吳占文，蔡 瀟，謝礦生

（1．武警工程大學 理學院，陜西 西安710086；2．特變電工西安電氣科技有限公司，陜西 西安710119；3．武警工程大學 裝備工程學院，陜西 西安710086）

0 引 言

工程車輛研制設計的目的在于運用先進的機器設計理論方法獲得結構與機構組成合理、運動與動力性能優(yōu)越的工作機械，這就要求在設計過程中，設計人員能夠使用有效的零件結構和部件總成機構圖形，隨時方便進行運動學與動力學分析，獲得各種技術數(shù)據(jù)，為修改、確定設計方案提供合理依據(jù)．但是，這些技術分析在基于二維圖樣的常規(guī)設計［1］和仿真設計［2］中難以實現(xiàn)．常規(guī)機械設計先制定設計方案，采用理論力學方法計算運動學、動力學特性，再進行優(yōu)化、強度分析及結構設計等［3］．這個過程須經(jīng)大量理論分析計算．目前基于虛擬樣機技術［4－5］的計算機輔助設計、技術分析與性能模擬和制造的研究方興未艾［6－8］，其中機構運動仿真與動力分析，可實現(xiàn)機械工程中非常復雜、精確的運動學與動力學分析，在實際制造前利用零件的三維數(shù)字模型進行機構運動仿真與動力分析已成為現(xiàn)代CAD 工程中的一個重要方向及課題［9－10］．這使得機械設計工程師從復雜的理論計算中解放出來，將更多的精力放在優(yōu)化設計及結構設計上，具有一定的實用價值．另外，通過三維軟件仿真分析，可以得出正確的理論數(shù)據(jù)和曲線，為結構設計及優(yōu)化設計提供了理論基礎和條件［11］，能夠有效地分析機構運動過程中的運動特性和規(guī)律．其中的關鍵環(huán)節(jié)為建立零件間的約束關系及載荷定義，并求解．本文擬運用三維實體設計軟件Pro／Engineer［12］的零件與裝配功能，以國產(chǎn)ZL50C 輪式裝載機變速箱為例，進行變速箱零件三維造型設計與總成零部件的裝配連接，著重進行變速箱運輸工況的牽引性能實驗，通過換算來獲得變速箱的動力、速度變化參數(shù)，從而運用Pro／Mechanism 的運動仿真與動力分析功能，實現(xiàn)變速箱在實際動力驅(qū)動下的運動仿真與動力分析，籍此檢驗變速箱總成的運動與動力特性，提高工程車輛研制設計中的技術分析與性能模擬水平．

1 變速箱三維造型設計與裝配連接

1．1 變速箱零件三維造型設計

零件結構形狀計算機三維造型設計是實現(xiàn)機器總成零部件裝配連接、各種技術分析與性能模擬如運動仿真與動力分析的基礎性和前提性工作．以下運用三維實體設計軟件Pro／Engineer的零件（Part）功能，根據(jù)ZL50C 輪式裝載機變速箱總成零部件結構圖樣，來完成包括變速箱箱體、各種軸、齒輪、軸承以及其它零件結構的三維原值仿真造型設計［13］，為進行變速箱總成的裝配連接，進而實現(xiàn)變速箱運動仿真與動力分析奠定基礎．

1．2 變速箱總成零部件裝配連接

獲得變速箱總成零件的三維造型以后，本文運用Pro／Engineer的虛擬裝配（Assembly）功能進行了變速箱總成零部件的虛擬裝配連接，為變速箱運動仿真與動力分析奠定基礎．變速箱零部件的虛擬裝配不能采用完全約束的裝配模式，而要采用Pro／Engineer提供的針對零件間不同運動方式的裝配連接方式［14］（如平面、銷釘、滑動桿、圓柱、球體、剛性、軸承等），才能保證各零件或組件裝配后在組成的機構中具有確定的運動方式．零件裝配時，通過點擊元件放置選項卡可以選擇合適的選項來移動零件，同時檢查零件之間的間隙是否符合要求或存在干涉．

2 變速箱運動仿真與動力分析

工程車輛設計過程中要求對具有確定零件結構及其組成機構的新機器總成零部件的運動與動力性能隨時進行有效分析，來獲得各種技術數(shù)據(jù)，為設計修改提供合理依據(jù)，這些工作在以二維平面設計繪圖為主的常規(guī)設計中難以實現(xiàn)．Pro／Engineer的內(nèi)嵌Pro／Mechanism 運動仿真［15］功能模塊，可以分析動力驅(qū)動下虛擬裝配機構的運動軌跡、位移和干涉，檢驗機構的裝配合理性和運動干涉情況．直觀表達零件組成機構的運動與動力狀況，隨時準確檢驗機構及機器設計過程中存在的運動與動力學問題．動力驅(qū)動運動仿真的結果以裝配機構及機器的動畫演示，也可以圖象輸出，由此可以得到零件間的受力與運動干涉情況及時調(diào)整修改，從而獲得合理的裝配結構．

在上述變速箱總成零部件裝配連接基礎上，本文采用Pro／Mechanism 功能模塊，進行裝載機變速箱在實際載荷作用下的運動仿真與動力分析，以檢驗設計結果，發(fā)現(xiàn)、解決其中問題．首先需要確定變速箱運動仿真與動力分析參數(shù)．

2．1 變速箱仿真參數(shù)確定

變速箱運動仿真與動力分析參數(shù)包括輸入軸輸入扭矩與轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速與力矩等．在20 ℃晴朗天氣、跑道為直線平坦水泥路面，ZL50C 裝載機為工作重量（包括駕駛員、油水箱滿裝、輪胎按工作壓力充氣），其工作裝置鏟斗連桿機構置于水平運輸工況位置，機器各部分裝油、水達到正常工作溫度的條件下，使用負荷車、20T 傳感器和BNJ－3多用測試儀等進行牽引性能實驗，用所得數(shù)據(jù)推算出變速箱工作參數(shù)．實際測得裝載機前進II檔傳動速度、牽引力和牽引功率值如表1所示．

表1 裝載機前進II檔傳動速度、牽引力和牽引功率Tab．1 Transmission speed，tractive force and power of the wheel loader’s forward speed II

2．2 變速箱仿真參數(shù)計算

根據(jù)表1 所列參數(shù)值，運用以下各式來推算出變速箱運動仿真與動力分析設置所需的工作參數(shù)值．

變速箱輸出軸力矩M′由式（1）計算．

式中：Fq為牽引力，kN；rd為輪胎滾動半徑，m；η′為終傳動到變速箱的機械效率；i′ 為終傳動到變速箱的傳動比．

式中：i1，i2分別為終傳動器和主傳動器的傳動比．

裝載機變速箱傳動經(jīng)主傳動、差速器到終傳動輪邊減速器行星輪系，其主動件太陽輪連接半軸，從動件行星架連接車輪，齒圈固定不動連接橋殼，是簡單行星排六種傳動方案之一，它的傳動比為

式中：a1為輪邊減速器行星排特性參數(shù)．

式中：Zq1，Zi1為齒圈與太陽輪齒數(shù)．將a1值代入式（3），得：

ZL50C裝載機的主傳動是單級主減速器，輸入與輸出差速器殼之間僅采用一級齒輪機構傳動，發(fā)動機動力經(jīng)一對圓錐齒輪傳動后轉(zhuǎn)向90°，變?yōu)轵?qū)動輪的轉(zhuǎn)向，同時減速增矩，以滿足驅(qū)動機器運行．上述結構組成簡單，只采用了一級減速，體積較小，質(zhì)量輕，其傳動比選擇不宜太大．由于進行直線跑道牽引性能試驗時，只有主傳動發(fā)揮作用，差速器失去了作用，因此主傳動比成為：

式中：ZD2，ZZ2分別為主傳動大螺旋圓錐齒輪齒數(shù)和主動螺旋圓錐齒輪齒數(shù)．

變速箱輸入軸力矩M 由式（6）式計算．式中：Mq為變速箱輸出軸力矩，N·m；ib為變速箱傳動比；ηb 為變速箱機械效率．

變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速由式（7）計算和確定．

式中：v 為樣機實測速度，rad／min．

由上述公式計算，所得變速箱前進II檔傳動運動仿真和動力分析參數(shù)值（輸入軸轉(zhuǎn)速、輸入軸力矩、輸出軸力矩等）見表2．

表2 變速箱前進II檔傳動運動仿真參數(shù)計算值Tab．2 Calculation values of kinematic simulation parameters of the gear box’s forward speed II

2．3 變速箱運動仿真與動力分析的具體設置

變速箱運動仿真與動力分析［15］在Pro／Mech－anism 中的具體設置操作流程包括：

1）進入Pro／Mechanism 定義變速箱各種機構零件間運動關系，添加相關運動副．如定義齒輪機構，單擊“齒輪1”按鈕并輸入名稱，此后選擇傳動類型，輸入齒輪的連接被選為連接軸；輸出齒輪的連接在“齒輪2”中被選為連接軸；在“屬性”對話框分別輸入兩個齒輪的分度圓直徑，定義好的齒輪機構中將顯示齒輪的運動副標志．

2）創(chuàng)建驅(qū)動器及運動環(huán)境．設定運動仿真的初始位置，拖齒輪副到相互不干涉位置，作為起始位置即可．

3）添加及設定伺服電機，提供運動學與動力學仿真的原動力，這是變速箱運動仿真與動力分析設置的關鍵．

單擊“伺服電動機”，將輸入軸的連接軸作為伺服電動機的驅(qū)動對象，默認當前軸的位置為零位置．在“?！睓谶x擇“常數(shù)”，由表2 選擇一個轉(zhuǎn)速，單位換算后輸入“A”欄．

在機構上添加執(zhí)行電動機時，為了引起組成機構的相關物體運動，必須將力矩施加在輸入軸上．單擊“執(zhí)行電動機”，操作同上，選擇與上面轉(zhuǎn)速相應力矩輸入“A”欄．為了模擬外部載荷對機構運動的影響，必須添加力矩來模擬機構運動的外部環(huán)境．通過單擊“力／力”來打開定義對話框，此時應選擇輸出軸作為對象來施加外部載荷，在“模”中輸入相應載荷大小，并設定其方向．

利用“表”功能將表2中轉(zhuǎn)速值每間隔5s 輸入1個，Pro／Mechanism 用線性插值的方法自動將輸入轉(zhuǎn)速擬合成時間轉(zhuǎn)速圖輸出，以方便查看檔位的每一個轉(zhuǎn)速，效果如圖1所示；同樣，輸入力矩也可以圖表輸出，如圖2 所示．

圖1 變速箱前進II檔輸入轉(zhuǎn)速曲線Fig．1 Input revolving speed curve of the gear box’s forward speed II

圖2 變速箱前進II檔輸入力矩曲線Fig．2 Curve of input moment of force of the gear box’s forward speed II

4）上述步驟完成了變速箱運動仿真與動力分析的設置，隨后設定幀數(shù)與運行時間，同時添加相應的伺服電機，最后通過運行設置就可獲得仿真和分析結果．定義好運動與動力特性的變速箱模型如圖3 所示．

圖3 變速箱前進II檔運動仿真與動力分析定義Fig．3 Definition of kinematic simulation and kinetic analysis of the gear box’s forward speed II

2．4 變速箱運動仿真與動力分析

單擊“分析”圖標，在打開的對話框中選擇運動分析類型為“動態(tài)”，此時單擊“運行”圖標，即可觀察設置好運動仿真與動力分析的變速箱中各種機構的運動狀況，運行狀況結果會自動存入數(shù)據(jù)集．觀察變速箱運動仿真結果顯示，由于零件的結構采取原值造型，所組成的機構運行平穩(wěn)，無零件干涉現(xiàn)象，驗證了零件結構及組成機構運動的正確合理性．

觀察分析機構的運動過程，可將力、位置、速度、加速度以及測量圖標等測量值記錄下來，也能產(chǎn)生機構及其構件的運動軌跡線與包絡線．單擊“創(chuàng)建新測量”圖標后選擇“速度”，進而將輸出軸連接選為分析目標，Pro／Mechanism 提供“每一時間步距”默認評估方法，接受即可完成測量定義．Pro／Mechanism 會計算并顯示機構的時間速度曲線，如圖4 所示；再次單擊“創(chuàng)建新測量”后選擇“連接反作用”，進而將齒輪連接選為分析目標，同上接受Pro／Mechanism“每一時間步距”默認評估方法，即可完成測量定義．Pro／Mechanism會計算并顯示機構的時間力矩曲線，如圖5 所示．對比分析圖1與圖4、圖2與圖5可以看出，變速箱輸入與輸出轉(zhuǎn)速、力矩曲線圖像基本相同，表明輸入與輸出速度、動力變化趨勢一致，運動與動力狀態(tài)基本相同，符合車輛運動與動力特性［1］．

圖4 變速箱前進II檔輸出轉(zhuǎn)速曲線Fig．4 Output revolving speed curve of the gear box’s forward speed II

圖5 變速箱前進II檔輸出力矩曲線Fig．5 Curve of output moment of force of the gear box’s forward speed II

3 結 語

運用Pro／Engineer完成了裝載機變速箱總成零部件原值造型設計和虛擬裝配，進行了裝載機牽引性能實驗，獲得了動力、速度變化參數(shù)；換算后運用Pro／Mechanism 運動仿真與動力分析功能，實現(xiàn)了實際工作載荷作用下變速箱前進II檔運輸工況的運動仿真與動力分析，動態(tài)演示、圖像分析研究了變速箱的工作原理、運動與動力特性，結果表明變速箱零件結構尺寸合理、組成機構及總成的運動平穩(wěn)無干涉；變速箱輸入與輸出速度、力矩具有相同變化規(guī)律，符合車輛運動與動力特性．研究工作對于檢驗工程車輛零部件結構設計的正確性、總成機構的運動合理性與動力特性、提高工程車輛研制設計中的技術分析與性能模擬水平具有實際意義．

［1］吳永平，姚懷新．工程機械設計［M］．北京：人民交通出版社，2005．

［2］陳元基．工程機械形態(tài)仿真［J］．工程機械，1990（7）：35－37．Chen Yuanji．Shape simulation of construction machinery and equipment［J］．Construction Machinery and Equipment，1990（7）：35－37．（in Chinese）

［3］宮赤坤，熊吉光，黃成林．Delta并聯(lián)機器人運動學與動力學仿真分析［J］．制造業(yè)自動化，2013，35（3）：5－7，14．Gong Chikun，Xiong Jiguang，Huang Chenglin．Kinematics and dynamics Simulation of delta parallel robot［J］．Manufacture Automation，2013，35（3）：5－7，14．（in Chinese）

［4］陳海平，熊召，劉長春，等．Top－Down設計模式下的機構運動仿真［J］．新型工業(yè)化，2014，4（3）：65－69．Chen Haiping，Xiong Zhao，Liu Changchun，et al．Mechanism motion simulation cooperate with top－down design patterns［J］．New Industrialization，2014，4（3）：65－69．（in Chinese）

［5］張朋舉，張紋，陳樹人，等．八爪式株間機械除草裝置虛擬設計與運動仿真［J］．農(nóng)業(yè)機械學報，2010，41（4）：56－59，94．Zhang Pengju，Zhang Wen，Chen Shuren，et al．Virtual design and kinetic simulation for eight claw intrarow mechanical weeding device［J］．Journal of Agricultural Machinery，2010，41（4）：56－59，94．（in Chinese）

［6］王黎明．基于ANSYS 12．1的曲柄滑塊機構動力學分析［J］．機械工程與自動化，2011（2）：42－44．Wang Liming．Dynamical analysis based on ANSYS software for crank－slide mechanism［J］．Mechanical Engineering ＆Automation，2011（2）：42－44．（in Chinese）

［7］Ghate A，Lele S．A sweeping based kinematic simulation for the stably stratified surface layer［J］．Bulletin of the American Physical Society，2014：59．

［8］Xia L，Li D Z，Han J．Research on mathematical mod－eling and kinematic simulation of elliptic family gears［J］．Key Engineering Materials，2014（579）：300－304．

［9］趙寧，孫向軒，藺彥虎，等．直齒圓柱齒輪差速器運動學與動力學分析仿真［J］．計算機仿真，2012，29（8）：344－348．Zhao Ning，Sun Xiangxuan，Lin Yanhu，et al．Kinematics and dynamic analysis and simulation of spur gear mechanism of differential［J］．Computer Simulation，2012，29（8）：344－348．（in Chinese）

［10］彭文軍．基于ADAMS的某艦炮抽筒機構動力學仿真分析［J］．艦船科學技術，2013，35（12）：144－147．Peng Wenjun．Dynamic simulation analysis based on ADAMS of collecting shell process for the navy gun mechanism［J］．Ship Science and Technology，2013，35（12）：144－147．（in Chinese）

［11］鄭鵬，張相炎，鄭建國，等．基于虛擬樣機技術的某艦炮自動機動力學仿真［J］．火炮發(fā)射與控制學報，2011（6）：56－58．Zheng Peng，Zhang Xiangyan，Zheng Jianguo，et al．Dynamic simulation of a naval gun’s automatic mechanism based on virtual prototyping technology［J］．Journal of Gun Launch ＆Control，2011（6）：56－58．（in Chinese）

［12］季海峰．Pro／ENGINEER 造型設計實例教程［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2010．

［13］吳占文．裝載機變速箱參數(shù)化仿真設計［J］．中北大學學報（自然科學版）：2010，31（2）：136－140．Wu Zhanwen．Parameterized simulation design of the wheel loader’s gear box［J］．Journal of North University of China（Natural Science Edition），2010，31（2）：136－140．（in Chinese）

［14］蔡瀟，葉智彪，夏鴻剛，等．工程機械傳動機構行星輪系的建模與仿真［J］．筑路機械與施工機械化，2006，23（12）：62－64．Cai Xiao，Ye Zhibiao，Xia Honggang，et al．Modeling and simulating of planetary gear system for transmission mechanism of construction machinery ［J］．Road Machinery ＆ Construction Mechanization，2006，23（12）：62－64．（in Chinese）

［15］葛正浩，楊芙蓮．Pro／ENGINEER Wildfire 3．0機構運動仿真與動力分析［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2008．