姚 培，林國湘，周為民

(南華大學(xué)機械工程學(xué)院，湖南衡陽 421001)

1 引言

評價地下裝載機工作性能的主要指標(biāo)是:裝載工作能力、牽引性能、通過性能、制動性能、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和平穩(wěn)性［1］。差速器是一種允許車輛兩驅(qū)動輪之間有不同轉(zhuǎn)速的動力傳遞裝置。有2個主要功能:①差速功能，即當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎或行馳工作于不平路面時，允許兩輪有不同轉(zhuǎn)速;②差力功能，即當(dāng)路面附著力下降時，能充分利用路面附著力驅(qū)動車輛，不至于因一輪附著力下降而導(dǎo)致車輛喪失牽引能力。實踐證明，差速器對裝載能力、牽引性能、通過性能和經(jīng)濟性等的影響尤為突出。

為了改進地下裝載機使用的普通錐齒輪差速器只有差速功能而無差力功能的缺點，林國湘等人［2］研制出了一種性能優(yōu)良的差力差速器，它能顯著提高地下裝載機的工作性能，且制造簡單。

2 差力差速器的結(jié)構(gòu)和工作原理

差力差速器能100%地利用路面附著力之和驅(qū)動車輛，保證車輛的通過性，能完全防止車輛打滑，且差速性能好、運行連續(xù)平穩(wěn)、制造容易、效率高、適合于各種路面情況及各種行駛狀態(tài)。

差力差速器是在普通錐齒輪差速器(這里稱為錐齒輪系)的兩輸出端分別增加兩個相同的差動行星輪系，如圖1所示。錐齒輪系由錐齒輪1、3和3′組成，錐齒輪3與系桿H相連，作為差動輪系的一個輸入端;差速器殼體通過十字軸2與差動輪系的輸入中心輪6相連，作為差動輪系的另一個輸入端。輸出中心輪7與車輪相連。當(dāng)傳動系帶動差速器殼體轉(zhuǎn)動時，一方面通過錐齒輪副帶動系桿H轉(zhuǎn)動;另一方面通過十字軸2帶動輸入中心輪6轉(zhuǎn)動，在兩輸入輪的共同作用下，使輸出中心輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動車輛。

圖1 差力差速器傳動原理圖及結(jié)構(gòu)簡圖

圖1(b)是差力差速器的一種結(jié)構(gòu)簡圖，十字軸14通過花鍵軸13與動軸輪系的輸入中心輪6相連，車輪也通過花鍵軸10與動軸輪系的輸出中心輪7相連，以便使動軸輪系受載均勻。行星輪架9與輸出錐齒輪3也采用花鍵連接。行星輪架9上有三組行星輪，均布于中心輪6和7的圓周上，齒數(shù)為Z6=18，Z4=21，Z5=19，Z7=18。通過變位來滿足同心條件。錐齒輪副的間隙用墊片8調(diào)整，軸承的安裝及調(diào)整方法與普通圓錐齒輪差速器相同。

3 差力差速器的虛擬設(shè)計和仿真

3.1 主要零件模型

Pro/E作為建模的工具，具有強大的功能，如特征造型、參數(shù)化設(shè)計、裝配組件和動態(tài)仿真［3］。軟件作為虛擬設(shè)計平臺的杰出代表，已經(jīng)成為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本、提高質(zhì)量的有效工具。根據(jù)計算得到的優(yōu)化數(shù)據(jù)，利用Pro/E軟件對差力差速器的各個部件進行虛擬建模，然后進行虛擬裝配，最后進行差力差速器的運動仿真［4］。

參數(shù)化設(shè)計是指用參數(shù)來表示零件大小的尺寸和屬性，工程技術(shù)人員可通過修改零件大小、形狀和屬性，得到各種不同規(guī)格的零件。通過參數(shù)化建模，用戶能單純的輸入齒輪設(shè)計的已知條件，如齒數(shù)、壓力角及模數(shù)和齒寬等，Pro/E系統(tǒng)即可自動創(chuàng)建出齒輪的三維幾何模型。這樣會大大減少建模所需時間，且零件間可替換性極高。通過Pro/E參數(shù)化設(shè)計，差力差速器主要零件的三維造型如圖3所示。

圖3 裝配體爆炸圖

3.2 差力差速器虛擬裝配

齒輪參數(shù)化模型建好后，加以其它的輔助零件模型，就可對其進行虛擬裝配。對齒輪進行裝配時，需定義齒輪連接類型、傳動比與嚙合關(guān)系等。需要注意由于齒輪副有內(nèi)嚙合和外嚙合，在設(shè)置齒輪副的連接屬性時，要根據(jù)內(nèi)、外嚙合特性來確定各個齒輪連接軸線的回轉(zhuǎn)方向，否則在后面的仿真過程中會出現(xiàn)相反的齒輪運轉(zhuǎn)方向，不符合實際情況。

裝配關(guān)系是產(chǎn)品裝配模型的核心，裝配關(guān)系的描述與確定建立在裝配特征的基礎(chǔ)上。裝配關(guān)系是由特定的裝配特征決定的，它體現(xiàn)和維護了產(chǎn)品的功能，反映了零件之間的相互約束。產(chǎn)品零部件之間的裝配關(guān)系描述如下。

(1)位置關(guān)系:描述產(chǎn)品中兩個零部件幾何元素之間的相互關(guān)系，如對齊、相切等。

(2)聯(lián)接關(guān)系:描述產(chǎn)品零部件幾何元素之間的直接聯(lián)接關(guān)系，如銷釘聯(lián)接、鍵聯(lián)接等。

(3)運動關(guān)系:描述產(chǎn)品零部件之間的相對運動關(guān)系和傳動關(guān)系，如繞軸旋轉(zhuǎn)、沿某一直線運動等。

差力差速器的裝配過程，主要指差速器殼體、半軸齒輪、錐齒輪系、行星輪架、行星輪、中心輪、輸出機構(gòu)、十字軸、車輪軸、預(yù)緊調(diào)節(jié)機構(gòu)以及軸承的裝配。這種裝配是通過Pro/E Assembly模塊來完成的，根據(jù)各零件特征的幾何尺寸約束，由裝配組件控制零件元件的管理、移動及配合。其中的配合關(guān)系分為手動配合和自動配合。通過兩種配合方式的相互結(jié)合，可以完成差力差速器的裝配過程，同時可進行干涉檢查，以判斷各零部件之間是否有空間沖突。差力差速器的裝配圖如圖2、3所示。

圖2 差速器三維造型圖

3.3 運動仿真

利用計算機對差力差速器進行數(shù)字仿真和動態(tài)性能分析的具體步驟如圖4所示。在對差力差速器完成虛擬建模和裝配后，利用完全集成在Pro/E中的Mechanism模塊來實現(xiàn)傳動機構(gòu)的運動仿真，其工作流程如圖5所示。

圖4 仿真與分析的步驟

圖5 Mechanism模塊中仿真的工作流程

4 結(jié)語

對設(shè)計的差力差速器進行運動仿真，發(fā)現(xiàn)所設(shè)計的裝載機沒有出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)合理，可裝配性良好;通過對時間與位移、時間與速度的關(guān)系分析驗證了運動結(jié)果與設(shè)計初衷相一致;同時通過虛擬的差力差速器裝配過程，更加直觀地從視覺、聽覺和觸覺上感受到裝配過程和效果，真正做到虛擬實際;根據(jù)計算得到的優(yōu)化數(shù)據(jù)，利用Pro/E軟件對差力差速器的各個部件虛擬建模，然后進行虛擬裝配和運動仿真，因而可以方便地設(shè)計出不同的產(chǎn)品。

［1］ 郭平輝.差速器對裝載機工作性能的影響及差力差速器的研制［J］.工程機械，1999(4):15-17.

［2］ 林國湘.一種新型差力差速器的研制［J］.金屬礦山，2005(11):46-47.

［3］ 林清安.Pro/ENGINEER野火3.0中文版動態(tài)機構(gòu)設(shè)計與仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［4］ 孫傳祝.軸向滑塊凸輪式差速器的設(shè)計與分析［J］.機械設(shè)計與研究，2007，23(3):32-36.