裝載機(jī)變速箱運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析

吳占文，蔡 瀟，謝礦生

（1．武警工程大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安710086；2．特變電工西安電氣科技有限公司，陜西 西安710119；3．武警工程大學(xué) 裝備工程學(xué)院，陜西 西安710086）

0 引 言

工程車輛研制設(shè)計(jì)的目的在于運(yùn)用先進(jìn)的機(jī)器設(shè)計(jì)理論方法獲得結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)組成合理、運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力性能優(yōu)越的工作機(jī)械，這就要求在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員能夠使用有效的零件結(jié)構(gòu)和部件總成機(jī)構(gòu)圖形，隨時(shí)方便進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，獲得各種技術(shù)數(shù)據(jù)，為修改、確定設(shè)計(jì)方案提供合理依據(jù)．但是，這些技術(shù)分析在基于二維圖樣的常規(guī)設(shè)計(jì)［1］和仿真設(shè)計(jì)［2］中難以實(shí)現(xiàn)．常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)先制定設(shè)計(jì)方案，采用理論力學(xué)方法計(jì)算運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性，再進(jìn)行優(yōu)化、強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等［3］．這個(gè)過程須經(jīng)大量理論分析計(jì)算．目前基于虛擬樣機(jī)技術(shù)［4－5］的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、技術(shù)分析與性能模擬和制造的研究方興未艾［6－8］，其中機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械工程中非常復(fù)雜、精確的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，在實(shí)際制造前利用零件的三維數(shù)字模型進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析已成為現(xiàn)代CAD 工程中的一個(gè)重要方向及課題［9－10］．這使得機(jī)械設(shè)計(jì)工程師從復(fù)雜的理論計(jì)算中解放出來(lái)，將更多的精力放在優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，具有一定的實(shí)用價(jià)值．另外，通過三維軟件仿真分析，可以得出正確的理論數(shù)據(jù)和曲線，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和條件［11］，能夠有效地分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)特性和規(guī)律．其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為建立零件間的約束關(guān)系及載荷定義，并求解．本文擬運(yùn)用三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件Pro／Engineer［12］的零件與裝配功能，以國(guó)產(chǎn)ZL50C 輪式裝載機(jī)變速箱為例，進(jìn)行變速箱零件三維造型設(shè)計(jì)與總成零部件的裝配連接，著重進(jìn)行變速箱運(yùn)輸工況的牽引性能實(shí)驗(yàn)，通過換算來(lái)獲得變速箱的動(dòng)力、速度變化參數(shù)，從而運(yùn)用Pro／Mechanism 的運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析功能，實(shí)現(xiàn)變速箱在實(shí)際動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析，籍此檢驗(yàn)變速箱總成的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力特性，提高工程車輛研制設(shè)計(jì)中的技術(shù)分析與性能模擬水平．

1 變速箱三維造型設(shè)計(jì)與裝配連接

1．1 變速箱零件三維造型設(shè)計(jì)

零件結(jié)構(gòu)形狀計(jì)算機(jī)三維造型設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器總成零部件裝配連接、各種技術(shù)分析與性能模擬如運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析的基礎(chǔ)性和前提性工作．以下運(yùn)用三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件Pro／Engineer的零件（Part）功能，根據(jù)ZL50C 輪式裝載機(jī)變速箱總成零部件結(jié)構(gòu)圖樣，來(lái)完成包括變速箱箱體、各種軸、齒輪、軸承以及其它零件結(jié)構(gòu)的三維原值仿真造型設(shè)計(jì)［13］，為進(jìn)行變速箱總成的裝配連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變速箱運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析奠定基礎(chǔ)．

1．2 變速箱總成零部件裝配連接

獲得變速箱總成零件的三維造型以后，本文運(yùn)用Pro／Engineer的虛擬裝配（Assembly）功能進(jìn)行了變速箱總成零部件的虛擬裝配連接，為變速箱運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析奠定基礎(chǔ)．變速箱零部件的虛擬裝配不能采用完全約束的裝配模式，而要采用Pro／Engineer提供的針對(duì)零件間不同運(yùn)動(dòng)方式的裝配連接方式［14］（如平面、銷釘、滑動(dòng)桿、圓柱、球體、剛性、軸承等），才能保證各零件或組件裝配后在組成的機(jī)構(gòu)中具有確定的運(yùn)動(dòng)方式．零件裝配時(shí)，通過點(diǎn)擊元件放置選項(xiàng)卡可以選擇合適的選項(xiàng)來(lái)移動(dòng)零件，同時(shí)檢查零件之間的間隙是否符合要求或存在干涉．

2 變速箱運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析

工程車輛設(shè)計(jì)過程中要求對(duì)具有確定零件結(jié)構(gòu)及其組成機(jī)構(gòu)的新機(jī)器總成零部件的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力性能隨時(shí)進(jìn)行有效分析，來(lái)獲得各種技術(shù)數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)修改提供合理依據(jù)，這些工作在以二維平面設(shè)計(jì)繪圖為主的常規(guī)設(shè)計(jì)中難以實(shí)現(xiàn)．Pro／Engineer的內(nèi)嵌Pro／Mechanism 運(yùn)動(dòng)仿真［15］功能模塊，可以分析動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下虛擬裝配機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移和干涉，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的裝配合理性和運(yùn)動(dòng)干涉情況．直觀表達(dá)零件組成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力狀況，隨時(shí)準(zhǔn)確檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)及機(jī)器設(shè)計(jì)過程中存在的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)問題．動(dòng)力驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果以裝配機(jī)構(gòu)及機(jī)器的動(dòng)畫演示，也可以圖象輸出，由此可以得到零件間的受力與運(yùn)動(dòng)干涉情況及時(shí)調(diào)整修改，從而獲得合理的裝配結(jié)構(gòu)．

在上述變速箱總成零部件裝配連接基礎(chǔ)上，本文采用Pro／Mechanism 功能模塊，進(jìn)行裝載機(jī)變速箱在實(shí)際載荷作用下的運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)、解決其中問題．首先需要確定變速箱運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析參數(shù)．

2．1 變速箱仿真參數(shù)確定

變速箱運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析參數(shù)包括輸入軸輸入扭矩與轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速與力矩等．在20 ℃晴朗天氣、跑道為直線平坦水泥路面，ZL50C 裝載機(jī)為工作重量（包括駕駛員、油水箱滿裝、輪胎按工作壓力充氣），其工作裝置鏟斗連桿機(jī)構(gòu)置于水平運(yùn)輸工況位置，機(jī)器各部分裝油、水達(dá)到正常工作溫度的條件下，使用負(fù)荷車、20T 傳感器和BNJ－3多用測(cè)試儀等進(jìn)行牽引性能實(shí)驗(yàn)，用所得數(shù)據(jù)推算出變速箱工作參數(shù)．實(shí)際測(cè)得裝載機(jī)前進(jìn)II檔傳動(dòng)速度、牽引力和牽引功率值如表1所示．

表1 裝載機(jī)前進(jìn)II檔傳動(dòng)速度、牽引力和牽引功率Tab．1 Transmission speed，tractive force and power of the wheel loader’s forward speed II

2．2 變速箱仿真參數(shù)計(jì)算

根據(jù)表1 所列參數(shù)值，運(yùn)用以下各式來(lái)推算出變速箱運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析設(shè)置所需的工作參數(shù)值．

變速箱輸出軸力矩M′由式（1）計(jì)算．

式中：Fq為牽引力，kN；rd為輪胎滾動(dòng)半徑，m；η′為終傳動(dòng)到變速箱的機(jī)械效率；i′ 為終傳動(dòng)到變速箱的傳動(dòng)比．

式中：i1，i2分別為終傳動(dòng)器和主傳動(dòng)器的傳動(dòng)比．

裝載機(jī)變速箱傳動(dòng)經(jīng)主傳動(dòng)、差速器到終傳動(dòng)輪邊減速器行星輪系，其主動(dòng)件太陽(yáng)輪連接半軸，從動(dòng)件行星架連接車輪，齒圈固定不動(dòng)連接橋殼，是簡(jiǎn)單行星排六種傳動(dòng)方案之一，它的傳動(dòng)比為

式中：a1為輪邊減速器行星排特性參數(shù)．

式中：Zq1，Zi1為齒圈與太陽(yáng)輪齒數(shù)．將a1值代入式（3），得：

ZL50C裝載機(jī)的主傳動(dòng)是單級(jí)主減速器，輸入與輸出差速器殼之間僅采用一級(jí)齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)一對(duì)圓錐齒輪傳動(dòng)后轉(zhuǎn)向90°，變?yōu)轵?qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向，同時(shí)減速增矩，以滿足驅(qū)動(dòng)機(jī)器運(yùn)行．上述結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，只采用了一級(jí)減速，體積較小，質(zhì)量輕，其傳動(dòng)比選擇不宜太大．由于進(jìn)行直線跑道牽引性能試驗(yàn)時(shí)，只有主傳動(dòng)發(fā)揮作用，差速器失去了作用，因此主傳動(dòng)比成為：

式中：ZD2，ZZ2分別為主傳動(dòng)大螺旋圓錐齒輪齒數(shù)和主動(dòng)螺旋圓錐齒輪齒數(shù)．

變速箱輸入軸力矩M 由式（6）式計(jì)算．式中：Mq為變速箱輸出軸力矩，N·m；ib為變速箱傳動(dòng)比；ηb 為變速箱機(jī)械效率．

變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速由式（7）計(jì)算和確定．

式中：v 為樣機(jī)實(shí)測(cè)速度，rad／min．

由上述公式計(jì)算，所得變速箱前進(jìn)II檔傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)仿真和動(dòng)力分析參數(shù)值（輸入軸轉(zhuǎn)速、輸入軸力矩、輸出軸力矩等）見表2．

表2 變速箱前進(jìn)II檔傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)計(jì)算值Tab．2 Calculation values of kinematic simulation parameters of the gear box’s forward speed II

2．3 變速箱運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析的具體設(shè)置

變速箱運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析［15］在Pro／Mech－anism 中的具體設(shè)置操作流程包括：

1）進(jìn)入Pro／Mechanism 定義變速箱各種機(jī)構(gòu)零件間運(yùn)動(dòng)關(guān)系，添加相關(guān)運(yùn)動(dòng)副．如定義齒輪機(jī)構(gòu)，單擊“齒輪1”按鈕并輸入名稱，此后選擇傳動(dòng)類型，輸入齒輪的連接被選為連接軸；輸出齒輪的連接在“齒輪2”中被選為連接軸；在“屬性”對(duì)話框分別輸入兩個(gè)齒輪的分度圓直徑，定義好的齒輪機(jī)構(gòu)中將顯示齒輪的運(yùn)動(dòng)副標(biāo)志．

2）創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)器及運(yùn)動(dòng)環(huán)境．設(shè)定運(yùn)動(dòng)仿真的初始位置，拖齒輪副到相互不干涉位置，作為起始位置即可．

3）添加及設(shè)定伺服電機(jī)，提供運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真的原動(dòng)力，這是變速箱運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析設(shè)置的關(guān)鍵．

單擊“伺服電動(dòng)機(jī)”，將輸入軸的連接軸作為伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)對(duì)象，默認(rèn)當(dāng)前軸的位置為零位置．在“模”欄選擇“常數(shù)”，由表2 選擇一個(gè)轉(zhuǎn)速，單位換算后輸入“A”欄．

在機(jī)構(gòu)上添加執(zhí)行電動(dòng)機(jī)時(shí)，為了引起組成機(jī)構(gòu)的相關(guān)物體運(yùn)動(dòng)，必須將力矩施加在輸入軸上．單擊“執(zhí)行電動(dòng)機(jī)”，操作同上，選擇與上面轉(zhuǎn)速相應(yīng)力矩輸入“A”欄．為了模擬外部載荷對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響，必須添加力矩來(lái)模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的外部環(huán)境．通過單擊“力／力”來(lái)打開定義對(duì)話框，此時(shí)應(yīng)選擇輸出軸作為對(duì)象來(lái)施加外部載荷，在“?！敝休斎胂鄳?yīng)載荷大小，并設(shè)定其方向．

利用“表”功能將表2中轉(zhuǎn)速值每間隔5s 輸入1個(gè)，Pro／Mechanism 用線性插值的方法自動(dòng)將輸入轉(zhuǎn)速擬合成時(shí)間轉(zhuǎn)速圖輸出，以方便查看檔位的每一個(gè)轉(zhuǎn)速，效果如圖1所示；同樣，輸入力矩也可以圖表輸出，如圖2 所示．

圖1 變速箱前進(jìn)II檔輸入轉(zhuǎn)速曲線Fig．1 Input revolving speed curve of the gear box’s forward speed II

圖2 變速箱前進(jìn)II檔輸入力矩曲線Fig．2 Curve of input moment of force of the gear box’s forward speed II

4）上述步驟完成了變速箱運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析的設(shè)置，隨后設(shè)定幀數(shù)與運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)添加相應(yīng)的伺服電機(jī)，最后通過運(yùn)行設(shè)置就可獲得仿真和分析結(jié)果．定義好運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力特性的變速箱模型如圖3 所示．

圖3 變速箱前進(jìn)II檔運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析定義Fig．3 Definition of kinematic simulation and kinetic analysis of the gear box’s forward speed II

2．4 變速箱運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析

單擊“分析”圖標(biāo)，在打開的對(duì)話框中選擇運(yùn)動(dòng)分析類型為“動(dòng)態(tài)”，此時(shí)單擊“運(yùn)行”圖標(biāo)，即可觀察設(shè)置好運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析的變速箱中各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況，運(yùn)行狀況結(jié)果會(huì)自動(dòng)存入數(shù)據(jù)集．觀察變速箱運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果顯示，由于零件的結(jié)構(gòu)采取原值造型，所組成的機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)零件干涉現(xiàn)象，驗(yàn)證了零件結(jié)構(gòu)及組成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的正確合理性．

觀察分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程，可將力、位置、速度、加速度以及測(cè)量圖標(biāo)等測(cè)量值記錄下來(lái)，也能產(chǎn)生機(jī)構(gòu)及其構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡線與包絡(luò)線．單擊“創(chuàng)建新測(cè)量”圖標(biāo)后選擇“速度”，進(jìn)而將輸出軸連接選為分析目標(biāo)，Pro／Mechanism 提供“每一時(shí)間步距”默認(rèn)評(píng)估方法，接受即可完成測(cè)量定義．Pro／Mechanism 會(huì)計(jì)算并顯示機(jī)構(gòu)的時(shí)間速度曲線，如圖4 所示；再次單擊“創(chuàng)建新測(cè)量”后選擇“連接反作用”，進(jìn)而將齒輪連接選為分析目標(biāo)，同上接受Pro／Mechanism“每一時(shí)間步距”默認(rèn)評(píng)估方法，即可完成測(cè)量定義．Pro／Mechanism會(huì)計(jì)算并顯示機(jī)構(gòu)的時(shí)間力矩曲線，如圖5 所示．對(duì)比分析圖1與圖4、圖2與圖5可以看出，變速箱輸入與輸出轉(zhuǎn)速、力矩曲線圖像基本相同，表明輸入與輸出速度、動(dòng)力變化趨勢(shì)一致，運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力狀態(tài)基本相同，符合車輛運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力特性［1］．

圖4 變速箱前進(jìn)II檔輸出轉(zhuǎn)速曲線Fig．4 Output revolving speed curve of the gear box’s forward speed II

圖5 變速箱前進(jìn)II檔輸出力矩曲線Fig．5 Curve of output moment of force of the gear box’s forward speed II

3 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用Pro／Engineer完成了裝載機(jī)變速箱總成零部件原值造型設(shè)計(jì)和虛擬裝配，進(jìn)行了裝載機(jī)牽引性能實(shí)驗(yàn)，獲得了動(dòng)力、速度變化參數(shù)；換算后運(yùn)用Pro／Mechanism 運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際工作載荷作用下變速箱前進(jìn)II檔運(yùn)輸工況的運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析，動(dòng)態(tài)演示、圖像分析研究了變速箱的工作原理、運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力特性，結(jié)果表明變速箱零件結(jié)構(gòu)尺寸合理、組成機(jī)構(gòu)及總成的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)無(wú)干涉；變速箱輸入與輸出速度、力矩具有相同變化規(guī)律，符合車輛運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力特性．研究工作對(duì)于檢驗(yàn)工程車輛零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性、總成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)合理性與動(dòng)力特性、提高工程車輛研制設(shè)計(jì)中的技術(shù)分析與性能模擬水平具有實(shí)際意義．

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