基于Pro Engineer的變速箱結構改造三維仿真測試及速度分析

[摘 要] 利用Pro/Engineer軟件對改進變速箱的虛擬裝配進行運動仿真，Pro/Engineer軟件是一款集CAD、CAM、CAE于一體的三維造型軟件，具有強大的建模功能，通過該軟件可得出位移、速度曲線，與原有的第一代變速箱的擋位和速度進行比較。

[關鍵詞] Pro/Engineer;運動仿真;速度分析

機構運行過程中各種運動學及動力學參數運算方法非常復雜，采用手工計算或計算機編程的方法，計算量都相當的大，工作效率很低。進行Pro/Engineer運動仿真可以將工程師從復雜的理論計算中解放出來，投入到優化設計及結構設計中，具有重要的意義。運動仿真能夠模擬真實環境中模型的工作狀況，從而可對其進行分析和判斷，檢驗機構可能存在的機械干涉，盡早發現設計中的缺陷和潛在產品中的質量問題。因此可以提前對模型進行完善，以避免設計后期對模型反復的修改，進而縮短產品的設計周期，并降低生產成本。通過Pro/Engineer三維運動仿真分析，可以得到準確的理論數據和運動曲線，更好地完成產品的前期設計和后期檢測。

一、變速箱的速度分析

改造前的第一代變速箱只有一擋、二擋、三擋和倒擋四個擋位，速度變化有限，傳動比選擇范圍小。采用高低擋式改進的第二代變速箱加入了高低擋，配合普通的一擋、二擋、三擋和倒擋四個擋位，速度變化變大，符合現實生活中農耕速度要求。其三維造型裝配圖如下圖所示。利用Pro/Engineer軟件強大的造型與仿真功能，再次分別分析各個擋位的速度參數，用以與第一代變速箱的參數進行比較。

（一）空擋傳動裝配圖及速度分析

空擋時，軸1、軸2和軸3的滑移齒輪都處在空轉位置，運動傳動只在軸1和軸2之間，即變速箱只輸出后接機構的動力，而拖拉機不會發生移動，變速箱實現了空擋控制。

（二）倒擋傳動裝配圖及速度分析

軸2和軸3的滑移齒輪保持在空轉位置，軸1的滑移齒輪與軸3固定的40個齒的大齒輪嚙合，且軸3固定的40個齒的大齒輪與軸4雙聯滑移齒輪的18個齒的小齒輪嚙合時，變速箱實現倒擋控制。利用Pro/Engineer對三維實體造型進行運動仿真測試可得倒擋——高速擋的速度曲線，分析得當輸入軸（軸1）轉速為1000r/min時，軸2的轉速為-525r/min，負號表示轉向相反，軸7（車輪軸）的轉速為-61.3636r/min，表明軸1與軸7轉向相反，實現了倒擋控制。且由轉速可驗證倒擋——高速擋的傳動比為16.296，符合齒輪齒數的傳動比計算結果，同時也滿足設計要求。

與倒擋——高速擋原理基本相同，其余齒輪嚙合位置不變，只需利用撥叉將軸4雙聯滑移齒輪改變位置，使得軸3固定的18個齒的齒輪與軸4雙聯滑移齒輪的40個齒的齒輪嚙合，使變速箱實現倒擋——低速擋控制。利用Pro/Engineer對三維實體造型進行運動仿真測試即可得倒擋——低速擋的速度曲線，分析得當輸入軸（軸1）轉速為1000r/min時，軸2的轉速為-525r/min，負號表示轉向相反，軸7（車輪軸）的轉速為-12.4216r/min，表明軸1與軸7轉向相反，實現了倒擋控制。且由轉速可驗證倒擋——低速擋的傳動比為80.505，符合齒輪齒數的傳動比計算結果，同時也滿足設計要求。

（三）一擋傳動裝配圖及速度分析

軸1和軸3的滑移齒輪保持在空轉位置，軸2的滑移齒輪（19個齒）與軸3固定的40個齒的大齒輪嚙合，且軸3固定的40個齒的大齒輪與軸4雙聯滑移齒輪的18個齒的小齒輪嚙合時，變速箱實現一擋——高速擋控制。利用Pro/Engineer對三維實體造型進行運動仿真測試可得一擋——高速擋的速度曲線，分析得當輸入軸（軸1）轉速為1000r/min時，軸2的轉速為-525r/min，負號表示轉向相反，軸7（車輪軸）的轉速為29.1477r/min，表明軸1與軸7轉向相同，實現了一擋控制。且由轉速可驗證一擋——高速擋的傳動比為34.308，符合齒輪齒數的傳動比計算結果，同時也滿足設計要求。

與一擋——高速擋原理基本相同，其余齒輪嚙合位置不變，只需利用撥叉將軸4雙聯滑移齒輪改變位置，使得軸3固定的18個齒的齒輪與軸4雙聯滑移齒輪的40個齒的齒輪嚙合，使變速箱實現一擋——低速擋控制。利用Pro/Engineer對三維實體造型進行運動仿真測試可得一擋——低速擋的速度曲線，分析得當輸入軸（軸1）轉速為1000r/min時，軸2的轉速為-525r/min，負號表示轉向相反，軸7（車輪軸）的轉速為29.1477r/min，表明軸1與軸7轉向相同，實現了一擋控制。且由轉速可驗證一擋——低速擋的傳動比為34.308，符合齒輪齒數的傳動比計算結果，同時也滿足設計要求。

二擋和三擋傳動裝配圖及速度分析與本文前述過程類似，此處不再贅述。

通過3D虛擬模擬，可以清晰看到各個擋位動力傳遞的路線;通過仿真測試，可以驗證手工理論計算的正確性，并與第一代變速箱進行參數對比，得出改進結論。

二、兩代變速箱的速度比較

通過下表可以清晰地看出兩代變速箱的差異，第一代設計的變速箱雖然也有3個前進擋和1個倒擋，但無高低擋之分，這就使速度變化范圍小，可選擇的速度受到限制。而改進后的變速箱體積基本沒有變化，但在3個前進擋和1個倒擋的基礎上，加入了高低擋，使擋位一下變成了八個擋，速度變化范圍大，使變速箱的傳動價值充分體現出來。

三、結論

微型履帶式山地車變速箱的優化改進設計中，Pro/Engineer具有不可替代的作用，對齒輪、軸、軸承、箱體等零件的三維實體造型，以及裝配時每個零件的空間位置分布，可以及時地檢查齒輪與軸空間上的干涉，參數化設計提高了工作效率，縮短變速箱的設計周期，可視化零件的三維實體造型。且在后期的運動仿真中能得到速度圖像，為后續的一系列運動分析奠定了基礎。

參考文獻：

[1]詹友剛.Pro/EngineerNGINEER中文野火版4.0高級應用教程[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]趙俊飛，師帥兵.基于Pro/Engineer和ADAMS的拖拉機變速箱設計[J].拖拉機與農用運輸車，2013（4）：48-50.

[作者簡介]

王瓊，生于1981年，女，甘肅天水人，工程碩士，甘肅機電職業技術學院副教授，主要研究方向為機械產品設計。

[作者單位]

甘肅機電職業技術學院

（編輯：趙文靜）