陳 瑋， 馬 濤， 楊羲昊， 班永華， 張 磊， 武榮國， 高 宇

（特種車輛及其傳動系統(tǒng)智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 包頭014030）

0 引言

橋傳動箱作為特種車輛傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件，主要包括錐齒輪、軸、滾動軸承等部件，H 型傳動是特種車輛傳動裝置的一種結(jié)構(gòu)形式， 用于將發(fā)動機(jī)的動力從變速箱輸入，經(jīng)分動箱將動力輸出到各橋側(cè)傳動箱，再經(jīng)輪邊減速器傳給各橋車輪。 橋傳動箱用于將分動箱傳來的動力送給輪邊減速器， 并通過螺旋錐齒輪改變力矩傳遞方向，完成90°的方向變換。

SimulationX 是德國ITI 公司開發(fā)的一款基于標(biāo)準(zhǔn)物理對象建模語言Modelica 的分析評價技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)各部件相互作用的權(quán)威軟件，是多學(xué)科領(lǐng)域建模、仿真和分析的通用CAE 工具， 并具有強(qiáng)大標(biāo)準(zhǔn)元件庫。 鑒于SimulationX 具有用戶界面友好、建模方式先進(jìn)等特點(diǎn)，文中采用該軟件作為仿真平臺[1]。

SimulationX 軟件的特點(diǎn)包括： ①可以在統(tǒng)一平臺上建立不同的學(xué)科模型，并進(jìn)行仿真；②建模理念是元素的組合建模，這種建模理念比傳統(tǒng)數(shù)學(xué)建模更加簡潔，節(jié)省了大量的時間，提高了開發(fā)人員的工作效率；③二次開發(fā)平臺非常完善，具有標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化以及圖形化等特點(diǎn)。用戶在二次開發(fā)平臺上創(chuàng)建的模型可以通過C 代碼移植到SimulationX 平臺，用戶在SimulationX 軟件中即可完成模型的修改；④該軟件的建模方式分為3 個層次：基本元素層、方程層和模塊化圖像層，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇相應(yīng)的建模層次；⑤仿真功能強(qiáng)大，具有時域瞬態(tài)仿真、平衡計算、可靠性分析、振動模態(tài)分析等多種仿真功能，滿足不同開發(fā)領(lǐng)域的仿真需求[2-6]。

本文以特種車輛傳動系統(tǒng)的橋傳動箱為研究對象，在SimulationX 軟件中建立了橋傳動箱的系統(tǒng)模型，并對其性能進(jìn)行了仿真分析。

1 錐齒輪傳動模型結(jié)構(gòu)

橋傳動箱的主要結(jié)構(gòu)為錐齒輪傳動結(jié)構(gòu)，錐齒輪傳動模型包括軸段、滾動軸承、錐齒輪等相關(guān)零部件，見圖1。

通過圖1，建立錐齒輪傳動系統(tǒng)模型，扭矩分支點(diǎn)和慣量相連接（分段軸和齒輪）。 模型軸段代表了機(jī)械系統(tǒng)中軸（如齒輪箱軸）或機(jī)械系統(tǒng)中軸段的轉(zhuǎn)動質(zhì)量模型，見圖2， 該模型根據(jù)輸入的幾何形狀和材料數(shù)據(jù)計算軸的慣量和剛度。 假設(shè)該軸段為具有恒定幾何截面形狀的柱體，長度可以參數(shù)化。

圖1 錐齒輪傳動模型示意

圖2 軸段質(zhì)量模型

錐齒輪利用模型庫自帶的錐齒輪模型進(jìn)行建模，根據(jù)實(shí)際錐齒輪的幾何參數(shù)，在錐齒輪模型參數(shù)定義界面定義相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)幾何參數(shù)，比如模數(shù)、壓力角、齒寬、齒間隙、齒數(shù)等等，錐齒輪模型幾何參數(shù)定義界面見圖3。

圖3 錐齒輪模型幾何參數(shù)定義界面

2 橋傳動箱系統(tǒng)建模

對物理系統(tǒng)建模主要有2 種方法：基于數(shù)學(xué)關(guān)系的建模和基于物理對象的建模。前者需對物理部件蘊(yùn)含的數(shù)學(xué)關(guān)系十分清楚， 通過編程或利用Simulink 之類軟件的基本數(shù)學(xué)模塊搭建模型， 往往簡單的物理系統(tǒng)需要龐大的數(shù)學(xué)模型來表征。 后者將物理系統(tǒng)分解成工程系統(tǒng)的各種最小要素， 這些要素可由專門的建模軟件提供， 用戶即便在不了解內(nèi)在數(shù)學(xué)關(guān)系的情況下，也能夠根據(jù)物理結(jié)構(gòu)用最小要素搭建系統(tǒng)模型，不但搭建過程簡便快捷， 而且系統(tǒng)模型比數(shù)學(xué)模型簡潔的多，很適合復(fù)雜、龐大物理系統(tǒng)的建模[7]。

橋傳動箱內(nèi)的錐齒輪對主要包括橫向兩軸承支撐的錐齒輪，縱向軸承支撐的錐齒輪，錐齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)，見圖4，兩錐齒輪嚙合，見圖5。

圖4 錐齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

在錐齒輪模型中， 齒輪和傳動軸可以看做是兩個剛體， 齒面接觸在模型設(shè)置時可以是剛性的， 也可以是彈性的。齒輪裝配（軸承之間的局部距離、 重心和負(fù)載中心）見圖5。 為了在一維模型中考慮這種裝配尺寸， 采用plane transformer元件。 剛性軸的平面模型考慮了在y和z 方向上的位移以及圍繞x 軸上的偏轉(zhuǎn)。 plane transformer 元件轉(zhuǎn)換軸承支承點(diǎn)、錐齒輪（受力點(diǎn)）和重心之間的力和運(yùn)動量。 利用彈簧阻尼器模擬軸承幾個方向的彈性剛度及阻尼，慣量及質(zhì)量模型模擬軸及部件轉(zhuǎn)動慣量及相應(yīng)質(zhì)量。 橫向錐齒輪軸承建模主要包括兩支撐軸承，兩支撐軸承軸向、縱向的剛度阻尼用彈簧阻尼器模型來建模，轉(zhuǎn)動方向用扭轉(zhuǎn)阻尼器來建模，見圖6[8-10]。縱向軸承支撐建模同理，見圖7。

圖5 錐齒輪裝配體

圖6 橫向兩軸承建模

圖7 縱向軸承建模

相應(yīng)的橫向軸承標(biāo)準(zhǔn)裝配尺寸， 在fixedEnd、floatingEnd、loadingPoint 模型元件定義， 見圖8。 SRA.BasicsSRA.Continuous.ChangeParameter（0.3，self.dyFault）中的0.3 為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，self.dyFault 為相應(yīng)公差； 縱向軸承標(biāo)準(zhǔn)裝配尺寸同理，在loadingPoint1、folatingEnd1 中定義。

圖8 裝配尺寸定義界面

為了驅(qū)動控制錐齒輪傳動， 加了控制系統(tǒng)控制相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化， 并且可以通過speed 及l(fā)oad 控件實(shí)時調(diào)整控制轉(zhuǎn)速，基于上述錐齒輪及軸承支撐模型，搭建橋傳動箱系統(tǒng)模型見圖9。

圖9 橋傳動箱系統(tǒng)模型

3 仿真分析

根據(jù)橋傳動箱空損試驗(yàn)要求， 錐齒輪嚙合間隙值需在0.18～0.4mm 之間，通過修改對應(yīng)參數(shù)來設(shè)置錐齒輪嚙合間隙，見圖10。

圖10 錐齒輪嚙合間隙參數(shù)設(shè)置界面

公式P=P0+C0×intensity×scale 中C0默認(rèn)為1，intensity一般為0～1 之間的數(shù)值，scale 代表數(shù)值的級別。 通過對系統(tǒng)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)速和扭矩的輸入， 得到功率損失曲線見圖11。

圖11 橋傳動箱功率損失曲線

（1）根據(jù)試驗(yàn)要求，輸入轉(zhuǎn)速最大為1789rpm，最大扭矩為3760N·m，橋傳動箱功率損失≤5kW 為合格，系統(tǒng)模型仿真結(jié)果符合試驗(yàn)要求。

（2） 橋傳動箱系統(tǒng)模型仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果基本一致，模型準(zhǔn)確性較高，后期針對其他試驗(yàn)將進(jìn)一步開展仿真分析并對系統(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)束語

本文針對特種車輛傳動系統(tǒng)關(guān)鍵組成部件橋傳動箱， 通過基于參數(shù)的系統(tǒng)建模方法建立了橋傳動箱系統(tǒng)模型，并對系統(tǒng)模型進(jìn)行了性能仿真分析，并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性， 為后續(xù)的新產(chǎn)品研發(fā)和復(fù)雜產(chǎn)品工藝優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的快速制造，縮短研發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。