基于Pro/E的變速器柔性操縱機(jī)構(gòu)在裝載機(jī)上的應(yīng)用*

錢久年

(上海鐵路局淮南貨運(yùn)中心,安徽 淮南232001)

摘要：參照部分裝載機(jī)變速器操縱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)相關(guān)知識(shí)，基于Pro/E環(huán)境下設(shè)計(jì)的雙桿柔性遠(yuǎn)距離換擋操作機(jī)構(gòu)，模型形象直觀，結(jié)果提取方便，可直接轉(zhuǎn)換成工程圖，設(shè)計(jì)效果良好。

關(guān)鍵詞：變速器；Pro/E；柔性操縱機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：*2014-01-13

作者簡(jiǎn)介：錢久年(1977-),男, 安徽蚌埠人, 工程師,主要從事鐵路裝卸機(jī)械管理方面的工作。

Application of Flexible Control Mechanism of Transmission in Loader Based on Pro/E

QIAN Jiu-nian

(HuainanCargoTransportationCenter,ShanghaiRailwayAdministration,HuainanAnhui232001,China)

Abstract:Referring to the structural parameters of loader transmission operating mechanism, and combining with the ergonomics knowledge, the double pole flexible remote shift operating mechanism is designed based on the Pro/E in this paper. The model is visual and intuitive, and the result is easily to be extracted and can be directly converted into the engineering drawing, thus the design method is effective.

Key words: transmission; Pro/E; flexible control mechanism; design

0引言

作為裝載機(jī)變速器控制機(jī)構(gòu)的操縱機(jī)構(gòu)，由駕駛者直接操縱，完成高速檔與低速檔的選擇和實(shí)現(xiàn)換擋或退到空擋的功能[1]，在設(shè)計(jì)中只是一個(gè)相對(duì)較小的裝置，但是它對(duì)裝載機(jī)正常行駛有著十分重要的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)不但要考慮到結(jié)構(gòu)功能安全性方面要求，還需要考慮到舒適性方面要求，因此其在變速器的設(shè)計(jì)中占有重要的地位。作為變速器換檔操縱機(jī)構(gòu)的控制裝置，關(guān)系到裝載機(jī)能否正常行駛。設(shè)計(jì)一套合理、工作可靠的換檔操縱機(jī)構(gòu)是裝載機(jī)行駛不可缺少的一部分。近些年來(lái)，裝載機(jī)變速器操縱機(jī)構(gòu)有向著自動(dòng)化操縱方向發(fā)展的趨勢(shì)。

1組成與原理

在某些裝載機(jī)上駕駛者座椅位置距變速器總成較遠(yuǎn)，有時(shí)駕駛室也需要翻轉(zhuǎn)，根據(jù)總布置要求，必須選用遠(yuǎn)距離操縱方案。裝載機(jī)變速器遠(yuǎn)距離操縱機(jī)構(gòu)包括外部操縱機(jī)構(gòu)和內(nèi)部操縱機(jī)構(gòu)兩部分。如圖1所示。外部操縱機(jī)構(gòu)用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變速器的遠(yuǎn)距離操縱，包括從變速桿到選、換檔軸之間的所有傳動(dòng)件；內(nèi)部操縱機(jī)構(gòu)保證擋位安全選擇及鎖定，包括選檔換檔軸、撥叉、撥叉軸、自鎖裝置、互鎖裝置和倒檔鎖等。柔性操縱機(jī)構(gòu)與一般的連桿機(jī)構(gòu)相比，具有零部件少、布置清晰；體積小、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、重量輕；操縱靈活，易于調(diào)整；工作效率高，噪聲較低，較經(jīng)濟(jì)等許多優(yōu)勢(shì)[2-3]，因而獲得到裝載機(jī)制造廠和設(shè)計(jì)人員的青睞。在進(jìn)行操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于要保證操縱機(jī)構(gòu)的正常工作或要能適應(yīng)駕駛室翻轉(zhuǎn)，在換檔過(guò)程中因駕駛員和換檔操縱機(jī)構(gòu)直接接觸，所以設(shè)計(jì)的換檔機(jī)構(gòu)必須考慮人機(jī)工程學(xué)的因素。

圖1　遠(yuǎn)距離操縱手動(dòng)換擋變速器的工作原理圖

2設(shè)計(jì)方法

本次設(shè)計(jì)基于Pro/E提供了一個(gè)基于過(guò)程的虛擬產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)境，采用自頂向下(Top-down)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用Pro/E軟件工具構(gòu)建一個(gè)完善的Top-down設(shè)計(jì)環(huán)境，確定設(shè)計(jì)思想并進(jìn)行總體布局，通過(guò)建立骨架來(lái)確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、安裝位置、空間位置，設(shè)計(jì)骨架模型并發(fā)布出版幾何，然后進(jìn)行外部復(fù)制幾何，確定位置關(guān)系等，再進(jìn)行各零部件設(shè)計(jì)[4]。目前，隨著裝載機(jī)CAD技術(shù)的發(fā)展，實(shí)際設(shè)計(jì)中多采用二維設(shè)計(jì)與三維設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法進(jìn)行裝載機(jī)的總體設(shè)計(jì)和各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[5]。根據(jù)變速器操縱機(jī)構(gòu)特點(diǎn)確定設(shè)計(jì)特征順序，構(gòu)建骨架模型，并簡(jiǎn)化特征類型，確定特征之間父/子關(guān)系，根據(jù)實(shí)際情況在設(shè)計(jì)中，參照選取原則依據(jù)“能選面不選線，能選線不選點(diǎn)”的進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3模型建立

確定設(shè)計(jì)方案為雙桿遠(yuǎn)距離柔性操縱機(jī)構(gòu)(5擋位變速器)，使用鎖銷式同步器換檔；操縱機(jī)構(gòu)中設(shè)有安全裝置(自鎖裝置、互鎖和倒檔鎖)，選用鎖球式互鎖裝置，倒檔鎖采用彈簧鎖銷式。圖2為設(shè)計(jì)完成的變速器雙桿遠(yuǎn)距離柔性操縱機(jī)構(gòu)。

圖2　變速器雙桿遠(yuǎn)距離柔性操縱機(jī)構(gòu) 1.操縱桿　2.選檔軟軸　3.換檔軟軸　4.撥叉　5.軟軸套

雙桿遠(yuǎn)距離柔性操縱機(jī)構(gòu)是利用一種推拉式軟軸代替剛性拉桿進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱，此軟軸由芯軸和護(hù)套組成，其芯軸由增加了斜繞鋼帶的多根鋼絲組成，外護(hù)套由多根細(xì)鋼絲斜繞而成，與此同時(shí)增加有內(nèi)護(hù)管。也有的把斜繞鋼帶增加在外護(hù)套中以提高軟軸承載能力，但這種結(jié)構(gòu)會(huì)在一定程度上影響軟軸彎曲性能。此柔性機(jī)構(gòu)的操縱桿及支座總成一般布置在駕駛室地板上，其功能和雙桿剛性機(jī)構(gòu)中的操縱桿及支座總成類似，區(qū)別在于增加了軟軸支撐的設(shè)計(jì)，在其后部通過(guò)軟軸支架與變速器總成的選檔臂和換檔臂相連，來(lái)實(shí)現(xiàn)其操縱功能。

根據(jù)人機(jī)工程學(xué)要求提供的我國(guó)成年人人體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，參照GB10000—88是1989年開始實(shí)施的我國(guó)成人人體尺寸國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在布置操縱機(jī)構(gòu)時(shí)必須考慮駕駛員變換姿勢(shì)情況，適應(yīng)操作人員的正常人體結(jié)構(gòu)尺寸和生理要求[6]。這些人體數(shù)據(jù)為操縱機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)依據(jù)，本次操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，依據(jù)人體尺寸數(shù)據(jù)，考慮操作人員的操作安全性和舒適性，參照目前國(guó)產(chǎn)某型貨車操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中有的數(shù)值根據(jù)實(shí)物測(cè)量比較并進(jìn)行修正獲得。圖3、圖4為根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，考慮人體尺寸而設(shè)計(jì)的變速器的自鎖及互鎖裝置和鎖銷式倒擋鎖裝置，圖3(a)為原理圖，圖3(b)為設(shè)計(jì)的模型。

根據(jù)人機(jī)工程學(xué)要求，參考已成型操縱機(jī)構(gòu)，此次設(shè)計(jì)的前進(jìn)檔的行程是13 mm ,變速器操縱機(jī)構(gòu)力的傳動(dòng)比為7，操縱桿直徑為13 mm，操縱桿中間軸直徑為9 mm，進(jìn)行剛度和穩(wěn)定性校核，均符合要求。在操縱過(guò)程中，不考慮變形, 手柄前進(jìn)或后退時(shí)掛檔的運(yùn)動(dòng)行程均設(shè)置為91 mm；靜態(tài)換檔力為465 N，在不考慮摩擦、防塵套變形的情況，手柄操縱力設(shè)計(jì)為66 N；選取設(shè)計(jì)的操縱桿長(zhǎng)度為360 mm；操縱桿前后運(yùn)動(dòng)范圍的角度設(shè)置為20°；左右運(yùn)動(dòng)范圍的角度設(shè)置為15°。在此次設(shè)計(jì)中選取的換檔搖臂長(zhǎng)度80 mm；換檔力矩15 N·m；選檔搖臂長(zhǎng)度設(shè)置為80 mm ；換檔力矩25 N·m；換檔搖臂前、后運(yùn)動(dòng)最大角度設(shè)置為25°；選檔搖臂向前運(yùn)動(dòng)最大角度設(shè)置為20°，向后運(yùn)動(dòng)最大角度設(shè)置為15°。圖5、6為設(shè)計(jì)的操縱桿模型。

圖3　變速器的自鎖及互鎖裝置 l.定位鋼球　2.定位彈簧　3.撥叉軸　4.互鎖頂銷　5.互鎖鋼球(或互鎖銷)　6.變速器蓋

圖4　鎖銷式倒檔鎖裝置 l.變速桿　2.倒檔撥塊　3.倒檔鎖彈簧 4.倒檔鎖銷　5.鎖銷鎖片

圖5　操縱桿模型　　　　　圖6　操縱桿

根據(jù)總布置要求和變速器操縱機(jī)構(gòu)已確定的位置關(guān)系，進(jìn)行各個(gè)零件設(shè)計(jì)，圖6～17為設(shè)計(jì)的各零部件模型。

圖7　1檔、倒檔撥叉　　　　　圖8　2、3、4、5檔撥叉

圖9　2、3檔撥叉軸　　　　圖10　1、倒檔撥叉軸

圖11　2、3、4、5檔撥塊　　　　　圖12　倒檔鎖撥塊

圖13　倒檔鎖彈簧　　　　圖14　倒檔鎖銷

圖15　倒檔鎖銷鎖片　　　　圖16　選檔軟軸

圖17　換檔軟軸

4優(yōu)化分析

變速器柔性操縱機(jī)構(gòu)建模完成后，進(jìn)入Pro/E中運(yùn)動(dòng)仿真模塊，根據(jù)已知參數(shù)定義驅(qū)動(dòng)器和仿真運(yùn)動(dòng)參數(shù)[7]，建立工作裝置運(yùn)動(dòng)模型，檢測(cè)操縱機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉工作情況，在Mechanism中定義各擋位的參數(shù)，這樣能夠直接觀察到操縱機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，檢查運(yùn)動(dòng)件之間的干涉情況，利用Pro/E行為建模里的靈敏度分析可對(duì)得到各個(gè)尺寸進(jìn)行優(yōu)化結(jié)果分析、計(jì)算，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)系統(tǒng)在提示“此部件優(yōu)化成功”后，點(diǎn)擊“確定”，最終可以確定出變速器柔性操縱機(jī)構(gòu)的最終尺寸。

5結(jié)語(yǔ)

基于Pro/E的變速器遠(yuǎn)距離柔性操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)Pro/E建模并進(jìn)行優(yōu)化分析，能快速得到優(yōu)化后的變速器操縱機(jī)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)出符合要求的變速器操縱機(jī)構(gòu)，此法簡(jiǎn)便、快速，設(shè)計(jì)的模型形象直觀，結(jié)果提取方便，且能直接轉(zhuǎn)換成工程圖，采用Top-down方法設(shè)計(jì)的模型符合現(xiàn)代裝載機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

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