装载机变速箱参数化仿真设计❋

吴占文

(武警工程学院基础部,陕西 西安 710086)

0 引 言

轮式装载机作为铲土运输机械的典型机种,以其灵活机动、承载量大而广泛应用于国民经济与国防建设的各个部门,并创造了巨大的经济与军事效益,因而形成了国内外研制、生产激烈竞争的局面.我国工程机械行业目前尚不够先进,产品研制过程基本沿袭传统的设计方法[1],设计计算与绘图繁复,难以形式化,囿于二维工程图和手工操作机床制造的落后状况;完成产品改型或更新周期长,费用大,难以应对激烈的市场竞争和满足工程建设急需.因此,必须积极探求新的机械设计理论方法,以期提高产品的设计制造速度、精度与水平、更新换代的能力及其市场竞争力.

快速设计与自动化制造技术可以有效地提高机器产品的设计制造速度、精度、质量、性能和可靠性水平,降低开发成本,加快产品的更新换代,以适应市场竞争和满足工程建设需要;计算机软硬件的快速计算与自动绘图功能,给产品研发中的结构设计与计算、技术分析与性能模拟[2,3]和数控机床编程加工制造[4]提供了有力的工具,为产品设计、制造实现快速自动化创造了条件.

本文拟综合运用仿真设计理论与实体参数化设计软件 Pro/Engineer[5],根据国产 ZL50C轮式装载机变速箱总成零部件的结构图样,进行装载机变速箱总成零部件的实体参数化仿真设计、装配设计研究,以期改变工程机械传统设计与制造方法的落后状况,降低开发费用,提高设计速度与水平,为工程机械总体零部件的技术分析与性能模拟以及数控机床编程无纸自动化加工制造奠定基础.

1 工程机械参数化仿真设计的基本思想

仿真的基本含义是通过对极为复杂的现象系统高度精确程度的相似模拟(物理模拟、数学模拟和综合模拟)来获得与实际情况基本一致的结果[6].

优良机器产品的质量、性能和可靠性水平,取决于采用先进的设计理论获得的优化零部件及机器整体结构、合理的成分配比和冶炼热处理工艺产生的性能优越的制造材料和精密数控加工形成的精确零件结构尺寸.笔者近年来从事工程机械仿真设计研究的基本思想内容,是对一个实际机器系统进行结构图形和技术性能的仿真.结构性能参数的仿真采用各种优化设计方法和建立在相似理论[7]基础上的仿真设计算法[8],获得满足设计要求的机器总体零部件的结构参数与技术性能参数,为机器总体零部件的图形仿真提供依据;图形仿真采用绘图与图形处理功能日臻完善的计算机辅助设计(CAD)软件,来获得新设计机器零部件及总体的几何结构形态.

本文进行装载机变速箱参数化仿真设计研究,基本思想体现在将仿真设计理论与实体参数化软件Pro/Engineer结合起来,实现对优秀样机零部件结构形态和技术性能的精确再现,从而形成理论性强,速度快,通用性好,费用低的工程机械研制开发计算机辅助仿真设计新途径.文献[8]用相似公式进行了仿真设计计算,可实现由大到小或由小到大对样机结构性能的相似转变.本文拟运用 Pro/Engineer进行优秀样机零部件结构形状的原值仿真[9](文献 [8]相似公式中由样机参数决定的比例系数值等于 1)造型来完成设计,一方面简便,可以避免因结构尺寸改变而产生的性能畸变;另一方面,可以克服传统设计方法理论的繁复和难以形式化的不足,在设计阶段按照优秀样机的已知特性可以预测新机器的性能和技术经济水平.优秀样机零部件基于 Pro/Engineer的三维实体结构形状原值仿真造型一经建立,运用相似公式就可以实现样机与新设计机器大小不同的仿真设计计算,然后修改已有零件造型的结构参数即可获得新机器零件模型;也可利用这些零件模型及其装配件进行各种技术分析与性能模拟,验证产品结构的力学与运动特性;机加工零件模型经计算机编程可实现数控机床自动化加工,可以彻底改变传统设计与制造过程对二维工程图的依赖.同时,在模型不断优化或优秀样机发展变化的同时,适时修改产品的实体造型,可以保证新设计机器型式亦按相同规律变化.这就为仿真设计硬件化创造了条件,为建立机器设备快速设计与自动化制造系统提供了完善的理论与计算机工具,对提高机器产品新方案的设计速度和水平、技术分析与性能模拟水平以及加工制造精度具有积极意义,最终获得质量、性能可靠的新机器.

实体参数化设计软件 Pro/Engineer具有直观的模型设计空间(Model space),简单快捷的三维实体造型方法和强大的实体编辑功能.其基于零件结构特征化,每种特征具有单一数据库和零件结构尺寸参数化的设计方式,使产品设计过程中产生和修改三维零件(Part)造型、二维工程图(Drawing)、三维装配件(Assembly)、模具(Mold)设计等工作达到了同步进行;Pro/Engineer也能使用零件与装配件的实体模型计算零件的体积、重量和转动惯量,进行各种技术分析与性能模拟和数控加工.这种全方位的工业设计模式,可以彻底改变传统机械设计、绘图、技术分析与性能模拟以及制造理论的繁复与难以形式化的不足,为开发者提供工业设计至数控加工的全套技术解决方案,极大地提高了业界的竞争力;也为创造性的开发,实现机器产品的快速仿真设计,计算机技术分析与性能模拟以及数控机床自动化制造创造了条件,提供了完善的 CAD/CAE/CAM工具.

2 装载机变速箱零部件参数化仿真设计

装载机变速箱是体现机器变速、变向性能的中枢单元总称.在操作系统控制下,发动机动力经变矩器输送到变速箱,按照工作性质的具体要求,通过变速箱中不同齿轮组的啮合传动,输出方向、大小不同的转速到主传动器及前、后驱动桥的差速器,减速增扭后通过左、右半轴传送到最终传动轮边,减速器进一步增大轮胎的驱动力矩,最后通过轮胎与地面间的牵引附着特性,实现机器整体的速度控制与改变.ZL50C轮式装载机的变速箱主要零件、组件包括：箱体、大超越离合器外环齿轮、花键齿轮输入轴与轴承、双排行星轮系、制动器、离合器、变速箱输出轴、中间轴输出齿轮、输出轴齿轮、前后输出轴[10]等.

运用 Pro/Engineer的零件(Part)和装配(Assembly)功能,根据 ZL50C轮式装载机变速箱总成零部件结构图样,进行变速箱零件的参数化仿真设计造型和部件总成的装配连接.

2.1 变速箱零件参数化仿真设计

变速箱零件有标准件、常用件和一般件.轴承与螺纹紧固件等标准件可用“族表”命令进行造型设计;轴齿轮兼具轴类零件与盘盖类零件的结构特征;箱体为箱壳类零件,结构较复杂.本文结合这些零件的结构功能特点,简述其参数化仿真设计造型过程.

图1 族表零件选取Fig.1 Part selecting from g roup table

1)变速箱轴承、螺纹紧固件、销和弹簧等标准件使用“族表”命令造型设计.首先创建一个代表性零件,接着根据尺寸、参数、特征、组件内容编辑族表项目,包括尺寸、特征、参数、元件、组轮[11].齿轮是盘盖类零件,设计过程数据多,计算麻烦,可利用Pro/Engineer的“参数”和“关系”工具,建立一个模数 m,齿数 Z(=最小齿数),齿宽 B,压力角 T,齿顶高 HA,齿根高 HF,齿顶高系数 HAX,顶隙系数 CX,变位系数 X(=0)等参数为标准值且符合齿轮参数关系式、参数化了的标准渐开线直齿轮,随后设计可直接调用,修改模数、齿数和齿宽即可获得一新的齿轮.具体制作过程是：草绘生成 4同心圆,编辑 4直径属性,分别与齿顶圆直径 da,分度圆直径 d,齿根圆直径 df,基圆直径 db对应;在“关系”选项表中输入 m,Z,T,HAX,CX等参数值及其与 4直径的关系式,再生后切换尺寸,得到可随参数改变的齿顶圆、分度圆、齿根圆和基圆;设坐标中心,输入渐开线参数方程绘制渐开线,并将渐开线镜像、旋转,与齿顶圆和齿根圆组成齿槽的截面轮廓,用拉伸、切除命令生成齿槽,运用轴阵列形成齿轮模型.最后在齿轮模型上用拉伸命令添加所需零件的其它设计特征,并修饰而成.图 2为变速箱轴齿轮的参数化仿真设计造型图.——自定义特征、陈列表、合并元件、参考模型等.完成后进行校验,系统会自动逐一再生该群零件.打开装配好的族表零件时,系统会提示用户选择零件型号并再生之,如图 1所示.

图2 轴齿轮结构仿真造型图Fig.2 Simulated model of an axle gear

2)ZL50C装载机变速箱行星轮系各齿轮均为渐开线直齿

3)变速箱箱体为箱体类零件,具有较大容纳空腔、安装和支承轴及轴承的座孔以及与机架相连接的部分.箱体常见局部功能结构为肋板和凸台,安装、定位用的凸台、凹坑或凸、凹导轨,定位用的销孔,安装连接用的螺孔,定位和润滑用的沟槽等.利用 Pro/Engineer进行上述箱体结构特征创建的过程是：先后用拉伸功能生成箱体主体本体结构和座孔,增加抽壳、倒角和圆角等规则设计特征,再增加肋、销孔、螺孔、凸台、凹坑、沟槽等不规则设计特征.关键要能理清零件结构间的主从关系,合理安排草绘平面和参照平面,善于把握本体特征与设计特征构建的顺序,所建模型如图3所示.箱体零件着色渲染时作透明处理,以便装配后观看内部其它零部件.变速箱零件参数化仿真设计为零件数控机床编程加工制造和零部件装配连接、技术分析与性能模拟提供了实体模型.

图3 透明处理的变速箱箱体结构仿真造型图Fig.3 Simulated model of the gear box case

2.2 变速箱部件装配连接

完成变速箱组成零件的参数化仿真设计造型后,本文运用 Pro/Engineer装配功能,进行了变速箱部件的装配连接.一个部件的装配过程由多个子装配组成,部件装配时先进行子装配,再将各子组件按照相互位置关系进行总装配,形成部件的装配连接模型.图 4为二轴、三轴组件装配连接图.

图4 二轴、三轴组件装配连接图Fig.4 Assembly connection of axle2and axle3

图5 变速箱总成仿真装配连接图Fig.5 Simulated assembly connection of the gear box

2.3 变速箱总成装配连接

以变速箱部件装配为基础,本文进一步完成了变速箱总成的仿真装配图(见图 5),其装配顺序为：一轴组件→超越离合器组件→二轴组件→三轴组件→输出轴组件→齿轮泵组件→切断阀组件.

变速箱总成装配连接可以演示零件的装配连接关系和总成的工作原理,检验组成零部件的结构尺寸合理性和运动干涉性,为零部件结构、机构的设计修改提供依据,并为变速箱总成的技术分析与性能模拟奠定基础.

3 结束语

综合运用仿真设计理论和实体参数化设计软件 Pro/Engineer,根据 ZL50C轮式装载机变速箱总成零部件图样,完成了变速箱总成零部件的参数化仿真设计、装配连接.

1)轮式装载机变速箱总成零部件参数化仿真设计理论性强、速度快、费用低、通用性好,为工程机械研制开发开辟了新途径.实体参数化设计软件 / 为实现工程机械的快速仿真设计、技术分析与性能模拟以及自动化制造提供了完善的 CAD/CAE/CAM工具.

2)变速箱总成零件参数化仿真设计造型为运用相似公式实现样机与新设计机器大小不同的仿真设计(修改已有零件造型参数即可获得新机器零件模型),进行零件的各种计算机技术分析与性能模拟以及数控机床编程无纸自动化制造奠定了基础;变速箱部件总成装配连接为演示零件间的装配连接关系和总成的工作原理,检验组成零部件的结构尺寸合理性和运动干涉性,进行机器部件总体的各种技术分析与性能模拟提供了逼真模型.

3)研究工作对于改变工程机械传统设计与制造计算与绘图的繁复、难以形式化的不足及其囿于二维工程图和手工操作机床制造的落后现状,提高探求工程机械新方案的设计速度和水平具有意义,进一步为工程机械总成零部件及总体的技术分析与性能模拟以及数控机床编程无纸自动化制造奠定了基础.借此可以提高工程机械的质量、性能、更新换代的能力及其市场竞争力.

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