裝載機(jī)差力差速器的虛擬設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真*

姚 培，林國(guó)湘，周為民

(南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南衡陽 421001)

1 引言

評(píng)價(jià)地下裝載機(jī)工作性能的主要指標(biāo)是:裝載工作能力、牽引性能、通過性能、制動(dòng)性能、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和平穩(wěn)性［1］。差速器是一種允許車輛兩驅(qū)動(dòng)輪之間有不同轉(zhuǎn)速的動(dòng)力傳遞裝置。有2個(gè)主要功能:①差速功能，即當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎或行馳工作于不平路面時(shí)，允許兩輪有不同轉(zhuǎn)速;②差力功能，即當(dāng)路面附著力下降時(shí)，能充分利用路面附著力驅(qū)動(dòng)車輛，不至于因一輪附著力下降而導(dǎo)致車輛喪失牽引能力。實(shí)踐證明，差速器對(duì)裝載能力、牽引性能、通過性能和經(jīng)濟(jì)性等的影響尤為突出。

為了改進(jìn)地下裝載機(jī)使用的普通錐齒輪差速器只有差速功能而無差力功能的缺點(diǎn)，林國(guó)湘等人［2］研制出了一種性能優(yōu)良的差力差速器，它能顯著提高地下裝載機(jī)的工作性能，且制造簡(jiǎn)單。

2 差力差速器的結(jié)構(gòu)和工作原理

差力差速器能100%地利用路面附著力之和驅(qū)動(dòng)車輛，保證車輛的通過性，能完全防止車輛打滑，且差速性能好、運(yùn)行連續(xù)平穩(wěn)、制造容易、效率高、適合于各種路面情況及各種行駛狀態(tài)。

差力差速器是在普通錐齒輪差速器(這里稱為錐齒輪系)的兩輸出端分別增加兩個(gè)相同的差動(dòng)行星輪系，如圖1所示。錐齒輪系由錐齒輪1、3和3′組成，錐齒輪3與系桿H相連，作為差動(dòng)輪系的一個(gè)輸入端;差速器殼體通過十字軸2與差動(dòng)輪系的輸入中心輪6相連，作為差動(dòng)輪系的另一個(gè)輸入端。輸出中心輪7與車輪相連。當(dāng)傳動(dòng)系帶動(dòng)差速器殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一方面通過錐齒輪副帶動(dòng)系桿H轉(zhuǎn)動(dòng);另一方面通過十字軸2帶動(dòng)輸入中心輪6轉(zhuǎn)動(dòng)，在兩輸入輪的共同作用下，使輸出中心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)車輛。

圖1 差力差速器傳動(dòng)原理圖及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖1(b)是差力差速器的一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，十字軸14通過花鍵軸13與動(dòng)軸輪系的輸入中心輪6相連，車輪也通過花鍵軸10與動(dòng)軸輪系的輸出中心輪7相連，以便使動(dòng)軸輪系受載均勻。行星輪架9與輸出錐齒輪3也采用花鍵連接。行星輪架9上有三組行星輪，均布于中心輪6和7的圓周上，齒數(shù)為Z6=18，Z4=21，Z5=19，Z7=18。通過變位來滿足同心條件。錐齒輪副的間隙用墊片8調(diào)整，軸承的安裝及調(diào)整方法與普通圓錐齒輪差速器相同。

3 差力差速器的虛擬設(shè)計(jì)和仿真

3.1 主要零件模型

Pro/E作為建模的工具，具有強(qiáng)大的功能，如特征造型、參數(shù)化設(shè)計(jì)、裝配組件和動(dòng)態(tài)仿真［3］。軟件作為虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)的杰出代表，已經(jīng)成為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本、提高質(zhì)量的有效工具。根據(jù)計(jì)算得到的優(yōu)化數(shù)據(jù)，利用Pro/E軟件對(duì)差力差速器的各個(gè)部件進(jìn)行虛擬建模，然后進(jìn)行虛擬裝配，最后進(jìn)行差力差速器的運(yùn)動(dòng)仿真［4］。

參數(shù)化設(shè)計(jì)是指用參數(shù)來表示零件大小的尺寸和屬性，工程技術(shù)人員可通過修改零件大小、形狀和屬性，得到各種不同規(guī)格的零件。通過參數(shù)化建模，用戶能單純的輸入齒輪設(shè)計(jì)的已知條件，如齒數(shù)、壓力角及模數(shù)和齒寬等，Pro/E系統(tǒng)即可自動(dòng)創(chuàng)建出齒輪的三維幾何模型。這樣會(huì)大大減少建模所需時(shí)間，且零件間可替換性極高。通過Pro/E參數(shù)化設(shè)計(jì)，差力差速器主要零件的三維造型如圖3所示。

圖3 裝配體爆炸圖

3.2 差力差速器虛擬裝配

齒輪參數(shù)化模型建好后，加以其它的輔助零件模型，就可對(duì)其進(jìn)行虛擬裝配。對(duì)齒輪進(jìn)行裝配時(shí)，需定義齒輪連接類型、傳動(dòng)比與嚙合關(guān)系等。需要注意由于齒輪副有內(nèi)嚙合和外嚙合，在設(shè)置齒輪副的連接屬性時(shí)，要根據(jù)內(nèi)、外嚙合特性來確定各個(gè)齒輪連接軸線的回轉(zhuǎn)方向，否則在后面的仿真過程中會(huì)出現(xiàn)相反的齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)方向，不符合實(shí)際情況。

裝配關(guān)系是產(chǎn)品裝配模型的核心，裝配關(guān)系的描述與確定建立在裝配特征的基礎(chǔ)上。裝配關(guān)系是由特定的裝配特征決定的，它體現(xiàn)和維護(hù)了產(chǎn)品的功能，反映了零件之間的相互約束。產(chǎn)品零部件之間的裝配關(guān)系描述如下。

(1)位置關(guān)系:描述產(chǎn)品中兩個(gè)零部件幾何元素之間的相互關(guān)系，如對(duì)齊、相切等。

(2)聯(lián)接關(guān)系:描述產(chǎn)品零部件幾何元素之間的直接聯(lián)接關(guān)系，如銷釘聯(lián)接、鍵聯(lián)接等。

(3)運(yùn)動(dòng)關(guān)系:描述產(chǎn)品零部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系和傳動(dòng)關(guān)系，如繞軸旋轉(zhuǎn)、沿某一直線運(yùn)動(dòng)等。

差力差速器的裝配過程，主要指差速器殼體、半軸齒輪、錐齒輪系、行星輪架、行星輪、中心輪、輸出機(jī)構(gòu)、十字軸、車輪軸、預(yù)緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及軸承的裝配。這種裝配是通過Pro/E Assembly模塊來完成的，根據(jù)各零件特征的幾何尺寸約束，由裝配組件控制零件元件的管理、移動(dòng)及配合。其中的配合關(guān)系分為手動(dòng)配合和自動(dòng)配合。通過兩種配合方式的相互結(jié)合，可以完成差力差速器的裝配過程，同時(shí)可進(jìn)行干涉檢查，以判斷各零部件之間是否有空間沖突。差力差速器的裝配圖如圖2、3所示。

圖2 差速器三維造型圖

3.3 運(yùn)動(dòng)仿真

利用計(jì)算機(jī)對(duì)差力差速器進(jìn)行數(shù)字仿真和動(dòng)態(tài)性能分析的具體步驟如圖4所示。在對(duì)差力差速器完成虛擬建模和裝配后，利用完全集成在Pro/E中的Mechanism模塊來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，其工作流程如圖5所示。

圖4 仿真與分析的步驟

圖5 Mechanism模塊中仿真的工作流程

4 結(jié)語

對(duì)設(shè)計(jì)的差力差速器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的裝載機(jī)沒有出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)合理，可裝配性良好;通過對(duì)時(shí)間與位移、時(shí)間與速度的關(guān)系分析驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)結(jié)果與設(shè)計(jì)初衷相一致;同時(shí)通過虛擬的差力差速器裝配過程，更加直觀地從視覺、聽覺和觸覺上感受到裝配過程和效果，真正做到虛擬實(shí)際;根據(jù)計(jì)算得到的優(yōu)化數(shù)據(jù)，利用Pro/E軟件對(duì)差力差速器的各個(gè)部件虛擬建模，然后進(jìn)行虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，因而可以方便地設(shè)計(jì)出不同的產(chǎn)品。

［1］ 郭平輝.差速器對(duì)裝載機(jī)工作性能的影響及差力差速器的研制［J］.工程機(jī)械，1999(4):15-17.

［2］ 林國(guó)湘.一種新型差力差速器的研制［J］.金屬礦山，2005(11):46-47.

［3］ 林清安.Pro/ENGINEER野火3.0中文版動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［4］ 孫傳祝.軸向滑塊凸輪式差速器的設(shè)計(jì)與分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2007，23(3):32-36.