楊洪征,沈玉鳳,張春明

(1.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院,山東淄博255049;2.山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院,山東淄博255049)

液壓機械雙功率差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)是目前履帶式車輛較為先進的轉(zhuǎn)向機構(gòu)[1],它利用了機械傳動高效率和液壓傳動無級變速的特點[2],組成了較為理想的傳動裝置.借助虛擬樣機技術(shù)在計算機上建立差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)的三維可視化模型,可以模擬現(xiàn)實環(huán)境下系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)特性,克服傳統(tǒng)計算無法精確反映機構(gòu)實際運動和受力情況的缺點.本文利用Pro/E和ADAMS軟件建立差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)的虛擬樣機,并在此基礎(chǔ)上模擬實際工況和各種運動狀態(tài)以進行仿真研究.

1 差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)工作原理

如圖1所示,差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)主要由左右兩個特性參數(shù)相同的行星排組成,動力由變速器錐齒輪軸和液壓馬達輸入.右側(cè)行星排的太陽輪通過連接齒輪與次級齒輪嚙合,而左側(cè)行星排的太陽輪通過連接齒輪和中間齒輪與次級齒輪嚙合.當(dāng)轉(zhuǎn)向馬達轉(zhuǎn)動時,兩側(cè)行星排的太陽輪轉(zhuǎn)速相等而轉(zhuǎn)向相反,與相等的行星架轉(zhuǎn)速線性合成后,使一側(cè)的齒圈轉(zhuǎn)速加快,另一側(cè)的齒圈轉(zhuǎn)速減慢,從而實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向.

圖1 差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)簡圖

2 推土機差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)建模

MSC/ADAMS是最著名的虛擬樣機分析軟件,它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫來創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)動力學(xué)模型,可以對虛擬機械系統(tǒng)進行運動學(xué)、靜力學(xué)和動力學(xué)分析.只要能保證機構(gòu)的模型尺寸和約束定義精確,就能得到差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)不同狀態(tài)和負(fù)載下各部件的載荷、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù).

2.1 差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)模型參數(shù)

差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)模型參數(shù)是以SD23推土機為基礎(chǔ),由機械設(shè)計手冊根據(jù)輸入輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計算得到,差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)各齒輪的基本參數(shù)見表1.

表1 差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)基本參數(shù)

表1中:m為齒輪模數(shù);z為齒數(shù);x*為變位系數(shù);b為齒寬.各齒輪的壓力角均為20o.

2.2 虛擬樣機幾何模型的建立

圖2 差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)虛擬樣機圖

2.3 虛擬樣機的約束條件

為建立的模型添加正確的約束是保證模型正常運轉(zhuǎn)的重要條件,虛擬樣機的約束條件主要包括:實現(xiàn)軸承功能的旋轉(zhuǎn)副約束;地面和箱體之間的固定約束;齒輪與齒輪之間的接觸約束;齒圈所受的轉(zhuǎn)向阻力矩;液壓動力和小錐齒輪的輸入?yún)?shù)等.下面對主要約束分別進行說明.

2.3.1 接觸約束

在接觸力計算方法的選取上比較常用的是基于碰撞函數(shù)(IMPACT)的接觸算法,ADAMS/Solver運用ADAMS函數(shù)庫中IMPACT函數(shù)來計算接觸力,建立的虛擬樣機也采用了這種方法.

建立接觸約束時,主要參數(shù)包括:Stiffness:指定材料剛度;Force Exponent:用來計算瞬時法向力中材料剛度項貢獻值的指數(shù);Damping:定義接觸材料的阻尼屬性;Penetration Depth:定義全阻尼(full damping)時的穿透值;Coulomb Friction:指定摩擦模型為dynamic friction;Static Coefficient(MU_STATIC):是當(dāng)接觸點滑動速度小于Stiction Transition Velocity值時的摩擦系數(shù);Dynamic Coefficient(MU_DAN):是當(dāng)接觸點滑動速度大于Friction Transition Velocity值時的摩擦系數(shù);Friction Transition Velocity:當(dāng)滑動速度大于等于Friction Transition Velocity指定值時,摩擦系數(shù)為M U_DANAMIC;Stiction T ransition Velocity:當(dāng)接觸點滑動速度逐漸減小時,摩擦系數(shù)從MU_DANAMIC到MU_STATIC逐漸變化.參數(shù)選取如圖3所示.

圖3 接觸參數(shù)的選擇界面

2.3.2 轉(zhuǎn)向阻力矩的確定

轉(zhuǎn)向阻力矩與推土機的使用質(zhì)量、履帶寬度、接地長度、轉(zhuǎn)向半徑和土壤性質(zhì)等有關(guān).為簡化計算,一般按空負(fù)荷工況計算轉(zhuǎn)向阻力矩.可采用下式來計算履帶推土機的齒圈所受轉(zhuǎn)向阻力矩,即

式中:G為推土機使用重量;B為履帶中心距;r為驅(qū)動輪半徑為履帶傳動系數(shù)為履帶長度;μ為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù).當(dāng)車輛以半徑R轉(zhuǎn)向時,μ可通過以下公式計算:

（114）四齒異萼苔 Heteroscyphus argutus（Reinw.Blume ＆ Nees）Schiffn. 熊源新等（2006）；楊志平（2006）；馬俊改（2006）；李粉霞等（2011）；余夏君等（2018）

式中μmax=0.9.

2.3.3 滾動阻力矩的確定

假設(shè)推土機在堅實土壤上運動,滾動阻力系數(shù)f各檔位均取0.1,則齒圈所受滾動阻力矩為

2.3.4 運動學(xué)關(guān)系式

由行星排的特性方程[4]可知:

由

得差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)齒圈的轉(zhuǎn)速為

由于轉(zhuǎn)向馬達工作時,左右行星排太陽輪轉(zhuǎn)速大小相等,方向相反,則推土機差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)左右齒圈轉(zhuǎn)速為

2.3.5 輸入轉(zhuǎn)速的確定

SD23履帶推土機速度參數(shù)見表2,假設(shè)推土機以二檔正常行駛,則推土機變速器輸出軸轉(zhuǎn)速為

表2 推土機速度參數(shù)表

3 虛擬樣機分析結(jié)果

安裝機械液壓雙功率流差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)后,推土機可以按照任意轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)向,能滿足小場地及特殊場合的施工要求.下面通過幾種典型的運動狀態(tài)進行分析.

3.1 直線行駛狀態(tài)分析

直線行駛狀態(tài)中,差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)齒圈所受轉(zhuǎn)矩為2 628.2 N?m,輸入轉(zhuǎn)速nT=403.2(°)/s,齒圈理論轉(zhuǎn)速n=225.19(°)/s,齒圈轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線如圖4所示.只有變速器錐齒輪輸入動力時,差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)左右齒圈轉(zhuǎn)速差(如圖4中曲線3所示)的平均值為0.004 9,說明該機構(gòu)直線行駛時,兩側(cè)齒圈轉(zhuǎn)速相同,偏駛率幾乎為0.

3.2 原地轉(zhuǎn)向工況分析

推土機原地轉(zhuǎn)向時,即推土機轉(zhuǎn)向半徑R等于推土機履帶中心距的一半,由公式(1)得左右兩側(cè)齒圈所受阻力矩為

38 381.7 N?m

轉(zhuǎn)向液壓馬達單獨工作時,輸入轉(zhuǎn)速設(shè)定為:nM=1 060(°)/s,由公式(2)得齒圈理論轉(zhuǎn)速為:n=±0.113 5×nM=±120.31(°)/s.齒圈輸出轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示.

從圖5中可以看出,液壓馬達單獨工作時左右齒圈轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定,兩側(cè)齒圈轉(zhuǎn)向相反,曲線3為兩側(cè)齒圈瞬時轉(zhuǎn)速差,可以看出推土機瞬時轉(zhuǎn)動中心不固定.轉(zhuǎn)速差的均值占平均轉(zhuǎn)速的百分比為

因此本差速式轉(zhuǎn)向機構(gòu)在只有液壓馬達輸入時,可以實現(xiàn)一側(cè)履帶正轉(zhuǎn),另一側(cè)履帶反轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)向半徑很小且近于零.

圖4 直線行駛時差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)輸出曲線

圖5 原地轉(zhuǎn)向工況下差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)輸出曲線

圖6 一般運動狀態(tài)差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)輸出曲線

3.3 一般運動狀態(tài)分析

當(dāng)變速器錐齒輪和液壓馬達共同提供動力時,左右齒圈轉(zhuǎn)速曲線如圖6所示,此時液壓馬達輸入轉(zhuǎn)速nM=360(°)/s,錐齒輪輸入轉(zhuǎn)速nT=403.2(°)/s.從圖6中可以看出,當(dāng)兩個動力源共同輸入動力時,該差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)運行平穩(wěn),可以實現(xiàn)一側(cè)轉(zhuǎn)速高,另一側(cè)轉(zhuǎn)速低,從而實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向.

4 結(jié)束語

推土機差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)從設(shè)計到成熟要經(jīng)歷一個長期實踐檢驗的過程,使用ADAMS軟件建立機構(gòu)的虛擬樣機模型,對虛擬樣機進行模擬實際工況的仿真研究,可以及時地反映設(shè)計中的不合理因素,而分析得到的受力數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)入到ANSYS等有限元分析軟件,為系統(tǒng)各零部件的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化分析提供數(shù)據(jù),從而減少設(shè)計費用和設(shè)計周期.因此,使用虛擬樣機技術(shù)對差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行分析、設(shè)計、改進是一種可行的分析方法.

[1] 張娉娉,鄒廣德,張為春.履帶式推土機差速轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計與計算[J] .建筑機械,2008(3):79-82.

[2] 遲媛,蔣恩臣.履帶車輛差速式轉(zhuǎn)向機構(gòu)性能試驗[J] .農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2008,39(7):14-17.

[3] 張小明,冷軍發(fā),劉波.基于ADAMS的單缸內(nèi)燃機動力學(xué)分析與研究[J] .機械傳動,2009,33(4).52-54.

[4] 趙建軍.履帶車輛差速式轉(zhuǎn)向機構(gòu)動力學(xué)分析與比較[J] .工程機械,2002,33(8):18-21.