四輪驅動田園搬運管理機分動器的設計與仿真分析

劉建軍，王孝鵬，陳志堅，劉玉西

(1.三明學院 機電工程學院，福建 三明 365004；2.福建省宇辰農林機械有限公司，福建)

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四輪驅動田園搬運管理機分動器的設計與仿真分析

劉建軍1，王孝鵬1，陳志堅2，劉玉西2

(1.三明學院 機電工程學院，福建 三明 365004；2.福建省宇辰農林機械有限公司，福建)

摘要：針對緊湊小機型的前后四驅車(機)的要求，以及輸入軸和前、后輸出軸的中心距較小，傳動系中心相錯開較遠的無法實現前、后驅動，研發了并授權了新型專利--牙嵌式鏈條傳動的分動器(CN201320708443.7)，對此我們進行了了相關的設計，并借助于ABAQUS軟件建立四輪驅動田園搬運管理機分動器的有限元模型并對其進行動力仿真分析，考察第一接觸力、第二接觸力、第三接觸力的應力特性.分析結果表明，第一接觸力在接觸的瞬間非常大，頻率25Hz以下的振幅較大，在此頻率范圍內容易與其他系統發生共振，因此要在后期工作中對關鍵零部件進行優化；第三接觸力有明顯的間隔脈沖力，這主要時由于QS-3BY-9C1型號田園搬運管理機單缸四沖程發動機的不間斷的點多所導致.

關鍵詞：四輪驅動；田園搬運管理機；分動器；仿真分析

福建山地、丘陵占全省總面積的80%以上，素有“八山一水一分田”之稱.山地丘陵面積有1 000萬公頃左右，約占土地總面積85%，海拔一般較低，較便于開發利用.山地丘陵林業基礎較好，現有林面積8 410萬畝.福建省有比較優勢的水果、食用菌、疏菜、茶葉等出口呈現良好的發展勢頭，累計出口46.5億美元，占全省農產品出口總額的9成.對于這些優勢作物來講每年的運輸成本(包括樹苗、化肥、農產品等)達到作業成本的30%左右.2011 年農機化“十二五”規劃指出：目前存在的主要問題是丘陵山區和薄弱環節機械化發展滯后.因此主攻薄弱環節機械化就成為“十二五”規劃的重要指導思想[1].

目前市面上的一些中型前后四驅農用車輛，其分動器結構一般采用箱體，內部由輸入花鍵軸、前、后輸出花鍵軸、花鍵套和操縱機構組成，其外部結構由外箱體組合而成[2]，這種結構的缺點是：1、輸入軸和前、后輸出軸的中心距較小，無法實現前、后驅動傳動系中心相錯開較遠的車子特性要求；2、由于箱體較大，空間占據也大，無法滿足緊湊小機型的前后四驅車(機)的要求，限制了小機型四驅車(機)的市場開發.3、特別是無法滿足農村、農業、農民的“三農”對田園搬運管理機小機型的實際需求[3].為此，我們進行了新型—牙嵌式鏈條傳動的分動器的設計與仿真.

1設計要求與設計參數

1.1　設計要求

四輪驅動實現的核心就是分動器的設計，也就是要把發動機輸出的動力經過變速箱減速增扭后傳遞給前驅動橋，因此需要增加一個分動器.分動器也是動力傳動系統，它單獨固定在車架上，其輸入軸與變速器的輸出軸相連接，分動器的輸出軸可以有若干根，分別經萬向傳動裝置與各驅動橋相連.對分動器的設計要求要滿足以下幾點：

(1) 便于制造、使用、維修以及質量輕、尺寸緊湊；

(2) 保證車輛必要的動力性和經濟性；

(3) 換檔迅速、省力、方便；

(4) 工作可靠.不得有跳檔及換檔沖擊等現象發生；

(5) 分動器應有高的工作效率；

(6) 分動器的工作噪聲低；

我們分動器設計的總體方案是分動器無差速器，從變速器輸出的扭矩直接被傳遞到一個橋上.如果在行駛中，輪胎發生打滑時，就接通第二橋，兩輸出橋成剛性連接.

1.2　設計參數

本設計是根據宇辰農林機械生產的QS-3BY-9C型號“爬山虎”而開展的，設計中所采用的相關參數均來源于此種車型，具體參數如下所示：

最大輸入轉速：2 000 r/min；

最小輸入轉速：313 r/min；

發動機最大轉矩 42 N·m

最高車速30 km/h

輪胎規格 6.00～12人字花紋

整備質量 990 kg

最大載重 1 655 g

主減速器傳動比 5.125

分動器傳動比1.00

輸入最大轉矩269 N·m

分動器的主要參數(中心距、鏈傳動、軸徑等)選擇可按照變速器的參數選擇計算公式進行.

2牙嵌式鏈條傳動的分動器設計

我們申報并授權了新型專利—牙嵌式鏈條傳動的分動器(CN201320708443.7).

如圖1所示，它包括驅動主動軸1、驅動從動軸2、主動軸聯軸器3、與主動軸聯軸器3拆合連接的從動軸聯軸器4、主動軸軸承5、從動軸軸承6、軸套7、用于與前傳動軸總成31 連接的從動軸法蘭8、與變速箱總成32 連接并被驅動的鏈條9、與鏈條9 配合的鏈輪10、控制從動軸聯軸器4 與主動軸聯軸器3 離或合的撥動裝置；所述的驅動從動軸2、從動軸聯軸器4、主動軸聯軸器3、驅動主動軸1依序設置在軸套7 內，驅動從動軸2、驅動主動軸1 分別通過從動軸軸承6、主動軸軸承5 固設于軸套7 內，驅動從動軸2 與從動軸聯軸器4 固定連接，主動軸聯軸器3、驅動主動軸1 固定連接，驅動從動軸2 的另一端固設有從動軸法蘭8，驅動主動軸1 的另一端固設有鏈輪10；在軸套7 與主動軸聯軸器3 的外側壁上設有通孔；撥動裝置設置在軸套7 壁上并通過通孔延伸至軸套7 內與主動軸聯軸器3 連接.鏈條9 被變速箱總成32 驅動的方式較多，例如在變速箱總成32上也設有鏈輪，鏈條設置在鏈輪上.

圖1　牙嵌式鏈條傳動的分動器

所述的撥動裝置包括復位彈簧21、滑片22、固定螺栓23、滑動螺栓24、連桿25；軸套7 的外側壁、沿從動軸聯軸器4 至主動軸聯軸器3 的方向上分別設有連桿、滑片22、復位彈簧21；滑片22 位于通孔外，在換片上設有沿從動軸聯軸器4 至主動軸聯軸器3 的方向的滑動孔，所述的固定螺栓23 穿過滑動孔將滑片22 進行限位，所述的滑動螺栓24 設置于滑片22 上且穿過通孔與主動軸聯軸器3 連接.

工作原理如下：變速箱總成32 驅動鏈條9 轉動，進而帶動驅動主動軸轉動，通過傳動，帶動驅動從動軸轉動，由于與前傳動軸總成31 連接的從動軸法蘭8，且從動軸法蘭8 與驅動從動軸固定連接，最終前傳動軸總成被帶動驅動.

我們針對牙嵌式鏈條傳動的分動器進行了鏈傳動、牙嵌式離合器、驅動主軸、軸承等主要零部件尺寸參數的選擇和相關的設計計算.

3仿真分析

為了適應福建地區丘陵地帶特征，三明學院與福建省宇辰農林機械有限公司合作研發的QS-3BY-9C1型號爬山虎為改進型四輪驅動.在高速機動性較好路面行駛時，采用后橋驅動；當進入田間作業及在丘陵地帶行駛時采用四輪驅動.分動器在接入及傳動過程中，結合、分離的瞬時沖擊及不平衡的震動對傳動軸的影響非常大，在長期的使用過程中容器造成應力集中、疲勞損壞等[4-5].為此對分動器進行多體動力學分析，把齒輪傳動軸及接合器的沖擊載荷提取出來對其進行分析驗證[6-7].分動多體動力學模型如圖2所示.

圖2　分動器動力學模型

分動器主要包括輸入軸、接合器及輸出軸三部分.輸入軸與前法蘭盤施加接觸約束，靜態接觸系數為0.1，滑移動態接觸系數為0.3；法蘭盤與地面之間用旋轉副約束，在旋轉副上施加驅動力為每分鐘450轉.接合器之間、接合器與輸出軸之間施加接觸約束，靜態接觸系數為0.1，滑移動態接觸系數為0.3；輸入軸、輸出軸與四個滾子軸承之間施加旋轉副，四個滾子軸承與分動器殼體直接施加固定約束；分動器殼體與大地之間施加固定約束.分動器模型共22個自由度.

法蘭盤與輸入軸之間為第一接觸力，接合器之間為第二接觸力；接合器與輸出軸之間為第三接觸力.旋轉副4、5分別為輸入軸和輸出軸與滾子軸承之間的摩擦力.接觸力及對應頻譜圖、旋轉副摩擦力如圖3～9所示.

t/s圖3　第一接觸力

f/Hz圖4　第一接觸力頻譜圖

t/s圖5　第二接觸力

f/Hz圖6　第二接觸力頻譜圖

t/s圖7　第三接觸力

f/Hz圖8　第三接觸力頻譜圖

t/s圖9　旋轉副4、5摩擦力

第一接觸力在接觸的瞬間非常大，頻率25 Hz以下的振幅較大，在此頻率范圍內容易與其他系統發生共振，因此要在后期工作中對關鍵零部件進行優化；第二與第三接觸力有間隔脈沖力，第三接觸力尤為明顯，這主要時由于QS-3BY-9C1型號爬山虎單缸四沖程發動機的不間斷的點多所導致.旋轉副摩擦力在接觸的瞬間較大，在后期有間隔的小振幅脈沖，主要是由于在接觸瞬間沖擊力較大，小幅脈沖振動是由發動機的間隔點火震動及車身震動所導致.

4結論

本文針對緊湊小機型的前后四驅車(機)的要求，以及輸入軸和前、后輸出軸的中心距較小，無法實現前、后驅動傳動系中心相錯開較遠的車子特性，研發了牙嵌式鏈條傳動的分動器并獲得國家專利的授權，專利號為CN201320708443.7.

同時對分動器進行了三維建模，并對其進行了相關的動力學分析，分析結論：第一接觸力在接觸的瞬間非常大，頻率25Hz以下的振幅較大，在此頻率范圍內容易與其他系統發生共振，因此要在后期工作中對關鍵零部件進行優化；第二與第三接觸力有間隔脈沖力，第三接觸力尤為明顯，這主要時由于QS-3BY-9C1型號爬山虎單缸四沖程發動機的不間斷的點多所導致.旋轉副摩擦力在接觸的瞬間較大，在后期有間隔的小振幅脈沖，主要是由于在接觸瞬間沖擊力較大，小幅脈沖振動是由發動機的間隔點火震動及車身震動所導致.

參考文獻：

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[3]洪昊，王孝鵬，吳龍．基于ABAQUS的某農用車不等臂鋼板彈簧有限元顯式動力分析[J]．太原大學學報,2014(3):138-140.

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[5]梁俊青,張莉.汽車分動器內部流場的數值模擬[J].農業裝備與開發,2014,(6):61-62.

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Simulation Analysis and Design of Transfer Box for Four-wheel

Drive Vehicles in Mountain and Hill Transportation Machine

LIU Jian-Jun1,WANG Xiao-Peng1,CHEN Zhi-Jian2,LIU Yu-Xi2

(1.School of Mechanical & Electronic Engineering,Sanming University,Sanming City 365004,China；2.Yu Chen Agroforestry Mechanical co.,LTD)

Abstract:The paper has developed the tooth type of chain transmission transfer (patent no.CN201320708443.7).It mainly solve the problem of small four-wheel drive machine that its structure is compact,and input shaft and front and rear Shafts output shaft of the center distance is small,and transmission system center is stagger far distance.First the transfer of structure has design,then establish finite element model of transfer box for four-wheel drive vehicles in mountain and hill transportation machine and carried on the dynamic simulation analysis by ABAQUS software,finally received at first contact force,the second contact force,stress of the third contact force characteristics.Analysis results show that the first contact force moment in contact is very big,25 hz frequency amplitude is bigger,in this frequency range is easy to resonate with other systems,thus to optimize the key parts in the later work.The third contact force has obvious interval impulse force,when this is mainly due to the QS - 3 by - 9 c1 model rural transport management machine more than single cylinder four stroke engines of uninterrupted points as a result.

Key words:four-wheel drive；rural transport machine；transfer gear；simulation analysis

文章編號：1007-2853(2015)11-0038-04

通信作者：*趙云偉，E-mail:jluzyw@163.com

作者簡介：劉曉敏(1980-)，女，吉林省吉林市人，北華大學講師，博士，主要從事機械設計及機器人等方面的研究.

基金項目：吉林省科技發展計劃項目(20150520109JH)；吉林省教育廳“十二五”科學技術研究(20150158)；吉林市科技創新發展計劃項目(201464043),(20156413)

收稿日期：2015-07-20

中圖分類號：U 463.33

文獻標志碼：A DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.009