四輪驅(qū)動田園搬運管理機分動器的設(shè)計與仿真分析

劉建軍，王孝鵬，陳志堅，劉玉西

(1.三明學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.福建省宇辰農(nóng)林機械有限公司，福建)

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四輪驅(qū)動田園搬運管理機分動器的設(shè)計與仿真分析

劉建軍1，王孝鵬1，陳志堅2，劉玉西2

(1.三明學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.福建省宇辰農(nóng)林機械有限公司，福建)

摘要：針對緊湊小機型的前后四驅(qū)車(機)的要求，以及輸入軸和前、后輸出軸的中心距較小，傳動系中心相錯開較遠的無法實現(xiàn)前、后驅(qū)動，研發(fā)了并授權(quán)了新型專利--牙嵌式鏈條傳動的分動器(CN201320708443.7)，對此我們進行了了相關(guān)的設(shè)計，并借助于ABAQUS軟件建立四輪驅(qū)動田園搬運管理機分動器的有限元模型并對其進行動力仿真分析，考察第一接觸力、第二接觸力、第三接觸力的應(yīng)力特性.分析結(jié)果表明，第一接觸力在接觸的瞬間非常大，頻率25Hz以下的振幅較大，在此頻率范圍內(nèi)容易與其他系統(tǒng)發(fā)生共振，因此要在后期工作中對關(guān)鍵零部件進行優(yōu)化；第三接觸力有明顯的間隔脈沖力，這主要時由于QS-3BY-9C1型號田園搬運管理機單缸四沖程發(fā)動機的不間斷的點多所導(dǎo)致.

關(guān)鍵詞：四輪驅(qū)動；田園搬運管理機；分動器；仿真分析

福建山地、丘陵占全省總面積的80%以上，素有“八山一水一分田”之稱.山地丘陵面積有1 000萬公頃左右，約占土地總面積85%，海拔一般較低，較便于開發(fā)利用.山地丘陵林業(yè)基礎(chǔ)較好，現(xiàn)有林面積8 410萬畝.福建省有比較優(yōu)勢的水果、食用菌、疏菜、茶葉等出口呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢頭，累計出口46.5億美元，占全省農(nóng)產(chǎn)品出口總額的9成.對于這些優(yōu)勢作物來講每年的運輸成本(包括樹苗、化肥、農(nóng)產(chǎn)品等)達到作業(yè)成本的30%左右.2011 年農(nóng)機化“十二五”規(guī)劃指出：目前存在的主要問題是丘陵山區(qū)和薄弱環(huán)節(jié)機械化發(fā)展滯后.因此主攻薄弱環(huán)節(jié)機械化就成為“十二五”規(guī)劃的重要指導(dǎo)思想[1].

目前市面上的一些中型前后四驅(qū)農(nóng)用車輛，其分動器結(jié)構(gòu)一般采用箱體，內(nèi)部由輸入花鍵軸、前、后輸出花鍵軸、花鍵套和操縱機構(gòu)組成，其外部結(jié)構(gòu)由外箱體組合而成[2]，這種結(jié)構(gòu)的缺點是：1、輸入軸和前、后輸出軸的中心距較小，無法實現(xiàn)前、后驅(qū)動傳動系中心相錯開較遠的車子特性要求；2、由于箱體較大，空間占據(jù)也大，無法滿足緊湊小機型的前后四驅(qū)車(機)的要求，限制了小機型四驅(qū)車(機)的市場開發(fā).3、特別是無法滿足農(nóng)村、農(nóng)業(yè)、農(nóng)民的“三農(nóng)”對田園搬運管理機小機型的實際需求[3].為此，我們進行了新型—牙嵌式鏈條傳動的分動器的設(shè)計與仿真.

1設(shè)計要求與設(shè)計參數(shù)

1.1　設(shè)計要求

四輪驅(qū)動實現(xiàn)的核心就是分動器的設(shè)計，也就是要把發(fā)動機輸出的動力經(jīng)過變速箱減速增扭后傳遞給前驅(qū)動橋，因此需要增加一個分動器.分動器也是動力傳動系統(tǒng)，它單獨固定在車架上，其輸入軸與變速器的輸出軸相連接，分動器的輸出軸可以有若干根，分別經(jīng)萬向傳動裝置與各驅(qū)動橋相連.對分動器的設(shè)計要求要滿足以下幾點：

(1) 便于制造、使用、維修以及質(zhì)量輕、尺寸緊湊；

(2) 保證車輛必要的動力性和經(jīng)濟性；

(3) 換檔迅速、省力、方便；

(4) 工作可靠.不得有跳檔及換檔沖擊等現(xiàn)象發(fā)生；

(5) 分動器應(yīng)有高的工作效率；

(6) 分動器的工作噪聲低；

我們分動器設(shè)計的總體方案是分動器無差速器，從變速器輸出的扭矩直接被傳遞到一個橋上.如果在行駛中，輪胎發(fā)生打滑時，就接通第二橋，兩輸出橋成剛性連接.

1.2　設(shè)計參數(shù)

本設(shè)計是根據(jù)宇辰農(nóng)林機械生產(chǎn)的QS-3BY-9C型號“爬山虎”而開展的，設(shè)計中所采用的相關(guān)參數(shù)均來源于此種車型，具體參數(shù)如下所示：

最大輸入轉(zhuǎn)速：2 000 r/min；

最小輸入轉(zhuǎn)速：313 r/min；

發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩 42 N·m

最高車速30 km/h

輪胎規(guī)格 6.00～12人字花紋

整備質(zhì)量 990 kg

最大載重 1 655 g

主減速器傳動比 5.125

分動器傳動比1.00

輸入最大轉(zhuǎn)矩269 N·m

分動器的主要參數(shù)(中心距、鏈傳動、軸徑等)選擇可按照變速器的參數(shù)選擇計算公式進行.

2牙嵌式鏈條傳動的分動器設(shè)計

我們申報并授權(quán)了新型專利—牙嵌式鏈條傳動的分動器(CN201320708443.7).

如圖1所示，它包括驅(qū)動主動軸1、驅(qū)動從動軸2、主動軸聯(lián)軸器3、與主動軸聯(lián)軸器3拆合連接的從動軸聯(lián)軸器4、主動軸軸承5、從動軸軸承6、軸套7、用于與前傳動軸總成31 連接的從動軸法蘭8、與變速箱總成32 連接并被驅(qū)動的鏈條9、與鏈條9 配合的鏈輪10、控制從動軸聯(lián)軸器4 與主動軸聯(lián)軸器3 離或合的撥動裝置；所述的驅(qū)動從動軸2、從動軸聯(lián)軸器4、主動軸聯(lián)軸器3、驅(qū)動主動軸1依序設(shè)置在軸套7 內(nèi)，驅(qū)動從動軸2、驅(qū)動主動軸1 分別通過從動軸軸承6、主動軸軸承5 固設(shè)于軸套7 內(nèi)，驅(qū)動從動軸2 與從動軸聯(lián)軸器4 固定連接，主動軸聯(lián)軸器3、驅(qū)動主動軸1 固定連接，驅(qū)動從動軸2 的另一端固設(shè)有從動軸法蘭8，驅(qū)動主動軸1 的另一端固設(shè)有鏈輪10；在軸套7 與主動軸聯(lián)軸器3 的外側(cè)壁上設(shè)有通孔；撥動裝置設(shè)置在軸套7 壁上并通過通孔延伸至軸套7 內(nèi)與主動軸聯(lián)軸器3 連接.鏈條9 被變速箱總成32 驅(qū)動的方式較多，例如在變速箱總成32上也設(shè)有鏈輪，鏈條設(shè)置在鏈輪上.

圖1　牙嵌式鏈條傳動的分動器

所述的撥動裝置包括復(fù)位彈簧21、滑片22、固定螺栓23、滑動螺栓24、連桿25；軸套7 的外側(cè)壁、沿從動軸聯(lián)軸器4 至主動軸聯(lián)軸器3 的方向上分別設(shè)有連桿、滑片22、復(fù)位彈簧21；滑片22 位于通孔外，在換片上設(shè)有沿從動軸聯(lián)軸器4 至主動軸聯(lián)軸器3 的方向的滑動孔，所述的固定螺栓23 穿過滑動孔將滑片22 進行限位，所述的滑動螺栓24 設(shè)置于滑片22 上且穿過通孔與主動軸聯(lián)軸器3 連接.

工作原理如下：變速箱總成32 驅(qū)動鏈條9 轉(zhuǎn)動，進而帶動驅(qū)動主動軸轉(zhuǎn)動，通過傳動，帶動驅(qū)動從動軸轉(zhuǎn)動，由于與前傳動軸總成31 連接的從動軸法蘭8，且從動軸法蘭8 與驅(qū)動從動軸固定連接，最終前傳動軸總成被帶動驅(qū)動.

我們針對牙嵌式鏈條傳動的分動器進行了鏈傳動、牙嵌式離合器、驅(qū)動主軸、軸承等主要零部件尺寸參數(shù)的選擇和相關(guān)的設(shè)計計算.

3仿真分析

為了適應(yīng)福建地區(qū)丘陵地帶特征，三明學(xué)院與福建省宇辰農(nóng)林機械有限公司合作研發(fā)的QS-3BY-9C1型號爬山虎為改進型四輪驅(qū)動.在高速機動性較好路面行駛時，采用后橋驅(qū)動；當(dāng)進入田間作業(yè)及在丘陵地帶行駛時采用四輪驅(qū)動.分動器在接入及傳動過程中，結(jié)合、分離的瞬時沖擊及不平衡的震動對傳動軸的影響非常大，在長期的使用過程中容器造成應(yīng)力集中、疲勞損壞等[4-5].為此對分動器進行多體動力學(xué)分析，把齒輪傳動軸及接合器的沖擊載荷提取出來對其進行分析驗證[6-7].分動多體動力學(xué)模型如圖2所示.

圖2　分動器動力學(xué)模型

分動器主要包括輸入軸、接合器及輸出軸三部分.輸入軸與前法蘭盤施加接觸約束，靜態(tài)接觸系數(shù)為0.1，滑移動態(tài)接觸系數(shù)為0.3；法蘭盤與地面之間用旋轉(zhuǎn)副約束，在旋轉(zhuǎn)副上施加驅(qū)動力為每分鐘450轉(zhuǎn).接合器之間、接合器與輸出軸之間施加接觸約束，靜態(tài)接觸系數(shù)為0.1，滑移動態(tài)接觸系數(shù)為0.3；輸入軸、輸出軸與四個滾子軸承之間施加旋轉(zhuǎn)副，四個滾子軸承與分動器殼體直接施加固定約束；分動器殼體與大地之間施加固定約束.分動器模型共22個自由度.

法蘭盤與輸入軸之間為第一接觸力，接合器之間為第二接觸力；接合器與輸出軸之間為第三接觸力.旋轉(zhuǎn)副4、5分別為輸入軸和輸出軸與滾子軸承之間的摩擦力.接觸力及對應(yīng)頻譜圖、旋轉(zhuǎn)副摩擦力如圖3～9所示.

t/s圖3　第一接觸力

f/Hz圖4　第一接觸力頻譜圖

t/s圖5　第二接觸力

f/Hz圖6　第二接觸力頻譜圖

t/s圖7　第三接觸力

f/Hz圖8　第三接觸力頻譜圖

t/s圖9　旋轉(zhuǎn)副4、5摩擦力

第一接觸力在接觸的瞬間非常大，頻率25 Hz以下的振幅較大，在此頻率范圍內(nèi)容易與其他系統(tǒng)發(fā)生共振，因此要在后期工作中對關(guān)鍵零部件進行優(yōu)化；第二與第三接觸力有間隔脈沖力，第三接觸力尤為明顯，這主要時由于QS-3BY-9C1型號爬山虎單缸四沖程發(fā)動機的不間斷的點多所導(dǎo)致.旋轉(zhuǎn)副摩擦力在接觸的瞬間較大，在后期有間隔的小振幅脈沖，主要是由于在接觸瞬間沖擊力較大，小幅脈沖振動是由發(fā)動機的間隔點火震動及車身震動所導(dǎo)致.

4結(jié)論

本文針對緊湊小機型的前后四驅(qū)車(機)的要求，以及輸入軸和前、后輸出軸的中心距較小，無法實現(xiàn)前、后驅(qū)動傳動系中心相錯開較遠的車子特性，研發(fā)了牙嵌式鏈條傳動的分動器并獲得國家專利的授權(quán)，專利號為CN201320708443.7.

同時對分動器進行了三維建模，并對其進行了相關(guān)的動力學(xué)分析，分析結(jié)論：第一接觸力在接觸的瞬間非常大，頻率25Hz以下的振幅較大，在此頻率范圍內(nèi)容易與其他系統(tǒng)發(fā)生共振，因此要在后期工作中對關(guān)鍵零部件進行優(yōu)化；第二與第三接觸力有間隔脈沖力，第三接觸力尤為明顯，這主要時由于QS-3BY-9C1型號爬山虎單缸四沖程發(fā)動機的不間斷的點多所導(dǎo)致.旋轉(zhuǎn)副摩擦力在接觸的瞬間較大，在后期有間隔的小振幅脈沖，主要是由于在接觸瞬間沖擊力較大，小幅脈沖振動是由發(fā)動機的間隔點火震動及車身震動所導(dǎo)致.

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Simulation Analysis and Design of Transfer Box for Four-wheel

Drive Vehicles in Mountain and Hill Transportation Machine

LIU Jian-Jun1,WANG Xiao-Peng1,CHEN Zhi-Jian2,LIU Yu-Xi2

(1.School of Mechanical & Electronic Engineering,Sanming University,Sanming City 365004,China；2.Yu Chen Agroforestry Mechanical co.,LTD)

Abstract:The paper has developed the tooth type of chain transmission transfer (patent no.CN201320708443.7).It mainly solve the problem of small four-wheel drive machine that its structure is compact,and input shaft and front and rear Shafts output shaft of the center distance is small,and transmission system center is stagger far distance.First the transfer of structure has design,then establish finite element model of transfer box for four-wheel drive vehicles in mountain and hill transportation machine and carried on the dynamic simulation analysis by ABAQUS software,finally received at first contact force,the second contact force,stress of the third contact force characteristics.Analysis results show that the first contact force moment in contact is very big,25 hz frequency amplitude is bigger,in this frequency range is easy to resonate with other systems,thus to optimize the key parts in the later work.The third contact force has obvious interval impulse force,when this is mainly due to the QS - 3 by - 9 c1 model rural transport management machine more than single cylinder four stroke engines of uninterrupted points as a result.

Key words:four-wheel drive；rural transport machine；transfer gear；simulation analysis

文章編號：1007-2853(2015)11-0038-04

通信作者：*趙云偉，E-mail:jluzyw@163.com

作者簡介：劉曉敏(1980-)，女，吉林省吉林市人，北華大學(xué)講師，博士，主要從事機械設(shè)計及機器人等方面的研究.

基金項目：吉林省科技發(fā)展計劃項目(20150520109JH)；吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究(20150158)；吉林市科技創(chuàng)新發(fā)展計劃項目(201464043),(20156413)

收稿日期：2015-07-20

中圖分類號：U 463.33

文獻標(biāo)志碼：A DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.009