全路面起重機(jī)傳動系統(tǒng)的匹配性能改進(jìn)

劉利寶，張 洪，蔡言龍，郭增彩

LIU Li-bao, ZHANG Hong, CAI Yan-long, GUO Zeng-cai

（太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

全路面起重機(jī)的傳動系統(tǒng)采用多軸驅(qū)動，在實(shí)際行駛過程中，由于功率損失及傳動振動的影響，都存在動力匹配不良的現(xiàn)象。原因主要有：①現(xiàn)場測試手段和計(jì)算工具的落后，難以對多種方案進(jìn)行計(jì)算比較；②對于車輛性能的評價多數(shù)是憑借主觀判斷得出。傳動中出現(xiàn)的多軸匹配不良的現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，會導(dǎo)致某個輪胎較早的磨損破壞，進(jìn)而連帶其它輪胎較早受到破壞，從而影響了整車的行駛性能。為減少這種不良現(xiàn)象，本文以某六軸全路面起重機(jī)的傳動系統(tǒng)為研究對象，通過仿真分析對傳動系統(tǒng)提出改進(jìn)，具有一定的實(shí)用價值。

1 全路面起重機(jī)傳動系統(tǒng)

1.1 整車傳動路線

全路面起重機(jī)傳動系統(tǒng)總體傳動路線如圖1所示。該型全路面起重機(jī)采用的是3軸驅(qū)動的方式，整個系統(tǒng)的動力由發(fā)動機(jī)提供，經(jīng)變速器變速后傳給分動器輸入軸，再由分動器輸入軸經(jīng)中間軸分別傳給分動器的前、中、后輸出軸，進(jìn)而經(jīng)過傳動軸分別傳給前、中、后驅(qū)動橋，最后傳給各自的驅(qū)動輪胎驅(qū)動車輛前行。

1.2 分動器

圖1 傳動系統(tǒng)總體傳動路線

為滿足傳動系統(tǒng)的3軸驅(qū)動，該分動器采用的是“一進(jìn)三出”的形式，由輸入軸經(jīng)中間軸分別傳遞給前、中、后3個輸出軸，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分動器組合

1.3 差速器

差速器包括輪間差速器和軸間差速器兩部分，輪間差速器用于車輛轉(zhuǎn)彎時驅(qū)動輪兩側(cè)車輪的不等速旋轉(zhuǎn)以減輕輪胎磨損；軸間差速器使得各驅(qū)動橋能以不同角速度旋轉(zhuǎn)，以降低各驅(qū)動橋上驅(qū)動輪的滑轉(zhuǎn)磨損，該差速器具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 差速器

2 動力學(xué)設(shè)置與分析

2.1 動力學(xué)設(shè)置

將建立的三維全路面起重機(jī)模型導(dǎo)入ADAMS中生成多體動力學(xué)模型。然后對幾何模型施加各種約束，從而形成表達(dá)系統(tǒng)動力學(xué)特性的模型如圖4所示，其中第二、五、六橋?yàn)轵?qū)動橋。

圖4 多體動力學(xué)模型

該模型采用的是分動器撥叉置于左位，即左結(jié)合齒輪嚙合，右結(jié)合齒輪空轉(zhuǎn)，因而分動器的一級傳動比iPD1＝Z2/Z1＝38/45＝0.844；分動器二級、三級傳動比為iPD2＝iPD3＝Z4/Z3＝Z5/Z3＝38/32＝1.1875，這樣前、中、后驅(qū)動橋主動錐齒輪輸入轉(zhuǎn)速理論相等。其中，前中后驅(qū)動橋的主減速器傳動比為iq前＝3.2，iq中＝3.43，iq后＝3.25。設(shè)車輛行駛方向?yàn)閤軸正向，垂直向上為z軸正向，重力垂直z軸向下，采用右手坐標(biāo)系?？紤]到該工程車輛行駛環(huán)境，設(shè)置車速v＝40km/h。由此求得車輪的輸出角速度ω2為

式中D為車輪直徑，D＝1180mm。

由分動器一、二級及中驅(qū)動橋主減速器傳動比可得分動器輸入軸的轉(zhuǎn)速ω1為

由此設(shè)定分動器輸入軸的轉(zhuǎn)速ω1=4000°/s。由分動器一級、二級、三級傳動比及前、中、后驅(qū)動橋主減速器的傳動比得到前、中、后驅(qū)動橋輸出軸的計(jì)算角速度ω前、ω中、ω后分別為

2.2 輸出結(jié)果及分析

設(shè)置仿真時間為5s，仿真步數(shù)為50，得到分動器前、中、后輸出軸的角速度曲線如圖5所示。

圖5 前、中、后驅(qū)動橋輸出軸角速度

由圖5可知，前、中、后驅(qū)動橋輸出軸角速度均值分別穩(wěn)定在 1273.19°/s、1164.06°/s、1201.37°/s，且起初有較大的波動，這也是由于該車輛起步時地面與輪胎瞬時摩擦沖擊加速度及傳動軸的沖擊振動所致，隨著車速提高至勻速行駛而使各驅(qū)動橋輸出軸角速度在均值附近以很小幅度波動，這是由于路面條件及車輛本身機(jī)構(gòu)配置及安裝誤差所致，比較符合實(shí)際車輛運(yùn)行工況。

對計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行對比，如表1所示，前、中、后驅(qū)動橋輸出軸角速度的仿真值與計(jì)算值的誤差分別為2.08%、0.043%、2.17%，這對于大型全路面起重機(jī)來說，誤差在允許范圍內(nèi)。

表1 計(jì)算與仿真結(jié)果對比

2.3 性能改進(jìn)

由圖5可以看出，3個驅(qū)動橋輸出軸角速度并不相同，當(dāng)全路面起重機(jī)長時間行駛時，會因?yàn)?個驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速不同步，給驅(qū)動輪胎造成嚴(yán)重磨損，降低輪胎使用壽命，由此也會造成相當(dāng)一部分功率損失。

由于軸間差速器具有平衡軸間功率損失的功能，下面分別對分動器與前驅(qū)動橋之間的傳動軸上加裝前軸間差速器；對分動器與中驅(qū)動橋之間的傳動軸上加裝中軸間差速器。在仿真條件及設(shè)置不變的情況下，分別對加裝前、中軸間差速器后的整車仿真，得到前、中、后驅(qū)動橋輸出軸角速度分別如圖6和圖7所示。

圖6 加裝前軸間差速器后前、中、后驅(qū)動橋輸出軸角速度

圖7 加裝中軸間差速器后前、中、后驅(qū)動橋輸出軸角速度

加裝軸間差速器后3個驅(qū)動橋輸出軸間的轉(zhuǎn)速差如表2所示。

表2 驅(qū)動橋轉(zhuǎn)速性能

由圖6和圖7，結(jié)合表2可以看出，加裝軸間差速器后，3個驅(qū)動橋輸出軸之間的轉(zhuǎn)速差明顯減小，而且加裝前軸間差速器后，減小轉(zhuǎn)差效果更明顯，由此可知在盡量不損失動力的前提下，優(yōu)先采用加裝前軸間差速器，能更好地減輕輪胎磨損，降低功率損失。

3 結(jié) 論

本文在對全路面起重機(jī)進(jìn)行簡化的基礎(chǔ)上，經(jīng)檢驗(yàn)該整車仿真輸出數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值基本相符，驗(yàn)證了模型的正確性。在對整車加裝軸間差速器后，降低了驅(qū)動橋輸出軸間轉(zhuǎn)速差，從而降低輪胎的磨損，提高其使用壽命，尤其加裝前軸間差速器后效果更加明顯。這對改善發(fā)動機(jī)與傳動系統(tǒng)之間的匹配特性，提高整車性能的深入研究提供了方法與指導(dǎo)。 O

[1]林慕義，張福生.車輛底盤構(gòu)造與設(shè)計(jì)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[2]管 欣，盧萍萍，詹 軍.多軸全輪驅(qū)動車輛動力傳動系統(tǒng)模型的建立與應(yīng)用[J].汽車工程，2011，33(3)：183-187.

[3]李 杰，孫傳祝，李發(fā)家.沙灘摩托車傳動系前橋的建模及初步仿真[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2009，38(3)：5-8.

[4]楊瑞峰.汽車試驗(yàn)場概述[J].輪胎工業(yè)，2008，28(12)：757-766.