基于可靠性機械傳動鉸接車分動箱設計分析

張鑒隆，葉立清，黃曉明，鄺 蕓

（廣東嶺南職業技術學院，廣東 廣州 510663）

1 引言

國內現有的鉸接車大部分采用采埃孚、艾利遜等國外品牌的變速器或分動箱產品，其技術成熟且性能可靠的優勢不容置疑，但高昂的成本卻直接限制了鉸接車在國內市場的普及與應用[1]，國內相關技術與研究儲備不足，因此，開發一款可靠性高、性能全面且成本上具備優勢的分動箱設計方案不但能夠填補國內空白，積累初期的設計研發技術資料，而且有利于做大國內鉸接車市場，擁有較強的實用意義與廣闊的發展前景。

針對分動箱可靠性設計，國內外學者取得了一定的成果：文獻[2]基于傳統設計法中的安全系數和結構破壞概率之間的內在關系建立的理想數學模型，即應力—強度干涉模型，對分動箱可靠性分析模型初步建立；文獻[3]通過對分動箱傳動系統零部件多種潛在失效模式及其對系統功能的影響，以及后果的嚴重程度進行分析；文獻[4]基于公理化設計，分析分動箱性能需求與各個設計參數間之間的關系；文獻[5]對傳動系統模塊組件進行分解，功能需求與質量指標進行劃分，分析可靠性與相關參數之間的關系。

針對鉸接車運行特點，設計一種具有高低檔位變換、前后輸出端差速及鎖止功能的機械傳動鉸接式自卸車的分動箱。以可靠性為主要設計目標，結合整車性能需求，通過對分動箱結構解析、行星齒輪傳動的參數化和離合器尺寸設計，以及分動箱系統可靠性建模仿真，創新設計行星齒輪系與鎖止離合器相結合的變速結構，實現分動箱高低檔位的切換，遵循結構同一性原則，差速鎖止功能同樣由離合器結構實現。采用Romax對傳動系統進行可靠性壽命分析，以驗證整體方案的運行工作特性。

2 分動箱傳動方案及設計

2.1 分動箱傳動方案

所研究分動箱優化設計前后結構原理，如圖1所示。原設計能夠實現輸入轉矩的增大與分配、前后輸出端差速等功能，能夠滿足基本的運行需求，但簡單的結構也決定其不能實現更多實際中迫切需要的性能[6]，如圖1（a）所示。優化后分動箱傳動原理圖，如圖 1（b）所示。

2.2 分動箱傳動比確定

整車性能曲線使用Matlab軟件繪制，發動機轉矩函數可通過對數據特征點進行五次擬合得到。參照市場中同級別鉸接車產品的動力性與經濟性[7]，按比例計算可得分動箱低檔位與高檔位傳動比之比數值約為1.4左右，分別試取傳動比為1.2、1.3、1.4、1.5、1.6五組數值繪制整車牽引力特性曲線，選擇最佳低速檔取值或其范圍。分動箱低速檔位不同傳動比設置下的整車牽引力特性曲線，如圖2（a）、圖2（d）所示。其中兩條藍色豎線為對應整車空載與滿載質量的牽引力標定線，紅色橫線為對應整車爬坡度的阻力標定線，藍色斜線為不同爬坡度下的阻力基準線，配合藍色豎線查閱。可以看出傳動比選擇越小整車爬坡能力越弱且最高車速越高，傳動比選擇越大整車爬坡能力越強且最高車速越低。

圖2 分動箱低速檔位不同傳動比設置整車牽引力特性曲線Fig.2 Different Transmission Ratio Set Vehicle Traction Characteristics Curve

對比牽引力特性曲線，主要參考點為25%坡度爬坡速度、最大爬坡度估計值以及后備功率估計值。要求整車最高車速至少能達到38km/h性能要求[8]。如圖可知（1.3～1.5）傳動比范圍的曲線較為符合整車性能要求，同時通過Matlab進一步計算可以得到符合要求的分動箱低檔位傳動比選擇范圍約為（1.33～1.47），因此下一步設計應為選擇合理的傳動布置方案以將分動箱低檔位傳動比控制在此范圍內。

2.3 分動箱關鍵系統部件設計

在新方案原理圖基礎上設計分動箱總體裝配圖，如圖3所示。

圖3 分動箱新方案傳動裝配Fig.3 Schematic Diagram of the New Assembly Drive Assembly

2.3.1 行星齒輪系

分動箱變速行星齒輪系各齒輪設計參數列表，如表1所示。依據表中數據對各齒輪進行接觸與彎曲強度校核。

表1 分動箱變速行星齒輪系齒輪參數Tab.1 Gearbox Gears for Variable Speed Planetary Gears

2.3.2 離合器

分動箱設計的離合器結構選用摩擦盤式離合器，靜摩擦力矩 Tc為

摩擦盤構造一般為環形，對摩擦面作用半徑進行微積分計算可得摩擦片的平均摩擦半徑為

當摩擦盤內徑與外徑比值d/D≥0.6時，摩擦片摩擦半徑為：

而摩擦面承受的單位壓力為：

將式（4）與式（3）代入式（2）得：

式中：c—摩擦片內、外徑之比=d/D。

設計時Tc應大于輸入端的最大轉矩，即：

離合器結構形式和摩擦片材料確定[10]，輸入轉矩T輸入已知的前提下，結合式（5）和式（6），適當選取后備系數β和單位壓力p0，可計算摩擦片外徑估算值：

本分動箱離合器采用濕式摩擦盤式離合器，此結構離合器具有磨擦因數小、磨擦片數多、單位壓力大、散熱性能好的特點，具有較為穩定的工作性能與可靠性。

3 分動箱建模分析

使用Romax對分動箱傳動系統進行建模能夠完成對整體傳動系的動力系統仿真。

3.1 分動箱齒輪可靠性設計

首先研究差速行星齒輪系的行星齒輪受力情況，差速行星齒輪的各檔位接觸應力、彎曲應力及相應的安全系數，如圖4（a）～圖4（c）所示。在變速箱第1檔位分動箱受力最大。

圖4 分動箱傳動系差速行星齒輪全壽命仿真Fig.4 Life Cycle Simulation of Differential Planetary Gears

變速行星齒輪系的行星齒輪受力情況，如圖5（a）～圖5（c）所示。變速行星齒輪的各檔位接觸應力、彎曲應力及相應的安全系數，在變速箱第1檔位時，行星齒輪承受最大載荷，但其受力狀態好于差速行星齒輪，由于其受力狀態同差速行星齒輪類似，總體看來變速行星齒輪受力狀態優于差速行星齒輪。

圖5 分動箱傳動系變速行星齒輪全壽命仿真Fig.5 Full Life Simulation of Variable Speed Planetary Gears

3.2 分動箱軸承可靠性設計

對分動箱傳動系統Romax模型進行全壽命仿真，變速行星齒輪軸承各檔位損傷比，如圖6所示。

圖6 變速行星齒輪軸承各檔位損傷比Fig.6 Shift Gear Bearing the Gear Damage Ratio

由數據可以看出第1檔位對軸承造成的損傷貢獻了整個損傷比的60%，因此可知變速行星齒輪軸承的損傷主要由于低檔位大扭矩。

4 結論

機械傳動鉸接車因其運行環境惡劣、工況復雜多變的特點，傳動系設計需考慮載荷重、沖擊大等特性，因此對分動箱傳動系統的可靠性設計意義重大。結合鉸接車實際運行工況，確定載荷分布規律，針對整車性能需求對分動箱改進前方案進行合理改進，完成分動箱新方案的整體可靠性設計，結果可知：（1）創新使用傳統的安全系數法與可靠性評價指標結合的設計方法對分動箱變速與差速行星齒輪系、離合器等關鍵零部件進行可靠性設計，在保證系統可靠運行的前提下，盡量減小分動箱整體尺寸、轉動慣量等參數，提高其經濟性指標；（2）對分動箱傳動系統進行Romax虛擬樣機模型的建立，通過工況運行驗證了模型的正確性，并對齒輪與軸承進行仿真分析，驗證了齒輪參數與軸承型號的選擇滿足設計要求。