基于MASTA的驅動橋傳動系統集成設計與分析

張青峰，詹東安

（江蘇匯智高端工程機械創新中心有限公司，江蘇 徐州 221004）

0 引言

挖掘裝載機是一種前端為裝載裝置，后端為挖掘裝置的多功能小型工程機械，俗稱“兩頭忙”，其兼顧挖掘機和裝載機的特性，可配多種工具裝置及輔具，進行挖掘、鏟裝、路面破碎、平整場地、開挖溝渠、架設管道等多種作業。以前挖掘裝載機的車橋多為進口，驅動橋的采購成本高，周期長，嚴重影響主機產品的技術升級。為了解決傳動核心零部件的“卡脖子”問題，自主開發挖掘裝載機驅動橋具有重大的現實意義。

以挖掘裝載機后驅動橋為研究對象，基于MASTA軟件對驅動橋齒輪、軸承、殼體進行設計校核[1]。為使驅動橋傳動系統更符合其在主機中的使用工況，在導入柔性殼體[2-3]的基礎上又施加垂向載荷，分析其對傳動系統的影響。

1 驅動橋傳動系統建模

MASTA作為專業的傳動系統分析軟件能夠進行齒輪的設計、制造、分析，軸承的選配等諸多功能并能進行系統變形下的強度校核計算。主要基于MASTA軟件對驅動橋傳動系統做計算分析。

根據齒輪參數（表1、表2）在MASTA建立詳細模型（圖1、圖2）。為了確定驅動橋輸入邊界條件，用整機測試的方法采集了挖掘裝載機在多種施工工況下驅動橋的載荷譜，并對采集數據進行進一步的處理形成驅動橋的設計載荷譜。此載荷譜作為驅動橋設計的依據，分析計算傳動系統的疲勞性能，載荷譜詳細信息見表3。針對齒輪、軸承等關重件的靜強度分析通過加載驅動橋的最大輸入扭矩1 200 N·m進行校核。齒輪設計邊界條件見表4。

圖1 驅動橋傳動系統二維MASTA模型

圖2 驅動橋傳動系統三維MASTA模型

表1 螺旋錐齒輪參數表

表2 輪邊直齒輪參數表

表3 整車采集編制的驅動橋載荷譜

表4 驅動橋設計邊界條件

在MASTA模型中輪胎中心位置增加Point load載荷模擬整車輪邊的支反力，施力點的位置做了相應簡化處理。

2 ANSYS Workbench建立導入有限元模型

運用三維建模軟件將分段式橋殼組裝成橋殼總成。通過Workbench軟件進行模型處理、材料屬性編輯、殼體邊界約束的定義、凝聚節點創建以及有限元網格劃分等工作，最后生成包含驅動橋殼體節點位置信息的.cdb文件。橋殼有限元模型（圖3），輪邊有限元模型（圖4）。

圖3 橋殼有限元模型

圖4 輪邊有限元模型

在Workbench中各軸承孔位置建立節點（Remote Point），用于導入MASTA軟件后與MASTA模型中的對應部件相連。

在Workbench中還需要設置橋殼的約束條件，根據橋的安裝形式，橋殼與車架連接位置增加固定約束，固定約束位置如圖5。

圖5 橋殼固定約束

3 MASTA導入橋殼柔性體模型

將Workbench中計算好的.cdb文件導入到MASTA中，把柔性殼體中建立的節點與MASTA模型中對應部件相連，形成圖6帶結構柔性系統變形分析模型。運行MASTA軟件生成質量、剛度矩陣。

圖6 MASTA結構柔性系統變形分析模型

4 校核分析

為了考核橋殼剛度以及橋荷對驅動橋傳動系統的影響，在傳動系統校核分析時分別對三種工況模式進行分析，即：剛性連接狀態下的系統變形分析（無殼體）、導入柔性體后的系統變形分析（有殼體）、導入柔性體后增加垂向載荷的系統變形分析（殼體+2倍橋核）。系統變形分析中，重點分析了齒輪和軸承的受力及安全系數的變化情況。

4.1 極限工況分析

4.1.1 螺旋錐齒輪靜強度校核

在最大靜載荷各種工況下，所有齒輪的安全系數都大于1，滿足設計要求。從表5可以看出導入柔性殼體以及加載垂向載荷后，主、從動錐齒輪安全系數未發生明顯變化。太陽輪、行星輪、齒圈的安全系數隨殼體的導入及垂直載荷的增加逐漸減小，減小幅度小于2.08%。

表5 齒輪靜彎曲安全系數

4.1.2 軸承靜強度校核

為便于查找軸承位置對軸承編號（圖7）。

圖7 軸承編號示意圖

表6中可以看出，輪邊錐軸承5、軸承6在增加垂向載荷后安全系數大幅下降，主要由于在不加載垂向載荷的工況下，軸承5和軸承6僅起旋轉支撐作用，無徑向承載，因此在該工況下安全系數較高。增加垂向載荷后，整車橋荷主要通過軸承5和軸承6來承載，軸承的受力明顯增大，因此安全系數出現明顯降低。表7中軸承5、軸承6的徑向力的變化也驗證了這一結果。因此，在輪邊軸承的校核時必須加載垂向橋荷。

輪邊滾針在模型中位置一直都在MASTA模型的齒胚與行星軸dfghjl；234678z中間未直接接觸柔性殼體，其安全系數基本保持不變。

在最大靜強度校核工況提取了各個軸承的軸承力（表7），軸承的方向按照圖6中坐標系的方向。提取出的軸承力可以直接作為邊界條件加載到有限元模型中進行有限元分析。

4.2 載荷譜工況疲勞分析

4.2.1 齒輪受力情況分析

表8、表9展示了齒輪彎曲疲勞與接觸疲勞在三種計算工況時的計算結果，結果顯示導入柔性體后，齒輪的安全系數略有下降，但安全系數仍大于1，滿足設計要求。

表8 齒輪彎曲疲勞安全系數

表9 齒輪接觸疲勞安全系數

剛性連接狀態和導入柔性體分析對比，螺旋錐齒輪的安全系數有所降低，彎曲疲勞安全系數最大降幅1.4%，接觸疲勞系數最大降幅3.01%；增加垂向橋荷后，螺旋錐齒輪的安全系數變化很小，最大降幅為0.01%。

輪邊太陽輪、行星輪、齒圈的彎曲、疲勞安全系數在三種工況下分析結果差別較小，彎曲疲勞安全系數受殼體變形影響大于接觸疲勞系數。

4.2.2 軸承受力計算

根據表10軸承安全系數可以看出，在導入柔性殼體的分析工況中，由于殼體變形釋放了軸承的部分自由度，使得軸承受力比剛性連接時小，軸承安全系數得到了一定的提升。軸承3的提升幅度最大，提升幅度為7.29%，增加垂向載荷后又增大3.15%。

表10 軸承安全系數

軸承5、軸承6安全系數在施加垂向載荷后安全系數明顯下降。軸承6的彎曲疲勞、接觸疲勞下降幅度分別為71.46%、80.02%。因此，在軸承的疲勞校核時必須加載垂向橋荷。

5 結論

（1）分別對驅動橋傳動系統進行極限工況校核和疲勞分析，結果顯示在剛性連接狀態下，齒輪、軸承的安全系數都大于1，滿足設計要求。隨著柔性殼體的導入、垂直載荷的增加，齒輪的安全系數逐漸降低，軸承的安全系數逐漸增加，但是導入柔性體后的齒輪、軸承安全系數仍滿足設計要求，說明驅動橋殼體的剛度滿足傳動系統的支撐需求。

（2）加載垂向載荷后，輪邊錐軸承的受力明顯增大，軸承的安全系數明顯下降，但仍滿足設計需求。因此，在校核輪邊軸承時必須考慮垂向載荷。

（3）在MASTA軟件中能夠準確提取各軸承的受力情況，并以此作為邊界條件對殼體進行有限元分析及校核。

（4）計算方法考慮了柔性殼體及垂向載荷對車橋傳動系統的影響，能夠較準確的反應傳動系統的可靠性，同時也解決了殼體在有限元分析時力的邊界條件無法準確提取的問題，為驅動橋的仿真分析提供力新思路、方法。