基于Pro/E的變速器柔性操縱機構在裝載機上的應用*

錢久年

(上海鐵路局淮南貨運中心,安徽 淮南232001)

摘要：參照部分裝載機變速器操縱機構的結構參數(shù)，結合人機工程學相關知識，基于Pro/E環(huán)境下設計的雙桿柔性遠距離換擋操作機構，模型形象直觀，結果提取方便，可直接轉換成工程圖，設計效果良好。

關鍵詞：變速器；Pro/E；柔性操縱機構；設計

中圖分類號:文獻標志碼：A

收稿日期：*2014-01-13

作者簡介：錢久年(1977-),男, 安徽蚌埠人, 工程師,主要從事鐵路裝卸機械管理方面的工作。

Application of Flexible Control Mechanism of Transmission in Loader Based on Pro/E

QIAN Jiu-nian

(HuainanCargoTransportationCenter,ShanghaiRailwayAdministration,HuainanAnhui232001,China)

Abstract:Referring to the structural parameters of loader transmission operating mechanism, and combining with the ergonomics knowledge, the double pole flexible remote shift operating mechanism is designed based on the Pro/E in this paper. The model is visual and intuitive, and the result is easily to be extracted and can be directly converted into the engineering drawing, thus the design method is effective.

Key words: transmission; Pro/E; flexible control mechanism; design

0引言

作為裝載機變速器控制機構的操縱機構，由駕駛者直接操縱，完成高速檔與低速檔的選擇和實現(xiàn)換擋或退到空擋的功能[1]，在設計中只是一個相對較小的裝置，但是它對裝載機正常行駛有著十分重要的影響，在設計時不但要考慮到結構功能安全性方面要求，還需要考慮到舒適性方面要求，因此其在變速器的設計中占有重要的地位。作為變速器換檔操縱機構的控制裝置，關系到裝載機能否正常行駛。設計一套合理、工作可靠的換檔操縱機構是裝載機行駛不可缺少的一部分。近些年來，裝載機變速器操縱機構有向著自動化操縱方向發(fā)展的趨勢。

1組成與原理

在某些裝載機上駕駛者座椅位置距變速器總成較遠，有時駕駛室也需要翻轉，根據(jù)總布置要求，必須選用遠距離操縱方案。裝載機變速器遠距離操縱機構包括外部操縱機構和內(nèi)部操縱機構兩部分。如圖1所示。外部操縱機構用來實現(xiàn)對變速器的遠距離操縱，包括從變速桿到選、換檔軸之間的所有傳動件；內(nèi)部操縱機構保證擋位安全選擇及鎖定，包括選檔換檔軸、撥叉、撥叉軸、自鎖裝置、互鎖裝置和倒檔鎖等。柔性操縱機構與一般的連桿機構相比，具有零部件少、布置清晰；體積小、結構較為簡單、重量輕；操縱靈活，易于調(diào)整；工作效率高，噪聲較低，較經(jīng)濟等許多優(yōu)勢[2-3]，因而獲得到裝載機制造廠和設計人員的青睞。在進行操縱機構設計時，設計難點在于要保證操縱機構的正常工作或要能適應駕駛室翻轉，在換檔過程中因駕駛員和換檔操縱機構直接接觸，所以設計的換檔機構必須考慮人機工程學的因素。

圖1　遠距離操縱手動換擋變速器的工作原理圖

2設計方法

本次設計基于Pro/E提供了一個基于過程的虛擬產(chǎn)品開發(fā)設計環(huán)境，采用自頂向下(Top-down)方法進行設計，利用Pro/E軟件工具構建一個完善的Top-down設計環(huán)境，確定設計思想并進行總體布局，通過建立骨架來確定產(chǎn)品結構、安裝位置、空間位置，設計骨架模型并發(fā)布出版幾何，然后進行外部復制幾何，確定位置關系等，再進行各零部件設計[4]。目前，隨著裝載機CAD技術的發(fā)展，實際設計中多采用二維設計與三維設計相結合的方法進行裝載機的總體設計和各分系統(tǒng)的設計[5]。根據(jù)變速器操縱機構特點確定設計特征順序，構建骨架模型，并簡化特征類型，確定特征之間父/子關系，根據(jù)實際情況在設計中，參照選取原則依據(jù)“能選面不選線，能選線不選點”的進行設計。

3模型建立

確定設計方案為雙桿遠距離柔性操縱機構(5擋位變速器)，使用鎖銷式同步器換檔；操縱機構中設有安全裝置(自鎖裝置、互鎖和倒檔鎖)，選用鎖球式互鎖裝置，倒檔鎖采用彈簧鎖銷式。圖2為設計完成的變速器雙桿遠距離柔性操縱機構。

圖2　變速器雙桿遠距離柔性操縱機構 1.操縱桿　2.選檔軟軸　3.換檔軟軸　4.撥叉　5.軟軸套

雙桿遠距離柔性操縱機構是利用一種推拉式軟軸代替剛性拉桿進行遠距離操縱，此軟軸由芯軸和護套組成，其芯軸由增加了斜繞鋼帶的多根鋼絲組成，外護套由多根細鋼絲斜繞而成，與此同時增加有內(nèi)護管。也有的把斜繞鋼帶增加在外護套中以提高軟軸承載能力，但這種結構會在一定程度上影響軟軸彎曲性能。此柔性機構的操縱桿及支座總成一般布置在駕駛室地板上，其功能和雙桿剛性機構中的操縱桿及支座總成類似，區(qū)別在于增加了軟軸支撐的設計，在其后部通過軟軸支架與變速器總成的選檔臂和換檔臂相連，來實現(xiàn)其操縱功能。

根據(jù)人機工程學要求提供的我國成年人人體的基礎數(shù)據(jù)，參照GB10000—88是1989年開始實施的我國成人人體尺寸國家標準，在布置操縱機構時必須考慮駕駛員變換姿勢情況，適應操作人員的正常人體結構尺寸和生理要求[6]。這些人體數(shù)據(jù)為操縱機構的合理設計提供了強有力的設計依據(jù)，本次操縱機構的設計，依據(jù)人體尺寸數(shù)據(jù)，考慮操作人員的操作安全性和舒適性，參照目前國產(chǎn)某型貨車操縱機構進行設計，設計中有的數(shù)值根據(jù)實物測量比較并進行修正獲得。圖3、圖4為根據(jù)人機工程學原理，考慮人體尺寸而設計的變速器的自鎖及互鎖裝置和鎖銷式倒擋鎖裝置，圖3(a)為原理圖，圖3(b)為設計的模型。

根據(jù)人機工程學要求，參考已成型操縱機構，此次設計的前進檔的行程是13 mm ,變速器操縱機構力的傳動比為7，操縱桿直徑為13 mm，操縱桿中間軸直徑為9 mm，進行剛度和穩(wěn)定性校核，均符合要求。在操縱過程中，不考慮變形, 手柄前進或后退時掛檔的運動行程均設置為91 mm；靜態(tài)換檔力為465 N，在不考慮摩擦、防塵套變形的情況，手柄操縱力設計為66 N；選取設計的操縱桿長度為360 mm；操縱桿前后運動范圍的角度設置為20°；左右運動范圍的角度設置為15°。在此次設計中選取的換檔搖臂長度80 mm；換檔力矩15 N·m；選檔搖臂長度設置為80 mm ；換檔力矩25 N·m；換檔搖臂前、后運動最大角度設置為25°；選檔搖臂向前運動最大角度設置為20°，向后運動最大角度設置為15°。圖5、6為設計的操縱桿模型。

圖3　變速器的自鎖及互鎖裝置 l.定位鋼球　2.定位彈簧　3.撥叉軸　4.互鎖頂銷　5.互鎖鋼球(或互鎖銷)　6.變速器蓋

圖4　鎖銷式倒檔鎖裝置 l.變速桿　2.倒檔撥塊　3.倒檔鎖彈簧 4.倒檔鎖銷　5.鎖銷鎖片

圖5　操縱桿模型　　　　　圖6　操縱桿

根據(jù)總布置要求和變速器操縱機構已確定的位置關系，進行各個零件設計，圖6～17為設計的各零部件模型。

圖7　1檔、倒檔撥叉　　　　　圖8　2、3、4、5檔撥叉

圖9　2、3檔撥叉軸　　　　圖10　1、倒檔撥叉軸

圖11　2、3、4、5檔撥塊　　　　　圖12　倒檔鎖撥塊

圖13　倒檔鎖彈簧　　　　圖14　倒檔鎖銷

圖15　倒檔鎖銷鎖片　　　　圖16　選檔軟軸

圖17　換檔軟軸

4優(yōu)化分析

變速器柔性操縱機構建模完成后，進入Pro/E中運動仿真模塊，根據(jù)已知參數(shù)定義驅動器和仿真運動參數(shù)[7]，建立工作裝置運動模型，檢測操縱機構的運動干涉工作情況，在Mechanism中定義各擋位的參數(shù)，這樣能夠直接觀察到操縱機構的運動情況，檢查運動件之間的干涉情況，利用Pro/E行為建模里的靈敏度分析可對得到各個尺寸進行優(yōu)化結果分析、計算，進行優(yōu)化設計，當系統(tǒng)在提示“此部件優(yōu)化成功”后，點擊“確定”，最終可以確定出變速器柔性操縱機構的最終尺寸。

5結語

基于Pro/E的變速器遠距離柔性操縱機構設計，通過Pro/E建模并進行優(yōu)化分析，能快速得到優(yōu)化后的變速器操縱機構模型，設計出符合要求的變速器操縱機構，此法簡便、快速，設計的模型形象直觀，結果提取方便，且能直接轉換成工程圖，采用Top-down方法設計的模型符合現(xiàn)代裝載機設計的發(fā)展趨勢。

參考文獻：

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[7]李俊碩，于尊廠，張安鵬.Pro/ENGINEER 4.0基礎培訓標準教程[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2010.