履帶拖拉機雙功率流轉向裝置動態仿真—基于圖像處理和模擬軟件

張定國

(四川交通技師學院 信息工程系,成都 611130)

0 引言

雙功率流轉向機構是一種新型的轉向機構,在國外的大中型履帶式拖拉機、裝甲車和推土機上已經得到了廣泛的應用。雙功率流轉向機構將發動機的功率流分成兩路:一路流向變速箱,一路流向變量泵、定量馬達及控制原件組成的液壓閉式回路。兩路功率流分別通過左右行星排的齒圈和太陽輪進入行星排,由左右行星架輸出,通過兩路功率流的大小和方向的不同組成完成車輛的轉向,從而提高轉彎性能。特別是履帶式拖拉機,雙功率流轉向裝置可以降低履帶轉彎時的磨損和對地面的破壞作用,對于提高拖拉機的綜合性能具有重要的意義。

1 履帶式拖拉機雙功率流轉向裝置及機構仿真介紹

履帶式拖拉機在行走過程中特別是轉彎過程和輪式拖拉機具有明顯的不同,如圖1所示。履帶式拖拉機沒有前后輪支撐,因此在轉向時還需要輔助換向機構,不能直接通過導向輪引導轉向。在進行轉彎時,履帶式拖拉機的兩側履帶由于速度不同,慢邊會在接觸面上產生較大的橫滑,由此產生較大的阻力,對履帶和地面破壞都較為嚴重。

圖1 履帶式拖拉機轉彎示意圖

近年來,國外的一些大中型履帶拖拉機已經開始使用雙功率流差速轉向機構,可以通過兩條途徑將發動機的功率傳遞給驅動輪,從而提高轉彎性能。為了驗證雙功率流在履帶拖拉機上使用的可行性,本次采用動態仿真的方法對其轉彎性能進行測試,并與單功率流轉向性能進行對比,主要流程如圖2所示。

在進行動態仿真時,首先要對轉向機構的結構進行分析,然后將結構進行簡化以利于建模和動態仿真。建模主要采用Pro/E軟件,建立好的模型導入到ADAMS軟件進行動態仿真。由于換向機構存在桿件,需要對其進行柔性分析,還需要結合ANSYS軟件進行模態分析,通過幾種軟件的綜合應用得到合理的計算機結果,最后利用圖像處理技術得到相關的曲線,以便于結果的查看。

圖2 雙功率流轉向裝置動態仿真流程

2 履帶式拖拉機雙功率流轉向裝置原理和性能分析

履帶式拖拉機的雙功率和單功率流轉向裝置相比,除了使用差速直駛機構外,還有一套單獨的轉向機構,該機構和差速直駛機構并列放在一起,在進行轉彎或者直線行駛對方向進行修正時使用。為了進一步說明單功率流和雙功率流轉向裝置的不同,分別列出了兩種轉向裝置的機構布置圖,其單功率流轉向裝置如圖3所示。

圖3 單功率流轉向裝置機構布置圖

單功率流轉向器和普通轉向機構的原理相同,在直線行駛時,轉向機構不產生速度差;在轉向時兩側會產生不同的速度,造成速度差,實現轉向功能。多功率流轉向機構布置圖如圖4所示。

圖4 雙功率流轉向裝置機構布置圖

與單功率流有所不同,雙功率流轉向機構多了一個由發動機提供動力的轉向機構,通過轉向機構調節兩側的速度,實現履帶式拖拉機的轉向功能。轉向機構性能的評價指標有多種,其中常用的兩種是相對轉向半徑和平均旋轉角速度,相對轉向半徑主要和行駛速度及傳動比有關,相對轉向半徑可以用兩側履帶的速度和轉速來表示,即

(1)

其中,n2、n1為兩側履帶驅動輪的轉速,V2、V1為兩側履帶的行駛速度。在進行轉向時,可以通過設置將內側驅動輪減少的速度和外側驅動輪增加的速度相同,其關系式為

(2)

其中,nw2、nw1分別為內側和外側驅動輪的附加轉速,iw為轉向時發動機到驅動輪的傳動比,ne為發動機的輸出轉速。于是可得

(3)

(4)

3 雙功率流轉向裝置動態仿真

為了驗證雙功率流轉向裝置的優越性,可以采用圖像處理和模擬軟件進行動態仿真,來對比單功率流和雙功率流履帶拖拉機的轉彎性能。在進行動態仿真時,不同的建模和模擬軟件具有不同的優點:Pro/E在建模方面功能很強大,ADAMS軟件在動態仿真方面功能較為全面,ANSYS在模態分析方面計算準確性好,可以綜合利用這3種軟件,對得到的結果進行圖像處理,最終確定計算機結果。

如圖5所示:在進行綜合模擬仿真時,可以將Pro/E建立的模型文件分別導入到ADAMS和ANSYS軟件中,導入到ADAMS軟件的文件格式為x_t文件,導入到ANSYS軟件中的格式為igs格式,其模型示意圖如圖6所示。

圖5 軟件綜合模擬仿真

在動態仿真時,轉向機構會產生變形量,需要將模型導入到ANSYS進行模態分析,因而需要施加載荷和約束,載荷和約束可以由ADAMS軟件中導出。ANSYS模態分析完成后可以將模態分析文件再導入到ADAMS軟件中進行動態模擬仿真,在ADAMS軟件中作為柔性體進行仿真。通過仿真計算得到了如圖7所示的結果曲線。

圖6 轉向機構仿真示意圖

圖7 單功率流和雙功率流動態仿真結果

在車速和方向盤轉矩信號一定的條件下,分別對單功率流和雙功率流換向機構進行了動態仿真,并利用圖像處理技術得到了仿真曲線。由仿真結果可以看出:雙功率流換向機構輸出的轉矩較為穩定,可以避免在轉彎時對拖拉機造成硬件損傷,提高轉彎性能。通過仿真計算還得到了完成轉彎所需時間,結果如表1所示。

表1 轉彎所用時間統計

續表1

對轉彎所用時間進行了統計,結果表明:采用雙功率流轉彎完成的效率較高。為了進一步提高雙功率流轉彎機構轉彎的優越性,對其轉彎半徑和轉彎平均角速度進行了計算,得到了如表2所示的結果。

表2 轉彎性能評價

分別對單功率流和雙功率流轉彎的轉彎半徑和轉彎平均角速度進行計算,并得到了多次計算的統計結果。由表2結果對比可以看出:采用雙功率流換向機構可以明顯縮小轉彎半徑,提高轉彎角速度,從而提高履帶拖拉機的轉彎靈活性,對于提高履帶拖拉機的作業效率具有重要的作用。

4 結論

為了提高履帶式拖拉機的轉彎性能,將雙功率流換向裝置引入到了拖拉機轉彎機構的設計上,并利用動態仿真的方法對機構的轉彎性能進行了分析,最后利用圖像處理得到了動態分析的仿真結果。仿真計算結果表明:采用單功率流和雙功率流換向機構都可以實現拖拉機的轉彎,但雙功率流與單功率流相比,在轉彎半徑和轉彎平均角速度方面都要優于單功率流,雙功率流換向裝置對于提高履帶式拖拉機的轉向性能具有重要的意義。