全路面起重機傳動系統的匹配性能改進

劉利寶，張 洪，蔡言龍，郭增彩

LIU Li-bao, ZHANG Hong, CAI Yan-long, GUO Zeng-cai

（太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024）

全路面起重機的傳動系統采用多軸驅動，在實際行駛過程中，由于功率損失及傳動振動的影響，都存在動力匹配不良的現象。原因主要有：①現場測試手段和計算工具的落后，難以對多種方案進行計算比較；②對于車輛性能的評價多數是憑借主觀判斷得出。傳動中出現的多軸匹配不良的現象經常出現，會導致某個輪胎較早的磨損破壞，進而連帶其它輪胎較早受到破壞，從而影響了整車的行駛性能。為減少這種不良現象，本文以某六軸全路面起重機的傳動系統為研究對象，通過仿真分析對傳動系統提出改進，具有一定的實用價值。

1 全路面起重機傳動系統

1.1 整車傳動路線

全路面起重機傳動系統總體傳動路線如圖1所示。該型全路面起重機采用的是3軸驅動的方式，整個系統的動力由發動機提供，經變速器變速后傳給分動器輸入軸，再由分動器輸入軸經中間軸分別傳給分動器的前、中、后輸出軸，進而經過傳動軸分別傳給前、中、后驅動橋，最后傳給各自的驅動輪胎驅動車輛前行。

1.2 分動器

圖1 傳動系統總體傳動路線

為滿足傳動系統的3軸驅動，該分動器采用的是“一進三出”的形式，由輸入軸經中間軸分別傳遞給前、中、后3個輸出軸，其具體結構如圖2所示。

圖2 分動器組合

1.3 差速器

差速器包括輪間差速器和軸間差速器兩部分，輪間差速器用于車輛轉彎時驅動輪兩側車輪的不等速旋轉以減輕輪胎磨損；軸間差速器使得各驅動橋能以不同角速度旋轉，以降低各驅動橋上驅動輪的滑轉磨損，該差速器具體結構如圖3所示。

圖3 差速器

2 動力學設置與分析

2.1 動力學設置

將建立的三維全路面起重機模型導入ADAMS中生成多體動力學模型。然后對幾何模型施加各種約束，從而形成表達系統動力學特性的模型如圖4所示，其中第二、五、六橋為驅動橋。

圖4 多體動力學模型

該模型采用的是分動器撥叉置于左位，即左結合齒輪嚙合，右結合齒輪空轉，因而分動器的一級傳動比iPD1＝Z2/Z1＝38/45＝0.844；分動器二級、三級傳動比為iPD2＝iPD3＝Z4/Z3＝Z5/Z3＝38/32＝1.1875，這樣前、中、后驅動橋主動錐齒輪輸入轉速理論相等。其中，前中后驅動橋的主減速器傳動比為iq前＝3.2，iq中＝3.43，iq后＝3.25。設車輛行駛方向為x軸正向，垂直向上為z軸正向，重力垂直z軸向下，采用右手坐標系。考慮到該工程車輛行駛環境，設置車速v＝40km/h。由此求得車輪的輸出角速度ω2為

式中D為車輪直徑，D＝1180mm。

由分動器一、二級及中驅動橋主減速器傳動比可得分動器輸入軸的轉速ω1為

由此設定分動器輸入軸的轉速ω1=4000°/s。由分動器一級、二級、三級傳動比及前、中、后驅動橋主減速器的傳動比得到前、中、后驅動橋輸出軸的計算角速度ω前、ω中、ω后分別為

2.2 輸出結果及分析

設置仿真時間為5s，仿真步數為50，得到分動器前、中、后輸出軸的角速度曲線如圖5所示。

圖5 前、中、后驅動橋輸出軸角速度

由圖5可知，前、中、后驅動橋輸出軸角速度均值分別穩定在 1273.19°/s、1164.06°/s、1201.37°/s，且起初有較大的波動，這也是由于該車輛起步時地面與輪胎瞬時摩擦沖擊加速度及傳動軸的沖擊振動所致，隨著車速提高至勻速行駛而使各驅動橋輸出軸角速度在均值附近以很小幅度波動，這是由于路面條件及車輛本身機構配置及安裝誤差所致，比較符合實際車輛運行工況。

對計算結果和仿真結果進行對比，如表1所示，前、中、后驅動橋輸出軸角速度的仿真值與計算值的誤差分別為2.08%、0.043%、2.17%，這對于大型全路面起重機來說，誤差在允許范圍內。

表1 計算與仿真結果對比

2.3 性能改進

由圖5可以看出，3個驅動橋輸出軸角速度并不相同，當全路面起重機長時間行駛時，會因為3個驅動輪轉速不同步，給驅動輪胎造成嚴重磨損，降低輪胎使用壽命，由此也會造成相當一部分功率損失。

由于軸間差速器具有平衡軸間功率損失的功能，下面分別對分動器與前驅動橋之間的傳動軸上加裝前軸間差速器；對分動器與中驅動橋之間的傳動軸上加裝中軸間差速器。在仿真條件及設置不變的情況下，分別對加裝前、中軸間差速器后的整車仿真，得到前、中、后驅動橋輸出軸角速度分別如圖6和圖7所示。

圖6 加裝前軸間差速器后前、中、后驅動橋輸出軸角速度

圖7 加裝中軸間差速器后前、中、后驅動橋輸出軸角速度

加裝軸間差速器后3個驅動橋輸出軸間的轉速差如表2所示。

表2 驅動橋轉速性能

由圖6和圖7，結合表2可以看出，加裝軸間差速器后，3個驅動橋輸出軸之間的轉速差明顯減小，而且加裝前軸間差速器后，減小轉差效果更明顯，由此可知在盡量不損失動力的前提下，優先采用加裝前軸間差速器，能更好地減輕輪胎磨損，降低功率損失。

3 結 論

本文在對全路面起重機進行簡化的基礎上，經檢驗該整車仿真輸出數據與理論計算值基本相符，驗證了模型的正確性。在對整車加裝軸間差速器后，降低了驅動橋輸出軸間轉速差，從而降低輪胎的磨損，提高其使用壽命，尤其加裝前軸間差速器后效果更加明顯。這對改善發動機與傳動系統之間的匹配特性，提高整車性能的深入研究提供了方法與指導。 O

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