di c a t e t h a t t h e s t r u ct u r a l s t r e n g t h a n d s t i ff n e s s o f t h e d i ff e r e n t i al h o u s i n g me e t t h e r e q u i r e me n t s o f v e h i cl e d r i v i n g k i n e ma t i c s Th e s e r e s u i t s a l s o p r o v i d e a t h e o r e t i ca l b a s i s f or a n i mp r o v e d d e s i g n a n d s t r u ct u r a l o p t i mi z a t i o n o f d i ff e r e n t i a l h o u s i n g K e y wo r d s F r i c t i o n b a s e d L i mi t e d s l i p d i ff er e n t i a l F EM St r u ct u r a l s t r e n g t h A d i f f e r e n t i a l is a n i mp o r t a n t co mpo n e n t o f a dri v e a x l e o f a v e h icl e a n d e n s u r e s t h a t whe e l s o n b o t h s i d e s o f t h e d ri v e a x l e mo v e a t d i f f e r e n t r o t a t i o n a l s p e e d s t o me e t t h e r e q u ir e me n t s o f v e hi cl e t r a ct io n k in e ma t ics At p r e s e n t t h e t o r q u e o f a wid e l y u s e d s y mme t ri c s t y l e b e v e l g e a r d i f f e r e n t ia l is e v e n l y d is t r i bu t e d be ca u s e o f i t s l e s s f r ict io n al t o r qu e W h e e l s l ip h a s a s ig n ifi ca n t imp a ct o n t he pa s s a g e ca p a cit y o f v e h icl e s t r a v e l in g o n a r o a d wit h l o w f ri ct io n co e f f i cie n t o r u n e q u a l f ri ct io n co e f f i cie n t s F ri ct io n b a s e d l imit e d s l ip d if f e r e n t ia l h a s be e n wid e l y u s e d t o i m p r o v e t h e a u t o m a t ic a d j u s t m e n t o f t o r q u e a l l o ca t io n p r o b l e m s b e tw e e n d riv i n g w h e e l s 1 I n t h i s w o r k co n s i d e ri n g t h e n e w f ri ct i o n b a s e d l imit e d s l ip d if f e r e n t ial o f d ri v e a x l e imp o rts o f h e a v y v e h i cl e s t h e R e ce iv e d 2 0 1 3 0 5一O 9 S u p p o r t e d b y S ci e n ce a n d T e ch n o l o g y P r o j e ct A f f il ia t e d t o t h e E d u ca t i o n D e p a r t m e n t o f C h o n g q in g Mu n icip a l it y K J 1 2 0 8 0 1 HUANG Xi a E ma il h u a n g x i a cq u t e d u e l l cu r r e n t s t u d y a n a l y z e d t h e s t r u ct u r a l s t r e n g t h o f a d if f e r e n t ia l h o u s in g b a s e d o n t h e fi n it e e l e me n t me t h o d u n d e r d i f f e r e n t co n d it io n s t o imp r o v e t h e d e s ig n o f t h e d i f f e r e n t ia l h o us in g o f v e h icl e d ri v e ax l e s 2 S t r u ct ur e a n d wo r k in g pr in cip l e o f t he n e w f ri ct io n b a s e d l imit e d s l ip d iffe r e n t ia l Fi g 1 s h o ws t h e s t ruct u r e o f t he n e w f r ict io n b a s e d l imit e d s l ip d if f e r e n t i a 1 T h e d if f e r e n t ia l h o u s in g is d e s i g n e d us i n g a b is e ct i o n me t h o d ce n t e r e d o n t h e s p h e r e T h e l e ft h o u s in g 1 a n d t h e ri g h t h o u s i n g 6 o f t h e d i f f e r e n t ia l a r e in t e g r a l l y f o r me d wi t h b o l t co n n e ct io ns B o t h e n d s o f t h e h o u s i n g a s s e mb l y a r e s u p p o r t e d in t h e mid d l e a x l e h o u s in g b y a t a p e r e d r o l l e r b e a r in g F o u r p ie ce s o f p l a n e t a r y g e a r 3 wit h o u t a n e n cl o s e d cr o s s a x l e 4 ma t ch t h e s p h e r e in t h e h o u s in g v ia a s p h e r i ca l g a s k e t 7 a t t h e b a ck A f r ict io n p l a t e s y s t e m is p l a ce d b e t w e e n t h e h a l f a x l e g e a r 2 a n d t h e s u r f a ce o f t h e d if f e r e n t ia l h o us in g wh ich is co mp o s e d o f a t h ick f ri ct io n p l a t e 5 t e n d ri v in g f r i ct i o n p l a t e s a r r a n g e d a t r e g u l a r i n t e r v a l s a n d e ig h t d r iv e n f ri ct io n HU ANG Xia e t a l F in it e E l e me n t An a l y s is f o r a N e w F ri c t io n b a s e d Li mi t e d s l i p Dif f e r e n t ia l Ho u s in g l 07 p l a t e s T h e f o u r o u t e r t e e t h o f t h e d ri v i n g f r ic t io n p l a t e ma t c h t h e f o u r t o o t h s p a c e s a l o n g t h e a x is di s t r ib u t e d in t h e d if f e r e n t ia l h o u s i n g T h e d ri v e n f r i c t i o n p l a t e wi t h a s p l i ne b o r e ma t c h e s t h e e x t e r n a l s p l in e s o f t h e h a l f a x l e g e a r 1 T h e l e f t h o u s in g o f d iffe r e n t ia l 2 Ha lf a x l e g e a r 3 Pl a n e t a r y g e ar 4 C r o s s a x l e 5 Th ic k f ri c t io n p l a t e 6 T h e fig h t h o u s in g o f d iffe r e n t ia l 7 S p h e r e ic a l g a s k e t 8 Driv in g a n d d ri v e n f ri c t io n p l a t e s F ig 1 A n e w f r ic t io n b a s e d l imit e d s l ip d if f e r e n t ia l T wo ha l f ax l e s h a v e t h e s a me s p e e d wi t h t o r qu e d is t ri b u t e d e q u a l l y o n l e f t a n d ri g ht a x l e s whe n v e hi c l e s a r e u s e d for s t r a ig ht d ri v in g Th e ax i a l f o r c e s g e n e r a t e d b y t h e p l a n e t a r y a n d t h e h a l f axl e g e a r s me s h wit h o ne a n o t h e r t h e r e b y f o r c in g t h e h a l f a x l e a t b o t h e n d s t he t hi c k f ri c t io n p l a t e s t h e d ri v ing f ri c t i o n p l a t e a n d t he d ri v e n f ri c t io n p l a t e t o t ig h t l y p r e s s t o g e t h e r a n d t o p r o d uc e f ri c t i o n a l t o r q u e Th is t o r q u e c a n b e d is t ri b u t e d o n t h e h alf ax l e in t wo w a y s v i a t h e c r o s s axl e t h e p l a n e t a ry g e a r a n d t h e h a l f a x l e g e a r v ia t h e a c t iv e f ri c t io n a n d d r iv e n t he f ri c t io n p l a t e s T h e r o t a t i o n o f t h e p l a n e t a r y g e a r p r o d u c e s a d i f f e r e n t ia l wi t h u n e q u a l r o t a t in g s p e e d s o f t h e l e ft a n d fi g h t h a l f a x l e g e a r s w h e n t h e v e h i c l e ma k e s a r u n o r o n e s id e o f t h e wh e e l s p i n s o n a s l ip p e ry r o a d s u r f a c e Wit h t h is s p e e d d i f f e r e n c e t h e d ri v in g a n d d ri v e n f ri c t io n p l a t e s p r o d u c e f r i c t io n a l t o r q u e a t t h e t ime o f t h e s l ip T h e d ir e c t i o n o f t h e f r ic t io n a l t o r q u e a n d t he d ir e c t i o n a t whic h t h e h a l f a x l e q uic k l y t ur n e d a r e o ri e n t e d in o p p o s it e d ir e c t io n s By c o n t r a s t t h e d ir e c t io n o f t h e f r ic t io n a l t o r q u e is o r ie n t e d in t h e s a me d ir e c t io n a s t he d ir e c t io n o f a s l o w t u r n in g h a l f ax l e Th e v a l u e is pr o p o r t i o n a l t o t h e t o r q u e a n d t h e n u mb e r o f f r ic t io n p l a t e t r a n s mit t e d b y t h e di f f e r e n t i a l me c h a n is m Th is c a s e is s i mil a r t o a pa rt o f t o r q u e t r a n s mit t e d f r o m t h e q u ic k t u r n i n g s id e t o t h e s l o w t u rnin g s id e T hu s t h e t o r q u e t r a ns mit t e d b y t h e s l o w t u rnin g h a l f a x l e is i n c r e a s e d t o i mp r o v e t h e p a s s a g e c a p a c it y o f a v e h ic l e 2 4 3 Fin it e e l e me n t a na l y s is f o r d iffe r e n t ia l h o us in g 3 1 Es t a bl is hm e nt o f t h e fi n it e e l e m e nt mo de l o f a d iffe r e n t i a l ho u s ing T h e F E M mo d e l for d i f f e r e n t i a l h o u s i n g u s e d a s a d is c r e t e mo d e l o f t h e o r ig in a l s t r u c t u r e h a s a s ig n i fi c a n t in flu e nc e o n t h e v a l i d it y a nd a c c u r a c y o f F EA A t h r e e d i me ns i o n a l mo d e l o f t he d if f e r e n t ia l h o u s in g is e s t a bl i s h e d u s in g CATI A a n d whi c h is imp o r t e d i n t o H y p e r Me s h s o f t w are t o c o mp l e t e t h e mo d e l me s h t he ma t e ri a l p r o pe rty d e fi n it io n s a n d t h e l o a d a s we l l a s t h e di s p l a c e me n t b o u n d a r y c o n d it i o n p r e s c r ip t io n wh il e s o l v ing a n d p o s t p r o c e s s are c o mp l e t e d i n A B A Q U S s o f t w a r e D u e t o t h e a c c u r a c y a n d e ffi c ie n c y t he e l e me n t t y p e u s e d for F EM mo d e l is C 3 D 4 i n A B A Q U S s o f t w a r e I t is a f o u r n o d e l i n e a r t e t r a he d r a l e l e me n t wit h e a c h n o d e h a v in g t h r e e t r a n s l a t io n a l d e g r e e s o f f r e e d o m t h a t iS t h e t r a n s l a t io n a l d e g r e e s o f f r e e d o m a t Y a n d z d ir e c t io n s Fi g 2 s h o ws t h e me s h c o n f ig u r a t io n for t he di f f e r e n t i a l h o us in g wit h 3 31 91 5 e l e me n t s a n d a t 0 t a l o f 7 8 5 5 7 n o d e s T h e ma t e r ia l u s e d is QT 5 O 0 wi t h e l a s t ic mo d u l u s is 1 7 3 GP a P o is s o n s r a t io i s 0 3 a n d y i e l d l imi t is 3 1 0 MPa F ig 2 F E M mo d e l f o r d iff e r e n t ia l h o u s in g F o r t h e d i s p l a c e me n t b o u n d a r y c o n d it io n c o n s t r a i n t s it f o l l o ws a s d e s c r ib e d Ba s e d o n t h e g e o me t ry c o n fi g u r a t io n o f d if f e r e n t ia l a s s e mb l ie s in t he d ri v e axl e h o u s in g t h e t r a n s l a t io n a l DO F a l o n g Y a n d z d i r e c t io n a r e c o n s t r a in e d a t t h e n o d e s l o c a t e d o n t h e o u t e r r in g o n b o t h e n d s o f t h e d if f e r e n t ia l h o u s in g a s s e mb l y Wh il e t h e t r a n s l a t io n a l DO F a l o n g d i r e c t io n is a l s o c o n s t r a i n e d a t t h e n o d e s o n t h e s u r f a c e i n t h e r ig h t e n d o f t h e h o u s in g Wit h r e g a r d t o t h e n o d e s l o c a t e d a t t h e c r o s s a x l e h o l e o f d i f f e r e nt i a l h o u s i ng t h e m u l t i p l e p o in t s c o n s t r a in t s MP C a r e fir s t l y e m p l o y e d t o c o n s t r a i n a l l DOF o f n o d e s a t t h e h o l e t o t h e HUANG Xia e t a l Fi ni t e El e me nt An a l y s is f o r a Ne w F ri c t io n b a s e d Limit e d s l ip Di f f e r e n t i al Ho us i n g 1 0 9 Ta b 2 T h e c a lc u la t e d f o r c e i n c l o c k wi s e r o t a t i o n f o r d r i v i n g g e a r F ig 3 s h o ws t h e Vo n Mis e s s t r e s s d is t r ib i a t io n for d if f e r e n t i al h o u s in g for s ix d i f f e r e n t c a s e s I t s h o w s t h a t wh e n d ri v i ng g e a r r o t a t e s a n t ic l o c k wis e in ma in r e d u c e r t h e ma x imu m s t r e s s v a l u e is 2 2 9 MPa w h ic h is l o c a t e d n e a r t h e s ma l l h o l e a t t h e in n e r e n d o f t h e fi g h t d i f f e r e n t ia l h o u s in g a s i l l u s t r a t e d in F ig 3 a Wh e n t h e rig h t s id e w h e e l s l ip s t h e t o r q u e is a pp l ie d a t t he i nn e r r i g h t e n d o f t h e h o us i ng il l u s t r a t e d a s F ig 3 b a n d t h e V o n Mis e s s t r e s s a t t a in s 23 5 MPa a t t h e s a me l o c a t i o n s l ig h t l y h ig h e r t h a n c a s e 1 Ho we v e r for c a s e 3 a s s h o wn in F ig 3 c t h e l o c a t io n o c c u r r in g t h e ma x im u m V o n Mis e s s t r e s s v a l u e s h if t s t o t h e l e f t e n d o f t h e h o u s in g r e a c h in g t o 2 5 1 MP a mu c h s ma l l e r t h a n t h e t h r e s h o l d v a l u e wh e n y ie l d i n g h a p p e n s As t h e d ri v i n g g e a r r o t a r e s c l o c k wis e i n t h e ma in r e d u c e r in c o mp a ri s o n t o t h e v alue s i t s o p p o s it e c a s e t h a t is i n a n t ic l o c k wis e w a y t h e max i mu m Vo n Mis e s s t r e s s in c r e a s e s t o 2 4 1 MP a il l u s t r a t e d a s F ig 3 d h ig h e r t h a n 2 2 9MPa s t il l n e a r s t h e s ma l l ho l e a t t h e i n ne r e n d o f t he ri g h t d if f e r e n t ia l ho u s in g Fo r c a s e 2 a n d c a s e 3 wh e n c l o c k wis e s imil a r c o n d it io n h a p p e n s T h e ma x imum s t r e s s v a l u e s for c a s e 2 a n d c a s e 3 a t t a i n 2 5 7 MP a a n d 2 7 2 MP a a s s h o w n in F ig 3 e a n d F ig 3 f r e s p e c t i v e l y L ik e w is e t h e l o c a t io n a t t h e l i mit i n g s t r e s s v a l u e r e ma in s a s t he y a r e 4 Co nc l us io ns Th e s t r uc t u r e s a n d t h e wo r k i ng p r in c i p l e s o f f r ic t io n ba s e d l i mi t e d s l ip d if f e r e n t ia l we r e s t ud ie d a n d t h e f in it e e l e me n t a naly s e s for t h e s t r e n g t h o f h o u s in g we r e c o n d u c t e d in t h is w o r k T h e r e s u l t s in d i c a t e t h a t t h e s t ruc t u r a l s t r e n g t h o f t h e d if f e r e n t ial h o u s in g is s u f f ic ie n t t o s a t is f y t h e r e q u ir e me n t s o f v e h ic l e d ri v in g k in e ma t ic s w h ic h a l s o p r o v i d e a t h e o r e t ic a l b a s is for a n imp r o v e d d e s ig n a n d s t ruc t u r a l o p t imi z a t i o n o f d i f f e r e n t ia l h o u s in g Re f e r e nc e s L I U We ix i n D e s ig n f o r V e h ic l e A x l e M B e i j i n g T s in g h u a Un iv e r s it y P r e s s 2 0 0 4 C H E N J i a r u i A u t o m0 b il e S t r u c t u r e M B e i j i n g C h i n a Co mmun ic a t io n s P r e s s 1 9 9 7 WA N G L ih u a L I R u n f a n g L I N T e n g j i a o r r h e K i n e ma t ic s a n d g e o me t r y a n a l y s s i o f a n e w t y p e n o s l ip d if f e r e n t ia l o f h i s h f r i c t i o n J Me c h a n i c al R e s e a r c h a n d A p p l i c a t i o n 2 0 0 5 8 2 5 2 7 WA N G J i a n h u a WA N G Y u n c h e n g F U T i e j u n A n al y s is o n t h e s t ruc t u r e o f a c t iv e c o n t r o l e L S D a n d p e r f o r m a n c e e v alu a t io n J A u t o m o b i l e T e c h n o l o g y 2 0 0 8 7 3 5 4 3 Q I A N L i j u n MA O X i a o d ia n T A N G Z i y u F in i t e e l e m e n t a n al y s is o n t h e s h e l l o f l im i t e d s l i p d i f f e r e n t ia l J T r a c t o r and F a r m T r a n s p o r t e r 2 0 0 5 1 2 4 7 4 8 Z H O U X in j i an wU J i a n Y U Me n g S t ruc t u r e d e s ig n a n d fi n i t e e l e me n t analy s i s o f d if f e r e n t ial c a s e o n al1 t e r r a i n v e h i c l e J Ma c h i n e r y D e s i gn a n d Ma n u f a c t u r e 2 0 1 1 4 4 9 5 1 C o n t i n u e d f r o m 1 2 8 p a g e 1 1J 1 J 1 J l 28 Hy d r o me c ha t r o n ic s Eng in e e ri n g v a n t a g e s o f r e c u r r e n t n e u r a l n e t wo r k t h e a b o v e d e s ig n e d a s o r t o f imp r o v e d s e l f t u nin g PI D de c o u p l i n g c o n t r o l l e r ba s e d o n d ia g o nal r e c u r r e n t n e u r a I ne t WO r k Th r o u g h t h e e x pe ri me n t s imu l a t io n un d e r Ma t 1 a b e n v i r o n me n t it v a l id a t e d t h a t t h e p r o po s e d im p r o v e d a l g o r it h m is f e a s i b l e a nd r e a s o na b l e Re f e r e nc e s 2 P I NG Yu h u a n Re s e a r c h o n D e c o u p l i n g C o n t r o l o f Mu l t i v a r ia b l e F u z z y N e u r a l N e t w o r k s D B a o d i n g N o A h Chin a El e c t ri c Po we r Un iv e r s it y 2 0 07 YU C W L U Y Z De c o u p l in g f u z z y r e l a t io n a l s y s t e ms A n o u t p u t f e e d b a c k a p p r o a c h J I E E E T r a n s S y s t M a n C y b e r o 1 9