基于可靠性機(jī)械傳動(dòng)鉸接車分動(dòng)箱設(shè)計(jì)分析

張鑒隆，葉立清，黃曉明，鄺 蕓

（廣東嶺南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510663）

1 引言

國內(nèi)現(xiàn)有的鉸接車大部分采用采埃孚、艾利遜等國外品牌的變速器或分動(dòng)箱產(chǎn)品，其技術(shù)成熟且性能可靠的優(yōu)勢(shì)不容置疑，但高昂的成本卻直接限制了鉸接車在國內(nèi)市場(chǎng)的普及與應(yīng)用[1]，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)與研究儲(chǔ)備不足，因此，開發(fā)一款可靠性高、性能全面且成本上具備優(yōu)勢(shì)的分動(dòng)箱設(shè)計(jì)方案不但能夠填補(bǔ)國內(nèi)空白，積累初期的設(shè)計(jì)研發(fā)技術(shù)資料，而且有利于做大國內(nèi)鉸接車市場(chǎng)，擁有較強(qiáng)的實(shí)用意義與廣闊的發(fā)展前景。

針對(duì)分動(dòng)箱可靠性設(shè)計(jì)，國內(nèi)外學(xué)者取得了一定的成果：文獻(xiàn)[2]基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法中的安全系數(shù)和結(jié)構(gòu)破壞概率之間的內(nèi)在關(guān)系建立的理想數(shù)學(xué)模型，即應(yīng)力—強(qiáng)度干涉模型，對(duì)分動(dòng)箱可靠性分析模型初步建立；文獻(xiàn)[3]通過對(duì)分動(dòng)箱傳動(dòng)系統(tǒng)零部件多種潛在失效模式及其對(duì)系統(tǒng)功能的影響，以及后果的嚴(yán)重程度進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[4]基于公理化設(shè)計(jì)，分析分動(dòng)箱性能需求與各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)間之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[5]對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)模塊組件進(jìn)行分解，功能需求與質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行劃分，分析可靠性與相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系。

針對(duì)鉸接車運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種具有高低檔位變換、前后輸出端差速及鎖止功能的機(jī)械傳動(dòng)鉸接式自卸車的分動(dòng)箱。以可靠性為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合整車性能需求，通過對(duì)分動(dòng)箱結(jié)構(gòu)解析、行星齒輪傳動(dòng)的參數(shù)化和離合器尺寸設(shè)計(jì)，以及分動(dòng)箱系統(tǒng)可靠性建模仿真，創(chuàng)新設(shè)計(jì)行星齒輪系與鎖止離合器相結(jié)合的變速結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)分動(dòng)箱高低檔位的切換，遵循結(jié)構(gòu)同一性原則，差速鎖止功能同樣由離合器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。采用Romax對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性壽命分析，以驗(yàn)證整體方案的運(yùn)行工作特性。

2 分動(dòng)箱傳動(dòng)方案及設(shè)計(jì)

2.1 分動(dòng)箱傳動(dòng)方案

所研究分動(dòng)箱優(yōu)化設(shè)計(jì)前后結(jié)構(gòu)原理，如圖1所示。原設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)輸入轉(zhuǎn)矩的增大與分配、前后輸出端差速等功能，能夠滿足基本的運(yùn)行需求，但簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也決定其不能實(shí)現(xiàn)更多實(shí)際中迫切需要的性能[6]，如圖1（a）所示。優(yōu)化后分動(dòng)箱傳動(dòng)原理圖，如圖 1（b）所示。

2.2 分動(dòng)箱傳動(dòng)比確定

整車性能曲線使用Matlab軟件繪制，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩函數(shù)可通過對(duì)數(shù)據(jù)特征點(diǎn)進(jìn)行五次擬合得到。參照市場(chǎng)中同級(jí)別鉸接車產(chǎn)品的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性[7]，按比例計(jì)算可得分動(dòng)箱低檔位與高檔位傳動(dòng)比之比數(shù)值約為1.4左右，分別試取傳動(dòng)比為1.2、1.3、1.4、1.5、1.6五組數(shù)值繪制整車牽引力特性曲線，選擇最佳低速檔取值或其范圍。分動(dòng)箱低速檔位不同傳動(dòng)比設(shè)置下的整車牽引力特性曲線，如圖2（a）、圖2（d）所示。其中兩條藍(lán)色豎線為對(duì)應(yīng)整車空載與滿載質(zhì)量的牽引力標(biāo)定線，紅色橫線為對(duì)應(yīng)整車爬坡度的阻力標(biāo)定線，藍(lán)色斜線為不同爬坡度下的阻力基準(zhǔn)線，配合藍(lán)色豎線查閱?？梢钥闯鰝鲃?dòng)比選擇越小整車爬坡能力越弱且最高車速越高，傳動(dòng)比選擇越大整車爬坡能力越強(qiáng)且最高車速越低。

圖2 分動(dòng)箱低速檔位不同傳動(dòng)比設(shè)置整車牽引力特性曲線Fig.2 Different Transmission Ratio Set Vehicle Traction Characteristics Curve

對(duì)比牽引力特性曲線，主要參考點(diǎn)為25%坡度爬坡速度、最大爬坡度估計(jì)值以及后備功率估計(jì)值。要求整車最高車速至少能達(dá)到38km/h性能要求[8]。如圖可知（1.3～1.5）傳動(dòng)比范圍的曲線較為符合整車性能要求，同時(shí)通過Matlab進(jìn)一步計(jì)算可以得到符合要求的分動(dòng)箱低檔位傳動(dòng)比選擇范圍約為（1.33～1.47），因此下一步設(shè)計(jì)應(yīng)為選擇合理的傳動(dòng)布置方案以將分動(dòng)箱低檔位傳動(dòng)比控制在此范圍內(nèi)。

2.3 分動(dòng)箱關(guān)鍵系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)

在新方案原理圖基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)分動(dòng)箱總體裝配圖，如圖3所示。

圖3 分動(dòng)箱新方案?jìng)鲃?dòng)裝配Fig.3 Schematic Diagram of the New Assembly Drive Assembly

2.3.1 行星齒輪系

分動(dòng)箱變速行星齒輪系各齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)列表，如表1所示。依據(jù)表中數(shù)據(jù)對(duì)各齒輪進(jìn)行接觸與彎曲強(qiáng)度校核。

表1 分動(dòng)箱變速行星齒輪系齒輪參數(shù)Tab.1 Gearbox Gears for Variable Speed Planetary Gears

2.3.2 離合器

分動(dòng)箱設(shè)計(jì)的離合器結(jié)構(gòu)選用摩擦盤式離合器，靜摩擦力矩 Tc為

摩擦盤構(gòu)造一般為環(huán)形，對(duì)摩擦面作用半徑進(jìn)行微積分計(jì)算可得摩擦片的平均摩擦半徑為

當(dāng)摩擦盤內(nèi)徑與外徑比值d/D≥0.6時(shí)，摩擦片摩擦半徑為：

而摩擦面承受的單位壓力為：

將式（4）與式（3）代入式（2）得：

式中：c—摩擦片內(nèi)、外徑之比=d/D。

設(shè)計(jì)時(shí)Tc應(yīng)大于輸入端的最大轉(zhuǎn)矩，即：

離合器結(jié)構(gòu)形式和摩擦片材料確定[10]，輸入轉(zhuǎn)矩T輸入已知的前提下，結(jié)合式（5）和式（6），適當(dāng)選取后備系數(shù)β和單位壓力p0，可計(jì)算摩擦片外徑估算值：

本分動(dòng)箱離合器采用濕式摩擦盤式離合器，此結(jié)構(gòu)離合器具有磨擦因數(shù)小、磨擦片數(shù)多、單位壓力大、散熱性能好的特點(diǎn)，具有較為穩(wěn)定的工作性能與可靠性。

3 分動(dòng)箱建模分析

使用Romax對(duì)分動(dòng)箱傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模能夠完成對(duì)整體傳動(dòng)系的動(dòng)力系統(tǒng)仿真。

3.1 分動(dòng)箱齒輪可靠性設(shè)計(jì)

首先研究差速行星齒輪系的行星齒輪受力情況，差速行星齒輪的各檔位接觸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及相應(yīng)的安全系數(shù)，如圖4（a）～圖4（c）所示。在變速箱第1檔位分動(dòng)箱受力最大。

圖4 分動(dòng)箱傳動(dòng)系差速行星齒輪全壽命仿真Fig.4 Life Cycle Simulation of Differential Planetary Gears

變速行星齒輪系的行星齒輪受力情況，如圖5（a）～圖5（c）所示。變速行星齒輪的各檔位接觸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及相應(yīng)的安全系數(shù)，在變速箱第1檔位時(shí)，行星齒輪承受最大載荷，但其受力狀態(tài)好于差速行星齒輪，由于其受力狀態(tài)同差速行星齒輪類似，總體看來變速行星齒輪受力狀態(tài)優(yōu)于差速行星齒輪。

圖5 分動(dòng)箱傳動(dòng)系變速行星齒輪全壽命仿真Fig.5 Full Life Simulation of Variable Speed Planetary Gears

3.2 分動(dòng)箱軸承可靠性設(shè)計(jì)

對(duì)分動(dòng)箱傳動(dòng)系統(tǒng)Romax模型進(jìn)行全壽命仿真，變速行星齒輪軸承各檔位損傷比，如圖6所示。

圖6 變速行星齒輪軸承各檔位損傷比Fig.6 Shift Gear Bearing the Gear Damage Ratio

由數(shù)據(jù)可以看出第1檔位對(duì)軸承造成的損傷貢獻(xiàn)了整個(gè)損傷比的60%，因此可知變速行星齒輪軸承的損傷主要由于低檔位大扭矩。

4 結(jié)論

機(jī)械傳動(dòng)鉸接車因其運(yùn)行環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜多變的特點(diǎn)，傳動(dòng)系設(shè)計(jì)需考慮載荷重、沖擊大等特性，因此對(duì)分動(dòng)箱傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)意義重大。結(jié)合鉸接車實(shí)際運(yùn)行工況，確定載荷分布規(guī)律，針對(duì)整車性能需求對(duì)分動(dòng)箱改進(jìn)前方案進(jìn)行合理改進(jìn)，完成分動(dòng)箱新方案的整體可靠性設(shè)計(jì)，結(jié)果可知：（1）創(chuàng)新使用傳統(tǒng)的安全系數(shù)法與可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)合的設(shè)計(jì)方法對(duì)分動(dòng)箱變速與差速行星齒輪系、離合器等關(guān)鍵零部件進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，在保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的前提下，盡量減小分動(dòng)箱整體尺寸、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)，提高其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)；（2）對(duì)分動(dòng)箱傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行Romax虛擬樣機(jī)模型的建立，通過工況運(yùn)行驗(yàn)證了模型的正確性，并對(duì)齒輪與軸承進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了齒輪參數(shù)與軸承型號(hào)的選擇滿足設(shè)計(jì)要求。