基于MASTA的驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與分析

張青峰，詹東安

（江蘇匯智高端工程機(jī)械創(chuàng)新中心有限公司，江蘇 徐州 221004）

0 引言

挖掘裝載機(jī)是一種前端為裝載裝置，后端為挖掘裝置的多功能小型工程機(jī)械，俗稱(chēng)“兩頭忙”，其兼顧挖掘機(jī)和裝載機(jī)的特性，可配多種工具裝置及輔具，進(jìn)行挖掘、鏟裝、路面破碎、平整場(chǎng)地、開(kāi)挖溝渠、架設(shè)管道等多種作業(yè)。以前挖掘裝載機(jī)的車(chē)橋多為進(jìn)口，驅(qū)動(dòng)橋的采購(gòu)成本高，周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響主機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)升級(jí)。為了解決傳動(dòng)核心零部件的“卡脖子”問(wèn)題，自主開(kāi)發(fā)挖掘裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

以挖掘裝載機(jī)后驅(qū)動(dòng)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，基于MASTA軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)橋齒輪、軸承、殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)校核[1]。為使驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)系統(tǒng)更符合其在主機(jī)中的使用工況，在導(dǎo)入柔性殼體[2-3]的基礎(chǔ)上又施加垂向載荷，分析其對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響。

1 驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)系統(tǒng)建模

MASTA作為專(zhuān)業(yè)的傳動(dòng)系統(tǒng)分析軟件能夠進(jìn)行齒輪的設(shè)計(jì)、制造、分析，軸承的選配等諸多功能并能進(jìn)行系統(tǒng)變形下的強(qiáng)度校核計(jì)算。主要基于MASTA軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)系統(tǒng)做計(jì)算分析。

根據(jù)齒輪參數(shù)（表1、表2）在MASTA建立詳細(xì)模型（圖1、圖2）。為了確定驅(qū)動(dòng)橋輸入邊界條件，用整機(jī)測(cè)試的方法采集了挖掘裝載機(jī)在多種施工工況下驅(qū)動(dòng)橋的載荷譜，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理形成驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)載荷譜。此載荷譜作為驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)的依據(jù)，分析計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)的疲勞性能，載荷譜詳細(xì)信息見(jiàn)表3。針對(duì)齒輪、軸承等關(guān)重件的靜強(qiáng)度分析通過(guò)加載驅(qū)動(dòng)橋的最大輸入扭矩1 200 N·m進(jìn)行校核。齒輪設(shè)計(jì)邊界條件見(jiàn)表4。

圖1 驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)系統(tǒng)二維MASTA模型

圖2 驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)系統(tǒng)三維MASTA模型

表1 螺旋錐齒輪參數(shù)表

表2 輪邊直齒輪參數(shù)表

表3 整車(chē)采集編制的驅(qū)動(dòng)橋載荷譜

表4 驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)邊界條件

在MASTA模型中輪胎中心位置增加Point load載荷模擬整車(chē)輪邊的支反力，施力點(diǎn)的位置做了相應(yīng)簡(jiǎn)化處理。

2 ANSYS Workbench建立導(dǎo)入有限元模型

運(yùn)用三維建模軟件將分段式橋殼組裝成橋殼總成。通過(guò)Workbench軟件進(jìn)行模型處理、材料屬性編輯、殼體邊界約束的定義、凝聚節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建以及有限元網(wǎng)格劃分等工作，最后生成包含驅(qū)動(dòng)橋殼體節(jié)點(diǎn)位置信息的.cdb文件。橋殼有限元模型（圖3），輪邊有限元模型（圖4）。

圖3 橋殼有限元模型

圖4 輪邊有限元模型

在Workbench中各軸承孔位置建立節(jié)點(diǎn)（Remote Point），用于導(dǎo)入MASTA軟件后與MASTA模型中的對(duì)應(yīng)部件相連。

在Workbench中還需要設(shè)置橋殼的約束條件，根據(jù)橋的安裝形式，橋殼與車(chē)架連接位置增加固定約束，固定約束位置如圖5。

圖5 橋殼固定約束

3 MASTA導(dǎo)入橋殼柔性體模型

將Workbench中計(jì)算好的.cdb文件導(dǎo)入到MASTA中，把柔性殼體中建立的節(jié)點(diǎn)與MASTA模型中對(duì)應(yīng)部件相連，形成圖6帶結(jié)構(gòu)柔性系統(tǒng)變形分析模型。運(yùn)行MASTA軟件生成質(zhì)量、剛度矩陣。

圖6 MASTA結(jié)構(gòu)柔性系統(tǒng)變形分析模型

4 校核分析

為了考核橋殼剛度以及橋荷對(duì)驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)系統(tǒng)的影響，在傳動(dòng)系統(tǒng)校核分析時(shí)分別對(duì)三種工況模式進(jìn)行分析，即：剛性連接狀態(tài)下的系統(tǒng)變形分析（無(wú)殼體）、導(dǎo)入柔性體后的系統(tǒng)變形分析（有殼體）、導(dǎo)入柔性體后增加垂向載荷的系統(tǒng)變形分析（殼體+2倍橋核）。系統(tǒng)變形分析中，重點(diǎn)分析了齒輪和軸承的受力及安全系數(shù)的變化情況。

4.1 極限工況分析

4.1.1 螺旋錐齒輪靜強(qiáng)度校核

在最大靜載荷各種工況下，所有齒輪的安全系數(shù)都大于1，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。從表5可以看出導(dǎo)入柔性殼體以及加載垂向載荷后，主、從動(dòng)錐齒輪安全系數(shù)未發(fā)生明顯變化。太陽(yáng)輪、行星輪、齒圈的安全系數(shù)隨殼體的導(dǎo)入及垂直載荷的增加逐漸減小，減小幅度小于2.08%。

表5 齒輪靜彎曲安全系數(shù)

4.1.2 軸承靜強(qiáng)度校核

為便于查找軸承位置對(duì)軸承編號(hào)（圖7）。

圖7 軸承編號(hào)示意圖

表6中可以看出，輪邊錐軸承5、軸承6在增加垂向載荷后安全系數(shù)大幅下降，主要由于在不加載垂向載荷的工況下，軸承5和軸承6僅起旋轉(zhuǎn)支撐作用，無(wú)徑向承載，因此在該工況下安全系數(shù)較高。增加垂向載荷后，整車(chē)橋荷主要通過(guò)軸承5和軸承6來(lái)承載，軸承的受力明顯增大，因此安全系數(shù)出現(xiàn)明顯降低。表7中軸承5、軸承6的徑向力的變化也驗(yàn)證了這一結(jié)果。因此，在輪邊軸承的校核時(shí)必須加載垂向橋荷。

輪邊滾針在模型中位置一直都在MASTA模型的齒胚與行星軸dfghjl；234678z中間未直接接觸柔性殼體，其安全系數(shù)基本保持不變。

在最大靜強(qiáng)度校核工況提取了各個(gè)軸承的軸承力（表7），軸承的方向按照?qǐng)D6中坐標(biāo)系的方向。提取出的軸承力可以直接作為邊界條件加載到有限元模型中進(jìn)行有限元分析。

4.2 載荷譜工況疲勞分析

4.2.1 齒輪受力情況分析

表8、表9展示了齒輪彎曲疲勞與接觸疲勞在三種計(jì)算工況時(shí)的計(jì)算結(jié)果，結(jié)果顯示導(dǎo)入柔性體后，齒輪的安全系數(shù)略有下降，但安全系數(shù)仍大于1，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表8 齒輪彎曲疲勞安全系數(shù)

表9 齒輪接觸疲勞安全系數(shù)

剛性連接狀態(tài)和導(dǎo)入柔性體分析對(duì)比，螺旋錐齒輪的安全系數(shù)有所降低，彎曲疲勞安全系數(shù)最大降幅1.4%，接觸疲勞系數(shù)最大降幅3.01%；增加垂向橋荷后，螺旋錐齒輪的安全系數(shù)變化很小，最大降幅為0.01%。

輪邊太陽(yáng)輪、行星輪、齒圈的彎曲、疲勞安全系數(shù)在三種工況下分析結(jié)果差別較小，彎曲疲勞安全系數(shù)受殼體變形影響大于接觸疲勞系數(shù)。

4.2.2 軸承受力計(jì)算

根據(jù)表10軸承安全系數(shù)可以看出，在導(dǎo)入柔性殼體的分析工況中，由于殼體變形釋放了軸承的部分自由度，使得軸承受力比剛性連接時(shí)小，軸承安全系數(shù)得到了一定的提升。軸承3的提升幅度最大，提升幅度為7.29%，增加垂向載荷后又增大3.15%。

表10 軸承安全系數(shù)

軸承5、軸承6安全系數(shù)在施加垂向載荷后安全系數(shù)明顯下降。軸承6的彎曲疲勞、接觸疲勞下降幅度分別為71.46%、80.02%。因此，在軸承的疲勞校核時(shí)必須加載垂向橋荷。

5 結(jié)論

（1）分別對(duì)驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行極限工況校核和疲勞分析，結(jié)果顯示在剛性連接狀態(tài)下，齒輪、軸承的安全系數(shù)都大于1，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。隨著柔性殼體的導(dǎo)入、垂直載荷的增加，齒輪的安全系數(shù)逐漸降低，軸承的安全系數(shù)逐漸增加，但是導(dǎo)入柔性體后的齒輪、軸承安全系數(shù)仍滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)橋殼體的剛度滿(mǎn)足傳動(dòng)系統(tǒng)的支撐需求。

（2）加載垂向載荷后，輪邊錐軸承的受力明顯增大，軸承的安全系數(shù)明顯下降，但仍滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。因此，在校核輪邊軸承時(shí)必須考慮垂向載荷。

（3）在MASTA軟件中能夠準(zhǔn)確提取各軸承的受力情況，并以此作為邊界條件對(duì)殼體進(jìn)行有限元分析及校核。

（4）計(jì)算方法考慮了柔性殼體及垂向載荷對(duì)車(chē)橋傳動(dòng)系統(tǒng)的影響，能夠較準(zhǔn)確的反應(yīng)傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也解決了殼體在有限元分析時(shí)力的邊界條件無(wú)法準(zhǔn)確提取的問(wèn)題，為驅(qū)動(dòng)橋的仿真分析提供力新思路、方法。